“Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων” 10ο Εξάμηνο – Κωδικός Μαθήματος 245 Δρ Γεώργιος Σκόδρας Επίκουρος Καθηγητής Πανεπιστήμιο Δυτικής Μακεδονίας Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Ανάκτηση αποβαλλόμενης θερμότητας

Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Ανάκτηση αποβαλλόμενης θερμότητας (Τριτογενείς πηγές θερμότητας)  Μείωση απωλειών θερμότητας από θερμές επιφάνειες  Ανάκτηση θερμότητας από θερμά ρεύματα  Διατάξεις ανάκτησης θερμότητας από θερμά ρεύματα Εναλλάκτες θερμότητας Εναλλάκτες έμμεσης εναλλαγής - ανακομιστές Ατμογεννήτριες  Αντλίες θερμότητας

Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Μείωση απωλειών θερμότητας από θερμές επιφάνειες Οι απώλειες θερμότητας μιας χημικής βιομηχανίας προς το περιβάλλον μπορούν να ταξινομηθούν σε δύο βασικές κατηγορίες  Απώλειες από θερμές επιφάνειες  Απώλειες με θερμά ρεύματα ή υλικά

Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Μείωση απωλειών θερμότητας από θερμές επιφάνειες Οι απώλειες θερμότητας από θερμές συμπαγείς επιφάνειες, όπως εξωτερικά τοιχώματα κλιβάνων, εναλλακτών θερμότητας, θερμών μηχανημάτων, σωληνώσεων κ.ο.κ. οφείλονται σε ακτινοβολία και μεταφορά θερμότητας και μπορούν να περιοριστούν σχετικά εύκολα με θερμομόνωση, προστασία από ψυχρά ρεύματα, βροχή κλπ. Ένα μέρος της θερμότητας που χάνεται μ' αυτό τον τρόπο μπορεί επίσης να ανακτηθεί. Οι απώλειες από επιφάνειες θερμών υγρών ή κόνεων, όπως μεγάλα λουτρά βαφείων ή ανοιχτά ξηραντήρια κλπ είναι περισσότερο δύσκολο να περιοριστούν. Προκειμένου περί υγρών, οι θερμικές απώλειες και απώλειες εξατμίσεως είναι μικρότερες όταν η επιφάνεια του υγρού είναι σε ηρεμία, γι' αυτό και πρέπει να αποφεύγεται η έντονη ανάδευση.

Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Στη βιβλιογραφία αναφέρεται το εξής πραγματικό παράδειγμα: Σε μια βιομηχανία η θέρμανση ενός λουτρού βαφής γινότανε με ζωντανό ατμό πιέσεως 7 atm. Ο κύκλος λειτουργίας ήταν 60 λεπτά και η κατανάλωση ατμού 900 kg/h. Στη γραμμή του ατμού τοποθετήθηκε ένας ατμομειωτήρας και η πίεση του ατμού τροφοδοσίας μειώθηκε στις 2 atm. Με τον τρόπο αυτό η ανάδευση στο λουτρό μειώθηκε και οι απώλειες από την επιφάνεια του νερού ελαχιστοποιήθηκαν. Ο κύκλος λειτουργίας μειώθηκε σε 50 λεπτά και η κατανάλωση ατμού στα 820 kg/h. δηλαδή έγινε μια οικονομία στον ατμό περίπου 9%. Ένας άλλος τρόπος που χρησιμοποιείται είναι η τοποθέτηση μικρών πλαστικών σφαιρών που επιπλέουν στην επιφάνεια του υγρού, δημιουργώντας έτσι ένα μονωτικό στρώμα που ελαττώνει τις θερμικές απώλειες και την εξάτμιση. Μείωση απωλειών θερμότητας από θερμές επιφάνειες

Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Ανάκτηση θερμότητας από θερμά ρεύματα Οι σημαντικότερες απώλειες ενέργειας μιας χημικής βιομηχανίας, είναι αναμφισβήτητα οι θερμικές απώλειες που οφείλονται σε θερμά ρεύματα ή υλικά που είτε αποβάλλονται θερμά στο περιβάλλον είτε αποθηκεύονται θερμά χάνοντας πάλι βαθμιαία τη θερμότητα τους. Τέτοια ρεύματα είναι:  Καυσαέρια  Υγρά και αέρια απόβλητα  Θερμά προϊόντα και παραπροϊόντα  Νερό ψύξεως (επιστροφές)  Διαρροές ατμού  Ατμός από εκτόνωση συμπυκνωμάτων  Συμπυκνώματα ατμού που δεν συλλέγονται κλπ.

Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Ανάκτηση θερμότητας από θερμά ρεύματα Οι μέθοδοι ανακτήσεως θερμότητας από τα κύρια θερμά ρεύματα (όπως καυσαέρια, υγρά και αέρια απόβλητα και θερμά προϊόντα και παραπροϊόντα) ανήκουν σε δύο κατηγορίες:  Ανάκτηση και χρησιμοποίηση της θερμότητας στην ίδια διεργασία (π.χ. προθέρμανση του αέρα καύσεως με τα καυσαέρια σ' ένα κλίβανο ή του αέρα καύσεως με το θερμό προϊόν σε μια κάμινο τσιμέντου).  Ανάκτηση και μεταφορά της θερμότητας σε άλλη διεργασία (π.χ. παραγωγή ατμού με τη θερμότητα των καυσαερίων). Η πρώτη κατηγορία έχει το πλεονέκτημα ότι το σύστημα ανακτήσεως λειτουργεί όταν λειτουργεί και η διεργασία. Είναι λοιπόν δυνατό να προβλεφθεί στον αρχικό σχεδιασμό της διεργασίας, η ικανοποίηση μέρους των αναγκών της σε θερμότητα με την ανάκτηση, χωρίς να υπάρχουν προβλήματα πλεονασμάτων ή ελλειμμάτων θερμότητας λόγω διακοπών λειτουργίας. Το μειονέκτημα της μεθόδου αυτής είναι ότι η θερμότητα που ανακτάται περιορίζεται από τις θερμικές ανάγκες της διεργασίας αυτής. Το μειονέκτημα αυτό δεν υπάρχει στη δεύτερη κατηγορία, όταν δηλαδή η θερμότητα που ανακτάται εξάγεται σε άλλη διεργασία. Τα προβλήματα όμως εδώ αρχίζουν όταν μια από τις δύο διεργασίες διακόψει ή μειώσει το ρυθμό λειτουργίας της οπότε και δεν υπάρχει πια ισοζύγιο θερμότητας.

Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Διατάξεις ανάκτησης θερμότητας από θερμά ρεύματα

Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Εναλλάκτες θερμότητας Οι εναλλάκτες μπορεί να είναι οι συνηθισμένοι εναλλάκτες αμέσου εναλλαγής θερμότητας σωλήνων/κελύφους (παράλληλης ή εγκάρσιας ροής) όπως και οι εναλλάκτες με πλάκες που χρησιμοποιούνται κυρίως όπου δεν υπάρχει διαθέσιμη μεγάλη διαφορά θερμοκρασίας. Και οι δύο αυτοί τύποι είναι εναλλάκτες αμέσου εναλλαγής, στους οποίους η θερμότητα μεταβιβάζεται από το θερμότερο προς το ψυχρότερο μέσο απ' ευθείας, διαμέσου ενός διαχωριστικού τοιχώματος. Διατάξεις ανάκτησης θερμότητας από θερμά ρεύματα

Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Ο αέρας που βγαίνει από ένα βιομηχανικό ξηραντήριο προθερμαίνει σ' ένα εναλλάκτη πλακών τον αέρα που πηγαίνει προς το ξηραντήριο. Ανάκτηση θερμότητας (α) σε ξηραντήριο και (β) σε εξαεριστικό απαγωγό. Προθέρμανση του εισερχόμενου αέρα με εναλλάκτες πλακών. Ένας απορροφητήρας τοποθετημένος πάνω από ένα βιομηχανικό λουτρό χρησιμοποιείται για την απομάκρυνση ατμών και αναθυμιάσεων. Ο εξερχόμενος αέρας προθερμαίνει σ’ ένα εναλλάκτη πλακών τον αέρα που παρέχεται στο χώρο εργασίας. Διατάξεις ανάκτησης θερμότητας από θερμά ρεύματα

Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Εναλλάκτες έμμεσης εναλλαγής - ανακομιστές Για την ανάκτηση θερμότητας, από ρεύματα αερίων σχετικά χαμηλής θερμοκρασίας πιο διαδεδομένοι είναι οι εναλλάκτες εμμέσου εναλλαγής, στους οποίους χρησιμοποιείται ένα τρίτο μέσο για τη μεταφορά της θερμότητας από το θερμό προς το θερμαινόμενο ρευστό. Υπάρχουν τρεις τύποι εναλλακτών εμμέσου εναλλαγής:  Εναλλάκτες ανακυκλοφορούντος ρευστού  Ανακομιστές θερμότητας  Σωλήνες θερμότητας (Heat Pipes) Διατάξεις ανάκτησης θερμότητας από θερμά ρεύματα

Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Ανάκτηση θερμότητας από τα καυσαέρια ενός κλιβάνου για προθέρμανση του αέρα καύσης με κυκλοφορία υγρού μεταφοράς θερμότητας. Εναλλάκτες ανακυκλοφορούντος ρευστού Χρησιμοποιούνται συνήθως στη βιομηχανία για ανάκτηση θερμότητας από καυσαέρια κλιβάνων ή ατμολεβητών. Η θερμότητα αυτή χρησιμοποιείται για την προθέρμανση του αέρα καύσεως. Ανακυκλοφορία ενός υγρού που παραλαμβάνει θερμότητα από τα θερμά καυσαέρια και τη μεταφέρει στον αέρα καύσεως μέσω μίας αντλίας. Διατάξεις ανάκτησης θερμότητας από θερμά ρεύματα

Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Ανακομιστές θερμότητας Είναι δύο τύπων, περιστρεφόμενης θερμαινόμενης μάζας και εναλλασσόμενης ροής. Υπάρχει ένας κύλινδρος γεμάτος με υλικό μεγάλης κατά το δυνατό θερμοχωρητικότητας τοποθετημένος σ' ένα διπλό κανάλι, έτσι ώστε ο μισός να βρίσκεται στο κανάλι των θερμών καυσαερίων και ο άλλος μισός στο κανάλι του αέρα καύσεως. Ο κύλινδρος γυρίζει αργά μεταφέροντας τη θερμότητα των καυσαερίων στον αέρα καύσεως. Ανακομιστής θερμότητας περιστρεφόμενης μάζας (γνωστός ως Ljungstrom). Διατάξεις ανάκτησης θερμότητας από θερμά ρεύματα

Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Ανακομιστές θερμότητας Οι ανακομιστές εναλλασσόμενης ροής έχουν σε δύο χωριστά διαμερίσματα υλικό μεγάλης θερμοχωρητικότητας. Τα θερμά καυσαέρια και ο θερμαινόμενος αέρας σε προκαθορισμένα χρονικά διαστήματα εναλλάσσονται περνώντας πότε από το ένα και πότε από το άλλο διαμέρισμα του ανακομιστού. Έτσι στο μισό χρόνο του κύκλου τα θερμά καυσαέρια αφήνουν στο τμήμα από το οποίο περνάνε τη θερμότητα τους, την οποία παραλαμβάνει ο θερμαινόμενος αέρας στον άλλο μισό χρόνο του κύκλου κ.ο.κ. Διατάξεις ανάκτησης θερμότητας από θερμά ρεύματα

Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Αρχή λειτουργίας σωλήνα θερμότητας Αποτελείται από ένα κοινό σωλήνα κλειστό στα άκρα, κατασκευασμένο από ευθερμαγωγό υλικό (π.χ. χαλκό). Ο σωλήνας εσωτερικά είναι επενδεδυμένος με ένα είδος πορώδους φιτιλιού και περιέχει μια ποσότητα υγρού όπως Freon, ασετόν, νερό ή άλλα υγρά. Κάθε τέτοιος σωλήνας βρίσκεται κατά το μισό μήκος του στο θερμό αέριο ή υγρό του οποίου τη θερμότητα θέλουμε να ανακτήσουμε και κατά το άλλο μισό στο ψυχρό αέριο ή υγρό το οποίο θέλουμε να θερμάνουμε. Το υγρό που βρίσκεται μέσα στο σωλήνα θερμότητας εξατμίζεται στη θερμή πλευρά και οι ατμοί πηγαίνουν προς το ψυχρό τμήμα όπου συμπυκνώνονται αποδίδοντας τη λανθάνουσα θερμότητα υγροποιήσεως. Το υγρό αυτό επιστρέφει στο θερμό τμήμα του σωλήνα με την τριχοειδή δράση των πόρων του φιτιλιού, όπου εξατμίζεται πάλι κ.ο.κ. Με τον τρόπο αυτό θερμότητα από το θερμό ρεύμα μεταφέρεται διαρκώς στο ψυχρό με τις διαδοχικές εξατμίσεις και συμπυκνώσεις του υγρού. Διατάξεις ανάκτησης θερμότητας από θερμά ρεύματα

Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Είναι ενδιαφέρον να εξηγήσουμε τον απλό τρόπο με τον οποίο γίνεται η ρύθμιση της μεταφερόμενης θερμότητας στους σωλήνες θερμότητας. Οι σωλήνες θερμότητας λειτουργούν κατά κανόνα οριζοντίως. Αν όμως πάρουν μια μικρή κλίση έτσι ώστε το θερμό μέρος να βρίσκεται υψηλότερα από το ψυχρό, αμέσως η ροή του υγρού, μέσα στους πόρους του φιτιλιού επιβραδύνεται με αποτέλεσμα να μειώνεται το ποσό της μεταφερόμενης θερμότητας. Εάν ο σωλήνας επανέλθει πάλι στην οριζόντια θέση, η ροή της θερμότητας αποκαθίσταται. Με τον τρόπο αυτό είναι σχετικά εύκολη η ρύθμιση της μεταφερόμενης θερμότητας. Διατάξεις ανάκτησης θερμότητας από θερμά ρεύματα

Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Ατμογεννήτριες Ένας άλλος τρόπος αξιοποιήσεως της θερμότητας των καυσαερίων ενός κλιβάνου, είναι η εγκατάσταση μιας ατμογεννήτριας για την παραγωγή ατμού. Με την προϋπόθεση ότι υπάρχει δυνατότητα άμεσης χρησιμοποιήσεως του παραγόμενου ατμού, αυτή είναι η απλούστερη ίσως μέθοδος ανακτήσεως της θερμότητας των καυσαερίων. Η ανάκτηση της θερμότητας από τα καυσαέρια με ατμογεννήτριες είναι από τις πιο διαδεδομένες μεθόδους και αυτό γιατί παρουσιάζει ορισμένα πλεονεκτήματα σε σύγκριση με τις άλλες μεθόδους ανακτήσεως. Διατάξεις ανάκτησης θερμότητας από θερμά ρεύματα

Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Ατμογεννήτριες Τα σπουδαιότερα από τα πλεονεκτήματα αυτά είναι:  Οι ατμογεννήτριες είναι από τις πιο συμπαγείς και περιορισμένες σε όγκο μονάδες ανακτήσεως θερμότητας επειδή ο ρυθμός μεταφοράς θερμότητας που επιτυγχάνεται είναι μεγάλος και δεν απαιτούνται μεγάλες επιφάνειες.  Το ύψος της απαιτούμενης επενδύσεως είναι συγκριτικά μικρότερο.  Ατμογεννήτριες μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε καυσαέρια πολύ μεγάλης θερμοκρασίας χωρίς προβλήματα για τα μέταλλα που χρησιμοποιούνται, επειδή η θερμοκρασία του μετάλλου παραμένει χαμηλή λόγω του νερού που εξατμίζεται εσωτερικά.  Η ατμοπαραγωγή, άρα και το ποσό της ανακτώμενης θερμότητας, μπορεί εύκολα να ρυθμιστεί. Διατάξεις ανάκτησης θερμότητας από θερμά ρεύματα

Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Αντλίες θερμότητας Είναι δυνατό, και σε αρκετές βιομηχανικές περιπτώσεις οικονομικά αποδεκτό, να "αντλήσουμε" θερμότητα από μια πηγή χαμηλότερης θερμοκρασίας προς ένα θερμαινόμενο μέσο υψηλότερης θερμοκρασίας. Η διάταξη που χρησιμοποιείται για το σκοπό αυτό ονομάζεται αντλία θερμότητας. Με την αντλία θερμότητας μπορούμε να επιτύχουμε αναβάθμιση της θερμότητας που περιέχεται σ' ένα ρεύμα αποβλήτων θερμοκρασίας 25-30°C, π.χ. ανεβάζοντας ένα μέρος της θερμότητας αυτής σε υψηλότερη θερμοκρασία (π.χ. στους 60°C) και χρησιμοποιώντας τη σε μια βιομηχανική διεργασία ή για τη θέρμανση ενός κτιρίου. Σε οικιακές εφαρμογές μια τέτοια μέθοδος μόνο σε ειδικές περιπτώσεις, όπως π.χ. όταν χρησιμοποιείται η ίδια διάταξη για θέρμανση και κλιματισμό, είναι οικονομικά αποδεκτή. Υπάρχουν όμως περιπτώσεις στη χημική βιομηχανία όπου η άντληση θερμότητας από χαμηλότερη προς υψηλότερη θερμοκρασία δίνει πολύ ικανοποιητικά οικονομικά αποτελέσματα. Σε ορισμένες αποστακτικές στήλες π.χ. η θερμότητα που αποβάλλεται στο συμπυκνωτήρα μπορεί, με τη βοήθεια μιας αντλίας θερμότητας να αναβαθμιστεί και να αποδοθεί στον αναβραστήρα.

Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Αντλίες θερμότητας Αρχή λειτουργίας αντλίας θερμότητας σε αποστακτική στήλη (α) με χρήση ψυκτικού μέσου (β) με συμπίεση των ατμών κορυφής και (γ) με εκτόνωση του υγρού του αναβραστήρα

Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Αντλίες θερμότητας (α) Το κύκλωμα του ρευστού της αντλίας θερμότητας είναι κλειστό. Χρησιμοποιείται δηλαδή ένα ξεχωριστό ψυκτικό μέσο (π.χ. Freon) το οποίο συμπιέζεται, συμπυκνώνεται αποδίδοντας τη θερμότητα του στον αναβραστήρα της αποστακτικής στήλης, στη συνέχεια εκτονώνεται και εξατμίζεται παραλαμβάνοντας θερμότητα με εναλλαγή από το συμπυκνωτήρα της στήλης. (β) Οι ίδιοι οι ατμοί από το διαχωριστήρα της κορυφής συμπιέζονται και αποδίδουν τη θερμότητα τους με εναλλάκτη στον αναβραστήρα. (γ) Το υγρό από τον αναβραστήρα εκτονώνεται, στη συνέχεια εξατμίζεται παραλαμβάνοντας θερμότητα με εναλλαγή από το συμπυκνωτήρα κορυφής και μετά την επανασυμπίεση τροφοδοτείται ως θερμός ατμός στον πυθμένα της αποστακτικής στήλης.

Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Ανάκτηση αποβαλλόμενης θερμότητας