Pokročilé energetické koncepty pro zařízení předúprav a pro průmysl

• Foto

Začněme principiálními úvahami. Ty představuje pořadí podle:

1 – Prověření jednotlivých kroků procesu.
2 – Použití energii šetřící komponenty.
3 – Jaké konstruktivní detaily jsou zásadními opatřeními pro energetické vylepšení zařízení?

Na základě praktického příkladu si představíme efektivní koncepci zařízení a současně rekuperaci tepla s cíleným znovuvyužitím vyzískané energie.

PRINCIPIÁLNÍ ÚVAHY,PROCESNÍ PARAMETRY, KOMPONENTY, ENERGETICKÝ MANAGEMENT
Než se začne s optimalizací jednotlivých komponentů zařízení, musíme se zamyslet nad vlastními kroky procesu, abychom vypracovali alternativy pro omezení spotřeby energie. K tomu je vhodné postupovat v následujícím pořadí:

• Prověření procesního řetězu, například kontrolu eventuálních nižších provozních teplot předúpravy a pece.
• Dále by se mělo prověřit, je-li možné provozovat vodní sušku jakožto kondenzační, tj. pomocí vysušeného vzduchu, místo tepelné energie.
• Chladicí zóny mít v provedení jako kaskádové chladicí zóny, například dvou, nebo třístupňové. Tímto se redukuje výkon ventilátoru a zlepší efektivita chlazení. Chladicí zóny by měly být provedeny pro variabilní množství vzduchu.
• Automatické stříkací kabiny se musí vždy projektovat s cirkulací vzduchu.
• Výrazných úspor lze dosáhnout pomocí pozměněných systémů lakování, například UV-lakem.
• Snadného energetického potenciálu lze dosáhnout relativně rychle pomocí řízené technické optimalizace.
• Zásadním bodem je cílený náběh na provoz elektrických spotřebičů jako čerpadel a ventilátorů. Přitom se postupně připojí různé elektrospotřebiče, aby se zabránilo špičkovému zatížení.
• V provozních přestávkách dosáhnout redukci spotřeby energie přepnutím části zařízení na udržovací provoz.
• V pecích umožnit redukci spotřeby elektro u ventilátorů opatřením na cíleném množství proudění vzduchu agregátů cirkulace.
• Optimalizace možných aplikačních oken provozu (čerstvý vzduch/odpadní vzduch) u stříkací kabiny představuje značný potenciál úspory energie. Například řízení teplot a vlhkosti by mělo být nastaveno vždy v energeticky optimálním provozním bodě.

Některé příklady:

• Snížení teploty lázně předúpravy o 5 stupňů znamená energetickou úsporu až 15 % termické napojovací hodnoty celé předúpravy.
• Případně mohou odpadnout celé kroky v předúpravě, například změnou fosfátování železem na nanotechnologii.
• Při snížení vypalovací teploty prášku o 20 Kelvinů lze dosáhnout úspory až o 15 %.

ENERGII ŠETŘÍCÍ KOMPONENTY ZAŘÍZENÍ
Použití takovýchto komponentů je samozřejmé, přece ale i v tomto bodě je nutno dbát na hospodárnost a amortizaci. Při nasazení chladicích zařízení by se měly používat chladicí agregáty s přímým odpařováním, protože mají lepší stupeň účinnosti a dodatečnou možnost rekuperace. Pro chlazení, například skříní práškových kabin, se rychle vyplatí využití tzv. volného chladiče. Vedle použití motorů EFF1 jsou pro motory s částečným zatížením vhodné frekvenční usměrňovače. Toto platí zvlášť pro ventilátory zařízení pro přívod vzduchu, protože podle stavu filtrů pracují často ve spodní části zatížení. Na příkladu stříkacího čerpadla je to zcela zřetelné.

ČERPADLO S FREKVENČNÍM USMĚRŇOVAČEM
Frekvenční usměrňovač nabízí výhody je-li čerpadlo s variabilním dopravovaným množstvím nebo je-li provozováno s variabilním tlakem. Mimoto je frekvenční usměrňovač zapotřebí, má-li být tlak stříkání nastavitelný z velína. Pakliže čerpadla pracují jen v jednom definovaném bodě, nepřináší ovšem frekvenční usměrňovač žádné výhody.

Podívejme se na možnost úspory při změně tlaku stříkání o 0,5 bar. Na obrázku jsou představeny linie pro dvojí otáčky. Červeně stanovený provozní bod při 165 m³/h a 20 m WS. Stříkací tlak 1,5 bar znamená provedení na 20 m dopravované výšky, protože se musí zohlednit ztráty v potrubí a geodetická výška. Bude-li se tlak stříkání redukovat na 1,0 bar, lze počet otáček čerpadla snížit pomocí frekvenčního usměrňovače.

Nový provozní bod leží takto na 142 m³/h a 15 m WS. To znamená redukci výkonu z 11,8 na 7,8 Kw. Zohledněním ztráty výkonu frekvenčního usměrňovače vzniká úspora 32 % spotřebované elektrické energie. Při investici asi 3 tisíce euro za frekvenční usměrňovač se náklady vrátí do pěti let.

Poznámka:
Jde-li výlučně o šetření energií, jsou pak efektivnější možnosti, než provoz stříkacího čerpadla s frekvenčním usměrňovačem.

OPTIMALIZACE TECHNICKÉHO ŘÍZENÍ – ENERGETICKÝ MANAGEMENT
Pro řízení je nejdůležitější opatření stand-by-provoz při prázdných závěsech, nebo pracovní přestávce. Zde lze odpojením čerpadel, nebo pomocí regulace ventilátorů, ušetřit hodně energie. Další možností jsou procesní hodnoty dané tím, jak je využita kapacita, např. nastavení množství vzduchu při sušení a v chladicí zoně.

Konstruktivní opatření s velkým potenciálem představují:

• Optimalizace váhy závěsů, což se často podceňuje.
• Provedení pecí s A-uzávěrou, nebo vraty s potenciálem úspory do 20 % celkového příkonu pece.
• Kaskádové vedení chladicího vzduchu v chladicí zoně, které značně redukuje instalované celkové množství chladicího vzduchu.
• V jednotlivých případech je velmi efektivní použití zářičů infrarot a je výhodné také z energetického pohledu.

REKUPERACE
Jsou-li právě představená opatření zohledněna a integrována, je dalším krokem rekuperace a použití tepelných čerpadel. Rekuperace se vztahuje zpravidla na recykly tepelných energií z odpadního vzduchu z povrstvovacích zařízení, jako např. ze stříkacích kabin, nebo pecí.

Technicky je to použitelné pomocí přes výměník s křížovým prouděním, tepelné kolo, nebo žebrový výměník. Vyzískané teplo slouží pro ohřev lázní, nebo zařízení na přívod vzduchu. Tepelných čerpadel se využívá pro nižší teploty např. pro ohřev lázní. K tomu se musí zvednout výše teploty, což tepelné čerpadlo s využitím elektrické energie umožní. Jsou-li možnosti minimalizace spotřeby energie v procesních krocích, stejně tak v komponentech zařízení zohledněny, moho být tyto koncepty zřetelným přínosem.

ROZDĚLENÍ POTŘEBY ENERGIE PŘI PRÁŠKOVÉM LAKOVÁNÍ
Termická potřeba činí z 82 % hlavní část energetických nákladů. Spotřeba elektro se dělí asi po třetinách mezi předúpravu, pece s chladicí zonou a práškovou kabinou. Termická spotřeba dominuje u pecí se 74 %. Proto se zde nabízí rekuperace k ohřevu předúprav.

SYSTÉMY PRO REKUPERACI
Regenerativní systémy
Přenos tepla následuje pomocí nosičů tepla, jako např. okružní spojovací systémy, tepelné trubky a jiné. Regenerátory jsou vybaveny točivými systémy nosičů tepla, např. rotory.

Jsou dvě varianty, s nebo bez sorpce. Sorpce je hygroskopická zásobní hmota pro přenos vlhkosti. Zásoby tepla proměnlivě proudí.

Takto je vedle teplotou podmíněnými přenosy tepla na přívodní vzduch také využita latentní tepelná energie pomocí vhkosti.

ZAŘÍZENÍ PRO PŘÍVOD VZDUCHU DO HALY POMOCÍ TEPELNÉHO KOLA
Používá se pro:

• odpadní vzduch vodních sušek,
• odpadní vzduch z infrarot-zony,
• jako částečný proud z chladicích zón – odpadní vzduch a odpadní vzduch z haly, který je odsáván pod stropem haly.

Celkový proud vzduchu se vede přes tepelné kolo. Vyzískaným množstvím tepla je pak přiváděný vzduch vyhříván. Topný registr je nutný pouze při funkci vyhřívání haly.

REKUPERACE POMOCÍ TEPELNÝCH ČERPADEL
Zde se prezentuje více násobné využití množství vzduchu chladicích zon pro optimální chlazení dílů.

ZÁVĚREČNÉ SHRNUTÍ
Hospodárný koncept pro zvýšení energetické efektivity vyžaduje pečlivou analýzu energetické bilance zařízení.

Vhodným využitím se musí zohlednit celkový energetický koncept. Nové technologie umožňují dalekosáhlé a široké využití stávajícího odpadního tepla při krátké době amortizace. V ideálním případě lze recyklovanou energii využít opět přímo v procesu povrstvování.

Advanced Energy Concepts for Pre-treatment Mechanisms and Industry
Owing to increasing prices of energy and effect of competitive pressures the topic of advanced energy concepts for pretreatment and general industry is returning into the centre of attention all over the world. Furnaces often but not always represent the biggest energy consumers within a surface treatment process. According to the type of mechanism, the biggest amount of energy is used for heating of pre-treatment or air conditioning in a process. However, great savings can be achieved through application of a suitable solution.

Autor

• Ing. Reisinger Jiří