Εκπονήθηκε από: Σχεδιασμός του καινοτόμου, πιλοτικής κλίμακας και ενεργειακά αυτόνομου συστήματος επεξεργασίας της άλμης. Δήμο Τήνου Ε.Μ.

Transcript

1 Ανάπτυξη καινοτόμου και ενεργειακά αυτόνομου συστήματος επεξεργασίας της παραγόμενης άλμης από μονάδες αφαλάτωσης SOL-BRINE Παραδοτέο.4 Τεχνική έκθεση περιγραφής της διαδικασίας σχεδιασμού και διαστασιολόγησης του (Εκτενής περίληψη στα Ελληνικά) Δράση Σχεδιασμός του καινοτόμου, πιλοτικής κλίμακας και ενεργειακά αυτόνομου Εκπονήθηκε από: Δήμο Τήνου Ε.Μ.Π Culligan Hella Α.Ε. ΑΘΗΝΑ, ΙΟΥΝΙΟΣ 011 LIFE+Environment project: LIFE 09 ENV/GR/00099 i P a g e

2 Ευχαριστίες Η παρούσα έκθεση εκπονήθηκε στα πλαίσια του έργου με τίτλο: «Ανάπτυξη ενός καινοτόμου και ενεργειακά αυτόνομου συστήματος επεξεργασίας της παραγόμενης άλμης από μονάδες αφαλάτωσης», με ακρωνύμιο SOL-BRINE, το οποίο συγχρηματοδοτείται από το Ευρωπαϊκό Χρηματοδοτικό μέσο για το Περιβάλλον (LIFE+). Η ομάδα του SOL-BRINE εκφράζει τις ευχαριστίες της στο Ευρωπαϊκό Χρηματοδοτικό μέσο (LIFE+) για την εν λόγω οικονομική υποστήριξη. Για οποιεσδήποτε ερωτήσεις, διορθώσεις ή άλλα σχόλια, μπορείτε να απευθυνθείτε στους συντάκτες στη διεύθυνση ηλεκτρονικού ταχυδρομείου Αποποίηση ευθύνης Οι συντάκτες του παρόντος έχουν καταβάλλει κάθε προσπάθεια, ούτως ώστε οι πληροφορίες που εμπεριέχονται να είναι αληθής και νόμιμες, καθ όσον πρόκειται για την αξιοποίηση και σύνθεση των πηγών που παρατίθενται και για τις οποίες οι συντάκτες ουδεμία ευθύνη φέρουν. i Σ ε λ ί δ α

3 Περιεχόμενα 1 Εισαγωγή... 1 Μαθηματική μοντελοποίηση του....1 Ενεργειακό τμήμα συστήματος.... Μαθηματική μοντελοποίηση εξατμιστήρα, κρυσταλλωτήρα, ξηραντήρα και συμπιεστή Τελικός σχεδιασμός και διαστασιολόγηση του. 10 ii Σ ε λ ί δ α

4 Πίνακες Πίνακας.1: Μαθηματική μοντελοποίηση παραβολικών κατόπτρων, επίπεδων συλλεκτών και φωτοβολταϊκής γεννήτριας... 3 Πίνακας.: Μοντελοποίηση εξατμιστήρα, κρυσταλλωτήρα, ξηραντήρα και συμπιεστή... 5 Σχέδια Σχέδιο 3-1: Εξατμιστήρας Σχέδιο 3-: Κρυσταλλωτήρας... 1 Σχέδιο 3-3: Ξηραντήρας Σχέδιο 3-4: Παραβολικός συλλέκτης Σχέδιο 3-5: Φωτοβολταϊκή γεννήτρια Σχέδιο 3-6: Μονογραμμικό διάγραμμα Σχέδιο 3-7: Μονογραμμικό διάγραμμα: ισοζύγιο μάζας συστήματος Σχέδιο 3-8: Μονογραμμικό διάγραμμα: διαστάσεις μονάδων συστήματος Σχέδιο 3-9: Μονογραμμικό διάγραμμα: ισοζύγιο ισχύος συστήματος Σχέδιο 3-10: Μονογραμμικό διάγραμμα: ισοζύγιο ενέργειας συστήματος... 0 ii Σ ε λ ί δ α

5 1 Εισαγωγή Η παρούσα έκθεση αποτελεί περίληψη στα Ελληνικά του Deliverable.4 με τίτλο: «Technical report explaining the deign procedure and the izing of the brine treatment ytem», το οποίο είναι αναρτημένο στην ιστοσελίδα του προγράμματος στο ακόλουθο link: Το ως άνω παραδοτέο περιλαμβάνει: Τη μαθηματική μοντελοποίηση των επιμέρους συνιστωσών του συστήματος, στην οποία βασίστηκε η ανάπτυξη του προσομοιωτή (Deliverable.) που πραγματοποιήθηκε με τη χρήση της γλώσσας προγραμματισμού Viual Baic, Τα αποτελέσματα της ανάλυσης ευαισθησίας, η οποία πραγματοποιήθηκε με τη χρήση του ως άνω υπολογιστικού εργαλείου. Στα αποτελέσματα αυτά περιλαμβάνονται τα διαγράμματα ανάλυσης ευαισθησίας, τα οποία δημιουργήθηκαν με διερεύνηση της επίδρασης της μεταβολής των παραμέτρων σχεδιασμού (deign variable) στις μεταβλητές διεργασιών και στη γενικότερη λειτουργία του συστήματος. Τα αποτελέσματα αυτά παρουσιάζονται συγκεντρωτικά σε πίνακες στο Deliverable.4, Μηχανολογικά σχέδια των επιμέρους μονάδων και του πλήρους συστήματος. Στόχος του παραδοτέου είναι: Η ανάπτυξη των μαθηματικών μοντέλων τα οποία θα χρησιμοποιηθούν για την ανάπτυξη του προσομοιωτή, Ο τελικός σχεδιασμός και διαστασιολόγηση του πιλοτικού, ενεργειακά αυτόνομου συστήματος επεξεργασίας της παραγόμενης άλμης από μονάδες αφαλάτωσης. 1 Σ ε λ ί δ α

6 Μαθηματική μοντελοποίηση του συστήματος επεξεργασίας της άλμης Στόχος του προγράμματος είναι οι ενεργειακές απαιτήσεις του συστήματος επεξεργασίας της άλμης να καλύπτονται πλήρως από Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) και συγκεκριμένα από ηλιακή ενέργεια, επιδεικνύοντας ένα ιδιαίτερα καινοτόμο και περιβαλλοντικά φιλικό χαρακτήρα. Επιπρόσθετα, δεδομένου ότι οι ενεργειακές απαιτήσεις θα καλύπτονται αποκλειστικά από ΑΠΕ και δεν θα χρησιμοποιούνται συμβατικές πηγές ενέργειας, το σύστημα μπορεί να χαρακτηριστεί ως ενεργειακά αυτόνομο. Τα κύρια μέρη του είναι τα ακόλουθα: Εξατμιστήρας Κρυσταλλωτήρας Ξηραντήρας Συμπιεστής ατμών Οι τεχνολογίες δέσμευσης οι οποίες θα χρησιμοποιηθούν για τη συλλογή της ηλιακής ενέργειας είναι οι ακόλουθες: Ηλιακοί συλλέκτες: για την παραγωγή θερμικής ενέργειας, και Φωτοβολταϊκή γεννήτρια: για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Τα μοντέλα των παραπάνω συσκευών δέσμευσης ηλιακής ενέργειας παρουσιάζονται στην Ενότητα.1, ενώ η μοντελοποίηση των κυριών συνιστωσών επεξεργασίας της άλμης δίνονται στην Ενότητα.. Στο σημείο αυτό πρέπει να τονιστεί ότι τα ηλιακά δεδομένα λήφθηκαν από βάση δεδομένων της Κοινότητας ( Αναλυτικά στοιχεία μπορεί να βρει ο αναγνώστης στην παραδοτέα έκθεση Deliverable.4..1 Ενεργειακό τμήμα συστήματος Η μαθηματική μοντελοποίηση των παραβολικών κατόπτρων, των επίπεδων συλλεκτών και της φωτοβολταϊκής γεννήτριας δίνεται συγκεντρωτικά στον ακόλουθο πίνακα. Αναλυτικότερες πληροφορίες αναφορικά με τη μαθηματική μοντελοποίηση ο αναγνώστης μπορεί να βρει στο αναλυτικό παραδοτέο (Deliverable.4). Σ ε λ ί δ α

7 Πίνακας.1: Μαθηματική μοντελοποίηση παραβολικών κατόπτρων, επίπεδων συλλεκτών και φωτοβολταϊκής γεννήτριας Παραβολικά κάτοπτρα 1 (.1) 1 (.) + (.3) + co (.4) 3.45 in (.5) ±0.5. (.6) Solar time Standard time4 L L +E (.7) E cob inb (.8) cob inb (.9) H bt (.10) (.11) H 1 (.1) n E, H A A E, H n (.13) E, n A, E, (.14) A, n H ΔΤ ΔΤ (.15) T +ΔT T (.16) Δεξαμενή flah + + (.17) H 3 Σ ε λ ί δ α

8 m h +m h m H +m h m m H h h h (.18) y x (.19) length diameter 3 (.0) D A 3 (.1) V π D 4 L3 π D (.) 4 Δεξαμενή αποθήκευσης ατμού pf h H ac n h h n n (.3) ac r mtt (.4) t m ac ac r pf (.5) V m ac ρ (.6) V V ac 0.9 c m ac h H ac ac h h n ac (.7) (.8) Επίπεδοι ηλιακοί συλλέκτες n E, A H A E, (.9) H n Φωτοβολταϊκή γεννήτρια MAS(1.*ADL*(1+0.5))/(INS*n*PCSE) (.30) P nominal 30 Watt x number of PV module (Watt (peak)) (.31) V PV 1.4*48V67,V (.3) 4 Σ ε λ ί δ α

9 Συσσωρευτές N k *(DoD) 100 (.33) C(Ah)1.*(E T *n)/(dod*v n ) (.34). Μαθηματική μοντελοποίηση εξατμιστήρα, κρυσταλλωτήρα, ξηραντήρα και συμπιεστή Πίνακας.: Μοντελοποίηση εξατμιστήρα, κρυσταλλωτήρα, ξηραντήρα και συμπιεστή Φυσικοχημικές ιδιότητες H T 393,1+ 1,541T + 0,0191T (-35) bpr b + (-36) 1X b X ρ 48,64 X + 700,9X ,1 (-37) i i i U ei U 1+ a eo * 1 X * a i (-38) P T ,63 (8,07131 ) 33,46+ T (-39) ρ 0,5133P 13,055P + 968,9 (-40) a a h 3,014P + 68,45P + 371,89 (-41) H 44,806ln P + 675,3 (-4) Εξατμιστήρας L (-43) 0 X 0 L1 X1 L (-44) 1X1 L X L (-45) X L3 X 3 L + (-46) 0 L1 V1 L + 1 L V (-47) 5 Σ ε λ ί δ α

10 L + (-48) L3 V3 T 1 T bpr 1 (-49) 1 + T + (-50) T bpr T + (-51) 3 3 T bpr3 ( T1 T0) + V1 H 1 L C (-5) e1 0 p T ( T T1) + V H L C (-53) e 1 p T ( T3 T) + V3 H 3 L C (-54) e3 p T m e1 V co ( H C H p ( T co T )) (-55) e V H (-56) 1 T 1 e V H (-57) 3 T e e 1 A U (T T ) (-58) e e e A U (T T ) (-59) e 1 e e 3 A U (T T ) (-60) e Κρυσταλλωτήρας W ( ) L 1 X 3 3 (-61) 6 5 C,0 10 T + 1,0 10 T + 0,67 (-6) eq cr cr X cr C C (-63) eq X cr X cr ' 1 X cr (-64) G k C (-65) G Fc L 3 ρ (-66) 6 Σ ε λ ί δ α

11 X crf Ceq ' 1 C eq (-67) Y L 3 X 3 (-68) V cr L ) ( 1 X V f Y (-69) 3 3 r XM τ V cr Fc (-70) M o 4 T 6ρc fvn ( Gτ ) (-71) B o k N G M (-7) n T L d 3Gτ (-73) L m 4Gτ (-74) c L ) C p ( Tcr T + Vcr H o Y H (-75) 3 3 c m cr c V cocr ( H C ( T T )) (-76) H p cocr Ξηραντήρας k %) a b c kota ( RH u (-77) a 1 t ln k X X M (-78) W Y( X X) (-79) M F a c W Y Ytop 3600 ρ cr (-80) (-81) A D h c layer t t op (-8) 7 Σ ε λ ί δ α

12 N tr A A D tr (-83) Μηχανικός συμπιεστής V co 3 V R (-84) V V R (-85) cocr cr cr T co k P T P 3 3 (-86) T cocr T cr P Pcr k (-87) E co V C ( T T3) (-88) co p co E cocr V C T T ) (-89) cocr p ( cocr cr Θερμικός συμπιεστής m + m m (-90) p e c m m e p (-91) C r Pc P e (-9) E r P P P e (-93) W ae b r P c e P d c e+ fp h+ ip g p j c (-94) 0,33 0,73 P 0, 13P e P (-95) c A 1 m P p p RT p γη n γ + γ+ 1 1 γ 1 (-96) 8 Σ ε λ ί δ α

13 A A 1 3 1,09 1,1 0,16 0,34Pc Pp (-97) A A 1 0,83 0,86 0,1 1,04 Pc Pp (-98) Προθερμαντήρας εξατμιστήρα Τ mix V1 T1 + V T + V3 V + V + V m mix V V V3 3 T 3 (-99) (-100) ec m C (-101) mix p ( Tmix Tcondex) T LM ( Tmix Tfo ) ( Tcondex Tf ) (-10) Tmix Tfo ln T T condex f ec U A T (-103) ec ec LM Εναλλάκτης θερμότητας ξηραντήρα d F C T T ) (-104) a pa( a f DHE m V (-105) cr t am cr DHE p DHE ( T T ) m C (-106) d cr ex ε (-107) team m DHE ( H + c ( T T DHE ) ' (-108) p ex T DHE LM ( T Ta ) ( Tdhe To ) (-109) T Ta ln T T DHE ex o d U A T (-110) D DHE DHE LM 9 Σ ε λ ί δ α

14 3 Τελικός σχεδιασμός και διαστασιολόγηση του συστήματος επεξεργασίας της άλμης Ο τελικός σχεδιασμός πραγματοποιήθηκε με τη χρήση του υπολογιστικού εργαλείου προσομοίωσης των διεργασιών του. Ο εν λόγω προσομοιωτής έχει αναρτηθεί στην ιστοσελίδα του προγράμματος και αποτελεί το Παραδοτέο.. Σημειώνεται ότι στον προσομοιωτή έχει ενσωματωθεί το σύνολο των εξισώσεων που παρουσιάζονται στου πίνακες.1,.. Οι εξισώσεις αυτές περιλαμβάνουν ένα πλήθος μεταβλητών, οι οποίες ταξινομούνται σε δύο () κατηγορίες: Μεταβλητές σχεδιασμού (deign variable), Μεταβλητές διεργασίας (proce variable). Οι μεταβλητές αυτές παρουσιάζονται αναλυτικά για κάθε επιμέρους μονάδα στο Παραδοτέο.4. Συνοπτικά οι μεταβλητές σχεδιασμού που χρησιμοποιήθηκαν είναι οι ακόλουθες: 1. T, θερμοκρασία ατμού τροφοδοσίας από τα παραβολικά κάτοπτρα;. T 1, Θερμοκρασία διαλύματος στην πρώτη βαθμίδα; 3. T, Θερμοκρασία διαλύματος στη δεύτερη βαθμίδα; 4. T 3, Θερμοκρασία διαλύματος στην τρίτη βαθμίδα; 5. X 3, Συγκέντρωση διαλύματος στην τρίτη βαθμίδα; 6. τ, χρόνος παραμονής στη μονάδα κρυστάλλωσης; 7. T a, θερμοκρασία αέρα ξήρανσης; 8. u, ταχύτητα αέρα ξήρανσης. Έχοντας προσδιορίσει το σύνολο των μεταβλητών σχεδιασμού, στη συνέχεια πραγματοποίηθηκε ανάλυση ευαισθησίας, διερευνώντας την επίδραση των μεταβλητών σχεδιασμού στη γενικότερη λειτουργία και επίδοση του συστήματος, σε όρους τόσο οικονομικούς όσο και περιβαλλοντικούς. Για την περιβαλλοντική αποτίμηση του, το οποίο πρόκειται να κατασκευαστεί κατά την υλοποίηση της Δράσης 3, αξιοποιήθηκαν τα αποτελέσματα της Ανάλυσης Κύκλου Ζωής, η οποία παρουσιάζεται αναλυτικά στο Παραδοτέο.3. Η διαστασιολόγηση του συστήματος καθώς επίσης και στοιχεία σχετικά με την προβλεπόμενη λειτουργία του συστήματος παρουσιάζονται στα Σχέδια Σ ε λ ί δ α

15 Σχέδιο 3-1: Εξατμιστήρας 11 Σ ε λ ί δ α

16 Σχέδιο 3-: Κρυσταλλωτήρας 1 Σ ε λ ί δ α

17 Σχέδιο 3-3: Ξηραντήρας 13 Σ ε λ ί δ α

18 Σχέδιο 3-4: Παραβολικός συλλέκτης 14 Σ ε λ ί δ α

19 Σχέδιο 3-5: Φωτοβολταϊκή γεννήτρια 15 Σ ε λ ί δ α

20 Σχέδιο 3-6: Μονογραμμικό διάγραμμα 16 Σ ε λ ί δ α

21 17 Σ ε λ ί δ α Σχέδιο 3-7: Μονογραμμικό διάγραμμα: ισοζύγιο μάζας συστήματος

22 Σχέδιο 3-8: Μονογραμμικό διάγραμμα: διαστάσεις μονάδων συστήματος 18 Σ ε λ ί δ α

23 Σχέδιο 3-9: Μονογραμμικό διάγραμμα: ισοζύγιο ισχύος συστήματος 19 Σ ε λ ί δ α

24 Σχέδιο 3-10: Μονογραμμικό διάγραμμα: ισοζύγιο ενέργειας συστήματος 0 Σ ε λ ί δ α

25 Βιβλιογραφικές αναφορές [1] A. Thoma (January 1996), Deign methodology for a mall olar team generation ytem uing the flah boiler concept, Energy Converion and Management, Volume 37, Iue 1, Page 1-15, ISSN [] Duffie Bechman, Solar engineering of thermal procee. Second Edition, John Wiley and Son, Inc., USA, 1991, ISBN [3] Hanen D. A., et al., 000. Model for a Stand-Alone PV Sytem, Rio National Lab, Rokilde, Denmark. ISBN [4] H. El-Deouky, H. Ettouney, I. Alatiqi, G. Al-Nuaibit (00), Evaluation of team jet ejector, Chemical Engineering and Proceing, Volume 41, Page [5] International Solar Energy, German ection Planning and Intalling Photovoltaic Sytem: A Guide for Intaller, Architect and Engineer. Earthcan Publication Ltd, ISBN- 10: [6] J. NYVLT (1973) Deign of Continuou Agitated Crytallizer. Kritall und Technik, Volume 8, Iue 5, [7] J. NYVLT (1971) Indutrial Crytalliation from olution. Butterorth, London. [8] Z. Marouli, G. Saravaco (003), Food Proce Deign, Marcel Dekker, Inc., Page [9] Oi A Deign and imulation of photovoltaic ater pumping ytem, Thei, Faculty of California Polytechnic State Univerity Dan Lui Obipo. [10] P. Scheitzer (1997) Handbook of eparation Technique for Chemical Engineer. 3 rd edition, McGra-Hill, Page [11] Δέρβος, Κ.Θ Εισαγωγή στα ημιαγώγιμα υλικά και φωτοβολταϊκές διατάξεις. Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών.

26 Sol Brine LIFE+-Environment project: LIFE 09 ENV/GR/00099 Σ ε λ ί δ α