Para wytwarzanie i wykorzystanie

Gospodarka cieplna zakładów przemysłu spożywczego obejmuje opracowanie wytwarzania energii, jej przysyłanie , jak również jej użytkowanie . Energia cieplna jest niezbędna do przeprowadzenia operacji i procesów wymagających ogrzewania. Energia cieplna jest dostarczana za pomocą nośników energii

1. Wysokotemperaturowe nośniki energii cieplnej :

• Para wodna

• Gorąca woda

• Powietrze

• Gazy spalinowe

1. Para wodna- Gazowe nośnik ciepła , najczęściej stosowanym jest para wodna. Szerokie zastosowanie pary wodnej wynika z jej zalet jako nośnika energii cieplnej.

Rodzaje pary wodnej :

• Para nasycona wilgotna- zawiera w masie kropelki nieodparowanej wody. Jednym z najważniejszych parametrów jest stopień suchości ( udział wagowy pary nasyconej suchej w wilgotnej ) wykorzystywana w ogrzewaniu .

• Para nasycona sucha- o temperaturze wody z której powstała , nie zawiera fazy ciekłej.

• Para przegrzana -par sucha o temperaturze wyższej od temperatury nasycenia.

W obliczeniach wykorzystujemy parę umowną (entalpia 2680=640*4,19=2679,53 kJ/kg)

Przeliczenie masy (strumienia masy ) pary rzeczywistej na parę umowną:

masa (strumień pary umownej ) kg, kg/s

masa (strumień pary rzeczywistej ) kg, kg/s

entalpia pary umownej kJ/kg

entalpia pary rzeczywistej kJ/kg

Zalety pary wodnej :

• Można ja przesyłac na duże odległości od miejsca jej wytwarzania

• Kondensacji pary wodnej towarzyszy duża zmiana jej entalpii, wskutek tego do przekazywania stosunkowo dużych ilości ciepła , potrzeba niedużej ilości ciepła.

• Stała temperatura kondensacji w danych warunkach ułatwia utrzymanie stałych parametrów pracy i ich regulacje

• Wysokie współczynniki przenikania ciepła uzyskiwane przy ogrzewaniu wymienników ciepła para pozwoliły na znaczne zmniejszenie ich powierzchni wymiany ciepła i koszty wymienników ciepła

Współczynniki są niższe dla przegrzanej niż dla wilgotnej.

Najlepszym nośnikiem ciepła jest para przegrzana natomiast forma użytkową jest para nasycona

-współczynnik wnikania ciepła

-współczynnik przenikania ciepła

-strumień ciepła

Wadą pary wodnej : jako nośnika ciepła jest znaczny wzrost ciśnienia związany ze wzrostem temperatury. Stąd ogrzewanie produktu do temperatury 150-160C wymaga stosowania nasyconej pary wodnej o ciśnieniu 0,5-0,7 MPa , ma to wpływ n konstrukcje aparatu i warunki wymiany ciepła.

2. Gorące powietrze jako nośnik :

• Niskie współczynniki wnikania ciepła
  

• Kłopotliwy w przemieszczaniu

• W wielu działach przemysłu spożywczego jak suszarnictwo, piekarnictwo nie można go zastąpić niczym innym.

3. Gazy spalinowe:

W działach pomocniczych wykorzystywane gazy spalinowe. Są wykorzystywane z reguły w miejscach ich otrzymywania do bezpośredniego ogrzewania np. kotłów parowych.

zalety: wysoka temperatura ( ogrzewania i drugiego czynnika ), bez stosowania wysokich ciśnień po stronie gazów spalinowych.

Wady: są niskie współczynniki wnikania ciepła( od gazów do ścianek i do czynnika , co wiąże się z rozbudową powierzchni wymiany ciepła. Powierzchnia wymiany ciepła szybko się brudzi ulega korozji.( działanie związków siarki.

4. Ciekły nośnik ciepła - woda gorąca lub skropliny pary wodnej:

Zalety:

• Nośnik ten można przesyłać rurociągami na znaczną odległość przy stosunkowo niedużym obniżeniu temperatury .

• Wysokie współczynniki wnikania ciepła

Wady : że jej temperatura pod ciśnieniem atmosferycznym nie może przekraczać 100 C

2. Nisko temperaturowe nośniki ciepła i nośniki chłodnicze ( w których chłodzenie związane jest pobieraniem ciepła w temperaturze poniżej 0C.)

Do nisko temperaturach czynników zaliczmy:

• Woda lodowa

• Solanka

• Mieszanina glikol/alkohol/woda

• Alkohol metylowy

Nośnikiem gazowym jest - zimne powietrze.

Czynnikiem chłodniczym w sprężarkach i dużych urządzeniach (amoniak)

W starych aparaturach (freon i jego pochodne )

W urządzeniach absorbujących stosowany jest roztwór amoniaku lub LiBr

W aparaturach przemysłu spożywczego, w których przeprowadzane są ogrzewanie w ściśle określonym ciśnienia wprowadzonej pary grzejnej zgodnie z wymaganą temperaturą np. :

• Warstwa serowarska (0,05 MPa)

• Płynowy wymiennik ciepła 015MPa

• Termosprężarka wyparki 0,7MPa

• Nagrzewnica do powietrza w suszarnictwie 1,0-1,6 MPa

W kotłach parowych produkowana jest para nasycona lub przegrzana. Nowoczesne kotły produkują parę przegrzaną

Do przemiany pary przegrzanej do pary nasyconej w (urządzeniach redukcyjno-schładzające ) działają automatycznie.

Bez względu na ciśnienie i temperaturę pary wchodzącej , wydzielana jest para nasycona o określonej temperaturze i ciśnieniu.

Budowa stacji redukcyjno-schładzajacej:

• Zawór redukcyjny

• Schładzacz (komora mieszania )

• Osuszacz ( oddzielacz wody)

Proces redukcji pary :

• (1) z kotła do zaworu redukcyjnego, para przegrzana redukcja ciśnienia i spadek temperatury nasycenia ( wzrost stopnia przegrzania )

• (2) z zaworu redukcyjnego do schładzacza , gdzie następuje wtrysk wody za pomocą dysz Venturiego. Na skutek odebrania od pary przegrzanej określonej ilości ciepła , powoduje odparowanie wody , temperatura pary obniża się do temperatury nasycenia

Strumień wody w schładzaczu jest automatycznie regulowany. Najczęściej zamiast wody stosowane są skropliny zawracane do kotła. Strumień wody można również obliczyć z równania bilansu.

• (3) do osuszacza ( gdzie wielokrotnie zmienia swój kierunek ) W cyklu kropelki wody porwane z podczas schładzania są oddzielane o odprowadzane na zewnątrz .

W kotłowni zakładu przemysłowego jest produkowana para o określonym wybranym ciśnieniu. W kotłowni jest kilka kotłów parowych produkujących parę o dwóch wybranych ciśnieniach, ale nie możliwe jest wytwarzanie kilku różnych ciśnień potrzebnych dla różnych aparatów.

Przy produkcji pary wybiera ciśnienie odpowiadające największym wymaganiom aparatury. Stacje schładzajaco-redukcyjne dostosowują parametry pary wodnej do wymagań aparatury .

W wybranym miejscu głównego rurociągu parowego , dobudowuje się odcinek na którym redukuje się do wybranej wielkości . redukcję ciśnienia (dławienie ) dokutej się na zasadzie dławienia.:

1. w warunkach procesu odwracalnego , rozprężanie następuję przy stałej entropii S=const. Proces rozprężania ciśnienia p1 do p2 przebiega

2. przy wystąpieniem tarcia na zaworze ( układ nieodwracalny, przemian zachodzi przy wzroście entropii; w granicznym przypadku przy wysokim tarciu proces przebiega przy I=const, (stałej entalpii) odcinek AD .

Proces dławienia odbywa się w zaworach dławieniowych połączonych szeregowo, bo każdy zawór redukuje ciśnienie w stosunku 1:6.

1. para wilgotna (1MPa , x=0,98 temperatura 179 C redukowana do 0,1 MPa (D) para o temperaturze 137C powyżej krzywej granicznej x=1 par przegrzana , bo para nasycona na x=1, ma ciśnienie 0,1MPa temperaturę 100C .

Przeciwdziałanie - umieszcza się reduktor kilka metrów od odbiornika pary , nieizolowany przewód (wyjątek ) za reduktorem , powoduje obniżenie temperatury pary przegrzanej do stanu nasycenia.

TRANSPORT PARY WODNEJ

• rurami stalowymi

• rury bez szwów (dają się łatwo giąć bez obawy o nieszczelności )

• rury o normalizowanej średnicy : 20,25,32,40 itp. mm.

Połączenia rur :

• za pomocą kołnierzy ( wymaga dodatkowych kołnierzy)

• połączenia muflowe przez rury gwintowane

Przy montowaniu rurociągów stosowany jest spadek wynoszący około 0,5% (5mm/1 m bieżący rury) Umożliwiające całkowite opróżnienie rurociągu (w najmniejszym miejscu montowania , zawór spustowy)

Na długich odcinkach rurociągu parowego umieszcza się kompresatory ( pochłaniające naprężenia związane z rozszerzalnością cieplną( kształt podwójnych kolan)

Rurociągi z czynnikami energetycznymi powinny być odpowiednio malowane i oznakowane w celu ułatwienia eksploatacji.

STRATY ENERGETYCZNE ZWIĄZANE (Z RUCHEM CZYNNIKA).

dzielimy je na :

• straty cieplne

• straty ciśnienia

• w skutek nieszczelności

1.Straty cieplne - przez konwekcje i promieniowanie :

- współczynnik przenikania przez promieniowanie, konwekcję od ścianek do otoczenia

-powierzchnia wewnętrzna rurociągu m

- różnica temperatury pomiędzy ścianka rurociągu i otoczeniem

rysunek (.)

Wzór przybliżony :

- współczynnik przenikania ciepła pomiędzy para płynąca rurociągiem a otoczeniem

- różnica temperatur y pary i otoczeniem
(rysunek(.))

• straty są ustalane na podstawie tablic i wykresów dla izolowanych i nie izolowanych rurociągów

• nie zależą do od strumienia przepływającej pary

• stąd zbyt małe obciążenie rurociągu jest nieekonomiczne , ponieważ przy zmniejszonym obciążeniu , procentowe straty rosną

• w celu ich zmniejszania dodaje się izolację

Np.

Rurociąg o d=140mm i l=100m przepływa para wodna o ciśnieniu 0,5 MPa traci w ciągu godziny 0,33GJ ciepła. (ilość energii na wytworzenie 100kg konserw ).

2. Straty ciśnienia- związane z rozprowadzeniem czynników energetycznych , zależy od prędkości przepływu czynnika w przewodzie , prędkość zależy od średnicy rurociągu ( opory przepływu płynu w rurociągach, związane z uzyskiwaniem odpowiedniej prędkości przepływu)

Im prędkość mniejsza, ciśnienie mniejsze, ale większy koszt budowy rurociągu od odpowiedniej średnicy.

Podstawowe wartości U i ogólne rozwiązania techniczne :

• para przegrzana 40-60m/s

• para nasycona 25-30m/s

• skropliny 1,5-3 m/s

• Powietrze 8-40 m/s

Straty ciśnienia powodują obniżenie ciśnienia pary docelowej , co powoduje zwiększone zapotrzebowanie na parę w aparacie , w skrajnym przypadku uniemożliwia przeprowadzenie procesu.

Straty ciśnienia pomiędzy kotłownią o odbiorca wynoszą około 5%

3. Straty ciśnienia w skutek nieszczelności :

• Powszechnie uważane są za straty niewielkie

• Starty te zależy do ciśnienia pary

Straty ciśnienia przy ciśnieniu 0,8MPa o powierzchni 1mm

Wynoszą około 4 kg/h

• Przy założeniu 8 godzin pracy w ciągu dnia , to w ciągu roku straty wynoszą

• Przy założeniu 1 kg węgla otrzymamy 5 kg pary:

węgla rocznie

• Straty na skutek nieszczelności w połączeniach kołnierzykowych .

• Wpływają bezpośrednio ans taty ciepła ale powodują tez inne starty jak kondensatu który powinien być odprowadzony do kotła.

• Wzrost wilgotności powietrza co powoduję korozje aparatury i urządzeń.

WY6KORZYSTANIE CIEPŁA SKRAPLANIUA PARY

W gospodarce energetycznej zasadniczą rolę odgrywają problemy pełnego wykorzystania ciepła skraplania pary wodnej , jak również wykorzystania skroplin i zawartego w nich ciepła.

Wymiennik ciepła pracuje ekonomicznie , gdy następuję całkowite skroplenie. Niedopuszczalna jest praca wymiennika ciepła przy tzw. parą przelotową.- tzn. niepełnego skroplenia i powstania mieszaniny kondensatu i pary (której entalpia jest wyższa od entalpii kondensatu wrzącego pod danym ciśnieniem)]

Przy niepełnym skropleniu zużycie pary w wymienniku ciepła jest większa , ale za to jego wydajność pozostaje bez zmian ( ta sama temperatura i warunki skraplania ).

pełne wykorzystanie pary zapewnia dobrze pracujący odwadniacz, umieszczony za wymiennikiem ciepła, wypływa z niego tylko gorący kondensat( ciecz bliska nasycenia) ale nie para. Jeżeli odwadniacz przepuszcza pewna ilość pary , to tracona jest część ciepła skraplania jaką można było z niej uzyskać.

Kontrola pracy odwadniacza polega na pomiarze (entalpii wypływających skroplin )

Wymagania dla odwadniacza :

1. podstawowe :

• oprowadzenie kondensatu bez straty pary

2. dodatkowe:

• odporność na zamrożenie

• wykorzystanie ciepła kondensatu

• odporny na korozję

• łatwy w montażu i obsłudze.

Rodzaje odwadniaczy :

1. odwadniacz zwężkowy

2. odwadniacz pływakowy

3. odwadniacz termostatyczny

4. odwadniacz termodynamiczny

1. Odwadniacz zwężkowy- budową podobny do zwężki , ale ma wymienne płytki (z kalibrowanym otworem ) . Zasada działania polega przepuszczeniu skroplin przez drobny otwór zwężki tak dobrany , aby przepływały tylko skropliny a nie para lub tylko w niewielkich ilościach . Działają dobrze przy stałym strumieniu skroplin lub przy jego małych wahaniach. (stacje wyparne )

• Strumień pary lub cieczy przepływającej przez zwężkę :

Przy ciśnieniu 0,1 MPa

2. odwadniacz pływakowy- pływak zamknięty, są mechanicznymi regulatorami poziomu o działaniu

ciągłym .

Wada- zawór ma dole co umożliwia osadzanie się kamienia i cząstek w gnieździe zaworu co, powoduje zepsucie zaworu.

Odwadniacz dzwonowy- działa na zasadzie różnicy wyporności dzwonu wypełnionego para lub kondensatem. Zwór jest otwierany lub zamykany dzięki ruchowi dzwona ( zawór jest w górnej części )

• Gdy dzwon opada swoim ciężarem zawór się otwiera co umożliwia przepływ skroplin

• Par dopływająca pod dzwon powoduje wzrost jego wyporności , dzwon się unosi do góry i zawór się zamyka

1. odwadniacz termostatyczny - działanie opiera się na pewnym przechłodzeniu kondensatu . elementem sterującym jest kolumna płytek bimetalowych ( połączenie dwóch metali o różnej rozszerzalności cieplnej ).

• Gdy płytki ułożone są jedna nad drugą ( niedogrzane ) to między osadzonym na nich grzybkiem ,a gniazdem zaworu jest szczelina umożliwiającą przepływ skroplin

• Gdy płytki są ogrzane i wyginają. się , powoduje to zamknięcie zaworu i zamkniecie zaworu.

5. Odwadniacz termodynamiczny - działa na zasadzie paradoksu hydrodynamicznego.

Elementem sterującym jest metalowa płytka ( wielkość 5 zł.).

---