“Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων” 10ο Εξάμηνο – Κωδικός Μαθήματος 245 Δρ Γεώργιος Σκόδρας Επίκουρος Καθηγητής.

Παρουσίαση με θέμα: "“Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων” 10ο Εξάμηνο – Κωδικός Μαθήματος 245 Δρ Γεώργιος Σκόδρας Επίκουρος Καθηγητής."— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 “Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων” 10ο Εξάμηνο – Κωδικός Μαθήματος 245 Δρ Γεώργιος Σκόδρας Επίκουρος Καθηγητής Πανεπιστήμιο Δυτικής Μακεδονίας Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Εξοικονόμηση ενέργειας σε συστήματα παραγωγής θερμότητας με καύση

2 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων ΕΞΟΙΚΟΝΟΜΗΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΕ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΚΑΥΣΗ Εξοικονόμηση Ενέργειας σε Συστήματα Καύσης  Αρχές λειτουργίας θερμαντήρων καύσης  Καύση και καυστήρες Είδη καυστήρων Χαρακτηριστικά καύσης  Απώλειες ενέργειας σε συστήματα καύσης Βαθμός απόδοσης Κατηγορίες απωλειών  Βελτιστοποίηση της περίσσειας του αέρα καύσης Επίδραση της περίσσειας του αέρα στην απόδοση Ποιοτικά συμπεράσματα για την καύση από την ανάλυση καυσαερίων Οικονομικό όφελος από τον περιορισμό της περίσσειας του αέρα καύσης

3 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων ΕΞΟΙΚΟΝΟΜΗΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΕ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΚΑΥΣΗ  Άλλες συνθήκες που επηρεάζουν την απόδοση Προθέρμανση του αέρα καύσης Απώλειες από εισροές αέρα, αποθέσεις στις επιφάνειες εναλλαγής θερμότητας, κακή προθέρμανση του καυσίμου, κακή ρύθμιση του καυστήρα, υπερβολικό ή πολύ μικρό φορτίο  Συστήματα αυτόματης ρύθμισης της περίσσειας του αέρα καύσης Διατήρηση σταθερού λόγου αέρα/καυσίμου Ρύθμιση του λόγου αέρα/καυσίμου με βάση την περιεκτικότητα των καυσαερίων σε O 2 Ρύθμιση του λόγου αέρα/καυσίμου με βάση την περιεκτικότητα των καυσαερίων τόσο σε O 2 όσο και σε CO Αυτόματη ρύθμιση του λόγου αέρα/καυσίμου

4 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Αρχές λειτουργίας θερμαντήρων καύσης Θερμαντήρες καύσης ή κλίβανοι ή φούρνοι λέγονται οι εγκαταστάσεις όπου η θερμότητα που εκλύεται από την καύση (αερίων, υγρών ή στερεών καυσίμων) χρησιμοποιείται για τη θέρμανση των προς επεξεργασία υλικών.  Κλίβανοι άμεσης θέρμανσης, όπου τα υλικά θερμαίνονται σε άμεση επαφή με τη φλόγα και τα προϊόντα της καύσης (περιστρεφόμενοι κλίβανοι κλίνκερ, ασβεστοκάμινα κλπ)  Κλίβανοι έμμεσης θέρμανσης, όπου το θερμαινόμενο υλικό δεν έρχεται σε άμεση επαφή με τη φλόγα ή τα καυσαέρια τα οποία διαχωρίζονται από το κύριο προς θέρμανση υλικό με μεταλλικό ή πυρίμαχο τοίχωμα (ατμολέβητες, εξατμιστές, δοχεία τήξεως κλπ)

5 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Αρχές λειτουργίας θερμαντήρων καύσης Οι κλίβανοι ή κάμινοι άμεσης θέρμανσης στερεών είναι η βάση πολλών βιομηχανιών, όπως τσιμεντοβιομηχανία, μεταλλουργία και υαλουργία. Στις εφαρμογές αυτές (συχνά παράλληλα με τη θέρμανση λαμβάνει χώρα και χημική αντίδραση) υπάρχουν ειδικές απαιτήσεις από τη διεργασία της καύσης, π.χ. αναγωγική ατμόσφαιρα ή μεγάλη περίσσεια αέρα, καθαρότητα προϊόντων κλπ. Οι θερμαντήρες έμμεσης θέρμανσης ρευστών (process fired heaters) έχουν ευρεία εφαρμογή στη βιομηχανία και ιδιαίτερα στη παραγωγή ενέργειας και στη βιομηχανία του πετρελαίου Το θερμαινόμενο ρευστό κυκλοφορεί σε αυλούς τοποθετημένους γύρω από την εστία, κοντά στα τοιχώματα του θαλάμου καύσης, η δε θερμότητα καύσης μεταφέρεται με συναγωγή και ακτινοβολία από τα προϊόντα της καύσης στο θερμαινόμενο ρευστό μέσω του τοιχώματος των αυλών

6 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Αρχές λειτουργίας θερμαντήρων καύσης Προθέρμανση τροφοδοσίας αποστακτικής στήλης Αναβραστήρας αποστακτικής στήλης Προθέρμανση τροφοδοσίας αντιδραστήρα Αντιδραστήρες υψηλών θερμοκρασιών (π.χ. πυρόλυσης, αναμόρφωσης, όπου λαμβάνουν χώρα συγχρόνως και χημικές αντιδράσεις) Θέρμανση ρευστού μεταφοράς θερμότητας (π.χ. Dowtherm) Χαρακτηριστικές εφαρμογές θερμαντήρων έμμεσης θέρμανσης είναι Με τη γενική έννοια, οι λέβητες παραγωγής ατμού αποτελούν μια ειδική κατηγορία θερμαντήρων καύσης, όπου το θερμαινόμενο ρευστό είναι νερό που εξατμίζεται

7 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Αρχές λειτουργίας θερμαντήρων καύσης Τα τρία βασικά λειτουργικά μέρη ενός τυπικού θερμαντήρα καύσης είναι  Ο καυστήρας  Ο χώρος κυκλοφορίας των προϊόντων καύσης (θάλαμος καύσης, περιοχή συναγωγής, καμινάδα)  Οι αυλοί κυκλοφορίας του θερμαινόμενου ρευστού

8 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Αρχές λειτουργίας θερμαντήρων καύσης Τυπική διάταξη θερμαντήρα καύσης που χρησιμοποιεί εναλλακτικά αέριο ή υγρό καύσιμο για τη θέρμανση αργού πετρελαίου καυστήρας χώρος κυκλοφορίας προϊόντων καύσης αυλοί

9 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Οι αυλοί που βρίσκονται στο χώρο καύσης και «αντικρίζουν» τη φλόγα θερμαίνονται κυρίως με ακτινοβολία από τη φλόγα και τα θερμά τοιχώματα του φούρνου Οι αυλοί που βρίσκονται μετά το χώρο καύσης, στην περιοχή όπου περνούν τα θερμά καυσαέρια πριν οδηγηθούν στην καμινάδα, θερμαίνονται κυρίως λόγω της επαφής τους με τα θερμά καυσαέρια (με συναγωγή). Ο χώρος αυτός εναλλαγής θερμότητας είναι η περιοχή συναγωγής Αρχές λειτουργίας θερμαντήρων καύσης

10 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Στο χώρο καύσης ο ρυθμός μεταφοράς θερμότητας ανά μονάδα επιφάνειας αυλών είναι πολύ υψηλότερος επειδή επικρατούν υψηλές θερμοκρασίες και μεγάλες θερμοκρασιακές διαφορές (ο ρυθμός μεταφοράς θερμότητας με ακτινοβολία είναι ανάλογος του T 4 ) Συνεπώς, παρ’ όλο που η επιφάνεια των αυλών στην περιοχή ακτινοβολίας είναι μικρότερη, μεταφέρεται εκεί περίπου το 50% της θερμότητας έναντι περίπου του 25% που μεταφέρεται στην περιοχή συναγωγής. Το υπόλοιπο 25% στους συμβατικούς φούρνους οδηγείται στην καμινάδα με τα καυσαέρια Στις σύγχρονες εγκαταστάσεις γίνεται καλύτερη εκμετάλλευση αυτής της θερμότητας με την προθήκη πρόσθετων επιφανειών εναλλαγής. Έτσι οι απώλειες από τα καυσαέρια περιορίζονται στο 10 – 15%, βελτιώνοντας το θερμικό βαθμό απόδοσης του φούρνου Αρχές λειτουργίας θερμαντήρων καύσης

11 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Αρχές λειτουργίας θερμαντήρων καύσης Οι κυριότερες διατάξεις βελτίωσης του βαθμού απόδοσης φούρνων είναι:  Τοποθέτηση πρόσθετων αυλών στο χώρο συναγωγής για προθέρμανση του ρευστού  Παραγωγή ατμού από τα καυσαέρια πριν από την είσοδο τους στην καμινάδα.  Προθέρμανση του αέρα καύσης Τέτοιες διατάξεις μπορούν να εφαρμοστούν και για τον εκσυγχρονισμό υφιστάμενων εγκαταστάσεων

12 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Αρχές λειτουργίας θερμαντήρων καύσης Τύποι κλιβάνων Δεδομένου ότι υπάρχει μεγάλη ποικιλία εφαρμογών με διαφορετικές απαιτήσεις, υπάρχει και μεγάλη ποικιλία στο σχεδιασμό των εγκαταστάσεων που γίνεται συνήθως για την συγκεκριμένη εφαρμογή Πχ. ως προς την διάταξη των αυλών διακρίνονται οι κλίβανοι σε οριζόντιων και κατακόρυφων αυλών, ως προς το εξωτερικό σχήμα σε κυλινδρικούς, ορθογωνικούς (box) και κεκλιμένης οροφής (cabin) Υπάρχουν επίσης ένας ή περισσότεροι θάλαμοι καύσης, διάφορες παραλλαγές ως προς τη διάταξη των καυστήρων (θέση, αριθμός και τύπος καυστήρα), ως προς την διάταξη της περιοχής συναγωγής κλπ.

13 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Αρχές λειτουργίας θερμαντήρων καύσης Κυριότερες κατηγορίες κλιβάνων θέρμανσης ρευστών (α) Κατακόρυφος, κυλινδρικός, χωρίς περιοχή συναγωγής (β) Κατακόρυφος, κυλινδρικός, περιοχή συναγωγής με εγκάρσια ροή (γ) Ορθογωνικός (box) με οριζόντιους αυλούς και περιοχή συναγωγής. Οριζόντιοι καυστήρες στο πίσω τοίχωμα (δ) Ορθογωνικός, οριζόντιων αυλών με δυο θαλάμους καύσης

14 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Αρχές λειτουργίας θερμαντήρων καύσης Η πιο απλή και φθηνή κατασκευή είναι η (α). Ο κλίβανος είναι όρθιος, κυλινδρικός, με τους αυλούς τοποθετημένους κατακόρυφα μπροστά από τα τοιχώματα του θαλάμου καύσης και τον καυστήρα στο δάπεδο Έχει μικρή απόδοση επειδή τα καυσαέρια εξέρχονται σε υψηλή θερμοκρασία (ίδια με αυτή του θαλάμου καύσης) και είναι οικονομικά αποδεκτός μόνο για μικρές σχετικά απαιτήσεις θερμικών φορτίων Για καλύτερη εκμετάλλευση της ενέργειας του καυσίμου είναι απαραίτητη η προσθήκη περιοχής συναγωγής (όπως στο (β), (γ), και (δ)), όπου συνήθως γίνεται προθέρμανση του τροφοδοτούμενου ρευστού Το θερμικό φορτίο και κατ’ επέκταση η απαιτούμενη επιφάνεια εναλλαγής καθορίζουν κατά βάση τον τύπο και το μέγεθος του κλιβάνου

15 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Αρχές λειτουργίας θερμαντήρων καύσης Για να επιτύχουμε καλύτερη απόδοση των επιφανειών εναλλαγής, δηλαδή μεγαλύτερη μεταφερόμενη ισχύ ανά μονάδα επιφάνειας, συνήθως επιδιώκουμε έντονο στροβιλισμό στον θάλαμο καύσης Με τον έντονο στροβιλισμό επιτυγχάνεται ομοιόμορφη θέρμανση όλων των επιφανειών, αύξηση της θερμότητας που μεταφέρεται με συναγωγή και επομένως αξιοποίηση και των επιφανειών των αυλών που βρίσκονται στο πίσω μέρος και δεν αντικρίζουν τη φλόγα ενώ παράλληλα αποφεύγονται σημεία υπερθέρμανσης Η θέση, ο αριθμός και το είδος των καυστήρων είναι πολύ σημαντικά για τον σκοπό αυτό

16 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Καύση και καυστήρες Η κατάλληλη προετοιμασία του καυσίμου Η προσαγωγή του καυσίμου και του αέρα στην επιθυμητή πίεση, παροχή και αναλογία Η ανάμειξη καυσίμου/αέρα στη σωστή θέση και θερμοκρασία ώστε να προκληθεί η ανάφλεξη και να διατηρηθεί η καύση Η μεταφορά της παραγόμενης θερμότητας προς τους αυλούς κυκλοφορίας του θερμαινόμενου ρευστού διατηρώντας παράλληλα αρκετά υψηλή θερμοκρασία στη ζώνη καύσης Ο καυστήρας έχει σκοπό να επιτύχει καλή και ασφαλή καύση, παρέχοντας παράλληλα τη δυνατότητα ελέγχου της καύσης και δημιουργίας φλόγας με τα επιθυμητά χαρακτηριστικά. Θα πρέπει να εξασφαλίζεται

17 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Καύση και καυστήρες 1.Ο σωλήνας προσαγωγής καυσίμου με το ακροφύσιο (burner gun) 2.Η διάταξη με τις θυρίδες ρύθμισης της παροχής του εισερχόμενου αέρα (air register) 3.Η πυρίμαχη επένδυση (burner tile), που κατευθύνει τον αέρα και ακτινοβολεί τη θερμότητα προς την εστία καύσης Τα κύρια μέρη ενός καυστήρα είναι

18 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Καύση και καυστήρες Τυπική διάταξη καυστήρα υγρού καυσίμου με μηχανική εκνέφωση

19 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Καύση και καυστήρες Οι λεπτομέρειες κατασκευής των καυστήρων εξαρτώνται από τον τρόπο κυκλοφορίας του αέρα, από το είδος του καυσίμου, από το επιθυμητό είδος και μέγεθος της φλόγας κλπ. Κατάταξη των καυστήρων με βάση την κυκλοφορία του αέρα  Καυστήρες φυσικής κυκλοφορίας  Καυστήρες εξαναγκασμένης κυκλοφορίας Κατάταξη των καυστήρων με βάση το καύσιμο  Καυστήρες αερίου  Καυστήρες υγρού  Σύνθετοι καυστήρες υγρού και αερίου

20 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Καύση και καυστήρες Στους καυστήρες φυσικής κυκλοφορίας, η κυκλοφορία του αέρα, δηλ. η προσαγωγή του μέσω του καυστήρα στο θάλαμο καύσης και η απαγωγή των καυσαερίων στην ατμόσφαιρα από την καμινάδα, βασίζεται στο φυσικό ελκυσμό. Ο φυσικός ελκυσμός δημιουργείται εξαιτίας της διαφοράς θερμοκρασίας στο εσωτερικό και το εξωτερικό του κλιβάνου που έχει ως συνέπεια τη μικρότερη πυκνότητα των καυσαερίων στο θάλαμο καύσης. Η διαφορά πίεσης μεταξύ του εσωτερικού και του εξωτερικού χώρου προκαλεί την εισροή του αέρα καύσης και την άνοδο των καυσαερίων στην καμινάδα.

21 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Καύση και καυστήρες Στους καυστήρες εξαναγκασμένης κυκλοφορίας, η κυκλοφορία του αέρα υποβοηθείται από ανεμιστήρες. Οι ανεμιστήρες μπορεί να είναι τοποθετημένοι πριν από τον κλίβανο, καταθλίβοντας αέρα προς τους καυστήρες, ή μετά τον κλίβανο στη βάση της καμινάδας, αναρροφώντας καυσαέρια από το θάλαμο καύσης και καταθλίβοντας τα προς την καμινάδα. Μπορεί να υπάρχει και συνδυασμός των δυο αυτών συστημάτων. Οι κλίβανοι με ανεμιστήρες κατάθλιψης έχουν κλειστά κανάλια προσαγωγής αέρα και η ρύθμιση της ροής του αέρα και της πίεσης στο θάλαμο καύσης είναι ευκολότερη.

22 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Η εγκατάσταση καναλιών προσαγωγής του αέρα και ανεμιστήρων συνεπάγεται πρόσθετη δαπάνη αλλά έχει και αρκετά πλεονεκτήματα :  Καλύτερος έλεγχος της καύσης  Καλύτερη ανάμειξη αέρα / καυσίμου και βελτίωση της καύσης  Αύξηση της τύρβης μέσα στο θάλαμο καύσης με αποτέλεσμα τη βελτίωση του ρυθμού μεταφοράς θερμότητας και της δυναμικότητας της εγκατάστασης Καύση και καυστήρες

23 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Καύση και καυστήρες 1.Καυστήρες αερίου 2.Καυστήρες υγρού 3.Σύνθετους καυστήρες υγρού και αερίου Με προανάμειξη Χωρίς προανάμειξη

24 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Καύση και καυστήρες Τυπικός καυστήρας αερίου με προ-ανάμειξη Ο ατμοσφαιρικός αέρας εισρέει στο σωλήνα ανάμειξης λόγω του κενού που δημιουργείται από τη ροή του καυσίμου μέσω ενός ακροφυσίου. Η αρχή λειτουργίας είναι ίδια με αυτή των εργαστηριακών λυχνιών Bunsen. Ο αέρας που προαναμειγνύεται με το καύσιμο πριν το στόμιο εκτόξευσης και την έναρξη της καύσης λέγεται πρωτογενής αέρας. Ο υπόλοιπος αέρας που χρειάζεται για την καύση παρέχεται από το θάλαμο καύσης γύρω από τη φλόγα εκτός του καυστήρα και λέγεται δευτερογενής. Πάνω από το 50% του αέρα προ- αναμειγνύεται με το καύσιμο. Το είδος της φλόγας καθορίζεται από την αναλογία πρωτογενούς και δευτερογενούς αέρα. Όσο αυξάνει ο πρωτογενής αέρας η φλόγα γίνεται κοντή και διάφανη.

25 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Καύση και καυστήρες Σε ένα καυστήρα προ-ανάμειξης επιτυγχάνεται πλήρης καύση με μικρή περίσσεια αέρα, η φλόγα είναι κοντή και με σχετικά σταθερό περίγραμμα. Το είδος της φλόγας εύκολα ρυθμίζεται με άνοιγμα ή κλείσιμο των θυρίδων προσαγωγής του πρωτογενούς αέρα. Επειδή η κινούσα δύναμη για την εισροή του αέρα δίδεται από το καύσιμο, ο λόγος αέρα/καυσίμου ως κάποιο σημείο αυτορυθμίζεται, δηλαδή μεγαλύτερη ροή καυσίμου αυξάνει αντίστοιχα και τη ροή του αέρα. Συνήθως αρκεί μικρή μόνο ρύθμιση του δευτερογενούς αέρα για τον έλεγχο της καύσης. Οι καυστήρες προ-ανάμειξης έχουν εν γένει μικρό λόγο μέγιστης / ελάχιστης παροχής καυσίμου επειδή η πίεση προσαγωγής του καυσίμου πρέπει να είναι ικανή να εξασφαλίσει το κενό που απαιτείται για την αναρρόφηση και ρύθμιση του αέρα καύσης αλλά και για την αποφυγή της επιστροφής της φλόγας.

26 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Καύση και καυστήρες Καυστήρας αερίου χωρίς προανάμειξη Στους καυστήρες χωρίς προ- ανάμειξη το καύσιμο και ο αέρας προσάγονται χωριστά, δεν υπάρχει δηλ. πρωτογενής αέρας. Το στόμιο εκτόξευσης του καυσίμου είναι έτσι σχεδιασμένο ώστε να δημιουργείται στροβιλισμός που υποβοηθάει την ανάμειξη. Για καλύτερη ανάμειξη χρησιμοποιούνται πολλές μικρές οπές προσαγωγής του καυσίμου, όπως στις οικιακές εστίες αερίου.

27 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Καύση και καυστήρες Καυστήρες υγρών καυσίμων Τα υγρά καύσιμα καίγονται αφού πρώτα εξαερωθούν. Σε μικρούς καυστήρες που καίνε ελαφρά κλάσματα η εξαέρωση μπορεί να γίνει άμεσα, όπως στις θερμάστρες πετρελαίου. Στους βιομηχανικούς καυστήρες που συνήθως καίνε βαριά κλάσματα (μαζούτ) χρησιμοποιείται κάποιο μέσο για να εκνεφωθεί πρώτα το καύσιμο σε λεπτές σταγόνες (atomization). Με τον τρόπο αυτό αυξάνει η επιφάνεια και υποβοηθείται η εξάτμιση και η ανάμειξη του καυσίμου με τον αέρα.

28 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Καύση και καυστήρες Καυστήρας υγρού καυσίμου. Διασπορά με ατμό (Α) Εκνεφωτής, (Ο) Ακροφύσια Η συνηθέστερη μέθοδος εκνέφωσης σε βιομηχανικούς κλιβάνους είναι με χρήση ατμού. Ο υπέρθερμος ατμός και το καύσιμο αναμειγνύονται καθώς διοχετεύονται μέσω ακροφυσίων στον εκνεφωτή (Α) όπου λόγω εκτόνωσης και στροβιλισμού, το καύσιμο διασκορπίζεται σε σταγονίδια σχηματίζοντας γαλάκτωμα με τον ατμό. Στη συνέχεια το γαλάκτωμα εκτοξεύεται με μεγάλη ταχύτητα μέσω των ακροφυσίων (Ο) στο θάλαμο καύσης, όπου με την απότομη εκτόνωση του ατμού δημιουργείται στροβιλισμός που βοηθάει την εξάτμιση και ανάμειξη με τον αέρα καύσης.

29 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Καύση και καυστήρες Διάταξη αποθήκευσης και προθέρμανσης καυσίμου Σε έναν καυστήρα υγρών καυσίμων το υγρό καύσιμο πρέπει να έχει σχετικά μικρό και ελεγχόμενο ιξώδες. Εάν πρόκειται να καεί μαζούτ θα πρέπει να υπάρχει σύστημα προθέρμανσης του καυσίμου.

30 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Καύση και καυστήρες Σύνθετοι καυστήρες αερίων και υγρών καυσίμων Στους περισσότερους φούρνους υπάρχει η δυνατότητα καύσης εναλλακτικά ή/και παράλληλα υγρών και αερίων καυσίμων. Οι καυστήρες μπορούν να είναι ανεξάρτητοι ή σύνθετοι.

31 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Καύση και καυστήρες Σύνθετος καυστήρας αερίου και υγρού καυσίμου Ένας σύνθετος καυστήρας έχει δύο μέρη: έναν καυστήρα αερίου και έναν υγρού, ενσωματωμένους στο ίδιο κέλυφος. Ο σωλήνας προσαγωγής του μίγματος του αερίου καυσίμου με τον πρωτογενή αέρα περιβάλλει τον σωλήνα προσαγωγής του γαλακτώματος του υγρού καυσίμου.

32 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Καύση και καυστήρες Ειδικοί τύποι καυστήρων Ορισμένες εφαρμογές έχουν ειδικές απαιτήσεις για το μηχανισμό μεταφοράς θερμότητας και την κατανομή θερμοκρασίας στο θάλαμο καύσης. Η απ’ ευθείας ακτινοβολία της φλόγας προς τους αυλούς κυκλοφορίας του θερμαινόμενου ρευστού π.χ. έχει ως συνέπεια την ανομοιόμορφη θέρμανση των αυλών. Το εμπρός μέρος των αυλών, που αντικρίζει τη φλόγα, υπερθερμαίνεται ενώ το πίσω, επειδή έχει σχετικά μικρή θερμοκρασία, δεν συμβάλλει όσο θα μπορούσε στη μεταφορά θερμότητας. Τέτοια ανομοιομορφία δεν είναι ανεκτή όταν στους αυλούς λαμβάνουν χώρα αντιδράσεις που απαιτούν καλό έλεγχο της θερμοκρασίας (π.χ. αναμόρφωση ή πυρόλυση υδρογονανθράκων). Για αυτού του τύπου τις εφαρμογές έχουν αναπτυχθεί οι καυστήρες ακτινοβολίας τοιχώματος των οποίων η φλόγα, αντί να αναπτύσσεται μέσα στο θάλαμο καύσης κάθετα προς τα τοιχώματα, είναι κοντή και πλατιά και κατευθύνεται παράλληλα προς ειδικά κεραμικά τοιχώματα τα οποία θερμαίνει ώστε αυτά να εκπέμπουν δευτερογενώς ακτινοβολία στο θάλαμο καύσης. Είναι καυστήρες αερίου, μικρής ισχύος και τοποθετούνται σε πολλά σημεία ώστε να εξασφαλίζεται ομοιόμορφη θέρμανση του χώρου.

33 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Ειδικοί τύποι καυστήρων Μια άλλη κατηγορία ειδικών καυστήρων είναι οι καυστήρες καθυστερημένης ανάμειξης. Οι καυστήρες αυτοί είναι καυστήρες αερίου και χρησιμοποιούνται όταν απαιτούνται μακριές και φωτεινές φλόγες όπως π.χ. σε ένα μακρύ και στενό χώρο καύσης. Μακριές φλόγες σχηματίζονται όταν η ανάμειξη αέρα/καυσίμου γίνεται σταδιακά με διάχυση (φλόγες διάχυσης). Το καύσιμο εκτοξεύεται χωρίς στροβιλισμό και ο αέρας προσάγεται περιμετρικά περιβάλλοντας την κυλινδρική δέσμη του καυσίμου. Έτσι, στην περίμετρο της φλόγας υπάρχει περίσσεια οξυγόνου ενώ στον άξονα δεν υπάρχει οξυγόνο με αποτέλεσμα το καύσιμο να διασπάται δημιουργώντας αιθάλη, η οποία βεβαίως καίγεται στη συνέχεια καθώς φτάνει στην εξωτερική περιοχή της φλόγας. Η παρουσία αυτή των σωματιδίων άνθρακα δίνει στη φλόγα το κίτρινο χρώμα της και αυξάνει την ακτινοβολία της. Καύση και καυστήρες

34 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Καύση και καυστήρες Καύση στερεών καυσίμων Η καύση των στερεών καυσίμων είναι δυσκολότερη επειδή  απαιτείται περισσότερος χρόνος για να ολοκληρωθεί,  πρέπει να προβλεφθεί σύστημα απομάκρυνσης της τέφρας, και  τα προϊόντα της καύσης δεν είναι τόσο καθαρά Η καύση κομματιών άνθρακα σε ακίνητη ή κινητή σχάρα, που ήταν η επικρατούσα μέθοδος προ του 1970, βαθμιαία περιορίζεται καθώς αναπτύσσεται η τεχνολογία καύσης κονιοποιημένου άνθρακα. Εστίες στροβιλισμού (κυκλώνες) και καύση σε ρευστοποιημένες κλίνες είναι παραδείγματα των νέων τεχνολογιών καύσης στερεών καυσίμων.

35 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Καύση και καυστήρες Η διαδικασία καύσης ενός στερεού καυσίμου, είτε σε σκόνη είτε σε εσχάρα, απαιτεί τα εξής βήματα  Προπαρασκευή του καυσίμου (θραύση, ξήρανση, ανάμειξη)  Προσαγωγή του καυσίμου στο χώρο καύσης  Καύση  Απομάκρυνση της τέφρας Για καθένα από τα παραπάνω βήματα έχει αναπτυχθεί ένας αριθμός διαφορετικών μεθόδων ανάλογα με το είδος του καυσίμου, το μέγεθος της εγκατάστασης, τις απαιτήσεις της διεργασίας και τους περιορισμούς εκπομπών ρύπων.

36 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Καύση και καυστήρες Καύση στερεών καυσίμων Ο μηχανισμός καύσης του άνθρακα διαφέρει ανάλογα με το είδος του άνθρακα και το σύστημα καύσης που χρησιμοποιείται. Γενικά, καθώς το στερεό θερμαίνεται, απομακρύνεται πρώτα η υγρασία και στη συνέχεια τα πτητικά συστατικά που καίγονται με φλόγα γύρω από το στερεό. Ο άνθρακας που απομένει (κωκ) παρουσιάζει συνήθως πορώδη δομή δεδομένου ότι έχει τον ίδιο ή/και μεγαλύτερο όγκο με το αρχικό καύσιμο. Ανάλογα με τη θερμοκρασία και τη διαθεσιμότητα του οξυγόνου η καύση γίνεται απ’ ευθείας προς διοξείδιο του άνθρακα με το σχηματισμό πρώτα στην επιφάνεια του άνθρακα μονοξείδιο, το οποίο στη συνέχεια καθώς διαχέεται προς τα έξω καίγεται στην αέρια φάση προς διοξείδιο.

37 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Καύση και καυστήρες Χαρακτηριστικά καύσης Το είδος και η ποιότητας καύσης καθορίζονται από τη συνδυασμένη δράση των παραμέτρων  Χρόνος  Θερμοκρασία  Στροβιλισμός Ο σχεδιασμός του καυστήρα επιδρά σε αυτές ακριβώς τις παραμέτρους.

38 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Καύση και καυστήρες Χρόνος Θα πρέπει να δοθεί αρκετός χρόνος ώστε  ο αέρας και το καύσιμο να φθάσουν στη θερμοκρασία ανάφλεξης,  να ολοκληρωθούν οι αντιδράσεις καύσης σε υψηλή θερμοκρασία πριν απομακρυνθούν τα καυσαέρια από την περιοχή της φλόγας και πέσει η θερμοκρασία τους λόγω απαγωγής θερμότητας προς τα ψυχρά τοιχώματα του θαλάμου καύσης. Για να εξασφαλιστεί ο απαιτούμενος χρόνος παραμονής στην περιοχή καύσης δημιουργείται συνήθως, με κατάλληλη διαμόρφωση του στομίου ή του χώρου γύρω από το στόμιο εκτόξευσης του καυστήρα, στροβιλισμός και επαναφορά των θερμών καυσαερίων προς τη βάση φλόγας, πριν απομακρυνθούν από τη ζώνη καύσης. Όσο μικρότερη είναι η περίσσεια αέρα τόσο πιο έντονη ανακυκλοφορία απαιτείται ώστε να εξασφαλίζεται αρκετός χρόνος παραμονής και πλήρης καύση.

39 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Καύση και καυστήρες Είναι σημαντικό το καύσιμο και ο αέρας που προσάγονται προς καύση να βρεθούν σε περιβάλλον υψηλής θερμοκρασίας ώστε οι αντιδράσεις καύσης να διεξαχθούν ομαλά και με ικανοποιητική ταχύτητα. Η θερμοκρασία της φλόγας είναι τόσο χαμηλότερη όσο 1.Λιγότερη είναι η εισρέουσα θερμότητα (θερμότητα καύσης και θερμότητα προσαγωγής καυσίμου-αέρα) 2.Περισσότερη είναι θερμότητα που απομακρύνεται λόγω ακτινοβολίας προς τα τοιχώματα του θαλάμου καύσης Θερμοκρασία

40 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Καύση και καυστήρες Ως εκ τούτου, το πρόβλημα διατήρησης της απαιτούμενης θερμοκρασίας για ομαλή καύση είναι εντονότερο όταν  Το καύσιμο έχει μικρή θερμογόνο δύναμη  Το καύσιμο έχει μεγάλη περιεκτικότητα σε υγρασία, οπότε μεγάλα ποσά θερμότητας απαιτούνται για την εξάτμιση της υγρασίας  Η θερμοκρασία προσαγωγής του αέρα (και συνεπώς και του καυσίμου) είναι χαμηλή  Ο θάλαμος καύσης είναι ψυχρός Θερμοκρασία Ο σχεδιασμός του καυστήρα θα πρέπει να εξασφαλίζει τη διατήρηση υψηλής θερμοκρασίας στην περιοχή της φλόγας. Αυτό επιτυγχάνεται με  Επαναφορά των θερμών καυσαερίων στη βάση της φλόγας  Θέρμανση σωμάτων, τα οποία τοποθετούνται κοντά στο στόμιο του καυστήρα και θερμαίνονται δρώντας ως συσσωρευτές θερμότητας.

41 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Ο στροβιλισμός βοηθάει την καύση με δυο μηχανισμούς  Συμβάλλει στην καλύτερη ανάμιξη του καυσίμου και του αέρα  Προκαλεί τη ανακυκλοφορία των θερμών καυσαερίων στη βάση της φλόγας ώστε να επιτυγχάνεται υψηλή θερμοκρασία και να παρατείνεται ο χρόνος παραμονής Παράλληλα, η δημιουργία έντονης τύρβης στο θάλαμο καύσης είναι επιθυμητή επειδή αποφεύγονται τοπικές υπερθερμάνσεις και αυξάνει η θερμότητα που μεταφέρεται με συναγωγή προς τους αυλούς κυκλοφορίας του θερμαινόμενου ρευστού. Στροβιλισμός Καύση και καυστήρες

42 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Καύση και καυστήρες  Μορφή και σταθερότητα φλόγας (stability)  Λόγος μέγιστης προς ελάχιστη παροχή (turndown ratio)  Ώθηση  Θόρυβος Σημαντικά χαρακτηριστικά ενός καυστήρα

43 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Καύση και καυστήρες Μορφή και σταθερότητα φλόγας Η φλόγα καταλαμβάνει περίπου το χώρο όπου συμβαίνουν οι αντιδράσεις καύσης. Λόγω της εκλυόμενης θερμότητας, η θερμοκρασία είναι υψηλή και ένα μεγάλο μέρος της ακτινοβολούμενης θερμότητας βρίσκεται στην ορατή περιοχή του φάσματος και συνεπώς το περίγραμμα της φλόγας είναι ορατό. Το μέτωπο μιας σταθερής φλόγας φαίνεται να είναι αμετακίνητο επειδή η ταχύτητα με την οποία διαδίδεται η καύση προς το στόμιο εκτόξευσης είναι ίση και αντίστροφη προς την ταχύτητα με την οποία κινείται προς τα έξω το μείγμα αέρα/καυσίμου. Όταν η ταχύτητα ροής αυξηθεί υπερβολικά ώστε να υπερβεί την ταχύτητα διάδοσης της καύσης, η φλόγα παρασύρεται μακριά από το στόμιο εκτόξευσης του καυστήρα. Αντίστροφα, στους καυστήρες όπου γίνεται προανάμειξη καυσίμου/αέρα, όταν ελαττωθεί πολύ η ταχύτητα ροής είναι δυνατόν η φλόγα να επιστρέψει μέσα στο σωλήνα εκτόξευσης του μείγματος αέρα/καυσίμου (flash back).

44 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Καύση και καυστήρες Μορφή και σταθερότητα φλόγας Η ταχύτητα διάδοσης της φλόγας εξαρτάται κυρίως από Το είδος του καυσίμου Τη θερμοκρασία Τη διαθεσιμότητα του οξυγόνου Συνεπώς, παράμετροι όπως Ο τρόπος ανάμειξης και η αναλογία αέρα/καυσίμου Η απαγωγή θερμότητας προς το περιβάλλον Η προθέρμανση του αέρα, κλπ επιδρούν στην ταχύτητα της φλόγας.

45 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Καύση και καυστήρες Μορφή και σταθερότητα φλόγας Διακρίνονται δυο ειδών φλόγες  Η γραμμική ή στρωτή, που είναι ομαλή με σταθερό περίγραμμα  Η τυρβώδης, όπου το μέτωπο καύσης αλλάζει συνεχώς μορφή Στους σύγχρονους καυστήρες μεγάλης απόδοσης δημιουργείται έντονος στροβιλισμός και τυρβώδης φλόγα. Πολύ σπάνια και σε ειδικές εφαρμογές χρησιμοποιούνται φλόγες στρωτής ροής.

46 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Καύση και καυστήρες Μορφή και σταθερότητα φλόγας Με τον κατάλληλο σχεδιασμό του καυστήρα μπορεί να επιτευχθεί το επιθυμητό σχήμα φλόγας. Η ταχύτητα προσαγωγής καυσίμου και αέρα και ο τρόπος ανάμειξης είναι οι κυριότερες παράμετροι που καθορίζουν το είδος της φλόγας. Καλή ανάμειξη που προκαλείται όταν υπάρχει έντονος στροβιλισμός και μεγάλες ταχύτητες  κοντές και φουντωτές φλόγες Ασθενής στροβιλισμός, καθυστερημένη ανάμειξη και μικρές ταχύτητες  μακριές, λεπτές και ήρεμες φλόγες Δεν υπάρχουν γενικοί κανόνες για το ποιο σχήμα φλόγας είναι επιθυμητό. Γενικά, δεν επιτρέπεται οι φλόγες να φθάνουν στα ψυχρά τοιχώματα ή τους αυλούς για να  Μην υπάρχει τοπική υπερθέρμανση και φθορά του αυλού ή/και διάσπαση του θερμαινόμενου ρευστού που κυκλοφορεί στους αυλούς  Αποφεύγεται ο σχηματισμός αιθάλης λόγω της απότομης ψύξης των καυσαερίων που έρχονται σε επαφή με τα ψυχρά τοιχώματα πριν την ολοκλήρωση των αντιδράσεων καύσης.

47 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Καύση και καυστήρες Μορφή και σταθερότητα φλόγας Ο καυστήρας θα πρέπει να είναι σε θέση να διατηρεί την καύση υπό δυσμενείς συνθήκες, δηλαδή σε χώρο κρύο και μικρών διαστάσεων. Στους καυστήρες σταθερής καύσης, που έχουν τη δυνατότητα διατήρησης της φλόγας σε στενούς και ψυχρούς χώρους, χρησιμοποιούνται διάφορες διατάξεις σταθεροποίησης. Συνήθως τοποθετείται γύρω από το στόμιο κεραμικό υλικό που περιβάλλει τη βάση της φλόγας, π.χ. μια πλάκα που φέρει κυλινδρική ή κωνική οπή στο βάθος της οποίας απολήγει το ακροφύσιο του καυστήρα. Το κεραμικό θερμαίνεται γρήγορα και διατηρεί υψηλή θερμοκρασία γύρω από το ακροφύσιο. Ένας άλλος τρόπος βελτίωσης της σταθερότητας είναι η τοποθέτηση μεταλλικών σωμάτων μπροστά από το ακροφύσιο τα οποία εμποδίζουν την απομάκρυνση των θερμών καυσαερίων και τα αναγκάζουν να επιστρέψουν προς τη βάση της φλόγας.

48 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Καύση και καυστήρες Λόγος μέγιστης προς ελάχιστη παροχή Για κάθε στόμιο εκτόξευσης υπάρχει μια μέγιστη παροχή καυσίμου πέραν της οποίας η ταχύτητα γίνεται μεγαλύτερη από την ταχύτητα διάδοσης της φλόγας με αποτέλεσμα να παρατηρείται παράσυρση της φλόγας μακριά από το στόμιο. Αλλά και η ελάττωση της παροχής δεν μπορεί να υπερβεί κάποια όρια. Σε καυστήρες προανάμειξης πολύ μικρή παροχή μπορεί να επιτρέψει την υποχώρηση της φλόγας μέσα στο σωλήνα εκτόξευσης (flash back). Αυτό αντιμετωπίζεται με ψύξη του ακροφυσίου τη χρησιμοποίηση περισσότερων ακροφυσίων μικρότερης διαμέτρου την παρεμβολή μεταλλικού πλέγματος που εμποδίζει τη μετάδοση της φλόγας μέσα στο σωλήνα (φλογοπαγίδες). Γενικά, ενώ είναι επιθυμητή η υψηλή θερμοκρασία στην περιοχή ανάπτυξης της φλόγας, ο καυστήρας και ιδιαίτερα το στόμιο εκτόξευσης δεν πρέπει να θερμαίνονται επειδή σε υψηλές θερμοκρασίες το καύσιμο τείνει να διασπαστεί και να σχηματίσει αποθέσεις που αποφράσσουν το ακροφύσιο.

49 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Καύση και καυστήρες Λόγος μέγιστης προς ελάχιστη παροχή Μεγάλος λόγος μέγιστης / ελάχιστης παροχής είναι επιθυμητός στους κλιβάνους διακοπτόμενης λειτουργίας ώστε να περιορίζεται ο χρόνος προθέρμανσης κατά την εκκίνηση. Ξεκινάμε δηλαδή με μεγάλη παροχή καυσίμου και όταν επιτευχθούν οι επιθυμητές συνθήκες ελαττώνεται η παροχή στα επίπεδα που απαιτούνται για την κανονική λειτουργία. Συχνά χρησιμοποιούνται περισσότεροι καυστήρες και διακόπτεται η λειτουργία μερικών όταν απαιτείται μικρή ισχύς. Στους κλιβάνους συνεχούς λειτουργίας οι απαιτήσεις σε ενέργεια μεταβάλλονται λίγο και ο λόγος μέγιστης / ελάχιστης παροχής δεν είναι από τα κρίσιμα χαρακτηριστικά για την επιλογή καυστήρα.

50 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Καύση και καυστήρες Ώθηση Στις περισσότερες εφαρμογές είναι επιθυμητή έντονη ανάμειξη και δημιουργία τυρβώδους ροής στο θάλαμο καύσης ώστε να επιτυγχάνεται  Ομοιόμορφη θερμοκρασία και αποφυγή τοπικών υπερθερμάνσεων  Αποφυγή διαστρωμάτωσης ή ακινητοποίησης των καυσαερίων στις λιγότερο προσιτές περιοχές  Καλή κυκλοφορία και κατά το δυνατόν ομοιόμορφος χρόνος παραμονής των καυσαερίων  Αύξηση του συντελεστή μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή έτσι ώστε να αξιοποιείται ολόκληρη η επιφάνεια των αυλών και να μην παρατηρείται μεγάλη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ της εμπρός επιφάνειας των αυλών που αντικρίζει τη φλόγα και της πίσω επιφάνειας

51 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Καύση και καυστήρες Ώθηση Η επιθυμητή σχέση Θερμότητα που μεταφέρεται με συναγωγή / Θερμότητα που μεταφέρεται με ακτινοβολία εξαρτάται από τη συγκεκριμένη εφαρμογή. Κατά τη θέρμανση στερεών, π.χ. μεταλλικών ή κεραμικών αντικειμένων τοποθετημένων σε τελάρα μέσα στο φούρνο, τα καυσαέρια πρέπει να διεισδύσουν στο εσωτερικό του φορτίου, μεταξύ των θερμαινόμενων αντικειμένων όπου και μεταφέρουν θερμότητα κατά κύριο λόγο με συναγωγή. Συνεπώς, πρέπει να έχουν μεγάλη παροχή και ορμή.

52 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Καύση και καυστήρες Θόρυβος Η δημιουργία τύρβης είναι γενικά επιθυμητή γα την καλή καύση, την ομοιόμορφη θέρμανση του φορτίου αλλά και τη βέλτιστη μεταφορά θερμότητας. Έχει όμως σαν αποτέλεσμα την εμφάνιση θορύβου που είναι εντονότερος στους σύγχρονους καυστήρες ταχείας καύσης και μεγάλης ώθησης. Διακρίνονται δυο κύριες πηγές θορύβου  Ο θόρυβος ροής, που προκαλείται από την εκτόξευση υπό ηχητική ταχύτητα του καυσίμου ή/και του αέρα μέσω του ακροφυσίου. Ο θόρυβος αυτός είναι υψηλής συχνότητας.  Ο θόρυβος καύσης, που προκαλείται από την απότομη εκτόνωση των αερίων της καύσης. Εμφανίζεται σε τυρβώδεις φλόγες με μετακινούμενο μέτωπο. Η συχνότητα αυτού του θορύβου είναι χαμηλότερη.

53 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Θόρυβος Για την αποφυγή του θορύβου, ανάλογα και με την πηγή του, μπορεί να γίνει διεύρυνση των αγωγών κυκλοφορίας ή αλλαγή στον τύπο του καυστήρα. Επίσης είναι δυνατόν να περιοριστεί στο χώρο καύσης και να αποσβεστεί με Την κατάλληλη μόνωση Επένδυση των τοιχωμάτων με υλικά που απορροφούν τα ηχητικά κύματα Την κατάλληλη διαμόρφωση των διόδων των αερίων και του εσωτερικού χώρου του κλιβάνου Καύση και καυστήρες

54 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Απώλειες ενέργειας σε συστήματα καύσης Βαθμός απόδοσης Ως συνολικός βαθμός απόδοσης συστήματος παραγωγής θερμότητας με καύση ορίζεται το πηλίκο της ωφέλιμης θερμότητας που παραλαμβάνεται από το σύστημα δια της συνολικής ενέργειας που προσδίδεται σε αυτό. Ο ορισμός ισχύει ανεξάρτητα εάν η παραγόμενη θερμότητα αξιοποιείται επί τόπου πρωτογενώς ή μεταφέρεται (π.χ. ατμός) για να χρησιμοποιηθεί αλλού. Ο θερμικός βαθμός απόδοσης ορίζεται ως το πηλίκο του συνόλου της θερμότητας που παραλαμβάνεται (εξέργεια και ανέργεια) δια του συνόλου της ενέργειας που προσδίδεται (εξέργεια και ανέργεια): όπουΣ Εεξ :άθροισμα διαφόρων μορφών χρήσιμης ενέργειας που αποδίδει το σύστημα Σ Εεισ :άθροισμα διαφόρων μορφών ενέργειας που προσδίδεται στο σύστημα

55 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Απώλειες ενέργειας σε συστήματα καύσης Το πηλίκο της παραλαμβανόμενης εξέργειας δια της εξέργειας που προσδίδεται στο σύστημα δίνει τον εξεργειακό βαθμό απόδοσης: όπουΣ δ,Εεξ :σύνολο εξέργειας των χρήσιμων εκροών Σ δ,Εεισ :σύνολο εξέργειας όλων των μορφών ενέργειας που εισρέουν στο σύστημα

56 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Απώλειες ενέργειας σε συστήματα καύσης Βαθμός απόδοσης Σε ένα σύστημα παραγωγής θερμότητας με καύση προσδίδεται κατά κύριο λόγο χημική ενέργεια (του καυσίμου). Για τον υπολογισμό του γενικού βαθμού απόδοσης της μονάδας, στην ενέργεια που προσδίδεται με το καύσιμο προστίθενται:  Η αισθητή θερμότητα του καυσίμου στη θερμοκρασία που παρέχεται στο σύστημα  Η ηλεκτρική ενέργεια που καταναλώνεται στην αντλία του καυσίμου στους ανεμιστήρες προωθήσεως ή ελκυσμού του αέρα καύσης (αν υπάρχουν)  Η θερμότητα του ατμού διασκορπισμού του καυσίμου, κλπ. Η διαφορά μεταξύ της ενέργειας (ή εξέργειας) που προσδίδεται και της ενέργειας (ή εξέργειας) που παραλαμβάνεται εκφράζει το σύνολο των απωλειών ενέργειας στο σύστημα. Για να αυξήσουμε το βαθμό απόδοσης πρέπει να μειώσουμε τις απώλειες.

57 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Απώλειες ενέργειας σε συστήματα καύσης Τυπικό ενεργειακό διάγραμμα θερμαντήρα καύσης (Διάγραμμα Sankey του ισοζυγίου ενέργειας)

58 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Απώλειες ενέργειας σε συστήματα καύσης

59 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Απώλειες ενέργειας σε συστήματα καύσης Κατηγορίες απωλειών Σε οποιοδήποτε σύστημα παραγωγής θερμότητας με καύση, οι απώλειες οφείλονται στις αναντιστρεπτότητες της διεργασίας και στις θερμικές απώλειες προς το περιβάλλον. Οι αναντιστρεπτότητες της διεργασίας είναι «αφανείς απώλειες», με την έννοια ότι δεν επηρεάζουν το θερμικό ισοζύγιο της μονάδας, αλλά μόνο την ποιότητα της θερμότητας που παραλαμβάνεται. Διακρίνονται στις αναντιστρεπτότητες της καύσης και στις αναντιστρεπτότητες μετάδοσης θερμότητας (λόγω θερμοκρασιακής διαφοράς που πρέπει οπωσδήποτε να υπάρχει για τη ροή θερμότητας).

60 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Απώλειες ενέργειας σε συστήματα καύσης Κατηγορίες απωλειών Οι αναντιστρεπτότητες της καύσης μπορεί να μειωθούν με την προθέρμανση του αέρα που επιτρέπει υψηλότερες θερμοκρασίες φλόγας και παραλαβή της παραγόμενης θερμότητας σε υψηλότερη θερμοκρασία, άρα με περισσότερη εξέργεια. Οι αναντιστρεπτότητες κατά τη μετάδοση θερμότητας μπορούν να μειωθούν αν υπάρχει μικρότερη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ της πηγής θερμότητας και του θερμαινόμενου υλικού. Στην περίπτωση μετάδοσης θερμότητας μέσω τοιχώματος, αυτό επιτυγχάνεται με τη μείωση της θερμικής αντίστασης του τοιχώματος (καθαρές επιφάνειες, ευθερμαγωγά υλικά, κλπ.).

61 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Απώλειες ενέργειας σε συστήματα καύσης Κατηγορίες απωλειών Οι θερμικές απώλειες προς το περιβάλλον οφείλονται σε απώλειες από τα καυσαέρια και σε απώλειες από τα εξωτερικά τοιχώματα. Οι απώλειες από τα καυσαέρια είναι συνήθως μεγαλύτερες από όλες συνολικά τις άλλες απώλειες του κλιβάνου. Μπορούν να ταξινομηθούν  Στη θερμότητα που απάγουν τα ξηρά καυσαέρια  Στη θερμότητα που απάγουν οι υδρατμοί (αισθητή και λανθάνουσα)  Στις απώλειες που οφείλονται στην ατελή καύση (όταν υπάρχει CO ή άκαυστος άνθρακας στα καυσαέρια) Οι υδρατμοί που υπάρχουν στα καυσαέρια προέρχονται από  Το υδρογόνο του καυσίμου  Την υγρασία του καυσίμου  Την υγρασία του αέρα καύσης

62 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Απώλειες ενέργειας σε συστήματα καύσης Κατηγορίες απωλειών Από τις απώλειες με τα καυσαέρια, ορισμένες μπορούν να μειωθούν σχετικά εύκολα, π.χ. οι απώλειες που οφείλονται στη θερμότητα που απάγει η περίσσεια αέρα (ελαχιστοποιούνται με τη σωστή ρύθμιση του αέρα). Άλλες απώλειες είναι αναπόφευκτες και είναι αδύνατον να μειωθούν, όπως π.χ. η θερμότητα που απάγει το νερό που προέρχεται από το υδρογόνο του καυσίμου. Άλλες απώλειες τέλος, θα μπορούσαν να μειωθούν αλλά είναι οικονομικά και ενεργειακά ασύμφορο, π.χ. η θερμότητα που απάγεται με το νερό που προέρχεται από την υγρασία του καυσίμου, ή την υγρασία του αέρα καύσης, δεδομένου ότι η απομάκρυνση της υγρασίας αυτής είναι πιθανόν να στοιχίζει περισσότερο από την τελική οικονομία που θα επιτευχθεί. Οι θερμικές απώλειες από τα τοιχώματα οφείλονται σε θερμική ακτινοβολία και μεταφορά θερμότητας προς το περιβάλλον. Μπορούν να μειωθούν σχετικά εύκολα με την τοποθέτηση κατάλληλης μόνωσης.

63 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Απώλειες ενέργειας σε συστήματα καύσης Οι απώλειες που μπορούν να περιοριστούν προέρχονται από κακό σχεδιασμό ή κακές ενέργειες και παραλείψεις κατά τη λειτουργία του συστήματος παραγωγής θερμότητας. Οι κυριότερες αιτίες που τις προκαλούν είναι Κακή περίσσεια αέρα καύσης Έλλειψη προθέρμανσης του αέρα Εισροές αέρα μετά τη ζώνη καύσης Αποθέσεις στις επιφάνειες εναλλαγής θερμότητας Κακός ελκυσμός Κακή ρύθμιση του καυστήρα Κακή προθέρμανση του καυσίμου Ανεπαρκής, φθαρμένη ή κακοτοποθετημένη μόνωση Υπερβολικό ή πολύ μικρό φορτίο

64 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Βελτιστοποίηση της περίσσειας του αέρα καύσης Επίδραση της περίσσειας του αέρα στην απόδοση Η σημαντικότερη αιτία απωλειών θερμότητας στην καύση είναι η λειτουργία με κακή αναλογία αέρα – καυσίμου. Σε μια βιομηχανική εγκατάσταση, όσο καλός κι αν είναι ο διασκορπισμός του καυσίμου, δεν είναι δυνατόν να επιτευχθεί τέλεια καύση με το στοιχειομετρικά απαιτούμενο αέρα μόνο, αλλά χρειάζεται πάντα κάποια περίσσεια αέρα. Όσο όμως μεγαλώνει η παροχή αέρα τόσο αυξάνεται και θερμότητα που απάγεται προς το περιβάλλον με τα καυσαέρια.

65 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Βελτιστοποίηση της περίσσειας του αέρα καύσης Επίδραση της παροχής αέρα στο βαθμό απόδοσης μιας εγκατάστασης παραγωγής θερμότητας από καύση Μικρές παροχές αέρα  ατελής καύση και απώλειες άκαυστων με τα καυσαερια Μεγάλες παροχές αέρα  απώλειες θερμότητας με τα καυσαερια

66 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Βελτιστοποίηση της περίσσειας του αέρα καύσης Η τάση σε συνήθεις βιομηχανικές εγκαταστάσεις είναι η λειτουργία με μεγαλύτερη περίσσεια αέρα από ότι πραγματικά χρειάζεται. Αυτό βασικά γίνεται επειδή η μικρή περίσσεια αφενός προκαλεί λειτουργικές δυσκολίες και αφετέρου είναι εύκολα αντιληπτή λόγω του καπνού που παράγεται. Οπωσδήποτε, η μικρή περίσσεια αέρα έχει πολύ δυσμενέστερη επίδραση στο βαθμό απόδοσης από ότι η μεγάλη περίσσεια αέρα, επειδή η ατελής καύση περιορίζει την έκλυση της χημικής ενέργειας του καυσίμου. Αν ληφθεί υπόψη η διαφορά θερμότητας που εκλύεται από την καύση ενός χιλιόγραμμου άνθρακα προς CO αντί προς CO2, υπολογίζεται ότι για κάθε 1% CO στα καυσαέρια αντιστοιχεί περίπου 4% απώλεια καυσίμου

67 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Βελτιστοποίηση της περίσσειας του αέρα καύσης Σε συστήματα καύσης με σταθερή παροχή αέρα, η περίσσεια αέρα και η απόδοση της καύσης επηρεάζονται από τις ατμοσφαιρικές συνθήκες.  της ατμοσφαιρικής πίεσης ή  της θερμοκρασίας περιβάλλοντος   της πυκνότητας του αέρα και άρα και της παρεχόμενης μάζας οξυγόνου στην καύση (για σταθερό όγκο παροχής αέρα). Σε μειωμένη παροχή οξυγόνου οδηγεί και η  της υγρασίας του αέρα.

68 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Βελτιστοποίηση της περίσσειας του αέρα καύσης Επίδραση της περίσσειας αέρα στη θερμοκρασία της φλόγας (μαζούτ) Δεδομένου ότι στο χώρο καύσης η θερμότητα που μεταβιβάζεται με ακτινοβολία επηρεάζεται από την τέταρτη δύναμη της θερμοκρασίας της φλόγας, η επίδραση της θερμοκρασίας της φλόγας είναι σημαντική στο βαθμό απόδοσης. Αυξημένη ροή αέρα  ελάττωση της θερμοκρασίας στο θάλαμο καύσης και συνεπώς και του ρυθμού μεταφοράς θερμότητας μέσω των αυλών προς το θερμαινόμενο ρευστό  μείωση της απόδοσης του φούρνου

69 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Βελτιστοποίηση της περίσσειας του αέρα καύσης Η βέλτιστη περίσσεια αέρα που δίνει το μέγιστο βαθμό απόδοσης είναι η ελάχιστη περίσσεια για την οποία έχουμε πλήρη καύση. Αυτό συμπίπτει με τη μέγιστη περιεκτικότητα των καυσαερίων σε CO 2. Συνεπώς, η ρύθμιση της περίσσειας του αέρα πρέπει να αποβλέπει στη μεγιστοποίηση της περιεκτικότητας των καυσαερίων σε CO 2 και στην ελαχιστοποίηση του CO. Η βέλτιστη περίσσεια αέρα εξαρτάται κυρίως από Το είδος του καυστήρα Το διασκορπισμό που επιτυγχάνεται Το μέγεθος και τη διαμόρφωση του θαλάμου καύσης Όταν είναι δυνατόν, η βέλτιστη περίσσεια αέρα που δίνει τη μέγιστη απόδοση καύσης, πρέπει να προσδιορίζεται με απ’ ευθείας μέτρηση για κάθε εγκατάσταση.

70 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Βελτιστοποίηση της περίσσειας του αέρα καύσης Η περίσσεια του αέρα καύσης μπορεί εύκολα να υπολογισθεί από την ανάλυση καυσαερίων. Σε μεγάλα συστήματα τοποθετούνται αναλυτές οξυγόνου που δίνουν με απευθείας μέτρηση μια συνεχή ένδειξη της περιεκτικότητας των καυσαερίων σε οξυγόνο. Αυτός είναι ο καλύτερος τρόπος της παρακολούθησης της περίσσειας αέρα, δεδομένου ότι η περιεκτικότητα των καυσαερίων σε οξυγόνο εξαρτάται απευθείας από την περίσσεια αέρα. Σε ορισμένες εγκαταστάσεις τοποθετείται και αυτόματος αναλυτής CO.

71 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Βελτιστοποίηση της περίσσειας του αέρα καύσης Σχέση διοξειδίου του άνθρακα, οξυγόνου και περίσσειας αέρα για μαζούτ Νο 3 (3500) Σε κοινές εγκαταστάσεις καύσης, περίσσεια αέρα 20% περίπου θεωρείται ικανοποιητική για μαζούτ. Συνεχής ομαλή λειτουργία με λιγότερο από 15% περίσσεια αέρα είναι δύσκολο να επιτευχθεί χωρίς αυτόματα συστήματα ελέγχου και ρύθμισης. 4%

72 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Βελτιστοποίηση της περίσσειας του αέρα καύσης Ποιοτικά συμπεράσματα για την καύση από την ανάλυση καυσαερίων Μια ανάλυση καυσαερίων μπορεί να δώσει πολύ χρήσιμα συμπεράσματα για την ποιότητα της καύσης και συγχρόνως ενδείξεις για τις αιτίες που πιθανώς μειώνουν την απόδοσή της. Όταν τα καυσαέρια περιέχουν  Μονοξείδιο του άνθρακα ή άλλα άκαυστα χωρίς οξυγόνο  ατελής καύση λόγω μικρής παροχής αέρα στο θάλαμο καύσης  Μονοξείδιο του άνθρακα ή άλλα άκαυστα και συγχρόνως οξυγόνο   Μικρή παροχή αέρα στο θάλαμο καύσης, ενώ συγχρόνως εισρέει δευτερογενής αέρας από διαρροές (όταν ο θάλαμος καύσης λειτουργεί σε μικρότερη από την ατμοσφαιρική πίεση)  Κανονική παροχή άερα αλλά κακός διασκορπισμός του καυσίμου και κακή ανάμειξη αέρα-καυσίμου  Μικρή σχετικά περιεκτικότητα διοξειδίου του άνθρακα με αυξημένη περιεκτικότητα σε οξυγόνο  μεγάλη περίσσεια αέρα

73 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Βελτιστοποίηση της περίσσειας του αέρα καύσης Ποιοτικά συμπεράσματα για την καύση από την ανάλυση καυσαερίων Από την περιεκτικότητα των καυσαερίων σε CO 2 προκύπτει μια εικόνα για την ποιότητα της καύσης. Για παράδειγμα, για καύση μαζούτ (C=86%, H=12%, S=2%), η ποιότητα της καύσης σε σχέση με την περιεκτικότητα των καυσαερίων σε CO 2 είναι % CO 2 κ.ο. Απόδοση καύσης 15,8 μέγιστη δυνατή (στοιχειομ. καύση) άνω του 14 άριστη 13 καλή 12,5 μέτρια κάτω του 12 κακή

74 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Βελτιστοποίηση της περίσσειας του αέρα καύσης Επίδραση της περίσσειας του αέρα και της θερμοκρασίας καυσαερίων στο βαθμό απόδοσης της καύσης (μαζούτ) Όσο  η περιεκτικότητα των καυσαερίων σε CO 2, και όσο  η θερμοκρασία τους τόσο  η απόδοση της καύσης.

75 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Βελτιστοποίηση της περίσσειας του αέρα καύσης Οικονομικό όφελος από τον περιορισμό της περίσσειας του αέρα καύσης Η απόδοση της καύσης είναι βεβαίως αντιστρόφως ανάλογη με την ποσότητα του καυσίμου που καταναλίσκεται. Αν σε οποιοδήποτε σύστημα καύσης επιτύχουμε αύξηση του βαθμού απόδοσης από μια αρχική απόδοση α σε μια βελτιωμένη απόδοση β, τότε το ποσοστό του καυσίμου που εξοικονομείται είναι Οικονομία καυσίμου = 100 (1 - α / β)

76 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Βελτιστοποίηση της περίσσειας του αέρα καύσης Εξοικονόμηση καυσίμου από μείωση της περίσσειας αέρα για υγρά καύσιμα Για παράδειγμα, αν έχουμε 8% οξυγόνο κ.ο. στα ξηρά καυσαέρια, η απώλεια καυσίμου είναι 7% (θεωρώντας ως βάση ότι με 20% περίσσεια αέρα έχουμε μηδενικές απώλειες καυσίμου).

77 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Βελτιστοποίηση της περίσσειας του αέρα καύσης Ρύθμιση της ποσότητας αέρα από το σχήμα της φλόγας Ένας πεπειραμένος χειριστής μπορεί από την εικόνα της φλόγας του καυστήρα να καταλάβει εύκολα αν η καύση γίνεται με πολύ, λίγο ή κανονικό αέρα.

78 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Άλλες παράμετροι που επηρεάζουν την απόδοση Προθέρμανση του αέρα καύσης Ο καλύτερος τρόπος για την ανάκτηση μέρους της θερμότητας που απάγεται με τα καυσαέρια είναι η προθέρμανση του αέρα καύσης. Κάθε ποσό θερμότητας που εισάγεται στο χώρο καύσης με τον αέρα υποκαθιστά αντίστοιχη ενέργεια καυσίμου. Με την προθέρμανση του αέρα καύσης επιτυγχάνεται επίσης αύξηση της θερμοκρασίας της φλόγας που αυξάνει την απόδοση της καύσης αυξάνοντας το ποσό της θερμότητας που μεταβιβάζεται στο θερμαινόμενο ρευστό.

79 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Άλλες παράμετροι που επηρεάζουν την απόδοση Οικονομία καυσίμου % από πρόθέρμανση του αέρα καύσης Αν σε ένα κλίβανο που λειτουργεί με 20% περίσσεια αέρα προθερμαίνουμε τον αέρα καύσης, π.χ. κατά 200 ο C, θα επιτύχουμε οικονομία στο καύσιμο 11 % περίπου.

80 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Άλλες παράμετροι που επηρεάζουν την απόδοση Απώλειες από εισροές αέρα Στο θάλαμο καύσης υπάρχει υποπίεση λόγω του ελκυσμού που δημιουργεί η καμινάδα. Είναι λοιπόν δυνατόν να εισρέει αέρας μετά το μέτωπο καύσης. Ο αέρας αυτός απάγει σημαντικά ποσά θερμότητας προς το περιβάλλον, μειώνοντας το βαθμό απόδοσης ενώ δεν προσφέρει τίποτα στην καύση. Εκτός της απώλειας ενέργειας, οι εισροές αέρα είναι ανεπιθύμητες και επειδή προκαλούν τοπική ψύξη και ανομοιόμορφη κατανομή θερμοκρασίας με αποτέλεσμα να δημιουργούνται αποθέσεις αιθάλης στις ψυχρές επιφάνειες του θαλάμου καύσης ή/και κακή καύση. Οι διαρροές αέρα είναι τις περισσότερες φορές εύκολο να εντοπισθούν και να διορθωθούν. Η εργασία αυτή είναι από τις πρώτες που πρέπει να γίνεται στα πλαίσια ενός προγράμματος εξοικονόμησης ενέργειας, δεδομένου ότι είναι δυνατό να αποφέρει σημαντική οικονομία με μικρά ή καθόλου σχεδόν έξοδα.

81 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Άλλες παράμετροι που επηρεάζουν την απόδοση Απώλειες από εισροές αέρα Η εισροή αέρα μετά την καύση διαπιστώνεται εύκολα με ανάλυση των καυσαερίων. Παράδειγμα Σε έναν κλίβανο που καίει μαζούτ, η ανάλυση δείγματος καυσαερίων που λαμβάνεται λίγο μετά το μέτωπο καύσης δίνει περιεκτικότητα 4% οξυγόνο (υπολογιζόμενο στα ξηρά καυσαέρια)  (με βάση το διάγραμμα εξοικονόμησης καυσίμου) 23% περίσσεια αέρα μετά το μέτωπο καύσης και 48% περίσσεια αέρα στη βάση της καμινάδας. Ο στοιχειομετρικά απαιτούμενος αέρας για την καύση του μαζούτ είναι 10,7 Nm 3 /kg καυσίμου. Ο αέρας που εισρέει από ανοίγματα είναι: Εισροές αέρα = 10,7 x (1,48 – 1,23) = 2,675 Nm 3 /kg καυσίμου Με θερμοκρασία περιβάλλοντος 25 ο C και μέση ειδική θερμότητα αέρα 0,315 kcal/Nm 3, η θερμότητα που απάγεται με τον αέρα που εισρέει για θερμοκρασία καυσαερίων 300 ο C είναι : Απώλεια θερμότητας = 0,315 x (300-25) x 2,675 = 232 kcal/kg καυσίμου Η απώλεια αυτή είναι σημαντική και αντιστοιχεί στο 2,4 % της κατώτερης θερμογόνου δύναμης του καυσίμου.

82 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Άλλες παράμετροι που επηρεάζουν την απόδοση Απώλειες από αποθέσεις στις επιφάνειες εναλλαγής θερμότητας Σε κλιβάνους θέρμανσης ρευστών, οι αποθέσεις στις επιφάνειες εναλλαγής θερμότητας είτε από την πλευρά της καύσης (καπνιά), είτε από την πλευρά του ρευστού αυξάνουν την αντίσταση στη διέλευση θερμότητας από το χώρο καύσης προς το ρευστό που θερμαίνεται. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της θερμοκρασίας των καυσαερίων και των απωλειών θερμότητας προς το περιβάλλον, με αντίστοιχη μείωση του βαθμού απόδοσης της εγκατάστασης.

83 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Άλλες παράμετροι που επηρεάζουν την απόδοση Απώλειες από κακή προθέρμανση του καυσίμου ή ρύθμιση του καυστήρα Η προθέρμανση του καυσίμου (για μαζούτ) και η ρύθμιση του καυστήρα παίζουν σημαντικό ρόλο στη σωστή καύση και επομένως στο βαθμό απόδοσης της εγκατάστασης. Όσο κι αν ρυθμίζουμε την περίσσεια του αέρα για να μετριάσουμε τις απώλειες από την καμινάδα, τα αποτελέσματα δεν θα είναι ικανοποιητικά αν το καύσιμο δεν φτάνει στον καυστήρα στη σωστή θερμοκρασία και αν ο καυστήρας δεν είναι σωστά ρυθμισμένος έτσι ώστε να γίνεται καλύτερη ανάμειξη αέρα/καυσίμου. Όσο καλύτερη ανάμειξη αέρα/καυσίμου επιτυγχάνουμε τόσο μικρότερη περίσσεια αέρα απαιτείται για καλή καύση.

84 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Άλλες παράμετροι που επηρεάζουν την απόδοση Απώλειες από κακή προθέρμανση του καυσίμου ή ρύθμιση του καυστήρα Αν η προθέρμανση του καυσίμου είναι χαμηλότερη από την κανονική, η ποσότητα του καυσίμου που περνά από τα ανοίγματα των ακροφυσίων (μπεκ) είναι μικρότερη από ότι θα έπρεπε για τη σωστή αναλογία αέρα- καυσίμου, ενώ συγχρόνως το καύσιμο είναι περισσότερο παχύρευστο με αποτέλεσμα να γίνεται κακός διασπορπισμός. Αν η προθέρμανση είναι πολύ μεγάλη, το καύσιμο είναι υπερβολικά λεπτόρρευστο και η ποσότητά του είναι αντικανονικά μεγάλη. Πάντως, για τη ρύθμιση του καυστήρα και την κατάλληλη προθέρμανση του καυσίμου θα πρέπει να τηρούνται πιστά οι οδηγίες του κατασκευαστή.

85 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Άλλες παράμετροι που επηρεάζουν την απόδοση Θερμοκρασία προθέρμανσης καυσίμων

86 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Άλλες παράμετροι που επηρεάζουν την απόδοση Κάθε σύστημα παραγωγής θερμότητας με καύση έχει σχεδιαστεί για ένα ορισμένο φορτίο, στο οποίο έχει και τη μέγιστη απόδοση. Λειτουργία με πολύ μικρότερο ή πολύ μεγαλύτερο από το κανονικό φορτίο είναι αιτία σοβαρών απωλειών θερμότητας. Σε μεγάλα κυρίως φορτία, ούτε η καύση μπορεί να γίνει σωστά γιατί ο θάλαμος δεν επαρκεί, αλλά ούτε και η θερμότητα που εκλύεται μπορεί να μεταβιβαστεί με αποτέλεσμα μεγάλες απώλειες με τα καυσαέρια. Απώλειες από υπερβολικό ή πολύ μικρό φορτίο

87 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Συστήματα αυτόματης ρύθμισης της περίσσειας του αέρα καύσης Σημαντική οικονομία σε καύσιμα μπορεί να επιτευχθεί με την εγκατάσταση αυτομάτων συστημάτων ρύθμισης της περίσσειας του αέρα καύσης ή καλύτερα της αναλογίας αέρα-καυσίμου. Η εγκατάσταση τέτοιων διατάξεων αυτομάτου ελέγχου είναι αρκετά δαπανηρή και γίνεται οικονομικά σκόπιμη μόνο σε μεγάλα σχετικά συγκροτήματα καύσης. Το σύστημα ρύθμισης καύσης σε ένα βιομηχανικό κλίβανο ή λέβητα ατμοπαραγωγής έχει στόχο να διατηρεί σταθερή και ασφαλή λειτουργία και συγχρόνως να επιτυγχάνει συνθήκες βέλτιστης θερμικής απόδοσης. Οπωσδήποτε, δεν υπάρχει τρόπος για άμεση μέτρηση και ρύθμιση του θερμικού βαθμού απόδοσης σε μια εστία καύσης. Η απόδοση υπολογίζεται και ρυθμίζεται έμμεσα με βάση αναλύσεις των καυσαερίων, τις περισσότερες φορές με σημαντικές απλοποιήσεις και προσεγγίσεις.

88 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Συστήματα αυτόματης ρύθμισης της περίσσειας του αέρα καύσης Σε βιομηχανικούς κλιβάνους και ατμολέβητες, η ποσότητα του χρησιμοποιούμενου καυσίμου ρυθμίζεται ανάλογα με το θερμικό φορτίο του κλιβάνου ή την απαιτούμενη προς παραγωγή ποσότητα ατμού. Οι ενεργειακές απαιτήσεις σε ένα κλίβανο είναι εν γένει μεταβαλλόμενες και επομένως η ποσότητα καυσίμου και ο αντίστοιχος αέρας πρέπει να ρυθμίζονται ώστε η εκλυόμενη θερμότητα να ανταποκρίνεται στις ανάγκες της διεργασίας. Η κυριότερη ρυθμιζόμενη μεταβλητή είναι η θερμοκρασία εξόδου του θερμαινόμενου ρευστού ή η παραγόμενη ποσότητα ατμού (ή πίεση στο λέβητα). Με βάση τη μέτρηση της ρυθμιζόμενης μεταβλητής και την απόκλισή της από την επιθυμητή τιμή, ρυθμίζεται η παροχή του καυσίμου με τη βοήθεια ρυθμιστικής βαλβίδας. Η παροχή του αέρα ρυθμίζεται ώστε να ακολουθεί αυτές τις μεταβολές, εξασφαλίζοντας καλή καύση.

89 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Συστήματα αυτόματης ρύθμισης της περίσσειας του αέρα καύσης Υπάρχουν τρία σημεία ρύθμισης της παροχής αέρα:  Οι θυρίδες προσαγωγής πρωτογενούς αέρα στον καυστήρα  Οι θυρίδες προσαγωγής δευτερογενούς αέρα στο θάλαμο καύσης  Η δικλείδα ρύθμισης της ροής των καυσαερίων (καπνοφράχτης-damper) στην είσοδο της καμινάδας Θυρίδες πρωτογενούς αέρα υπάρχουν μόνο στους καυστήρες αερίου με προ-ανάμειξη. Με τη ρύθμιση του πρωτογενούς αέρα επιτυγχάνεται το επιθυμητό σχήμα και είδος φλόγας (  του πρωτογενούς αέρα δημιουργεί μακριές κίτρινες φλόγες). Άνοιγμα των θυρίδων προσαγωγής δευτερογενούς αέρα στο θάλαμο καύσης   της παροχής του αέρα αλλά παράλληλα και  της πίεσης στο θάλαμο καύσης (μικρότερο κενό). Αντίστροφα, άνοιγμα της δικλείδας των καυσαερίων (damper)   της παροχής του αέρα αλλά ταυτόχρονα  της πίεσης στο θάλαμο καύσης.

90 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Συστήματα αυτόματης ρύθμισης της περίσσειας του αέρα καύσης Σε συστήματα με αυτόματη ρύθμιση, η παροχή αέρα μπορεί να ρυθμιστεί Επεμβαίνοντας στον καπνοφράχτη της καμινάδας, προκειμένου για εστίες φυσικής κυκλοφορίας αέρα, ή Επεμβαίνοντας στα ρυθμιστικά διαφράγματα των ανεμιστήρων, ή Στην ταχύτητα περιστροφής των ανεμιστήρων, προκειμένου για εξαναγκασμένη κυκλοφορία.

91 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Συστήματα αυτόματης ρύθμισης της περίσσειας του αέρα καύσης Τα συστήματα αυτόματης ρύθμισης αέρα/καυσίμου ταξινομούνται στις εξής κατηγορίες  Διατήρηση σταθερού λόγου αέρα / καυσίμου  Ρύθμιση της παροχής του αέρα με βάση την περιεκτικότητα των καυσαερίων σε οξυγόνο  Ρύθμιση του λόγου αέρα / καυσίμου με βάση την περιεκτικότητα των καυσαερίων σε Ο 2  Ρύθμιση του λόγου αέρα / καυσίμου με βάση την περιεκτικότητα των καυσαερίων τόσο σε Ο 2 όσο και σε CO Στους λέβητες είναι απαραίτητο και σύστημα ρύθμισης της στάθμης του νερού, γιατί απότομες αυξομειώσεις του επηρεάζουν τη θερμική απόδοση του λέβητα.

92 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Συστήματα αυτόματης ρύθμισης της περίσσειας του αέρα καύσης Διατήρηση σταθερού λόγου αέρα / καυσίμου Η παροχή του καυσίμου ρυθμίζεται με βάση το φορτίο του κλιβάνου που ελέγχεται με μια μετρήσιμη μεταβλητή, όπως π.χ. η θερμοκρασία του θερμαινόμενου ρευστού στην έξοδο του κλιβάνου ή η πίεση ατμού στον κεντρικό διανομέα ατμού στην έξοδο του λέβητα. ΤΤ: μεταβίβαση σήματος θερμοκρασίας TIC: ένδειξη και ρύθμιση θερμοκρασίας Α/F: ρυθμιστής παροχής του αέρα καύσης που διατηρεί σταθερό λόγο αέρα/καυσίμου Ο χειριστής επεμβαίνει και αλλάζει το σημείο αναφοράς του ρυθμιστή για προσαρμογή του λόγου στις εκάστοτε συνθήκες λειτουργίας.

93 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Συστήματα αυτόματης ρύθμισης της περίσσειας του αέρα καύσης Ρύθμιση παροχών αέρα και καυσίμου σε σύστημα ρύθμισης κατ’ ακολουθία (Cascade control) Στο σύστημα αυτό γίνεται άμεση ρύθμιση των παροχών του καυσίμου και του αέρα (FIC) με βάση μετρήσεις των παροχών αυτών (FT). Τα σημεία αναφοράς (S.P.) των ρυθμιστών παροχής καυσίμου και αέρα καθορίζονται από το φορτίο του κλιβάνου ή του ατμολέβητα (μέτρηση θερμοκρασίας ή πίεσης στην έξοδο) μέσω συστήματος ρύθμισης κατ’ ακολουθία. Σταθμός χειροκίνητης επέμβασης (A/F) για αλλαγή του λόγου αέρα/καυσίμου όταν χρειάζεται.

94 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Συστήματα αυτόματης ρύθμισης της περίσσειας του αέρα καύσης Τα συστήματα διατήρησης σταθερού λόγου αέρα/καυσίμου έχουν ευρεία βιομηχανική εφαρμογή. Τα αποτελέσματα είναι ικανοποιητικά όταν οι συνθήκες λειτουργίας είναι σχετικά σταθερές. Παρουσιάζουν όμως σοβαρά μειονεκτήματα, γιατί η διατήρηση σταθερού λόγου αέρα/καυσίμου δεν εξασφαλίζει βέλτιστο θερμικό βαθμό απόδοσης όταν υπάρχουν  Αλλαγές στην ποιότητα και τη θερμογόνο δύναμη του καυσίμου  Ατμοσφαιρικές αλλαγές που επηρεάζουν τη θερμοκρασία, την πυκνότητα και την υγρασία του αέρα  Σημαντικές αλλαγές στο φορτίο του κλιβάνου ή του λέβητα δεδομένου ότι ο απαιτούμενος για βέλτιστη καύση λόγος αέρα/καυσίμου μεταβάλλεται με το φορτίο.

95 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Συστήματα αυτόματης ρύθμισης της περίσσειας του αέρα καύσης Ρύθμιση του λόγου αέρα/καυσίμου με βάση την περιεκτικότητα των καυσαερίων σε O 2 Οι πρώτες προσπάθειες ρύθμισης της καύσης με ανάλυση των καυσαερίων στηρίχτηκαν στον προσδιορισμό του CO 2. Η μέθοδος όμως έχει μειονεκτήματα, αφού η περιεκτικότητα CO 2 στα καυσαέρια μπορεί να προέρχεται από δυο διαφορετικές τιμές του λόγου αέρα/καυσίμου: μία με πλούσιο σε καύσιμο μίγμα (μικρότερη της στοιχειομετρικής αναλογίας αέρα) και μια με πτωχό σε καύσιμο μίγμα (μεγαλύτερη της στοιχεομετρικής αναλογίας αέρα). Επίσης, η περιεκτικότητα των καυσαερίων σε CO 2 εξαρτάται από το λόγο C/H του χρησιμοποιούμενου καυσίμου. Συνεπώς, η χρησιμοποίηση της ανάλυσης των καυσαερίων για τη βελτιστοποίηση της καύσης, στράφηκε προς τον προσδιορισμό του Ο 2 στα καυσαέρια, που αποτελεί το μέτρο της περίσσειας του χρησιμοποιούμενου στην καύση αέρα.

96 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Συστήματα αυτόματης ρύθμισης της περίσσειας του αέρα καύσης Η ρύθμιση της καύσης σε βιομηχανικούς κλιβάνους και ατμολέβητες με βάση την περιεκτικότητα των καυσαερίων σε O 2 μπορεί να γίνει με  Χειροκίνητη ρύθμιση  Περιοδικός έλεγχος  Συνεχής ανάλυση των καυσαερίων  Αυτόματη ρύθμιση της παροχής αέρα  Διάταξη έμμεσης ρύθμισης της παροχής αέρα  Διάταξης άμεσης ρύθμισης της παροχής αέρα

97 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Συστήματα αυτόματης ρύθμισης της περίσσειας του αέρα καύσης Χειροκίνητη ρύθμιση της καύσης με μέτρηση της περιεκτικότητας των καυσαερίων σε Ο 2 Ο περιοδικός έλεγχος γίνεται συνήθως σε κλιβάνους με σχετικά σταθερές συνθήκες λειτουργίας. Ο προσδιορισμός του Ο 2 μπορεί να γίνει με έναν φορητό αναλυτή Ο 2. Η συνεχής ανάλυση των καυσαερίων εφαρμόζεται σε κλιβάνους ή ατμολέβητες όπου οι συνθήκες λειτουργίας δεν παραμένουν σταθερές. Το δείγμα των καυσαερίων στέλνεται στον αναλυτή Ο 2 (Α/Ο 2 ), τα αποτελέσματα του οποίου καταγράφονται συνεχώς σε καταγραφικό όργανο (O 2 R).

98 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Συστήματα αυτόματης ρύθμισης της περίσσειας του αέρα καύσης Η συγκεκριμένη μέθοδος είναι απλή και με μικρό κόστος αλλά έχει σαφή μειονεκτήματα. Είναι μια ασυνεχής μέθοδος ρύθμισης, αφού ο χειριστής δεν είναι δυνατόν να βρίσκεται διαρκώς δίπλα στα όργανα για να κάνει διορθώσεις. Επιπρόσθετα, οι χειρισμοί επαφίενται στην υποκειμενική κρίση του χειριστή. Οπωσδήποτε, η μέθοδος χρησιμοποιείται ευρύτατα και με ικανοποιητικά, τις περισσότερες φορές, αποτελέσματα αρκεί να υπάρχει η κατάλληλη εκπαίδευση και επίβλεψη των χειριστών και οι αυξομειώσεις των συνθηκών λειτουργίας να μην είναι συχνές και μεγάλες. Χειροκίνητη ρύθμιση της καύσης με μέτρηση της περιεκτικότητας των καυσαερίων σε Ο 2

99 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Συστήματα αυτόματης ρύθμισης της περίσσειας του αέρα καύσης Διάταξη έμμεσης ρύθμισης της περίσσειας αέρα Ο αναλυτής οξυγόνου (Α/Ο 2 ) που βρίσκεται στην καμινάδα στέλνει συνεχώς στον καταγραφικό ρυθμιστή οξυγόνου (Ο 2 RC) ένα σήμα ανάλογο της περιεκτικότητας των καυσαερίων σε Ο 2. Όταν η περιεκτικότητα των καυσαερίων σε Ο 2 αποκλίνει από μια προκαθορισμένη βασική τιμή, ο Ο 2 RC επενεργεί μέσω ενός διεγέρτου στον καπνοφράχτη αλλά ζοντας την παροχή των καυσαερίων άρα και του αέρα καύσης. Ο διεγέρτης του καπνοφράχτη είναι συνδεδεμένος με σήμα κινδύνου (Α) που ηχεί όταν ο καπνοφράχτης είναι τελείως κλειστός (υπερβολικός αέρας) ή τελείως ανοιχτός (υπερβολικά λίγος), οπότε ο χειριστής πρέπει να επέμβει στις θυρίδες παροχής αέρα. ΗC: Διάταξη χειροκίνητης ρύθμισης του διεγέρτη από το έδαφος PAh:Σήμα κινδύνου υψηλής πίεσης στο χώρο καύσης Αυτόματη ρύθμιση της παροχής αέρα

100 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Συστήματα αυτόματης ρύθμισης της περίσσειας του αέρα καύσης Το σύστημα που περιγράφηκε μπορεί εύκολα να εγκατασταθεί σε υπάρχοντα κλίβανο. Το βασικό του μειονέκτημα είναι ότι επεμβαίνει στον καπνοφράχτη της ροής των καυσαερίων, που βρίσκεται στην είσοδο της καμινάδας, μετά την περιοχή συναγωγής, αυξάνοντας την πίεση στο θάλαμο καύσης. Ο καλύτερος τρόπος είναι η απευθείας ρύθμιση του παρεχόμενου αέρα καύσης έτσι ώστε η πίεση στο χώρο καύσης να είναι σχετικά σταθερή, όπως συμβαίνει με τη διάταξη άμεσης ρύθμισης της παροχής του αέρα καύσης. Διάταξη έμμεσης ρύθμισης της περίσσειας αέρα

101 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Συστήματα αυτόματης ρύθμισης της περίσσειας του αέρα καύσης Διάταξη άμεσης ρύθμισης της περίσσειας αέρα Η περιεκτικότητα των καυσαερίων σε Ο 2 ρυθμίζεται από τον καταγραφικό ρυθμιστή οξυγόνου (Ο 2 RC) που επενεργεί μέσω ενός διεγέρτου σε διάφραγμα ρύθμισης της ροής αέρα προς τον καυστήρα μέσω κλειστού βρόγχου ρύθμισης. Ένας δεύτερος βρόγχος ρυθμίζει αυτομάτως την πίεση στο χώρο καύσης με τον καταγραφικό ρυθμιστή πίεσης (PRC) που επενεργεί, μέσω διεγέρτου, στον καπνοφράχτη των καυσαερίων.

102 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Συστήματα αυτόματης ρύθμισης της περίσσειας του αέρα καύσης Κύριο μειονέκτημα των παραπάνω δυο συστημάτων είναι ότι δεν γίνεται απ’ ευθείας μέτρηση της παροχής του αέρα. Αυτό είναι σημαντικό αφού κάθε μεταβολή στην παροχή του αέρα ή του καυσίμου (εξαιτίας π.χ. μεταβολής του φορτίου) πρέπει να περάσει από το θάλαμο καύσης και να φτάσει να επηρεάσει την περιεκτικότητα των καυσαερίων σε Ο 2, πριν το σύστημα αντιδράσει και κάνει κάποια διορθωτική κίνηση. Αυτό βέβαια, δεν αποτελεί μόνο πρόβλημα ρύθμισης, λόγω της χρονικής υστέρησης μέχρι να αντιδράσει διορθωτικά το σύστημα, αλλά ταυτόχρονα είναι και πρόβλημα ασφαλείας στην περίπτωση που οι ροές αέρα και καυσίμου προς το θάλαμο καύσης αποσυντονιστούν για κάποιο χρονικό διάστημα. Γι’ αυτό, τέτοια συστήματα χρησιμοποιούνται μόνο σε περιπτώσεις που οι μεταβολές στο φορτίο του κλιβάνου είναι πολύ αργές και, δεν πρέπει να χρησιμοποιούνται σε ατμολέβητες. Τα μειονεκτήματα αυτά απαλείφονται με το σύστημα αυτόματης ρύθμισης της αναλογίας αέρα – καυσίμου.

103 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Συστήματα αυτόματης ρύθμισης της περίσσειας του αέρα καύσης Το σύστημα αυτό διατηρεί σταθερή την περιεκτικότητα των καυσαερίων σε οξυγόνο ρυθμίζοντας την παροχή του αέρα καύσης ανάλογα με την περιεκτικότητα των καυσαερίων σε οξυγόνο, λαμβάνοντας όμως συγχρόνως υπόψη και την παροχή του καυσίμου, σε ένα διασυνδεδεμένο σύνθετο σύστημα ρύθμισης «κατ’ ακολουθία». Με το σύστημα αυτό είναι δυνατόν να διατηρείται σταθερή η αναλογία αέρα καυσίμου. Αντικειμενικός σκοπός αυτών των συστημάτων είναι η διατήρηση προκαθορισμένης θερμοκρασίας του θερμαινόμενου ρευστού στην έξοδο του κλιβάνου με τη μικρότερη δυνατή κατανάλωση καυσίμου. Αυτόματη ρύθμιση της αναλογίας αέρα – καυσίμου

104 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Συστήματα αυτόματης ρύθμισης της περίσσειας του αέρα καύσης Διάταξη ρύθμισης της αναλογίας αέρα - καυσίμου Δυο αλληλένδετα συστήματα Ένα σύστημα που ρυθμίζει την παροχή του καυσίμου ανάλογα με τη θερμοκρασία του θερμαινόμενου ρευστού στην έξοδο του κλιβάνου Ένα σύστημα που ρυθμίζει την παροχή του αέρα προς τον κλίβανο ανάλογα με την περιεκτικότητα των καυσαερίων σε Ο 2 αλλά και την παροχή του καυσίμου

105 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Συστήματα αυτόματης ρύθμισης της περίσσειας του αέρα καύσης Στο πρώτο σύστημα (αριστερά) Η θερμοκρασία του θερμαινόμενου ρευστού στην έξοδο του κλιβάνου μετράται με το θερμοστοιχείο ΤΙ. Το σήμα εξόδου του ΤΙ τροφοδοτεί τον ρυθμιστή θερμοκρασίας TRC. Η παροχή του καυσίμου ρυθμίζεται από τον καταγραφικό ρυθμιστή ροής FRC-1 με βάση τη ροή που μετράει το διάφραγμα ροής FE-1 σε κλειστό βρόγχο ρύθμισης με ανάδραση. Το σημείο αναφοράς του καταγραφικού ρυθμιστή ροής FRC-1 του καυσίμου επηρεάζεται από τον καταγραφικό ρυθμιστή θερμοκρασίας TRC σε σύστημα ρύθμισης «κατ’ ακολουθία». Με τον τρόπο αυτό η θερμοκρασία του θερμαινόμενου ρευστού στην έξοδο του κλιβάνου διατηρείται στην επιθυμητή τιμή χωρίς μεγάλες διακυμάνσεις της ροής του καυσίμου.

106 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Στο δεύτερο σύστημα (δεξιά) Η παροχή του αέρα ρυθμίζεται από τον καταγραφικό ρυθμιστή ροής FRC-2 με βάση τη ροή του αέρα που μετράει το διάφραγμα ροής FE-2. Το σημείο αναφοράς του FRC-2 επηρεάζεται από τον καταγραφικό ρυθμιστή οξυγόνου O 2 RC αλλά συγχρόνως και από τη ροή του καυσίμου που μετράει το διάφραγμα FE-1 σε ένα πολλαπλό σύστημα ρύθμισης «κατ’ ακολουθία». Αυτόματη δειγματοληπτική διάταξη αντλεί δείγμα καυσαερίων το οποίο στέλνει στον αναλυτή οξυγόνου Α/Ο 2. Το σήμα του αναλυτή τροφοδοτείται στον ρυθμιστή οξυγόνου O 2 RC όπου συγκρίνεται με το προκαθορισμένο σημείο αναφοράς που αντιστοιχεί στην επιθυμητή περιεκτικότητα των καυσαερίων σε οξυγόνο. Συστήματα αυτόματης ρύθμισης της περίσσειας του αέρα καύσης

107 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Στο δεύτερο σύστημα (δεξιά) – ΣΥΝΕΧΕΙΑ Το σήμα από τον ρυθμιστή οξυγόνου O 2 RC επηρεάζει ανάλογα το σημείο αναφοράς του καταγραφικού ρυθμιστή αέρα FRC-2. Στο σήμα όμως αυτό (από τον ρυθμιστή οξυγόνου) παρεμβάλλεται μια διάταξη ΧΧ που το τροποποιεί ανάλογα με την παροχή του καυσίμου. Δηλαδή, το σύστημα ουσιαστικά ρυθμίζει την παροχή του αέρα ανάλογα με την παροχή του καυσίμου. Ο λόγος αέρα/καυσίμου διορθώνεται με βάση την περιεκτικότητα των καυσαερίων σε οξυγόνο. Για τη ρύθμιση της πίεσης στο χώρο καύσης υπάρχει διάταξη αυτομάτου ρύθμισης της θέσης του καπνοφράχτη των καυσαερίων με τον καταγραφικό ρυθμιστή πίεσης PRC σε κλειστό βρόγχο ρύθμισης με ανάδραση. Το σύστημα είναι πιο σύνθετο όταν στον κλίβανο καίγεται συγχρόνως υγρό και αέριο καύσιμο (π.χ. Διυλιστήρια πετρελαίου) Συστήματα αυτόματης ρύθμισης της περίσσειας του αέρα καύσης

108 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Συστήματα αυτόματης ρύθμισης της περίσσειας του αέρα καύσης Ρύθμιση του λόγου αέρα/καυσίμου με βάση την περιεκτικότητα των καυσαερίων τόσο σε Ο 2 όσο και σε CO Ο προσδιορισμός της περιεκτικότητας των καυσαερίων σε Ο 2 δεν επαρκεί για να προσδιοριστεί πλήρως η ποιότητα της καύσης, αφού οι θερμικές απώλειες οφείλονται τόσο στην απαγόμενη με τα καυσαέρια θερμότητα όσο και στην ατελή καύση του καυσίμου με παραγωγή CO ή/και αιθάλης. Οι απώλειες λόγω ατελούς καύσης μπορεί να είναι εξίσου σημαντικές ή/και μεγαλύτερες από τις θερμικές απώλειες με τα καυσαέρια. Το γεγονός ότι στα καυσαέρια υπάρχει περίσσεια O 2 δεν σημαίνει απαραιτήτως ότι η καύση είναι πλήρης. Η ατελής καύση μπορεί να οφείλεται σε κακή ανάμειξη αέρα/καυσίμου έτσι ώστε να υπάρχει περίσσεια Ο 2 αλλά και προϊόντα ατελούς καύσης συγχρόνως. Επίσης, μέρος της περίσσειας Ο 2 συχνά οφείλεται σε εισροές δευτερογενούς αέρα που περνάει απευθείας στα καυσαέρια χωρίς συμμετοχή στην καύση.

109 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Συστήματα αυτόματης ρύθμισης της περίσσειας του αέρα καύσης Ρύθμιση του λόγου αέρα/καυσίμου με βάση την περιεκτικότητα των καυσαερίων τόσο σε Ο 2 όσο και σε CO Το CO στα καυσαέρια αποτελεί ένα άριστο δείκτη της ποιότητας της καύσης. Το CO παράγεται μόνο κατά τις αντιδράσεις καύσης και πολύ σπάνια θα μπορούσε να βρεθεί στον περιβάλλοντα αέρα. Συνεπώς, δεν επηρεάζεται από τις δευτερογενείς εισροές αέρα στο χώρο καύσης, όπως το Ο 2. Στην ιδανική περίπτωση της πλήρους καύσης, το CO στα καυσαέρια είναι μηδέν. Λόγω όμως κυρίως ατελούς ανάμιξης αέρα/καυσίμου, η καύση σε βιομηχανικούς κλιβάνους και λέβητες ποτέ δεν είναι πλήρης και η περιεκτικότητα CO στα καυσαέρια είναι της τάξεως των 100-250 ppm. Ο συνδυασμός προσδιορισμού Ο 2 και CO στα καυσαέρια δίνει σαφή εικόνα της ποιότητας καύσης και επιτρέπει τον υπολογισμό του θερμικού βαθμού απόδοσης σε εστίες καύσης με ικανοποιητική, για βιομηχανικές εφαρμογές, ακρίβεια.

110 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Συστήματα αυτόματης ρύθμισης της περίσσειας του αέρα καύσης Ρύθμιση του λόγου αέρα/καυσίμου με βάση την περιεκτικότητα των καυσαερίων τόσο σε Ο 2 όσο και σε CO Τα αυτόματα συστήματα που ρυθμίζουν τις παραμέτρους καύσης με βάση την περιεκτικότητα των καυσαερίων τόσο σε Ο 2 όσο και σε CO είναι δυο κυρίως κατηγοριών:  Επιλογή της μέγιστης παροχής αέρα εκ των δυο, που προσδιορίζονται ανεξάρτητα, με βάση την ανάλυση Ο 2 και την ανάλυση CO  Ρύθμιση με βάση την περιεκτικότητα των καυσαερίων σε Ο 2, διορθωμένη με βάση την ανάλυση CO στα καυσαέρια Η δεύτερη κατηγορία έχει το πλεονέκτημα ότι τα συστήματα αυτά ανταποκρίνονται ταχύτερα σε αλλαγές της απαιτούμενης περίσσειας αέρα, δεδομένου ότι η ρύθμιση ουσιαστικά γίνεται με βάση την περιεκτικότητα των καυσαερίων σε Ο 2 με διόρθωση μόνο (όταν χρειάζεται) για το CO.

111 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Εξοικονόμηση ενέργειας σε συστήματα παραγωγής θερμότητας με καύση