Charakterystyka pracy płytowego rekuperatora ciepła zainstalowanego w układzie suszącym maszyny papierniczej.

Transkrypt

1 Charakterystyka pracy płytowego rekuperatora ciepła zainstalowanego w układzie suszącym maszyny papierniczej. Streszczenie: W pracy przedstawiono wyniki badao parametrów technologicznych pracy prototypowego płytowego wymiennika ciepła zainstalowanego fabryce papieru. Opisano specyfikę procesu wymiany ciepła w układzie suszącym wstęgę masy makulaturowej. Częśd badawcza stanowi podstawę do doboru parametrów pracy w zależności od potrzeb układu. Słowa kluczowe: rekuperacja ciepła, suszenie masy papierniczej, płytowe wymienniki ciepła 1.Wstęp Układy rekuperacji ciepła znajdują obecnie szerokie zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu. Ilośd zawróconej energii cieplnej w procesie rekuperacji przekłada się na zmniejszenie zapotrzebowania energetycznego układu oraz ograniczenie emisji do atmosfery. W papiernictwie najbardziej energochłonnym etapem produkcji jest suszenie papieru, podczas którego główna częśd ciepła zużywa się na odparowanie wody z wilgotnej wstęgi. Stosowane powszechnie w papierniach układy rekuperacji ciepła najczęściej wyposażane są w wymienniki krzyżowe. Wymienniki krzyżowe znajdują szerokie zastosowanie ze względu na niskie koszty ich produkcji oraz brak konieczności doprowadzania energii zewnętrznej do ich pracy. Sprawnośd odzysku ciepła w wymiennikach krzyżowych sięga 6%. Wymienniki krzyżowe dedykowane są do pracy tylko w temperaturach dodatnich, gdyż już w temperaturze -5 C powstaje szronienie powierzchni wymiany ciepła. W przypadku niskich temperatur konieczna jest instalacja dodatkowego urządzenia, którego zadaniem jest wstępne ogrzanie powietrza. Innowacyjne rozwiązanie pozbawione wad wymiennika krzyżowego zaproponowała firma PPH KRYSTIAN. Układ rekuperacji został wyposażony w specjalnej konstrukcji wymiennik płytowy realizujący odzysk ciepła części suszącej maszyny papierniczej. Urządzenie ma za zadanie wymieniad energię cieplną pomiędzy czynnikiem opuszczającym maszynę, a powietrzem atmosferycznym zasilającym układ suszący. Sprawnośd odzysku ciepła tego wymiennika wynosi ponad 8%. 2.Charakterystyka realizowanego procesu Przekazywanie ciepła następuje przez ściany separujące strumienie powietrza w oparciu o zasadę przenikania ciepła. Czynnikiem ogrzewanym zasilającym maszynę papierniczą jest powietrze atmosferyczne o parametrach zmiennych, zależnych od pory dnia, roku, warunków pogodowych. Czynnikiem grzewczym jest powietrze odlotowe z procesu suszenia masy papierniczej. Na wejściu do wymiennika zainstalowano wymiennik bezprzeponowy umożliwiający mieszanie doprowadzanego czynnika ogrzewanego z wyprowadzanym czynnikiem grzewczym. Proces suszenia masy papierniczej odbywa się na cylindrach ogrzewanych parą, osłoniętych okapturzeniem. W części suszącej wstęgę suszy się do osiągnięcia koocowej suchości 9 95%. Niemal całe ciepło użyte w procesie suszenia odprowadzane jest do rekuperatora. Temperatura powietrza wynosi 9-1 C, a zawartośd wilgoci 1-16 gramów wody na 1 kg suchego czynnika.

2 Powietrze atmosferyczne (czynnik ogrzewany) tłoczone jest przez kanały wymiennika, a następnie nagrzewnicę do części suszącej wstęgę papieru na maszynie papierniczej. Czynnik przepływając przez wymiennik ogrzewa się do temperatury ok 7 C, a wymagana temperatura na poziomie 135 C osiągana jest na nagrzewnicy gazowej zainstalowanej za kanałem wylotowym. Jednocześnie czynnik jest osuszany do wilgotności względnej nie przekraczającej 8%. Prędkośd przepływu jest sterowalna i zależy od wydajności zespołu suszącego maszyny papierniczej. Wydatek czynnika wynosi 21 ton na godzinę pracy. Powietrze odlotowe z procesu suszenia (czynnik grzewczy) jest zasysane do wymiennika wraz z powietrzem z hali produkcyjnej. Wydajnośd wentylatora ssącego powinna gwarantowad całkowite odprowadzenie ogrzanego na zespole suszarniczym powietrza do rekuperatora. Powietrze grzewcze o temperaturze początkowej ok. 135 C, stanowiące czynnik oddający ciepło poprzez przegrody płytowe w procesie rekuperacji przepływając w przeciwprądowo z czynnikiem ogrzewanym, oziębia się do ok 1 C. Jednocześnie podczas wymiany ciepła następuje kondensacja zawartej w czynniku odlotowym pary wodnej oraz osadzanie zanieczyszczeo (pyłu) na powierzchni płyt wymiennika od strony czynnika grzewczego. W koocowym etapie schłodzone powietrze może zostad zawrócone do obiegu lub odprowadzone do atmosfery. W przypadku otwarcia przepony i zawracania czynnika grzewczego do układu nie można dopuścid do znacznego zwiększenia wilgotności względnej czynnika ogrzewanego. 3.Układ pomiarowy Obiektem badawczym, którego parametry pracy określano jest płytowy wymiennik ciepła będący częścią systemu rekuperacji ciepła z układu suszenia masy papierniczej. Umiejscowienie czujników pomiarowych możliwe jest w miejscach pomiędzy elementami roboczymi układu. Wyniki pomiarów mają ocenid poprawnośd zastosowanej konstrukcji oraz parametrów technologicznych wymiennika płytowego, dlatego nagrzewnica gazowa na czas prowadzenia badao została wyłączona.

3 Układ rekuperacji został podzielony na poszczególne strefy, w których zbierano wyniki pomiarów: 1 zasilanie układu rekuperacji powietrzem atmosferycznym z zewnątrz hali 2 przestrzeo pomiędzy wentylatorem tłoczącym a wymiennikiem płytowym 3 wylot powietrza ogrzewanego z wymiennika płytowego 11 zasilanie układu rekuperacji czynnikiem oddającym ciepło 12 przestrzeo pomiędzy wymiennikiem przeponowym a wentylatorem ssącym 13 wylot czynnika oddającego ciepło z układu rekuperacji Dla określenia wilgotności względnej oraz temperatury czynników w kanałach łączących poszczególne sekcje zostały zainstalowane czujniki higrometryczne. Punkt charakterystyczny 1 pozwala na rejestrację zmiennych w czasie parametrów powietrza pobieranego z zewnątrz hali produkcyjnej. W celu oceny zmian wilgotności oraz temperatury powietrza przepływającego przez wentylator tłoczący zainstalowany został kolejny higrometr przewodzie łączącym wentylator z płytowym wymiennikiem ciepła (punkt charakterystyczny 2). Dane potrzebne do określenia zmiany parametrów fizycznych czynnika ogrzewanego przepływającego przez wymiennik ciepła zostają zbierane w części wylotowej wymiennika przed nagrzewnicą gazową (punkt charakterystyczny 3). Analogicznie opomiarowana jest częśd grzewcza układu rekuperacji. Przed wlotem czynnika grzewczego do wymiennika ciepła mierzona jest jego temperatura oraz wilgotnośd względna (punkt 11). Spadek temperatury czynnika grzewczego rejestrowany jest na wyjściu z wymiennika (punkt 12), natomiast czujnik w punkcie 13 dostarcza informacji o parametrach powietrza oprowadzanego do atmosfery. 4.Analiza wyników 4.1 Mieszanie czynników roboczych rekuperatora Układ rekuperacji wyposażony w wymiennik bezprzeponowy sterowany z panelu operatorskiego pozwala na mieszanie czynnika ogrzewającego opuszczającego wymiennik przeponowy z powietrzem atmosferycznym pobieranym z zewnątrz. Zabieg taki pozwala na sterowanie parametrami termodynamicznymi powietrza zasilającego rekuperator. W celu określenia wpływu zmiany stopnia mieszania na pracę rekuperatora przeprowadzono szereg pomiarów dla stałych wartości przepływów obu czynników. Element roboczy wymiennika bezprzeponowego stanowi przegroda, którą możemy sterowad obracając ją od do 9. Wartośd zerowa oznacza odseparowanie kanałów przepływowych czynników, natomiast 9 maksymalne otwarcie przepony. Przyjęte oznaczenia symbolizują parametr termodynamiczny w danym punkcie charakterystycznym układu: W1, T1 odpowiednio wilgotnośd względna i temperatura powietrza atmosferycznego pobieranego z zewnątrz hali W2, T2 wilgotnośd, temperatura czynnika ogrzewanego przed wymiennikiem płytowym W3, T3 wilgotnośd, temperatura czynnika ogrzewanego po wyjściu z wymiennika płytowego T11 - temperatura czynnika ogrzewającego przed wlotem do wymiennika płytowego W12, T12 wilgotnośd, temperatura czynnika ogrzewającego po wyjściu z wymiennika płytowego W13, T13 wilgotnośd, temperatura czynnika odprowadzanego do atmosfery lub zawracanego do układu (w zależności od ustawienia przepony).

4 Dla zobrazowania zmian wartości parametrów pomiędzy punktami pomiarowymi przyjęto: W2-W1 zmiana wilgotności względnej czynnika ogrzewanego podczas przepływu przez wentylator tłoczący, W3-W2 zmiana wilgotności względnej czynnika ogrzewanego po przejściu przez wymiennik płytowy, W12-W13 zmiana wilgotności względnej czynnika ogrzewającego podczas przepływu przez wentylator ssący, T2-T1 zmiana temperatury czynnika ogrzewanego podczas przepływu przez wentylator tłoczący, T3-T1 zmiana temperatury czynnika ogrzewanego podczas przepływu przez wymiennik ciepła, T12-T11 zmiana temperatury czynnika ogrzewającego przepływającego przez wymiennik ciepła, T13-T12 zmiana temperatury czynnika ogrzewającego podczas przepływu przez wentylator ssący W1 W2 W W2-W1 Wykres 1. Wilgotnośd względna czynnika ogrzewanego w zależności od otwarcia przepony W12 W13 Wykres 3. Wilgotnośd względna czynnika grzewczego w zależności od otwarcia przepony Wykres 2. Zmiana wilgotności czynnika ogrzewanego y = -5,6848x + 68,867 R² =, W13-W Wykres 4. Zmiana wilgotności czynnika grzewczego

5 Temperatura Temperatura T1 T2 T3 y = 1,2691x + 1,8 9 R² =,93112,2 8 14,4 7 13,4 6 11,5 5 9, ,3 5,4 1 4,3 3, Temperatura [ C] -1 1 T2-T1 3 Wykres 5. Temperatura czynnika grzewczego w zależności od otwarcia przepony Wykres 6. Zmiana temperatury czynnika grzewczego T11 T12-6,4-9,6-9,5-8,7-7,7-8,4-7,6-6,6-6, y = -,2612x - 6,2533 R² =, T13-T12 Wykres 7. Temperatura czynnika oddającego ciepło Wykres 8. Zmiana temperatury czynnika grzewczego Stopieo mieszania strug czynników roboczych układu rekuperacji wpływa na wartości parametrów termodynamicznych powietrza zasilającego wymiennik. Z przeprowadzonych pomiarów wynika, że zainstalowany wymiennik bezprzeponowy spełnia założoną funkcję. Dzięki sterowaniu stopniem otwarcia przegrody możemy zwiększyd temperaturę czynnika ogrzewanego podawanego na wymiennik płytowy nawet o 15 C. Jednocześnie należy uwzględnid wzrost wilgotności względnej jaki wnosi nasycony parą wodną czynnik oddający ciepło. Aby praca układu była optymalna otwarcie przepony powinno się zmieniad dynamicznie w zależności od parametrów wyjściowych czynnika ogrzewanego.

6 Temperatura [ C] Temperatura [ C] 4.2 Wpływ prędkości przepływu na wymianę ciepła Drugi etap badao stanowi odpowiedź na wpływ prędkości przepływu czynnika ogrzewanego na zdolnośd wymiany ciepła w rekuperatorze płytowym. Prędkośd przepływu regulowana jest za pomocą zmiany obrotów wentylatorów tłoczącego i ssącego. Uzyskane wyniki są podstawą do oceny doboru parametrów technologicznych systemu zainstalowanego w fabryce papieru. Przeprowadzone pomiary obrazują zachowanie się układu przy zamkniętym wymienniku bezprzeponowym W1 W T1 T2 Wykres 9. Wilgotnośd względna oraz temperatura czynnika ogrzewanego w zależności od prędkości obrotowej wentylatora. Wyniki pomiarów wskazują na zjawisko osuszania powietrza podczas przepływu przez wentylator tłoczący. Proces ten zachodzi przy bardzo małej zmianie temperatury czynnika przepływającego przez wentylator W2 W T2 T3 Wykres 1. Rekuperacja ciepła w wymienniku płytowym parametry czynnika odbierającego ciepło.

7 Temperatura [ C] T11 T12 Wykres 11. Rekuperacja ciepła w wymienniku płytowym temperatura czynnika oddającego ciepło Zdolnośd wymiany ciepła jest utrzymana w całym zakresie zmienianej prędkości obrotowej wentylatora tłoczącego. Nie następuje wzrost temperatury czynnika ogrzewanego wraz z wydłużeniem czasu rezydowania w sekcji wymiany ciepła. Wartośd temperatury utrzymuje się na poziomie C w zakresie 4-6 obr./min. Optymalną prędkością przepływu jest uzyskana dla 66 obr./min wartośd 1,2 m/s (wydatek 22 tony/godzinę). W tym przypadku temperatura wynosi 43,6 C,a wilgotnośd względna 1%. Dalsze zwiększanie prędkości przepływu (68-8 obr./min.) skutkuje liniowym obniżaniem temperatury na wyjściu z wymiennika. 5. Wnioski Proces rekuperacji ciepła z układu suszenia maszyny papierniczej jest specyficzny ze względu na duże zapotrzebowanie czynnika roboczego dostarczanego do części okapturzenia maszyny papierniczej, kondensację pary wodnej i występowanie cząstek stałych (zanieczyszczeo) w czynniku oddającym ciepło. Zainstalowanie wymiennika płytowego w układ suszący maszyny papierniczej przyniosło wymierne skutki ekonomiczne i ekologiczne. Z uwagi na to, że jest to model prototypowy, finalna konstrukcja powinna zostad zoptymalizowana pod kątem wymiarowym i technologicznym realizowanego procesu. Autor: mgr inż. Dominik Grygiel