SUSZENIE OSADÓW ŚCIEKOWYCH W UKŁADZIE Z POMPĄ CIEPŁA PRACUJĄCĄ Z DWUTLENKIEM WĘGLA JAKO CZYNNIKIEM ZIĘBNICZYM SEWAGE SLUDGE DRYING BASED ON A HEAT PUMP WITH CARBON DIOIDE AS REFRIGERANT Agnieszka Flaga-Mayańczyk, Jacek Schnotale Instytut Inżynieii Cieplnej i Ochony Powietza, Politechnika Kakowska ul. Waszawska 24, 31-155 Kaków, email: agnieszkaflaga@poczta.onet.pl; j.schnotale@gmail.com ABSTRACT Themal dying of sludge enhances the numbe of possibilities of its futhe usage. The taditional methods of sludge dying ae based on the pocess of evapoation of wate in a tempeatue of minimum 100 o C. Consequently a significant amount of enegy is equied and the pocess has a high envionmental impact. Thee is also a big poblem with speading odous and othe pollutants to the envionment, especially duing sludge dying. The low tempeatue cabon dioxide heat pump dying system fo sewage sludge, consideed in the pape, is an altenative fo the taditional method of sludge dying. It is enegy efficient and avoids emissions fom the dying installation. Sludge is died by closed loop ciculating ai teated in the heat pump which enables efficient enegy ecupeation. A novelty is applying cabon dioxide (CO 2 ) as a efigeant. It povides the possibility of additional hygienization of the died poduct which becomes sanitay safe. The aticle pesents data fom expeimental laboatoy measuements of low tempeatue sludge dying in contolled tempeatue and humidity envionment and esults of compute modeling of enegy ecupeation in cabon dioxide heat pump sludge dying system. Key wods: sewage sludge dying, low tempeatue dying, closed loop dying, heat pump dying, enegy ecupeation, chaacteistics of dying, cabon dioxide as a efigeant. 1. Wpowadzenie Ze względu na wysokie uwodnienie osadów ściekowych, istotnym elementem ich dalszego wykozystania, zwłaszcza w celach enegetycznych, są pocesy usuwania wody, w tym poces suszenia osadów. Osady bowiem, pomimo znacznej zawatości substancji oganicznych, dają się spalać bez paliwa wspomagającego tylko wtedy, gdy są odpowiednio wysuszone. Podobnie jest w pzypadku pochodzących z odpadów paliw o niskiej kaloyczności i wysokiej zawatości wilgoci (Mash i in., 2008). Zawatość wilgoci w osadzie, czy jakimkolwiek innym paliwie, jest ściśle związana z jego watością opałową. Zależność tę pokazuje ys. 1. Watości opałowe obliczono w opaciu o watość kaloyczną osadu podaną pzez Bienia (2002), któa w pzypadku osadów suowych (mieszanych: wstępny plus wtóny) wynosi 20 MJ/kg s.m., a w pzypadku osadów stabilizowanych beztlenowo (mieszanych: wstępny plus wtóny) 11 MJ/kg s.m. oaz pzyjmując watość kaloyczną wody ówną 0 i ciepło paowania wody dla tempeatuy 25 o C.
74 Watość opałowa osadu W d [MJ/kg] 25 20 15 10 5 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Zawatość wilgoci w osadzie [%] Osad mieszany suowy Osad mieszany stabilizowany beztlenowo Rys. 1 Zależność pomiędzy zawatością wilgoci w osadzie i watością opałową dla osadów suowych i stabilizowanych Analizując ys.1 można zauważyć, że watość opałowa osadu suowego pzy zawatości wilgoci na poziomie 45% spada o połowę. W pzypadku osadów stabilizowanych beztlenowo, dla któych watość kaloyczna suchej masy jest pawie dwukotnie niższa niż dla osadów suowych, wilgotność większa niż 80% spowoduje, że cały efekt cieplny spalania pzeznaczony będzie na odpaowanie wilgoci. Jak wynika z powyższego ozważania, osady nie mogą być spalane bez wcześniejszego osuszenia do okeślonego poziomu zawatości wilgoci. Suszenie jest więc istotnym etapem obóbki osadów ściekowych. Zastosowanie pocesu suszenia zwiększa możliwości dalszego wykozystania osadów - głównie jako paliwa, ale także nawozu. Istotnym poblemem takiego ozwiązania jest jednak fakt, że suszenie jest najbadziej enegochłonnym pocesem spośód wszystkich pocesów odwadniania osadu. W konsekwencji pzyczynia się ównież do znacznego obciążenia śodowiska, co dodatkowo skłania do szukania optymalnego sposobu pzepowadzenia tego pocesu. Poblem enegochłonności pocesu suszenia podejmowany jest w wielu pozycjach liteatuowych (Bień, 2002; Pająk i Wielgosiński, 2003). Podkeśla się w nich, że enegochłonność zależy pzede wszystkim od zawatości wody w osadzie podawanym do suszenia, ale także w znacznej mieze od ozwiązań technicznych suszani, tj. typu suszaki, sposobu odzysku ciepła, szczegółowych ozwiązań technicznych odpowadzenia gazów, pay bądź innych mediów gzewczych (Heidich, 2005). Tadycyjne metody suszenia, opate na zjawisku paowania wody w tempeatuze minimum 100 o C, są pocesami enegochłonnymi i pzyczyniają się do znacznego obciążenia śodowiska. Istotnym poblemem tych ozwiązań jest ównież emisja zanieczyszczeń i uciążliwych zapachów do otoczenia. W pzypadku ozwiązań takich jak suszania powietzna, w któej osad jest w sposób ciągły pzedmuchiwany stumieniem powietza atmosfeycznego, czy w suszaniach słonecznych, osad suszony jest w niższych tempeatuach, ale poces suszenia uzależniony jest wtedy od panujących waunków atmosfeycznych. W okesie letnim, pzy wysokich tempeatuach powietza zewnętznego ale i wysokich wilgotnościach względnych powietza zewnętznego, poces suszenia pomimo dużych ilości pzedmuchiwanego powietza jest mało spawny. Podobnie dzieje się pzy zbyt niskich tempeatuach powietza zewnętznego. Rozwiązaniem tego poblemu, mogącym zapewnić efektywną ealizację pocesu suszenia, może być suszenie z wykozystaniem ekupeacji enegii w układzie pompy ciepła uzdatniającej powietze suszące, któe cykuluje w zamkniętym obiegu. 2. Temodynamika pocesu suszenia Omawiając podstawy teoetyczne suszanictwa Kneule (1970) definiuje suszenie jako poces usuwania wilgoci pzez odpaowanie, któy z eguły uwaunkowany jest dopowadzeniem enegiioocieplnej.
75 Podkeśla pzy tym, że chaakteystyczną cechą suszenia jest jednoczesność wymiany ciepła i masy. W pocesie suszenia konwekcyjnego płynący nad wilgotnym mateiałem stumień powietza oddaje enegię cieplną cieczy, któa jednocześnie paując pzenika do stumienia powietza. Zdolność (potencjał) powietza suszącego do absobowania wilgoci z mateiału suszonego, czyli jak podają Voonjec i Antonijević (1996) tzw. potencjał suszenia, zależy od stanu temicznego powietza. Więcej na ten temat piszą Flaga-Mayańczyk i Schnotale (2008). Ponieważ siłą napędową wymiany ciepła jest gadient tempeatuy, natomiast siłą napędową dyfuzji pay (wymiany masy) jest óżnica pężności pay wodnej pomiędzy mateiałem suszonym a otoczeniem czyli gadient stężenia (Stumiłło, 1975), mateiał suszony będzie oddawał wilgoć dotąd, aż ciśnienie cząstkowe pay w otoczeniu nie zówna się z ciśnieniem cząstkowym pay we wnętzu jego poów. W paktyce oznacza to, iż poces suszenia zależy od tempeatuy, jak ównież od wilgotności względnej powietza pocesowego. Efekt suszenia mateiału można więc uzyskać odpowiednio podnosząc tempeatuę powietza suszącego albo wystaczająco obniżając zawatość wilgoci w powietzu wchodzącym do komoy suszenia. W konwencjonalnych suszakach potencjał suszenia powietza suszącego jest zwiększany popzez podnoszenie jego tempeatuy na wejściu do suszaki, co w efekcie deteminuje wilgotność względną. Altenatywą, w opaciu o powyższe ozważania, jest obniżanie zawatości wilgoci w powietzu (odwilżanie) pzed podaniem do komoy suszenia, co umożliwi ealizację pocesu pzy stosunkowo niskiej tempeatuze powietza suszącego. Jest to możliwe w suszakach pacujących w opaciu o pompę ciepła. Zaletą takich ozwiązań, co podkeśla Hawlade i inni (1996), jest fakt, że wilgotność względna, od któej zależy potencjał suszenia, może być kontolowana niezależnie od tempeatuy. 3. Koncepcja niskotempeatuowego systemu suszenia osadów ściekowych z wykozystaniem pompy ciepła Poponowane niskotempeatuowe suszenie osadów ściekowych w układzie z pompą ciepła jest altenatywą dla tadycyjnego, wysokotempeatuowego i enegochłonnego pocesu suszenia konwekcyjnego. Zastosowanie pompy ciepła do pocesu suszenia osadów ściekowych pozwala na oszczędności enegetyczne oaz hemetyzację pocesu, zapewniając oganiczenie emisji szkodliwych substancji do atmosfey i paktycznie likwidując wydzielanie odoów z układu suszenia. W instalacji do suszenia współpacującej z pompą ciepła osady suszone są powietzem, któe uzdatniane jest w układzie pompy ciepła (Flaga i Schnotale, 2007). Oszczędności enegetyczne w instalacji do suszenia współpacującej z pompą ciepła wynikają z możliwości wysokospawnej ekupeacji ciepła w układzie pompy ciepła i ealizacji suszenia w zamkniętym obiegu powietza o kontolowanej tempeatuze i wilgotności. W systemie tym zdolność ziębienia układu pompy ciepła wykozystywana jest do odwilżenia powietza pocesowego, wychodzącego z komoy suszenia osadu, natomiast zdolność gzania ma zastosowanie pzy ponownym podnoszeniu tempeatuy odwilżonego i ochłodzonego powietza, któe waca do komoy suszenia. Powietze pocesowe cykuluje w zamkniętym obiegu, co umożliwia uniezależnienie ealizacji pocesu od waunków atmosfeycznych, ekupeację enegii i hemetyzację pocesu. Schemat działania takiego układu do suszenia i higienizacji osadów ściekowych pzedstawiony został na ys. 2. Ze względu na szczególny chaakte zastosowanego jako czynnik ziębniczy dwutlenku węgla, część ciepła o wyższej tempeatuze może być wykozystana w komoze higienizacji osadu osuszonego. Dwutlenek węgla (CO 2 ) jako ziębnik kążący w zamkniętym obiegu pompy ciepła powoduje, że temodynamiczne pocesy ealizacji obiegu lewobieżnego będą ealizowane według obiegu tanskytycznego. Oznacza to, że paamety CO 2 będą pzechodzić pzez punkt kytyczny, któy dla CO 2 występuje pzy tempeatuze T c = 304,13 K i ciśnieniu p c = 7,38 MPa (Span i Wagne, 1996). W części obiegu związanej z odpaowaniem ziębnika (w paowaczu) paamety będą więc znajdowały się poniżej punktu kytycznego, a w części związanej z chłodzeniem nadkytycznej pay ziębnika (w chłodnicy) paamety będą leżały powyżej punktu kytycznego. Istotną zaletą układu z pompą ciepła funkcjonującą według obiegu tanskytycznego jest możliwość higienizacji osadu wynikająca z wysokiej tempeatuy gazu spężonego na wlocie do chłodnicy.
76 P2 chłodnica gazu Q Z2 Qg Z3 komoa higienizacji komoa suszenia mw P3 spężaka WCKH Z1 SGH Z4 Qo paowacz zawó ozpężny P1 wentylato Rys. 2 Koncepcja suszaki współpacującej z pompą ciepła (SGH doziębiacz (Suction Gas Heat Exchange); WCKH wymiennik ciepła komoy higienizacji) mw Zastosowanie w pompie ciepła natualnego ziębnika jakim jest dwutlenek węgla nie tylko umożliwia higienizację, ale pozwala ównież na likwidację bezpośedniego wpływu instalacji na powstawanie efektu cieplanianego, któy byłby związany z zastosowaniem w tym systemie tadycyjnego ziębnika np. z gupy HFC (Hydofluoocabons), jak to jest obecnie pzyjęte. Współczynnik potencjalnego wpływu na globalne ocieplenie GWP (Global Waming Potential) dla dwutlenku węgla wynosi bowiem 1, a właściwie zeo, jeśli wziąć pod uwagę watość netto dwutlenku węgla używanego jako gaz techniczny, powstający pzy okazji innych pocesów pzemysłowych (Neksa i in., 1998). Możliwość zastosowania dwutlenku węgla w tej instalacji jako altenatywy dla węglowodoów (HFC) jest niezwykle istotna w świetle nowej dyektywy 2006/40/EC Diective zakazującej w pzyszłości używania czynników ziębniczych o współczynniku GWP wyższym niż 150 w wybanych zastosowaniach. Gaz ten jest postzegany jako altenatywa dla ziębników chaakteyzujących się wysokim GWP. Dla poównania, stosowany obecnie w pompach ciepła w suszanictwie R404a ma wskaźnik GWP 25 azy większy od okeślonego jako dopuszczalny w Dyektywie 2006/40/EC. 4. Badania laboatoyjne niskotempeatuowego pocesu suszenia osadów w waunkach kontolowanej tempeatuy i wilgotności względnej W dostępnej liteatuze, dotyczącej gospodaki osadami, niewiele jest infomacji i badań dotyczących samego pocesu suszenia osadów, chaakteystyk suszenia. Aby zoptymalizować technologię suszenia oaz opisać osad jako mateiał suszony pzepowadzone zostały testy laboatoyjne dotyczące niskotempeatuowego suszenia osadów ściekowych. Póbki osadu suszone były na odpowiednio pzygotowanym stanowisku laboatoyjnym (ys. 3, 4 i 5) w waunkach kontolowanej tempeatuy i wilgotności względnej.
77 Rys. 3 Schemat stanowiska laboatoyjnego Rys. 4 Stanowisko laboatoyjne Rys. 5 Suszaka 25l typ ATM Otzymane podczas badań kzywe suszenia osadów (ys. 6 i 7) mają chaakte zgodny z typowymi chaakteystykami suszenia pzedstawianymi w liteatuze (Kowalski, 2003; Stumiłło, 1975). Można na ich pzykładzie wyóżnić początkowe stadium podgzewania mateiału, potem piewszy okes suszenia, z liniowym chaakteem ubytku wilgoci, a następnie dugi okes suszenia o stale zmniejszającej się szybkości suszenia.
78 Wilgotność osadu [%] 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 0 100 200 300 400 500 Czas [min] 60 [C] 45 [C] 75 [C] Rys. 6 Pzebieg pocesu suszenia osadów w tempeatuze: 45 o C, 60 o C lub 75 o C i stałej wilgotności względnej 20% Wilgotność osadu [%] 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 0 100 200 300 400 500 Czas [min] 45 [C] - 20% 45 [C] - 40% Rys. 7 Pzebieg pocesu suszenia osadów w tempeatuze 45 o C i wilgotności względnej: 20% i 40% W celu analitycznego opisu zależności szybkości uchu wilgoci (czasu suszenia) od waunków suszenia posłużono się teoią suszenia cienkowastwowego, w któej maksymalny stopień tansfeu wilgoci ( d dθ ) z mateiału higoskopijnego do otoczenia (lub w odwotnym kieunku) wyażony jest następująco (ASHRAE, 2005): d = C( p ) m pa dθ (1) gdzie: C stała chaakteystyczna dla mateiału; p m ciśnienie cząstkowe pay dla mateiału suszonego; p a ciśnienie cząstkowe pay dla otaczającego powietza. Jako wyjściowy model pzyjęto model pzedstawiony pzez Misę i Bookea (1980) dla kukuydzy: o N = exp( Kθ ) (2) gdzie: zawatość wilgoci w mateiale w czasie θ, odniesiona do jednostki masy suchej (tzw.: dy basis) [%]; ównowagowa zawatość wilgoci, odniesiona do jednostki masy suchej (tzw.: dy basis) [%]; o zawatość wilgoci w mateiale w czasie θ = 0 czyli na początku suszenia, odniesiona do jednostki masy suchej (tzw.: dy basis) [%]; θ czas suszenia [h]. K i N są współczynnikami zależnymi od tempeatuy, wilgotności względnej i pędkości powietza oaz od początkowej zawatości wilgoci w mateiale. Fomuły do ich obliczania mają postać (Misa i Booke, 1980): K = exp( P + R ln(1,8 t + 32) + 0,1378 w) (3) N = S ln(ϕ ) + E (4) o gdzie: P, R, S i E stałe zależne od odzaju suszonego mateiału; φ wilgotność względna powietza [%]; w pędkość powietza [m/s]. Pzekształcając zależność (2) względem θ, można obliczyć czas suszenia osadów od zadanej zawatości wilgoci do momentu uzyskania wilgotności ównowagowej lub innej pośedniej, dla óżnych waunków suszenia: 1 1 N θ = [ ln( )] (5) K o
79 Wyażenie: o = MR (6) pzedstawia stosunek wilgoci, któa została do oddania w danej chwili czasowej do całkowitej wilgoci, któa może być oddana pzez suszony mateiał. Oznaczono je jako MR (z ang. Moistue Ratio). Stosunek wilgoci MR 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 Wilgotność i tempeatua suszenia: 60% i 30 [oc] 40% i 45 [oc] 80% i 45 [oc] 20% i 45 [oc] 20% i 60 [oc] 20% i 75 [oc] 0,2 0,0 0 2 4 6 8 10 12 14 Czas suszenia [h] Rys. 8 Chaakteystyki suszenia osadów dla óżnych waunków suszenia Zależność stosunku wilgoci MR od waunków suszenia pzedstawia ys. 8. Wykes spoządzony został w opaciu o pzepowadzone badania laboatoyjne suszenia osadów ściekowych w waunkach kontolowanej tempeatuy i wilgotności względnej powietza. Widać wyaźny wpływ wilgotności względnej powietza suszącego na czas suszenia w niskich tempeatuach. Na podstawie wykonanych badań opacowano własne współczynniki: P, R, S i E do ównania (2) i (5), tak by opisywało ono poces suszenia osadów ściekowych. Ponieważ chaakte pzebiegu kzywych wyaźnie óżni się dla waunków suszenia w wysokich i niskich wilgotności względnych powietza suszącego zdecydowano się na dwie koelacje. Osobno wykonano optymalizację dla wysokich (60% i 80%) i niskich (20% i 40%) wilgotności względnych powietza suszącego. Watości stałych pzedstawia Tabela 1. Tabela 1. Watości współczynników do ównania (2) i (5) opisującego poces suszenia osadów ściekowych P R S E Wysokie wilgotności (60% i 80%) -4,457 0,303 0,0000 0,0033 Niskie wilgotności (20% i 40%) -14,291 2,718 0,0000 0,0038 Watości współczynników są w pzedziałach watości zbliżonych do pezentowanych w liteatuze watości dla kukuydzy (Misa i Booke, 1980).
80 5. Równowagowa zawatość wilgoci w osadzie Aby możliwe było obliczenie czasu suszenia osadów z zależności (5), muszą być znane waunki temiczne suszenia (tempeatua i wilgotność względna powietza suszącego) oaz watość ównowagowej zawatości wilgoci osadów ( ) czyli zawatość wilgoci w higoskopijnym mateiale pozostającym w ównowadze z otaczającym powietzem o okeślonej wilgotności względnej (ASHRAE, 2005). Ponieważ w dostępnej liteatuze dotyczącej pzedmiotu nie ma wystaczających infomacji na temat ównowagowej zawatości wilgoci w osadach, bak też jest ównań któymi można by wyliczyć tę watość dla osadów, postanowiono ozwinąć to zagadnienie. Celem dalszych testów laboatoyjnych było okeślenie zależności pomiędzy ównowagową zawatością wilgoci w osadzie, a waunkami suszenia (tempeatuą i wilgotnością względną powietza suszącego). Jako bazowe ównanie do wypowadzenia ównania okeślającego ównowagową zawatości wilgoci w osadzie suszonym w óżnych waunkach tempeatuy i wilgotności względnej pzyjęto zmodyfikowane ównanie Hendesona (ASHRAE, 2005): = 1 100 ln(1.0 ϕ) K( t C) + 1 N (7) gdzie: ównowagowa zawatość wilgoci, odniesiona do jednostki masy suchego mateiału (dy basis), wyażona jako udział [0 1]; t tempeatua, o C; φ wilgotność względna, jako udział [0 1]; K, N, C stałe empiyczne wyznaczane dla poszczególnych mateiałów suszonych. Wyniki badań laboatoyjnych, pzepowadzonych dla zakesu tempeatu powietza suszącego: od 30 o C do 70 o C i wilgotności względnej od 20% do 80%, wykozystano do opacowania współczynników empiycznych do autoskiej wesji zmodyfikowanego ównania Hendesona pozwalającej na obliczanie ównowagowej zawatości wilgoci w osadzie ściekowym: 1 ln( ) 1 ϕ ' ( osadu) = ' exp( A exp[ ((1 ϕ) D) ]) [%] (8) B 1 gdzie: (osadu) ównowagowa zawatość wilgoci w osadzie ściekowym, odniesiona do masy całkowitej osadu (wet basis) [%], ównowagowa zawatość wilgoci obliczona zmodyfikowanym ównaniem Hendesona odniesiona do masy całkowitej mateiału (wet basis) [%], t tempeatua powietza [ o C], φ wilgotność względna, jako udział [0 1], K, N, C, A, B, D współczynniki (Tabela 2). Tabela 2. Współczynniki do ównania (8) pozwalającego na obliczanie ównowagowej zawatości wilgoci w osadzie ściekowym (osadu) K N C A B D 0,001143 1,151 4,1 3,52 1,288 10,97 Rysunek 9 pezentuje zależność ównowagowej zawatość wilgoci w osadzie odniesioną do masy całkowitej osadu (wet basis) od tempeatuy i wilgotności względnej powietza. suszącego. Pzedstawione watości zostały obliczone za pomocą autoskiego ównania opacowanego na podstawie zmodyfikowanego wzouoohendesona.
81 Równowagowa zawatość wilgoci w osadzie ' (osadu) [%] 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 Tempeatua suszenia: 75 [oc] 60 [oc] 45 [oc] 30 [oc] 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Wilgotność względna powietza Rys. 9 Równowagowa zawatość wilgoci w osadzie (osadu) suszonym w óżnych waunkach tempeatuy i wilgotności względnej obliczona autoskim ównaniem opacowanym na podstawie zmodyfikowanego wzou Hendesona Otzymane kzywe wykazują podobieństwo do pzedstawionych w liteatuze kzywych dla innych mateiałów na pzykład zbóż (ASHRAE, 2005) czy ziemniaków (Kneule, 1970). Otzymane z optymalizacji watości współczynników do autoskiego wzou opacowanego na podstawie zmodyfikowanego ównania Hendesona są co do watości w pzedziałach poównywalne z watościami otzymanymi pzez innych autoów dla mateiałów o podobnym chaakteze (ASHRAE, 2005). Zmodyfikowane pzez autoów ównanie Hendesona pozwala na obliczenie ównowagowej zawatości wilgoci osadów ściekowych (osadu) w odniesieniu do masy całkowitej osadu (wet basis). Zawatość wilgoci w mateiale suszonym () można wyazić zaówno w odniesieniu do masy wilgotnego mateiału suszonego (tzw.: wet basis) - czyli na jednostkę masy wilgotnego mateiału: [kg/kg wilg. mat.], jak i w odniesieniu do masy suchej mateiału suszonego (tzw.: dy basis) - czyli na jednostkę masy suchego mateiału: [kg/kg s.m.]. W niektóych pzypadkach wygodniej jest opeować zawatością wilgoci wyażoną w pocentach [%]. Fomuły pozwalające obliczać zawatość wilgoci w odniesieniu do jednostki suchego bądź wilgotnego mateiału pezentują ównania (8) i (9) (ASHRAE, 2005; Stumiłło, 1975): ' w = [kg/kg wilg. mat.], m w m + m s. m. 100mw ' = [%] (8) m + m w s. m. m m w = [kg/kg s.m.], s.m. 100mw = [%] (9) m s. m. gdzie:, zawatość wilgoci odpowiednio: w odniesieniu do jednostki masy wilgotnego mateiału [kg/kg wilg. mat.] lub [%], w odniesieniu do jednostki masy suchego mateiału [kg/kg s.m.] lub [%]; m w ilość wody (np. w osadzie) [kg]; m s.m. ilość suchej masy (np. w osadzie) [kg].
82 Zawatość wilgoci obliczona w odniesieniu do jednostki masy suchej [%] może być pzeliczona na zawatość wilgoci w odniesieniu do jednostki masy wilgotnego mateiału [%] za pomocą następującej fomuły (ASHRAE, 2005; Stumiłło, 1975): 100 ' = [%] (10) 100 + W niektóych sytuacjach wygodniej jest używać pojęcia zawatości wilgoci wyażonej w odniesieniu do jednostki masy wilgotnego mateiału, a czasem, jak np. w pzypadku opisywania szybkości suszenia, zawatości wilgoci wyażonej w odniesieniu do jednostki masy suchej mateiału suszonego. Rys. 10 pokazuje ozzut pomiędzy watością ównowagowej zawatości wilgoci w osadzie zmiezoną podczas badań laboatoyjnych oaz watością wyliczoną zmodyfikowanym pzez autoów wzoem Hendesona. Jak wynika z poównania, 63% watości obliczonych opacowanym wzoem mieści się w ganicach ± 10% wyników otzymanych podczas badań. Kolejne analizy pokazały, że w ganicach błędu ± 15% pozostaje ponad 75% watości obliczonych wzoem, a 30% watości obliczonych opacowanym wzoem mieści się w ganicach błędu ± 5%. Bioąc pod uwagę, że mamy do czynienia z niejednoodnym mateiałem biologicznym można uznać uzyskaną dokładność za zadowalającą i wystaczającą dla celów paktycznego zastosowania. 20 18 16 Watośćć wyliczona wzoem [%] 14 12 10 8 6 4 +10% -10% 2 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Watość zmiezona [%] Rys. 10 Różnice pomiędzy watością ównowagowej zawatości wilgoci w osadzie zmiezoną podczas badań oaz watością wyliczoną opacowanym wzoem Pzepowadzone badania laboatoyjne wskazują na znaczenie wilgotności względnej powietza suszącego w pocesie suszenia. Bazując na wynikach badań szacuje się, że pzewidywane paamety pacy suszaki działającej w opaciu o pompę ciepła z CO 2 jako czynnikiem ziębniczym to tempeatua: 40-60 o C i wilgotność względna: 20-40%. 6. Modelowanie ekupeacji ciepła w instalacji suszenia z pompą ciepła działającą z dwutlenkiem węgla jako czynnikiem ziębniczym Odzwieciedleniem spawności cieplnej pocesu suszenia jaką epezentuje dany odzaj konstukcji suszaki jest wskaźnik zużycia enegii cieplnej niezbędnej dla odpaowania 1 kg wody z suszonych osadów. Pająk i Wielgosiński (2003) podają, że dla dostępnych na ynku suszaek osadów ściekowych
83 wskaźnik ten wynosi: 0,78-0,9 kwh/kg wody (czyli: 1,11-1,28 kg w /kwh). W pzypadku obiegu tanskytycznego niezwykle istotnym zagadnieniem jest optymalizacja ciśnienia końca spężania (ciśnienia w chłodnicy gazu p g ). Na konieczność optymalizacji ciśnienia w chłodnicy gazu wskazują m.in. Białko i in. (2004), a także Chen i Gu (2005). Od tej watości zależy bowiem większość paametów pompy ciepła, a także watość współczynnika efektywności enegetycznej. Do obliczenia wskaźnika SMER (Specific Moistue Extaction Rate), okeślającego ilość kg usuniętej z osadów wody pzypadającą na 1 kwh dostaczonej w tym celu enegii dla pompy ciepła z dwutlenkiem węgla jako czynnikiem ziębniczym, wykozystano pogam CoolPack wesja 1.46, opogamowanie stwozone pzez Wydział Inżynieii Mechanicznej Uniwesytetu Technicznego w Danii (http://www.et.web.mek.dtu.dk/coolpack/uk/d ownload.html) oaz CYCLE-11UA-CO 2 opacowany pzez Stevena Bown a i Piota Domańskiego (2000). Temofizyczne własności dwutlenku węgla zostały obliczone pogamem REFPROP wesja 6.01 (Mc Linden i in., 1998), na podstawie ównania stanu dla dwutlenku węgla opacowanego pzez Spana i Wagnea (1996). Celem obliczeń komputeowych była optymalizacja paametów pacy pompy ciepła ealizującej tanskytyczny obieg lewobieżny z wykozystaniem dwutlenku węgla (CO 2 ) jako ekologicznego ziębnika. Analizie poddano wpływ doziębienia i ciśnienia w chłodnicy gazu spężonego na wskaźniki enegetyczne funkcjonowania pompy ciepła oaz całej instalacji suszenia osadów ściekowych. Obliczenia komputeowe pacy pompy ciepła działającej według obiegu tanskytycznego z CO 2 pzepowadzono zmieniając kolejno watości ciśnienia w chłodnicy gazu oaz spawność temiczną doziębiacza. Do obliczeń pzyjęto następujące watości ciśnienia w chłodnicy gazu: 8 [MPa], 9 [MPa], 10 [MPa], 11,6 [MPa], 12,5 [MPa], 13,5 [MPa], 15 [MPa]. Dla tych ciśnień pzyjmowano spawność temiczną doziębiacza η Tdz w zakesie od 0 (odpowiada to obiegowi bez doziębiacza) do 0,95. Watość obliczonego wskaźnika SMER dla koncepcji suszenia osadów ściekowych w układzie z pompą ciepła z dwutlenkiem węgla jako czynnikiem ziębniczym wynosi od 3,26-2,62 [kg w /kwh] w zależności od konfiguacji pompy ciepła (ys. 11). Wskaźnik ten można okeślić jako atakcyjny w poównaniu z innymi technologiami obecnymi na ynku. 85 o C 57 62 66 73 80 92 100 108 120 134 153 tg [ o C] SMER hp sp. izentopowe; SMER hp sp. zeczywiste [kg w /kwh] 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 tempeatua gazu na tłoczeniu spężaki 85 o C tempeatua zapewniająca higienizację osadu SMER hp sp. izentopowe SMER hp sp. zeczywiste 8,5 9,0 9,5 10,0 10,5 11,6 12,5 13,5 15,0 17,0 20,0 Ciśnienie w chłodnicy gazu spężonego p g [MPa] Rys. 11 Ilość wilgoci usuwana na jednostkę enegii dostaczanej do pocesu suszenia z pompą ciepła z tanskytycznym obiegiem lewobieżnym w funkcji ciśnienia w chłodnicy gazu spężonego p g dla spężania izentopowego i zeczywistego.
84 Ważnym aspektem pzeóbki osadów, zmiezającej do dopowadzenia ich do stanu, któy nie stwaza zagożenia dla życia, zdowia ludzi lub dla śodowiska jest zniszczenie choobotwóczych oganizmów obecnych w osadzie. Dotyczy to także technologii suszenia. Jednym z czynników, któy powoduje unieszkodliwienie patogennych mikooganizmów jest odpowiednio wysoka tempeatua zapewniająca higienizację osadu. Pzy zastosowaniu pompy ciepła działającej według obiegu podkytycznego tempeatua czynnika ziębniczego byłaby zbyt niska - nie umożliwiałaby pzepowadzenia pocesu higienizacji. W obiegu tanskytycznym pzy optymalnych waunkach ciśnienia tempeatua gazu spężonego na wlocie do chłodnicy jest wystaczająco wysoka, żeby pozwolić na higienizację osadu. Na ys. 2, pzedstawiającym koncepcję suszaki współpacującej z pompą ciepła działającą z CO 2 jako czynnikiem ziębniczym, zaznaczono dodatkowy wymiennik ciepła (WCKH wymiennik ciepła komoy higienizacji), któy pokazuje możliwość pzepowadzenia higienizacji. Założono, że higienizacji podlegałyby osady upzednio wysuszone, w stopniu zależnym od potzeby wynikającej z dalszego ich zagospodaowania. Na ys. 11 pzedstawiono ganiczną watość ciśnienia gazu w chłodnicy dającą możliwość higienizacji osadu. Widać, że pzy optymalnym ciśnieniu w chłodnicy gazu tempeatua czynnika obiegowego jest na tyle wysoka, że umożliwia poces higienizacji upzednio wysuszonego osadu ściekowego, zgodnie z waunkami higienizacji podawanymi pzez Bienia (2002) czy Rosik-Dulewską (2005). 7. Wnioski Zastosowanie pompy ciepła, z CO 2 jako czynnikiem ziębniczym, do niskotempeatuowego pocesu suszenia osadów ściekowych jest altenatywą dla tadycyjnych wysokotempeatuowych i enegochłonnych metod suszenia. Istotną zaletą układu z pompą ciepła funkcjonującą według obiegu tanskytycznego jest możliwość higienizacji osadu wynikająca z wysokiej tempeatuy gazu spężonego na wlocie do chłodnicy oaz możliwość pełnej hemetyzacji pocesu suszenia eliminująca emisję związków szkodliwych i odoów do atmosfey. Pzepowadzone badania laboatoyjne wskazują na istotność wilgotności względnej powietza suszącego w pocesie suszenia. Bazując na wynikach badań można wnioskować, że pzewidywane paamety pacy suszaki działającej w opaciu o pompę ciepła z CO 2 jako czynnikiem ziębniczym to tempeatua: 40-60 o C i wilgotność względna: 30-40%. LITERATURA ASHRAE Handbook, Physiological factos in dying and stoing fam cops, Fundamentals 2005, SI Edition, Ameican Society of Heating, Refigeating and Ai-Conditioning Enginees, Chapte 11, 11:1-10. BIAŁKO B., i inni, 2004; Modelowanie współczynnika efektywności (COP) pompy ciepła ealizującej tanskytyczny obieg dwutlenku węgla, Inżynieia chemiczna i pocesowa, 25, 2004, s. 2079-2088. BIEŃ J.B., Osady ściekowe. Teoia i paktyka, Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2002. BROWN J.S., DOMAŃSKI P.A., 2000; Semitheoetical simulation model fo a tanscitical cabon dioxide mobile a/c system, SAE Intenational Congess and Exposition, Detoit, Michigan 2000, Pape no. 2000-01-0985. CHEN Y., GU J., 2005; The optimum pessue fo CO 2 tanscitical efigeation systems with intenal heat exchanges, Intenational Jounal of Refigeation 28 (2005), s. 1238-1249. FLAGA A., SCHNOTALE J., 2007; Cabon dioxide as a efigeant in a sludge dying heat pump, Mateiały 22. Miedzynaodowego Kongesu Chłodnictwa, Pekin 2007, Intenational Institute of Refigeation (IIR), ICR07-E2-210, ISBN13 978-2-913149-59-5. FLAGA-MARYAŃCZYK A., SCHNOTALE J., 2008; Badania i modelowanie chaakteystyk cieplnych niskotempeatuowego suszenia osadów ściekowych, Inżynieia i Ochona Śodowiska, 2008, t. 11, n 2, s. 149-161. HAWLADER M.N.A., CHOU S.K., CHUA K.J., 1996; A heat pump assisted closed-loop tunnel dying, Mateiały Międzyna. Sympozjum Suszanictwa 1996 (IDS 96), Tom A, s. 455-462. HEIDRICH Z., 2005; Suszenie osadów, Pzegląd komunalny, 12(171)/2005, s. 47-50.
85 KNEULE F., Suszenie, Akady, Waszawa 1970. KOWALSKI S.J., Temomechanics of Dying Pocesses, Vol. 8, Spinge, Londyn 2003. MARSH R. i inni, 2008; Assesing the feasibility of waste deived fuels with high moistue content, Mateiały 23. Międzynaodowej Konfeencji nt. Solid Waste Technology and Management, USA, Philadelphia, 2008, ISSN 1091-8043.78-87. Mc LINDEN M., i inni, 1998; NIST themodynamic and tanspot popeties of efigeants and efigeant mixtues REFPROP, Vesion 6.0. NIST Standad Refeence Database 23. MISRA M.K., BROOKER D.B., 1980; Thinlaye dying and ewetting equations fo shelled yellow con, Tansactions of ASAE (Ameican Society of Agicultual Enginees), s. 1254-1260. NEKSA P., i inni, 1998; CO 2 -heat pump wate heate: chaacteistics; system design and expeimental esults, Intenational Jounal of Refigeation, 1998, Vol. 21, No.3, s. 172-179. PAJĄK T., WIELGOSIŃSKI G., 2003; Współczesne technologie suszenia i spalania osadów ściekowych kyteia i uwaunkowania wybou technologii. Mateiały II Międzynaodowej i III Kajowej Konfeencji Naukowo Technicznej nt. Nowe spojzenie na osady ściekowe - odnawialne źódła enegii, pod edakcją Gzegoza Maliny, Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa, s. 491-500. ROSIK -DULEWSKA Cz., Podstawy gospodaki odpadami, Wydawnictwo Naukowe PWN, Waszawa 2005, s. 225-254. SPAN R., WAGNER W., 1996; A new equation of state fo cabon dioxide coveing the fluid egion fom the tiple-point tempeatue to 1100K at pessues up to 800 MPa, Jounal of Physical and Chemical Refeence Data, 1996, 25(6), s. 1514. STRUMIŁŁO Cz., Podstawy teoii i techniki suszenia, WNT, Waszawa 1975. VORONJEC D., ANTONIJEVIĆ D., 2005; Moist ai dying potential in convective dying pocesses, Mateiały Międzyna. Sympozjum Suszanictwa 1996 (IDS 96), Tom A, s. 221-228.