ZAMENJAVA OBSTOJEČIH TOPLOTNIH PRENOSNIKOV IN …

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA KEMIJO IN KEMIJSKO TEHNOLOGIJO

Oţbej Goričan

ZAMENJAVA OBSTOJEČIH TOPLOTNIH PRENOSNIKOV IN NJIHOVA MODIFIKACIJA V

OBRATU ROČNO ORODJE, UNIOR D.D.

Diplomska naloga

Maribor, november 2011

Zamenjava obstoječih toplotnih prenosnikov in njihova modifikacija v obratu ročno orodje, Unior

d.d. Stran II

Diplomsko delo visokošolskega strokovnega študijskega progama

ZAMENJAVA OBSTOJEČIH TOPLOTNIH PRENOSNIKOV IN NJIHOVA MODIFIKACIJA V

OBRATU ROČNO ORODJE, UNIOR D.D.

Študent: Oţbej Goričan

Študijski program: Kemija in kemijska tehnologija

Predvideni strokovni naslov: dipl. inţ. kem. tehnol.

Mentor: doc. dr. Anita Kovač Kralj

Somentorica: izr. prof. dr. Andreja Goršek

Maribor, oktober 2011

Zamenjava obstoječih toplotnih prenosnikov in njihova modifikacija v obratu ročno orodje,

Unior d.d. Stran III

IZJAVA

Izjavljam, da sem diplomsko delo izdelal sam, prispevki drugih so posebej označeni.

Pregledal sem literaturo iz področja diplomskega dela po naslednjih elementih:

Vir: ISI Web of Science

Gesla: heat exchanger, modification

Skupine gesel (unija itd.): Modification of heat exchanger

Časovno obdobje: Od leta 1985 do leta 2011

Število referenc: 15

Število prebranih izvlečkov: 10

Število prebranih člankov: 13

Število pregledanih knjig: 11

________________

Maribor, november 2011 podpis študenta


Unior d.d. Stran IV


Unior d.d. Stran V

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorici doc. dr. Aniti Kovač

Kralj za pomoč in vodenje pri opravljanju

diplomskega dela. Prav tako se zahvaljujem tudi

somentorici izr. prof. dr. Andreji Goršek.

Za strokovno pomoč v podjetju Unior d.d. se

zahvaljujem dipl. ing. Andreji Hasenbichel, Ireni

Stupan in Štefki Petek Kovše.

Posebna zahvala gre mojim staršem, ki so mi

omogočili študij in me ob tem podpirali.


Unior d.d. Stran VI

ZAMENJAVA OBSTOJEČIH TOPLOTNIH PRENOSNIKOV IN

NJIHOVA MODIFIKACIJA V OBRATU ROČNO ORODJE, UNIOR

D.D.

Povzetek

Unior d.d. je kovinsko predelovalno podjetje, ki se danes ukvarja z izdelavo kovanih in

sintranih izdelkov za avtomobilsko industrijo, izdelavo ročnega orodja, strojegradnjo in

turizmom.

V tej diplomski nalogi, smo za podjetje Unior d.d., za obrat Obdelovalnica na novo

izračunali pretoke in iztočne temperature grelne vode ob zamenjavi obstoječega

toplotnega prenosnika na proizvodni liniji za mangan-fosfatiranje. S programom Aspen

Plus smo izračunali obratovalne parametre za različne moţne postavitve, pri različnih

vtočnih temperaturah grelne vode in pri različnih temperaturah delovne raztopine.

Na osnovi simulacij predlaganih postavitev smo izbrali najboljšo moţno, ki ne bo motila

delovne operacije pri čiščenju toplotnih prenosnikov, prav tako pa ne bo imela vpliva na

ostale delovne procese omenjene proizvodne linije.

Ključne besede: toplotni prenosnik, rekonstrukcija, Apen Plus, modifikacija toplotnih

prenosnikov

UDK: 66.042.88(043.2)


Unior d.d. Stran VII

THE REPLACMENT OF EXISTING HEAT EXCANGERS AND THEIR

MODIFICATION IN THE PLANT HAND TOOLS, UNIOR D.D.

Abstract

Unior d.d. is the metal-processing company, today engaged in the manufacture of forged

and sintered products for automotive, hand tool, engineering and tourism.

In this diploma thesis, we calculated flow rates and outlet temperatures of the heating

water when replacing an existing heat exchanger on the production line for manganese-

phosphathing, for Unior d.d. company. With the program Aspen Plus, we simulated the

operating parameters for the various possible layouts at different inlet temperatures of the

heating water and at different temperatures of the working solution.

Based on simulation results for different alternatives, the best possible one has been

choosen. The proposed layout will not interfere with working operations during the

cleaning of heat exchangers, and also it will not influence any other working process on

that production line.

Key Words: heat exchanger, reconstruction, Aspen Plus, modification of heat

exchangers

UDK: 66.042.88(043.2)


Unior d.d. Stran VIII

VSEBINA

1 UVOD ........................................................................................................................ 1

1.1 Unior d.d. ............................................................................................................. 1

1.2 Opis problema in namen diplomskega dela ......................................................... 3

2 TEORETIČNE OSNOVE ........................................................................................... 6

2.1 Fosfatne prevleke in fosfatiranje .......................................................................... 6

2.2 Opis linije ............................................................................................................. 9

2.3 Toplotni prenosniki in dimenzioniranje ............................................................... 13

2.4 Aspen Plus ........................................................................................................ 17

3 REZULTATI IN RAZPRAVA .................................................................................... 19

3.1 Obstoječe stanje in moţna zamenjava ............................................................... 19

3.2 Poenostavitev z Aspen Plus-om ........................................................................ 22

3.3 Obstoječe stanje v kadi za čiščenje in kadi za mangan-fosfatiranje ................... 22

3.4 Nove postavitve ................................................................................................. 25

3.4.1 Nova postavitev z enim toplotnim prenosnikom, segrevanjem delovne

raztopine na 70°C in temperaturo grelne vode 100°C ................................... 25


raztopine na 75°C in temperaturo grelne vode 100°C ................................... 26


raztopine na 70°C in temperaturo grelne vode 95°C..................................... 27


raztopine na 75 °C in temperaturo grelne vode 95 °C ................................... 28

3.4.5 Postavitve z dvema toplotnima prenosnikoma .............................................. 29

3.4.6 Preverjanje površine pri najoptimalnejši postavitvi ........................................ 29


Unior d.d. Stran IX

4 SKLEP .....................................................................................................................31

5 VIRI ..........................................................................................................................32

6 PRILOGE .................................................................................................................33

6.1 Priloga 1: Obstoječe stanje.................................................................................33

6.2 Priloga 2: Nova postavitev z enim toplotnim prenosnikom, segrevanjem delovne

raztopine na 70 °C in temperaturo grelne vode 100 °C........................................35


raztopine na 75 °C in temperaturo grelne vode 100 °C........................................37


raztopine na 70 °C in temperaturo grelne vode 95 °C. ........................................39

7 ŢIVLJENJEPIS .........................................................................................................41


Unior d.d. Stran X

SEZNAM SLIK

Slika 1-1: Unior d.d. ........................................................................................................... 1

Slika 1-2: Toplotni prenosnik za mangan-fosfatiranje z oblogami mangan-fosfata. ............ 4

Slika 1-3: Dotrajan toplotni prenosnik v kadi za čiščenje. ................................................... 5

Slika 2-1: Dva obdelovanca, zgoraj oplaščen z mangan-fosfatno prevleko in spodaj pred

obdelavo. ........................................................................................................... 6

Slika 2-2: Obdelovanci, oplaščeni z ţelezo-fosfatno prevleko [3]. ...................................... 7

Slika 2-3: Obdelovanec delno oplaščen s cink-fosfatno prevleko [3]. ................................. 8

Slika 2-4: Proizvodna linija za izdelavo mangan-fosfatnih prevlek. .................................... 9

Slika 2-5: Shema postavitve kadi [4]. ............................................................................... 12

Slika 2-6: Enostavni toplotni prenosnik, levo sotočna izvedba, desno protitočna izvedba in

potek temperatur [6]. ....................................................................................... 13

Slika 2-7: Cevi prenosnik toplote [7]. ............................................................................... 14

Slika 2-8: Ploščni prenosnik toplote [5]. ........................................................................... 15

Slika 2-9: Kotel z grelno kačo [5]. .................................................................................... 16

Slika 3-1: Toplotni prenosnik v kadi za mangan-fosfatiranje. ........................................... 20

Slika 3-2: Načrt toplovoda................................................................................................ 21

Slika 3-3: Skica najoptimalnejše modifikacije. .................................................................. 29


Unior d.d. Stran XI

SEZNAM PREGLEDNIC

Preglednica 3-1: Podatki za obstoječe stanje v kadi za čiščenje. ................................22

Preglednica 3-2: Podatki za obstoječe stanje v kadi za mangan-fosfatiranje...............24

Preglednica 3-3: Podatki za novo postavitev z enim toplotnim prenosnikom,

segrevanjem delovne raztopine na 70 °C in temperaturo grelne vode

100 °C. .............................................................................................25

Preglednica 3-4: Pretok in iztočna temperatura grelne vode pri novi postavitvi z enim

toplotnim prenosnikom, segrevanjem na 70 °C in temperaturo grelne

vode 100 °C. ....................................................................................25



100 °C. .............................................................................................27


toplotnim prenosnikom, segrevanjem delovne raztopine na 75 °C in

temperaturi grelne vode 100 °C. ......................................................27



95 °C. ...............................................................................................28

Preglednica 3-8: Pretok in iztočna temperatura grelne vode pri novi postavitvi in z enim


temperaturi grelne vode 95 °C. ........................................................28



95 °C. ...............................................................................................28



temperaturi grelne vode 95 °C. ........................................................29


Unior d.d. Stran XII

UPORABLJENI SIMBOLI

K koeficient toplotne prehodnosti W/(m2 K)

A ploščina m2

T temperatura °C

ΔTpovp. povprečna temperaturna razlika med dvema fluidoma K

ΔTln srednja logaritemska temperatura K

ΔT temperaturna razlika K

cp specifična toplotna kapaciteta pri stalnem tlaku J/(g K)

Φ toplotni tok W

p tlak bar


Unior d.d. Stran 1

1 UVOD

Unior d.d. je kovinsko predelovalno podjetje, ki se danes ukvarja z izdelavo kovanih in

sintranih izdelkov za avtomobilsko industrijo, izdelavo ročnega orodja, strojegradnjo in

turizmom.

1.1 Unior d.d.

Druţba Unior d.d. je nastala leta 1919 kot kovačnica ročnega orodja za kmetijstvo,

gozdarstvo in različne obrti, s skrajšanim imenom Štajerska Zreče. Po drugi svetovni vojni

je nastal obnovljen obrat z imenom Tovarna kovanega orodja Zreče (slika 1-1).

Slika 1-1: Unior d.d.

Rekonstrukcija tovarne in vpeljava novega načina utopnega kovanja in nove zmogljivosti

so bili osnova za razvoj programov ročnega orodja in utopno kovanih odkovkov. Utopno

kovani izdelki se vse bolj uveljavljajo v proizvodnji avtomobilov, traktorjev, mopedov, koles


Unior d.d. Stran 2

in motorjev z notranjim izgorevanjem. V sedemdesetih letih se ţe pojavi ime Unior, ki je

sestavljeno iz besed univerzalno orodje, po katerem je druţba dobro znana doma in v

svetu. V tem času se prične tudi izgradnja turističnih zmogljivosti. V osemdesetih letih

postane Unior pomemben partner evropske avtomobilske industrije, kot eden večjih

proizvajalcev laţjih odkovkov in eden največjih proizvajalcev ojnic za bencinske motorje. V

devetdesetih letih Unior prične s širitvijo izvoza ročnega orodja z ustanavljanjem

distribucijske mreţe po vsem svetu. Unior je danes na trgu prisoten s programi: Odkovki,

Sinter, Ročno orodje, Strojegradnja in Turizem.

Program Odkovki je najstarejši program in je osnova, iz katere se je razvil današnji Unior.

Za potrebe avtomobilske industrije izdeluje odkovke za krmilne mehanizme, ojnice dele

pogonskih gredi in menjalnikov. Več kot tri četrtine proizvodnje tega programa je

namenjena avtomobilski industriji, ostalo pa različnim drugim programom in lastni

proizvodni ročnega orodja.

Program Sinter proizvaja zahtevne sintrane dele za avtomobilsko industrijo, dele okovja

za stavbno pohištvo, ohišja in rotorje črpalk, zobnike in mnoge druge strojne dele.

Proizvodnja sintranih delov uvršča Unior med pomembnejše dobavitelje sistemske

avtomobilske industrije.

Ročno orodje podjetja Unior je znano po vsem svetu. Odlikuje ga visoka kvaliteta jekla in

funkcionalnost. Snovanje in razvoj orodja se nenehno prilagaja novim potrebam

uporabnikov. Izvirne izvedbe in rešitve pa zagotavljajo uporabnost in učinkovitost.

Program ročnega orodja ponuja mnoge vrste klešč, ključev, izvijačev, stege in druga

specialna orodja.

Program Strojna oprema se ukvarja z razvojem in izdelavo namenskih CNC strojev za

serijsko obdelavo aluminijastih odlitkov in odkovkov. Program ponuja razvoj, projektiranje

in konstruiranje, izdelavo, montaţo in servis strojne opreme.

Program Turizem izkorišča naravne danosti bliţnje okolice in Pohorja. Unior ima na Rogli

bogato turistično ponudbo. Pozimi ponuja urejena smučišča, poleti pa je idealen kraj za

pohodnike, sprehajalce, kolesarje. V Zrečah program zaokroţuje svojo ponudbo z bazeni,

savnami in ostalo sprostitveno ponudbo [1].


Unior d.d. Stran 3

1.2 Opis problema in namen diplomskega dela

Za program Ročnega orodja je vzpostavljen obrat Obdelovalnica, ki se ukvarja s

površinsko obdelavo orodja. Za ta namen so postavljene štiri linije za izdelavo različnih

prevlek na orodju, kot je: nikljanje, kromiranje, bruniranje in mangan-fosfatiranje.

Na liniji za mangan-fosfatiranje se na toplotnih prenosnikih, ki so nameščeni v kadi za

mangan-fosfatiranje, med uporabo nabere debel sloj mangan-fosfata (slika 1-2). Debele

obloge močno zmanjšujejo učinkovitost prenosa toplote, za to je potrebno le te redno

čistiti. V ta namen se toplotna prenosnika iz kadi za mangan-fosfatiranje premestita v kad

za čiščenje, v kateri poteka čiščenje s segreto čistilno raztopino. Toplotni prenosnik za

ogrevanje čistilne raztopine, ki je sedaj nameščen v kadi za čiščenje, je ţe dotrajan (slika

1-3) in bo potrebna zamenjava. Čistilna kad je namenjena samo za čiščenje toplotnih

prenosnikov za mangan-fosfatiranje, za to je moţna rešitev, poleg nakupa novega

toplotnega prenosnika, priključitev tega, ki je namenjen za mangan-fosfatiranje, tako bi,

poleg tega, da se očisti, le ta prevzel nalogo ogrevanja čistilne raztopine.

Namen tega diplomskega dela je bil preveriti pretoke grelne vode skozi druge toplotne

prenosnike, saj ne sme priti do bistvenega povečanja porabe grelne vode v sistemu. V

tem primeru bi to lahko porušilo optimalno delovanje ostalih procesov na liniji za mangan-

fosfatiranje in morda tudi na liniji za bruniranje, saj sta ti dve liniji obe vezani na skupni

vročevod.


Unior d.d. Stran 4

Slika 1-2: Toplotni prenosnik za mangan-fosfatiranje z oblogami mangan-fosfata.


Unior d.d. Stran 5

Slika 1-3: Dotrajan toplotni prenosnik v kadi za čiščenje.


Unior d.d. Stran 6

2 TEORETIČNE OSNOVE

2.1 Fosfatne prevleke in fosfatiranje

Fosfatne prevleke se uporabljajo na kovinskih delih za protikorozijsko zaščito, kot

mazalno sredstvo za nadaljnje hladno preoblikovanje in kot podlaga za nadaljnje

premaze. Fosfatiranje se izvaja z raztopino fosforne kisline in fosfornih soli. Sam postopek

se izvaja s škropljenjem raztopine na obdelovance, ali z namakanjem le teh v raztopini.

Fosfatne prevleke je moţno izvajati tako na ţeleznih površinah, kot tudi na površinah

drugih kovin, kot so cink, aluminij, srebro, kadmij in drugih. Najpogosteje se uporabljajo

mangan-fosfatne, cink-fosfatne in ţelezo-fosfatne prevleke. Mangan-fosfat (slika 2-1) se

uporablja za protikorozijsko zaščito in kot mazalno sredstvo, nanašanje pa je mogoče le z

namakanjem v raztopino.

Slika 2-1: Dva obdelovanca, zgoraj oplaščen z mangan-fosfatno prevleko in spodaj pred

obdelavo.


Unior d.d. Stran 7

Ţelezo-fosfat (slika 2-2) se običajno uporablja le kot podlaga za nadaljnje prevleke, med

tem ko je cink-fosfat (slika 2-3) uporaben za protikorozijsko zaščito, kot mazalno sredstvo

in kot podlaga za nadaljnje prevleke. Oba je mogoče nanašati s škropljenjem in

namakanjem v raztopino.

Slika 2-2: Obdelovanci, oplaščeni z ţelezo-fosfatno prevleko [3].


Unior d.d. Stran 8

Slika 2-3: Obdelovanec delno oplaščen s cink-fosfatno prevleko [3].

Proces izdelave fosfatnih prevlek izkorišča slabo topnost fosfatov v srednjem in visokem

pH območju. Raztopina za fosfatiranje vsebuje manganove, ţelezne ali cinkove fosfatne

soli in fosforno kislino. Z vstavitvijo kovinskih obdelovancev se pri reakciji kisline s kovino

porabljajo H3O+ ioni in pH raztopine se zvišuje, s tem pa se sproţi izločanje fosfatov na

površini kovine. Pri reakciji kisline s kovino se na površini kovine tvorijo mehurčki vodika,

ki ovirajo tvorbo fosfatne prevleke. Za preprečitev tega pojava in za boljši oprijem ter

hitrejšo tvorbo prevleke, se raztopini dodajajo nitrati, ki oksidirajo vodik.

Lastnosti fosfatne prevleke so odvisne od kristalne strukture. Drobno zrnata kristalna

struktura ima dobre protikorozijske lastnosti in je dobra podlaga za nadaljnje premaze,

medtem ko ima grobozrnata struktura, naoljena ali drugače obdelana, dobro mehansko

odpornost. Glede na te zahteve se izbirajo ustrezna raztopina, dodatki, temperatura in čas

obdelave.

Same fosfatne prevleke kot take ne zagotavljajo protikorozijske zaščite, saj so le te

porozne, zato je potrebno površine dodatno oljiti ali kako drugače zaščititi (barvanje,

lakiranje). Zaradi poroznosti so fosfatne prevleke dobra površina za nadaljnje barvanje in


Unior d.d. Stran 9

lakiranje, saj zagotavlja dober oprijem, električno izolacijo in omogoča pronicanje

premazov v notranjost prevleke in s tem mehansko spojitev.

Cink-fosfatne prevleke se pogosto uporabljajo z natrijevim-stearatom, da nastane

mazalna plast za hladno in toplo preoblikovanje. Natrijev stearat tvori s fosfatom močno

vez med kovino in površino tudi pri ekstremnih deformacijah [2].

2.2 Opis linije

Linija za mangan-fosfatiranje je sestavljena iz nakladalno-razkladalnega mesta in niza

kadi z ustreznimi raztopinami za predpripravo obdelovancev za ta postopek (slika 2-4).

Slika 2-4: Proizvodna linija za izdelavo mangan-fosfatnih prevlek.

Na nakladalno-razkladalnem mestu se obdelovanci nalagajo v košare, tako da se med

seboj le ti ne dotikajo. Na tem mestu robot dvigne košaro in jo nato premika po ustreznih


Unior d.d. Stran 10

kadeh po vnaprej določenem programu. V procesu obdelave poteka najprej vroče

razmaščevanje v alkalni raztopini. Ker proces poteka pri višji temperaturi, iz raztopine

odhlapeva voda, ki jo dopolnjujemo z izpirno vodo iz naslednje kadi. Po razmaščevanju se

obdelovanci nad kadjo dobro odcedijo, nato pa jih je potrebno temeljito izprati, kar se

izvede s kaskadnim izpiranjem v treh zaporednih kadeh. Izprane obdelovance se nato

potopi v raztopino za jedkanje, ki je namenjeno odstranjevanju kovinskih oksidov iz delno

korodiranih obdelovancev. Tudi ta proces poteka pri višji temperaturi, zato izhlapelo vodo

iz raztopine nadomeščajo z izpirno vodo iz naslednje kadi. Odcejene obdelovance je po

jedkanju potrebno temeljito izpirati, kar zopet poteka kaskadno v treh zaporednih kadeh.

Za doseganje kvalitetnejših fosfatnih prevlek se obdelovanci aktivirajo v alkalnem

elektrolitu pri sobni temperaturi. V kadi za aktiviranje je zagotovljeno mešanje raztopine s

komprimiranim zrakom. Sledi še mangan-fosfatiranje in kaskadno izpiranje. Mangan-

fosfatiranje poteka pri temperaturi (92-95) °C, izgubljena raztopina pa se nadomešča z

naslednjo izpirno vodo, ob tuširanju obdelovancev nad kadjo za fosfatiranje. Količina vode

za tuširanje je usklajena s količino odhlapele tekočine iz kadi za fosfatiranje. Obdelovanci

se nato še potopijo v toplo vodo, da se ogrejejo, preden se prenesejo v sušilnik, kjer se s

pomočjo vročega zraka posušijo. Po sušenju je postopek mangan-fosfatiranja končan in

obdelovance na nakladalno-razkladalnem mestu snamejo iz košar.

Pri procesu mangan-fosfatiranja se na toplotnih prenosnikih in stenah kadi nabira debela

obloga mangan-fosfata, ki jo je potrebno občasno (predvidoma enkrat tedensko)

odstraniti. Kad se očisti mehansko, za čiščenje toplotnih prenosnikov pa sluţi čistilna kad

z raztopino za čiščenje. Toplotna prenosnika na kadi za mangan-fosfatiranje odmontirajo

in prenesejo v kad za čiščenje.

Kadi, kjer se proces vrši pri višjih temperaturah, so opremljene z odsesovalnimi košarami

za odvajanje par, ogrevanje pa je izvedeno s potopnimi toplotnimi prenosniki, ki se

napajajo z vročo vodo. Za fosfatiranje je ogrevanje kadi izvedeno posebej z dvema

potopnima toplotnima prenosnikoma iz nerjavečega jekla.

Delovne raztopine tekom uporabe ne menjujejo, ampak jih na podlagi predhodnih analiz

sproti popravljajo. Analize se opravljajo dnevno, oziroma po potrebi, glede na količino

obdelanih predmetov [4].


Unior d.d. Stran 11

Na slik 2-5 je prikazana postavitev kadi na liniji za mangan-fosfatiranje:

Pozicija 1: nakladalno-razkladalno mesto,

Pozicija 3: sušilnik,

Pozicija 4: topla voda,

Pozicija 5: alkalno razmaščevanje,

Pozicije 6, 7, 8: kaskadno izpiranje po razmaščevanju,

Poziciji 9,10: jedkanje,

Pozicije 11, 12, 13: kaskadno izpiranje po jedkanju,

Pozicija 14: aktiviranje,

Pozicije 15, 16, 17: kaskadno izpiranje po mangan-fosfatiranju,

Pozicija 18: mangan-fosfatiranje,

Pozicija 19: čiščenje toplotnih prenosnikov.


Unior d.d. Stran 12

Slika 2-5: Shema postavitve kadi [4].


Unior d.d. Stran 13

2.3 Toplotni prenosniki in dimenzioniranje

Prenos toplote je spontan pojav, ki se pojavi, kadar imamo v sistemu mesta z različno

temperaturo. Toplotni tok teče iz mesta z višjo temperaturo na mesto z niţjo temperaturo

in teče, dokler se temperaturi ne izenačita. Prenos toplote se vrši s toplotnim prevajanjem

ali kondukcijo, toplotnim mešanjem ali konvekcijo in s toplotnim sevanjem ali radiacijo. Pri

nizkih temperaturah se toplota prenaša predvsem z kondukcijo in konvekcijo, medtem ko

ima radiacija zelo majhen vpliv.

Toplotni prenosniki so del procesne opreme za prenos toplote med dvema fluidoma, ki sta

lahko v tekočem ali plinastem stanju. Toplotni prenosniki se uporabljajo tako za ogrevanje,

kot za hlajenje. Glede na ta namen jih imenujemo grelniki, oziroma hladilniki, uporabni so

v vseh vrstah industrije, kjer se pojavlja potreba po ogrevanju oziroma hlajenju, pa tudi

sicer jih uporabljamo vsak dan za klimatizacijo prostorov. Kot pogonsko sredstvo se

najpogosteje uporablja vroča voda ali vodna para, lahko pa se uporabljajo tudi druge

tekočine ali plini, odvisno od zahtev in moţnosti.

Poznamo več izvedb toplotnih prenosnikov, ki se razlikujejo predvsem v načinu vodenja

tokov, glede na smer tokov imamo sotočne, protitočne in kriţnotočne toplotne prenosnike.

Enostavni primer toplotnega prenosnika predstavljata dve koncentrično postavljeni cevi,

skozi kateri se pretakata fluida, ki skozi steno izmenjujeta toploto (slika 2-6) [5,6].

Slika 2-6: Enostavni toplotni prenosnik, levo sotočna izvedba, desno protitočna izvedba in

potek temperatur [6].


Unior d.d. Stran 14

V sotočni izvedbi ni moţno doseči višje iztočne temperature hladnega fluida, kot je iztočna

temperatura vročega fluida, pri protitočni izvedbi pa je to mogoče, kar je razvidno iz

poteka temperatur na sliki 2-6. Glede na potek temperatur je protitočna izvedba

učinkovitejša, saj omogoča boljši prenos toplote pri enaki izmenjalni površini toplotnega

prenosnika.

V praksi se najpogosteje uporablja toplotni prenosnik s snopom cevi, ki je obdan s

plaščem (slika 2-7). Tako en fluid teče skozi cevni snop, drugi pa skozi plašč toplotnega

prenosnika. V plašču se nahaja cevni snop, običajno z več prehodi skozi plašč, v plašču

pa so postavljeni usmerniki tokov, ki usmerjajo tok fluida, tako da se doseţejo kriţni

tokovi.

Slika 2-7: Cevi prenosnik toplote [7].

Zelo pogosto se uporabljajo tudi ploščni toplotni prenosniki (slika 2-8), ki so sestavljeni iz

niza narebrenih plošč, zloţenih ena ob drugo, z vmesnimi prostori za pretakanje fluidov.


Unior d.d. Stran 15

Slika 2-8: Ploščni prenosnik toplote [5].

Zelo enostavna in pogosto uporabljana izvedba prenosnika toplote je cevna kača,

potopljena v tekočino v posodi (slika 2-9). En fluid se pretaka skozi grelno kačo, drugi pa

je v posodi (kotlu). Boljši učinki prenosa toplote se dosegajo z mešanjem fluida v posodi.

Takšne izvedbe so pogoste v šarţnih procesih in v procesih, kjer potrebujemo stoječe,

ogrete delovne tekočine (sistem kadi za fosfatiranje).


Unior d.d. Stran 16

Slika 2-9: Kotel z grelno kačo [5].

Velikost toplotnega prenosnika je odvisna od toplotnega toka, Φ (2.1), ki se izmenja med

fluidoma, ta pa je proporcionalen izmenjalni površini, A, povprečni temperaturni razliki

med fluidoma, ΔTpovp in koeficienta toplotne prehodnosti K.

(2.1)

Koeficient toplotne prehodnosti podaja količino toplote, ki jo lahko prenesemo skozi enoto

površine 1 m2 pri enoti temperaturne razlike 1 K. Na vrednost koeficienta toplotne

prehodnosti vpliva več parametrov: na eni strani prestop toplote iz fluida na steno in iz

stene na fluid na drugi strani, prevod toplote skozi steno. Ker je namen prenosnika toplote

izmenjati čim več toplote na čim manjši površini, se uporabljajo materiali z čim boljšo

toplotno prevodnostjo tako, da se ta člen lahko zanemari. Zelo pogosto se na izmenjalnih

površinah tvorijo obloge, ki lahko bistveno zmanjšujejo koeficient toplotne prehodnosti.


Unior d.d. Stran 17

Povprečna temperaturna razlika ΔTpovp se izračuna po enačbi (2.2):

(2.2)

Enačba 2.2. velja, kadar je izpolnjen pogoj: , sicer se uporablja

enačba (2.3) za srednjo logaritemsko temperaturo, ki daje natančnejši rezultat.

(2.3)

Toplotni tok, Φ, določamo po enačbi (2.4) glede na potrebe fluida ki se ogreva oziroma

hladi. Toplotni tok je odvisen od masnega pretoka fluida, qm, specifične toplotne

kapacitete, cp, in temperaturne razlike fluida T, ki jo podaja enačba (2.5) [5,6,9,12].

(2.4)

(2.5)

2.4 Aspen Plus

Program Aspen Plus je modelno orodje za zasnovo, načrtovanje in optimizacijo procesov

v kemijski in petrokemijski industriji, rafineriji nafte, pri proizvodnji plina in plinskega olja,

sintetičnih goriv, pri proizvodnji energije ter farmaciji in biotehnologiji. Program ima bogato

knjiţnico fizikalnih lastnosti čistih snovi, omogoča nam hitro oceno stroškov investicije za

predlagani model in izbiro najoptimalnejših obratovalnih pogojev, kjer so izkoristki največji

in s tem najmanjši proizvodni stroški.

Procesne modele uporabljamo za tri različne nivoje študija procesov:

za razvoj procesov,

za načrtovanje procesov,

za obratovanje procesnih operacij.


Unior d.d. Stran 18

Osnova študije so procesna shema in podatki. Rezultat je podan s procesno matriko, ki

predstavlja celotno procesno obratovanje, delovanje procesnih enot in tokove s pretoki,

mnoţinskimi deleţi komponent in drugimi pomembnimi parametri.

Model za razvoj procesa sestavimo tako, da zberemo čim več informacij o procesu. Ţe v

zelo zgodnji fazi modeliranja ga lahko uporabimo za ocenjevanje vpliva tehnoloških

sprememb na ekonomičnost procesa. Z modelom lahko ugotovimo obratovalne podatke,

pomembne za vodenje procesa in si pomagamo pri odločanju med procesnimi

alternativami.

Model za načrtovanje se uporablja za načrtovanje novega, ali za modernizacijo

obstoječega obrata. Pomaga nam pri raziskovanju trga, načrtovanju procesnih operacij,

ugotavljanju prilagodljivosti obrata in skladiščenju zalog. S podrobno študijo modela se

lahko odpravi veliko napak. V obstoječih obratih je Aspen Plus lahko pomemben

pripomoček za izboljšanje obratovanja procesnih operacij, povečanje rentabilnosti in

zmanjšanje porabe energije. Model je uporaben pri spreminjanju obratovalnih pogojev z

ozirom na skladiščenje zalog, surovin in končnih izdelkov. Z modelom se nastavljajo

obratovalni pogoji tako, da se čim bolj povečajo izkoristki in s tem zmanjšajo proizvodni

stroški. Zelo koristen je pri uvajanju tehnoloških novosti [10, 11].


Unior d.d. Stran 19

3 REZULTATI IN RAZPRAVA

3.1 Obstoječe stanje in možna zamenjava

Obstoječe stanje v kadi za čiščenje predstavlja en toplotni prenosnik (slika 1-3) z grelno

površino 1,47 m2, ki se napaja z vročo vodo, s temperaturo od 95 °C do 100 °C.

Brez večjih stroškov bi bilo mogoče uporabiti toplotna prenosnika, ki sta v kadi za

mangan-fosfatiranje (slika 3-1). Površina enega toplotnega prenosnika je 1,7 m2, oba se

napajata z vročo vodo s temperaturo 115 °C. Na razpolago so štirje toplotni prenosniki.

Uporabljajo se v parih, dva ogrevata raztopino za mangan-fosfatiranje, sočasno pa sta

dva neaktivna v kadi za čiščenje, ko se z njiju odstranjujejo obloge mangan-fosfata. Tako

bi v kadi odklopili obstoječi toplotni prenosnik in priključili enega, ali oba toplotna

prenosnika, ki sta namenjena za mangan-fosfatiranje, ki bi se ob enem čistila, prevzela pa

bi še vlogo segrevanja čistilne raztopine.


Unior d.d. Stran 20

Slika 3-1: Toplotni prenosnik v kadi za mangan-fosfatiranje.

Sistem ogrevanja (slika 3-2) je izveden s toplovodom na vročo vodo. V kotlovnici z močjo

169,4 kW se segreva voda pod tlakom 4 bar na temperaturo od (115 – 122) °C in se v

toplotni postaji, preko dveh ploščnih toplotnih prenosnikov, razdeli na dva dela. Manjši

toplotni prenosnik z močjo 18,9 kW je namenjen samo za ogrevanje kadi za mangan-

fosfatiranje. Vroča voda je v toplovodu pri tlaku od (2,5 – 3) bar in se segreva na 115 °C.

Večji toplotni prenosnik z močjo 150,5 kW pa je namenjen za ogrevanje ostalih kadi na

liniji za mangan-fosfatiranje (tudi kad za čiščenje toplotnih prenosnikov) in bruniranje.

Vroča voda je v toplovodu pri tlaku od (2,5 – 3) bar in se segreva na (95 – 100) °C.


Unior d.d. Stran 21

Slika 3-2: Načrt toplovoda.


Unior d.d. Stran 22

3.2 Poenostavitev z Aspen Plus-om

Programski paket Aspen Plus omogoča dimenzioniranje in optimiranje toplotnih

prenosnikov. Program je napisan samo za kontinuirne toplotne prenosnike, kot je cevni

toplotni prenosnik na sliki 2-7. Za izračun izhodnih parametrov model potrebuje zadostno

število vhodnih podatkov. Aspen Plus pri toplotnih prenosnikih obravnava naslednje

parametre: pretok in tlak toplega in hladnega fluida, vtočne in iztočne temperature obeh

fluidov, specifične toplotne kapacitete, koeficient toplotne prehodnosti, izmenjalno

površino in pretok toplote skozi steno toplotnega prenosnika.

Naš sistem je šarţno-kontinuirni, saj grelni medij preko toplotnega prenosnika ogreva

stoječo raztopino v kadi. Takšnega sistema program Apen Plus ne zna rešiti, zato je bila

potrebna prilagoditev podatkov. To smo rešili tako, da smo za delovno raztopino določili

pretok na podlagi toplotne moči toplotnega prenosnika in s fizikalnimi lastnostmi vode, saj

so ti podatki le navidezne narave za potrebe delovanja programa Apen Plus. Pomembno

je le, da se nam bistveno ne poveča poraba toplote v sistemu. Z določitvijo pretoka

delovne raztopine smo lahko s programom Aspen Plus določali ostale parametre za

predpostavljene pogoje.

3.3 Obstoječe stanje v kadi za čiščenje in kadi za mangan-fosfatiranje

S podatki iz preglednice 3-1 smo izračunali koeficient toplotne prehodnosti K in masni

pretok grelne vode qm (priloga 1).

Preglednica 3-1: Podatki za obstoječe stanje v kadi za čiščenje.

Začetna temperatura delovne raztopine, °C 25

Končna temperatura delovne raztopine, °C 70

Vtočna temperatura grelne vode, °C 100

Iztočna temperatura grelne vode, °C 85

Tlak raztopine, bar 1

Tlak grelne vode, bar 3

Površina toplotnega prenosnika, m2 1,47

Grelna moč, W 6 200


Unior d.d. Stran 23

Za izračun koeficienta toplotne prehodnosti K, potrebujemo srednjo logaritemsko

temperaturo ΔTln, ki jo izračunamo po enačbi 2.3 in znaša 43,3 K.

Koeficient toplotne prehodnosti, K, izračunamo po enačbi 3.1. Njegova vrednost je 97,4

W/m2 K.

(3.1)

Za izračun pretoka grelne vode, qm, potrebujemo spremembo temperature grelne vode, ki

jo izračunamo po enačbi 2.5 in znaša 30 K.

Pretok grelne vode, qm, izračunamo iz enačbe 3.2, in znaša 355,5 kg/h.

(3.2)

S podatki v preglednici 3-2 smo izračunali koeficient toplotne prehodnosti, K, in pretok

grelne vode, qm, za obstoječa toplotna prenosnika v kadi za mangan-fosfatiranje.


Unior d.d. Stran 24

Preglednica 3-2: Podatki za obstoječe stanje v kadi za mangan-fosfatiranje.









Za izračun koeficienta toplotne prehodnosti, K, potrebujemo srednjo logaritemsko

temperaturo, ΔTln, ki jo izračunamo po enačbi 2.3 in znaša 43,3 K.

Koeficient toplotne prehodnosti K izračunamo po enačbi 3.1 in znaša 101,3 W/m2 K.

Za izračun pretoka grelne vode, qm, potrebujemo spremembo temperature grelne vode, ki

jo izračunamo po enačbi 2.5 in znaša 10 K.

Pretok grelne vode, qm izračunamo po enačbi 3.2 in znaša 1281,1 kg/h.


Unior d.d. Stran 25

3.4 Nove postavitve

Pri novih postavitvah v kadi čistilne raztopine ne spreminjamo. Nadomestni toplotni

prenosnik ima večjo površino in večji koeficient toplotne prehodnosti od obstoječega. V

kolikor bi novi toplotni prenosnik obratoval pod istimi obratovalnimi parametri, bi to

pomenilo večji toplotni tok, s tem pa pregrevanje čistilne raztopine in nepotrebno izgubo

energije. Obratovalne pogoje smo modificirali s pretokom grelne vode, ter vtočno in

iztočno temperaturo grelne vode. V naslednjih poglavjih (3.4.1 do 3.4.5) so predstavljene

vse moţne alternativne modifikacije.


raztopine na 70°C in temperaturo grelne vode 100°C

Pri postavitvi z enim toplotnim prenosnikom, segrevanjem delovne raztopine na 70 °C in

temperaturo grelne vode 100 °C ostajajo obratovalni parametri enaki, kot pri osnovnem

stanju. S podatki v preglednici 3-3 smo izračunali pretok in iztočno temperaturo grelne

vode (preglednica 3-4; priloga 2).


segrevanjem delovne raztopine na 70 °C in temperaturo grelne vode 100 °C.








Koeficient toplotne prehodnosti, W/m2K 101,3


toplotnim prenosnikom, segrevanjem na 70 °C in temperaturo grelne vode 100 °C.

Pretok grelne vode, kg/h 160



Unior d.d. Stran 26


raztopine na 75°C in temperaturo grelne vode 100 °C


temperaturo grelne vode 100 °C smo povečali temperaturo čistilne raztopine za 5 °C,

glede na obstoječe stanje. Pri tej postavitvi pričakujemo večjo porabo toplotnega toka.

Grelno moč, ki jo bo potrebno zagotoviti v tem primeru, smo izračunali s pomočjo

navideznega pretoka delovne raztopine, saj je le ta stoječa v kadi in se ne pretaka.

Za izračun pretoka delovne raztopine, qm, smo potrebovali spremembo temperature

čistilne raztopine, ΔT, ki smo jo izračunali po enačbi 2.5 in znaša 45 K.

Pretok delovne raztopine, qm, smo določili po enačbi 3.2, s podatki za osnovno stanje in ta

znaša 118,5 kg/h.

Za izračun grelne moči potrebujemo spremembo temperature grelne raztopine, ΔT, ki jo

izračunamo po enačbi 2.5, in znaša 50 K.

Grelno moč pri ogrevanju delovne raztopine na 75 °C smo izračunali po enačbi 2.4.

Predpostavili smo enak pretok čistilne raztopine, saj ostane njen volumen nespremenjen.

Grelna moč znaša 6 930 W.


Unior d.d. Stran 27

S podatki v preglednici 3-5 smo izračunali pretok in iztočno temperaturo grelne vode pri

postavitvi z enim toplotnim prenosnikom. Pretok in izhodna temperatura sta podana v

preglednici 3-6 (priloga 3).












toplotnim prenosnikom, segrevanjem delovne raztopine na 75 °C in temperaturi grelne

vode 100 °C.




raztopine na 70°C in temperaturo grelne vode 95°C


temperaturo grelne vode 95 °C smo zniţali temperaturo grelne vode za 5 °C. S podatki v

preglednici 3-7 smo izračunali pretok in iztočno temperaturo grelne vode (preglednica 3-8;

priloga 4).


Unior d.d. Stran 28













vode 95 °C.




raztopine na 75 °C in temperaturo grelne vode 95 °C


temperaturo grelne vode 95 °C smo za 5 °C zvišali temperaturo delovne raztopine in za 5

°C zniţali temperaturo grelne vode. Tudi v tem primeru je toplotni tok višji, enako, kot v

podpoglavju 3.4.2 in znaša 6 930 W. S podatki v preglednici 3-9 smo izračunali pretok in

iztočno temperaturo grelne vode (preglednica 3-10).










Koeficient toplotne prehodnosti, W/m2K 101


Unior d.d. Stran 29



vode 95 °C.



3.4.5 Postavitve z dvema toplotnima prenosnikoma

Enake izračune smo poskusili izvesti še za postavitev z dvema toplotnima prenosnikoma

s skupno površino toplotnih prenosnikov 3,4 m2, vendar so se rešitve v vseh primerih

izkazale za močno predimenzionirane. Program Apen Plus javi napako, saj bi bila iztočna

temperatura niţja od začetne temperature delovne raztopine, kar je nemogoče.

3.4.6 Preverjanje površine pri najoptimalnejši postavitvi

Za najoptimalnejšo modifikacijo se je izkazala postavitev z enim toplotnim prenosnikom,

segrevanjem delovne raztopine na 70 °C in temperaturo grelne vode 100 °C (slika 3-3)

.

Slika 3-3: Skica najoptimalnejše modifikacije.


Unior d.d. Stran 30

Z znanimi podatki in z izračunanim pretokom in iztočno temperaturo grelne vode v

poglavju 3.4.1, smo preverili še površino toplotnega prenosnika.

Za izračun površine toplotnega prenosnika potrebujemo srednjo logaritemsko temperaturo

ΔTln, ki jo izračunamo po enačbi 2.3 in znaša 30,3 K.

Površino toplotnega prenosnika smo izračunali po enačbi 3.3 in znaša 1,69 m2.

(3.3)

Izračunana površina toplotnega prenosnika je enaka dejanski površini, to je 1,7 m2. S tem

je izračun za to postavitev potrjen. Po enakem postopku smo preverili še ostale

postavitve.


Unior d.d. Stran 31

4 SKLEP

Za druţbo Unior d.d., za obrat Obdelovalnica, smo izračunali pretoke in temperature

grelne vode pri različnih postavitvah toplotnih prenosnikov v kadi za čiščenje toplotnih

prenosnikov na liniji za mangan-fosfatiranje.

Predpostavili smo moţne postavitve z enim ali dvema toplotnima prenosnikoma,

temperaturo grelne vode 100 °C in 95 °C in temperaturo delovne raztopine 70 °C in 75 °C.

S programom Aspen Plus smo izračunali pretok in iztočno temperaturo grelne vode pri

vseh moţnih postavitvah.

Najoptimalnejšo moţnost predstavlja postavitev z enim toplotnim prenosnikom, s

segrevanjem delovne raztopine na 70 °C in temperaturo grelne vode 100 °C, saj je v tem

primeru pretok grelne vode najmanjši in znaša 160 kg/h, kar je precej manj od

obstoječega (340 kg/h). Posledično je iztočna temperatura grelne vode niţja, vendar ob

predpostavki, da poraba toplotnega toka ostane enaka, to ni ovira. Izvedljiva je tudi

postavitev z enim toplotnim prenosnikom, s segrevanjem delovne raztopine na 70 °C in

temperaturo grelne vode 95 °C, saj je tudi v tem primeru pretok grelne vode manjši, kot je

v obstoječem stanju, prav tako tudi iztočna temperatura grelne vode.

V kolikor bi delovno raztopino segrevali na 75 °C, se nam poveča poraba toplotnega toka

v sistemu, pretok grelne vode je v tem primeru večji, s čimer bi lahko povzročili

primanjkljaj grelne vode na drugih kadeh in s tem nedoseganje delovne temperature, ki je

potrebna za normalno obratovanje.

Postavitve z dvema toplotnima prenosnikoma so se izkazale za močno

predimenzionirane.


Unior d.d. Stran 32

5 VIRI

[1] Unior, www.unior.si [dostop 10.7.2011]

[2] Wikipedia, Phosphate conversion coating

http://en.wikipedia.org/wiki/Phosphate_conversion_coating, 19.8.2011, [dostop

25.8.2011]

[3] phosphating.net, http://www.phosphating.net, [dostop 19.8.2011]

[4] Tatjana Kralj, Tehnološki postopek mangan fosfat, 2010, (interno gradivo)

[5] Eckhgard Ignatowitz, Kemijska tehnika, prevod Leon Čelik, Jutro d.o.o., Ljubljana

1996, str. 236-241, 243-246

[6] Branko Gašperšič, Prenos toplote, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo,

Ljubljana 2001, str 54-57

[7] Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/U-tube_heat_exchanger, 27.8.2011,

[dostop 30.8.2011]

[9] Majda Krajnc, Sinteza procesov - zbrano gradivo, Fakulteta za kemijo in kemijsko

tehnologijo, Maribor 2008, str. 141-144

[10] Aleksandra Sevčnikar, Špela Lipuš, Bojan Pahor, Zdravko Kravanja, Priročnik za

uporabo Aspen Plus, Univerza v Mariboru, Tehniška fakulteta, Kemijska

tehnologija, 1994

[11] Apen Plus, http://www.aspentech.com/core/aspen-plus.aspx [dostop 19.8.2011]

[12] Darko Goričanec, Jurij Krope, Procesne naprave, Maribor 2006, str. 40-44

http://www.unior.si/

http://en.wikipedia.org/wiki/Phosphate_conversion_coating

http://www.phosphating.net/

http://en.wikipedia.org/wiki/U-tube_heat_exchanger

http://www.aspentech.com/core/aspen-plus.aspx


Unior d.d. Stran 33

6 PRILOGE

6.1 Priloga 1: Obstoječe stanje


Unior d.d. Stran 34


Unior d.d. Stran 35

6.2 Priloga 2: Nova postavitev z enim toplotnim prenosnikom,


100 °C.


Unior d.d. Stran 36


Unior d.d. Stran 37



100 °C.


Unior d.d. Stran 38


Unior d.d. Stran 39



95 °C.


Unior d.d. Stran 40


Unior d.d. Stran 41

7 ŽIVLJENJEPIS

Osebni podatki

Ime in priimek:

Naslov:

Telefon:

E-mail:

Datum rojstva:

Kraj rojstva:

Oţbej Goričan

Bezina 79, 3210 Slov. Konjice

041 267 494

[email protected]

20.2.1985

Celje

Izobrazba:

2000 – končana Osnovna šola (Slov. Konjice)

2004 – končana Poklicna in tehnična elektro in kemijska šola v

Celju, smer kemijski tehnik

2004 – vpis na Fakulteto za kemijo in kemijsko tehnologijo,

program Kemijska tehnologija VS, Univerza v Mariboru

Praktične in delovne

izkušnje:

2004 – 2011 sem opravljala priloţnostna dela preko

študentskega servisa

Oktober 2009 – januar 2010 sem opravljala obvezno študijsko

prakso na Zavodu za zdravstveno varstvo Maribor

Jeziki:

Materni jezik:

Tuji jezik:

slovenski

angleški jezik (pasivno)


Unior d.d. Stran 42

Računalniška znanja: Microsoft Office, Internet

Drugo:

vozniški izpit A,B kategorije

Documents

ZAMENJAVA OBSTOJEČIH TOPLOTNIH PRENOSNIKOV IN …