SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE FAKULTA CHEMICKEJ A POTRAVINÁRSKEJ TECHNOLÓGIE EVIDENČNÉ ČÍSLO: FCHPT-5431-86830 OPTIMALIZÁCIA SPOTREBY TEPLA A CHLADU MLIEKARNE BAKALÁRSKA PRÁCA 2019 Terézia Čapliarová
SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE FAKULTA CHEMICKEJ A POTRAVINÁRSKEJ TECHNOLÓGIE Evidenčné číslo: FCHPT-5431-86830 OPTIMALIZÁCIA SPOTREBY TEPLA A CHLADU MLIEKARNE BAKALÁRSKA PRÁCA Študijný program: B-CHI CHEMICKÉ INŽINIERSTVO Študijný odbor: Chemické inžinierstvo Školiace pracovisko: Ústav chemického a environmentálneho inžinierstva Vedúci záverečnej práce/školiteľ: Ing, Ján Janošovský, PhD. Bratislava 2019 Terézia Čapliarová
Poďakovanie Týmto by som sa rada poďakovala svojmu školiteľovi a vedúcemu práce Ing. Jánovi Janošovskému, PhD. za jeho ochotu, trpezlivosť, odborné znalosti a podporu počas celej doby riešenia záverečnej práce..
Abstrakt Cieľom tejto bakalárskej práce bola optimalizácia spotreby energie v mliekarni a návrh nových výmenníkov tepla spolu s novým kotlom na výrobu vodnej pary. V úvodnej časti popisujeme celkový chod mliekarne a spracúvame reálne prevádzkové dáta. Následne sa venujeme optimalizačným výpočtom a jednotlivým úvahám o vylepšení chodu prevádzky a znížení prevádzkových nákladov. V posledných dvoch častiach sa zameriavame na samotný návrh jednotlivých zariadení a ich ekonomickú analýzu spolu s vyhodnotením najlepšieho spôsobu úspory energií. Kľúčové slová: doskové výmenníky tepla; pasterizácia; parné kotle; rekuperácia 9
Abstract The goal of this bachelor thesis was the optimization of energy consumption in a diary plant and a design of new heat exchangers along with a new steam boiler. In the introduction, we write about how the diary plant operates and we process with real operating data. Subsequently we focus on optimizing calculations and considerations to make the diary plant more effective while lowering its operating cost. In the final two parts of the thesis we focus on the design of equipment along with an evaluation of the best means to save energy. Key words: plate heat exchanger; pasteurization; steam boiler; recovery 10
Obsah Zoznam skratiek a značiek... 12 Úvod... 14 1 Teoretická časť... 15 1.1 Mlieko... 15 1.2 Fyzikálne a chemické vlastnosti mlieka... 15 1.2.1 Mikroorganizmy v mlieku... 18 1.2.2 Paterizácia mlieka... 19 1.3 Výmenníky tepla... 22 1.3.1 Základné typy výmenníkov tepla... 24 1.3.2 Výroba pary... 26 1.3.3 Parné kotle... 27 2 Výpočtová časť... 29 2.1 Analýza prevádzkových údajov... 29 2.1.1 Výpočet účinností kotlov... 29 2.1.2 Výroba pary... 31 2.1.3 Spotreba pary v jednotlivých spotrebičoch... 33 2.2 Návrhový výpočet... 36 2.2.1 Návrh nových zariadení... 36 2.2.2 Návrh nového kotla... 41 2.2.3 Kúpa nových zariadení aj kotla... 42 2.3 Ekonomická analýza... 42 3 Záver... 45 Zoznam použitej literatúry... 46 11
Zoznam skratiek a značiek A plocha m 2 a parameter rovnice na výpočet dynamickej - viskozity mlieka cost cena zariadenia $ c p tepelná kapacita J/kg/K h špecifická entalpia kj/kg k úhrnný koeficient prechodu tepla W/m 2 /K m hmotnostný prietok kg/h n špecifický index - NTU parameter charakterizujúci efektivitu výmeny tepla - p tlak kpa Q tok tepla kj/h q D dolná výhrevnosť kwh/m 3 size veľkosť/výkon zariadenia - T termodynamická teplota K t teplota C V objemový prietok m 3 /h Grécke symboly α súčiniteľ prestupu tepla prúdením W/m 2 /K δ hrúbka m rozdiel - ε korekčný súčiniteľ - ƞ účinnosť kotla / pasteru - λ koeficient tepelnej vodivosti W/m/K µ viskozita mpa/s θ parameter v rovnici na výpočet hustoty mlieka C ρ hustota kg/m 3 Dolné indexy cold studené médium 12
dod dodané H2O voda hot horúce médium CHV chladiaca voda ls logaritmický stred M mlieko N normálové podmienky NV napájacia voda p vodná para Prij prijaté Ref referenčné hodnoty ST straty Už užitočné VP vodná para vyp výparné Z zadané 1,2.. číslovanie prúdov 13
Úvod Chemický priemysel je v dnešnej dobe jeden z najrozmanitejších a najrozšírenejších priemyslov, zahŕňajúci široké spektrum odvetví výroby. V 21. storočí sa snažíme, stále viac a viac napredovať v technológiách a byť čo najšetrnejší k životnému prostrediu, pričom jedným z kľúčových faktorov je čo najekonomickejšie a najefektívnejšie využitie zdrojov energie v procesoch výroby. Zoberme si potravinársky priemysel, pri výrobe mlieka môžeme pomocou rekuperácie tepla veľmi výhodným a ekonomickým spôsobom zohrievať mlieko pri skoro nízkych nákladoch tým, že budeme opätovne používať už spasterizované mlieko na predohrev čerstvého mlieka v mliečnom pastéri. Pastér je doskový výmenník tepla a na to aby bol výmenník tepla účinný musí pracovať ako každé zariadenie s minimálnymi stratami. Ak pastér pracuje s veľkými stratami tepla, je potrebné ho vymeniť za nový, s vhodne navrhnutými parametrami. V tejto bakalárskej práci sa stretneme so spracovaním prevádzkových dát reálnej mliekarne, optimalizáciou a následným návrhom nových zariadení, ktoré majú zabezpečiť účinný chod výroby a znížiť náklady na jej prevádzku. Prevažná väčšina fabrík nie len vo svete, ale aj na Slovensku si vyrába vodnú paru sama, keďže vodná para je veľmi výhodným a lacným ohrevným médiom. Je viac než samozrejmé, že aj mliekareň bude mať vlastný kotol, kde sa zemným plynom vyrába z napájacej vody vodná para, ktorá následne slúži ako zdroj tepla napr. na finálnu pasterizáciu mlieka. Zemný plyn môže predstavovať podstatnú zložku prevádzkových nákladov výroby, preto je dôležité aby bola jeho spotreba čo najmenšia, a to vieme zabezpečiť jednak rekuperáciou tepla, ale aj kotlom, ktorý bude mať čo najvyššiu možnú účinnosť. Dnes väčšina moderných kotlov pracuje účinnosťou až 95%. Preto ak je účinnosť kotla rapídne nižšia, ekonomické straty ako aj straty tepla nám narastajú a je potrebné kotol vymeniť. Aj s touto problematikou sa budeme zaoberať a budeme sa snažiť navrhnúť, optimálny spôsob chodu existujúcej mliekarne, kde už sú jednotlivé zariadenia opotrebované a nepracujú tým najefektívnejším a najekonomickejším spôsobom. 14
1 Teoretická časť 1.1 Mlieko Látky v mlieku poskytujú energiu aj stavebné materiály potrebné na rast. Mlieko tiež obsahuje protilátky, ktoré chránia mladé cicavce pred infekciou. Hlavnými zložkami mlieka sú voda, tuk, bielkoviny, laktóza (mliečny cukor) a minerály (soli). Mlieko obsahuje tiež stopové množstvá iných látok, ako sú pigmenty, enzýmy, vitamíny, fosfolipidy (látky s vlastnosťami tukov) a plyny. Zvyšok po odstránení vody a plynov je celkový obsah tuhých látok v mlieku tzv. sušina. 1.2 Fyzikálne a chemické vlastnosti mlieka Kravské mlieko tvorí asi 87% vody a 13% sušiny. Tuhá látka je suspendovaná alebo rozpustená vo vode, preto v závislosti od typu tuhých látok vo vodnej fáze sa rozdeľujú distribučné systémy. Emulzia je suspenzia kvapôčok jednej tekutiny v druhej. Mlieko je emulzia tuku vo vode a maslo je emulzia vody v tuku. Koloidný roztok je zmes, v ktorej je jedna látka mikroskopicky dispergovaných nerozpustných častíc suspendovaná v inej látke. Typickými vlastnosťami koloidu sú: malá veľkosť častíc elektrický náboj afinita častíc k molekulám vody V mlieku sú srvátkové bielkoviny v koloidnom roztoku a kazeín v koloidnej suspenzii. Tab. 1.Relatívne veľkosti častíc v mlieku: Veľkosť v mm Typ častice 10-2 10-3 Tuková globula 10-4 10-5 Kazeín, fosforečnan vápenatý 10-5 10-6 Srvátkový proteín 10-6 10-7 Laktóza,soli a iné pravé roztoky Vzhľad mlieka závisí od obsahu suspendovaných častíc tuku, bielkovín a niektorých minerálov. Farba sa pohybuje v odtieňoch bielej až po žltú. 15
Zloženie kravského mlieka: 1. Mliečny tuk Mlieko a smotana sú príkladom tuku vo vode. Mliečny tuk pozostáva z triglyceridov, di- a monoglyceridov, mastných kyselín, sterolov, karotenoidov (žltej farby tuku), vitamínov (A, D, E a K) a všetkých ostatných stopových prvkov. Membrána pozostáva z fosfolipidov, lipoproteínov, cerebrozidov, proteínov, nukleových kyselín, enzýmov, stopových prvkov (kovov) a viazanej vody. Treba poznamenať, že zloženie a hrúbka membrány nie sú konštantné, pretože zložky sa neustále vymieňajú s okolitým mliečnym sérom. 2. Mliečne proteíny Proteínová molekula pozostáva z jedného alebo viacerých navzájom prepojených reťazcov aminokyselín, kde aminokyseliny sú usporiadané v špecifickom poradí. Mlieko obsahuje stovky druhov bielkovín, z ktorých väčšina je vo veľmi malom množstve, najväčšie zastúpenie predstavuje kazeín, albumín a globulín. 3. Enzýmy Enzýmy v mlieku sú skupinou proteínov produkovaných živými organizmami. Majú schopnosť spúšťať chemické reakcie a ovplyvňovať priebeh a rýchlosť takýchto reakcií. Sú preto niekedy nazývané biokatalyzátory. Dva faktory, ktoré silne ovplyvňujú enzymatické pôsobenie sú teplota a ph. Zvyčajne sú enzýmy najaktívnejšie v optimálnom teplotnom rozsahu medzi 25 a 50 C. Ich činnosť klesá, ak sa teplota zvýši nad optimálnu hodnotu, celkom sa zastaví niekde medzi 50 a 120 C. Teplota inaktivácie je pre jednotlivé typy enzýmov špecifická a bola používaná, na stanovovanie stupňa pasterizácie mlieka. Enzýmy v mlieku pochádzajú buď z kravského vemena alebo z baktérií. Niekoľko enzýmov v mlieku sa používa na testovanie a kontrolu kvality. Medzi najdôležitejšie patria - peroxidáza, kataláza, fosfatáza a lipáza. 4. Laktóza Laktóza je cukor nachádzajúci sa iba v mlieku, patrí do skupiny organických zlúčenín nazývaných sacharidy. Obsah laktózy v mlieku sa pohybuje v rozmedzí od 3,6 až 5,5 %. Laktóza je vo vode rozpustná, v mlieku sa vyskytuje ako určitá forma molekulárneho roztoku. Pri výrobe syra zostáva väčšina laktózy rozpustená v srvátke. Odparovanie srvátky pri výrobe srvátkového syra zvyšuje koncentráciu laktózy. Laktóza je asi 30- krát menej sladká ako trstinový cukor. 16
5. Vitamíny Mlieko je vhodným zdrojom vitamínov. Medzi najznámejšie vitamíny patria A, B1, B2, C a D. Vitamíny A a D sú rozpustné v tukoch, zatiaľ čo ostatné sú rozpustné vo vode 6. Minerály a soli Celková koncentrácia množstva minerálov v mlieku je nižšia ako 1 %. Minerálne soli sa vyskytujú v roztoku v mliečnom sére alebo v kazeínových zlúčeninách. Najdôležitejšie sú soli vápnika, sodíka, draslíka a horčíka. Vyskytujú sa ako fosfáty, chloridy, citráty a kazeináty. V normálnom mlieku sú najvyššie zastúpené draselné a vápenaté soli. Množstvo prítomných solí nie je konštantné. 7. Iné zložky mlieka Mlieko obsahuje aj plyny, ktoré obsahujú približne 5 6 % objemu čerstvého mlieka z vemena, po príchode do mliekarne môže obsah plynu dosahovať až 10 % objemu. Plyny tvoria prevažne oxid uhličitý, dusík a kyslík. Existujú v mlieku v troch stavoch: rozpustené v mlieku, viazané neoddeliteľné od mlieka, rozptýlené v mlieku. Dispergované a rozpustené plyny sú vážnym problémom pri spracovaní mlieka, ktoré sa môže zapáliť, ak obsahuje príliš veľa plynu[1]. Niektoré fyzikálne vlastnosti mlieka: Hustota kravského mlieka sa zvyčajne pohybuje od 1,028 do 1,038 g.cm -3, v závislosti od zloženia. Pre hustotu meranú pri atmosferickom tlaku v rozmedzí teplôt 0 90 C bol vyvinutý vzťah[2]: ρ M (T) = 1017,23 e (9,9 106 θ 2 1,1 10 7 θ 3 +5,9 10 10 θ 4 ) (1),kde θ = t + 3,4 t teplota v C Tepelná kapacita mlieka meraná pri rôznej teplote sa dá vypočítať zo vzťahu [3]: c p = 2,814 t + 3824 (2) 17
,kde t teplota v C c p J.kg -1.K -1 Viskozita mlieka nezávisí len od teploty, ale aj od obsahu tuku. Hodnoty sa pri 20 C pohybujú v intervaloch od 1,8 až do 2,18 mpa.s -1. [4]. Na overenie správnosti vzťahu sme použili ako zdroj Chemické inžinierstvo tabuľky a grafy Tab. 2 Porovnanie správnosti fyzikálnych vlastností mlieka pri 15 C Fyzikálna vlastnosť Zjednodušené výpočtové vzťahy Chemické inžinierstvo tabuľky a grafy Hustota mlieka 1,014 g.cm -3 1,031 g.cm -3 Tepelná kapacita mlieka 3 866 J.kg -1.K -1 3 940 J.kg -1.K -1 1.2.1 Mikroorganizmy v mlieku Čerstvo nadojené mlieko má teplotu približne 37 C. Takéto mlieko zo zdravých kráv je prakticky bez baktérií, ale musí byť chránené pred infekciou ihneď po opustení vemena. Mikroorganizmy schopné poškodiť mlieko sú všade - na vemene, na ľudských rukách, vo vzduchu, vo vode, na slame a pleve, na srsti kráv a v pôde. Takto znečistené mlieko musí byť filtrované. Starostlivosť sa musí venovať hygiene, aby sa dalo vyrobiť mlieko s vysokou bakteriologickou kvalitou. Napriek všetkým opatreniam však nemožno úplne vylúčiť baktérie z mlieka. Mlieko je v skutočnosti vynikajúcim rastovým médiom pre baktérie - obsahuje všetky živiny, ktoré potrebujú, takže akonáhle sa baktérie dostanú do mlieka, začnú sa množiť. Na druhej strane mlieko opúšťajúce vemená obsahuje určité pôvodné baktericídy, ktoré chránia mlieko pred pôsobením mikroorganizmov počas počiatočného obdobia. Ak nie je mlieko chladené, bude rýchlo zničené mikroorganizmami, ktoré sa najrýchlejšie rozvíjajú a rozmnožujú pri teplotách okolo 37 C. Mlieko by sa preto malo rýchlo ochladiť na približne 4 C hneď po odchode z kravy. Pri tejto teplote je úroveň aktivity mikroorganizmov veľmi nízka, ale ak sa teplota počas skladovania zvýši, baktérie sa začnú znova množiť. Preto je dôležité udržiavať mlieko dobre chladené. Graf na Obr.1 udáva rýchlosť vývoja baktérií pri rôznych teplotách. 18
Obr. 1 Rýchlosť vývoja baktérií pri rôznych teplotách 1.2.2 Pasterizácia mlieka Pred zavedením tepelného ošetrenia bolo mlieko zdrojom infekcie, pretože je dokonalým rastovým médiom pre mikroorganizmy. Mliekom sa niekedy šírili aj choroby ako tuberkulóza a týfus. Termín pasterizácia zaviedol Lous Pasteur, ktorý v polovici 19.storočia vykonal svoje základné štúdie smrtiaceho účinku na mikroorganizmoch a použil tepelné ošetrenie ako techniku konzervácie. Pasterizácia mlieka je špeciálny typ tepelného spracovania, ktoré možno definovať ako "akékoľvek tepelné spracovanie mlieka, ktoré zabezpečuje istú deštrukciu tuberkulózneho bacilu (TB), bez výrazného ovplyvnenia fyzikálnych a chemických vlastností". Kombinácia teploty a zdržnej doby je veľmi dôležitá, pretože určuje intenzitu tepelného spracovania. Obrázok 1.2 ukazuje krivky smrtiacich účinkov pre koliformné baktérie, baktérie Typhus a tuberkulózne bacily. Podľa týchto kriviek sa koliformné baktérie usmrtia, ak sa mlieko ohreje na 70 C a udržiava sa pri tejto teplote asi jednu sekundu. Pri teplote 65 C to trvá 10 sekúnd. Tieto dve kombinácie, 70 C / 1 s a 65 C / 10 s, majú teda rovnaký smrtiaci účinok. 19
Obr. 2 Smrtiaci účinok na baktérie Intenzívne tepelné ošetrenie mlieka je z mikrobiologického hľadiska žiadúce. Takéto ošetrenie však zahŕňa aj riziko nepriaznivých účinkov na vzhľad, chuť a nutričnú hodnotu mlieka. Proteíny v mlieku sú pri vysokých teplotách denaturované. To znamená, že vlastnosti mlieka pri výrobe syra sú výrazne narušené intenzívnym tepelným spracovaním. To spôsobuje aj zmeny v chuti. Výber kombinácie času a teploty je preto záležitosťou optimalizácie, v ktorom sa musia brať do úvahy mikrobiologické účinky, ale aj aspekty kvality. Preto bolo zavedených viacero typov pasterizácií: 1. LTLT paterizácia Pôvodný typ tepelného spracovania bol dávkový proces, v ktorom sa mlieko zahrieva sa na 63 C v otvorených kadiach a udržiava sa pri tejto teplote 30 minút. Táto metóda sa nazýva metóda nízkej teploty a dlhého času (Low Temperature Long Time). V súčasnosti sa mlieko takmer vždy tepelne spracováva v kontinuálnych procesoch, ako je termizácia, pasterizácia HTST alebo UHT spracovaním. 2. HTST paterizácia HTST je skratka krátkeho času a vysokej teploty (High Temperature Short Time). Aktuálna kombinácia času a teploty sa mení podľa kvality surového mlieka, druhu ošetreného produktu a požadovaného zachovania vlastností. HTST paterizácia zahŕňa zahrievanie na 72-75 C po dobu 15-20 sekúnd pred ochladením. Enzým fosfatázy sa takouto kombináciou času a teploty zničí. Test fosfatázy sa preto používa na 20
overenie toho, či bolo mlieko správne pasterizované. Výsledok testu musí byť negatívny. Pri smotane a kultivačných produktoch by sa fosfatázové testy nemali používať (výrobky s obsahom tuku vyššie 8 %), keďže reaktivita enzýmu prebieha pomerne krátko po pasterizácii. Tepelné spracovanie musí byť tiež silnejšie, pretože tuk je zlý tepelný vodič. Peroxidáza, ďalší enzým, sa preto používa na kontrolu pasterizácie - peroxidázový test podľa Storcha. Výrobok je zahrievaný na teplotu vyššiu ako 80 C s dobou trvania približne 5 sekúnd. Toto intenzívnejšie tepelné spracovanie postačuje na inaktiváciu peroxidázy. Test musí byť negatívny - nesmie byť žiadna detekovateľná aktivita peroxidázy. Ultra pasterizácia Ultra pasterizácia sa môže použiť, ak je potrebná určitá skladovateľnosť. Pre niektorých výrobcov sú dva dni dlhá doba, zatiaľ čo iní sa usilujú o ďalších 30-40 dní, čo sa tradične spája s pasterizovanými výrobkami. Základným princípom je zníženie opätovnej infikácie produktu počas spracovania a balenia, aby sa predĺžila trvanlivosť produktu. To vyžaduje extrémne vysokú úroveň hygieny, čím nižšia teplota, tým dlhšia trvanlivosť. Základom predĺženej trvanlivosti je ohrev mlieka na 125 138 C počas 2-4 sekúnd a jeho ochladenie na menej ako 7 C je na základom predĺženej trvanlivosti. UHT spracovanie UHT je skratka pre ultra vysokú teplotu ( Ultra High Temperature). UHT je technika na konzervovanie tekutých potravinárskych výrobkov tým, že ich intenzívne zahrievame na teploty v rozsahu 135-140 C. Toto zabíja mikroorganizmy, ktoré by inak zničili produkty. UHT spracovanie je kontinuálny proces, ktorý sa realizuje v uzavretom systéme a zabraňuje znečisteniu produktu vzdušnými mikroorganizmy. Produkt prechádza cez fázy vykurovania a chladenia v rýchlom slede. Používajú sa dve alternatívne metódy UHT: Nepriame vykurovanie a chladenie v tepelných výmenníkoch Priame ohrievanie pomocou vstrekovania pary alebo mlieka na paru a chladenie expanziou vo vákuu [1] 21
1.3 Výmenníky tepla Výmenník tepla je každé zariadenie, v ktorom sa odovzdáva teplo z jedného média do druhého. Poznáme dva základné typy rúrkových výmenníkov tepla, t.j. jednorúrkový výmenník tepla nazývaný aj typ rúrka v rúrke, a viacrúrkový nazývaný kotlový výmenník tepla. Slúžia nám na výmenu tepla medzi dvoma tekutinami, pravidlom je, že jedna tekutina prúdi v rúrkach a druhá v medzirúrkovom priestore v plášti. Pri výpočte je dôležité množstvo tepla, ktoré si tekutiny vymenia a plocha povrchu. Plocha povrchu veľmi úzko súvisí s dĺžkou rúrok. Pri výpočtoch potrebujeme zostaviť entalpickú bilanciu a rýchlostnú rovnicu prechodu tepla. Keďže vo výmenníkoch tepla dochádza k zmene teploty tekutín, rovnice budú mať nasledovný tvar: Entalpická bilancia v základom tvare Q = m 1 h 1 = m 2 h 2 + Q st (3),kde m 1 - hmotnostný prietok horúceho média m 2 - hmostnostný prietok studeného média h 1 - úbytok entalpie horúceho média h 2 - prírastok entalpie studeného média Q st - straty do okolia V prípade, že nedochádza k skupenskej premene, v systéme neprebiehajú žiadne chemické reakcie a straty do okolia môžeme zanedbať dostávame entalpickú bilanciu v rozpísanom tvare: Q = m 1c p1 ( t 1 t 1 ) = m 2c p2 ( t 2 t 2 ) (4), kde c p špecifická izobarická tepelná kapacita t teplota média indexy 1 2 znázorňujú horúce a studene médium označenia - znázorňujú vstup a výstup 22
Podľa skupenskej premeny majú entalpické bilancie rozlišné tvary : a. Pri kondenzácii nasýtenej pary studeným médiom a súčasnom ochladení kondenzátu: Q = m 1 h vyp,1 + m 1c p1 ( t 1s t 1 ) = m 2c p2 ( t 2 t 2 ) (5),kde h vyp,1 výparné teplo t 1s teplota nasýtenej pary b. Pri kondenzácii prehriatej pary studeným médiom a súčasnom ochladení kondenzátu: Q = m 1c p1 ( t 1 t 1s ) + m 1 h vyp,1 + m 1c p1 ( t 1s t 1 ) = m 2c p2 ( t 2 t 2 ) (6) c. Pri odparovaní kvapaliny vopred prehriatej na bod varu, kondenzujúcou parou, bez ochladenia kondenzátu: Q = m 1 h vyp,1 = m 2 h vyp,2 (7) Tvar rýchlostnej rovnice: Pre súprúdové usporiadanie Q = ka t ls (8),kde k úhrnný koeficient prechodu tepla A plocha výmenníka tepla t ls logaritmický stred teplôt t ls = t t ln t t = (t 1 t 2) (t 1 t 2) ln (t 1 t 2) (t 1 t 2) 23 (9)
Pre protiprúdové usporiadanie t ls = t t ln t t = (t 1 t 2) (t 1 t 2) ln (t 1 t 2) (t 1 t 2) (10) Pre krížový a zmiešaný prúd t ls = ε t (t 1 t 2) (t 1 t 2) ln (t 1 t 2) (t 1 t 2) (11),kde ε t - korekčný súčiniteľ, ktorého hodnoty získame z grafov ako funkciu P a R, pre ktoré platia nasledovné vzťahy [5]: P = (t 2 t 2) (t 1 t 2) (12) R = (t 1 t 1) (t 2 t 2) (13) 1.3.1 Základné typy výmenníkov tepla 1. Rúrkové výmenníky Rúrkové výmenníky tepla sa v chemickom priemysle využívajú pomerne často. Konštrukčne nie sú zložité, skladajú sa z rúrok uložených v plášti, pričom jedno médium prúdi v rúrkach a druhé v medzirúrkovom priestore t.j okolo rúrok. Rúrky sú vo väčšine prípadov hladké, ale 24
môžu byť aj rebrované, napr. na strane plynu, ak dochádza k výmene tepla medzi kvapalinou resp. kondenzujúcou parou a plynom. Najjednoduchším typom rúrkových výmenníkov sú jednorúrkové výmenníky typu rúrka v rúrke. Ich jednoduchosť spočíva v tom, že v prípade poruchy stačí vymeniť iba chybný článok. Plášť výmenníka obsahuje dve časti, jedna je voľne pohyblivá a medzi oboma časťami je upchávka. Úprava týchto typov výmenníkov sa zameriava skôr na ochranu proti deformácií rúrok [6]. Obr. 3 Schéma rúrkového výmenníka tepla voda-vzduch [6] 2. Doskové výmenníky Základom doskového výmenníka je séria tenkých doštičiek, ktoré slúžia na prenos tepla medzi dvomi tekutinami s rôznymi teplotami. Doskové výmenníky tepla boli prvýkrát zavedené v roku 1923 na pasterizáciu mlieka. Dnes sa v mnohých prípadoch používajú v ropnom priemysle ale aj v chladiarenských, mliekarenských, farmaceutických, potravinárskych a zdravotných odvetviach. Medzi jeho najväčšie výhody patrí flexibilný tepelný dizajn, pretože dosky sa dajú jednoducho pridať alebo odstrániť, aby vyhovovali rôznym požiadavkám. Ďalšími výhodami sú jednoduché čistenie, ktoré zabezpečuje udržiavanie prísne hygienických podmienok a dobrá regulácia teploty. Doštičky, z ktorých sa skladá doskový výmenník majú obdĺžnikový tvar a otvory, cez ktoré prúdia dve tekutiny medzi ktorými dochádza k prenosu tepla. Ďalšími časťami sú: rámová doska, ktorá tvorí pevnú časť, prítlaková doska, tvoriaca pohyblivú časť, horné a dolné tyče a skrutky na stlačenie zväzku dosiek. Doskový výmenník môže obsahovať až 700 kusov dosiek. Keď je 25
zväzok dosiek stlačený, otvory v rohoch dosiek tvoria spojité potrubie, cez ktoré prechádzajú tekutiny a následne vystupujú zo zariadenia. Priestor medzi tenkými doskami vytvára úzke kanáliky, cez ktoré striedavo prúdi horúca a studená tekutina, tieto kanáliky taktiež poskytujú malý odpor voči prenosu tepla. Obr. 4 Schéma doskového výmenníka tepla [7] 1.3.2 Výroba pary Teplo môžeme vyrábať v rôznych formách, a to vo forme tepelnej, horúcej vody alebo vo forme vodnej pary. Forma tepla závisí od konkrétnej technológie a technologického procesu. Technologické teplo môžeme pripraviť v zariadeniach ako plynové kotle, plynové motory, spaľovacie turbíny alebo paroplynové cykly napr. spaľovacia turbína a spaľovací kotol. Vodná para sa vyrába v dvoch alebo viacerých kotloch rôznych výkonov. Jeden môže pracovať v základnom režime, iný pripravuje teplo podľa požiadaviek mimo základ. Ak môžeme zabezpečiť dostatočne dlhú dobu prevádzky kogeneračnej jednotky, a ak je to aj ekonomické, môžeme do procesu zaradiť aj plynový motor. Plynový motor môžeme použiť aj na prípravu pary v technológiách. Motor v tomto prípade zabezpečuje ohrev čerstvej vody alebo kondenzátu pred vstupom do plynového kotla. Pri premene tepla na elektrickú energiu majú v priemysle podstatný význam tie zariadenia, ktoré ako pracovné médium používajú vodnú paru. Dostupnosť vody na výrobu pary, jej termodynamické vlastnosti vo vysokom rozsahu teplôt, ju predurčujú na túto funkciu. 26
Tepelný obeh, pri ktorom sa používa ako pracovná látka voda alebo vodná para, ktorý možno realizovať v tepelných elektrárňach je Clausiov Rankinov cyklus [8]. 1.3.3 Parné kotle Premenu vody na paru zabezpečujú rôzne zariadenia, ktoré by sa dali súhrne označiť ako parné kotle. Využitie pary je v priemysle veľmi rozsiahle, najčastejšie sa s ňou stretávame v textilnom, potravinárskom priemysle, pri výrobe rôznych typov nápojov, chemickom, papiernickom a farmaceutickom priemysle. Základom parných kotlov je vodná para, poháňaná určitým druhom paliva. Kotol v sebe zohrieva alebo vyparuje vodu, ktorá sa ďalej prepravuje v potrubiach. V prípade horúcej vody sa preprava zabezpečuje pomocou čerpadiel, na rozdiel od vodnej pary, ktorá sa prepravuje prostredníctvom tlaku. Ochladená voda alebo skondenzovaná para sa vracia naspäť do kotla, kde sa môže opätovne zohrievať. Spaliny vzniknuté pri spaľovaní sú vypúšťané cez komín do atmosféry. Niektoré vysokoúčinné kotle využívajú aj toto odpadové teplo zo spalín [9]. Parné kotle môžeme rozdeliť podľa rôznych kritérií A. Na základe hmotnostného prietoku pary ich delíme na: 1. Kotle s malým výkonom do 2,8 kg.s -1 2. Kotle so stredným výkonom od 2,8 až 14 kg.s -1 3. Kotle s vysokým výkonom nad 14 kg.s -1 B. Na základe konštrukčného tlaku ich delíme na: 1. Nízkotlakové parné kotle do 0,17 MPa 2. Strednotlakové parné kotle od 0,17 až 1,7 MPa 3. Vysokotlakové parné kotle od 1,7 MPa až 16,1 MPa 4. Veľmi vysokotlakové kotle vyše 16,1 MPa 5. Kotle s nadkritickými tlakmi vyše 22,2 MPa C. Na základe typu paliva ich delíme na: 1. Kotle na spaľovanie tuhých palív 2. Kotle na spaľovanie plynných palív 3. Kotle na spaľovanie kvapalných palív 27
D. Na základe typu spaľovacieho zariadenia ich delíme na: 1. Roštové parné kotle 2. Práškové parné kotle 3. Cyklónové parné kotle 4. Fluidizačné parné kotle E. Na základe konštrukcie vlastného telesa kotla ich delíme na: 1. Kotle s veľkým vodným obsahom 2. Kotle s prirodzenou cirkuláciou vody 3. Kotle s vynútenou cirkuláciou vody 4. Kotle so sekundárnou cirkuláciou vody alebo vodnej pary [8] 28
2 Výpočtová časť Zdrojom údajov o výrobe a spotrebe technologických médií a chode jednotlivých zariadení bola prevádzka reálnej mliekarne. Mliekareň vyrába vodnú paru pomocou kotlov na zemný plyn. Pracujeme s tromi typmi kotlov BK6, BK2,5 a SAACKE. Kotol SAACKE neslúži na výrobu vodnej pary, ale na ohrev vzduchu pre potreby sušenia mlieka. BK6 a BK2,5 pracujú striedavo podľa množstva vyrábanej pary. Para vyrobená v parných kotloch sa ďalej privádza do mliečneho pastéra, pastéra na špeciality, smotanového pastéra, do odparky a do kúrenia budovy. V tejto práci sa bližšie budeme venovať len pastérom, kde para slúži na ohrev mlieka v pasterizačnej časti. Jedná sa o stredné veľkú mliekareň, ktorá spracúva 10 miliónov litrov mlieka ročne. 2.1 Analýza prevádzkových údajov 2.1.1 Výpočet účinností kotlov V mesiacoch január august sme na základe prevádzkových údajov zistili spotrebu zemného plynu privádzaného do parných kotlov za deň a taktiež aj množstvo privádzanej napájacej vody. Napájacia voda sa privádza do kotla pri teplote 103 C a vyrobená para má mať 180 C a tlak 0,9 MPa. Na základe týchto údajov a údajov z chemicko-inžinierskych tabuliek a grafov [4] sme vyrátali užitočné a dodané teplo. Pre užitočné teplo platí: Q už = ρ H20 V H20 (h VP h NV ) (14) Pre dodané teplo platí: Q dod = q D,ZP V ZP 3600 (15),kde Q už tok užitočného tepla [kj/deň] Q dod tok dodaného tepla [kj/deň] 29
účinnosť kotla ρ H20 hustota vody pri teplote 103 C [kg.m -3 ] V H20 spotreba napájacej vody [m 3 /deň ] h VP špecifická entalpia vodnej pary pri teplote 180 C a tlaku 0,9MPa [kj.kg -1 ] h NV špecifická entalpia napájacej vody pri teplote 180 C a tlaku 0,9MPa [kj.kg -1 ] q D,ZP dolná výhrevnosť zemného plynu [kwh.m -3 ] V ZP spotreba zemného plynu [m 3 /deň] Následne sme vypočítali účinnosť kotla pre deň v danom mesiaci, pre ktorú platí vzťah: ƞ = Q už Q dod (16) Zistili sme, že kotol za dané sledované obdobie pracuje s priemernou účinnosťou 87 %. Počas jednotlivých dní v priebehu mesiaca (Obr.6) sa účinnosti kotla menia od najnižších hodnôt po maximálne, tieto výkyvy sú spôsobené spotrebami zemného plynu a vody v daný deň. Účinnosti, ktoré sa veľmi odchyľovali od reálnych údajov, t.j nad 100 %, sme odstránili z výpočtov. 100 95 90 85 80 75 70 65 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 deň v mesiaci Obr. 6 Graf závislosti účinnosti kotla v danom dni pre mesiac máj 30
2.1.2 Výroba pary Prevádzkové údaje nám poskytli celkový odber zemného plynu a spotrebu zemného plynu do SAACKE, na základe toho sme vedeli vyrátať koľko plynu sa spotrebuje v kotli na výrobu pary, t.j. rozdiel celkovej spotreby plynu a spotreby v SAACKE. Keďže odber zemného plynu za jednotlivé hodiny v daných dňoch bol zadaný v Nm 3.h -1, museli sme spotrebu zemného plynu v SAACKE, ktorá bola zadaná v m 3 /deň prepočítať cez stavovú rovnicu. Vedeli sme, že plyn vstupujúci do SAACKE má teplotu 36 C a tlak 103,825kPa, normálne podmienky uvažujeme 15 C a 101,325 kpa. Zo stanovej rovnice sme dostali hodnotu prepočtového koeficientu: T N T z p z p N = (15 + 273,15) (36 + 273,15) 103,825 101,325 = 0,9951 Po prepočte spotreby zemného plynu v SAACKE a výpočte množstva plynu vstupujúceho do kotla na výrobu pary, sme ďalej mohli pokračovať výpočtom účinnosti kotla. Účinnosť sme vypočítali z denných hodnôt spotreby zemného plynu a následne sme hodinovú produkciu vodnej pary počítali pre hodinové spotreby zemného plynu, na základe vypočítanej účinnosti pre daný deň. Množstvo vyrobenej pary sme získali na základe entalpickej bilancie: Q už = m p (h VP h NP ) (17), kde m p hmotnostný prietok pary [kg.h -1 ] Na základe predpokladu, že množstvo napájacej vody sa má rovnať množstvu vyrobenej pary sme urobili skúšku správnosti našich výpočtov (Tab.3). Porovnali sme spotrebované množstvo napájacej vody z prevádzkových údajov a nami vypočítané množstvo vyrobenej vodnej pary, vyššie uvedeným vzťahom. Hodnoty sa líšili minimálne, odchýlky mohli byť spôsobené chybami merania vodomeru alebo stratami v rozvodoch, keďže sme ich zanedbávali. Niektoré hodnoty neboli uvedené alebo nám chýbali údaje o spotrebe zemného plynu pri čiastkových výpočtoch, preto sú niektoré okná v dole uvedenej tabuľke prázdne. 31
Tab.3 Porovnanie vypočítaných hodnôt spotreby vody a zadaných prevádzkových údajov za mesiac Január [kg/deň] Január (skutočné) Január (vypočítané) 1.deň 25866 26212 2.deň 8622 8617 3.deň 29698 24516 4.deň 4790 4787 5.deň 29698 30239 6.deň 7664 7659 7.deň 24908 22976 8.deň 7664 9.deň 28740 27212 10.deň 11496 11.deň 26824 25033 12.deň 6706 6702 13.deň 30656 29565 14.deň 9580 9584 15.deň 26824 24770 16.deň 9580 17.deň 29698 27898 18.deň 5748 5747 19.deň 27782 26741 20.deň 7664 7666 21.deň 28740 24611 22.deň 10538 23.deň 27782 24.deň 7664 7666 25.deň 33530 31449 26.deň 5748 5744 27.deň 30656 26706 28.deň 7664 7662 29.deň 27782 26675 30.deň 9580 31.deň 27782 26043 32
2.1.3 Spotreba pary v jednotlivých spotrebičoch Na základe už vypočítaného množstva vyrobenej pary, ktorá sa ďalej vedie do mliečneho pastéru, pastéru na špeciality, smotanového pastéru, tvarôžkarne a odparky, sme vyrátali koľko pary spotrebuje každý pastér, keďže sme z prevádzkových údajov vedeli, ktoré dni a ako dlho šli jednotlivé zariadenia. Je dôležité poznamenať, že každý pastér pracuje s nejakou účinnosťou rekuperácie tepla t.j. percento tepla, ktoré dodá mlieko samotné, čo znamená, že len zvyšok potrebného tepla zabezpečí para. Vieme, že mliečny pastér je prevádzkovaný každý druhý deň, pričom pasterizácia trvá 5-6 hodín. Objemový prietok mlieka je približne 16,25 m 3. h -1 a pasterizačná teplota je 75 C. Para sa neprivádza priamo do výmenníka, ale spotrebováva sa na nepriamy ohrev horúcej vody. Smotanový pastér je rovnako konštruovaný ako mliečny pastér, ale horúca voda sa pripravuje priamym vstrekovaním vodnej pary do vody, čiže pri výpočte musíme pripočítať k výparnému teplu aj súčin tepelnej kapacity vody a rozdielu teplôt. Smotanový pastér sa spúšťa približne 2 hodiny po spustení mliečneho pastéra a beží približne 3 3,5 hodiny a pasterizačná teplota je 95 C. Priemerný objemový prietok mlieka je 3,5 m 3. h -1. V pastéri na špeciality sa horúca voda pripravuje obdobne ako pri smotanovom pastéri, pasterizačná teplota je 100 C a priemerný objemový prietok mlieka uvažujeme 2,75 m 3. h -1. Tvarôžkareň je prevádzka na výrobu tvarohu a syru, nie je to pastér, spracúvava pasterizované mlieko. Proces výroby trvá 2 dni, pričom prvý deň sa mlieko zohrieva z 10 C na 25 C po dobu 40minút a druhý deň z 25 C na 40 C po dobu 100minút. Odparka s filmovým odparovaním slúži na zahustenie mlieka z 9 na približne 48 hmotnostných %. Množstvo spotrebovanej pary v odparke sme považovali za konštantné číslo t.j. 1958 kg.h -1, ktoré sme určili z prevádzkových dát, pretože jej výpočet je zložitý a nad rámec tejto práce. Spotrebu vodnej pary v jednotlivých pastéroch sme stanovili na základe prevádzkových dát, kde neznámou bola účinnosť rekuperácie tepla. Napr. ak v daný deň sa v priemere spotrebovalo 2049 kg.h -1 pary a vieme, že v daný deň šiel smotanový pastér, tvarôžkareň a odparka, tak množstvo pary spotrebovanej v smotanovom pastéry sme získali, keď sme od celkového množstva odčítali množstvo spotrebované v odparke a v tvarôžkarni Množstvo spotrebovanej vodnej pary v tvarôžkarni sme vypočítali z bilancie, pretože sa jedná o jednoduchý ohrev, a preto tu nevystupovala účinnosť rekuperácie. 33
Keď už sme zistili koľko pary spotrebuje každé zariadenie z celkového množstva vyrobenej pary, mohli sme vyrátať účinnosť rekuperácie tepla jednotlivých pastérov. Vychádzali sme z entalpickej bilancie a po vyjadrení účinnosti sme získali vzťah: ƞ = 1 m p vyp H ρ M V M cp M T (18) pastéra,kde m p spotrebované množstvo pary v danom pastéri [kg.h -1 ] vyp H výparné teplo vodnej pary [kj.kg -1 ] ρ M hustota mlieka pri strednej teplote [kg.m 3 ] V M objemový prietok mlieka v danom pasteri [m 3. h -1 ] cp M tepelná kapacita mlieka pri strejden teplote [kj.kg -1.K -1 ] T rozdiel medzi pasterizačnou teplotou a teplotou čerstvého mlieka na vstupe do Hustotu mlieka sme dostali po dosadení strednej teploty za T do rovnice (1) a strednú tepelnú kapacitu mlieka sme vyrátali z rovnice (2). Obr. 7 Schéma pasterizačného zariadenia: 1. Chladiaca časť pastéru 2. Regeneračná časť pastéru 34
3. Odstredivka 4. Pasterizačná časť 5. Výdrž Pri výpočte účinnosti rekuperácie tepla pre mliečny pastér sme ako prvé museli poznať dennú spotrebu pary mliečným pastérom, výpočet viď. vyššie. Na základe tohto údaju sme z entalpickej bilancie rovnica (18) vyrátali účinnosť rekuperácie v daní deň. Napr. pre 24. máj bola účinnosť rekuperácie pre mliečny pastér: ƞ = 1 382 2030,3 1015,7 16,3 3,9 (75 10) = 0,82 Na záver sme z už vypočítaných denných účinností rekuperácie stanovili priemerné hodnoty (Tab.4): Tab. 4 Tabuľka vypočítaných priemerných účinností rekuperácie jednotlivých pastérov MLIEČNÝ PASTÉR 0,78 PASTÉR NA ŠPECIALITY 0,29 SMOTANOVÝ PASTÉR 0,72 Z tabuľky vidíme, že najnižšiu účinnosť má pastér na špeciality 29 %, čo značí že jednotlivé výmenníky tepla v tomto zariadení sú už staré a opotrebované, mlieko nedokáže odovzdať veľké množstvo svojho tepla v regeneračnej časti a tým dostatočne predohriať mlieko, ktoré vstupuje do pasterizačnej časti, kde sa ohrieva horúcou vodou na pasterizačnú teplotu. Priemernú spotrebu pary v pastéroch sme vypočítali z rovnice (18). Keďže sme už vedeli priemernú účinnosť rekuperácie každého zariadenia. Pre pastér na špeciality a smotanový pastér sa v tejto rovnici súčin m p vyp H zmení na m p ( vyp H + c p,h20 T), čo vyplýva už z vyššie uvedenej výroby horúcej vody priamym vstrekovaním vodnej pary do vody. V Tab.5 môžeme vidieť sumárne spotreby vodnej pary v jednotlivých spotrebičoch. Tab. 5 Tabuľka spotrebovanej vodnej pary v jednotlivých zariadeniach v kg/h MLIEČNY PASTÉR NA SMOTANOVÝ TVARÔŽKAREŇ PASTÉR ŠPECIALITY PASTÉR (1. deň 2. deň) ODPARKA 452 215 113 262 106 1957 35
2.2 Návrhový výpočet Spotrebu zemného plynu a celkových ročných nákladov na prevádzku Mliekarne môžeme zredukovať tromi nasledujúcimi spôsobmi: 1. Kúpou nových zariadení na pasterizáciu 2. Kúpou nového kotla 3. Kúpou nového kotla aj zariadení na pasterizáciu 2.2.1 Návrh nových zariadení Na to aby sme mohli navrhnúť nové výmenníky tepla, potrebujeme poznať teplotné pomery vo vnútri zariadení (Obr.7), kvôli fyzikálnym vlastnostiam médií a ich prietokom. Teplota t x je teplota mlieka na výstupe z regeneračnej časti pastéru a taktiež teplota na vstupe do pasterizačnej časti. V pasterizačnej časti sa mlieko o teplote t x ohrievalo horúcou vodou na pasterizačnú teplotu. Aby sme vypočítali teplotu t x, tak sme potrebovali vedieť koľko tepla prijalo mlieko v pasterizačnej časti z vodnej pary. Pre teplo dodané mlieku horúcou vodou v pasterizačnej časti platí: Q dod = m p vyp H (19) Z entalpickej bilancie vyplýva, že teplo dodané vodnou parou sa rovná teplu prijatému mliekom. Q dod = Q prij = m Mc p,m T paster.časť (20),kde Q dod - teplo dodané vodnou parou [kj.h -1 ] Q prij teplo prijaté mliekom [kj.h -1 ] m M hmotnostný tok mlieka [kg.h -1 ] T paster.časť rozdiel teplôt mlieka na vstupe a výstupe z pasterizačnej časti [K] Z rovnice č.20 sme si vyjadrili T, čo je rozdiel pasterizačnej teploty mlieka v danom pastéri a teploty mlieka t x, z čoho vyplýva, že t x = t pasterizačná T paster.časť. 36
Teplota t y je teplota pasterizačného mlieka na výstupe z regeneračnej časti a taktiež na vstupe do chladiacej časti. V regeneračnej časti sa studené mlieko o teplote 10 C ohrievalo pasterizovaným mliekom, ktoré malo pasterizačnú teplotu. Keďže už vieme teplotu t x, vieme vypočítať aj zmenu teploty T v regeneračnej časti t.j T reg.časť = t x 10 a t y = t pasterizačná T reg.časť. V chladiacej časti sa dochladzuje mlieko po pasterizácii vychádzajúce z regeneračnej časti, kde už časť svojho tepla odovzdalo čerstvému mlieku. Mlieko sa dochladzuje na požadovaných 6 C chladiacou vodou, ktorá má teplotu 1 C. Entalpickú bilanciu v chladiacej časti vypočítame už jednoducho, keďže poznáme všetky vstupné a výstupné teploty a hnaciu silu sme si zvolili 5 C. Teplo prijaté chladiacou vodou od mlieka sa vypočíta ako: Q prij,chv = Q dod,m = m Mc p,m T chlad.časť (21),kde Q prij,chv teplo prijaté z mlieka chladiacou vodou [kj.h -1 ] Q dod,m teplo dodané mliekom [kj.h -1 ] T chlad.časť rozdiel teplôt mlieka na vstupe do chladiacej časti a na výstupe Keď už sme poznali údaje o teplotách a spotrebách vo všetkých častiach všetkých troch pastérov, celý výpočet sme zopakovali pre novú, nami zvolenú účinnosť rekuperácie pastérov. Moderné pastéry pracujú s účinnosťou aj 94 95 % [3]. My sme pre naše výpočty zvolili konzervatívny odhad 83%. Na Obr.8 môžeme vidieť ako sa znížila spotreba vodnej pary v jednotlivých pastéroch pri účinnosti rekuperácie 83 % oproti pôvodným účinnostiam rekuperácie pastérov. Napríklad pastér na špeciality pri účinnosti 83 % spotrebuje približne 51 kg/h vodnej pary, pričom pri pôvodnej účinnosti 29 % spotreboval cca 215 kg/h. 37
Účinnosť rekuperácie pastérov 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 100 200 300 400 500 Spotreba vodnej pary v kg/h MLIEČNY PASTÉR PASTÉR NA ŠPECIALITY SMOTANOVÝ PASTÉR Obr. 8 Graf závislosti spotreby vodnej pary od účinnosti rekuperácie jednotlivých pastérov Vyššie uvedenou analýzou jednotlivých pasterizačných zariadení (Tab.4) sme zistili, že pastéry sú už opotrebované a pracujú s nižšími účinnosťami rekuperácie tepla. Ak chceme vzniknuté straty znížiť, musíme zakúpiť nové doskové výmenníky tepla (pastéry), ktoré budú mať vyššiu účinnosť rekuperácie, a tým sa využije väčšie množstvo tepla pri predohrievaní studeného čerstvého mlieka horúcim pasterizovaným mliekom, čo nám zníži spotrebu vodnej pary v pasterizačnej časti. Našou úlohou je navrhnúť zariadenia, ktoré by vyhovovali normám a mali čo najväčšiu možnú účinnosť rekuperácie. Ako už vieme máme 3 typy pasterizačných zariadení mliečny pastér, pastér na špeciality a smotanový pastér. Každý z týchto pastérov sa skladá z 3 častí rekuperačná časť, pasterizačná časť a chladiaca časť. Cieľom návrhového výpočtu bude vypočítať plochy týchto pastérov ako sumu plôch doskových výmenníkov v jednotlivých 3 častiach každého zariadenia. Celý výpočet bude vychádzať z rýchlostnej rovnice pre protiprúdové usporiadanie výmenníkov rovnica (8). Po vyjadrení plochy dostaneme nasledovný tvar rovnice: A = Q k t ls (22) 38
Poznáme všetky vstupné a výstupné teploty tokov mlieka a pomocou hnacej sily, nami zvolených 5 C, sme si dopočítali aj teploty chladiacej vody a horúcej vody na ohrev mlieka v pasterizačnej časti. Logaritmický stred vypočítame pre každú časť pasterizačného zariadenia podľa rovnice (10). Úhrnný koeficient prechodu tepla sme vypočítali podľa rovnice: 1 k = 1 + δ α hot λ + 1 α cold (23) kde, k úhrnný koeficient prestupu tepla α hot súčiniteľ prestupu tepla prúdením na strane horúceho média α cold súčiniteľ prestupu tepla prúdením na strane studeného média δ hrúbka ocele λ koeficient tepelnej vodivosti nerezovej ocele Súčinitele prestupu tepla prúdením na strane horúceho a studeného média sme získali z grafov závislostí pre návrh doskových výmenníkov tepla kde µ je viskozita horúceho/ studeného mlieka alebo horúcej/studenej vody [10]. Viskozitu vody sme vypočítali pri strednej teplote z Chemicko-inžinierskych tabuliek a grafov a viskozitu mlieka pre stredné teploty podľa rovnice [11]: μ = a 0 + a 1 t a 2 (24) Kde, μ dynamická viskozita [mpa.s -1 ] a i - parametre t teplota v C Parametre a i sme získali z tabuľky, kde pre surové mlieko boli uvedené hodnoty: a 0 = 2,184, a 1 = 0,1396, a 2 = 0,51201 39
Na to aby sme mohli z vypočítaných hodnôt viskozít teplých a studených médií odčítať konkrétne čísla α hot a α cold musíme vedieť, ktorý z troch grafov môžeme použiť: 0,25 < NTU < 2,0 ; 2,0 < NTU < 4,0; 4,0 < NTU < 5,0. Parameter NTU, charakterizujúci efektivitu výmeny tepla pre horúce médium a studené médium, vypočítame ako : NTU hot = t hot,in t hot,out t ls (25) NTU cold = t cold,in t cold,out t ls (26),kde t hot,in teplota horúceho média na vstupe t hot,out teplota horúceho média na výstupe t cold,in - teplota studeného média na vstupe t cold,out - - teplota studeného média na výstupe Obr. 10 Graf závislosti súčiniteľa prestupu tepla od viskozity, 4,0 < NTU < 5,0 Ako príklad môžeme uviesť graf 4,0 < NTU < 5,0 (obr.10), kde sme v regeneračnej časti pre horúce mlieko s viskozitou 1,17 mpa.s -1 vypočítali NTU = 4,88 a z grafu sme odčítali hodnotu α hot = 12 500 W.m -2.K -1. 40
Následne sme vypočítali koeficient prechodu tepla k podľa rovnice (23), kde λ pre nerezovú oceľ je 15 W.m -1.K -1 a hrúbka ocele δ je 0,5 mm [12]. Tepelný tok Q sme vyrátali pre všetky doskové výmenníky tepla (rozdelené na tri časti). Pre Pasterizačnú časť je tepelný tok rovný teplu dodanému vodnou parou, rovnica (20) a pre chladiacu časť sa tepelný tok rovná teplu prijatému chladiacou vodou, rovnica (21). Pre regeneračnú časť sme tepelný tok vypočítali z rovnice: Q = ρ M V Mc p,m T reg.časť (27) Z rovnice (22) sme vypočítali plochy jednotlivých pastérov, výsledky sú uvedené v Tab.6. Tab. 6 Vypočítané plochy jednotlivých pastérov v m 2. Mliečny paster Paster na špeciality Smotanový paster Pasterizačná časť 22 3 4 Regeneračná časť 61 43 16 Chladiaca časť 31 6 6 Celková plocha: 114 52 26 Zistili sme, čas prevádzky jednotlivých pastérov za sledované obdobie (214 dní) a na základe týchto poznatkov a účinnosti starého kotla 87 % sme vypočítali, ročnú spotrebu zemného plynu. Pri zanechaní pôvodných pastérov bola ročná spotreba približne 520 000 m 3. V prípade, že by sme starý kotol ponechali a zakúpili by sme nové zariadenia s vyššie uvedenými parametrami, ročne by sa spotrebovalo cca 490 000 m 3 zemného plynu, čo je o 30 000 m 3 menej. 2.2.2 Návrh nového kotla Starý kotol s účinnosťou 87 % spotrebuje, ako už bolo uvedené, ročne 520 000 m 3 zemného plynu. Potrebné množstvo zemného plynu na výrobu vodnej pary je 520 000 0,87 =453 000 m 3. Ak by mal nový kotol účinnosť 93 %, spotrebovali by sme iba 453 000 0,93=487 000 m 3 zemného plynu. Ročná spotreba by teda bola cca 487 000 m 3, čo je o 33 000 m 3 menej ako ročná spotreba pôvodného kotla. 41
2.2.3 Kúpa nových zariadení aj kotla Ako vidíme z predchádzajúcich výsledkov, ak kúpime nový kotol ušetríme ešte viac zemného plynu ako keby sme kúpili nové zariadenia na pasterizáciu. Ak by sme ale vymenili kotol za nový s účinnosťou 93 % a aj všetky zariadenia za nové s účinnosťou 83 %, ročná spotreba zemného plynu by sa ešte ráznejšie znížila. Z kapitoly 2.3.1 vieme koľko pary sa spotrebovalo v jednotlivých pastéroch pri starých, ale aj nových účinnostiach rekuperácie tepla. Keď už sme vedeli úsporu pary, mohli sme z rovnice (16) po dosadení za Q už z rovnice (14) a Q dod z rovnice (15) vypočítať ročnú úsporu zemného plynu (po zavedení nových zariadení a novej účinnosti kotla) t.j. 26 000 m 3. Keďže vieme, že pri výmene nového kotla ale ponechaní starých zariadení sa ročne spotrebovalo 486 000 m 3 zemného plynu (kapitola 2.3.2). Ročná spotreba potom poklesne o hodnotu úspory - 26 000 m 3 na 460 000 m 3 spotrebovaného zemného plynu ročne. Týmto sme dospeli k záveru, že celková ročná úspora bude rozdiel spotreby zemného plynu bez akejkoľvek zmeny zariadení a spotreby zemného plynu po zavedení nového kotla aj zariadení do prevádzky, t.j. cca 60 000 m 3 ročne. 2.3 Ekonomická analýza Ďalšou úlohou bolo zhodnotiť navrhované varianty úspor z investičného hľadiska. Na výpočet cien zariadení sme použili knihu Rules of thumb in engineering practice, Donald.R.Woods [13]. Pre výpočet ceny nového kotla musíme poznať jeho požadovaný výkon. Zo spracovania prevádzkových dát vyšiel maximálny parný výkon existujúcich kotlov na úrovni 2,5 t/h. Preto sme s istotou rezervou zvolili nový kotol s výkonom 3 t/h. Potom podľa rovnice [13]: cost 2 = cost ref ( size n 2 ) size ref (28),kde cost 2 cena nového zariadenia size 2 veľkosť/výkon nového zariadenia cost ref referenčná cena size ref veľkosť/výkon referenčného zariadenia 42
n špecifický index pre dané rozmedzie veľkosti/výkonu (Poznámka: referenčné hodnoty sú zadané vo vyššie uvedenej knihe) Po dosadení do rovnice (30): Pre výkon kotla v rozmedzí 1 10 kg/s je n = 0,92. cena nového kotla = 500 000 ( 0,83 2,7 ) 0,92 = 168 915 $ = 150 349 Ceny jednotlivých pastérov určíme na základe ich veľkostí plôch (Tab. 5), podľa rovnice (28): Pre plochy doskových výmenníkov tepla v rozmedzí 10 600 m 2 je n = 0,65. cena mliečneho pastera = 120 000 ( 115 100 )0,65 0,95 =124 690 $ =111 020 cena pasteru na špeciality = 120 000 ( 53 100 )0,65 0,95=75 058 $ =66 829 cena smotanového pastera = 120 000 ( 26 100 )0,65 0,95=48 078 $ =42 806 Rovnicu (30) sme vynásobili koeficientom 0,95 na zohľadnenie materiálu oceľ 304 t.j. nerezová oceľ, z ktorej musia byť naše nové pastery vyrobené. Poslednou úlohou bol prepočet vyššie vypočítaných cien tzv. CEPCI indexom (Chemical Engineering Plant Cost Index). Ceny vypočítané z knihy Rules of thumb in engineering practice, Donald.R.Woods, boli pre CEPCI index 1000. Pre rok 2019 ešte nie sú uvedené hodnoty CEPCI indexu, preto sme použili index pre rok 2018, t.j 603,1. Všetky ceny sme teda prenásobili pomerom 603,1 / 1000 [14]. Prepočítané ceny jednotlivých doskových výmenníkov a nového kotla sú uvedené v Tab. 7. Tab. 7 Výsledné vypočítané ceny jednotlivých zariadení. Typ zariadenia Cena zariadení v Mliečny pastér 67 000 Pastér na špeciality 41 000 Smotanový pastér 26 000 Nový kotol 91 000 43
Návratnosť pri kúpe nových zariadení a ponechaní starého kotla bude: (cena zemného plynu za m 3 je 0,36 ) Návratnosť = Náklady 67 000+41 000+26 000 = = 12,4 roka Ročný zisk 30 000 0,36 Návratnosť pri kúpe nového kotla a pôvodných zariadení bude: Návratnosť = Náklady 91 000 = = 7,7 roka Ročný zisk 33 000 0,36 Návratnosť pri kúpe nových zariadení aj nového kotla bude: Návratnosť = Náklady 67 000+41 000+26 000+91 000 = = 10,4 roka Ročný zisk 60 000 0,36 44
3 Záver Táto bakalárska práca sa venovala optimalizácii tepla a chladu reálnej mliekarne. V prvej časti sme sa venovali analýze prevádzkových údajov a spracovaniu reálnych dát. Získali sme informácie o množstve spotrebovaného zemného plynu v kotli na výrobu vodnej pary a zistili sme, že kotol pracuje s priemernou účinnosťou 87 %. Vypočítali sme spotrebu vodnej pary v jednotlivých zariadeniach a taktiež účinnosti rekuperácie tepla jednotlivých pasterizačných zariadení. Mliečny pastér pracoval s účinnosťou 79 %, smotanový pastér 72 % a najnižšiu účinnosť rekuperácie tepla sme vypočítali pre pastér na špeciality, len 29 %. Tieto výpočty nám len potvrdili, že pastéry sú už opotrebované a nepracujú s takou účinnosťou akou by mali. Z uvedeného vyplýva, že najviac opotrebovaným pastérom bol pastér na špeciality. V druhej časti bakalárskej práce sme sa venovali návrhovým výpočtom. Po kompletnej analýze prevádzkových dát sme dospeli k záveru, že existujú tri varianty úspory zemného plynu. Prvou bola výmena zariadení a ponechanie starého kotla, druhou variantou bola výmena starého kotla za nový, s vyššou účinnosťou (87 %) a poslednou treťou bola kompletná výmena starých zariadení spolu s výmenou kotla za nové. Z energetického hľadiska sa najviac zemného plynu ušetrí ak kúpime nové zariadenia na pasterizáciu spolu s novým kotlom na výrobu vodnej pary. Ročná úspora by bola 60 000 m 3 zemného plynu, čo je cca 22 000. Z ekonomického hľadiska je ale výhodnejšou variantou zakúpiť iba nový kotol, pretože sa nám daná investícia vráti už za 7,7 roka, pričom investícia pri kúpe nových zariadení aj nového kotla by sa vrátila až po 10,4 roku. Celková ekonomická úspora by sa dala zvýšiť znížením pracovných síl alebo pri výmene kotla by sa mohol vypracovať projekt, na ktorý by mliekareň mohla získať dotácie vzhľadom k tomu, že kúpou nového kotla by sa znížili emisie. 45
Zoznam použitej literatúry [1] P. Tetra, Dairy processing handbook, Lund, Tetra Pak Process. Syst. AB, s. 452, 2003. [2] B. Guignon, I. Rey, P. D. Sanz, Effect of temperature on the density of whole milk under high pressure, Food Science Technology and Nutririon Institute, José Antonio Novais 10, Madrid, Španielsko, 2010 [3] Y. H. Hui., Health, Meat, Milk, Poetry, Sea food and vegetables, in Handbook of food products Manufacturing, s. 371, 2007. [4] S. Bafrncová, M. Šefčíková, M.Vajda, "Chemické inžinierstvo - tabuľky a grafy," Nakladateľstvo STU, Bratislava, s. 115, 2000. [5] M. Bafrnec, " Chemické inžinierstvo 1.,"Alfa, Bratislava, s. 391, 1972. [6] A. Folley, Rúrkové výmenníky tepla. [Online]. Dostupné na inernete: https://www.comsol.com/blogs/how-model-shell-and-tube-heat-exchanger/. [Prístupné: 13-Mar-2019]. [7] Z. Zheng, T. Zhang, Plate heat exchangers, National Institute for Space Research, Sao Jose dos Campos,Brazil., s. 199, 2012. [8] I. Langfelder, A. Lodes, J. Dudáš, "Energetika chemického a potravinárskeho priemyslu.," Alfa, Bratislava, s. 343, 1992. [9] Bosch, Parné kotle. [Online]. Dostupné na internete: https://www.bosch-industrial.com/files/br_industrialboiler_beginners_en.pdf. [Prístupné: 28-Mar-2019]. [10] Ch. Haslego, G. Polley, Design plate and frame heat exchangers, Cepmagazine, U.K., s. 32 37, 2002. [11] V. Kumbár, S. Nedomová, Viscosity and Analytical Differences between Raw Milk and UHT Milk of Czech Cows, Sci. Agric. Bohem., vol. 46, no. 2, s. 78 83, 2015. [12] Kenneth, Tepelná vodivosť nerezu. [Online]. Dostupné na internete: http://onvent.ru/tepelna-vodivost-nerez/. [Prístupné: 21-Mar-2019]. [13] W. R. Donald, " Rules of Thumb in Engineering Practice,"Wiley, Weinheim, s. 436, 2007. [14] S.Jenkins, CEPCI index. [Online]. Dostupné na internete: https://www.chemengonline.com/2019-cepci-updates-january-prelim-and-december-20 18-final/. [Prístupné: 05-Apr-2019]. 46