5. Energetska efikasnost tehnoloških procesa Energy efficiency of the technology processes

Technological processes are generally energy intensive. Reducing energy consumption, environmental protection and waste management becomes imperative to every technological process. Increasing energy efficiency, in addition to savings in energy consumption in the broad sense ncludes protection of the environment and very often minimize waste. Rational energy use and recovery of waste heat from the process are the two most important ways of reducing costs. Utilization of waste streams and renewable sources are the following two tools in order to reduce costs and to preserve the environment and reducing waste. To increase energy efficiency extensive knowledge are required. The first step towards reducing the energy consumption analysis. For this reason it is necessary to a good understanding of material and energy balances. The next step will be to adopt a program of savings. As a rule, the first steps are savings that do not require or require very little material resources. The next steps are saving measures that requires greater investment.

The savings can be achieved by each individual device and system as a whole. For this reason, it is necessarz to have knowledge of each unit, as sources of potential losses. Devices that provide energy such as boilers and steam systems are found in almost every technology. Heating, cooling, air conditioning, insulation and lighting systems are also independent of the type of industry. There are also a certain amount of individual operations, specific for each technology.

Finally, it is necessary to know what are the whole proces energy reserves, or what is the maximum energz that can be recovered from existing technology. Tehnološki procesi su po pravilu energetski intenzivni. Smanjivanje potrošnje energije, zaštita okoline i upravljanje otpadom postaje imperative svakom tehnološkom procesu. Povećanje energetske efikasnosti, pored uštede u potrošnji energije, u širem smislu uključuje I zaštitu okoline i vrlo često i minimizaciju otpada. Racionalna potrošnja energije i rekuperacija otpadnih toplota iz procesa su dva najvažnija načina smanjivanja troškova. Iskorišćavanja otpadnih tokova i obnovljivih izvora su sledeča dva oruđa kako za smanjivanje troškova tako i za očuvanje okoline i smanjivanje otpada. Ne treba zaboraviti, da smanjivanje pritiska na energetske izvore smanjuje se i emisija CO2

Za povećanje energetske efikasnosti potrebna su široka znanja. Prvi korak ka smanjivanju potrošnje energije je energetska analiza. Iz tog razloga neophodno je dobro razumevanja materijalnih i energetskih bilansa. Nakon energgetske analize, sledeći korak će biti donošenje programa uštede. Po pravilu, kreće se od ušteda koji ne zahtevaju ili zahtevaju vrlo mala materijalna sredstva. Zatim se planski i sistematski prilazi procesu merama ušteda koji zahtevaju veća ulaganja. Neophodno je stana analiza rezultata postignutih ušteda.

u okolinu.

Uštede se mogu postići kod svakog pojedinačnog uređaja kao I sistema u celini. Iz tog razloga, neophodno je poznavanja svakog pojedinog uređaja, izvori mogućih gubitaka kao I odgovarajući bilansi. Uređaji se mogu podeliti na one koje su sreću u svakom tehnološkom procesu I one koje su specifične za datu tehnologiju. Uređaji koji obezbeđuju energiju kao što su kotao i parni sistemi, sreću se takoreći u svakoj tehnologiji. Isto tako zagrevanje, hlađenje, klimatizacija, izolacija i sistemi za osvetljavanje su nezavisne od tipa industrije. Zastupljenost pojedinačnih operacije, međutim karakteristične su za pojedine tehnologije.

Konačno neophodno je znati kolike su energetske rezerve procese, odnosno koliko maksimalno energije se može rekuperisati iz date tehnologije. Određena, minimalna znanja iz ekonomije, takođe su neophodna. Na kraju da bi sistem funkcionisao i da bi ušli u proces stalnog poboljšanja, smanjivanja potrošnji energije, neophodno je izgraditi sistem upravljanja energijom.

2

5.2. Energetski i materijalni bilans Energy and material balance

Materijalni i energetski bilansi su veoma važni u svakom procesu pa tako i u tehnološkim procesima kao što procesi u prehrambenoj, farmaceutskoj i hemijskoj industriji.

Materijalni bilans predstavljaju osnov pri projektovanju uređaja a kod postojećih služe za procenu njihovih performansi. Na bazi ulaznih podataka (napoj) i poznavanju procesa u datoj jedinici, na osnovu materijalnog bilansa, u stanju smo da predvidimo izlaz (ulaz u sledeći uređaj ili proizvod).

Materijalni bilansi su osnov za projektovanje novog procesa, simulaciju i/ili poboljšanje postojećeg. One su, takođe osnov za vođenje i kontrolu procesa. Svaka promena u procesu reflektuje se na promenu materijalnog bilansa. Materijalni bilansi nam pomažu da postavimo minimalan broj mernih instrumenata. Postavljenjem minimalnog broja mernih instrumenata na optimalnim mernim mestima i uz odgovarajuće materijalne bilanse u stanju smo da izračunamo sve neophodne paramatre za kontrolu i vođenje procesa.

Prilikom uvođenja novog procesa, prvi materijalni bilans definiše se u eksperimentalnoj fazi. U sledećoj, poluindustrijskoj fazi, proces se proverava i poboljšava. Postojeći materijalni bilans se poboljšava i dorađuje. Konalno, u industrijskoj fazi, proces je u potpunosti testiran i definisan. Materijalni bilans takođe. Bilo kakva promena u procesu, zahteva ponovno određivanje materijalnog bilansa. Iz ovog je jasno, da svaka eventualna promena u procesu, ima za posledicu odstupanje od definisanog materijalnog bilansa.

Energetski bilans. Povećanje cene energenata nameće pomenutim industrijama potrebu da izvide mogućnosti za smanjivanjem potrošnje energije. Energetski bilans se može primenuti na razne stadijume procesa kao i za ceo proces pa i šire.

Materijalni i energetski bilansi mogu biti veoma jednostavni ali i veoma komplikovani. Osnovni pristup u osnovi je, međutim uvek isti.

Iskustvo u radu sa jednostavnim sistemima omogućava nam uspešnu ekstenziju na komplikovanije sisteme.

5.2.1. Materiajalni bilans Material balance

Prema zakonu o održanju masa, u bilo kom procesu masa se ne može stvoriti niti uništiti. U datom vremenskom intervalu, masa koja ulazi u sistem jednaka je masi koja izlazi iz sistema plus akumulisana masa u sistemu. Matematički Masa na ulazu = masa na izlazu + masa akumulisana u procesu (5.1)

Gornji izraz ima opšte važenje i odnosi se na sve procese, kako na fizičke tako i na hemijske. Izraz se takodje odnosi kako na totalni tako i na komponentni materijalni bilans. U gornjem izrazu, masa se generalno, ne može zamenuti sa protokom. Protok se, naime može da se menja u posmatranom vremenskom intervalu. Izuzetak su stacionarni procesi, gde se protoci konstantni, odnosno nema promene protoka sa vremenom. Bilans se, takođe ne odnosi na zapreminu niti na molove. To znači da se masa, u gornjem izrazu, ne može zamenuti niti sa zapreminom niti sa brojem molova.

3

Tipovi procesa Types of process Podela procesa može se izvršiti na više načina. Ukoliko je osnov za klasifikaciju promene parametara procesa u odnosu na vreme, tada imamo stacionaran i nestacionaran proces. Nestacionarni procesi. Kod ovih procesa postoji promena bar jednog parametra sa vremenom. Sa stanovišta masenog bilansa, to može biti masa na ulazu ili masa na izlau i kao posledicai postojanje člana akumulacije. Primer je isticianje mase iz rezervoara ili punjenje rezervoara. Primer je takođe i pokretanje procesa ili zaustavljanje procesa. Kod ovih procesa umesto algebarske jednačine bilans se daje diferencijalnom jednačinom.

Posmatrajmo opšti slučaj, u kome je u određenemo vremenskom intervalu posmatranja brzina doticanja mase u sistem nejednaka brzini odticanja mase iz sistema. Kao posledica u datom vremenskom intervalu dolazi do akumulacije mase. Važi

∫∫•• +=

2

1

2

1

)()(t

tizak

t

tul dttmmdttm (5.2)

U slučaju postojanje samo dotoka (punjenje rezervoara, na primer), gornja jednačina se svodi

ak

t

tul mdttm =∫

•2

1

)( (5.3a)

a u slučaju postojanje samo isticanja (pržnjenje rezervoara, na primer)

ak

t

tiz mdttm −=∫

•2

1

)( (5.3b)

Treba primetiti, da u gornjim jednačinama postoji vremenska zavisnost protoka. U slučaju konstantnog protoka, gornje jednačine se pojednostavljuju, imajući ovo u vidu, dobijamo

12,12,

2

1, )( tmttmdtm izulizul

t

tizul ∆=−= •••

∫ (5.4)

4

Stacionarni procesi. Po definiciji, stacionarni procesi su procesi gde nema promene parametara sa vremenom. To znači, da se parametri procesa mogu razlikovati od tačke do tačke ali u datoj tački nema promene ni jednog parametra sa vremenom. Ovakvi procesi nazivaju se i ustaljeni procesi. Većina procesa u industriji su upravo ovakvi. Sa stanovišta masenog bilansa, kod stacionarnih procesa ne postoji akumulacija mase, jer nema promene mase u sistemu sa vremenom. Masa na ulazu jednaka je masi na izlazu, odnosno maseni protok na ulazu jednak je masenom protoku na izlazu. Maseni protok na ulazu = maseni protok na izlazu (5.5)

Drugi uobičajeni način podele je u odnosu na na način odvijanja procesa. U ovom smislu proces može biti kontinualan, šaržni ili mešovit.

Kontinualni procesi su procesi gde tokom trajanja procesa postoji ulazna i izlana struja. Većina procesa u industriji su kontinualni.

Šaržni procesi. Kod ovih procesa uređaj se puni napojom (šaržom) nakon čega se šarža podvrgava jednom ili nizu procesa. Nakon završetka procesa produkt se uklanja iz uređaja, odnosno nema razmene mase između sistema (uređaja) i okoline. Tokom trajanja procesa masa se ne unosi u uređaj niti se iz nje uklanja, što znači da je masa sistema tokom trajanja procesa konstantna. Primeri ovakvih procesa su fermentacija, pečenje ili proizvodnja specifičnih hemikalija u farmaceutskoj industriji.

Mešani polukontinualni procesi. Neki procesi imaju karakteristike i kontinualnog i šaržnog procesa. U jednom periodu procesa rade kontinualnu dok u drugom rade šaržno.

Totalni i komponenti materijalni bilans Total and component material balance Na osnovu opšteg izraza za maseni bilans (5.1), imajući u vidu da napoj i izlaz (produkt) mogu imati više struja, najbolje je napisati bilans u obliku

Σmul,i = Σmiz,j

(5.6)

Gde su uzete u obzir sve ulazne i izlazne struje i obično se naziva totalni materijalni bilans.

Σmul,i = mul,1 + mul,2 + ... i = 1, Nul

(5.7a)

Σ miz,j = miz,1 + miz,2 + ... j = 1, Niz

(5.7b)

U gornjim jednačinama, Nul predstavlja broj ulaznih struja a Npr

•• Σ=Σ iiziul mm ,,

broj izlaznih struja, odnosno produkata. Gornje jednačine mogu se primenuti kako na kontinualne tako i na šaržne procese. U slučaju šaržmih procesa koristićemo mase a u slučaju kontiunualnih stacionarnih procesa koristićemo masene protoke.

(5.8)

6

xA,1 = x

1

xB,1 = 1 - x1

Analizirajmo jednačine (5.8), (5.9a) i (5.9b). Sabiranjem poslednje 2 (5.9a i 5.9b) dobijamo jednačinu (5.8). Što znači da su samo dve jednačine nezavisne.

Za rešavanje Nx nepoznatih veličina (masa/masenih protoka, sastav) neophodno je postaviti isti broj nezavisnih jednačina Nb

(bilansa). Može se desiti i situacija da se broj bilansa i jednačina ne poklapa. Razlika između broja nepoznatih i broja nezavisnih jednačina naziva se stepen slobode, F. U slučaju masenih bilansa

F = Nx - Nb

(5.13)

Moguća su tri slučaja: F = 0. Stepen slobode je jednak nuli, odnosno broj nepoznatih veličina jednak je broju nezavisnih bilansa. Sistem je definisan, sve nepoznate veličine se mogu izračunati i postoji jedno rešenje. F > 0. Stepen slobode je pozitivan. Broj nepoznatih veličina je veći od broja jednačina. Sistem se ne može rešiti. Ili smo neki bilans prevideli ili neku nepoznatu veličinu možemo predvideti ili zanemariti. Kada je F = 1 imamo jednu nepoznatu veličinu više od broja nezavisnih bilansa. Problem se može ponekad prevazići zanemarivanjem jedne promenljive ili biranjem pogodne osnove za računanje. F < 0. Stepen slobode je negativan. Broj nepoznatih masa je manji od broja nezavisnih jednačina. Za ovakav sistem kaže da je prespecificiran. Neophodna je ponovna analiza i eventualno odbacivanje nebitne jednačine.

Kada imamo višestepene procese tada možemo za svaki proces posmatrati posebno i odrediti stepen slobode za svaki pojednačan proces. Ukupan stepen slobode bio bi zbir pojedinačnih stepena slobode. Kada, međutim procesi teku jedni za drgim, tada je izlaz iz jednog uređaja (procesa) ulaz u drugi uređaj (proces). Radi se o istoj struji, istih osobina i očigledno nepoznate veličine (masa i udeli) ne mogu biti dvaput uzeti u obzir. Iz tog razloga od ukupnog stepena slobode treba oduzeti ovaj broj nepoznatih veličina. F = ΣF i - Nxint

(5.15)

Ukupan broj internih – zajedničkih veličina, Nxint

dobijamo u sistemima sa više od dva procesa koji slede jedan iza drugog ili su na drugi način povezani, tada što sabiramo sabiramo sve veličine koje predstavljaju izlaz iz jednog ulaz u drugi uređaj.

Nxint = Σ Nxint, j

(5.15)

gde je j broj zajedničkih struja. Osnov i jedinice Vrlo često je korisno izabrati osnov za računanje mase ili protoka jedne od struje u procesu. Kod šaržnih sistema to može biti određena masa date sirovine koja ulazi u proces ili određena masa proizvoda. Ista situacija je i kod kontinualnih sistema, gde ćemo umesto mase koristiti protoke. Tako npr. u pekarskoj industriji sve se može posmatrati u odnosu na 100kg brašna dok u šećeranama se sve špsmatra u oddnosu na 100 kg repe. To takođe može biti i neki nepromenljivi

9

bismo rešili zadatak biramo pogodan osnov: 100 kg/s napojne smeše. Imajući ovo u vidu poznati su sledeći podaci:

0•m = 100 kg/s

1,Ey / 2,Ex = 4,2

1•m / 2

•m = 0,33

Imamo četiri nepoznate veličine: 1•m , 2

•m , 1,Ey i 2,Ex . Možemo postaviti 4 nezavisne jednačine

masenog bilansa:

1,Ey / 2,Ex = 4,2 (5.1.1)

1•m / 2

•m = 0,33 (5.1.2)

2,21,10,1 EEE xmymxm ••• += (5.1.3)

2,21,10,0 EEE xmymxm ••• += (5.1.4)

Gde su: 0•m , 1

•m i 2•m , maseni protoci napojne (0), parne (1) i tečne (2) struje. Maseni udeli

etanola u napojnoj, parmoj i tečnoj označeni su respektivno, sa 0,Ex , 1,Ey i 2,Ex . Pomoću

jednačina (5.1.2) i (5.1.3) određujemo maseni protoke struje 1 i 2:

2•m = 1

•m /(1+0,33) = 75,19 kg/s

•• • −= 201 mmm = 24,81 kg/s

Masene udele etanola u izlaznoj parnoj i tečnoj struji određujemo iz jednačina (5.1.1) i (5.1.4)

21

0,02.

2,4 • •

• ⋅

+=

mm

xmx E

E = 0,19

1,Ey = 4,2 2,Ex = 0,80

Mase etanola u napojnoj i izlaznoj tečnoj struji su

0,Em• = 100·0,34 = 34 kg/s

2,Em• = 14,24 kg/s

Procesi sa reciklom Recikl je slučaj kada se deo jedne struje se vraća nazad u procesa. Recikl ima smisla kako sa ekonomskog tako i sa stanovišta životne sredine. U odnosu na sisteme bez recikla, kod recikla postoje dve dodatne tačke: tačke razdvajanje i tačke spajanje struja. Isto tako treba primetiti da kod sistema sa reciklom osobine struje se razlikuje pre i nakon ovih tačaka. Posmatrajmo dva jednostavna sistema, jedan bez a drugi sa reciklom (Sl. 5,1a i 5.1b).

15

Sistem

∆Eak

9119222 ,,, == ••EE xmm kg/s

8347000 ,,, == ••RERRE xmm kg/s

Tipovi problema Generalno postoje dva tipa problema gde je primena materijalnog bilansa korisna. U prvom slučaju poznati su sastavi svih struja kao i masa jedne. U ovom slučaju za rešavanje N nepoznatih struja treba postaviti N nezavisnih jednačina materijalnog bilansa. Rešenje se dobija istovreminim rešavanjem N jednačina.

Kod drugog tipa problema, napoj je po pravilu definisan u potpunosti, kako sastav tako i masa/maseni protok. U izlazu poznata je masa/maseni protok ili sastav. Generalno, simultano rešavanje jednačina nije potrebno. Nepoznate mase i sastavi mogu se rešiti u koracima sledeći odgovarajući redosled računanja. 5.2.2. Energetski bilans

Energy balance

U procesima u prehrambenoj, farmaceutskoj i hemijskoj industriji sistemi razmenjuju energiju sa okolinom. Veoma je bitno odrediti energetske potrebe datog procesa pa i celog tehnološkog postupka. Energetska analiza vezana je uvek za dati sistem.

Osnov za energetski bilans je I Zakon termodinamike. Za otvoren sistem prikazan

W

E

ul

Q Q

gub

Slika 5.4 Primer otvorenog sistema na osnovu Slike 5.4 može se napisati Eul + Q = Eiz + ∆Eak + W + Qgub

(5.19)

gde su: Eul

E energija koja se sa masom unosi u sistem

iz

∆E energija koja se sa masom iznosi iz sistema ak

Q energija koja se prenosi u sistem u vidu toplote promena energije sistema, akumulisana energija tokom procesa

W energija koju sistem predaje okolini u vidu rada Qgub

gubitak toplote u okolinu

Eizl

16

Akumulisana energija Svaki sistem ima svoju akumulisanu energiju. Apsolutni iznos ove energije često je nepoznat. Međuitim, relativan iznos, u odnosu na datu referentnu vrednost ili promene ove energije tokom nekog procesa moguće je odrediti. Svaki sistem može imati sledeće oblike energije:

1. Potencijalnu energiju; 2. Kinetičku energiju i 3. Unutrašnju energiju • Energija molekula • Hemijska energija • Energija atoma

Sve ove vidove energije može, pored razmatranog sistema posedovati i masa koja ulazi u sistem i masa koja izlazi iz sistema, Energije u prelazu Postoje dva oblika energije koj su vezana isključivo za proces i samim tim sistem ove oblike energije nema. Akumulisana energija se može prenosti iz sistema u okolinu i obrnuto i to na dva načina: toplotom i radom. Pri čemu se prelaz toplote iz okoline u sistem uzima pozitivan, a slučaj kada sistem vrši rad se uzima negativan. Protočni sistemi (otvoreni) Kod ovih sistema, masa koja utiče odnosno ističe ima još jedan oblik energije (pored kinetičke, potencijalne i unutrašnje energije), tkz. energiju strujanja: Pv. Imajući sve ovo u vidu možemo napisati:

Eul = mul[u + Pv + ]ul

E energija koja se unosi u sistem sa masom

iz = miz[u + Pv + ] iz

∆Eenergija koja se iznosi iz sistema sa masom

ak= msis[u + ]sis

Q prelaz energiju u sistem u vidu toplote promena akumulisane energije sistema

W energija koja se troši na rad sistema nad okolinom Qgub

gubitak energije u okolinu

Entalpija Po definiciji H = U + PV (5.20) Imajući u vidu definiciju za entalpiju i ako se zanemari potencijalna i kinetička energija, dobijamo za slučaj više ulaza i izlaza: ΣHul + Q = ΣHiz + ∆Eak + W + Qgub

(5.21)

Nestacionarno strujanje Posmatrajmo, kao kod masenog bilansa, protočni sistem u kome u određenom vremenskom intervalu brzina doticanja mase u sistem nije jednaka brzini odticanje mase iz sistema. Za ovaj sluča jednačina (5.20), pod pretpostavkom jednog ulaza i izlaza, postaje

gubsistak

t

tizlizl

t

tulul QWhmdthtmQdthtm ++∆+=+ ∫∫ ••

1212

2

1

2

1

)()( (5.22a)

17

U slučaju konstantnih protoka (vremensko nezavisnih) važi jedn. (5.4), čime se gornja jednačina svodi na sledeći oblik

gubsistakizlizlululul QWhmthmQmthm ++∆+∆=+∆ ••12121212 (5.22b)

Stacionarno strujanje Kod strujanje nema promene parametara procesa sa vremenom, te nema promene akumulisane energije u sistemu. Odnosno nema promene u energiji sistema kao posledice datog procesa. ΣHul + Q = ΣHiz + W + Qgub

(5.23)

Vrlo često imamo sisteme bez rada ΣHul + Q = ΣHiz + Qgub

(5.24)

Zatvoren sistem Za zatvoren nepokretan sistem, ostaje unutrašnja energija kao jedini oblik energije sistema i toplota i rad kao dva obilka prenosa energije iz sistema u okolinu ili obrnuto. Q = ∆U + W (5.25) Ako je zapreminski rad W = P∆V (5.26) jedini oblik rada, lako se dokazuje

Q = ∆H (5.27)

ako sistem ne vrši rad, tada je Q = ∆U (5.28)

Osnov računa Bilans energije može da se računa na bazi: • Potrebne energije po kg proizvoda • Potrebne energije po kg sirovine • Potrebne energije po kg suve materije • Potrebna energija po kg ključne komponente Primer 5.3 Napisati energetski bilans za Primer 5.1 I 5.2. U Primeru 5.1 imamo slučaj protočnog stacionarnog sistema sa jednim ulazom I dva izlaza. Sistem sa okolinom razmenuje toplotu, jer je neophodno dovesti toplotnu energiju da bi se smeša etanola i vode prevela u parno stanje. Odgovarajući bilans, na osnovu jednačine (5.23) je

gub, QxmhmQhm••••• ++=+ 221100 (5.3.1)

odavde je potrebna količina toplote

19

5.3. Termička izolacija Thermal insulation

5.3.1. Uvod

Introduction

Materijali ili kombinacija materijala koji značajno smanjuju prenos toplote iz sistema u okolinu ili obrnuto, nazivaju se termičkim izolatorima. Ovi materijali imaju šupljine ispunjene vazduhom, ili nekim drugim gasom. Ovakav materijal ima znatnu manju sposobnost provođenja toplote. Generalno, ovi materijali se mogu prilagoditi veličini obliku površine koja se izoluje. U cilju zaštite izlacionih materijala od mehaničkih uticaja i uticaja okoline, spoljna strana izolacija se mora zaštiti Zaštita vrlo često ima i estetsku funkciju.

U širem smislu svi materijalu predstavljaju odgovarajuću termičku izolaciju, u užem smislu samo materijali koji značajno smanjuju smanjuju prenos toplote.

Masivni (kabasti) termički izolacioni materijali su materijali koji izoluju komponente mehaničkih sistema kod zgrada i industrijskih procesa. Za razliku od masivnih, postoje i reflektivni izolacioni materijali, koji smanjivanje prenosa toplote postižu refleksijom toplonog zračenja a malom konduktivnošću svoje mase.

Kod zgrada (tržni centri, škole, hoteli itd.) masivni (kabasti) izolacije se postavlja u cilju smanjivanja troškova potrebnih za grejanje ili hlađenje. Kod industrijskih sistema, masivna (kabasta) izolacija ima funkciju bolje kontrole procesa i povećanja energetske efikasnosti sistema. Generalno, uloga termičke izolacije je: 1. Očuvanje nivoa akumulisane energije sistema smanjivanjem toplotnih gubitaka ili

toplotnog dotoka iz okoline Kod prostorija kao što su tržni centri, stanovi, kancelarije itd., cilj očuvanja nivoa akumulisane energije je održavanje komfornih uslova. Zimi smanjivanje toplotnih gubitaka, leti smanjivanje dotoka toplotne energije iz okoline. Kod industrijskih sistema, nepotrebni gubitak energije smanjivanjem toplotnih gubitaka toplih struja/sistema ili nepotrebno povećanje energije hladnih struja/sistema smanjivanjem dotoka toplotne energije.

2. Zaštita osoblja Zaštita osoblja od opekotina koji rezultuju od kontakta sa uređajaem ili vrelog voda. Za uređaje/vrelovode koji rade iznad 580C dovoljan je konakt kože od 5 sec da bi se dobile opektine drugog ili trećeg stepena. Postavljenjem izolacije smanjuje se temperatura cevi ili uređaja na siguran nivo zahtevan od OSHA.

3. Olakšavanje kontrole temperature procesa Smanjivanjem toplotnih gubitaka iz sistema ili toplotnog dotoka u sistem, izolacijom olakšavamo održavanje zahtevane procesne temperature na datom nivou ili u datom opsegu.

4. Sprečavanje ili smanjivanje pojave kondenzata na površinama Pored očuvanja energije sistema, izolacija treba da omoguči sprečavanje ili pojavu kondenzata.

5. Smanjivanje emisije gasova staklene bašte

Glavna karakteristika materijala termičku izolaciju je njena niska konduktivnost. Ostale osobine takođe mogu biti važne što zavisi od namene: krutost, čvrstina, gustina, kompresibilnost, specifična toplotni kapacitet, otpornost na visoke ili niske temperature. Krajnji izbor materijala za izolaciju za datu svrhu obično je kompromis između željenih osobina. Na primer, cigla za izolaciu mora imati odgovarajuću krutost kao i otpornost na visoke temperature. Željena osobina niske koduktivosti i lakoće se mora žrtvovati do neke granice.

Opseg temperatura u kojima se koriste pojam “termička izolacija” kreću se od -740C do 8200C. Primene ispod -740C obično se koristi izraz “izolacija kriogenih procesa” a u slučaju

27

δ∆λ tq =

u oblik izražen preko termičkog otpora. 6. Napiši izraz za toplotne gubitke za slučaj višeslojnog zida! 7. Koje troškove treba uzeti u obzir pri izračunavanju ekonomične debljine izolacije? 8. Šta predstavlja ekonomična debljina izolacije?

5.4. Merenje energetske efikasnosti Measuring Energy efficiency

Bilans energije je osnov za analizu procesa. Bilans nam ukazuje na mesta procesa gde je moguće poboljšanje i predstavlja osnov za optimizaciju. Na osnovu energetskog bilansa jasno je da energija sadržana u svim ulaznim strujama koji ulaze u proces mora biti sadržana u izlaznim strujama i/ili akumulisana u sistemu. Pod izlaznim strujama podrazumevamo i gubitke u odnosu na energiju svih ulaznih struja Energetska efikasnost Energetska efikasnost predstavlja odnos između energija koja je potrebna za funkcionisanje sistema (rad, toplotna energija koju treba uneti u sistem - zagrevanje, toplotnu energiju koju treba izvući iz sistema - hlađenje) i energije koja se unosi u sistem (koja se mora "platiti").

un

kor

EE

=η (5.29)

gde Ekor i Eun

Koeficijent korisnog dejstva ciklusa

predstavljaju korisnu i unetu energiju, respektivno. Treba razlikovati "energetsku efikasnost" od "očuvanje energije". Očuvanje (konzervacija) energije je ograničeno na smanjenje potrošnje energije. Primer je smanjene potrošnje energije na zagrevanje prostorija koje se ostvaruje podešavanjem termostata na niži temperaturni nivo. Drugi primer je smanjivanje potrošnje goriva ograničavanjem brzine vozila.

Toplotne mašine predstavljaju uređaje u kojima se toplotna energije konvertuje u mehanički rad. Šematski prikaz tokova energije dat je na donjoj slici Slika 5.8 Tokovi energije kod toplotnih mašina Kod ovih ciklusa, koeficijent korisnog dejstva predstavlja odnos između dobijenog, korisnog rada i uložene toplotne energije

28

dov

kor

QW

=η

(5.30)

gde važi

odvdovkor QQW −=

Između dva temperaturna nivoa termodinamički ciklus koji ima najveći stepen korisnog dejstva je Carnotov ciklus

T

H

T

HTC T

TT

TT−=

−= 1η

(5.31)

Koeficijent korisnosti COP – coefficient of performance Uređaji u kojima se toplotna prenosi iz sistema sa nižom temperaturom u sistem sa višom temperaturom, uz uložen rad, nazivaju se toplotne pumpe. Kod ovih uređaja, sistemi iz kojih se izvlači toplotna energija se hlade a sistem u koji se prenosi toplotna energija se zagreva. Iz tog razloga razlikujemo dve vrste koeficijenta korisnosti: koeficijent hlađenja i koeficijent zagrevanja. Šematski prikaz tokova energije dat je na donjoj slici

Sl. 5.9 Tokovi energije kod toplotnih pumpi Koeficijent hlađenja predstavlja odnos između toplote koja se odvodi iz sistema i uloženog rada

11

−=

−==

HTHT

HHhl Q/QQQ

QWQε

(5.32)

29

Iz gornjeg izraza se vidi, da koeficijent hlađenja raste sa smanjivanjem razlike QH – QT

Koeficijent grejanja predstavlja odnos između toplote koja se dovodi u sistem i uloženog rada

. Ovo znači, da kod uređaja za hlađenja treba raditi u što manjem temperaturnom intervalu.

THHT

TTgr Q/QQQ

QWQ

−=

−==

11ε

(5.33)

U gornjim izrazima važi

HT QQW −=

Imajući u vidu HT QQ > možemo zaključiti sledeće

hlgr εε >

1>grε

1=− hlgr εε

0>hlε

Pitanje

1. Šta je energetska efikasnost? Odgovor

Energetska efikasnost predstavlja odnos između energija koja je potrebna za funkcionisanje sistema i energije koja se unosi u sistem (koja se mora "platiti").

Pitanja 2. Koja je razlika između "energetske efikasnosti" i "očuvanja energije"? 3. Koja je razlika između toplotnih mašina i toplotnih pumpi? 4. Napiši izraz za koeficijent korisnog dejstva ciklusa! 5. Između dva temperaturna nivoa koji termodinamički ciklus ima najveći stepen korisnog

dejstva? 6. Izrazi za koeficijent grejanja i hlađenja? 7. Poređaj po veličini: koeficijent korisnog dejstva ciklusa, koeficcijent grejanja I hlađenja!

30

5.5. Kotlovi Boilers

Kotao predstavlja jednu zatvorenu posudu u kojoj se voda pod pritiskom pretvara u paru dovođenjem toplotne energije. U ložištu kotla hemijska energija goriva pretvara se u toplotnu energiju koja se prenosi na vodu/paru.

Većina kotlova ima ložište, gde sagorva gorivo, i snop cevi gde se vrši prenos toplote sa vrelih dimnih gasova na vodu. Kotao se može smatrati kao toplotni razmenjivać koji ima svoj sopstveni izvor toplotne energije. Kotoa mora biti projektovan tako da primi maksimalnu moguću energiju koja se oslobađa sagorevanjem goriva, istovremeno kotao mora biti pouzdan a cena proizvodnje što niža. Toplota se na vodu u kotlu prenosi zračenjem, provođenjem i konvekcijom. Relativni udeo svakog od ova tri mehanizma zavisi od tipa kotla, projektovane površine za razmenu kao i od vrste goriva. Kod nekih kotlova izvor toplote može biti i električna energije. Primena pare Para proizvedena u kotlu može se koristiti za: 1. potrebe procesa

• U vidu neposrednog kontakta (npr. sterilizacija) • U vidu indirektnog kontakta (za održavanje temperature);

2. za potrebe procesa zajedno sa generisanjem električne energije 3. samo za generisanje električne energije i 4. Potrebe grejanja i klimatizacije

U donjoj tabeli date osnovne karakteristike kotlova, od malog predviđenog za grejanje do velikih za potrebe industrije

Tabela 5.2 Osnovne karakteristike kotlova

Uloga kotla Kapacitet [kg/h] Pizlaz T [MPa] pare [K] Grejanje 27.000 1,0 Zasićena Mali industrijski 45.000 4,6 673 Srednji industrijski 115.000 4,6 673 Veliki industrijski 270.000 10,4 745 Velike elektrane 1.700.000 18,2 811

5.5.1 Tipovi kotla Boiler types

Moderni kotlovi su cevni, kompaktni i efikasni. Tehnologija sagorevanja karakteriše velika efikašnost i minimalna emisija (Steam engineer tutorial). Gorivo za kotao može biti različito, uključujući sagorljiv otpad. Postoje dva osnovna tipa kotla: 1. Bubanjski kotlovi (firetube boilers, shell boilers)

Kotlovi gde produkti sagorevanja prolaze kroz cev a voda oko cevi; 2. Strmocevni kotlovi (watertube boilers)

Kod ovih kotlova produkti sagorevanja prolaze oko cevi u kojoj se nalazi voda.

5.5.1.1 Bubanjski kotlovi Shell boilers

38

Kontrola nivoa vode Održavanje odgovarajućeg nivoa vode u kotlu je od suštinske važnosti za siguran i efikasan rad kotla. Spoljna kontrola nivoa. Ure]aji za kontrolu instalisani su na spoljnu stranu kotla. Interna kontrola nivoa. Sistemu za kontrolu nivoa koji su postavljeni unutar kotla. Ovi daju veći stepen sigurnosti od onih instalisanih spolja. Ventil za ispiranje dna Ventili povezani sa samim dna kotla služe za odvođenje vode sa nagomilanom prljavštinom pod punim radnim pritiskom kotla. Ventili u nivou vode služe za odvođenje pene. Kontrola kvaliteta vode Za siguran i efikasan rad kotla neophodna je kontrola kvaliteta vode. TDS (Total Dissolved Solids) kontrola je kontrola količine ukupno rastvorenih čvrstih čestica. Kada je ovaj parametar veći of propisanog, neophodno je ispuštanja dela vode iz kotla i zamenom sveže, napojne vode. Ovim se razređuje voda u kotlu i shodno tome snižava TDS vrednost. Ispiranje kotla vrši se manuelno ili automatski. Indikator pritiska Svi kotlovi moraju imati bar jedan uređaj za merenje pritiska. Količina vode u generisanoj pari Kod dobro projektovanog kotla, stepen suvoće generisane pare je u granicama 96% do 99%. Promena u opterećenju koji je brži od vremena odziva kotla, rezultuje u pari manjeg stepena suvoće. 5.5.4 Tretman kotlovske vode

Boiler’s water treatmen

Za siguran i pouzdan rad modernih cevnih kotlova neophodno je obezbediti odgovarajući kvalitet vode. ASME (Američko društvo mašinskih inženjera), na bazi 50-to godišnjeg iskustva dalo je preporuke za kvalitet vode u cilju obezbeđivanja pouzdanog i efikasnog rada modernih cevnih industrijskih kotlova. Postizanje parametara definisanih u ovoj preporuci postižu se odgovarajućim spoljnim i unutrašnjim tretmanom vode. Spoljni tretman vode. Priprema napojne vode, voda koja ulazi u kotao, hemijskim i mehaničkim tretmanom. Cilj je da se poboljša kvalitet napojne vode pre ulaska u kotao.

Priprema napojne vode za kotao se optimizuje uklanjanjem nepoželjnih soli i/iIi ostalih konstituenata vode. Čestice koje dolaze sa napojnom vodom koncentrišu se u kotlu i kao rezultat dolazi do stvaranja kamenca i to naročito tamo gde je intenzivan prenos toplote. Naslage deluju kao termički izolator i dovode do pregrevanja.

Kroz cevi grejane cevi cirkuliše voda ili para ili mešavina obe. Cilj cirkulacije je da se omogući prenos toplotne energije sa metalne cevi na vodu brzinom koja obezbeđuje neophodno hlađenje cevi da ne bi došlo do pregrevanja. Odgovarajuća cirkulacija sprečava preterano zagrevanje metala ili velike razlike temperatura koje bi dovele do oštećenja prouzrokovane, pregrevanjem i/ili prenaprezanjem.

Pored toga neophodno je uklanjanje kiseonika i ostalih nekondenzujućih gasova radi sprečavanje korozije. Uspostavljanje konzistentnog kvaliteta napojne vode je izuzetno važno za kreiranje internog tretmana vode.

39

Unutrašnji tretman. Čak i posle primene najodgovarajućeg tretmana izvora vode, napojna voda (uključujući povratni kondenzat) još uvek sadrži nečistoće koje mogu ugroziti rad kotla. Neophodno je preduzeti unutrašnji tretman u cilju minimizacije problema kao i da se izbegnu eventualne katastrofalne posledice. Ispiranje kotla (blowdown) Glavna uloga ispiranja kotla je održavanje sadržaja čvrstih čestica u kotlovskoj vodi u propisanim granicama. Ispiranje na dnu. Uloga ispiranje dna je uklanjanje mulja sa dna. Učestalost operacije ispiranja dna je stvar iskustva kao i rada samog uređaja. Kontinualno ispiranje. Kontinualno ispiranje koncentrovane vode iz kotla često se koristi zajedno sa manuelnim ispiranjem. Mesto ispiranja određeno je projektom kotla i generalno predstavlja mesto gde se najveća količina pare izlazi iz sistema. Kontinualno ispiranje kotla omogućava savršeniju kontrolu sadržaja čvrstih čestica u vodi.

Pravilno ispiranje kotla zajedno sa pravilnim internim tretmanom vode omogućava postizanje željenog rezultata za kvalitet kotlovske vode. Mnogi moderni uređaji imaju automatizovano ispiranje kotla. 5.5.5 Efikasnost kotlova

Boliers efficiency

Toplotna energija, koja se dobija sagorevanjem goriva odlazi na generisanje pare i toplotne gubitke

∑+=4

1i,gubpg QQQ

(5.34)

Gde Qp predstavlja toplotu koja ode na generisanje pare a Qgub,i

toplotne gubitke.

ppvpvp QQQQ ++=

(5.35)

Deo energije odlazi na zagrevanje vode, Qnv deo na isparavanje, Qvp a deo na pregrevanje (ukoliko je potrebno), Q

pp

)tt(mcQ nvzpnv,pnv −=

(5.35a)

vpvp hmQ ∆=

(5.35b)

)tt(mcQ zppppp,ppp −=

(5.35c)

gde su:

m masa generisane pare

tv, tzp,tpp

Δhtemperatura napojne vode, zasićene pare i pregrejane pare

vp

latentna toplota isparavanja

Generalno, gubici u kotlu mogu se svrstati u sledeće grupe:

40

• Gubici energije sa dimnim gasovima, Q• Gubici energije kroz zidove kotla, Q

gub,1

• Gubici energije sa vodom za ispiranje, Qgub,2

• Ostali gubici, nesagorelo gorivo, gubici infiltracijom, curenjem itd., Qgub,3

gub,4

Efikasnost kotla predstavlja meru iskorišćenosti energije goriva i zavisi od mnogih faktora. Na efikasnost kotla naročito utiče kvalitet procesa sagorevanja goriva i stepen iskorišćenja energije produkata sagorevanja. Mera efikasnosti kotla je ukupan stepen korisnog dejstva kotla. Po definiciji predstavlja odnos između iskorišćene i unete toplotne energije.

g

p

QQη=

(5.36)

gde su: η ukupan stepen korisnog dejstva kotla

gQ raspoloživa energija radnog goriva

pQ toplota koja se preda prijemniku

5.5.6 Merenje efikasnosti kotla

Measuring boiler’s efficiency

Merenje efikasnosti kotla je prvi korak u održavanju njegovog efikasnog rada. Treba imati u vidu da se performanse kotla kontinualno menjaju kao i da su kotlovi veliki potrošači energije i da mali procenat uštede rezultuje u velikim energetskim uštedama. Ovo nameće kontinualnu kontrolu efiksnosti kotla.

Generalno trebalo bi meriti ukupnu efikasnosti kotla koja predstavlja odnos između isporučene energije i energije unete u sistem. Merenje količine energije isporučene pare i/ili vode kao i ukupnu energiju unete u sistem. Ovakva sveobuhvatna merenja su nepraktična. U cilju dobijanja tačnih vrednosti neophodni su odgovarajući laboratorijski uslovi. Vrlo često ovo nije izvodljivo.

Sledeća, jednostavnija mogućnost je merenje efikasnosti procesa sagorevanja. Ovaj test proverava potpunost sagorevanja kao i efektivnost prenosa toplote sa dimnih gasova na vodu ili paru. Imajući u vidu da pri normalnom radu bojlera, ovo čine većinu gubitaka, ovakav alternativni test ima opravdanje.

Efikasnost ostalih delova kotla, kao što su pumpa, motori itd., su uglavnom konstantni. Test efikasnosti sagorevanja može dati tačnost reda veličine od 1%. Trebamo imati u vidu,

međutim, da nam ovakav test ne daje odgovor na: • Gubitke tokom rada kotla u pripravnom (minimalnom) režimu rada, • Toplotne gubitke sa površine zida kotla u okolinu, • Gubitke ispiranjem kao i • Potrošnja energije od strane pomoćne opreme Test efikasnosti procesa sagorevanja vrši se merenjem sadržajem kiseonika ili

ugljendioksida u dimnim gasovima. Test sa kiseonikom, u opsegu optimalnog rada kotla, daje generalno tačnije rezultate. Testiranje efikasnosti kiseonikom podrazumeva tri merenja:

• Merenje procenta kiseonika u dimnim gasovima

42

5.5.7 Mogućnosti za uštedu energije

Energy reduction opportunities 1. Minimizacija rada kotla Osnovni princip očuvanja energije je isključivanje uređaja kada njegov rad nije potreban. Ovaj princip treba primenuti kako na kotao tako i njegovu pomoćnu opremu. Nepotreban rad kotla i pomoćne opreme dovodi do sledećih nepotrebnih gubitaka:

• Gubici kod postrojenja i sistema za distribuciju. Dok sistem radi postoje i odgovarajući gubici (kondukcijom i curenjem)

• Nepotrebno snabdevanje energijom pomoćne opreme kotla. U slučaju da smo sveli rad kotla na minimum trebamo biti sigurni da uređaji vezani za kotao ne rade. Primer: pumpa za distribuciju tople vode.

• Nepotreban rad uređaja-korisnika koji se posebno ne kontroliše. Na radijatorima ne postoji termostataski ventil, pa vrela voda prolazi kroz njih kada za to nema potrebe.

2. Odnos vazduh-gorivo Pri podešavanju rada kotla, najvažniji parametar je odnos vazduh-gorivo. Ovaj odnos ima najveći uticaj na efikasnost kotla. Neodgovarajući podešeni odnos vazduh-gorivo takođe dovodi do ozbiljnih ekoloških problema.

Idealan kotao bi zahtevao tačno toliko vazduha koliko je potrebno za sagorevanje, višak kiseonika u tom slučaju ne bi postojao u dimnim gasovima. Kod realnih kotlova, potreban je višak vazduha koji treba da omogući potpuno sagorevanje goriva. Minimum viška vazduha tavisi od vrste goriva i tipa gorionika. Moderni, viosoko efikasni gorionici, zahtevaju minimalnu količinu vazduha.

Podešavanje osdgovarajućeg odnosa vazduh-gorivo, može u ekstremnim slučajevima, dovesti do uštede od 10%.

3. Gorionik i ventilatori Gorionik priprema gorivo za sagorevanje i pravi efikasnu smešu sa vazduhom. Ventilator omogućava cirkulaciju vazduha i goriva i sastavni je deo sistema. Redovno održavanje kao i pravilno podešavanje odnosa vazduh-gorivo omogućava optimalan rad gorionika. Pravilan rad gorionika omogućava uštedu od 0,5 do 10%. 4. Kontrola promaje Promaja u kotlu je neophodna za pravilno mešanje vazduha i goriva, za obezbeđivanja protoka dimnih gasova kroz kotao i za odvod dimnih gasova iz sistema u oklinu. U slučaju režima rada u pripravnom stanju promaja se prekida. Promaja može biti prirodna i prinudna. U oba slučaja mora se kontrolisati.

Pravilnim podešavanjem promaje moguće su uštede od 0,5% do 5%.

5. Površine za razmenu Površine za razmenu treba održavati čistim. Naslage na zidovima cevi smanjuju prenos toplote. Ovo ima za posledicu odlazak veće količine toplotne energije kroz dimnjak u okolinu. Sa strane vatre najčešći depozit je čađ. Čađ je dobar termički izolator jer formira poroznu strukturu. Stvara se kod svih vrsta goriva koja imaju ugljenik. Pri nepotpunom sagorevanju vrlo brzo dolazi do njegovog formiranja.

47

5.6. Parni sistemi Steam systems

5.6.1 Osnove Basics

Para je veoma pogodan nosilac toplotne energije • Para se generiše se iz vode koja je dostupna u velikim količinama i nije skupa. Nije

opasna po zdravlje i ekološki je prihvatljiva. • Para može da akumulira relativno veliku količinu energije pri prihvatljivim

temperaturama, pet ili šest puta veću količinu energije u odnosu na vodu iste temperature. Količina akumulisane energije raste sa pritiskom i temperaturom.

U donjoj tabeli dat su podaci za zasićenu paru na nekoliko pritisaka i temperatura. Iz Tabele 4.6 se vidi, na osnovu entalpija vode i zasićene pare, razlika u akumulacionoj sposobnosti suvozasićene pare i vode.

Tabela 5.5 Osobine vodena pare i vode na nekoliko pritisaku zasićenja

Psat T [bar] sat [0 Entalpija [KJ/kg] C]

vode pare isparavanja 1 100 419 2676 2257 2 120 506 2707 2201 3 134 562 2725 2163 4 144 605 2738 2133 5 152 641 2749 2108 6 159 671 2757 2086 7 165 697 2763 2066 8 170 721 2769 2048

• Para se lako i ekonomično distribuira do potrošača. Moguć je prenos toplotne energije

na velike udaljenosti bez upotrebe skupih cirkulacionih pumpi. • Zahvaljujući visokom sadržaju toplote, relativno mala cevna mreža je potrebna za

distribuciju pare visokog pritiska. Zbirno, za generaciju pare potrebni su niži kapitalni i operativni troškovi. Njena

jednostavna distribucija i sistemi za povrat kondenzata daju joj prednost u odnosu na druge medije za prenos toplote (vreli gas, topla voda, električna energija i sistemi sa toplim uljem).

Zasićenu paru lako je kontrolisati. Zbog direktne veze između pritiska i temperature kod zasićene pare. Količina energije koja se unosi u sistem kontroliše se pomoću pritiska zasićene pare.

• Efikasan način prenosa toplote. Toplotna energija se efikasno prenosi na sistem kodenzacijom pare.

• Para može da obuhvati ili se injektira u produkt koji se greje. Može da ispuni bilo koji prostor na uniformnoj temperaturi i vrši prenos toplote kondenzacijom pri kostantnoj temperaturi. Ovo nije slučaj kod drugih sistema kao što je zagrevanje pomoću toplog ulja ili vode.

• S obzirom na veliki toplotni fluks, dovoljna je relativno mala površina za razmenu što omogućava korišćenje kompaktnih uređaja. (moderan pločasti parni uređaj od 1200 kW zahteva 0,7 m2

Odgovarajućim održavanjem parni uređaj radiće dugi niz godina. U poređenju sa drugim sistemima, monitoring i upravljanje parnim trapovima je jednostavan. U odnosu na ovo oprema mnogo je komplikovaniji monitoring curenja gasa ili vremensko zahtevni manuelni monitoring sistema sa vodom ili uljem.

, razmenjivači tipa cev u cev zauzimaju 2 ili 3 puta više prostora.

49

vpispp hhhq −== ∆

(5.38)

Ista količina toplote može se predati sistemu pomoću vrele vode

tcmqQ vvpv ∆==

(5.39)

Odavde se može odrediti potrebna količina vode

tch

tcq

mv

isp

v

pv ∆

∆∆

==

(5.40)

U slućaju korišćenja pregrejane pare za prenos toplote može se napisati

tch

tcq

mpp

isp

pp

ppp ∆

∆∆

==

(5.41)

Vlažna para Vrlo često, u sistemu dolazi do kondenzacije dela zasićene pare. U tom slučaju imamo smešu proključale vode i zasićene pare. Podsetimo se da temperatura i pritisak ostaju isti. U ovom slučaju entalpija vlažne pare je

vppvp h)x(xhh −+= 1

(5.42)

U gornjem izrazu x je stepen suvoće i predstavlja odnos mase suvozasićene pare i ukupne mase (masa suvozasićene pare i proključale tečnosti)

pvpp

pp

mmm

x+

= (5.43)

Generisanje potpuno suve pregrejane pare (x = 1) u industrijskim kotlovima je retko. Sistem obično sadrži izvesnu količinu kapljica vode, tako da se dobija smeša pregrejane pare i proključale tečnosti – vlažna para. Fleš para Fleš para predstavlja paru koja se formira iz kondenzata usled pada pritiska. Kada može da se formira fleš para? Da bi dobili paru iz kondenzata datog pritiska i temperature, neophodno je da temperatura kondenzata bude viša od temperature ključanja vode na pritisku na koji spuštamo kondenzat. Tako pri prolasku kondenzata kroz trap, ako je dolazna struja kondenzata na dovoljno visokoj temperaturi, usled pada pritiska dolazi do formiranja fleš pare. Primer 4.5 Kondenzat pri tiska 5 bar i temperature 1400

Na pritisku od 1 bar temperatura ključanja (zasićenja) je 100

C nakon prolaska kroz izlazi iz sistema u okolinu pri čemu mu opada pritisak na 1 bar. Da li dolazi do pojave fleš pare i koliko?

0

C, što znači da će doćo do stvaranja fleš pare. Koliko? Odgovor na ovo dobijamo iz energetskog bilansa. Energija pre i posle procesa je ista

54

5.7. Uređaji za hlađenje

Cooling systems 5.7.1 Sistemi sa kompresijom pare

Vapour compresion systems

Većina uređaja za hlađenje radi na principu kompresionog hlađenja. Principi rada svih savremenig sistema za hlađenja prostorija ili procesa zasniva se na činjenici da je prilikom isparavanja tečnosti neophodna toplotna energija. Neophodnu energiju uzimamo iz sistema, što za posledicu ima snižavanje energije sistema, odnosno njegovo hlađenje. Tečnost koja se koristi za isparavanje naziva se rashladna tečnost ili refrigent. Na Sl 5.15 dat je šematski je prikaz ciklusa kompresionog hlađenja. Cikus se sasroji od četiri glavna procesa:

• isparavanja • kompresije • kondenzacije i • ekspanzije

Isparavanje Toplota sistema, prenosi se na tečnost za hlađenje koja isparava. Pritisak mora biti dovljno nizak da bi se obezbedilo isparavanje rashladne tečnosti na niskoj temperaturi. Temperaturi nižoj od temperature na koju želimo da ohladimo sistem. Dobijena para je zasićena. Kompresija Kompresorom se povećava pritisak pare. Povećanjem pritiska povećamo i temperaturu ključanja odnosno kodenzacije rashladne tečnosti. Pritisak povećavamo toliko da temperatura kodenzacije bude iznad temperature okoline. Kondenzacija Pri dostizanju odgovarajućeg pritiska, temperatura okline biće niža od temperature okoline. Odnosno, okolina će tada predstavljati toplotni ponor. Toplota, sa srdstva za hlađenje prelazi u okolinu i dolazi do njegove kondenzacije. U nekim slučajevima, hlađenje se može vršiti ispod temperature kondenzacije. Pothlađivanje sredstva za hlađenje se vrši prvenstveno zbog smanjivanja mogućnosti “flashinga” sredstva za hlađenje u ekspanzionom ventilu. Ovim se obezbeđuje ulaz manje količine pare u isparivač i čini sistem efikasnijim (Dincer, 1997, str. 176, 148). Ekspanzija Nakon ekspanzije tečna sredstvo za hlađenje se vraća u isparivač i počinje novi ciklus. Nakon ekspanizje pritisak rashladne tečnosti treba da opadne na nivo gde je temperatura ključanja tečnosti niža od temperature prostorije koja se hladi. Prostorija u ovom slučaju predstavlja toplotni izvor.

Na Sl.5.15 dat je prikaz osnovnog sistema sa kompresijom pare.

Proces 1-1 Reverzibilna adijabatska kompresija. Proces 2-3 Reverzibilna prelaz toplote u okolinu pri kostantnom pritisku

63

• •

•

+=

GENP

Hh

QW

Qε

(5.70)

U gornjem izrazu •

PW predstavlja potrebnu snagu pumpe. Snaga je mala i obično se zanemaruje

u računanju efikasnosti hlađenja. Pitanje

1. Kod sistema sa hlađenje sa kompresijom pare gde je smeštena komponenta za isparavanje a gde komponenta za kondenzaciju?

Odgovor Imajući u vidu da je neophodno odvoditi energiju iz sistema koji se hladi, isparivač je smešten u sistemu (prostoriji) koji se hladi. Toplota koja se akumulirala u pari predaje se okolini kodenzacijom, što znači da je kondenzator smešten u okolinu

Pitanja 2. Uloga osnovnih komponenti kod uređaja za hlađenje na bazi kompresije pare? 3. Napiši energetski bilans za kompresor ? 4. Napiši energetski bilans za ceo sistem za hlađenje sa kompresijom pare? 5. Napiši energetski bilans za podsistem koji čine zajedno isparivač, kompresor I

kondenzator! 6. Kod sistema za hlađenje sa kompresijom pare šta se postiže pregrevanjem I

pothlađivanjem? 7. Koja je osnovna razlika između sistema sa hlađenjem na bazi kompresije pare i

apsorpcionog sistema za hlađenje 8. Daj uporedno osnovne elemente kompresionog I apsorpcionog sistema za hlađenje! 9. Napiši energetski bilans apsorbera! 10. Napiši energetski bilans celog apsorpcionog sistema za hlađenje! 11. Napiši bilans podsistema koji čine apsorber i pumpa! 12. U izrazu za koeficijent hlađenje apsorpcionog sistema koji energetski trošak se može

zanemariti?

64

5.8. Klimatizacija Air conditioning

Većina velikih objekata imaju centralizovani sistem za ventilaciju i kondicioniranje. Uloga sistem mogu biti: • Hlađenje i/ili grejanje vazduha u datom prostoru • Ventilacija • vlaženje ili • sušenje. Ovi sistemi, ako izuzmemo sam proces, mogu biti najveći potrošači energije. Sisteni za klimatizaciju sastoje se iz dve jedinice: jedinice za pripremu vazduha i jedinicu za raspodelu vazduha. U jedinici za pripremu vazduha, vazduh se menja temperatura, sadržaj vlage i čistoća u zavisnosti od zahteva prostorije/zone. Ova jedinica predstavlja deo koji prenosi toplotnu energiju između prostora koji se kondicionira i jedinice za pripremu vazduha. Toplotna energija se može odvoditi pomoću vazduha, vode ili sredstva za hlađenje. Kondicioniranje vazduha uvek uključuje mogućnost snižavanje temperature kao i nivo vlažnosti. Mnogi sistemi nude mogućnosti grejanja kao i toplotne pumpe projektovane prvenstveno za grejanje. Toplota se iz sistema, ispunjenim ljudstvom ili uređajima, prenosi na vazduh u prostoriji a sa vazduha na sredstvo za hlađenje ili ohlađenu vodu. Varijacija u toplotnom opterećenju, koja zavisi od broja osoba u prostoriji ili rada uređaja, mora biti uzeta u obzir i rešava se automatskom kontrolom temperature i vlažnosti. Unos spoljneg vazduha može biti u različitim udelima, sve do 100%. Kada su spoljne temperature odgovarajuće, potrebe za hlađenjem je nepotrebno. 5.8.1 Sistemi sa jednom zonom

Singlezone system

Kod ovih sistema vazduh se kondicionira u jednom centralnom delu a zatim kroz kanal odvodi u jednu ili više prostorija. Ukoliko se radi o više prostorija, sve prostorije dobijaju vazduh istog stanja (Sl.4.18) Slika 5.21 Sistem sa jednom zonom

66

Slika 5.23 Sistem sa promenljivim protokom vazduha Prednost ovakivih sistema je u tome što se potrebna energija za kondicioniranje vazduha smanjuje sa smanjivanjem količine unetog vazduha. Dobrom regulacijom smanjuje se značajno i energija potrebna za rad ventilatora. Ovi sistemi su posebno opravdani kod malih rashladnih opterećenja, gde se veliki deo opterećenja pokriva sa malom količinom spoljneg vazduha. U ovom slučaju nije isplativo ulagati u dodatni rashladni sistem. Centralizovani sistemi za klimatizaciju omogućili su izgradnju zgrada sa prozorima koji se ne otvaraju. Pored prednosti, ovo je i mana jer je ventilacija ovakvih zgrada u potpunosti zavisna od sistema za klimatizaciju. Kod velikih sistema javljaju se gubici koji se ne javljaju kod sistema koji služe za kondicioniranje jedne prostorije. Glavni uzroci gubitaka kod ovih sistema su sledeći:

• Dogrevanje Dogrevanje je neophodno, prvenstveno radi održavanja temperature pojedinačnih prostorija u sistema gde šrostorije zahtevaju različito opterećenje (loads). Dofrevanjem se takođe može regukisati vlažnost.

• Povećano opterećenje ventilatora Centralnizovani klimatizacioni sistemi zahtevaju velike kanalne sisteme. Ovo zahteva ventilator veće snage.

• Neodgovarajuća kontrola unosa spoljnog vazduha. Kondicioniranje spoljneg vazduha je izuzetno skupo. Ovo nameće veoma preciznu kontrolu unosa spoljneg vazduha. Često ovo nije slučaj.

• Nejednaka raspodela ventilacionog vazduha. Centralni klimatizacioni sistem koji vrši ventilaciju zajedno sa zagrevanjem i hlađenjem ne može distriburati spoljni vazduh u odgovarajućoj meri svakoj pojedinoj prostoriji. Ako želimo obezbeđivanje odgovarajuće ventilacije za svaku prostoriju, rezultat će biti prekomerna ventilacija u većini ostalih prostorija.

• Nemogućnost isključivanja grejanja, hlađenja i ventilacije u pojedinačnim prostorijama Problem se može rešiti ugrađivanjem dampera za prekid rada u svakoj pojedinačnoj prostoriji. Zasad, ovakva rešenja su retka.

Gubici energije dogrevanjem mogu biti ogromni, ostali gubici energije su takođe značajni. Sistemi sa promenljivom zapreminom trebalo bi otklone prva dva uzročnika gubitaka. Kod ovakvih sistema do ozbiljnih problema komfora, čije rešavanje opet zahteva velike gubitke energije.

Rešenje sa promenljivom zapreminom, izuzev malih sistema, postao je dominantan. Problem komfora i efikasnosti je, mešutim, još uvek prisutan. Uzrok problema efikasnosti i komfora kod centralizovanog sistema je pokušaj projektanta da se zadovolje mnogi zahtevi samo sa jednim tipom uređaja.

5.8.3 Mogućnosti za uštedu Energy reduction possibilities

1. Minimizacija rada sistema Uštedu je najbolje početi ovom merom. Mera obično donosi velike uštede uz relativno mala ulaganja. Uređaj treba isključiti kada nema potrebe za njegovim radom. Treba imati u vidu da je automatska kontrola mnogo efikasnija od manuelne. Ugraditi odgovarajući uređaj za kontrolu procesa.

71

5.9. Toplotne pumpe Heat pumps

Toplotne pumpe su uređaji koji služe za prenos toplote sa rezervoara sa nižom temperaturom na rezervoar sa višom temperaturom. Očigkedno da se jedan sistem hladi (iz koga se crpi energija) a drugi zagreva (u koji se prenosi toplotna energija). Kada je cilj hlađenja uređaj se zove rashladni sistem, ako je cilj zagrevanje onda se uređaj zove toplotna pumpa. Osnovni cilj i jednog i drugog uređaju isti, prenos toplote sa nižeg na viši viši temperaturni nivo. Većina toplotnih pumpi su tipa kompresije pare. Komponente toplotne pumpe sa kompresijom pare su potpuno iste kao sistema za hlađenje sa kompresijom pare. Razlika između ova dva sistema je u tome što uređaji za hlađenje prenose toplotnu energiju iz sistema sa niskom temperaturom u okolinu, dok kod toplotne pumpe iz okoline u sistem sa visokom temperaturom. Imajući u vidu da toplotne pumpe mogu da koriste energiju okoline (vazduh, voda, zemlja) kao i otpadne toplote, potencijali za uštedu energije su ogromni. Jedini način za podizanja temperaturnog nivoa otpadne toplote je pomoću toplotne pumpe. Skoro sve toplotne pumpe rade na principu kompresiju pare ili kao apsorpcioni ciklus. Bivalentan način rada. Kod velikih sistema toplotna pumpa radi zajedno sa pećom u kojem sagoreva gorivo. Peć služi za obezbeđivanje dodatne toplote i/ili obezbeđivanje toplote u piku. Monovalentan rad. Isključivo toplotna pumpa. Primena toplotne pumpe u industriji Toplotne pumpe se mogu primenuti u mnogim indurijskim procesima. Primena obuhvata: • Zagrevanje prostorija

Toplotnim pumpama mogu se zagrevati staklenici, stambeni objekti ili industrijske zgrade. Kao tolotni izvor mogu se koristiti konvencionalni izvori ili industrijska otpadna toplota,

• Zagrevanje ili hlađenje procesne vode U većini industrija, temperature topla procesne vode kreće se između 40 i 900

• Produkcije pare

C, pre svega radi pranja, sanitacije i higijene.

Temperatura industrijske otpadne pare, niskog srednjeg ili visokog pritiska, kreće se između 100 i 2000C. Na tržištu postoje visokotemperaturne toplotne pumpe koje mogu proizvesti paru do 3000

• Sušenje i odvlaživanje C.

Može se koristiti u industriji za sušenje i odvlaživanje na niskim i umerenim temperaturama (maksimalno 1000

• Isparavanje, destilacije i proces koncentracije.

C). Generalno, koeficijent toplotnih pumpi za sušenje je prilično visok između 5 i 7.

U mnogim industrijskim sistemima toplotne pumpe našle su primenu u procesima destilacije, uparavanja i koncentracije. Male temperaturne u ovim procesima rezultuju u visokim koeficijentu grejanja kod ovih toplotnih pumpi, između 6 i 30.

5.9.1 Toplotni izvori

Heat sources

Primarni izvori toplote su vazduh, voda i zemlja. U praksi najčešći izvor je vazduh. Kod malih sistema vazduh, podzemna voda i tlo (zemlja) su odgovarajući toplotni izvori. Kod velikih sistema površinska voda, voda mora i geotermalni sistemi su mnogo povoljniji. Tehničke i ekonomske performanse toplotne pumpe je u strogoj vezi sa toplotnim izvorom.

78

5.10. Komprimovani vazduh

Compressed air

5.10.1 Osnove Basics

Komprimovani vazduh se koristi u različitim operacijama kao što su aeracija, transport, pneumatska kontrola.

Ukupni operativni troškovi komprimovanog vazduha su četiri do pet puta veći od troškova električne energije potrebne za proizvodnju komprimovanog vazduha. Mogućnosti uštede kod kompresora kao i sistema za kompresiju vazduha mogu biti 20 do 50% od energije koju sistem troši (Mull, 2011, 142).

Glavne komponente sistema za komprimovani vazduh su: • Kompresor • Liniju za distribuciju vazduha • Rezervoar za skladištenje vazduha • Jedinica za sušenje i prečišćavanje vazduha. Sistem može da sadrži više kompresora. Da bi se obezbedile promenljive potrebe za

vazduhom deo sistema je obično i rezervoar vazduha. Ako to proces zahteva (kao što je prehrambena industrija) dodatno se dodaju filtri i jedinice za odvlaživanje vazduha. Postoje dva tipa vazdušna kompresora:

• Volumetrijski kompresori Princip rada ovih kompresora sastoji se u tome da se povećanje pritiska vazduha postiže smanjivanjem zapremine, pomoću raznih konstrukcionih rešenja. Na ovom primcipu rade klipni i rotacioni kompresori.

• Dinamički kompresori Kod ovih kompresora vazduh se komprimuje konvertovanjem dinamičke energije u statički pritisak. Primer su turbokompresori i ejektori.

Šema tipičnog sistema za kompresiju vazduha data je na Slici 5.25.

Slika 5.25 Šema tipičnog sistema za kompresiju vazduha

89

5.11. Toplotni razmenjivači

Heat exchangers

5.11.1 Osnovi Basics

Kod toplotnih izmenjivača postoje dve struje: grejna i grejana. Grejna se nalazi na višoj temperaturi i predaje toplotu grejanoj koja je na nižoj temperaturi. Struje su obično razdvojene zidom kroz koju se vrši prenos toplote. Toplotni razmenjivač cev u cevi Razmenjival se sastoji od dve cevi, jedna od njih smeštena je u drugoj. Jedan fluid struji kroz unutrašnju cev a drugi kroz anularni prostor spoljne cevi. Toplotni razmenjivač sa snopom cevi Ovaj toplotni razmenjivač sastoji se od snopa cevi. Pločasti razmenjivač toplote Ovaj toplotni razmenjivač sastoji se od niza paralelnih, blisko postavljenih smeštenih u okvir. Kapacitet pločastih razmenjivača se može podešavati dodavanjem ili oduzimanjem ploča u okvir. Tok grejne i grejane struje može biti paralelan ili protivstrujni. Pločasti razmenjivači mogu se koristiti za grejanje i hlađenje u prehrambenoj, hemijskoj i farmaceutskoj industriji zbog veliki termičke efikasnosti, fleksibilnosti i lakog čišćenja. Orebreni toplotni izmenjivači Orebreni toplotni razmenjivač prikazan na Slici 5.27. Glavna prednost rebrastog toplotnog razmenjivača je prevencija zaprljanja površina razmenjivača. Koeficijenat prelaza toplote U toplotnom razmenjivaču, toplota sa grejnog fluida prelazi na zid konvekcijom, kroz zid toplota prolazi kodukcijom i konačno sa zida na grejani fluid konvekcijom. Toplotni fluks konvekcijom dat je donjim izrazom

tAQ ∆α= (5.81) gde su: Q toplotni fluks, W/m2

sa grejnog fluida na zid ili sa zida na grejani fluid,

α koeficijent prelaza toplote, W/m20

A površina zida, mC

Δt temperaturna razlika,

2 0

fluid - zid (u slučaju prelaza toplote sa grejnog fluida na zid) C

zid – fluid (u slučaju prelaza toplote sa zida na grejani fluid) U Tabeli 5.20 dati su primeri nekih vrednosti koeficijenata prelaza.

93

5.12. Destilacija Dstillation

5.13.1 Uvod Introduction

Visoki zahtevi za kvalitet proizvoda naterali su industruju da poboljšaju proces separacije. Destilacija je naujobičajeniji separacioni proces u industriji. Oko 95% od svih separcionih procesa fluida vrši se destilacijom, pri tome treba imati u vidu da je destilacija visokointezivni energetski proces gde se koristi oko 3% energije od ukupne svetske potrošnje (Engelien HK, Skogestad S. 2004). Ukupni termodinamička efikasnost konvencionalnih destilacija je istovremeno veoma niska i kreće se između 5 i 20% (De Koeijer G, Kjelstrup S., 2000). Visoki zahtevi za potrošnju energije u direktnoj su vezi sa emisijom CO2

Ovo nameće zaključak da smanjivanje potrošnje energije u ovoj oblasti dovodi do velike uštede.

. Naime, energija potrebna za proces destilacije se uglavnom dobija sagorevanjem fosilnih goriva.

5.13.2 Fleš destilacija

Flash distillation

Fleš destilacija je raširena način za separaciju tečnih smeša ili rastvora. Da bi se smeša razdvojila na konsitutivne komponente neophodno je uložiti odgovarajuću energiju. Jedna od najednostavnijih operacija destilacije je fleš destilacija. U ovom procesu, deo napojne struje isparava u jednoj jedinici. Nastaje višekomponenta ravnoteža para-tečnost. Mada je para je bogatija lakšim isparljivim komponentama, popuna separacija se ne postiže. Tipični komponente sistema za fleš destilaciju prikazani na Sl. 4.20. Slika 5.28 Šematski prikaz sistema za fleš destilaciju

Napojna tečne smeše, temperature T0 i pritiska P0 i datog sastava [z] ulazi u sistem. Smeši se podiže pritisak na PF i temperatura na TF, pomoću pumpe i razmenjivača toplote, za šta je naravno potrebna energija. Višekomponenta smeša pritiska PF i temperature TF, nakon prolaska kroz ventil, gde dolazi do smanjivanje pritisak a obično i temperature smeše, ulazi u posudu.

96

Radi se o protočnom stacionarnom sistemu, sa jednim ulazom i dva izlaza, uz zamnemarivanje promene potencijalne i kinetičke energije i rada. Totalni i komponentni maseni bilansa za ceo sistem je

BDF += (5.94)

i,Bi,Du,F BxDxFx +=

(5.95)

gde su u,Fx , i,Dx i i,Bx molski udeli komponente i u napoju, destilatu i ostatku, respektivno.

Totalni i komponentni bilansa za rebojler

BVL NN += +1 (5.96)

i,Bi,NNi,NN BxyVxL += ++ 11 (5.97)

Totalni i komponentni bilansa za kondenzator

DLV += 01 (5.98)

i,Di,i,i, DxxLyV += 0011 (5.99)

U gornjim izrazima sa i,Nx , i,x0 , i,Ny 1+ , i,y1 označeni su odgovarajući molski udeli tečnih i

parnih struja u skladu sa Slikom 5.29. Energetski bilans destilacione kolone Na osnovu iste slike (Slike 5.29) i uz iste pretpostvke i Prvog zakona termodinamike termodinamike za protočne, otvorene sisteme pišemo odgovarajuće bilanse energije. Za ceo sistem važi

gubBDCRF QHHQQH••••••

+++=+

(5.100)

gde su

iiFF hFH Σ=•

(5.101a)

iiDD hDH Σ=•

(5.101b)

iiBB hBH Σ=•

(5.101c)

Neto potrebna toplota koju treba dovesti je

)QQ(QQ gubCRneto

••••+−=

(5.102)

Odnosno

97

FBDneto HHHQ••••

−+= (5.103)

Energetski bilans za rebojler je

gub,RBNVRNL QHHQH••

+

•••++=+ 1

(5.104)

Odgovarajući bilans energije za kondezator

gub,CLCNV QHQH•• ••

++=0

(5.105)

5.13.4 Mogućnosti za uštedu

Energy reduction opportunities

1. Poboljšanje kontrole procesa. Primena savremenih metode kontrole omogućava rad u užim radnim opsezima

2. Pregrevanje napoja korišćenjem otpadne toplote 3. Primena toplotne pumpe. Toplotna energija pare služi kao toplotni izvor. Toplotna energija,

koja se dobija pomoću toplotne pumpe, koristi se u rebojleru. Smanjuje se i potreba za odvođenje toplote u kondenzatoru, jer nakon izlaska iz toplotne pumpe, temperature pare se snižava.

Slika 5.30 Šematski prikaz toplotne pumpe sa destilacionom kolonom 4. Kod višestepenih kolona, topli destilat može se koristiti za zagrevanje sledeće kolone. 5. Smanjivanje pritiska u koloni korišćenjem ispuna umesto podova, ukoliko je moguće 6. Primena toplotne Integracija. Povezivanje toplih i hladnih struja u cilju minimizacije potrebne

energije za grejanje i hlađenje. Pitanje

1. Koja je razlika između fleš i višestepene destilacije?

99

5.13. Sušenje Drying

5.14.1 Osnovne definicije Basic definitions

Pod sušenjem se obično podrazumeva uklanjanje tečnosti iz vlažnog materijala - čvrste faze pomoću isparavanja. Pri tome mehaničko uklanjanje tečnosti iz čvrste faze se ne smatra sušenjem. Treba istaći da mehaničko uklanjanje tečnosti je ekonomičnije jer je potrošnja energije daleko manja nego korišćenjem toplotne energije.

Vlažan materijal može da miruje, može se kretati ili biti fluidizovana. Kod vlažnog materijala koji miruje nema relativnog kretanja čvrstih čestica, Moguće je relativno kretanja čvrstih čestica koje se suše, kretanje jedne preko druge. Obično je ovo kretanje na dole usled dejstva sile gravitacije ali može biti kretanje i na gore. U fluidizovanom sloju čvrste čestice se nalaze u gasovitoj fazi koja se kreće na gore. Brzina gasa u fluidizovanom sloju nije dovoljna da se čvrsta faza kontinualno transportuje kroz uređaj. Čestice se kontinualno kreću na gore i vraćaju na dole. Ovo omogućava pomešanost gasovite i čvrste faze i veliku površinu za razmenu. Čvrsta faza može biti i potpuno dispergovana u gasovitu. Ovo su uslovi kada su čvrste čestice toliko razdvojene da nemaju uticaj jedne na drugu.

U odnosu na čvrstu fazu tok gasa može biti paralelan, normalan ili strujanje kroz čvrstu fazu. Kod paralelnog toka pravac strujanja gasa je paralelna u odnosu na površinu čvrste faze. Kod normalnog toka pravac strujanja gasa normalan je u odnosu na površinu čvrste faze, dok je kod strujanja jroz čvrstu fazu slučaj kada gas struji kroz međuprostor čvrste faze, prolazeći slobodno oko individualnih čestica. Pri ovakvom načinu strujanja, čvrsta faza može da miruje, da se kreće ili se radi o fluidizovanom ili je čvrsta faza potpuno dispergovana u gasovitu.

U odnosu na tok kretanja gasovite i čvrste faze razlikujemo: Istostrujni, protivstrujni i unakrsni tok.

Sušenje se obično vrši vazduhom. Međutim sušenje se može vršiti i drugim gasom, kao što je pregrejana para. Iz tog razloga u najširem smislu kod sušenja govorimo o vlažnom materijalu i gasu.

Osobine vazduha za sušenja. Kada je gas vazduh, osobine važne za sušenje su temperatura i vlažnost. Pomoću vazduha se obično vrši prenos toplote na vlažan materijal, u cilju isparavanja vlage, i pomoću vazduha se uklanja isparena vlaga. U bilo komprocesu sušenja, pri dovođenju odgovarajuće količine toplote, brzina pri kojem dolazi do isparavanja zavisiće od temperature koncentracije pare u okolnoj atmosferi.

Apsolutna vlažnost vazduha. Ovo predstavlja količine koju sadrži kubni metar vlažnog vazduha. Najčešća jedinica gvlage/m3

vlažnog vazduha

Sadržaj vlage vazduha. Predstavlja masu vlage po masi suvog vazduha. .

vazduhasuvog

vlage

kgkg

H =

(5.106)

Maksimalna vlažnost vazduha. Sadržaj vlage koje vazduh može da primi pri datoj

temperaturi. Sva vlaga preko toga se kondenzuje. Relativna vlažnost vazduha. Predstavlja odnos između date i maksimalne vlažnosti vazduha

na datoj temperaturi. Izraženo preko sadržaja vlage vazduha:

vazduhazasicenogvlagesadrzajvazduhavlagesadrzaj

HH

S

==ϕ

(5.107)

100

Kod potpuno suvog vazduha relativno vlažnost jednaka je nuli, dok je zasićenog vazduha (maksimalna vlažnost) relativna vlažnost jednaka jedinici.

5.14.2 Vlaga u vlažnom materijalu Moisture in wet material

Vlaga u vlažnom materijalu može biti vezana i slobodna. Pod vezanom vodom smatramo vodu koja koja ima napon pare manji od napona pare čiste voda na datoj temperaturi. Voda može biti, zadržana u malim kapilarima, prisutna kao rastvor u ćelijama ili zidovima vlakana, homogen rastvor u čvrstoj fazi, vezana hemijskom i fizičkom adsorpcijom na površini čvrste faze.

Slobodna vlaga je vlaga koja se može ukloniti iz vlažnog materijala pri datoj temperaturi i vlažnosti vazduha.

Treba imati u vidu da postoje dva osnovna tipa materijala: higroskopni i nehigroskopni. Higroskopni materijala su materijali koji mogu da sardže vezanu vodu. Nevezana vlaga kod higropskopnih materijala predstavlja vlagu preko ravnotežne vlage. Kod nehigropskopnih materijala sva voda je nevezana.

Sadržaj vlage vlažnog materijala. Sadržaj vlage vlažnog materijala predstavlja odnosu između mase vlage i mase suvog materijalakg vlage. Odnosno kgvlage/kgsuvog materijala

. Pri ovome treba imati u vidu da se posmatra prosečni sadržaj vlage u vlažnom materijalu.

materijalasuvog

vlagevm kg

kgH =

(5.108)

Ravnotežni sadržaj vlage. Pri datim uslovima temperature i vlažnosti okolnog vazduha dati vlažan materijal ima svoj graničan sadržaj vlage do kojeg se vlažni materijal može osušiti. pod datim uslovima temperature i vlažnosti vazduha. Ovo treba imati na umu kada se vrši sušenje. Sušenjem se može vlažan materijal osušiti do niže vrednosti sadržaja vlage od ravnotežne, ali će se nakon završetka sušenja vremenom ponovo uspostaviti ravnotežni sadržaj vlage.

Tačka zasićenosti vlakana. Sadržaj vlage celularnih materijala (npr. drvo) pri kojem su zidovi ćelija kompletno zasićeni pri čemu praznine nisu ispunjene vlagom. Pri proocesu sušenja istovremena se odvijaju dva procesa: 1. Prenosa toplote na vlažan material potrebne za isparavanja vode i 2. Prenosa mase tečnosti ili pare kroz vlažan materijal i pare sa površine. Faktori koji utiču na brzinu ovih procesa određuju i brzinu sušenja. Kod industrijskih sušnica toplota se može prenositi kovekcijom, kondukcijom, zračenjem ili njihovom kombinacijom. Bez obzira na način prenosa, toplota se prvo prenosi na spoljnu površinu a zatim u unutrašnjost vlažnog materijala. Izuzetak su dielektrično i mikrotalasno sušenje.

Prenos masem vode ili pare, vrši se kroz vlažan material, a zatim kao para prenosi se sa površine vlažnog materijala. Kretanje kroz vlažan material posledica je postojanja gradijenta koncentracije, koji zavisi od prirode materijala koji se suši. Kao što je već rečeno, material koji se suši može biti porozan ili neporozan (higropskopan ili nehigroskopan). Realno, postoji čitav niz materijala koji se nalaze između ova dva. Ipaj u praksi je pogodno smatrati vlažan materijal kao porozan ili neporozan.

105

5.14.7 Bilans mase Mass balance

Pri prolasku toplog vazduha kroz vlažan materijal para iz vlažnog materijala prelazi u okolni topli vazduh i povećava im se sadržaj vlage.

2211 11 ,V,VSV,VM,VSV m)H(mm)H(m •••• ++=++

(5.109)

gde su:

SVm• maseni protok suvog vazduha

1,VMm• , 2,VMm• maseni protok vlažnog materijala na ulazu i izlazu iz sušnice, respektivno

1,vH , 2,vH sadržaj vlage vlažnog vazduha na ulazu i izlazu iz sušnice, respektivno

Masa uklonjene vlage jednaka je

21 ,V,VMW mmm ••• −=

Dok je potrebnog količina suvog vazduha

12 ,V,V

WSV

HHmm−

=•

•

(5.110)

Odnosno vlažnog ulaznog vazduha

)H(mm ,VSV,VV 11 1+= ••

(5.111)

5.14.8 Bilans energije Energy balance

Na osnovu Prvog zakona termodinamike za protočni stacionarni sistem možemo napisati

gub,VM,VM,VV,VM,VM,VV Qhmhmhmhm••••• ++=+ 222111 (5.112)

gde je hV,1 entalpija vazduha za sušenje na ulazu a hV,2 entalpija vazduha za sušenje na izlazu računate po kg suvog vazduha dok su hVM,1 i hVM,2

)hh(mQ ,V,VVdov 21 −= ••

entalpija vlažnog materijala na ulazu i izlazu iz sušnice. Potrebna količina toplote koju treba dovesti

(5.113)

Odnosno

106

gub,V,VM,VM,VNdov QhmhmQ••••

+−= 1122

(5.114)

Odnosno

gubid,dovdov QQQ•••

+=

(5.115)

5.14.9 Mere efikasnosti procesa sušenja Efficiency of the drying process

1. Jedna od mera efikasnosti sušenja je količnik između ninimalne potrebne količine toplotne

energije i stvarne potrebne količine toplotne energije.

dov

id,dov

QQ

=1η

(5.116)

2. Drugi korisni pokazatelj kod sušenja vazduhom, kao što je npr. sprej sušnica, dobija se preko

toplotnog bilansa. Ovde se vrši upoređivanje adijabatske i stvarne sušnice. Pod adijabatskom sušnicom podrazumeva se sušnica gde nema razmene toplote između sušnice i okoline tako da se upoređuje minimalna i stvarno razmenjena toplota.

01

211 TT

TTQQ

ad

stv

−−

==η

(5.117)

gde su: T1

T ulazna (niža) temperature

2

T izlazna (viša) temperature

o

temperature okoline

5.14.10 Mogućnosti za uštedu energije Energy reduction opprtunities 1. Izbor efikasnije opreme za sušenje 2. Prilikom energetske analize izvršiti kompletan bilans a ne samo sušnice 3. Izvideti mogućnost rekuperacije toplotne energije odnosno iskorišćenje otpadne

toplote.

109

Tipični uparivač sastoji se od tri osnovne komponente: 1. toplotni razmenjivač 2. jedinica za uparavanje i

ovde tečnost ključa i isparava i 3. separatora

ovde para napušta sistem, odlazi u kondenzator ili drugi uređaj. Kod mnogih uparivača ove tri funcije objedinjene su u jednoj velikoj cilindričnoj posudi. Izgled jednog ovakvog, konvencionalnog uparivač data je na Slika 5.31.

U toplotnom izmenjivaču uparivača, para se kondenzuje, toplota se prenosi na tečni rastvor koji ključa i isparava. Isparavanjem rastvor postaje sve gušći što rezultuje u povišenju tačke ključanja. Povišenje tačke ključanja smanjuje temperaturnu razliku između pare i rastvora, što rezultje u padu tolotnog fluksa. Sa povećanjem gustine raste i viskozitet, što smanjuje intenzitet cirkulacije i dodatno smanjuje količinu prenete toplote.

Vakum uparivači Kod sistema koji su osteljivi na visoke temperature, odnosno gde temperature moraju biti daleko ispod 1000C, prihvatljivo rešenje je rad pod vakumom, gde će temperatura ključanja biti niža.

Prenos toplote u uparivačima Kao najpogodniji izvor toplote je para koja kondenzuje. Ovim se obezbeđuje velika količina toplotne energije pri kostantnoj temperaturi. Para se obezbeđuje direktno iz kotla ili može poticati iz prethodne uparivačke jedinice. Direktno zagrevanje, sagorevanjem goriva se izbegava zbog opasnosti lokalnog pregrevanja. U pojednim slučajevima umesto pare, ako je temperatura šare visoka, može se koristiti vrela voda.

Kondenzatori U kondenzatorima se kondenzuje isparena para. Kada se radi pod smanjenim pritiskom nakon kondenzatora stavlja se vakuum pumpa.

Prenos toplote Toplotni fluks koji se prenosi pare, temperature TP kroz zid razmenjivača na rastvor temperature, TR

dat je sledećim izrazom

Q1 = KA(Tp – TR

) (5.118)

Ovaj toplotni fluks dobijen je kondenzacijom pare

Q 2 = mp ΔHkond

(5.119)

Preneta toplota rastvoru odlazi na isparavanje vode

Q3 = mR ΔH isp

(5.120)

U idealnom slučaju, bez toplotnih gubitaka ove tri toplote su jednake

Q1 = Q2 = Q3

(5.121)

112

5.15. Energetske rezerve procesa Energy reserves of the process

U tehnološkim procesima vrlo često postoji potreba za dovođenjem toplotne energije kao i potrebe za odvođenjem toplote na nivou celog tehnološkog procesa. Istovremene postoji čitav niz jedinica gde tehnologijsa zahteva zagrevanje odnosno hlađenja određenih struja. Postavlja se pitanje dali postoji bolji raspored (konfiguracija) struja unutar tehnološkog procesa da bi se potreba za dovođenjem odnosno odvođenjem minimizirala kao i koji su krajnji dometi (energetske rezerve) energetske uštede.

Pinch tehnologija, koja se bazira na termodinamičkim principima, daje odgovor na ova pitanja.

Većina tehnoloških procesa su stacionarno protočnog tipa. Kod ovakvih sistema u jediničnim uređajima tehnološkog procesa vrlo često teku uz razmenu toplote, dovođenje ili odvođenje, što ima za posledicu promenu entalpije, odnosno

QH =∆ (5.126)

U slučaju promene temperature struje (sistema), važi

TcmH P∆∆ •= (5.127) a u slučaju faznih transformacije, koji teku uz razmenu toplote bez promene temperature

LThmH ∆∆ •= (5.128)

U gornjim jednačina, •m , Pc , LTh∆ su maseni protok struje, molarni kapacitet struje i latentna

toplota procesa, respektivno. Gornja dva izraza mogu se prikazati jednom jednačinom

TCPH ∆∆ = (5.129) gde važi

PcmCP •= razmena toplote praćena promenom temperature

LThmCP ∆•= KT 1=∆ razmena toplote bez promene temperature

Izraz (5.129 ) se može napisati

HCP

T ∆∆ 1=

(5.130)

Gornja jednačina može se prikazati u T-H dijagramu, gde je za datu promenu temperature ΔT data odgovarajuća promena entalpije, ΔH. Pri čemu je nagib prave 1/CP. Imajući u vidu da nam je za analizu važna samo promena entalpije, pravu u T-H dijagramu, možemo slobodno pomerati levo ili desno u datom opsegu temperatura (Slika 5.34).

127

5.17. Literatura References

Engelien HK, Skogestad S. Selecting appropriate control variables for a heatintegrated distillation system with prefractionator. Comput Chem Eng, 2004;28:683–91.

De Koeijer G, Kjelstrup S. Minimizing entropy production rate in binary tray distillation. Int J Appl Thermodyn 2000;3:105–10.

Capehart, B.L., M.B. Spiller, and S. Frazier. 2006. Energy auditing, Chapter 3, In Energy Management Handbook (6th ed.), Turner, W.C. and S. Doty, (Eds.), pp. 23–39. Lilburn,GA: The Fairmont Press Inc

Capehart, B.L., W.C. Turner, and W.J. Kennedy. 2005. Guide to Energy Management (5th ed.), Lilburn, GA: The Fairmont Press.

Dincer, I. and M.A. Rosen. 1999. Energy, environment and sustainable development. Applied Energy 64: 427–440

Henderson, J.M. and R.E. Quandt. 1980. Microeconomic Theory: A Mathematical Approach. New York: McGraw-Hill.

Ladd, G. 1998. Grain transport and industry structure. In Structural Change and Performance of the US Grain Marketing System Larson D. et al., (Ed.), pp. 51–53. Urbana, IL: Sherer Co.

Peters, M.S. and K.D. Timmerhaus. 1991. Plant Design and Economics for Chemical Engineers. New York: McGraw-Hill.

Marechal, F., G. Heyen, and B. Kalitventzeff. 1997. Energy savings in methanol synthesis: Use of heat integration techniques and simulation tools. Computers and Chemical Engineering 21: S511–S516.

Hostrup, M., R. Gani, Z. Kravanja, A. Sorsak, and I. Grossmann, I. 2001. Integration of thermodynamic insights and MINLP optimization for the synthesis, design and analysis of process fl owsheets. Computers and Chemical Engineering 25: 73–83

Vogt, Y. 2004. Top-down energy modeling. Strategic Planning for Energy and the Environment 24: 66–80.

Dincer, I. and M.A. Rosen. 1999. Energy, environment and sustainable development. Applied Energy 64: 427–440.

Henderson, J.M. and R.E. Quandt. 1980. Microeconomic Theory: A Mathematical Approach. New York: McGraw-Hill.

Ladd, G. 1998. Grain transport and industry structure. In Structural Change and Performance of the US Grain Marketing System Larson D. et al., (Ed.), pp. 51–53. Urbana, IL:

Peters, M.S. and K.D. Timmerhaus. 1991. Plant Design and Economics for Chemical Engineers. New York: McGraw-Hill.