Koncepcje odzyskiwania ciepła firmy AERZEN
Zrównoważony rozwój i wydajność są w tej branży niezbędne. Dziś niewątpliwie należą one do najważniejszych wyzwań stojących przed producentami i operatorami systemów. Jednakże wytwarzanie powietrza procesowego z założenia wymaga stosunkowo dużej ilości energii. W procesie uwalniana jest natomiast duża ilość energii cieplnej, zwanej ciepłem procesowym. Powstaje nie tylko w generowanym strumieniu powietrza, ale także pod obudową akustyczną na skutek strat ciepła z silnika, tłumika i sprężarki. W przeszłości ciepło to często było niewykorzystywane.
Jako producent wysokowydajnych sprężarek firma AERZEN od dawna opracowuje innowacyjne rozwiązania umożliwiające praktyczne wykorzystanie tej energii cieplnej. W rezultacie firma oferuje operatorom instalacji najnowocześniejszą technologię sprężonego powietrza i odpowiednio dopasowane systemy odzysku ciepła z jednego źródła
Potencjalne oszczędności, jakie można uzyskać w wyniku zainstalowania systemu odzysku ciepła, są ogromne: do 85 procent energii cieplnej można z łatwością wykorzystać do innych operacji, takich jak podgrzewanie wody, procesy suszenia lub wstępne podgrzewanie powietrza do palnika. Unika się w ten sposób strat energii, np. spowodowanych odprowadzaniem ogrzanego powietrza na zewnątrz. Odzysk ciepła oznacza zatem ukierunkowaną, oszczędzającą zasoby oszczędność energii.
Koszty inwestycji w system odzysku ciepła są stosunkowo niskie i szybko rekompensowane oszczędnościami energii. Starsze instalacje również można zmodernizować i zoptymalizować bez inwestowania dużej ilości czasu i pieniędzy. Firma AERZEN chętnie pomoże Ci we wdrożeniu indywidualnych rozwiązań. Odzysk ciepła można wdrożyć w szerokiej gamie procesów i zastosowań:
- Systemy centralnego ogrzewania
- Ogrzewanie ciepłym powietrzem
- Osuszanie osadu
- Ciepłe powietrze do zadań procesowych (np. procesy suszenia w produkcji)
- Wytwarzanie ciepłej wody do pryszniców i łazienek
- Ogrzewanie wody użytkowej dla stołówek
- Budowa hamulców termicznych
- Ogrzewanie basenów.
Celem każdego projektanta instalacji jest redukcja kosztów poprzez możliwie najbardziej efektywne wykorzystanie energii wprowadzonej do procesu. W obszarze produkcji sprężonego powietrza odzysk ciepła jest prostym sposobem na sprostanie temu wyzwaniu. Aby zrozumieć, dlaczego działająca sprężarka generuje energię cieplną i w jaki sposób można tę energię wykorzystać, warto przyjrzeć się zasadzie działania sprężarki powietrza:
Zasada działania sprężarek: Źródła ciepła i możliwości odzysku ciepła
Duża ilość ciepła odpadowego generowanego podczas wytwarzania sprężonego powietrza nie mówi nic o wydajności maszyny. Jest to produkt uboczny, który powstaje nieuchronnie podczas wytwarzania powietrza procesowego. Operatorzy instalacji długo nie zdawali sobie sprawy z zawartego w nim ogromnego potencjału energetycznego. Z reguły ciepło jest wytwarzane na dwa różne sposoby: z jednej strony w procesie sprężania czynnika przez agregat, z drugiej strony w formie ciepła odpadowego (powietrza chłodzącego) z silnika, stopnia sprężającego i tłumika oraz powietrza wylotowego z chłodnicy oleju.
Sprężanie
Maszyny takie jak sprężarki śrubowe i dmuchawy wyporowe sprężają zasysane powietrze z otoczenia za pomocą śrub lub tłoków obrotowych. Ta forma sprężania powietrza jest procesem termodynamicznym, który podgrzewa zasysane medium, na przykład powietrze lub gaz. Z fizycznego punktu widzenia proces ten przekształca energię elektryczną w energię cieplną. W przypadku stosowania sprężarek gaz procesowy może osiągnąć temperaturę nawet 280°C.
Logicznym podejściem do odzyskiwania ciepła z powietrza procesowego jest zastosowanie wymienników ciepła; gdy wymienniki ciepła są wbudowane w obwód powietrza, czynnik taki jak woda może przez nie przepływać i być podgrzewany do zadanej temperatury, jednocześnie usuwając ciepło ze strumienia powietrza. Podgrzana woda może zostać ponownie wykorzystana jako woda technologiczna, użytkowa lub jako zasilanie instalacji centralnego ogrzewania. W tym celu firma AERZEN oferuje precyzyjnie zaprojektowane wymienniki ciepła, które przekształcają maksymalną ilość przekazywanego ciepła przy minimalnych stratach ciśnienia.
Powietrze chłodzące (promieniowanie cieplne)
Dodatkowa energia cieplna jest wytwarzana pod obudową akustyczną zespołu w wyniku wypromieniowania ciepła z silnika, chłodnicy oleju, stopnia sprężania, stopnia z tłokiem obrotowym, orurowania i tłumika. To silnie ogrzane powietrze chłodzące również można praktycznie wykorzystać. Ciepło można gromadzić w zabudowanych w agregacie kanałach powietrza wywiewanego i transportować jako powietrze grzewcze do sąsiednich pomieszczeń lub warsztatów. Poprzez kontrolę temperatury wylotowej można regulować przepływ powietrza, dzięki czemu osiąga się jednolitą temperaturę otoczenia. Jeśli na przykład latem nie jest potrzebne ogrzewanie, nadmiar ciepła można odprowadzić na zewnątrz.
Heat recovery in wastewater treatment
Oczyszczanie ścieków to główny sektor działalności Aerzener Maschinenfabrik. Ta rodzinna firma jest globalnym graczem w tej dziedzinie i stale opracowuje oszczędzające zasoby i przyjazne dla środowiska rozwiązania typu "wszystko w jednym" dla klientów na całym świecie. Obejmuje to nie tylko wybór "dopasowanej", optymalnej technologii maszynowej, ale także koncepcje odzyskiwania ciepła. W oczyszczalniach ścieków zespoły są zwykle używane do napowietrzania zbiorników napowietrzających. W procesie tym strumień powietrza o ciśnieniu ok. 1 bara jest generowany przez dmuchawy wyporowe, turbodmuchawy i sprężarki AERZEN pracujące wspólnie lub jako pojedyncze zespoły. Strumień powietrza jest pompowany do zbiorników napowietrzających ("biologia" zakładu). Tlen zawarty w powietrzu odgrywa decydującą rolę w ważnym etapie procesu: biologicznym oczyszczaniu ścieków.
Największy odsetek w całkowitym koszcie energii w oczyszczalni ścieków stanowi oczywiście wytwarzanie przepływu powietrza. Dlatego też potencjał oszczędności w tym obszarze jest szczególnie duży. Możliwości są ogromne: już jedna sprężarka o mocy 22 kW jest w stanie zaspokoić potrzeby grzewcze domu jednorodzinnego.
Liczne historie sukcesu firmy Aerzener Maschinenfabrik pokazują, jak można znacząco poprawić bilans energetyczny oczyszczalni ścieków poprzez wdrożenie rozwiązań w zakresie odzyskiwania ciepła i wybór optymalnej technologii maszyn dla każdego zastosowania. Kilka przykładów można znaleźć tutaj:
Inny przykład wysokowydajnego systemu odzysku ciepła wdrożonego we współpracy z firmą AERZEN można znaleźć w oczyszczalni ścieków Essen-Kupferdreh. Instalacja wykorzystuje cztery dmuchawy wyporowe do dostarczania powietrza do reaktorów biologicznych. Dzięki zainstalowaniu rurowego wymiennika ciepła instalacja umożliwia praktyczne i efektywne wykorzystanie ciepła odpadowego z dmuchaw. Przetworzona odzyskana energia zasila teraz system grzewczy i zbiornik buforowy ciepłej wody. Uzyskane oszczędności są kolosalne: sam odzysk ciepła pozwala zakładowi w Essen-Kupferdreh zaoszczędzić ponad 30 000 euro rocznie.
W oczyszczalni ścieków Wertach w Bawarii, dzięki zastosowaniu wymiennika ciepła, udało się zrezygnować z montażu nowego palnika do podgrzewania wody w kotle. W Wertach do obsługi podstawowego obciążenia wykorzystywane są dwie dmuchawy Delta o stałych obrotach. Gdy wymagania są większe, np. w sezonie, kiedy miejsce licznie odwiedzają turyści i narciarze, włączana jest trzecia dmuchawa o zmiennej prędkości.
Ciepłe powietrze o temperaturze 68°C, powstające w procesie sprężania, jest schładzane do temperatury poniżej 30°C w płytowym wymienniku ciepła typu powietrze-woda. Różnicę wynoszącą prawie 40°C można zatem wykorzystać do magazynowania wody kotłowej systemu grzewczego. Zintegrowany z systemem wymiennik ciepła charakteryzuje się profilem zoptymalizowanym pod kątem przepływu i nie powoduje prawie żadnych strat ciśnienia w strumieniu powietrza procesowego.
Jeśli ogrzewanie nie jest potrzebne (np. latem), można je łatwo wyłączyć. Mechaniczny zawór w rurociągu umożliwia skierowanie części lub całości powietrza bezpośrednio do zbiorników napowietrzających zamiast przez wymiennik ciepła, dzięki czemu w każdej chwili możliwe jest sterowanie oparte na zapotrzebowaniu i odzysk ciepła. W Wertach odzysk ciepła pozwolił zaoszczędzić ok. 1850 litrów oleju opałowego rocznie. Więcej informacji na ten temat można znaleźć w artykule „Efektywne ogrzewanie poprzez wykorzystanie strat ciepła” w naszym magazynie dla klientów.
Aby spełnić rygorystyczne wymagania środowiskowe w oczyszczalni ścieków Filderstadt-Bonlanden, która została wybudowana w latach 60-tych XX wieku w niemieckim kraju związkowym Badenia-Wirtembergia, w ramach projektu modernizacji i renowacji realizowanego we współpracy z firmą AERZEN, cztery sprężarki rotacyjne lobowe Delta Hybrid zostały wyposażone w system odzysku ciepła.
Kombinacja agregatów zapewnia sprężone powietrze, w 100% wolne od oleju i absorbentów, do napowietrzania reaktorów biologicznych w sposób wysoce energooszczędny. Praca bez oleju i absorbentów oznacza nie tylko oszczędności w zakresie serwisu i konserwacji, ale także większą niezawodność procesu dla zakładu. Po zakończeniu prac modernizacyjnych uruchomiono obieg powietrza ogrzewanego przez maszyny poprzez instalację wyciągową i zaczęto wykorzystywać je do ogrzewania innych pomieszczeń inżynieryjnych.
Jednak największe oszczędności osiągnięto poprzez zamontowanie rurowego wymiennika ciepła w głównym rurociągu systemu. W wymienniku ciepło jest odbierane ze strumienia powietrza procesowego i wykorzystywane do podgrzewania wody. W rezultacie udało się całkowicie wyeliminować koszty podgrzewania wody. Więcej informacji na temat odzyskiwania ciepła w Filderstadt-Bonlanden można znaleźć w naszym magazynie dla klientów w artykule zatytułowanym „Optymalne wykorzystanie każdego kilowata”.
Odzysk ciepła w transporcie pneumatycznym
Transport pneumatyczny polega na transporcie towarów masowych, takich jak mąka, proszek, piasek czy cement, za pomocą powietrza. Znajduje zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu, takich jak przetwórstwo spożywcze, towary masowe, chemikalia i surowce. Aby zapewnić wymagany przepływ powietrza, często stosuje się sprężarki, dmuchawy i sprężarki rotacyjne lobowe firmy AERZEN. W procesie tym często uzyskuje się bardzo wysokie temperatury powietrza wylotowego.
Powietrze otoczenia, które zwykle ma temperaturę ok. 20°C jest zasysane i w wyniku procesu sprężania może osiągnąć temperaturę do 280°C, na przykład w zastosowaniach wykorzystujących sprężarki śrubowe. Aby zapobiec uszkodzeniu transportowanych towarów masowych przez wysokie temperatury, powietrze procesowe często musi zostać ponownie schłodzone. Ciepło można odebrać ze sprężonego powietrza za pomocą wymiennika ciepła i wykorzystać do ogrzewania, podgrzewania wody lub jako ciepło procesowe. W zależności od konstrukcji strata ciśnienia spowodowana zamontowaniem wymiennika ciepła wynosi 1-3% w stosunku do bezwzględnego ciśnienia dolotowego w chłodnicy końcowej. Wynikające z tego zwiększenie pracy silnika jest symboliczne w porównaniu z ilością energii zaoszczędzonej dzięki zamontowaniu wymiennika ciepła.
Kiedy opłaca się odzyskiwać ciepło?
Przed podjęciem decyzji o zakupie rozwiązania do odzyskiwania ciepła należy wziąć pod uwagę kilka czynników.
W pierwszej kolejności należy sprawdzić warunki konstrukcyjne. Ważne jest, aby źródło ciepła odpadowego i radiator znajdowały się blisko siebie. Jeżeli są zbyt oddalone, plany powinny uwzględniać straty energii spowodowane transportem i wyższe koszty rurociągów. Jeśli transport lub magazynowanie ciepła wymaga dużego wysiłku, trzeba się liczyć z wyższymi kosztami inwestycji. Ponadto, aby instalacja odzysku ciepła się opłaciła, musi istnieć Δ T wynosząca co najmniej 5-10 k pomiędzy źródłem ciepła odpadowego w zakładzie a radiatorem.
Ogólnie można powiedzieć, że odzysk ciepła jest szczególnie opłacalny w dużych agregatach i przy ciągłej pracy. Jednak system odzyskiwania ciepła może się opłacać również w przypadkach mniejszych wartości ciepła odpadowego, ale większego obciążenia pracą. W zasadzie odzysk ciepła jest tym bardziej opłacalny, im dłużej agregaty pracują nieprzerwanie.
Podsumowanie
Dużą ilość energii potrzebnej do wytworzenia sprężonego powietrza można odzyskać i wykorzystać na różne sposoby. Dzięki technologiom i doświadczeniu AERZEN można realizować nowe projekty w obszarach oczyszczania ścieków i transportu pneumatycznego w celu wykorzystania energii cieplnej do ogrzewania pomieszczeń, hal lub wody (technologicznej lub użytkowej) lub na etapach procesu produkcyjnego. Możliwych jest wiele różnych zastosowań.
Istniejące instalacje również można modernizować za pomocą prostych środków zwiększających ich wydajność. W tym zakresie AERZEN oferuje swoim klientom szeroką gamę usług, na przykład całodobową informację telefoniczną, diagnostykę maszyn oraz AERaudit, w ramach którego pracownicy serwisu opracowują plan modernizacji zakładu.
Z pomocą kalkulatora wentylacji pomieszczeń firmy AERZEN inżynierowie i właściciele oczyszczalni ścieków mogą sami znaleźć odpowiednio zaprojektowany wymiennik ciepła dla swojej oczyszczalni.
