RE pre 4 zrak - lab.fs.uni-lj.silab.fs.uni-lj.si/kes/raba_energije/re-predavanje-04.pdf · relokacija zajema zraka za kompresor – kompresor obratuje bolj učinkovito če je zrak

1

UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO

Katedra za energetsko strojništvo

Raba energije

Poraba energije za proizvodnjo stisnjenega zraka (pogon kompresorjev in puhal) predstavlja izredno velik delež v industrijski porabi električne energije. Stisnjen zrak se uporablja praktično pri vsaki proizvodnji – kovanje, vijačenje, aeracija, transport, krmiljenje, razprševanje, čiščenje, napihovanje plastenk in tudi kot reagent v kemični in farmacevtski industriji. Za velik del industrije predstavlja stisnjen zrak osnovni energent, kot npr. zemeljski plin.

Stisnjen zrak je draga oblike energije (“drag energent”). Tipični sistemi za komprimiranzrak obratujejo do 8000 ur letno s specifičnimi parametri: proizvodnja ~150 l/min pri tlaku ~7 bar (nadtlak) in spec. električni moči 1 kW. Če seštejemo amortizacijske in obratovalne stroške, ugotovimo, da je stisnjen zrak 4 do 5 krat dražji od električne energije.

Z varčevalnimi ukrepi lahko prihranimo od 10 do 50 % električne energije in to v treh področjih:

a) kompresor in njegov način obratovanja

b) mreža oz. distribucijski sistem

c) končna uporaba/neuporaba stisnjenega zraka

Stisnjen zrak



Raba energije

Delovna področja različnih vrst kompresorjev: A-batni kompresorji, B-rotacijski kompresorji,C-batne in rotacijske vakuumske črpalke,Č-turbinski kompresorji, D-turbinske vakuumske črpalke

Stisnjen zrak

2



Raba energije

Stisnjen zrak – kompresorska postaja

odvod komprimiranegazraka



Raba energije

Stisnjen zrak – razvod

dovod komprimiranegazraka

3



Raba energije

Stisnjen zrak – razvod

zgornji odjem!



Raba energije

Stisnjen zrak – dodatne naprave

Sušilnik

problemi zaradi kondenza v sistemu stisnjenega zraka:

1. izpiranje maziva

2. povečana obraba in vzdrževanje

3. motnje v delovanju regulacijskih ventilov in cilindrov

4. težave v kontrolnih napravah

5. onesnaženje/kvarjenje proizvodov

6. korozija

7. zamrzovanje v zunanjih vodih

8. zmanjšan izkoristek in težave v pnevmatskih orodjih

4



Raba energije

Stisnjen zrak – energijski izkoristek pretvorbe

določimo idealni energijski izkoristek pretvorbe: a) izentropna kompresija, b) izobarno ohlajanje na začetno temperaturo, c) izentropna ekspanzija. Tlačno razmerje p2/p1 = = 8, t1 = 20 °C (293 K), p1 = 1 bar

temperatura po kompresiji

tehnično delo izentrope

sledi izobarno ohlajanje na začetno temperaturo in nato izentropnaekspanzija do začetnega tlaka 1 bar

)( 12

2

1

TTcdpvw pt

k

kkk

p

p

T

T 1/)1(

1

2

1

2

→ T2 = 531 K (258 °C)

→ wkomp = 239 kJ/kg

temp. po ekspanziji → T4 = 161,6 K (-111,5 °C)

pridobljeno delo → weksp = 132 kJ/kg

v idealnem primeru lahko torej

pričakujemo izkoristek%55

239

132100100

komp

eksp w

w



Raba energije


Sušilnik

glavnina kondenza se izloči v naknadnem hladilniku ali v tlačni posodi, ko se stisnjen zrak ohladi. Včasih pa je zrak potrebno še dodatno osušiti. Zato imamo na voljo tri vrste sušilnikov:

- z dodatnim hlajenjem na nižjo temperaturo, znižamo temperaturo rosišča do 2 °C

- kemično, z raznimi absorberji vlage, ki se kasneje regenerirajo (soli, silikagel, alkohol,...), temperaturo rosišča znižamo do -70 °C

- adsorbcijo v poroznem materialu, sušilu, ki ga regeneriramo s prepihavanjem vročega zraka, temperaturo rosišča znižamo do -40 °C

5



Raba energije


Filtri

nameščeni na sesalni strani kompresorja, suhi, mokri, oljna kopel

Tlačne posode

večji volumen, deluje kot tlačni akumulator in dušilnik pulzacij, ki izvirajo iz kompresorja

Hladilniki

nameščeni takoj za kompresorjem, namenjeni izločanju kondenza za razbremenitev sušilnika. Obstajajo suhi zračno hlajeni in vodno hlajeni hladilniki.



Raba energije

Stisnjen zrak – učinkovito obratovanje

Obstaja malo sistemov, kjer pravilno vzdrževanje tako močno vpliva na porabo energije. Letni vzdrževalni stroški dosegajo do 5 % začetne investicije, obratovalni pa do 20 % investicije.

Osnovni ukrepi so:

- ugotavljanje učinkovitosti/zmogljivosti kompresorja,

- testiranje tesnosti celotnega sistema (npr. med vikendom, ko ni koristne porabe se vsa poraba porabi za netesnosti)

- tlačni padci na vstopnih filtrih

- meritve tlakov na raznih mestih mreže med obratovanjem (prenizek tlak na oddaljenih lokacijah pomeni višji osnovni tlak in večjo porabo energije)

6



Raba energije


- meritve tlakov na raznih mestih mreže med obratovanjem (prenizek tlak na oddaljenih lokacijah pomeni višji osnovni tlak in večjo porabo energije),

- diagram velja za enostopenjske kompresorje

zniževanje tlaka v sistemu

9,2

9,2



Raba energije


- netesnosti sistema lahko povzročajo 30 do 50 % izgube. Netesnost se lahko pojavi kjerkoli. Večina sistemov ima ~ 20 % netesnost

- vretena ventilov

- filtri

- spoji, prirobnice, vijačni spoji

- protipovratni ventili

- odvajalniki kondenza

- hitri bajonetni spoji

- aktuatorji na regulacijskih ventilih

- ventili za praznjenje, varnostni ventili

tesnost sistema

7



Raba energije


ocena izgub pri tlaku zraka 6 bar

odprtina pretok moč

mm m3/min kW

1 0,06 0,3

3 0,6 2,1

5 1,6 8,3

10 6,3 33

tesnost sistema

ultrazvočni detektor puščanja



Raba energije


zmanjšana raba stisnjenega zraka – nadomestitev s cenejšim energentom, hidravliko, električnim pogonom,...

avtomatski nadzor in vodenje – samodejno prilagajanje tlaka komprimiranjaglede na trenutne potrebe sistema

uporaba pogonskih elektro motorjev z visokim izkoristkom – kompresorski sistemi obratujejo povprečno po 4000 letno in zato je smiselno uporabljati visoko učinkovite elektro motorje za pogon

moč, kW stand. izkoristek % vis. izkoristek %

5 82,5 89,5

50 89,5 94,1

200 91,7 96,2

ukrepi za racionalno rabo energije 1

8



Raba energije


uvedba regeneracije toplote – toplota je soproizvod kompresije. Pri ohlajanju na temperaturo okolice, stisnjen zrak odda 60-90 % vložene energije v obliki toplote.

Tipična uporaba odpadne toplote za:

- segrevanje zraka ki izstopa iz sušilnika (hladilnika)

- regeneracija sušilnih sredstev iz sušilnikov

- segrevanje prostorov, priprava tople vode

- procesna toplota, segrevanje zgorevalnega zraka




Raba energije


relokacija zajema zraka za kompresor – kompresor obratuje bolj učinkovito če je zrak na vstopu čim gostejši. Gostejši zrak pomeni večji masni tok in relativno manjšo porabo energije za komprimiranje pri enakih tlačnih razmerah in volumenskem toku kompresorja.

prihranki energije glede na razmere pri 20 °C

temperatura, °C poraba energije, %

0 -7,5

10 -3,8

20 0

30 +3,8

40 +7,5


zmanjšanje

povečanje

9



Raba energije


modifikacija razvoda – po nekaj letni uporabi sistema se pojavijo nove potrebe, ki se pokrivajo z enostavnimi dograditvami in razvejanjem sistema, kar pa lahko povzroči bistveno poslabšanje karakteristik razvodne mreže.

Po nekaj letni uporabi in izvedenih modifikacijah na razvodu, je potrebno ponovno analizirati razvodno mrežo in po potrebi modificirati glavni razvod.

Za glavni vod je smiselno, da je predimenzioniran, ne samo zaradi zmanjševanja tlačnih padcev, ampak tudi zaradi akumulacije stisnjenega zraka. Če je le mogoče je najboljša izvedba glavnega voda v obliki zaključene zanke.




Raba energije



10



Raba energije


dodatne tlačne posode – so sistemi, kjer se pojavljajo kratkotrajne velike konične porabe stisnjenega zraka in to npr. na oddaljenem koncu mreže. Običajna napaka je vgradnja dodatnega kompresorja za pokrivanje konic.

Tak ukrep povzroča dodatne izgube energije zaradi: - obratovanje dodatnega kompresorja viša konično porabo el. energije - sušilnik ne zmore ustrezno osušiti konične porabe

Bolj učinkovito je za kratkotrajne konice prigraditi dodatne tlačne posode –akumulatorje v bližini konične porabe. Ta rešitev je primerna za konične porabe, ki trajajo od 10 s do 20 s.


21

0

pp

pCtV

t – čas konice

C – poraba

p0,1,2 – tlak okolice, začetni, končni



Raba energije


vgradnja frekvenčnih regulatorjev na pogonskih motorjih – zmogljivost kompresorskega sistema navadno reguliramo z: a)start-stop, b)prostim tekom.

Obe metodi imata pomanjkljivosti: a) stalni zagoni velikih elektromotorjev povzročajo konično porabo el. energije in poleg tega tlak v sistemu stalno niha. b) Obratovanje razbremenjenega elektromotorja prav tako povzroča dodatno porabo energije in viša porabo jalove energije

Vgradnja frekvenčnih regulatorjev omogoča zvezno prilagajanje potrebam –TODA mora biti odobrena/predvidena s strani proizvajalca!


3

1

2

1

2

2

1

2

1

2

1

2

1

2 ,,

n

n

P

P

n

n

p

p

n

n

V

V

enačbe veljajo za turbo kompresorje

V – pretok

P – moč

p – tlak

n – vrtljaji

11



Raba energije


segrevanje zraka po izstopu iz sušilnika – zrak iz hladilniškega sušilnika ima temperaturo ~0 °C in relativno vlažnost ~100 %, zato se kondenz lahko še kje izloča in povzroča težave. Temu se ognemo s segrevanjem – npr. regeneracijo toplote kompresije, toplote mazalnega olja kompresorja,..

Zvišanje temperature zraka pomeni tudi večanje volumna in zmanjševanje porabe.




Raba energije


profil porabe – pri zamenjavi/načrtovanju sistema stisnjenega zraka je smiselno izdelati dnevni profil porabe stisnjenega zraka. Vsak kompresor ima najboljši izkoristek blizu polne obremenitve.

Če samo seštejemo vse možne porabe stisnjenega zraka določimo prevelik kompresor, ki bo deloval zunaj optimuma. Zato si za dimenzioniranje mreže, velikosti tlačnih posod,…, pomagamo s profilom dnevne porabe.


12



Raba energije


tip kompresorja – poraba energije je odvisna tudi od tipa/vrste kompresorja




Raba energije


večstopenjska kompresija z vmesnim hlajenjem – skupno tehnično delo je najmanjše, če so tlačna razmerja v vseh stopnjah enaka


13



Raba energije


večstopenjska kopresija – pri večstopenjski kompresiji z vmesnim hlajenjem dobimo občutne prihranke energije/dela za kompresijo. Razlog je v približevanju izotermni kompresiji.

ukrepi za racionalno rabo energije 11a

vloženo delo, ki se v primeru enostopenjske izentropnekompresije pretvori v toploto



Raba energije

Stisnjen zrak

osnovni elementi - Filter

14



Raba energije

Stisnjen zrak

osnovni elementi – Regulator tlaka (reducirni ventil) 1

karakteristika regulatorja tlaka pri vstopnem tlaku stisnjenega zraka 10 bar



Raba energije

Stisnjen zrak

osnovni elementi – Regulator tlaka (opis) 2

15



Raba energije

Stisnjen zrak

osnovni elementi – Oljni pršilnik 1



Raba energije

Stisnjen zrak

osnovni elementi – Oljni pršilnik 2

16



Raba energije


1. obremenitev kompresorja naj bo čim bližje polni zmogljivosti

2. instaliraj več kompresorjev, če se uporabljajo različni tlaki (izogibaj se dušenju večjih količin stisnjenega zraka)

3. izkoristi odpadno toploto kompresije

4. razvodna napeljava zraka naj bo čim večjega premera, da so tlačni padci čim manjši

5. minimiziraj puščanje – netesnosti sistema

najpomembnejša splošna načela

Documents

RE pre 4 zrak - lab.fs.uni-lj.silab.fs.uni-lj.si/kes/raba_energije/re-predavanje-04.pdf · relokacija zajema zraka za kompresor – kompresor obratuje bolj učinkovito če je zrak