HMV hulladékhőből
2013/9. lapszám | Chiovini György | 6541 |
Figylem! Ez a cikk 13 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
A hulladék szónak van egy bizonyos negatív hangulata. Ami hulladék, az nem teljes értékű. A hulladékhasznosítás azért jó, mert valami kevésbé értékesből értéket hozunk létre. Az energetikában használjuk a hulladékenergia kifejezést. Berendezéseink a bevitt energia egy részét változatlanul vagy átalakítva kibocsátják, a nélkül, hogy hasznosult volna. Ott ez veszteség, ha úgy tetszik, energetikai hulladék, ami azonban egy másik berendezés számára ugyanolyan értékes energia lehet, mintha tüzelőanyag égetéséből, villamos energiából, napsugárzásból stb. nyertük volna. Vízre az élet minden területén szükség van, gyakran melegített állapotban. A víz melegítése jelentős mennyiségű energiát igényel, mert fajhője, fajlagos hőkapacitása nagy. Gazdaságosan tudunk vizet melegíteni, ha valamilyen hulladékhőt hasznosítunk.
Ez a technika nem új. Vannak olyan iparágak, ahol a hulladékenergia aránya 50 százaléknál is nagyobb. Az építőanyagiparban, fémkohászatban, vegyianyaggyártásban a hulladékhő-hasznosítás a technológia szerves része. Ahol kazánokat, kemencéket, belsőégésű motorokat üzemeltetünk, ott megoldható, hogy a távozó égéstermék egy hőigényes folyamatban adja le hőtartalmának jelentős részét. A gőztechnológiában a sarjúgőz, a kondenzvíz kedvező hulladékhőforrás. Megvalósítható a hulladékhő-hasznosítás a hűtőgépeknél, kompresszoroknál, továbbá a szellőzéstechnikában is. A nagyobb hőmérsékletű közegeket nagyobb hőmérsékletet igénylő folyamatban érdemes lehűteni (1. ábra). A használati melegvízkészítéshez szükséges hőmérséklet általában rendelkezésre áll, ellenkező esetben még szóba jöhet a friss víz előmelegítése. Hőszivattyú alkalmazásával ez a korlát megkerülhető.
HMV-készítés szennyvízből hőcserélővel
Meleg vizet nagyon sokféle helyen és célra használunk. Használat közben hőmérséklete csökken, de ez a kisebb hőmérséklet is nagyobb az eredeti, felmelegítés előtti állapotnál. Az így jelentkező hőmérsékletkülönbség kihasználásával hasznosítjuk a víz maradék hőtartalmát a friss víz előmelegítésére. Választhatunk hőcserélős vagy nagyobb beruházást igénylő hőszivattyús megoldás között.
Akár városias, akár falusias környezetről van szó, a lakások szinte mindig közművesített területen vannak, a szennyvizet csatornahálózat fogadja be. Számos példa van arra, hogy a szennyvíz hőhasznosítása a csatornához kapcsolódóan történik. Egyedi megoldások is léteznek, választhatók, ez lehet maga a keletkezési hely, a lakás, de ilyen a többlakásos épületekben kialakított, központos hőhasznosító. Intézményeknél is egy, esetleg néhány központos hőhasznosító adja a legkedvezőbb megoldást.
A lakásonkénti hasznosításnak előnyei és hátrányai is vannak. Elsősorban, hogy független a közműszolgáltatótól, a lakás tulajdonosa valósítja meg, és ő is üzemelteti. További előnyök, hogy a hő helyben hasznosítható is, és hőmérséklete itt keletkezési hőmérsékletű, míg távolodva egyre csökkenő. Hátrány viszont, hogy a kibocsátás erősen ingadozó. Ez utóbbi kedvezőbb, ha egy többlakásos épületben központos hőhasznosítót alakítanak ki.
Lényeges szempont, hogy a szennyvíz ténylegesen is szennyezett, emiatt a hőhasznosításnál számolni kell a berendezésben kialakuló lerakódásokkal, a felületek hőátadó képességének romlásával, és ha nem gondoskodunk a tisztításról, akár dugulással is. A tisztítás – a tényleges megvalósítás módjától függetlenül – rendszeres üzemeltetési feladat és költség. Az egészséget nem veszélyeztető ivóvíz érdekében a szennyvíz hulladékhőjének hasznosításánál alapszabály, hogy ki kell zárni az ivóvíz szennyeződésének lehetőségét. Nem fogadható el olyan szerkezeti kialakítás, amelyben a két közeg között egyetlen elválasztó felület van, emiatt kettős falú hőcserélőket használunk. Mind az elfolyó, mind a friss víz saját, zárt rendszerében áramlik, a köztes téren keresztül történik a hőátvitel.
Lakóépületekben egyszerű és hatékony megoldás az ejtőcső-hőcserélő (1. kép). A függőleges szennyvízcsövet csőkígyó veszi körbe, ebben áramlik a felmelegítendő friss víz (2. ábra). A jó hőátadás magyarázata, hogy a szennyvíz a belső cső falán szétterülve folyik le. Mivel az ejtőcső, mint olyan, változatlanul megmarad, tisztításra a hőhasznosítás nélküli állapothoz képest nincsen szükség. Az ejtőcső-hőcserélő előnye, hogy a keletkezési helytől függetlenül minden melegvízfogyasztás hője hasznosítható.
Gyártanak külön a zuhanyozáshoz kifejlesztett hőhasznosítókat. Két változatuk létezik; az egyik a zuhanytálca alá kerül (2. kép), a másiknál a hőcserélő a zuhanyfolyókába van beépítve. Hatékonyságbeli különbség nincsen, hozzávetőlegesen a felmelegítéshez szükséges hő fele takarítható meg. Szállodák, kórházak, mosodák, sportlétesítmények stb. számára megfelelően méretezett, egyedileg gyártott vagy egy erre szakosodott cég gyártmányai közül választott hőcserélő a célravezető megoldás (3. kép).
HMV-készítés szennyvízből hőszivattyúval
Hőcserélő alkalmazásánál az elérhető hőmérsékletnek fizikai korlátja van, a friss víz hőmérséklete legfeljebb megközelítheti a szennyvízét. Ezzel szemben hőszivattyúval a távozó víznél nagyobb hőmérsékletet is el lehet érni. Ehhez természetesen villamos energiára is szükség van, de a hőhasznosításnak ez a módja lehet nemcsak eredményes, de gazdaságos is.
Egy német kutatás azt vizsgálta, hogy milyen lehetőségek vannak a szennyvíz hőszivattyús hőhasznosítására nagyobb épületekben. Négy épületet választottak: két diákotthont, egy szállodát és egy kórházat. A diákotthonok 246, illetve 209 fő számára biztosítanak szállást. A szálloda 154 szobás, és étteremmel is rendelkezik. A kórház 348 ágyas intézmény.
A mérésadatgyűjtés az ivóvíz mennyiségére és a szennyvíz hőmérsékletére terjedt ki. Az adatokat tízperces periódusokban rögzítették, és a kapott számokat órás időszakokra összegezve értékelték. Jellegzetes napi fogyasztásképet kaptak, eltérőket a hétköznapokra, a szombatra és vasárnapra. A fogyasztás minimuma mindig éjszaka volt. A diákotthonokban a nappali órák fogyasztása kevésbé ingadozott, mint a szállodában. A diákoknál napközben a legkisebb és legnagyobb érték aránya hozzávetőlegesen 1:2, a szállóban pedig inkább 1:4. A vizsgált időszakban a diákotthonok fajlagos vízfogyasztása – majdnem egyező – 118, illetve 120 l/nap/fő volt.
A szennyvíz átlaghőmérséklete mindkét épületben gyakorlatilag azonos volt: 26 oC. A szállodában a vízfogyasztást a szobákra vetítették: 156 l/nap/szoba. A szennyvíz kissé langyosabb volt, átlaghőmérséklete 24 oC. A kórház több szempontból is eltért a másik két épülettípustól. Először is nem egy, hanem négy bekötési pontja van a közműves szennyvízcsatornára. A napi fogyasztás is másképp alakul. Az óránkénti vízigény a reggeli óráktól emelkedik, délelőtt és délután nagy, estefelé csökkenő, de éjszaka is elég jelentős. Ezen belül az egyes szennyvíz-keletkezési helyek profilja is más és más. Az átlagos fogyasztásra a 372 l/nap/ágy értéket kapták. A szennyvíz átlagos hőmérséklete lényegében azonos volt a diákotthonokban kapottal: 26 oC. Az adatbázis segítségével a 246 fős diákotthonra szimulációs számítást végeztek. A hőszivattyúval elérhető energiaköltség-megtakarítást elemezték. A tanulmány a következőkből indult ki:
- szennyvíz-hőmérsékletváltozás: 25 oC-ból 15 oC;
- frissvíz-hőmérsékletváltozás 10 oC-ból 60 oC;
- HMV-arány a teljes friss vízmennyiségre vonatkoztatva: 30%;
- HMV-fogyasztás 9840 l/nap.
A szennyvíz tárolótartályon keresztül folyik, és tárolótartály van a HMV-nél is, ezek kiegyenlítik a térfogatáramok ingadozását. A számítást különböző méretű tartályokkal is elvégezték, az optimum 5, illetve 7 m3-es tartálynál adódott. Annak érdekében, hogy a csapolóknál mindig legyen 60 oC-os meleg víz, a HMV-tároló több részre osztott. A felfűtés vezérlése biztosítja, hogy mindig legalább egy részből 60 oC-os hőmérsékletű víz legyen kiadható. Figyelembe vették ezen kívül, hogy a szennyvízből a hőátadó felületen bevonat, a hőátvitelt hátrányosan érintő réteg képződik, tehát a tiszta felülethez képest 5-7 oC-kal nagyobb hőmérsékletkülönbséggel kell számolni.
Bivalens rendszert választottak, két változatban. Az egyiknél a kiegészítő hőtermelő gázkazán, a másiknál villamos fűtőbetét. A hőszivattyú ki-be kapcsolásos üzemmódban működik. A teljesítményét úgy határozták meg, hogy a fogyasztási völgyidőszakban se legyen a leállások és indulások száma túl nagy, emiatt a fogyasztási csúcsidőszakban szükség van egy kiegészítő hőtermelőre. Kisebb, olcsóbb hőszivattyú is elégséges, ha a friss víz felmelegítése hőszivattyúval csak 45 oC-ra történik. További előny, hogy a hőszivattyú teljesítményszáma (COP) jobb, mert az elpárologtató és a kondenzátor között a hőmérsékletkülönbség kisebb.
A számításba vett HMV-szükséglethez tarozó teljes hőenergiaigény 209 MWh/év. Ha a hőszivattyú 45 oC-ra melegíti a vizet, optimális teljesítménye 18 kW, az éves munkaszám pedig 4,5; a hőszivattyú által a víznek átadott hő 132 MWh/év, a maradék 77 MWh/év-et a kiegészítő hőtermelő biztosítja. Ha a hőszivattyú úgy működik, hogy 60 oC-os víznél kapcsol ki, akkor az optimális teljesítmény 36 kW. Az éves munkaszám rosszabb: 3. A vízzel közölt hő aránya eltolódik a hőszivattyú javára, a kisegítő hőtermelőre eső rész lényegesen – de nem nullára – csökken: 180, illetve 29 MWh/év.
Ezekből az adatokból, a kisegítő hőtermelők éves hatásfokából és az energiaárakból kiszámítható az energiaköltség-megtakarítás. Ha a közvetlen villamos fűtést váltjuk ki, a költségmegtakarítás egyértelmű, hiszen az áramfogyasztás a sokkal jobb munkaszám miatt mindig jelentkezik. Ha ez olyan mértékű, hogy fedezi a hőszivattyú nagyobb árát, olcsóbb lesz a HMV előállítása. A hőszivattyúval annál több áramot tudunk megtakarítani, minél nagyobb részt vesz át a közvetlen fűtéstől. Hőszivattyú nélkül a villamos fűtőbetétek fogyasztása a nagyon jó hatásfokra tekintettel 210 MWh/év (3. ábra). Ha a hőszivattyú 45 oC-ig fűt, ehhez 29 MWh/év-et fogyaszt. A közvetlen fűtés fogyasztása 78 MWh/év, összesen 117 MWh/év. Megtakarítottunk 93 MWh/év-et. Ha 60 oC-ig, akkor fogyasztása 60 MWh/év, a villamos fűtőbetétek 29 MWh/év fogyasztásával együtt 89 MWh/év. A megtakarítás nagyobb lett: 121 MWh/év. A költség egyenesen arányos a fogyasztással; az előbbi esetben az eredeti 50 400 eurónak 51 százaléka, a második – egyben kedvezőbb – esetben 42 százaléka. Logikus, hiszen a hatékonyabb hőszivattyú részaránya nagyobb lett. Viszont a 9 százaléknyi csökkenést úgy érjük el, ha nem 18, hanem 36 kW-os hőszivattyút telepítünk. A teljes élettartamköltség nem lesz feltétlenül jobb.
Van még egy körülmény, ami érdekes lehet. A hőszivattyú gazdaságosságát javítja, ha számára a közvetlen fűtéshez képest kedvezőbb tarifával szerezhető be a villamos energia.
A földgáz kiváltása nem hoz ilyen látványos eredményt. Nagy befolyása van a földgáz és a villamos energia árviszonyának. Minél drágább a villamos energia, annál nagyobb munkaszám szükséges, hogy érdemes legyen hőszivattyút üzemeltetni. Ha a gázkazán éves átlagos hatásfokát munkaszámként értelmezzük, akkor a két munkaszám arányának jobbnak kell lenni a két energiaforrás árarányánál. A kutatási feladatban a gázkazán éves hatásfokát 95 százalékkal számolták, ez munkaszámként 0,95. A szimuláció 60 oC-os hőszivattyú üzemmódjában annak munkaszámaként 3-at számolt ki. Az arány így 3,16. A kutatást végzők 0,08 euró/kWh földgáz- és 0,24 euró/kWh villamosenergiaárral számoltak. Ezek aránya pontosan 3. Emiatt kapjuk azt az eredményt, hogy ilyen bivalens üzemben a költség csak egy picivel kisebb, mintha kizárólag földgázzal történne a HMV előállítása.
209 MWh/év hőenergiát a kazán 220 MWh/év energiatartalmú és 17 600 euró értékű földgázból állít elő (4. ábra). Ebben a változatban a hőszivattyú áramköltsége 14 400 euró, ehhez adódik még a kazán gázköltsége, 2480 euró. Összes energiaköltség 16 880 euró, a különbség 4%. Ezért természetesen nem lenne értelmes dolog hőszivattyút használni. A bivalens üzem akkor válik előnyössé, ha a hőszivattyú számára kedvező feltételek mellett működhet, a szimulációban ez a 45 oC-os üzemmód 4,5-es munkaszámmal. Az áramdíj 7440 euróval csökken, a gázdíj 3920 euróval nő. A mérleg javul, a költségmegtakarítás már 24%. Ha a vizsgálódást kiterjesztjük az energiahordozóárak különböző arányára, megállapíthatjuk, hogy viszonylag drága földgáz, illetve viszonylag olcsó áram esetén a hőszivattyú előnye még nagyobb. Ha az áram csak két és félszer drágább a földgázhoz képest, a megtakarítás 30%. A helyzet természetesen fordítva is igaz.
A szennyvízben rejlő hulladékhő hasznosítása jól összekapcsolható egy épület szennyvízelvezető rendszerének felújításával. Az egyébként is szükséges munkák kibővíthetők, és a beruházás nem csak a további biztonságos és zavartalan működést szolgálja, hanem energiaköltség-csökkentést is eredményez.
HMV-készítés kompresszorok hulladékhőjéből
A műszaki életben elkerülhetetlen a kompromisszum, szebben kifejezve műszaki-gazdasági optimum. Így fordul elő, hogy egy adott cél érdekében látszólag valami egészen mást csinálunk, a cél csak mintegy melléktermék. Ilyen az izzólámpa – nagyon jól alakítja át a villamos energiát hővé, de fény is keletkezik, bár ez a bevezetett energiának csak néhány százaléka. Az izzólámpát ugyan más fénykeltési módok már szinte kiszorították, de azok energiamérlegében is a hő teszi ki a nagyobb részt.
Az iparban kedvelt a sűrített levegő – a nagysorozatú, automatizált gyártás elképzelhetetlen nélküle, és emellett is számtalan felhasználási módja van. Pedig egyvalamiben közös az izzólámpával: a bevezetett energia kb. 5 százaléka esik magára a sűrített levegőre, a többi a villamos motorban és a kompresszorban hővé alakul. A működőképesség és egy elvárható élettartam végett a kompresszort hűteni kell. A gép hűtése végső soron a környező levegőt melegíti; közvetlen léghűtéssel vagy közvetett folyadékhűtéssel. A keletkező hőt először a hűtőközeg, hűtővíz veszi át, majd ezt hűtjük folyadék-levegő hőcserélőben. Ezt a hulladékhőt nem szabad veszni hagyni, hanem egy másik energetikai folyamatban hasznosítani kell. A léghűtés jó feltételt biztosít a fűtési célú hasznosításhoz: a meleg levegőt egyszerűen bevezetjük a fűtendő térbe. Ha viszont használati meleg vizet akarunk így, olcsón előállítani, az könnyebben megvalósítható a folyadékhűtésnél.
Széles körben, nagy teljesítménytartományban működnek olajkenésű csavarkompresszorok. Az olaj a sűrítő blokkot keni, és egyben hűti. Az olaj körforgásban van. A sűrítő blokkban felforrósodik, és a levegővel az olajleválasztóba jut, innen a hűtőbe, végül onnan lehűlve ismét a sűrítő blokkba (5. ábra). Ökölszabályként elfogadható, hogy a hajtó villamos motorteljesítményhez viszonyítva az olajjal elvont hő kb. 75%. A hőhasznosító soros vagy párhuzamos kapcsolásban is beépíthető. A vezérlés a HMV-termelésnek biztosít előnyt. Az üzemi hűtőre akkor van szükség, ha a hőhasznosítóban az olaj nem hűl le a szükséges hőmérsékletre.
Még egy gondosan gyártott és szakszerűen üzemeltetett hőcserélőnél sem zárható ki lyukadás vagy repedés. Ekkor a nagyobb nyomású közeg átjut az ellentétes oldalra. Sem az nem engedhető meg, hogy a kompresszorolaj vízzel szennyeződjön, sem az, hogy a vízbe olaj jusson. Erre szolgál a biztonsági hőcserélő. A két közeg között egy biztonsági tér van, ez lehet nyomásmentes vagy nyomás alatt tartott. A lényeg, hogy egy meghibásodásnál a biztonsági térben valamilyen változás történik, amit észlelni tudunk. Idejében megtörténhet a leállítás, csere vagy javítás. A közegek keveredését megelőztük.
A hasznosítható hő számításánál a kompresszor üzemi adataiból indulunk ki. Adott a névleges teljesítménye, és ismert vagy becsülhető az egy időszak (műszak, naptári nap) alatti átlagteljesítménye. Úgy számolhatunk, hogy a nyerhető hő ennek mintegy háromnegyede. Legyen a kompresszort meghajtó villanymotor névleges teljesítménye 22 kW. Ebből kiindulva a hasznosítható hő max. 18 kW, illetve 64 MJ/h. A víz fajlagos hőkapacitása 4,2 kJ/kg K, más mértékegységgel 4,2 MJ/m3 K. Ha egy kelvin hőfoklépcsővel számolunk, akkor a víz térfogatárama max. 15,2 m3/h. A gyakorlatban a ΔT 25…55 K, így a hozzá tartozó térfogatáram-értékek: 0,6, illetve 0,28 m3/h. A valóságban az átlagos motorteljesítmény kisebb. Legyen ez például 10 kW. Ezzel számolva kétműszakos munkarendben és 15 oC hideg víz-, illetve 50 oC melegvíz-hőmérsékletnél naponta kb. 4 m3 meleg vizet tudunk nyerni.
Terjesszük ki a számpéldát egy évre. 2013-ban a munkanapok száma 251, két műszakkal 4016 óra adódik. A 10 kW-nak megfelelő hulladékhő-teljesítmény 35,6 MJ/h, így évente 143 GJ hőenergiát nyerünk. A gyártók példáikban lehetnek nagyon optimisták vagy mértéktartók. Ugyanerre a kompresszorteljesítményre az egyik gyártó évente 317, egy másik 86 GJ megtakarítást ad közre ismertetőjében.
