Οδηγοί εξοικονόμησης ενέργειας στη βιομηχανία

Οδηγοί εξοικονόμησης ενέργειας στη βιομηχανία

Οδηγοί εξοικονόμησης ενέργειας στη βιομηχανία LBNL, Report 2268E

Οδηγοί εξοικονόμησης ενέργειας LBNL, Report 2268E

Πλαίσιο και στόχος των διαλέξεων Οι δράσεις εξοικονόμησης ενέργειας απαιτούν εξοικείωση με πληθώρα διεργασιών συσκευών και μηχανών (ροή, μεταφορά θερμότητας, καύση, λέβητες, εναλλάκτες, αντλίες, φυσητήρες, βάνες, δίκτυα ατμού) Ο μηχανικός της παραγωγής χρειάζεται να κάνει απλούς (ή όχι τόσο απλούς) υπολογισμούς για να: Κατανοεί τα χαρακτηριστικά λειτουργίας του εξοπλισμού Ελέγχει τον βαθμό απόδοσης των συσκευών Προδιαγράφει εξοπλισμό για διάφορα καθήκοντα Αξιολογεί τεχνικοοικονομικά εναλλακτικές προτάσεις Συστατικό επιτυχίας η βαθιά κατανόηση και ορθή χρήση λίγων βασικών αρχών Υποβοηθητική η αξιοποίηση της διαθέσιμης πληροφορίας στο διαδίκτυο (δεδομένα, λογισμικό)

Σύνοψη περιεχομένων Εισαγωγή (πίνακες ατμού: δεδομένα-διαδίκτυο, ισοζύγιο ενέργειας: βασικές αρχές) Εφαρμογές ισοζυγίου θερμικής ενέργειας Καύση και καυσαέρια («βρώμικοι» υπολογισμοί) Μεταφορά θερμότητας και θερμικές απώλειες Εναλλάκτες θερμότητας (συσκευές, δυνατότητες, προβλήματα) Εφαρμογές ισοζυγίου μηχανικής ενέργειας (άντληση και μεταφορά ρευστών) Δίκτυα ατμού και ατμοπαγίδες

Σκαρίφημα ατμοπαραγωγού Καυσαέρια Υπέρθερμος ατμός Κορεσμένος ατμός Συμπυκνώματα Καύσιμο Αέρας Νερό αναπλήρωσης (makeup) Ρεύμα εκμάστευσης (Blowdown)

Χωροθέτηση ρευστών σε ατμοπαραγωγό ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΟΙ ΣΤΟΧΟΙ Προστασία αυλών από τη φλόγα Αξιοποίηση θερμότητας καυσαερίων Αποφυγή διάβρωσης λόγω συμπύκνωσης Μείωση περίσσειας αέρα Βελτίωση συνθηκών καύσης Χημική επεξεργασία και απαερίωση νερού τροφοδοσίας Επιστροφή συμπυκνωμάτων Αξιοποίηση εκμάστευσης

Κορεσμένος και υπέρθερμος ατμός P = 1 atm T = 99,9 o C T = 100 o C T = 100,1 o C

Πίνακες ατμού Παράδειγμα 1: Πόση θερμική ισχύς απορροφάται από 180 t/h νερού τροφοδοσίας 108 atm και 121 o C όταν παράγεται ατμός 108 atm και 482 o C; http://checalc.com/calc/steam.html http://webbook.nist.gov/ NIST Chemistry WebBook Q = m H o H i = 180000 3600 kg s 3315,38 515,59 kj kg = 140000 kw = 140 MW ΙΣΟΖΥΓΙΟ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ;

Πίνακες ατμού (συνέχεια) Παράδειγμα 2: Πόση θερμική ισχύς απορροφάται από 180 t/h νερού τροφοδοσίας 108 atm και 121 o C όταν παράγεται υγρός ατμός 108 atm ποιότητας 80%; H o = xh v + 1 x H l = 0,8 2707,5 + 0,2 1447,9 = 2455,6 kj kg Q = m H o H i = 180000 3600 kg s 2455,61 515,59 kj kg = 97 MW x μαζική ποιότητα ατμού = kg ατμού ολικά kg SBV : ογκομετρική ποιότητα ατμού (steam by volume) CR : λόγος ανακυκλοφορίας = 1/x SBV = 100 x ρ v x ρ + 1 x [=] v ρ l m 3 ατμού m 3 ατμού + m 3 υγρού

Ισοζύγιο ενέργειας F 1, U F1 Παραγωγή έργου, W P 1, U P1 d dt Ε ολ = i F i U + u2 2 + gz Fi j P j U + u2 2 + gz Pj + Q W F 2, U F2 d dt Ε ολ = i F i Η + u2 2 + gz Fi j P j Η + u2 2 + gz Pj + Q W s F 3, U F3 P 2, U P2 Ισοζύγιο Θερμικής Ενέργειας (μόνιμες συνθήκες) Εισροή θερμότητας, Q j P j H j = i F i H j + Q W = W s H = U + p ρ i F i p i ρ i + j P j p j ρ j Ισοζύγιο Μηχανικής Ενέργειας (F i =P j = m) m Δ p ρ + u2 2 + gz + W s + m l τρ = 0, l τρ = 4f L e d 1 2 u2

Εφαρμογές ισοζυγίου θερμικής ενέργειας

Θερμιδόμετρο στραγγαλισμού Παράδειγμα 3: Θερμιδόμετρο συνδέεται με δίκτυο ατμού πίεσης 7 atm και δείχνει θερμοκρασία 119 o C. Ποια η ποιότητα του ατμού στο δίκτυο; Ισενθαλπική εκτόνωση: H st = H th T th = 119 o C, P th = 1 atm H th = 2714,45 kj/kg (υπέρθερμος) Για υγρό ατμό σε P=7 atm: H v = 2763,30, H l = 699,46 kj/kg H st = xh v + 1 x H l = H th x = 0,976

Από-υπερθέρμανση (desuperheating) Παράδειγμα 4: Υπέρθερμος ατμός πίεσης 50 atm και θερμοκρασίας 427 o C πρέπει να ψυχθεί ως τους 372 o C με ψεκασμό με νερό 150 o C. Υπολογίστε την παροχή νερού που απαιτείται. m,h m 1,H 1 m 2,H 2 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΥΠΕΡΘΕΡΜΟΥ ΑΤΜΟΥ Αποφυγή συμπυκνωμάτων στους αγωγούς μεταφοράς υψηλές ταχύτητες Ατμοπαγίδα λειτουργεί μόνον στο ξεκίνημα Χαμηλός συντελεστής συναγωγής Αβεβαιότητα στο σχεδιασμό συσκευών θερμικών διεργασιών Θερμική καταπόνηση υλικών και αισθητήρων Αδιαβατική ανάμιξη m 1 + m = m 2 m 1 H 1 + mh = m 2 H 2 Από πίνακες ατμού H 1 = 3261,12 kj kg H 2 = 3125,14 kj kg H = 635,10 kj kg m m 1 = H 1 H 2 H 2 H = 0,055 m = 5,5% m 1

Αξιοποίηση εκμάστευσης ατμολέβητα Παράδειγμα 5: Ατμοπαραγωγός πίεσης 40 atm και δυναμικότητας 27000 kg/h τροφοδοτείται με νερό που περιέχει 100 ppm ολικά διαλυμένα στερεά, ενώ το ρεύμα απομάκρυνσης νερού από το τύμπανο (εκμάστευση) περιέχει 1500 ppm στερεά. Υπολογίστε την παροχή της εκμάστευσης. Αν το ρεύμα αυτό εκτονωθεί σε 7 atm, πόσος ατμός θα παραχθεί και ποιο το οικονομικό όφελος; Καυσαέρια ΙΣΟΖΥΓΙΑ ΜΑΖΑΣ: Μ = S + B = 27000 + B Υπέρθερμος ατμός Κορεσμένος ατμός S Μx Μ = Βx Β 27000 + Β 100 = B 1500 B = 1929kg/h ΙΣΕΝΘΑΛΠΙΚΗ ΕΚΤΟΝΩΣΗ: H Β = xh v + 1 x H l Καύσιμο Αέρας H v = 2763,30 kj/kg, H l = 699,46 kj/kg Η Β = 1091,23 kj/kg x = 0,190 Αναπλήρωση νερού, Μ Απομάκρυνση νερού, Β Κόστος ατμού 5/ton: 1929 0,190 7000 5 = 12830 /year 1000

Εξατμιστήρας με θερμαντήρα ατμού Παράδειγμα 6: Εξατμιστήρας που λειτουργεί σε ατμοσφαιρική πίεση τροφοδοτείται με υδατικό διάλυμα NaCl, παροχής 7000 kg/h, θερμοκρασίας 70 o C και σύστασης 3% κατά βάρος (C p =4,05 kj/kg o C) και παράγει προϊόν σύστασης 25% κατά βάρος (C p =3,24 kj/kg o C). Θερμότητα παρέχεται στον εξατμιστήρα από την συμπύκνωση κορεσμένου ατμού θέρμανσης 150 o C που κυκλοφορεί εσωτερικά των αυλών. Υπολογίστε την απαιτούμενη παροχή ατμού και σχολιάστε τη σημασία της ατμοπαγίδας. S Δοχείο πλήρους ανάμιξης : P b =1 atm, Τ b =Τ P =107 o C (σημείο βρασμού δ/τος 25%) Fx F = Px P P = 7000 0,03 0,25 = 840 kg/h S = F P = 7000 840 = 6160 kg/h FH F + m st H v = PH P + SH S + m st H l FH F + m st (H v H l ) = PH P + SH S F,x F,T F T b, P b Η F = C p,f (T F 0) = 283,50 kj/kg, Η P = C p,p (T P 0) = 346,68 kj/kg Η S = 2690 kj kg υπέρθερμος ατμός, (H v H l ) = ΔH vl = 2113,7 kj/kg P,x P,T P m st = 7038 kg/h Ατμο παγίδα Κακή λειτουργία ατμοπαγίδας: απώλεια ατμού, συσσώρευση υγρού Διαχείριση δικτύου ατμού και δικτύου συμπυκνωμάτων

Καύση και καυσαέρια

Υγρασία στον αέρα και τα καυσαέρια ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Σημείο δρόσου και διαβρωτική συμπεριφορά καυσαερίων Αφύγρανση δικτύου πεπιεσμένου αέρα Μεταφορά θερμότητας στο χώρο ακτινοβολίας ατμολεβήτων Απόλυτη υγρασία (humidity ratio): w = p w P p w M w M air = 0,622 p w P p w P = p w + p air Σχετική υγρασία (relative humidity): RH% = 100 p w p w sat (T) (P, T) Ισορροπία: p w,eq = p w sat (T) Θερμοκρασία υγρού θερμομέτρου (wet bulb, T WB ) - Θερμοκρασία αδιαβατικού κορεσμού (adiabatic saturation, T AD ): w w i T T i = C p ΔΗ vl (T i ) T i T WB T AD http://checalc.com/calc/wetbulb.html:

Ψυχρομετρικό διάγραμμα T WB ΣΔ

Υγρασία στον αέρα και τα καυσαέρια Παράδειγμα 7: Πόση η απόλυτη υγρασία και ποιο το σημείο δρόσου αέρα θερμοκρασίας 27 o C και σχετικής υγρασίας 65%; Πόσο μεταβάλλεται το σημείο δρόσου αν ο αέρας συμπιεστεί στις 2,5 atm; Από τη σχετική υγρασία με χρήση πινάκων ατμού: p w sat 27 o C = 0,0352 atm p w1 = RH 100 p w sat T = 0,65 0,0352 = 0,0229 atm Ή από τον ορισμό τη απόλυτης υγρασίας με χρήση ψυχρομετρικών δεδομένων: http://checalc.com/calc/wetbulb.html: w 1 = w 2 = 0,0146 kg νερού kg ξηρού αέρα p w1 = P w + w M w M air Συμπίεση: p w2 = p w1 P 2 P 1 = 0,0229 2,5 = 0,0572 atm (επίσης συμπυκνώματα σε δίκτυο πεπιεσμένου αέρα) Από πίνακες ατμού: (ΣΔ) 1 = 19,9 o C, (ΣΔ) 2 = 35,5 o C ΣΥΜΠΥΚΝΩΜΑΤΑ, ΔΙΑΒΡΩΣΗ

«Βρώμικοι» υπολογισμοί καύσης Αντί για: Πλήρης ανάλυση καυσίμου Λεπτομερείς υπολογισμοί καύσης + περίσσεια και υγρασία αέρα Σύσταση καυσαερίων ΑΘΔ (αναγωγή σε 1 ΜΜ Btu καυσίμου) Περίσσεια αέρα από σύσταση καυσαερίων Καύσιμο Α [=] lb ξηρού αέρα / 10 6 Btu καυσίμου Blast furnace gas 575 Bagasse 650 Carbon monoxide 670 Refinery and oil gas 720 Natural gas 730 Furnace oil / lignite 735-750 Bituminous coal 760 Anthracite 780 Coke 800 Ε% = Κ vol% Ο 2 21 vol% Ο 2 Καύσιμο K Carbon 100 Hydrogen 80 Carbon monoxide 121 Sulfur 100 Methane 90 Oil 95 Coal 97 Blast furnace gas 223 Coke oven gas 89

Προσδιορισμός παροχών αέρα καύσης και καυσαερίων Παράδειγμα 8: Ατμολέβητας ονομαστικής ισχύος 75 ΜΜ Btu/h (ΑΘΔ) τροφοδοτείται με άνθρακα ΑΘΔ=8900 Btu/lb και 20% περίσσεια αέρα. Υπολογίστε τις ογκομετρικές παροχές αέρα καύσης και καυσαερίων μία ημέρα με θερμοκρασία 80 ο F και σχετική υγρασία 80%. Παροχή καυσίμου: m f = 75 106 Btu/h 8900 Btu/lb = 8427 lb/h Απόλυτη υγρασία: w = 0,0177 lb H 2 O lb dry air A = 760 lb dry air MM Btu Παροχή υγρού αέρα: m air = 1,2 760 75 1,0177 = 69611 lb/h Παροχή καυσαερίων: m flue = m f + m air = 78038 lb/h Πυκνότητες από καταστατική εξίσωση ιδανικών αερίων: ρ air = 0,0736 lb ft 3 ρ flue (300 o F) = 0,0526 Q air = 9,458 105 ft3 /h lb ft 3 Q flue = 1,484 10 6 ft 3 /h * Μέθοδος αρκετά ακριβής για διαστασιολόγηση φυσητήρων και αεραγωγών

Εξοικονόμηση ενέργειας από μείωση περίσσειας αέρα Παράδειγμα 9: Σε ατμολέβητα φυσικού αερίου (ΑΘΔ=19000 Btu/lb), ονομαστικής ισχύος 60 ΜΜ Btu/h, μετράται 3% κατ όγκο Ο 2 στα καυσαέρια θερμοκρασίας 450 o F. Ποιο το ετήσιο όφελος από μείωση της περίσσειας αέρα ώστε το Ο 2 των καυσαερίων να πέσει στο 1%; Για καύσιμο φυσικό αέριο: Κ=90, Α=730 lb αέρα/mm Btu Ε = Κ vol% Ο 2 21 vol% Ο 2 E 0 = 90 3 21 3 = 15%, E 1 1 = 90 21 1 = 4,5% A = 730 lb dry air MM Btu Εξοικονόμηση αέρα: Δm air = 730 60 (1,15 1,045) = 4599 lb/h Μείωση θερμικών απωλειών ΔQ = Δm air C p T flue T air = 4599 lb/h (0,25 Btu lb o F ) (450 80)o F = 0,43 MM Btu/h Κόστος ενέργειας 0,06/kWh th : MM Btu 0,43 h 7200 h y 292,9 kwh MM Btu 0,06 kwh = 54400 /year

Συμπύκνωση καυσαερίων Σε «καθαρά» καυσαέρια, το σημείο δρόσου Τ ΣΔ εξαρτάται μόνον από τη μερική πίεση υδρατμού: p w = p w sat (Τ ΣΔ ) Τα όξινα αέρια (πχ HCl, HNO 3, SO 2, SO 3 ) προκαλούν συμπύκνωση σε πολύ υψηλότερες θερμοκρασίες και τα συμπυκνώματα είναι εξαιρετικά διαβρωτικά. Το όξινο σημείο δρόσου καθορίζει την ελάχιστη επιτρεπτή θερμοκρασία των καυσαερίων και περιορίζει τις δυνατότητες εξοικονόμησης ενέργειας. ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΣΥΣΧΕΤΙΣΕΩΝ AΠΟ ΠΡΟΣΑΡΜΟΓΗ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ HCl: SO 2 : 1000 Τ ΣΔ = 3,7368 0,1591 ln p H2O 0,0326 ln p HCl + 0,00269 ln p H2O ln p HCl 1000 Τ ΣΔ = 3,9526 0,1863 ln p H2O + 0,000867 ln p SO2 0,000913 ln p H2O ln p SO2 p = mm Hg Τ ΣΔ = K SO 3 : 1000 Τ ΣΔ = 2,276 0,0294 ln p H2O 0,0858 ln p H2SO4 + 0,0062 ln p H2O ln p H2SO4

Υπολογισμός σημείου δρόσου Παράδειγμα 10: Τα καυσαέρια αποτεφρωτή περιέχουν κατ όγκο 12% Η 2 Ο, 0,02% SO 2 και 0,0015% HCl. (α) Προβλέψτε το σημείο δρόσου με βάση τη συμπύκνωση υδροχλωρικού και θειϊκού οξέος. (β) Αν τα καυσαέρια προθερμαίνουν την τροφοδοσία ατμοπαραγωγού (economizer), καθορίστε τις επιθυμητές συνθήκες λειτουργίας του. p Η2Ο = 0,12 760 = 91,2 mm Hg, p SO2 = 0,0002 760 = 0,152 mm Hg, p ΗCl = 0,000015 760 = 0,114 mm Hg Ο βαθμός μετατροπής SO 2 σε SO 3 (δηλαδή H 2 SO 4 ) είναι γενικά 1-5%. Υποθέτοντας 2%, λαμβάνουμε p Η2SO4 = 0,0002 0,02 760 = 0,003 mm Hg Με βάση τον υδρατμό: Με βάση το HCl: Με βάση το H 2 SO 4 : Τ ΣΔ = 50 o C Τ ΣΔ = 54 o C Τ ΣΔ = 131 o C Το θείο στο καύσιμο προκαλεί πρόωρη συμπύκνωση Η θερμοκρασία εισόδου του νερού στον προθερμαντήρα πρέπει να είναι υψηλή (>130 ο C βλ. ατμός απαεριωτή) Αύξηση της θερμοκρασίας εξόδου των καυσαερίων δεν επιλύει το πρόβλημα (πχ h i =4000, h o =60 W/m 2 K) Τ w = Τ i + Τ o Τ i h o h o + h i T i = 120 o C, T o = 175 o C T w = 120,8 o C T i = 120 o C, T o = 400 o C T w = 124,1 o C

Ισορροπία Η 2 Ο-H 2 SO 4

Μεταφορά θερμότητας

Μηχανισμοί μεταφοράς θερμότητας ΑΓΩΓΗ ΣΥΝΑΓΩΓΗ (εξαναγκασμένη) ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ q k w Τ w Τ a Τ ο Τ h Τ c ΣΥΝΑΓΩΓΗ (φυσική) Δx Τ w q = Q A = k w Δx Θερμορροή q = W/m 2 k w = W m o C T h T c Συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας Τ a Τ w q = Q A = h T w T a Συντελεστής συναγωγής h = W m 2 o C = f ρ, μ, k, C p, u, L q = Q A = σε Τ w 4 Τ4 o ε: βαθμός εκπομπής της επιφάνειας T w, T a : K (= 273,16 + o C) σ = 5,67 10 8 W m 2 K 4

Πρόβλεψη συντελεστών συναγωγής (Η μαγεία των αδιάστατων αριθμών) ΕΞΑΝΑΓΚΑΣΜΕΝΗ ΣΥΝΑΓΩΓΗ Nu = f Re, Pr = α Re β Pr γ ΦΥΣΙΚΗ ΣΥΝΑΓΩΓΗ Nu = f Gr, Pr = α Gr β Pr γ Αριθμός Prandtl Pr = ν α = Re = ρul μ μ/ρ = μc p k ρc p k Αριθμός Reynolds = ρu2 μu/l = δυνφμεις αδρφνειας ιξώδεις δυνφμεις Αριθμός Nusselt Nu = hl k = h ΔΤ k ΔΤ/L = θερμορροή με συναγωγή θερμορροή με αγωγή Αριθμός Grashof Gr = βg ΔΤ L3 ν 2 = 2 L 2 βg ΔΤ L ν 2 = "Re" 2

Θερμικές αντιστάσεις σε σειρά q q = Q A = h i T i T wi = k w Δx T wi T wo = h o T wo T o Τ i, h i k w k Τ o, h o q = Q A = U T i T o, 1 U = 1 + Δx + 1 h i k w h o Τ wi Τ wo ΣΥΝΗΘΩΣ k w Δx h i, h o T wi T wο = Τ w = Τ i + Τ o Τ i h o h o + h i Δx h i h o T i T w T w T o T w T i Παράδειγμα 11: Τί επίδραση έχει ο σχηματισμός αποθέσεων (επικαθήσεων) σε έναν υδραυλωτό ατμοπαραγωγό; q 1 U = 1 + R h fi + Δx + 1 + R i k w h fo, U q, T o o Θερμοκρασία εξόδου καυσαερίων Θερμικό καθήκον ατμοπαραγωγού Θερμοκρασία τοιχώματος αυλών Τ i Τ o R fi Δx R fo

Θερμικές απώλειες σωληνώσεων Παράδειγμα 13: Πώς εξαρτώνται οι θερμικές απώλειες οριζόντιου αγωγού OD 3 και εσωτερικής θερμοκρασίας 175 o C από τις ιδιότητες της μόνωσης και τις συνθήκες του περιβάλλοντος θερμοκρασίας 20 o C; http://checalc.com/calc/inshoriz.html

Q = h i A i (T i T wi ) = k A o r o ln(r o /r i ) (T wi T wo ) ΑΝΤΙΣΤΑΣΕΙΣ ΠΑΡΑΛΛΗΛΑ Συναγωγή + ακτινοβολία 1 U = A o + r o ln(r o /r i ) + 1 A i h i k h o = h o A o T wo T o + εσa o (Τ 4 wo Τ 4 o ) Τ o, h o Q = UA o (T i T o ) h o +εσ(t wo + T o )(Τ 2 wo + Τ 2 o ) A o (T wo T o ) r i ro h o Τ i, h i Τ wo Τ wi ΕΜΠΕΙΡΙΚΗ ΣΥΣΧΕΤΙΣΗ (φυσική+εξαναγκασμένη συναγωγή) Q 1,25 u + 68,9 = 0,296(T A wo T o ) o 68,9 + 0,174ε T wo + 459,6 100 Q/A o [=] Btu/ft 2 /h, T wo, T o [=] o F, u [=] ft/min 4 T o + 459,6 100 4 ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ h o : φυσική/εξαναγκασμένη συναγωγή ε : απώλειες ακτινοβολίας Ιδιότητες μονωτικών υλικών Εκτίμηση κόστους/οφέλους

Κοστολόγηση κύκλου ζωής (LCC) Παράδειγμα 14: Ποιο το κόστος κύκλου ζωής για τη λειτουργία οριζόντιου αγωγού 100 m, εξωτερικής διαμέτρου 3 in και εσωτερικής θερμοκρασίας 175 o C χωρίς μόνωση και με μόνωση 0,5-3 in fiberglass (Τ ο =20 o C, u o =3,5 m/s); LCC = C pur + C op F = C pur + (PC th N)F F = Y + Y 2 + Y 3 + +Y T = Y 1 YT 1 Y T : έτη λειτουργίας εγκατάστασης i : επιτόκιο e : πληθωρισμός, Y = 1 + e 1 + i C pur C op F P C th N : κόστος προμήθειας : συνολικό ετήσιο κόστος λειτουργίας : παρούσα αξία μελλοντικών χρημάτων : λειτουργικές μονάδες/h : κόστος λειτουργικής μονάδας : ετήσιος χρόνος λειτουργίας, h/year ΠΑΡΟΥΣΑ ΑΞΙΑ ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΩΝ ΧΡΗΜΑΤΩΝ

Κοστολόγηση θερμομόνωσης Παράδειγμα 14: Ποιο το κόστος κύκλου ζωής για τη λειτουργία οριζόντιου αγωγού 100 m, εξωτερικής διαμέτρου 3 in και εσωτερικής θερμοκρασίας 175 o C χωρίς μόνωση και με μόνωση 0,5-3 in fiberglass (Τ ο =20 o C, u o =3,5 m/s); C th = 0,06 /kwh Ν = 8400 h/y C op =P C th N T = 15 έτη, i = 5%, e = 0% F = 10,8 LCC = C pur + C op F = C pur + (PC th N)F Γυμνός 0,5 1 1,5 2 2,5 3 Κόστος προμήθειας, k 0 8,25 9,60 10,95 12,45 13,65 14,70 Θερμορροή, kw 138,8 15,9 9,6 7,0 5,8 5,0 4,5 Ετήσιο κόστος λειτουργίας, k 69,96 8,01 4,84 3,53 2,92 2,52 2,27 Life-Cycle Cost, k 755,5 92,1 57,1 45,4 39,9 36,3 39,2

Εναλλάκτες θερμότητας

Εναλλάκτης διπλού σωλήνα: ομορροή-αντιρροή Q = m h C ph T h,in T h,out = m c C pc T c,out T c,in Q = UA(ΔT) LM (ΔT) LM = T h1 T c1 T h2 T c2 ln T h1 T c1 T h2 T c2 Ποιες οι θερμοκρασίες εξόδου των ρευμάτων στο όριο Α ; ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΚΗ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ U: εκτιμάται από τη φύση των ρευστών

Πρόβλεψη ολικού συντελεστή μεταφοράς Θερμό ρεύμα Ψυχρό ρεύμα U [=] W/m 2 K νερό νερό 1220-2440 ελαφρύ οργανικό νερό 370-730 μέσο οργανικό νερό 240-610 βαρύ οργανικό νερό 25-370 αέριο νερό 10-240 νερό αλμυρό νερό 490-980 ατμός νερό 980-3400 ατμός ελαφρύ οργανικό 490-980 ατμός μέσο οργανικό 240-490 ατμός βαρύ οργανικό 30-300 ατμός αέριο 25-240 ελαφρύ οργανικό ελαφρύ οργανικό 190-370 μέσο οργανικό μέσο οργανικό 100-290 βαρύ οργανικό βαρύ οργανικό 50-200

Προκαταρκτικός σχεδιασμός Παράδειγμα 15: Προδιαγράψτε χονδρικά την επιφάνεια εναλλάκτη αντιρροής για την αξιοποίηση της αισθητής θερμότητας ρεύματος οργανικού υγρού μέσου μοριακού βάρους, παροχής m h =16 kg/s και θερμοκρασίας T h = 85 ο C (C ph = 2,15 kj/kg ο C). Το ρεύμα αυτό θα θερμάνει παροχή νερού m c = 10 kg/s, θερμοκρασίας T c = 22 ο C (C pc = 4,18 kj/kg ο C). Η πρακτική της μονάδας σας προβλέπει ελάχιστη διαφορά θερμοκρασίας (θερμοκρασιακή προσέγγιση) μεταξύ των δύο ρευμάτων ΔΤ=5 ο C. Q = m h C ph T hi T ho = m c C pc T co T ci mc p min = m h C ph ΔΤ min = T ho T ci T ho = 27 o C Q = 1995,2 kw = 69,7 o C T co 85 ο C 69,7 ο C 27 ο C 22 ο C Ενδεικτικός ολικός συντελεστής μεταφοράς θερμότητας (medium organic / water): U=240-610 W/m 2 o C (ΔT) LM = 85 69,7 27 22 ln 85 69,7 27 22 = 9,2 o C A = Q = 1995200 U(ΔT) LM 425 9,2 = 510 m2

Ανάλυση λειτουργίας (μέθοδος ε-ntu) C h = mc p h, C c = mc p c C R = C min C max, NTU = UA/C min ε = Q = C h T h,in T h,out = C c(t c,out T c,in Q max C min T h,in T c,in C min T h,in T c,in ΟΜΟΡΡΟΗ ε = 1 exp[ (1 + C R )NTU] 1 + C R ΑΝΤΙΡΡΟΗ ε = 1 exp[ (1 C R)NTU] 1 C R exp[ (1 C R )NTU] ΑΛΛΑΓΗ ΦΑΣΗΣ ε = 1 exp[ NTU]

Προκαταρκτική ανάλυση λειτουργίας Παράδειγμα 16: Προβλέψτε το θερμικό καθήκον του προθερμαντήρα νερού ενός ατμοπαραγωγού επιφάνειας 560 m 2, που θα λειτουργήσει σε αντιρροή με παροχή καυσαερίων m g =34 t/h (C pg =1110 J/kg ο C), παροχή νερού m w =30 t/h (C pw =4180 J/kg ο C ) και θερμοκρασίες εισόδου T gi =540 ο C και T wi =120 ο C. Υποθέστε ολικό συντελεστή μεταφοράς θερμότητας U=50 W/m 2 K (λειτουργία εκτός συνθηκών σχεδιασμού). C R = mc p min mc p max = NTU = UA mc p min = 34 1100 30 4180 = 0,298 50 560 ( 34000 3600 ) 1100 = 2,695 ε = 1 e 1 C R NTU 1 C R e 1 C R NTU = 0,889 ε = Q Q max = mc p h T hi T ho mc p min T hi T ci = mc p c T co T ci mc p min T hi T ci Q = 3879 kw T ho = 166,6 o C T co = 231,4 o C

Εναλλάκτες αυλών: διαδρομές ρευστών ΕΝΔΙΑΜΕΣΟ ΟΜΟΡΡΟΗΣ-ΑΝΤΙΡΡΟΗΣ: Q = UAF(ΔT) LM (τιμές F από http://checalc.com/solved/lmtd_chart.html)

Εναλλάκτες αυλών-κελύφους B ΣΤΟΧΟΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ d, N, B : επιλογή γεωμετρικών χαρακτηριστικών ΔΡ S U : αξιοποίηση διαθέσιμης πτώσης πίεσης : μεγιστοποίηση συντελεστών μεταφοράς d 1 U = A o + r o ln(r o /r i ) + 1 A i h i k h o P T h o D h k = 0,36 D hg μ 0,55 Pr 0,33 μ μ w 0,14, G = m, A s A s = D s B P T d P T D s ΔP s = f D s (N + 1) G 2 D h 2ρ, f = 1,779 D hg μ 0,19, D h = 4(P T 2 π d 2 4 πd

Συντελεστές συναγωγής- πρόχειρες παραμετρικές εκτιμήσεις ΡΟΗ ΜΕΣΑ ΣΕ ΑΥΛΟΥΣ Nu = 0,023 Re 0,8 Pr 0,4 όπου Nu = hd k ΡΟΗ ΕΓΚΑΡΣΙΑ ΣΕ ΔΕΣΜΗ ΑΥΛΩΝ Nu = 0,33 Re 0,6 Pr 0,33 ρud, Re = μ = 4 m πμd, Pr = μc p k d : διάμετρος αγωγού ρ : πυκνότητα ρευστού μ : ιξώδες ρευστού k : θερμική αγωγιμότητα ρευστού C p : ειδική θερμοχωρητικότητα ρευστού Παράδειγμα 12: Σε έναν εναλλάκτη αυλών-κελύφους, πώς μεταβάλλονται ο εσωτερικός και ο εξωτερικός συντελεστής συναγωγής με την μαζική παροχή; Πώς μεταβάλλονται ο εσωτερικός συντελεστής και η θερμορροή με τη διάμετρο και το πλήθος των αυλών; Μεταβολή παροχής h i ~ m 0,8, h o ~ m 0,6 Μεταβολή διαμέτρου αυλών h i d~d 0,8 h i ~d 1,8 Q~h i (Lπd)~d 0,8 Μεταβολή πλήθους αυλών, Ν t u = 4 m ρπd 2 N t u~n t 1 h i ~u 0,8 ~N t 0,8, Q~h i (Lπd)N t ~N t 0,2

Συμπαγείς εναλλάκτες πλακών-πλαισίου W hd h k = A(β) ρud h μ 0,64 Pr 0,4 L ΔP = 4f L D h ρu 2 2, f = B(β) ρud h μ 0,18 u = ρ m, A N 2 A s = W b, D h = 2b W s b β Α Β 30 o 0,40 2,78 45 o 0,56 8,90

Συμβατικοί και συμπαγείς εναλλάκτες: διαφορές σχεδιασμού Παράδειγμα 17: Διαβρωτικό θερμό ρεύμα παροχής 500 gal/min θα ψυχθεί από τους 280 ο F στους 150 ο F με νερό ψύξης. Το νερό είναι διαθέσιμο στους 80 ο F με ΔΡ=15 psi και δεν πρέπει να θερμανθεί πάνω από τους 115 ο F. Προδιαγράψτε κατάλληλο εναλλάκτη. Προδιαγραφή με βάση εμπειρία από εναλλάκτη αυλών-κελύφους Παροχή, gal/min Θερμοκρασία εισόδου, o F Θερμοκρασία εξόδου, o F Επιτρεπτή πτώση πίεσης, psi Πλευρά αυλών 500 280 150 15 Πλευρά κελύφους 1800 80 92 15 Ο εναλλάκτης αυλών-κελύφους περιορίζεται από τον χαμηλό συντελεστή στο κέλυφος. Αύξηση παροχής αύξηση συντελεστή μεταφοράς μείωση επιφάνειας Α αυλών-κελύφους =420 ft 2 Α πλακών =650 ft 2 ΣΥΜΠΑΓΗΣ ΕΝΑΛΛΑΚΤΗΣ; Προδιαγραφή με βάση εμπειρία από εναλλάκτη πλακών-πλαισίου Παροχή, gal/min Θερμοκρασία εισόδου, o F Θερμοκρασία εξόδου, o F Επιτρεπτή πτώση πίεσης, psi Πλευρά αυλών 500 280 150 15 Πλευρά κελύφους 655 80 115 15 Α πλακών =185 ft 2 Ο εναλλάκτης πλακών-πλαισίου έχει υψηλούς συντελεστές μεταφοράς αλλά περιορίζεται από τη διαθέσιμη πτώση πίεσης. Αύξηση παροχής αύξηση περασμάτων (δηλαδή επιφάνειας)

Επικαθήσεις στις επιφάνειες εναλλαγής ΕΙΔΗ ΕΠΙΚΑΘΗΣΕΩΝ Σωματιδιακές αποθέσεις: τέφρα ατμοπαραγωγών, αερόψυκτοι εναλλάκτες Κρυσταλλικές αποθέσεις: ψυκτικά κυκλώματα νερού Αποθέσεις προϊόντων διάβρωσης Βιολογικές αποθέσεις: ψύξη με θαλασσινό νερό Αποθέσεις προϊόντων αντίδρασης: εξανθράκωση, παστερίωση γάλακτος ΣΧΕΔΙΑΣΤΙΚΗ ΠΡΟΒΛΕΨΗ 1 U f = 1 h o + R fo + 1 U f = 1 U c + R ft A o ln( A o 2πkL A i ) A f A c = 1 + U c R ft + A o A i h i + A or fi A i ΣΥΣΤΑΣΕΙΣ Αποφυγή υψηλών θερμοκρασιών νερού ψύξης Διατήρηση ελάχιστης ταχύτητας ροής ~1m/s Αποφυγή πολύ υψηλών ταχυτήτων (μηχανική διάβρωση) Χωροθέτηση διαβρωτικού ρευστού στους αυλούς Επιλογή μεθόδου καθαρισμού κατά το σχεδιασμό: χημική ή μηχανική (βούρτσες, σφαιρίδια, θερμικό σόκ, υπέρηχοι)

Θερμική αντίσταση επικαθήσεων

Χρονική εξέλιξη λειτουργίας εναλλάκτη Παράδειγμα 18: Εναλλάκτης συμπυκνώνει 0,35 kg/s ατμού σε σταθερή θερμοκρασία T o =50 ο C. Ως ψυκτικό χρησιμοποιείται υφάλμυρο νερό γεώτρησης (brackish water) παροχής 9 kg/s και θερμοκρασίας 10 ο C. Οι συντελεστές συναγωγής στις συνθήκες σχεδιασμού είναι h w,d =5500 W/m 2 ο C για το νερό, h o =10000 W/m 2 ο C για τον ατμό και οι τιμές κατά ΤΕΜΑ για τις επικαθήσεις. Ελέγξτε την απόκλιση από τις συνθήκες σχεδιασμού καθώς ο εναλλάκτης τίθεται σε λειτουργία καθαρός και σταδιακά ρυπαίνεται. Εξετάστε τη λειτουργία με σταθερή παροχή νερού ψύξης και με σταθερό θερμικό φορτίο. ΣΤΑΘΕΡΗ ΠΑΡΟΧΗ ΝΕΡΟΥ ΨΥΞΗΣ (m d T out, Q) R fw = 0,176 m 2 o C/kW R fs = 0,088 m 2 o C/kW R ft = 0,264 m 2 o C/kW Q d = 833,7 kw T out,d = 32,2 o C A cl = 8,56 m 2 A f = 16,58 m 2 R ft U f NTU = U fa f m w,d C pw ε = Q Q max Q, T out

Χρονική εξέλιξη λειτουργίας εναλλάκτη (2) ΣΤΑΘΕΡΟ ΘΕΡΜΙΚΟ ΚΑΘΗΚΟΝ ΜΕ ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΠΑΡΟΧΗΣ ΝΕΡΟΥ ΨΥΞΗΣ (Q d T out, m w ) R ft U f 1 U f = 1 h o + R ft + 1 h w,d m w,d m w 0,8 NTU = U fa f m w C pw ε = Q Q max = 1 e NTU 1 exp U fa f m w C pw Q d m w C pw T o T in,d = 0 ΟΙ ΑΡΧΙΚΕΣ ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΕΠΙΤΑΧΥΝΟΥΝ ΤΟ ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟ ΕΠΙΚΑΘΗΣΕΩΝ

Χρονική εξέλιξη λειτουργίας εναλλάκτη (3) ΑΝΑΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑ ΘΕΡΜΟΥ ΝΕΡΟΥ ΣΤΑΘΕΡΟ ΘΕΡΜΙΚΟ ΚΑΘΗΚΟΝ ΜΕ ΑΝΑΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑ m re m w + m re = m w,d m w, T in,d Tin Tout T o Q = m w + m re C pw T out T in = m w C pw T out T in,d R ft U f 1 U f = 1 h o + R ft + 1 h w,d m w,d m w + m re 0,8 ε = Q m w + m re C pw T o T in = 1 exp U f A f m w + m re C pw

Έμμεσος προσδιορισμός επικαθήσεων σε λέβητα ανάκτησης Παράδειγμα 19: Υδραυλωτός λέβητας ανάκτησης (HRSB)σχεδιάστηκε να παράγει 4600 kg/h κορεσμένου ατμού πίεσης 20 atm με παροχή καυσαερίων m g =34000 kg/h και θερμοκρασίες T gi =540 ο C, T go =260 ο C. Κατά τη λειτουργία του με μειωμένο φορτίο (m g =22800 lb/h, T gi =510 ο C) μετράται θερμοκρασία εξόδου των καυσαερίων T gο =271 ο C. Μπορείτε να γνωμοδοτήσετε για το ενδεχόμενο επιδείνωσης της λειτουργίας του ατμολέβητα λόγω σχηματισμού επικαθήσεων; P sat = 20 atm T sat = 213 ο C Στις συνθήκες σχεδιασμού ln T gi T sat T go T sat = K Y m g 0,4 K Y = 34000 0,4 ln 540 213 260 213 = 126 Στις συνθήκες μειωμένου φορτίου ln 510 213 T go 213 = 126 22800 0,4 T go = 243, 5 o C ΣΟΒΑΡΗ ΕΠΙΒΑΡΥΝΣΗ ΛΟΓΩ ΕΠΙΚΑΘΗΣΕΩΝ Πτερύγια στους αυλούς: Εξυπηρετεί η χρήση τους;

Λέβητας ανάκτησης θερμότητας καυσαερίων (HRSB) Q = m g C p,g T gi T go = UA(ΔT) LM T sat T go (ΔT) LM = T gi T sat T go T sat ln T gi T sat T go T sat ln T gi T sat T go T sat = UA m g C p,g Θερμική αντίσταση κυρίως από τα καυσαέρια 1 U = 1 + Δx + 1 1 h sat k w h g h g T sat ΥΔΡΑΥΛΩΤΟΣ ΛΕΒΗΤΑΣ ΦΛΟΓΑΥΛΩΤΟΣ ΛΕΒΗΤΑΣ 0,6 U~ m g ln T gi T sat T go T sat = K Y m g 0,4 0,8 U~ m g ln T gi T sat T go T sat = K Φ m g 0,2 T gi

Αυλοί με πτερύγια ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Αερόψυκτοι ψύκτες/συμπυκνωτές Εκμετάλλευση θερμότητας καυσαερίων Μεγάλη διαφορά συντελεστών συναγωγής (αέριο/υγρό) m = 2 h ( k f δ) η e = η + δ 1 + 0,35 ln d + 2η 2 d tanh(mη e ) Ω f = 1 0,058(mη ) mη e e A r = (πd)l (1 n f δ) A f = n f L π 4 d + 2η 2 d 2 + π(d + 2η)δ Q = h(ω f A f + A r )(Τ w T a ) u max = m ρ S min N t, S min = (P T d 2n f δη)l

Εναλλάκτες αυλών-πτερυγίων ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΕΣ ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Ισχυρός φυσητήρας (μικρή θερμοχωρητικότητα αέρα) Μεταβολές συνθηκών αέρα περιβάλλοντος Προσαγόμενος ή επαγόμενος αέρας (forced/induced draft) Υψηλή πτώση πίεσης καυσαερίων Εφαρμογές βρασμού: αποφυγή κρίσιμης θερμορροής (CHF) Πυκνότητα πτερυγίων: σωματιδιακές επικαθήσεις Ύψος πτερυγίων ατμοπαραγωγού: Έλεγχος μέγιστης θερμοκρασίας

Σχεδιασμός-ανάλυση λειτουργίας αερόψυκτου συμπυκνωτή Προδιαγράφονται: Q, U f, T h,i, Τ h,o, Τ c,i, L, u a, P, d, η, N rows, n f, a f Άγνωστοι: Q = m a C p,a Τ a,o T a,i m a, Τ a,o, W, A f Q = U f A f (ΔΤ) LM m a = ρ a LWu a A f = W P N rowsl n f a f http://checalc.com/calc/airexch.html (σχεδιασμός) Παράδειγμα 20: Αερόψυκτος εναλλάκτης αυλών-πτερυγίων σχεδιάζεται να χρησιμοποιηθεί για συμπύκνωση καθορισμένης παροχής κορεσμένου ατμού 7 bar g. Υπολογίστε τα χαρακτηριστικά της συσκευής ως συνάρτηση της ταχύτητας αέρα που επιτυγχάνει ο φυσητήρας.

Άντληση και μεταφορά ρευστών

Αντλίες, φυσητήρες, μετρητικά, βάνες, διαφυγές: ροή και πτώση πίεσης ΙΣΟΖΥΓΙΟ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ m Δ p ρ + u2 2 + gz + W s + m l τρ = 0 p 1 p 2 p 3 m ρ p 2 p 1 = W s, p 2 p 3 = ρ l τρ ~ Q 2 Υδραυλικές αντιστάσεις l τρ = 4f L d + 1 (m ρ) K i 2 u2, u = f = f (Re, ε (πd 2,, 4) d ) Re = ρud μ = 4 m πμd i http://checalc.com/calc/linesingle.html, http://checalc.com/calc/kfact.html Αποτελεσματικότητα μετατροπής W s,electric = W s η p η m = 4ΕΙ cosφ η p : υδραυλικός βαθμός απόδοσης η m : βαθμός απόδοσης κινητήρα (0,90-0,95) cosφ : συνημίτονο (0,8-0,9) η p = QΔΡ η m 4ΕΙ cosφ ΕΛΕΓΧΟΣ ΒΑΘΜΟΥ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΜΕ ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ

Μεταβολές πυκνότητας ρευστού ΠΟΙΑ ΜΕΓΕΘΗ ΠΑΡΑΜΕΝΟΥΝ ΣΤΑΘΕΡΑ ΟΤΑΝ ΜΕΤΑΒΑΛΛΕΤΑΙ Η ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ ΤΟΥ ΠΡΟΣ ΑΝΤΛΗΣΗ ΡΕΥΣΤΟΥ; Επειδή οι αντλίες/φυσητήρες είναι συσκευές που μετατοπίζουν όγκους, σταθερή παραμένει η πραγματική ογκομετρική παροχή. Επίσης, επειδή η κινητική ενέργεια μετατρέπεται σε ενέργεια πίεσης, είναι σταθερό το μανομετρικό ύψος στις πραγματικές συνθήκες του ρευστού (ΔΡ/ρ). Παράδειγμα 21: Φυσητήρας παρέχει 500 m 3 /min αέρα 25 ο C σε πίεση 46 cm στήλης νερού. Πώς μεταβάλλονται η παροχή, η πίεση και η ισχύς όταν ο αέρας έχει θερμοκρασία 10 ο C; ρ 1 = 1,1839 kg m 3, ρ 2 = 1,2466 kg m 3 Q 1 = Q 2 = 500 m3 min αλλά m 1 = 592,0 kg min, m 2 = 623,3 kg min ΔΡ 1 ρ 1 = ΔΡ 2 ρ 2 ΔΡ 2 = 48,4 cm H 2 O Επίσης W s,2 = Q 2 ΔΡ 2 = Q 1 ΔΡ 1 ρ 2 ρ 1 = W s,1 ρ 2 ρ 1 = 39,6 kw Γιατί η δυναμικότητα των φυσητήρων αέρα ενός ατμολέβητα αξιολογείται στις συνθήκες χαμηλότερης πυκνότητας;?

Αποδοτική λειτουργία αντλιών και φυσητήρων ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΣΗΜΕΙΟΥ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Χαρακτηριστική καμπύλη αντλίας/φυσητήρα Καμπύλη υδραυλικής αντίστασης δικτύου ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΣΤΡΟΦΩΝ ΚΑΙ ΦΤΕΡΩΤΗΣ Q 2 = Q 1 N 2 N 1 D 2 D 1 http://checalc.com/solved/pumpcurve.html H 2 = H 1 N 2 N 1 2 D2 D 1 2

Λειτουργία αντλίας σε χαμηλή παροχή ΜΕΤΑΒΛΗΤΟ ΦΟΡΤΙΟ ΑΝΤΛΗΣΗΣ Χρήση ενδιάμεσων δοχείων (holding tanks) και αυτοματισμών Περισσότερες της μιας αντλίες παράλληλα Παράδειγμα 22: Μια αντλία νερού λειτουργεί στραγγαλισμένη με παροχή 23 m 3 /h και ΔΡ=6,4 MPa σε βαθμό απόδοσης η p =0,23. Πόσο θερμαίνεται το νερό; mc p ΔΤ = BHP W s = m ρ ΔΡ 1 η p 1 ΔΤ = ΔΡ ρc p 1 η p 1 = 5, 1 ο C

Μανομετρικό ύψος Βάνες ελέγχου Q = C V f x ΔΡ ρ ρ Η2Ο, C V = gpm 1 psi ΔΡ 25 20 15 10 5 0 0 5 10 15 20 Ογκομετρική παροχή

Μετρητικά τύπου orifice και venturi m = πd o 2 4 YC d 2ρ ΔΡ β = d o,, C d = f β, Re 0,6 for orifice 1 β 4 d p C d 1 for venturi http://checalc.com/calc/gasorifice.html http://checalc.com/calc/liqorifice.html d o d p d o d p ΔΡ ΔΡ ΔΡ μονιμη = ΔΡ 1 β 2 ΔΡ μονιμη 0,1 ΔΡ ΙΣΟΖΥΓΙΟ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ m Δ p ρ + u2 2 + gz + W s + m l τρ = 0 ΔΡ = 1 2 ρ u o 2 u 2 p = 1 2 ρu o 2 1 A2 o 2 = 1 A p 2 m 2 ρa o 2 1 β4

Διαστασιολόγηση μετρητικού orifice Παράδειγμα 23: Προσδιορίστε τη διάμετρο orifice σε αγωγό νερού ID=18 in, ώστε για παροχή 1150 m 3 /h η πτώση πίεσης να περιορίζεται σε 100 in H 2 O. Εκτιμήστε το ετήσιο κόστος λειτουργίας με βάση τη μόνιμη πτώση πίεσης. β = 0,6444, d o = 11,6 in ΔΡ μονιμη = ΔΡ 1 β 2 = (1000 9,81 2,54) 1 0,6444 2 = 14570 Pa W s = Q ΔΡ μον η p = 1150 14570 3600 0,70 1000 = 6,65 kw ΕΤΗΣΙΟ ΚΟΣΤΟΣ = 6,65 kw 24 365 0,15 kwh = 8740 /y

Αέρια, ατμοί και πτητικά υγρά Σπηλαίωση σε αντλίες και βάνες ελέγχου Διαφυγές αερίων / ατμών από διαρροές και βαλβίδες ασφαλείας Αδιαβατική, ισεντροπική εκτόνωση ιδανικού αερίου m = πd2 4 P M RT 2 γ + 1 (γ+1) (γ 1) ΥΠΕΡΚΡΙΣΙΜΕΣ ΣΥΝΘΗΚΕΣ P o P 2 γ + 1 γ γ 1, γ = C p C v m = A P M RT F γ

Δίκτυα ατμού και ατμοπαγίδες

Δίκτυα ατμού: διάμετρος σωληνώσεων http://www2.spiraxsarco.com/resources/steam-engineering-tutorials.asp ΣΥΝΕΠΕΙΕΣ ΥΠΕΡΔΙΑΣΤΑΣΙΟΛΟΓΗΣΗΣ Αυξημένο κόστος προμήθειας και εγκατάστασης σωληνώσεων και εξαρτημάτων Υψηλότερες θερμικές απώλειες και αυξημένος όγκος συμπυκνωμάτων Περισσότερες/μεγαλύτερες ατμοπαγίδες ΣΥΝΕΠΕΙΕΣ ΥΠΟΔΙΑΣΤΑΣΙΟΛΟΓΗΣΗΣ ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΕΣ ΤΑΧΥΤΗΤΕΣ ΑΤΜΟΥ Κορεσμένος ατμός: u st = 10 40 m/s Υπέρθερμος ατμός: u st = 20 60 m/s Μεγαλύτερη πτώση πίεσης Υποβαθμισμένος ατμός στο σημείο χρήσης Αύξηση μηχανικής διάβρωσης, υδραυλικών πληγμάτων και θορύβου

Υπολογισμός διαμέτρου Παράδειγμα 24: Επιλέξτε κατάλληλη διάμετρο για το παρακάτω δίκτυο ατμού ρ = 4,07 kg m 3, u = 20 m s d = 4 m πρu = 0,035 m = 35 mm Re = ρud μ f = f (Re, ε d ) ΔΡ = 4f L d + i K i 1 2 ρu2 http://checalc.com/calc/kfact.html διάμετρος, mm Ταχύτητα, m/s Re f ΔΡ, bar 24,31 (1,0 /80) 42,06 283081 0,00593 5,79 38,10 (1,5 /80) 17,12 180606 0,00548 0,57 49,25 (2,0 /80) 10,25 139716 0,00533 0,15 http://checalc.com/calc/linesingle.html

Δίκτυα ατμού: πίεση λειτουργίας Παράδειγμα 25: Σε μία μονάδα εξετάζεται η μείωση της πίεσης λειτουργίας του ατμοπαραγωγού ως μέθοδος εξοικονόμησης ενέργειας. Ποιες παράμετροι συνηγορούν υπέρ και ποιες κατά αυτής της παρέμβασης; ΣΥΝΕΠΕΙΕΣ ΥΨΗΛΗΣ ΠΙΕΣΗΣ Αυξημένες απώλειες καυσαερίων και ακτινοβολίας του λέβητα (χαμηλή ΔΤ) Υψηλότερη θερμοκρασία σωληνώσεων Υψηλότερη θερμοχωρητικότητα του λέβητα, με αποτέλεσμα καλύτερη απόκριση σε αυξομειώσεις φορτίου Μικρότερη διάμετρος κεντρικού αγωγού, άρα φθηνότερη θερμομόνωση ΣΤΑΘΜΟΣ ΜΕΙΩΣΗΣ ΠΙΕΣΗΣ ΑΤΜΟΥ

Υδραυλικό πλήγμα (waterhammer) ΣΥΝΕΠΕΙΕΣ ΥΔΡΑΥΛΙΚΟΥ ΠΛΗΓΜΑΤΟΣ Θόρυβος και τραντάγματα σωληνώσεων Βλάβες και πρόωρη φθορά αγωγών και εξαρτημάτων (πχ βάνες ελέγχου) Αστοχία και απελευθέρωση «ζωντανού» ατμού ΚΑΛΕΣ ΠΡΑΚΤΙΚΕΣ Σωληνώσεις υπό ελαφρά κλίση με τακτικά σημεία στράγγισης και κατάλληλες ατμοπαγίδες Βαλβίδα αντεπιστροφής (vacuum breaker) μετά κάθε ατμοπαγίδα για αποφυγή αναρρόφησης κατά τη διακοπή λειτουργίας Σταδιακό άνοιγμα βανών απομόνωσης, ιδιαίτερα κατά την εκκίνηση

Δίκτυα ατμού: στράγγισμα συμπυκνωμάτων ΧΩΡΟΘΕΤΗΣΗ ΣΩΛΗΝΩΣΕΩΝ ΑΤΜΟΠΑΓΙΔΑ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΣΥΛΛΕΚΤΗ

Δίκτυα ατμού: εξαέρωση Μικρή συγκέντρωση αέρα στον ατμό συσσωρεύεται στη διεπιφάνεια με το συμπύκνωμα και σχηματίζει μονωτικό στρώμα. ΣΥΜΠΤΩΜΑΤΑ ΥΠΑΡΞΗΣ ΑΕΡΑ ΣΤΟ ΔΙΚΤΥΟ Σταδιακή πτώση της απόδοσης συσκευής που λειτουργεί με θερμαντικό ατμό Εμφάνιση φυσαλίδων στο συμπύκνωμα Αυξημένος ρυθμός διάβρωσης p w = p sat (T sat ) ΧΩΡΟΘΕΤΗΣΗ ΕΞΑΕΡΩΣΗΣ Συμπληρωματικά της ατμοπαγίδας, κυρίως για την εκκίνηση Αντιδιαμετρικά του σημείου εισόδου του ατμού Λαμβάνεται υπόψη ότι τo μίγμα ατμού-αέρα είναι βαρύτερο του καθαρού ατμού

Τύποι ατμοπαγίδων: θερμοστατικές ΕΠΙΛΟΓΗ ΑΤΜΟΠΑΓΙΔΑΣ ΓΙΑ ΔΙΑΦΟΡΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ http://www2.spiraxsarco.com/resources/steam-engineeringtutorials/steam-traps-and-steam-trapping/selecting-steam-traps-canteen-equipment.asp Liquid expansion Bimetalic Balanced pressure Εύκολη απομάκρυνση αέρα κατά την εκκίνηση Έξοδος ψυχρού συμπυκνώματος Αδυναμία άμεσης απομάκρυνσης συμπυκνώματος Cooling leg (που προκαλεί αυξημένες απώλειες) ή κίνδυνος waterhammer

Τύποι ατμοπαγίδων: μηχανική με φλοτέρ Float-thermostatic (FT) Συνεχής απελευθέρωση συμπυκνώματος στη θερμοκρασία του ατμού (πρώτη επιλογή για εφαρμογές υψηλής θερμορροής/m 2 ) Δεν επηρεάζεται από απότομες αυξομειώσεις πίεσης και παροχής Αποτελεσματική απαέρωση με τη θερμοστατική βαλβίδα Μεγάλη δυναμικότητα συμπυκνώματος σε σχέση με το μέγεθός της Καλή ανοχή σε υδραυλικά πλήγματα Η μόνη κατάλληλη για εφαρμογές όπου παγιδεύεται ατμός (με steam lock release valve) Ευαίσθητη σε παγετό Απαιτείται αλλαγή/ρύθμιση εσωτερικών εξαρτημάτων όταν μεταβληθεί η πίεσης λειτουργίας (μεταβολή πυκνότητας ατμού -> άνωσης)

Τύποι ατμοπαγίδων: μηχανική αντεστραμμένου κάδου Inverted bucket Λειτουργεί σε υψηλές πιέσεις και έχει καλή ανοχή σε υδραυλικά πλήγματα Αστοχεί συνήθως ανοικτή Αργή απαέρωση από τη στενή οπή διαφυγής Απότομες αυξομειώσεις πίεσης οδηγούν σε απώλεια ατμού (Εκτονώνεται το υγρό που στεγανοποιεί τη διαδρομή γύρω από τον κάδο και χάνεται η άνωση) Απαιτείται αλλαγή/ρύθμιση εσωτερικών εξαρτημάτων όταν μεταβληθεί η πίεσης λειτουργίας Σε δίκτυο υπέρθερμου ατμού απαιτείται ανάντη της ατμοπαγίδας βαλβίδα αντεπιστροφής

Τύποι ατμοπαγίδων: θερμοδυναμικές Thermodynamic (TD) Δεν απαιτούν ρύθμιση ή αλλαγή εξαρτημάτων κατά την μεταβολή της πίεσης λειτουργίας Είναι συμπαγείς και ελαφρές με σχετικά υψηλή δυναμικότητα σε συμπύκνωμα Λειτουργούν σε υψηλές πιέσεις και δεν είναι ευαίσθητες σε κραδασμούς και υδραυλικά πλήγματα Εύκολη συντήρηση που δεν απαιτεί αποσύνδεση Η συχνότητα ανοίγματος μειώνεται με μόνωση της κορυφής Δεν δουλεύουν αξιόπιστα σε χαμηλές πιέσεις Σε γρήγορη έναρξη λειτουργίας κλείνουν παγιδεύοντας αέρα (παράλληλη σύνδεση θερμοστατικής) Θορυβώδης λειτουργία αλλά ταυτόχρονα εύκολη ακουστική διάγνωση ορθής λειτουργίας

Απομακρυσμένη σύνδεση και παγίδευση ατμού (steam lock) ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Περιστροφικά ξηραντήρια Δοχεία θέρμανσης με ανάκλιση (tilted process pans) Float-thermostatic with steam release (FT-C) http://www2.spiraxsarco.com/resources/steam-engineering-tutorials/steamtraps-and-steam-trapping/considerations-for-selecting-steam-traps.asp

Ομαδοποίηση συλλογής συμπυκνωμάτων Παράδειγμα 26: Εξετάστε τη δυνατότητα ομαδικής συλλογής συμπυκνωμάτων στις παρακάτω εφαρμογές. ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ΔΥΣΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Δοχείο Α με θερμό προϊόν καταναλώνει μικρή παροχή ατμού θέρμανσης. Δοχεία B, C και D με ψυχρό προϊόν έχουν υψηλές παροχές, άρα μεγαλύτερη πτώση πίεσης. Ο μανδύας του Α περιέχει ατμό σε υψηλή πίεση, ο οποίος εμποδίζει το στράγγισμα των άλλων δοχείων (waterlogging) και διαταράσσει τη λειτουργία της συστοιχίας. ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ΕΠΙΤΡΕΠΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Υγραντήρας αέρα με προθέρμανση, αδιαβατικό κορεσμό και επαναθέρμανση. Οι εναλλάκτες θερμαίνουν το ίδιο ρεύμα, άρα έχουν ανάλογη αυξομείωση φορτίου.

Θερμαντήρες ατμού με έλεγχο θερμοκρασίας Η πλημμύριση θερμαντήρα με συμπύκνωμα (waterlogging) προκαλείται από μείωση φορτίου και αντίστοιχη μείωση της πίεσης ατμού κάτω από την πίεση επιστροφής του δικτύου συμπυκνωμάτων ΣΥΜΠΤΩΜΑΤΑ Χλιαρή ή ψυχρή ατμοπαγίδα Βάνα ελέγχου που «ψάχνεται» Αυξομείωση θερμοκρασίας ή/και θερμοκρασιακή στρωμάτωση ρεύματος εξόδου Αυξημένη διάβρωση (το κρύο νερό διαλύει O 2, CO 2 ) Διαρροές/αστοχία εναλλάκτη (θερμικές τάσεις) ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ Εξασφάλιση τουλάχιστον ατμοσφαιρικής πίεσης στο χώρο ατμού και απομάκρυνση συμπυκνώματος με βαρύτητα μέσω μηχανικής ατμοπαγίδας (και vacuum breaker) Εγκατάσταση συνδυασμένης ατμοπαγίδας-αντλίας συμπυκνώματος Διατήρηση σταθερής πίεσης ατμού (υψηλότερης της πίεσης επιστροφής συμπυκνωμάτων) και έλεγχος λειτουργίας με αυξομείωση της παροχής εισόδου

Προδιαγραφή εναλλάκτη και ατμοπαγίδας εξατμιστήρα Παράδειγμα 27: Εναλλάκτης θέρμανσης 1 kg/s νερού από 10 C (ή υψηλότερη) σε 80 C προδιαγράφεται να λειτουργεί με ατμό 4 bar g και ελάχιστο θερμικό φορτίο ίσο με 60% του κανονικού. Η γραμμή επιστροφής συμπυκνωμάτων είναι υπερυψωμένη κατά 5 m από την έξοδο του εναλλάκτη και καταλήγει σε αεριζόμενο δοχείο συλλογής. Δύο προμηθευτές προσφέρουν εναλλάκτες (Α) 2m 2 /2500 W/m C και (Β) 1,2 m 2 /2500 W/m C αντίστοιχα. Εξετάστε τυχόν προβλήματα πλημμύρισης και επιλέξτε ατμοπαγίδα. ΕΝΑΛΛΑΚΤΗΣ (Α) Q = m w C p,w Τ w,o T w,i = 293 kw Q = UA(ΔΤ) LM (ΔΤ) LM = 58, 6 o C = Τ w,o T w,i ln Τ s T w,i Τ s T w,i Τ s = 110o C P = 0,44 bar g πλημμύριση Επιλογή ατμοπαγίδας-αντλίας ΕΝΑΛΛΑΚΤΗΣ (Β) (ΔΤ) LM = 97, 7 o C Τ s = 147 o C P = 3,4 bar g, m s = Ατμοπαγίδα με φλοτέρ 293 kw 3600 s/h 2123 kj/kg = 497 kg h, ΔΡ = 2,9 bar Q ελ = 0,6 Q T w,i = 38 o C Τ s = 120 o C P = 1,0 bar g, m s = 288 kg h, ΔΡ = 0,5 bar