VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV PROCESNÍHO A EKOLOGICKÉHO INŽENÝRSTVÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF PROCESS AND ENVIRONMENTAL ENGINEERING
HMOTNOSTNÍ A ENERGETICKÁ BILANCE PRÁDELNY BUDOUCNOSTI HEAT AND MASS BALANCE OF UP-TO-DATE LAUNDRY PREMISE
DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER'S THESIS
AUTOR PRÁCE
Bc. ALENA GALČÁKOVÁ
AUTHOR
VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR
BRNO 2010
Ing. PETR BOBÁK
Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství Ústav procesního a ekologického inženýrství Akademický rok: 2009/2010
ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE student(ka): Bc. Alena Galčáková který/která studuje v magisterském navazujícím studijním programu obor: Procesní inženýrství (3909T003) Ředitel ústavu Vám v souladu se zákonem č.111/1998 o vysokých školách a se Studijním a zkušebním řádem VUT v Brně určuje následující téma diplomové práce: Hmotnostní a energetická bilance prádelny budoucnosti v anglickém jazyce: Heat and mass balance of up-to-date laundry premise Stručná charakteristika problematiky úkolu: Seznámit se s procesem profesní údržby prádla. Zadání navazuje na již publikované práce. Úkolem je pro vybrané stěžejní aparáty procesu profesní údržby prádla (bubnová sušička, kalandr) sestavit jednoduchý bilanční model a tento ověřit na základě experimentálních dat z reálných provozů. Modely hlavních uzlů budou následně integrovány do výpočtového systému, na jehož vývoji se bude diplomant rovněž podílet. Cíle diplomové práce: Sestavit model vybraných uzlů procesu. Model implementovat do vhodného prostředí (Maple) tak, aby jej bylo možné použit k praktickým výpočtům. Model ověřit na základě dat z reálných provozů Použitelnost modelu demonstrovat při řešení případové studie. Získané výsledky budou graficky prezentovány.
Seznam odborné literatury: Felder, R. M., Rousseau R. W.: Elementary Principles of Chemical Processes, Third Edition, John Wiley & Sons, (2005) STEHLIK, P.: Laundry lessons
[online],
[cit.
15.
5.
2009],
dostupné
z
PAVLAS, M.; KŠENZULIAK, V.: Optimalizace využití tepla a vody na profesní prádelně,II. etapa. Technická zpráva. Brno: Ústav procesního a ekologického inženýrství FSI VUT v Brně, 2006 KŠENZULIAK, V.: Systém pro výpočet stěžejních parametrů u energeticky náročného spotřebitele. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2007. 63 s. Vedoucí diplomové práce Ing. Martin Pavlas. TŮMA, Z. Model moderní komerční prádelny. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2009. 63s. Vedoucí diplomové práce Ing. Martin Pavlas, Ph.D.
Vedoucí diplomové práce: Ing. Petr Bobák Termín odevzdání diplomové práce je stanoven časovým plánem akademického roku 2009/2010. V Brně, dne 14.10.2009 L.S.
_______________________________ prof. Ing. Petr Stehlík, CSc. Ředitel ústavu
_______________________________ prof. RNDr. Miroslav Doupovec, CSc. Děkan fakulty
Anotace Táto práce 1eší problém ur2ování energetické náro2nosti profesní údržby prádla. P1edstavuje výpo2tové modely bubnové suši2ky s parním oh1evem a kalandru, za pomoci kterých se snaží popsat faktory ovliv3ující energetickou náro2nost procesu sušení. Ov41ení modelu prob4hlo pomocí experimentálních dat získaných p1i m41ení v reálném provozu velkokapacitní prádelny.
Annotation This diploma thesis is solving a problem of energy intensity evaluation of professional laundry process. It presents computational model of tumble dryer and calender. There are described factors in calender model, which influence energy intensity of drying process. Verification of the model has been done according to measured data from real professional laundry premise.
Klí1ová slova profesionální prádelna, energie, bilance, suši2ka, kalandr, recirkulace, rekuperace
Keywords professional laundry, energy, balance, dryer, calender, recirculation, recovery
5 1
Bibliografická citace této práce GAL5ÁKOVÁ, A. Hmotnostní a energetická bilance prádelny budoucnosti. Brno: Vysoké u2ení technické v Brn4, Fakulta strojního inženýrství, 2010. 59 s. Vedoucí diplomové práce Ing. Petr Bobák.
6 1
Prohlášení o p2vodnosti práce Prohlašuji, že jsem tuto práci vypracovala samostatn4 s využitím uvedených zdroj6, na základ4 konzultací a pod vedením vedoucího diplomové práce. V Brn4 dne 20. kv4tna 2010
..………………………………….. Bc. Alena Gal2áková
7 1
Pod3kování Tímto bych cht4la pod4kovat vedoucímu této diplomové práce Ing. Petru Bobákovi, za pomoc, cenné p1ipomínky a osobní p1ístup p1i vedení této práce.
8 1
Obsah 121
3456789ABCDEF938B9222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222229111
21
B9222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222911
21
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
!21
8BF6B3F6 979464 "4FE# 9E7649A 46922222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222229$1
%21
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
)21
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
9 1
,21254++35 0E-8D5B'A)05&C'C9(7E5222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222531 1 ,212154%'9 5 0E-8D5B'A)05&C'C9(7E52222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222533 1 31FE &1AA ,-F1F6D 133333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333331 1 $21
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
*21
B5& +46 9AB'FB,B933F,8C9-492222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222229%.1 $34101(0A1F172*1333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333331"/1 $31AAD.%A1A1CE7-1 -FE1(B7C6DF*133333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333331"/1 224559C'6$C5&98) 905222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222254 1 2257% 7)5&98) 90522222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222254 1
(21
4/376#49209A B922222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222229%!1
1.21 5 9222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222229%)1 1121 3456789ABCDEF,9EF4 7FC 92222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222229%$1 121 3456789A+ B922222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222229%(1
10 1
1. Seznam použitých symbol2 symbol
význam
jednotka
A,B,C
konstanty Antoineova vztahu pro H2O
-
aj, bj, cj, dj, ej B
koeficienty mocninných rozvoj1 ší2ka válce
mm
cH2O,i
koncentrace vodní páry ve vlhkém vzduchu
% obj
codp
pr1m3rná odpa2ovací kapacita
J/kg.K
cpr
m3rná tepelná kapacita prádla
J/kg.K
cpstred D
st2ední tepelná kapacita pr1m3r válce
J/kg.K mm
gr h
gramáž m3rná entalpie páry
g/m2 kJ/kg
hi L8
m3rná entalpie proudu m3rná délka ideální plachty za hodinu
kJ/kg m/hod
l23
výparné teplo vody
kJ/kg
mH2O
množství vody, které je pot2eba odpa2it
kg/hod
9H2O
m3rné množství vody v placht3
kg/hod
9i
hmotnostní pr1tok vlhkého vzduchu proudu
kg/hod
9pl n p p°
m3rná hmotnost ideální plachty po4et válc1 kalandru tlak páry tlak nasycených par
kg/hod bar kPa
patm Q8
atmosférický tlak výkon koryt kalandru
kPa kJ/hod, kW
Q8EVAP
teplo pot2ebné na odpa2ení vody z prádla u suši4ky
kJ/min
Q8k
tepelná ztráta p2i oh2evu prázdných koryt kalandru
kJ/hod
Q8n.pl.
teplo nevyužité plochy kalandru
kJ/hod
Q8odp
teplo pot2ebné na odpa2ení vlhkosti z prádla na kalandru
kJ/hod
Q8odp_oh
teplo pro oh2ev prádla a odpa2ení vody u kalandru
kJ/hod
Q8oh
teplo pot2ebné na pro oh2ev zbytkové vlhkosti v prádle u kalandru kJ/hod
Q8ZTR
tepelné ztráty
kJ/hod, W
qkond
kondenza4ní teplo páry
kJ/kg
qoh1
m3rné teplo dodané proudem 8 proudu 5 u suši4ky
J/kg
qoh8 r
m3rné teplo p2ijaté proudem 5 u suši4ky množství recirkulovaného vzduchu
J/kg %
S8
m3rná plocha ideální plachty za hodinu
m2/hod
11 1
Skor
celková plocha koryta kalandru
m2
Spl t
plocha plachty p2i 100% využití plochy kalandru teplota páry
m2 °C
tEVAP
4as pot2ebný na odpa2ení na požadovanou vlhkost u suši4ky
min
ti tl
teplota proudu tlouš5ka st3ny
°C m
tref v
referen4ní teplota rychlost posuvu prádla na kalandru
°C m/min
V8i
objemový pr1tok proudu
mN3/hod
Vg
m3rný objem páry
m3/kg
Vm x, y, z
univerzální plynová konstanta rozm3ry suši4ky, kalandru
mN3/kmol m
xin
vstupní vlhkost
%
xout
výstupní vlhkost
%
xsv
hmotnostní podíl suchého vzduchu ve vlhkém vzduchu
-
xvp :° 6
hmotnostní podíl vodní páry ve vlhkém vzduchu uhel opásání válce korytem Ludolfovo 4íslo
° -
;5
hustota vzduchu
m3/kg
;H2O <5
m3rná hmotnost vody 4as pot2ebný na odpa2ení vlhkosti z prádla u kalandru
kg/m3 min
=i
relativní vlhkost
%
dolní index
význam
i j pr sv vp
vztahující se k 4íslu proudu vztahující se k složkám vlhkého vzduchu vztahující se k prádlu vztahující se k suchému vzduchu vztahující se k vodní páre
12 1
2. Úvod V dnešní dob4, kdy pomalu ale jist4 ubývá zásob nerostných surovin a kdy si lidstvo za2alo uv4domovat ekologický dopad svých aktivit, se p1i vývoji nových technologií pom4rn4 velkou mírou v4nuje zvýšení efektivity proces6 a tím i snížení ekologické a energetické zát4že. Zvyšování efektivity v provozech je zavád4no také z d6vodu snížení náklad6 a zvýšení zisk6 t4chto provoz6. Jedním z odv4tví, kde je nutno zabývat se ekologickými a energetickými dopady je proces údržby prádla z d6vodu používání zna2ného množství chemických látek a vysoké spot1eby vody a energií. Sou2asná technologie pracích a sušicích stroj6 v domácnostech je na vysoké úrovni a lze konstatovat, že efektivita t4chto stroj6 je na vysoké úrovni. Na druhé stran4 stojí profesionální prádelny, které mají mnohdy zastaralejší za1ízení, které je energeticky náro2né. P1i zpracovatelském výkonu kolem 10 tun prádla za den, tyto prádelny plýtvají zna2ným množstvím energií. Jako jedna z možnosti úspory energií se jeví vým4na staršího za1ízení za nové úsporn4jší a tím i ekologi2t4jší. Tato možnost je však ekonomicky velice zat4žující a ne všechny prádelny by si ji mohli dovolit. Další možnosti úspory energie je optimální využití veškerého odpadního tepla u jednotlivých stroj6, je ovšem nutné brát provoz jako celek. Optimalizace pouze jednoho ze stroj6 by totiž v kone2ném d6sledku nemusela spot1ebu energie snížit, ale naopak by ji mohla znateln4 zvýšit. Od roku 2006 se problémem optimalizace využití energii v profesionální prádeln4 zabývá i Ústav procesního a ekologického inženýrství (dále ÚPEI) na Fakult4 strojního inženýrství VUT v Brn4, a to na základ4 žádosti spole2nosti Procter & Gamble o pomoc p1i 1ešení tohoto problému. Následn4 na to vznikla na ÚPEI myšlenka realizovat vlastní model výzkumné prádelny budoucnosti, jakožto p1edstavitele energeticky náro2ného procesu a to v rámci výzkumného projektu NETME Centr. Vzniklo n4kolik prací, které se touto problematikou zabývají [1], [2], [3], [4], [5], [6], a na které tato práce navazuje. Cílem této diplomové práce je energetická bilance procesu profesní údržby prádla a návrh matematických model6 bubnové suši2ky s parním oh1evem a kalandru. Matematické modely jsou ur2eny pro optimalizaci využití energií v reálnem provozu prádelny. V úvodu je popsána problematika profesní údržby prádla. V dalších 2ástech práce jsou popsány matematické modely suši2ky a kalandru, jež byli vytvo1eny v prost1edí programu MS Excel. V záv4ru práce se nachází také popis koncept knihovny „pradlo“ , který by m4l stejn4 jako navrhnuté výpo2tové modely, posloužit jako podklad pro programátory, kte1í se podílí na vývoji aplikace Waste-toEnergy. P1i pohledu do blízké budoucnosti se na strojních za1ízeních profesních prádelen nic zásadního m4nit nebude. Vývoj nových technologií je sice rychlý, ale ne každá prádelna, která je již v provozu bude schopna obnovovat strojní za1ízení p1i uvedení každé novinky na trh. Ovšem budoucnost praní je v tom, že se ve všech technologických procesech bude využívat veškeré odpadní teplo a tudíž se budou snižovat energetické nároky na celkový provoz profesních prádelen. 13 1
3. Proces údržby prádla v profesionální prádeln3 3.1 Údržba prádla v domácnosti Mnoho lidí si umí p1edstavit, co p1ibližn4 zahrnuje slovní spojení „proces praní a údržba prádla“. V p1ípad4 praní v domácnosti to je rozt1íd4ní prádla dle barev, typu materiálu a míry zne2ist4ní. Problémem je v4tšinou neodborný p1ístup k již zmín4nému t1íd4ní, dávkování pracích prost1edk6 a také pom4rn4 vysoká spot1eba vody. D6vodem je ur2itá míra benevolence k výsledné kvalit4 praného prádla. Vzhledem k tomu, že dnešní automatické pra2ky dokážou zpracovat pouze 3 až 8 kg prádla za jeden cyklus, se m6že prací proces p1i nevyhovujícím výsledku snadno opakovat. Další sou2ástí údržby prádla v domácnostech je jeho sušení, které následuje bezprost1edn4 po praní. Trendem dnešní doby je po1izovat si suši2ky prádla. Její nároky na prostor spole2n4 s pra2kou (obr. 3.1) jsou minimální. Bohužel, co se tý2e spot1eby energie, jsou suši2ky energetické t1ídy A nebo A+ velice náro2né na po1izovací cenu. Výhodou je však ušet1ený 2as, který by se jinak musel strávit jak v4šením prádla, tak jeho žehlením. V4tšina suši2ek je totiž vybavená programem „Snadné žehlení“ a tla2ítkem ochrany proti poma2kání prádla. Existuje také možnost sušení prádla klasickým zp6sobem, a to pov4šením mokrého prádla na sušák. Spot1eba elektrické energie pak klesá k nule. V tomto p1ípad4 ale záleží na podmínkách v jakých se prádlo suší. Jeho vysušení m6že trvat i n4kolik dní. 5ím je teplejší a sušší prost1edí, tím je pot1eba mén4 2asu na sušení a naopak. Poté v4tšinou následuje žehlení, o jehož fyzické a 2asové náro2nosti ani nemluv4.
Obr.3.1 – P2íklad praní v domácnostech [7]
3.2 Proces údržby prádla v profesionální prádeln3 Na rozdíl od domácí údržby prádla je praní a celkový proces údržby prádla v profesionální prádeln4 (obr. 3.2) pon4kud komplikovan4jší a nezahrnuje pouze samotné praní prádla, ale také veškeré operace související s prádlem. Stejn4 jako u praní v domácnosti je to t1íd4ní, sušení, žehlení, skládaní a stohování, ovšem ve velkém množství. Významnou roli hraje i spolehlivá doprava prádla, která rychle a v2as vyzvedne špinavé prádlo u zákazníka a vyprané mu ho doveze zp4t. 14 1
V profesní prádeln4 jsou kladeny vysoké nároky na kvalitu odstran4ní zne2išt4ní, b4lost a v6ni, které musí uspokojit požadavky všech zákazník6. Nep1ipouští se zde opakování pracího procesu z d6vodu vysokých ekonomických ztrát. V p1ípad4 nesprávného nastavení totiž standardní prací linka produkuje p1ibližn4 50 kg špinavého prádla každé t1i minuty. Vysoký d6raz je kladen na celkové náklady, ale také na spln4ní limit6 daných legislativou, které se týkají nap1íklad vlivu odpadních vod na životní prost1edí. Produktem prádelny je 2isté prádlo, které musí být schopno svou kvalitou a cenou 2elit konkurenci.
Obr.3.2 – P2íklad údržby prádla v profesionální prádeln3 [8]
Zákazníky velkokapacitních prádelen jsou zejména hotely, nemocnice, gastronomické provozy a výrobní podniky. Sortiment prádla udává tab. 3.1. Provoz
Typ prádla
Typ zne1išt3ní / údržby
hotely
froté prádlo bíle ložní prádlo stálo barevné ložní prádlo
prachem, tukem a cukry (bývá relativn4 2isté tém41 každodenn4 prané)
bíle ložní prádlo stálobarevné ložní prádlo prádlo pro nemocné prádlo pro personál pracovní oble2ení
krví a lidskými exkrementy
nemocnice
gastronomické provozy
modré prádlo pro pracovníky údržby
opera2ní prádlo
velké množství krve, 2ástmi lidského t4la a opera2ními nástroji - složité pro 2išt4ní
dermatologické prádlo
tuky, lidskými exkrementy, krémy a chemickými preparáty
infek2ní prádlo
prádlo vyžadující speciální pé2i
prádlo pro personál
velké množství p1írodních tuk6, živo2išní krve a r6zné druhy potraviná1ských barev
Tab. 3.1 – typy prádla dle zákazník1
15 1
3.3 Pracovní postup pr profesionální prádelny Hlavní operace využité v procesu pr údržby prádla jsou: 1 1 1 1 1
praní prádla v tunelo elové nebo ve vsádkové pra2ce, odvod3ování mokré rého prádla lisem nebo pomocí odst1edivky, sušení prádla v systé stémové bubnové suši2ce nebo v kompaktní suši2ce, suš žehlení rovného prád rádla na kalandru a dokon2ování tvaro arového prádla v tzv. tunel finisheru.
Skladba aparát6 konkrétní ní prádelny se liší v závislosti na množství, druhu dr a mí1e zne2išt4ní zpracovávaného prádla.
Obr.3 br.3.3 – zjednodušené schéma toku prádla po prádel deln3
Na obr. 3.3 je znázorn4no zjednodušené schéma toku prádla po prádel deln4. Poté, co je prádlo dopraveno nákladními automo mobily od zákazník6, jež mohou být od vlastní tní prádelny vzdáleni až 200 km, vstupuje prádlo do provozu pro do tzv. špinavé zóny. Zde je do2asn4 uskladn4no u a následn4 t1íd4no. Zne2išt4né prádloo bývá umíst4no v p1epravních vozících,, nebo bývá uloženo v transportních vacích. Podle hmotnosti zakázky a míry zne2išt4ní je prádlo rozt1íd4no na menš enší objemy, tzv. dávky. Siln4 zne2išt4né prádlo menší nšího množství bývá v4tšinou zpracováváno vvsádkovými pra2kami, zatímco velké množství s menší m úrovní zne2išt4ní je práno v tunelové vé pra2ce, do které je dopravováno za pomoci dop opravníku. Zajišt4ní správného dávkováníí je j d6ležité z hlediska efektivní spot1eby prací che hemie, vody a tepla. Vyprané a tedy 22isté sté prádlo se následn4 zpracovává v 2isté zón4. Vstu stup ze špinavé do 2isté zóny je možný po pouze p1es dezinfek2ní komoru, která je zabudovan aná v d4licí p1í2ce. Po vyprání v kontinuál uální pra2ce je prádlo odvodn4no za pomoci lisu a ná následn4 je automaticky manipulátorem doprav ravováno do bubnových suši2ek. 5isté prádlo ze vsádk ádkových pra2ek je obsluhou manuáln4 p1eklád 1 ládáno do kompaktních 16 1
suši2ek. Po sušení je prádloo oop4t t1íd4no. Na froté, které se suší do such cha a po složení putuje rovnou na expedici, na rovnéé prádlo, které putuje na kalandr, kde se vysu suší do sucha a zárove3 i vyžehlí, a na tvarové prádlo, o, jež se dosušuje nap1íklad v tunel finisheru.
3.4 Kontinuální bubno nová pra1ka Kontinuální (pr6b4žná) prací pra linka, neboli tunelová pra2ka (CBW, angl. an Continous Batch Washer), je velice specifické cké vysokokapacitní za1ízení vyrobené na míru m zákazníka, a je nedílnou sou2ástí každé profes fesionální prádelny (viz obr. 3.4). M6že mít ít r6 r6zné velikosti bubnu, po2ty komor, rozdílné potrub rubní systémy, a také m6že být vybavenaa r6znými r6 recykla2ními systémy. Pra2ka m6že mít v zón4 z hlavního praní dop1edný proud nebo protiproud, pr pop1. jejich kombinaci. Jsou navrženy pro používání v optimálních technologických ch podmínkách, mohou tedy být používané jen proo praní p s m4kkou vodou. Tvrdá voda totiž vvýrazn4 snižuje jejich životnost.
Obr. 3.4 – kontinuální bubnová pra4ka [9]
ch pra2ek jsou: Výhody použití tunelových 1 pln4 automatizovaný aný prací proces, 1 nízká spot1eba vody dy (od 5 litr6 na 1 kg suchého prádla) 1 a vysoká produktivit ivita (350 až 6 000 kg prádla za hodinu). Nevýhody tunelových pra2e a2ek jsou: 1 1 1 1
vysoké po1izovacíí nnáklady, nutná dobrá znalost st technologie praní, použití je možné pouze pou pro velké pravidelné množství prádla a je vyžadováno pou oužití kvalitní, m4kké vody [2].
17 1
3.4.1 Princip praní u CBW Pr6b4žná pra2ka je v podstat4 n4kolik vzájemn4 propojených bubnových pra2ek za sebou, p1i2emž jednotlivé bubny (komory) jsou navzájem spojeny, a dohromady tak tvo1í kompaktní celek. Princip praní je prakticky stejný jako u „domácích“ bubnových pra2ek. Komory CBW jsou sdruženy do n4kolika sekcí, a to p1edpírky, hlavního praní a máchání. Prádlo postupuje od za2átku i s vodou postupn4 z komory do komory. Každý buben koná kývavý pohyb zleva doprava (kolem 240 °), p1i2emž jednou za takt (2asový interval mezi dv4ma úplnými otá2kami – vyjad1uje se v sekundách) vykoná celou otá2ku, kdy prádlo p1epadne z jedné komory do druhé. Jednotlivé sekce kontinuální bubnové pra2ky byly podrobn4 popsány v [1]. Pomoci mechanického odvodn4ní prádla, je jeho vlhkost snížená na 45 až 55 % hmotnosti suchého prádla. V profesionálních prádelnách se k tomuto ú2elu využívají bu7 odst1edivky (odst1edivé centrifugy) nebo lisy (tlaky 18 až 57 bar), ježichž produktem bývá kompaktní t4leso složené ze slisovaného prádla ve form4 tzv. „kolá2e“. 3.4.2 Spot4eba energie Spot1eba energie u tunelové pra2ky je ur2ena množstvím pot1ebného tepla ve form4 páry, které je pot1eba pro oh1ev prací lázn4. Pro oh1ev 1 kg vody o jeden stupe3 Celsia je zapot1ebí 4,2 kJ energie [3]. Daleko nižší spot1eby vody se dá dosáhnout i správn4 nastavenou recirkulací použité vody nap1íklad z lisu nebo z finálního máchání. K významným úsporám energie a vody m6že také p1isp4t zapojení regulovaného tepelného vým4níku, ve kterém se oh1ívá studená 2erstvá voda pomocí vody odpadní.
3.5 Bubnová suši1ka Jedním z hlavních aparátu, kterým se táto práce z energetického hlediska v4nuje, je bubnová suši2ka. Hlavním úkolem tohoto za1ízení je odstran4ní zbývající vlhkosti z prádla po odvodn4ní v lisu za prací linkou, dále pak p1íprava prádla pro další operaci – žehlení. Sušením bývá z prádla odstran4no 0,05 až 0,55 kg vlhkosti na 1 kg suchého prádla v závislosti na parametrech sušicího procesu. Z konstruk2ního hlediska rozlišujeme suši2ky axiální, kde sušicí médium proudí ve sm4ru osy rotace bubnu, a suši2ky radiální s médiem proudícím kolmo k ose bubnu (obr. 3.5). U radiálních suši2ek se však nevyužívají okrajové 2ásti, kterými sušicí médium proudí, a to má za následek v4tší energetické ztráty než u suši2ek axiálních.
18 1
Obr.3.5 – typy suši4ek z konstruk4ního hlediska [4]
3.5.1 Proces sušení v bubnové suši1ce Bubnová suši2ka slouží k: 1 rozvoln4ní kolá2e, 1 p1edsušení 1 a celkovému vysušení prádla. Za pomoci zdvihového dopravního pásu je 2áste2n4 odvodn4né prádlo z lisu pra2ky ve form4 tzv. kolá2e vloženo do bubnu suši2ky. Pln4ní je tedy provád4no automaticky, p1es pneumaticky ovládaná dví1ka na p1ední stran4 stroje. Prádlo je nejprve rozvoln4no. K samotnému rozvoln4ní prádla je možné využít další za1ízení (velice podobné suši2ce, ale bez oh1evu), které by bylo umíst4no mezi kontinuální pra2kou a suši2kou. Poté dochází k oh1evu prádla a odpa1ování vlhkosti v n4m vázané. Sušícím médiem je vzduch, který je nasáván z prostoru prádelny do parního vým4níku, kde je oh1íván na požadovanou teplotu, jež se pohybuje v rozmezí 150 – 180 °C v závislosti na typu prádla. P1i procesu odpa1ování vlhkosti se sušicí médium ochlazuje a spolu s odpa1enou vlhkostí odchází do odtahu. Vlastnosti použité páry pak odpovídají cílové teplot4, obvykle se využívá 13 barová pára, výjime2n4 m6že mít až 16 bar6. Prádlo které odchází ze suši2ky má tyto vlastnosti: 1 v p1ípad4 rovného prádla, které bude následn4 zpracováváno na kalandrech, je jeho relativní vlhkost 18 až 45 % a teplota se pohybuje v rozmezí 45 až 50 °C, 1 v p1ípad4 tvarového prádla se relativní vlhkost pohybuje kolem 5 % s teplotou 60 až 70 °C 1 v p1ípad4 froté prádla je výstupní relativní vlhkost tém41 0 % s teplotou kolem 50 až 60 °C [2].
19 1
3.5.2 Definice základních termínu sušicího procesu Pr1m3rná odpa2ovací kapacita Množství vody, které je schopné suši2ka z prádla odpa1it za ur2itý 2as, definuje odpa1ovací kapacita. Je závislá zejména na velikosti bubnu suši2ky – ploše, na které dochází k p1enosu hmoty, na vlastnostech sušicího média a na vlastnostech sušené textilie. Experimentální ur2ení odpa1ovací kapacity je pom4rn4 jednoduché. Je pot1ebné znát dobu sušení a množství odpa1ené vody b4hem sušicího cyklu. To se ur2í z rozdílu hmotnosti prádla p1ed a za suši2kou. Odpa1ovací kapacita se pak jednoduše vypo2te dle rovnice 2íslo 1a. 123 456789A4BC7ADEFC2A 123 456789A4ADEFCA 749B9A949 9 AA !D 79ADEFCAD
(1a) U každé suši2ky bývá odpa1ovací kapacita zadaná výrobcem nej2ast4ji v litrech za minutu [l/min]. Pak platí p1evodní vztah 1b, kde 8H2O je m4rná hmotnost vody. "###$ !%& A'()* +,!%&
749B9A949 9 749B9A949 9 8A !2 !D
(1b)
Takt suši4ky Takt suši2ky se skládá: 1 ze samotné doby sušení – závisí na dané vstupní a na požadované výstupní vlhkosti prádla, dávkovaném množství prádla a na odpa1ovací kapacit4 suši2ky 1 a z doby p1ípravy jedné dávky – závisí na rychlosti vým4ny usušeného prádla za nový „kolá2“ z lisu. Aby nemusela pra2ka 2ekat do doby, než bude suši2ka op4t p1ipravená, nem4l by takt suši2ky být delší než takt pra2ky. Optimální možností je pak zvolit takt suši2ky jako násobek taktu pra2ky, úm4rn4 tomu se však musí zvýšit i po2et suši2ek. Pak budou suši2ky pln4ny postupn4 na konci každého taktu pra2ky. Celkový 2as sušení ur2íme jednoduše z následující rovnice, známe-li takt suši2ky: 2.D A456789A A - 079ADEFCAD 1 A79A4B4592AD3 C84A59DADEFCAD 769/A2.D A
4 BC4A45C A 9 6A7 - 79A 9 EAD C84A59DADEFCAD 20 1
(2)
Vlhkost prádla Vlhkost prádla je definovaná jako množství vody v kilogramech obsažené v 1 kg suchého prádla. Ze základní rozvahy nad množstvím vody v bubnu suši2ky je možné dojít ke vztahu: 2.D A72AAEEA 2.D A72AAEE 2.D A749BC/A72 4ADEFC 9A8956 EADEFC A9 89A7EADEFC AA A A A 749B9 79 D E4 4D E4 769/ 769/ 2.D A - A 81D A9A 949 9 A - A DEFC A A 2.D A - A 81D D A !D A ! A !D
(3) Z rovnice 3 je pak možné vyjád1it kterýkoliv její 2len. Nap1íklad je možné zjistit pot1ebnou dobu sušení p1i dané vstupní a požadované výstupní vlhkosti, p1i2emž odpa1ovací kapacita a dávkované množství jsou parametry suši2ky. 3.5.3 Spot4eba energie Vzhledem k tomu, že hlavním cílem suši2ky je odpa1ování, je energie p1ivád4ná v podob4 páry využita ú2eln4. Množství této energie však nem6že být žádným zp6sobem zredukováno. Velikost pot1ebné energie je p1ibližn4 2500 kJ na 1 litr odpa1ené vody. 5ást p1ivád4né energie se využívá na oh1ev prádla (je 1ádov4 nižší, cca 78 kJ na 1kg prádla pro oh1ev o 60 °C [10]) a na krytí tepelných ztrát do okolí. Jednou z možností, jak snížit spot1ebu tepla, je zapojení rekupera2ní jednotky p1i k1ížení použitého sušicího – teplého vzduchu a proudu 2erstvého – studeného vzduchu, a p1edeh1ívat tak sušicí médium vstupující do systému. Další možností je znovu použít odcházející sušicí vzduch – zp6sobem recirkulace. Nejlepší je ovšem kombinace obou zárove3, jak je možné vid4t na obr. 3.6.
21 1
Obr.3.6 – základní fun funk4ní schéma bubnové suši4ky s rekupera4ní a rec recirkula4ní jednotkou
3.6 Kalandr Dalším aparátem, kterým se táto práce zabývá z energetického hlediska ska podrobn4 je kalandr. Je to v podstat4 žehli2, kterýý sslouží k odstran4ní zbývající vlhkosti z prád rádla. Používá se hlavn4 pro prádlo pravidelných rozm4 m4r6, jako jsou nap1íklad povle2ení pe1in a po polštá16, ubrus6 a další textilie pravidelných tvar6, 6, které tvo1í podstatnou 2ást skladby prád rádla v profesionálních prádelnách.
Obr.3.7 – ilustra4ní obrázek kalandru [11]
Podle zpracovatelské kapac pacity je toto za1ízení vybaveno 1 až 4 válci ci zza1azenými za sebou, které jsou opat1eny textilnímii nnábaly (obr. 3.7). Nábaly jsou na válec p1ipe 1ipevn4ny pomoci pružin. Kalandr bývá 2asto opat1en 1 automatickým a nebo poloautomatickým poda dava2em (dávkova2em) prádla a také sklada2em nebo bo stohova2em. Jsou to za1ízení, která usnad3 d3ují obsluhu kalandru, 2ímž výrazn4 zvyšují jeho prod roduktivitu.
22 1
3.6.1 Proces sušení a žehlení na kalandru Vlhké prádlo vstupuje p1es p1ední 2ást kalandru. Zárove3 je zde p1isáván sušicí vzduch z prostoru prádelny. P1i kontaktu s vyh1ívanou teplosm4nnou plochou koryta dochází k p1enosu tepla, oh1evu prádla a tím k následnému odpa1ování vlhkosti. Vlhkost je odsávána p1es prodyšný pláš9 válce. Sušicí vzduch je spole2n4 s odpa1enou vlhkostí odtahován pry2. 3.6.2 Definice základních termínu kalandrování Odpa2ovací kapacita U kalandr6 lze stejn4 jako u suši2ek definovat odpa1ovací kapacitu. Hodnota odpa1ovací kapacity u kalandr6 se vztahuje na 1 metr 2tvere2ní vyh1ívané plochy. Její m41ící jednotka je tedy [l/hod/m2]. Hodnoty uvád4né výrobci se ale liší v závislosti na provedení teplosm4nné plochy, nap1íklad: 1 duplikátorová koryta mají odpa1ovací kapacitu p1ibližn4 30 l/hod/m2 1 koryta se zvýšenou turbulencí dosahují hodnot až 40 l/hod/m2. Velikost vyh2ívané plochy kalandru Stanoví se ze základních geometrických charakteristik kalandru dle následujícího vztahu: - A
21B96A4819 :A-;A%-A
A% , AA ?@# 2A
kde
(4) -
n je po2et válc6, D je pr6m4r jednoho válce, 7 je úhel opásání válce korytem, a b je ší1ka jednoho válce.
Teplota koryta Teplota koryta je dána parametry páry, a proto se na velkých korytech zpravidla nereguluje. Gramáž prádla Plošná gramáž prádla [g/m2] je d6ležitým parametrem prádla, protože prádlo s vyšší hodnotou gramáže (tedy t4žší prádlo), obsahuje více vody, kterou je pot1eba odpa1it na jednotku plochy. Hodnota gramáže se jednoduše ur2í z geometrických charakteristik kusu prádla dle vztahu:
23 1
A @ 22 AE A 7D FA F A 2 5926.A B A C A A 2 FB9A22 A - 7/89A22 A - 5D CA9
12 D A A - A 7D? AE
(5)
Vlhkost prádla Vlhkost prádla je definována jako množství vody v kilogramech obsažené v 1 kg suchého prádla. Stejn4 jako u suši2ek se i u kalandru rozlišuje vlhkost prádla vstupní a výstupní. Rychlost posuvu Jedním z provozních parametr6, které lze p1i reálnem provozu nastavit dle typu žehleného prádla je rychlost posuvu prádla p1es kalandr. Její regulací se docílí toho, aby bylo prádlo na výstupu z kalandru ve všech místech suché. Pro výpo2et rychlosti posuvu lze sestavit rovnici: 749B9 5218D 7/89 7DDDA E F 7 - 949 9 - 21B9/ 4DEE D E4 4D E4 2 8 5926. A C 4812A2 7DDD B ? C - JD B 2!2 17 8 !17 !2 2 81D 81D 456789 !2A A ! A ! GHAI AE
F 2?
(6)
Využití plochy kalandru
Vzhledem k tomu, že pás o ší1ce p1ibližn4 150 mm po obou stranách plochy kalandru se nevyužívá (považuje se za mrtvý prostor), je pot1eba zavést sou2initel využití plochy kalandru. Ur2uje ho také zp6sob vkládání jednotlivých kus6 prádla do kalandru. Využití plochy se výrazn4 snižuje špatnou organizací práce, ru2ním vkládáním, nebo žehlením drobných kus6 prádla. Ovšem strojní vkládání jej podstatn4 zvyšuje. Doba kalandrování Dobu, za kterou bude zpracována dávka prádla, lze ur2it ze znalosti posuvu : 79 7DDDA! A - 2.D A456789A A 989756 FB9 5218D 5926. DE5 C8A2E. 2 68C A - 4DEE A - A 456789 A - A A4812A98975E 2 2!2 !2A 7
(7)
24 1
3.6.3 Spot4eba energie Spot1eba energie na kalandru je dána množstvím páry a tedy teplem pot1ebným pro oh1ev prádla, teplem pro odpa1ení vody z prádla, teplem pro krytí tepelných ztrát odcházejícím vlhkým vzduchem a ztrátami do okolí. Z výše uvedených pot1eb tepla je možné ovlivnit pouze složky ztrátové. Nap1íklad tepelné ztráty do okolí je možné snížit zakrytováním koryta kalandru, které je u moderních kalandr6 b4žné, nebo také zm4nou množství vzduchu, který je do kalandru p1isáván a slouží k odvodu vzniklé vodní páry. Vzhledem k tomu, že nejvíce vzduchu je odtahováno z prvního válce a tedy nejvíce vlhkosti odchází z prádla hned na za2átku, by bylo možné využít odsávaný vzduch z ostatních válc6 k oh1evu prádla, což by teoreticky také snížilo spot1ebu páry. Množství p1isávaného vzduchu musí být však velké tak, aby vzniklá paroplynová sm4s byla dostate2n4 vzdálená od teploty rosného bodu (její teplota se pohybuje v rozmezí 100 až 120 °C). Brýdové páry mohou v odtahu 2áste2n4 kondenzovat, jelikož bývají zne2išt4né parafínem a polyetylenovými vosky.
3.7 Ostatní za4ízení prádelny 3.7.1 Vsádkové pra1ky Vsádkové pra2ky jsou využívané k praní malých objem6 prádla (7 až 40 kg), které se vyzna2uje vysokou mírou zne2išt4ní, nebo velkým poušt4ním barviva. Jsou obsluhovány manuáln4 pracovníky prádelny. Prádlo je podobn4 jako u kontinuální pra2ky pln4no ve špinavé zón4 a po vyprání je vytaženo v zón4 2isté. Cyklus praní obvykle trvá 20 až 50 minut a to v závislosti na typu za1ízení a množství praného prádla. 3.7.2 Malé suši1ky V návaznosti na vsádkové pra2ky se v prádelnách nacházejí malé suši2ky. Slouží bezvýhradn4 pro sušení prádla zpracovávaného ve vsádkových pra2kách. Nej2ast4ji suši2ky pracují s parním oh1evem, ovšem existují i s oh1evem elektrickým. 3.7.3 Tunel finisher Tunel finisher (obr. 4.1) je za1ízení, které slouží k dalšímu zpracování tvarového prádla (plášt4, košile, kalhoty…), k jeho dosušení a žehlení. Prádlo prochází n4kolika 2ástmi: 1 parní komorou, kde se od4v p1ipraví pro další žehlení 1 a další komorou, kde je prádlo vyrovnáno proudem horkého vzduchu.
25 1
Pára je do tunel finisheru p1ivád4ná potrubím nacházejícím se na horní stran4 za1ízení. Po ochlazení je spole2n4 s kondenzátem odvád4ná na opa2né stran4.
Obr.4.1 – ilustra4ní obrázek tunel finisheru [12]
26 1
4. Hmotnostní a eenergetická bilance prádelny lny Kone2ným produktem prád rádelny je 2isté a suché prádlo. Vzhledem k tomu, že dosavadní principy praní v profesionální ní prádeln4 jsou založeny na mokrém pracovní vním procesu, je pot1eba vodu, absorbovanou prádlem m v pra2ce následn4 odstranit. Nejv4tší 2ást energie en se spot1ebovává práv4 za tímto ú2elem. Pro porovnání por je možné uvést následující fakta. K oh1evu jednoho kilogram amu vody o jeden stupe3 Celsia je zapot1ebí p1ibližn4 p1i 4,2 kJ energie, zatímco k odpa1ení jednohoo kilogramu vody p1i atmosférickém tlaku je zapot1ebí 2257 kJ energie, což je tém41 540k 40krát více [10]. Ukázky Senkeyho diagra gramu hmotnostních a energetických bilancí celé prád rádelny jsou uvedeny v p1íloze [P1]. Je t1eba brát br v úvahu, že v prací lince se voda oh1ívá o víc než ež jeden stupe3 Celsia a také se oh1ívá i v4tší 4 ší množství m vody, než se následn4 odpa1uje v suši2kách ch nebo na kalandru. Z toho d6vodu není nepo epom4r spot1eby energií tak velký. Ovšem na druhouu stranu, s efektivita oh1evu vody v tunelové pra2ce pr je tém41 100 %, zatímco efektivita sušení a žeh žehlení se 100 % nikdy blížit nebude. Následu dující schéma zobrazuje pr6b4h prádla prádelnou a znázor3uje zn tok vody a vlhkosti obsažené v prádle p1i pr6chodu jednotlivými za1ízeními.
Obr.5.1 – schema matické znázorn3ní okamžitých pr1tok1 pra4ek, suši4ek suš 4 a kalandru
Z obr. 5.1 je vid4t, že p1i velikosti v jedné dávky prádla o hmotnosti 36 kg a p1i spot1eb4 6 l vody na 1 kg suchého prádl ádla, je nejv4tší spot1eba vody u kontinuáln lní prací linky a to až 5184 kg/hod. Množství vody dy, které v prádle z6stává po odvodn4ní prá prádla v lisu je zna2n4 vysoké.
27 1
Na obrázku jsou schematic aticky znázorn4né okamžité pr6toky jednotliv tlivých za1ízení. Ovšem hodnoty skute2ných pr6m4rn 4rných pr6tok6 budou nižší z d6vodu diskon ontinuálního procesu u jednotlivých za1ízeních. Nap1í p1íklad u suši2ky jsou to pauzy na nakládkuu a vykládku prádla a u kalandru jsou to pauzy mezii vkládáním jednotlivých kus6 prádla. Mno nožství odpa1ené vody v suši2ce se také m4ní v závislosti zá na požadované výstupní vlhkost osti a na vlastnostech p1isávaného vzduchu. Sušení ní bude probíhat mnohem rychleji, pokud bude b relativní vlhkost vzduchu nízká. Skute2ný pr6 r6tok odpa1ené vlhkosti u kalandru bude mn mnohem nižší z d6vodu 100% nevytíženosti plochy kkalandru. Hodnota okamžitého pr6toku odpa1ené od vody je totiž po2ítána p1i stoprocentním vyt ytížení pracovní plochy kalandru. Na spot1ebu vody navazuj zuje spot1eba tepla pot1ebného pro oh1ev vod vody v kontinuální prací lince, ve vsádkové pra2ce a na odpa1ení vlhkosti z prádla v suši2kách a na kalandru. Následující schéma znázor3uje okamžitou ou teoretickou spot1ebu tepla u jednotlivých za1 za1ízení.
Obr.5.2 – schematické sc znázorn3ní teoretické spot2eby tepla v prádeln3
Z obr. 5.2 je patrné, že nejv ejvíce energie se spot1ebuje k odstran4ní vlhko kosti, která se do prádla dostane p1i procesu mokrého ho praní vzhledem k množství vody, kterou je pot1eba oh1át, nebo odpa1it. Spot1eba energie u pr pra2ky je n4kolikanásobn4 menší než veškerá rá energie spot1ebovaná k odpa1ování. ie se od teoretické zna2n4 liší. V reálném provozu pro jsou teoretické Skute2ná spot1eba energie spot1eby tepla nedosažitelné,, protože p ve skute2nosti jsou velké tepelné ztrát tráty do okolí. Nap1íklad v p1ípad4 suši2ky jsou to tepe pelné ztráty v odtahovaném sušicím vzduchu a radiací do okolí. U kalandru je problém ztrát tepl epla do okolí velice podobný. Spot1ebu energi rgie také zvyšuje špatná organizace práce (nap1. nízk ízké pracovní nasazení obsluhy kalandru).. Z t4chto d6vodu pak ú2innost jednotlivých stroj66 není ne zdaleka stoprocentní. 28 1
5. Matematický model suši1ky Dalším bodem této práce bylo vytvo1ení matematického modelu [P2]. Zde je snaha o bližší popsání všech ovliv3ujících faktor6, které byli popsané v p1edchozí 2ásti. Smyslem však není návrh komplexního výpo2tového modelu celé prádelny, ale jen dvou jejích 2ástí, a to bubnové suši2ky s parním oh1evem a kalandru. Tato kapitola podrobn4 popisuje matematický model bubnové suši2ky s parním oh1evem.
5.1 Suši1ka jako „Black Box“ Aby bylo možné provést návrh bubnové suši2ky s parním oh1evem, je nutné si ud4lat p1edstavu o tom jak v6bec za1ízení pracuje. Prvotním návrhem suši2ky jako takové je tedy „black box“, 2erná sk1í3ka (viz obr. 5.1), u které jsou definovány pouze vstupní a výstupní proudy. Vstupními proudy jsou: A pára, A prádlo (suché), A vlhkost vázaná v prádle A a sušicí vzduch.
Výstupními proudy jsou: A kondenzát, A prádlo (suché), A zbytková vlhkost vázaná v prádle, A odtah sušicího vzduchu A a tepelné ztráty.
Obr. 5.1 – schéma suši4ky jako „Black Boxu“
Není zde jasné, co a jakým zp6sobem se uvnit1 d4je. Proto je zapot1ebí se zamyslet nad propojeností jednotlivých proud6 uvnit1 s ohledem na fyzikální a termodynamické zákonitosti.
29 1
Následující schéma na obr. br. 5.2 podrobn4ji objas3uje pr6b4h p1edpokláádaných proud6 uvnit1 suši2ky. Pára, která do systém stému vstupuje, p1edává ve vým4níku konden denza2ní teplo sušicímu vzduchu a vystupuje ve form4 rm4 kondenzátu. Oh1átý sušicí vzduch slouží uží pro oh1ev sušeného prádla, ze kterého je nutnéé oodstranit vázanou vlhkost, která se do prá prádla dostala v procesu mokrého praní. Vlhkost prádl ádla se následn4 odpa1uje a spolu se sušicím vzduchem v odchází na recirkula2ní klapku, která ur2u r2uje, kolik vzduchu odejde odtahem pry22 a kkolik vzduchu se vrátí zp4t do ob4hu. Neodpa1ená vlhkost vl vázaná v prádle pak odchází ze suši2k i2ky spolu s prádlem ve form4 zbytkové vlhkosti.
Obr.5.2 .2 – schéma p2edpokládaných vnit2ních proud1 suši4ky su
Hmotnostní toky orn4 zobrazuje hmotnostní toky operace sušen ení. Množství sušeného Následující obr. 5.3 názorn4 prádla v jedné dávce bylo zvo voleno. Je to 36 kg suchého prádla. Vstupní vlhkost vlh je dána výstupní vlhkostí prádla z kontinuální ní prací linky. V tomto p1ípad4 je vlhkost prádla prá 55 %. Z toho je patrné, kolik vody je obsažen ženo v jedné dávce a kolik vody se odpa1í ve form4 páry, když je požadována výstupní vlhkost st 440 %. Do systému vstupuje sušicí vzduch,, kkterý má také n4jakou relativní vlhkost. Z prádla je odpa1ena 2ást vlhkosti, která se na prádlo lo navázala p1i procesu mokrého praní. Tato odpa1en 1ená vlhkost spolu s vlhkostí sušicího vzduc uchu následn4 odchází z prostoru bubnu ven. Názorn4 rn4 je ukázána též zm4na skupenství, která p1i 1i odpa1ování o probíhá.
30 1
Obr.5.3 – hmotnostní toky operace sušení
5.2 Popis matematické kého modelu Matematický model byll vvytvo1en v aplikaci MS Excel z d6voduu celkové p1ehlednosti výpo2t6, které jsou pon4kudd kkomplikovan4jší (z hlediska zadávání velkéh ého množství vstupních dat). Tento program byl zvolen len i p1es to, že nap1íklad použití matematickéh ého programu Maple by bylo výhodn4jším 1ešením z pohledu po implementace výpo2t6. Model simuluje funkci suš suši2ky 2 z hlediska energetické a hmotnostní bi bilance. Celý model je rozd4len na jednotkové oper erace, se kterými se následn4 pracuje (obr. r. 5.4). Princip sušení, z kterého navržený model vych ychází, je následovný. Do suši2ky je nasáván 2erstvý 2e studený vzduch o teplot4 20 až 25 °C, který rý je p1edeh1íván pomocí páry na požadova vanou teplotu (zvoleno 170 °C). Oh1átý vzduch je nasáván na do bubnu suši2ky, ve kterém se odp dpa1uje vlhkost vázaná v prádle. Teplota sm4si odpa1e a1ené vlhkosti a sušicího vzduchu je pom4rn44 vysoká, v tudíž se nabízí možnost jejího dalšího využ užití pro sušení. Proto matematický model el zahrnuje recirkulaci a rekuperaci použitého vzduch chu a umož3uje tak zahrnout i ohodnotit jejich ich p1ínos. Tyto operace jsou totiž u moderních suši2ek 2ek b4žn4 využívané, protože umož3ují snížit ížit spot1ebu energie na oh1ev sušicího vzduchu a tím dosáhnout d významných energetických úspor. or.
31 1
Obr.5.4 .4 – jednotkové operace schematického modelu suši4ky su
Recirkulace Významná 2ást výstupníí ssm4si vlhkého vzduchu je vrácena zp4t 4t na n vstup do suši2ky. V d6sledku recirkulace je doo ssystému p1isáváno mén4 2erstvého vzduchuu p1i p1 zachování stejného pr6toku i teploty sušicího vzduchu v v bubnu suši2ky. 5erstvý vzduch ch je tedy nahrazován recirkulací. Obecn4 platí, že na výstupu suši2ky je koncentrace vodní ní páry v odtahovaném (použitém) vzduchu pom4rn4 4 4 nízká a tedy stav výstupní sm4si je velmi vz vzdálen teplot4 rosného bodu. Z d6vodu menšího množ nožství 2erstvého vzduchu na vstupu do systém tému odchází také menší množství vzduchu teplého,, jjehož nasycení vodními parami je ale vyš vyšší. Proto se vlhkost v systému nehromadí, jenom sse ustálí na vyšší hladin4 než v systému bez ez recirkulace. Jelikož je množství vzduchu na vstupuu a výstupu ze systému nižší, je spot1eba ener nergie na oh1ev sušicího média mnohem nižší. Vyššíí hladina h relativní vlhkosti sušicího média se však m6že negativn4 projevit na rychlosti sušení. Rekuperace Úkolem rekuperace je pod odobn4 jako u recirkulace snížení energie spo spot1ebované pro oh1ev sušicího média. U rekuperace ce se využije tepelný vým4ník. P1es tepelný vým4ník vý proudí použitý oh1átý proud sušicího vzduch chu, který se ochlazuje tím, že p1edává teplo plo 2erstvému sušicímu vzduchu vstupujícímu do suši2 uši2ky. Výhodou je, že k p1edávání energie dochází d bez toho, aby byly tyto dva proudy navzáj zájem promíchány. Médium na vstupu má tedy te stejnou absolutní vlhkost jako u systému bezz rrekuperace. Nevýhodou jsou vyšší investi2 ti2ní náklady vzhledem k nutnosti instalace vhodného ho tepelného vým4níku. Další nevýhodou je vysoká míra relativní vlhkosti odcházejícího média, p1i2emž m6že p1i jeho ochlazování docházek ek ke kondenzaci par.
32 1
5.3 Popis výpo1tu V první 1ad4 je pot1ebné zadat všechny hodnoty, které jsou voleny: 1 hodnoty koncentrace suchého vzduchu pro jednotlivé složky [% obj.], 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
relativní vlhkost proudu 13 - B13 [%], atmosférický tlak – patm [kPa], teplotu proudu 13 – t13 [°C], molární hmotnosti jednotlivých složek vlhkého vzduchu [kg/kmol], objemový pr6tok vzduchu - V˙13 [mN3/hod], hustotu vzduchu – 8 [m3/kg], výparní teplo vody – l23 [J/kg], tlak páry – p [kPa], entalpie páry – h [kJ/kg], teplotu páry – t [°C], m4rný objem páry – Vg [m3/kg], kondenza2ní teplo páry – qkond [kJ/kg], teplotu na výstupu z oh1evu – t14 [°C], množství prádla v proudu 3 – 93 [kg], teplotu vlhkosti v prádle na vstupu do suši2ky – t3 [°C], vstupní a výstupní vlhkost prádla – xin, xout [%], teplotu vlhkosti v prádle na výstupu ze suši2ky – t4 [°C], odpa1ovací kapacitu suši2ky – codp [kg/min], pom4r recirkulace d4li2e 1 a d4li2e 2 [%], ú2innost oh1íva2e [%], teplotu proudu 10 – t10 [°C], a teplotu proudu 5 – t5 [°C].
5íslování proud6 je znázorn4no na obr.5.4. Prvním po2ítaným proudem je proud 2íslo 13. Vzhledem k tomu, že v této fázi výpo2tu ješt4 není známo, kolik vzduchu o jaké teplot4 a relativní vlhkosti se vrací za pomoci recirkulace do ob4hu, je pot1ebné hodnoty teploty, relativní vlhkosti a tlaku vhodn4 zvolit. Tlak je v celém systému atmosférický a jeho hodnota je: patm = 98 kPa. Pro výpo2et objemových a hmotnostních koncentrací jednotlivých složek vlhkého vzduchu je zapot1ebí vypo2ítat tlak nasycených par v p1isávaném vzduchu a následn4 vypo2ítat koncentraci vodní páry ve vzduchu a to za pomoci Antoineovy rovnice: O KLM 4# A NA A PQR
2
O
4# 7DSTPQR
33 1
[kPa],
(8)
kde A, B, C jsou konstanty Antoineova vztahu pro vodu [13], t je teplota vstupního vzduchu [°C]. Objemový pr6tok vzduchu v proudu 13 (V13 [mN3/hod]) je zvolen. Dále se vypo2ítá hmotnostní podíl suchého vzduchu (xsv) a vodní páry (xvp) [%]. Poté se vypo2te m4rná entalpie vlhkého vzduchu proudu 13 dle vztahu: U1V 4WXYZ[ - \ V A YZ] ^ 1 A _`a A - A 8A?
[J/kg],
(9)
kde, cpstred [J/kg.K,] je st1ední tepelná kapacita vlhkého vzduchu, ti [°C] je teplota po2ítaného proudu a tref [°C] je referen2ní teplota. Index i zna2í 2íslo proudu pro které se hodnota po2ítá. Ve všech výpo2tech m4rné entalpie je referen2ní teplota volena: tref = 0 °C. St1ední tepelné kapacity jsou po2ítané dle mocninného rozvoje: b4WXYZ[
R e
cR ) daA0[X3 X) TAXe
fAAAAAAAgh3 iAAAAAAAAAAAAb4 N 1 jk 1 bk A 1 A lk ? 1
m
n)
,
(10)
kde T [K] je teplota proudu, pro který je kapacita po2ítána, A, B, C, D, E jsou koeficienty mocninných rozvoj6 pro m4rné teplo cp jednotlivých složek vlhkého vzduchu v plynném stavu, které platí pro rozmezí teplot 273 až 1273 K [14]. Složení a hmotnostní pr6tok proudu 13,14 a 15 se nem4ní, m4ní se pouze teplota a relativní vlhkost. První jednotková operace je oh1ev OH2 2erstvého vzduchu párou. Jelikož teplota t14 je volena, vypo2te se dle vzorce (9) m4rná entalpie proudu 14 – h14. Relativní vlhkost proudu 14 op A A
q()rfs A-AatRu O vwAx y PAQARs
914 [%] se vypo2te dle vztahu (11):
[%],
(11)
"#
kde cH2O,i [% obj.] je koncentrace vodní páry ve vlhkém vzduchu v proudu i, a A, B, C jsou v tomto p1ípad4 konstanty Antoineovy rovnice. Z jednoduché bilan2ní rovnice (12) uzlu oh1ev OH2 se vypo2ítá teplo, které je pot1eba dodat parou proudu 13, tak aby se oh1ál na požadovanou teplotu. Následn4 se vypo2te množství pot1ebné páry, která toto teplo dodá. 34 1
U každé jednotkové operace platí jednoduché hmotnostní pravidlo, a to co do uzlu p1ite2e, to musí odtéct. U všech výpo2t6 m4rných entalpií jednotlivých proud6 je tedy princip výpo2tu stejný a nebude dál podrobn4 popisován, vzhledem k tomu, že jednotlivé rovnice, dle kterých se entalpie po2ítají, jsou napsány p1ímo u výpo2tu v Excelu. Hodnoty proudu na výstupu z jednoho uzlu jsou následn4 použity jako vstupní hodnoty k výpo2tu další jednotkové operace. 2p - A 1p A 1 A za A A 2p{" A - 1p{" AAAAA
za A A 2" A - A |+}~[
(12)
Tepelné ztráty prostupem tepla do okolí jsou ozna2ené na obr. 5.4 schematicky jako jednotková operace chlazení. Pro výpo2et t4chto tepelných ztrát suši2ky je nutno použít díl2í výpo2et v programu Maple, který bude popsán v kapitole 7. Další jednotkovou operací je samotné sušení. Z vypo2tených vstupních dat proudu 15 a ze známých vstupních a výstupních dat proud6 3 a 4 (prádlo a vlhkost vázaná v n4m) se dopo2ítají hodnoty entalpie a hmotnostní pr6tok proudu 16. P1i odpa1ovaní vlhkosti zde dochází ke zm4n4 skupenství u vody z kapalného na plynné. Teplotu proudu za každou jednotkovou operací je možné vypo2ítat následovn4 (13): p A
s ATA A-A$)& daR
[°C],
(13)
kde ti [°C] je po2ítaná teplota proudu i, hi [J/kg] je m4rná entalpie proudu i. Následuje d4li2 1, který dle zvoleného d4lícího pom4ru ur2í množství vlhkého vzduchu, který se následn4 využije k recirkulaci. Od toho se pak odvíjí hodnoty následujících proud6. Hodnoty m4rných entalpií, teplot a relativních vlhkostí jsou u proud6 12, 7, 8 a 9 stejné vzhledem k tomu, že d4li2 rozd4luje proudy pouze z hlediska objemového. D4li2 2 ur2uje množství použitého vlhkého vzduchu, které se využije k rekuperaci s tím, že teplota na výstupu z tepelného vým4níku je volena (t10 [°C]). Teplota p1edeh1átého vzduchu v proudu 11 je pak závislá na množství vzduchu v proudu 8. Teplotu výstupního proudu (proud 2íslo 6) ur2í sm4šova2 1 na základ4 jednoduchého bilan2ního výpo2tu a následn4 dle rovnice (13). M4rná entalpie, teplota a množství proudu 13‘ se ur2í dle itera2ní podmínky (14): AAAAA0 3"?fHAI A9 3"? fHA# 3A A AD,
(14)
35 1
kde v.13,H2O je m4rný objem jemový pr6tok vody ve vlhkém vzduchu v proudu pr 13 a v.13‘,H2O je m4rný objemový pr6tok vody dy ve vlhkém vzduchu v proudu 13‘. Pomocí této té itera2ní podmínky se použitím „1ešitele“ dopo2ítá 2ítá vstupní vlhkost proudu 13 (m4n4ná bu3ka) 3 a), podmínkou je zadání stejné teploty jako u proudu 13‘. 13 P1i testování modelu bylo lo pozorováno, že nejlepší nastavení d4li2e 1 (zajiš9uje recirkulaci vzduchu) je nastavit pr6tok vr vráceného vzduchu na 80 % a d4li2 2 nastavit vit tak, aby bylo využito co nejvíce teplého vzduchu k rekuperaci. Nejideáln4jší by bylo zavést rekuperaci re stoprocentní. Spot1eba páry by byla mnoh nohem nižší než u systému bez rekuperace ce. Porovnání r6zných nastavení d4li26 je v tab. 5.1.. Závislost množství vzduchu v rekuperacii na n množství zobrazuje také graf 5.1. Nastavení matematickéhoo modelu m pro ukázku bylo následovné. Objem jemový pr6tok vzduchu 3 byl nastaven na 4500 mN /hod od, d4li2 1 byl nastaven na 50% recirkulaci vzd vzduchu, množství jedné dávky bylo zvoleno 36 kg, mno nožství vody, kterou je pot1eba odpa1it, je tedy dy 5,4 kg.
množství vzduchu použito k rekuperaci [%]
spot1eba páry [kg/hod]
celková spot1eba páry naa oodpa1ení požadovaného množství vody z jedné dné dávky prádla [kg]
0 20 40 60 80 100
231,55 198,56 165,57 132,41 99,57 66,58
12,6 2,61 10,8 0,81 9,01 ,01 7,21 ,21 5,42 ,42 3,63 ,63
Tab. 5.1 – srovnání spot2 pot2eby páry p2i r1zném nastavení rekuperace použitého p vzduchu
312345679189:9;<=>?2@A
3456789: "/ // 4"/
;<8=>? 8=>?@A1
4// "/ / /
/
/
/
$/
4//
3E:
Graf 5.1 – závisl vislost množstva páry na množství vzduchu v rekupe pera4ní jednotce
36 1
Je pot1eba podotknout, žee sspot1eba páry je po2ítána p1i stálé odpa1ovac 1 ací kapacit4. V reálném provozu se vypo2tených hodno dnot spot1eby páry dosahuje velice obtížn4. Nep1ízniv4 N na spot1ebu páry p6sobí i množství p1isáva vaného sušicího vzduchu. V praxi to znamená,, že 2ím víc vzduchu je na vstupu do suši2ky, tím je po pot1ebné v4tší množství páry pro jeho oh1ev. 1 v. Ovšem O malé množství vzduchu by mohlo negativn44 ovlivnit o odpa1ovací kapacitu, a to z d6voduu vvyšší koncentrace par, a tedy vyšší relativní vlhkosti ti p1 p1i využití vzduchu k recirkulaci. Podobnou tabulku jako je tab. 5.1 však pro recykla2ní klapku v tomto to p1ípad4 není možno sestavit. Navrhnutý matematic tický model totiž po2ítá s pevn4 danou odpa1o a1ovací kapacitou. A to z toho d6vodu, že p1i recirku rkulaci se odpa1ovací kapacita snižuje, zatímc ímco p1i rekuperaci ne. Avšak v p1ípad4, že by by byla odpa1ovací kapacita dopo2ítávaná v závislosti zá na vlhkosti a množství sušicího vzduchu, u, jje možné tabulku sestavit. Další ukázka jiného nastav tavení matematického modelu je na obr. 5.5(( více v viz p1íloha [P3]), který znázor3uje pr6toky vl vlhkosti v jednotlivých proudech. Množství ství použitého sušicího 3 vzduchu je 4500 mN /hod. Prád rádlo je v tomto p1ípad4 sušeno do sucha. D4li2 4li2 1 je nastaven tak, že do ob4hu vrací 80 % použitého ého vzduchu, a d4li2 2 je nastaven tak, že k rekuperaci rek je využito 70 % vlhkého vzduchu.
Obr.5.5 – tok vlhkosti v suši4ce
37 1
5.4 Ov34ení matematického modelu Prvním krokem k ov41ení nam41ených dat je nastavení matematického modelu suši2ky, zadáním vstupních dat, které byli nam41eny nebo nastaveny v reálnem provozu v den m41ení. Tab. 5.2. uvádí tyto nastavené hodnoty a nam41ené data z provozu. Vstupní veli1iny reálné suši1ky
Hodnota
výkon ventilátoru [mN3/hod]
6000
množství recirkulovaného vzduchu [%]
50
množství vzduchu na výstupu se suši2ky [mN3/hod]
3000
množství prádla v jedné dávce [kg] 2as odpa1ování [s] pr6m4rná odpa1ovací kapacita [lH2O/min]
36 196 1,632
Poznámka nam41eno - p1ibližná hodnota nastaveno nam41eno - p1ibližná hodnota ur2eno vážením ur2eno m41ením ur2eno vážením
Tab. 5.2 – hodnoty z reálného provozu
Do matematického modelu jsou zadány následující vstupní data: 1 výkon ventilátoru – množství vzduchu, které proudí v systému v uzav2eném toku V˙13 = 6000 mN3/hod, 1 pom3r d3li4e 1 – r-100 = 50 %, 1 množství prádla v jedné dávce 93 = 36 kg 1 a pr1m3rná odpa2ovací kapacita codp = 1,632 lH2O/min. Po zadání dat byl proveden výpo2et. V dalším kroku jsou porovnány hodnoty vypo2tené modelem s nam41enými hodnotami, které uvádí tab. 5.3. Veli1ina množství vzduchu na výstupu se suši2ky [mN3/hod] množství odpa1ené vody z jedné dávky [kg] celková spot1eba tepla za 2as odpa1ování [MJ] celková spot1eba páry za 2as odpa1ování [kg]
Model 3003,36 5,4 16,895 8,39
M34ení 3000 5,325 21,449 10,53
celková m4rná spot1eba páry na 1 kg odpa1ené vody [kg/kgH2O]
1,604
1,977
Tab. 5.3 – porovnání výsledk1 modelu s experimentáln3 zjišt3nými daty
Z tab. 5.3 je patrné, že vypo2tené hodnoty spot1eby tepla a páry (10 bar) jsou nižší. To je možné od6vodnit tím, že nastavený model po2ítá s teoretickými tepelnými ztrátami prostupem tepla. Zatímco pro ur2ení celkové spot1eby tepla a páry p1i m41ení byli tepelné ztráty do okolí ur2eny odhadem. Celková m4rná spot1eba páry jak výpo2tem tak p1i m41ení vychází pom4rn4 malá. Výrobcem udávaná katalogová hodnota v systému bez recirkulace je 2,5 kg/kgH2O [3].
38 1
6. Matematickýý m model kalandru Dalším vytvo1eným matem ematickým modelem je model kalandru, který erý je podrobn4 popsán níže v této kapitole.
6.1 Kalandr jako „Blac lack Box“ Aby bylo možné provéstt ná návrh kalandru, je zde také nutnost vytvo1it si s p1edstavu o tom jak za1ízení pracuje. Proto byl po podobn4 jako u suši2ky prvotním návrhem kalandru k „black box“ (viz obr. 6.1), který objas3u 3uje pouze sm4ry jednotlivých proud6. Nejsou Ne zde uvažovány parametry jednotlivých proud6 d6. Vstupy jsou: A pára, A prádlo (suché), A vlhkost vázaná v prádle A p1isávaný sušicí cí vvzduch.
Výstupy jsou: A kondenzát, A prádlo (suché hé), A zbytková vlhk lhkost vázaná v prádle, A odtah sušicího ího vzduchu s vlhkostí A tepelné ztráty áty.
Obr.6.1 – schéma kalandru jako Black Boxu
ží schéma na obr. 6.2, které podrobn4ji p1ib 1ibližuje p1edpokládaný Pro další objasn4ní slouží pr6b4h jednotlivých proud66 uvnit1 u kalandru. Pára vstupující do jednotli otlivých válc6 kalandru oh1ívá teplosm4nnou plochuu kkoryta kalandru a vystupuje ve form4 konde ndenzátu. Vlhké prádlo, které prochází za1ízením je v kontaktu s vyh1ívanou teplosm4nnou pplochou, kde dochází k p1enosu tepla a následném nému odpa1ování vlhkosti z prádla. Sušicí cí vzduch je spole2n4 s odpa1enou vlhkostí odtahová ván z prostoru kalandru. 5ást vlhkosti vázáné v prádle pak odchází z kalandru spolu s prádlem. Nejedná Ne se ovšem o vlhkost, kterou prádloo na sebe navázalo p1i 39 1
procesu mokrého praní, ale o tzv. chemicky vázanou vlhkost. Tato vlhk lhkost je sou2ástí každé chemické struktury textilií.. Je J zp6sobena krystalickou vodou. Tato vvoda tvo1í s vláknem chemickou slou2eninu, která rá vzniká vazbou vody s vlákny za pomoci ci vodíkových m6stk6. Chemicky vázanou vlhkost je m možné odstranit pouze vysokou teplotou, kter terá by p1evyšovala bod varu vody. Ovšem odstran4ním 4ním chemické vlhkosti by došlo k rozrušení struktury stru vlákna, což má za následek negativní zpracova ovatelské vlastnosti jako jsou pevnost, tažnost,, barva b aj.
Obr.6.2 .2 – schéma p2edpokládaných vnit2ních proud1 kalandru kal
6.2 Popis matematické kého modelu Matematický model byl vytvo1en v v prost1edí aplikace MS Excel. Model M simuluje funkci kalandru z hlediska energetick ické a hmotnostní bilance. Stejn4 jako u suši2k i2ky je také rozd4len na jednotkové operace, se kterým ými se následn4 pracuje (viz obr. 6.3). Výpo2et 2et je ovšem rozd4len do n4kolika 2ástí: 1 výpo2et p1i 0% vytíž ytížení plochy kalandru, 1 výpo2et p1i 100% vytížení vy plochy kalandru 1 a výpo2ty p1i reálnem nem využití plochy kalandru u jednotlivých typ6 prádla. Princip sušení, ze kteréhoo nnavržený model vychází je následovný. Doo prostoru kalandru je proudem 4 vtahováno vlhké pr prádlo. K p1enosu tepla dochází p1i kontaktuu vlhkého v prádla s parou oh1átým teplosm4nným povrc vrchem. Následn4 dochází k odpa1ování vlhko hkosti z prádla. Vzniklá vodní pára (proud 3) se smíc íchá s 2erstvým vzduchem, který je p1isávánn do prostoru kalandru proudem 4. Vzniklá sm4s prou roudí proudem 4‘ do fiktivního chladi2e, jež zastupuje zas tepelné ztráty, a proudem 2íslo 5 následn4 odchází odc ven z kalandru. V matematickém modelu ka kalandru je snaha o podrobn4jší popsání spot1e t1eby energie. Zam41uje se hlavn4 na popis tepelnýchh zztrát. P1ibližuje tedy jak výrazná je tepelná ztráta, zt ke které dochází 40 1
p1i neúplném využití kalandrovací plochy pro jednotlivé typy prádla (jednotlivé typy prádla zabírají pouze x % kalandrovací plochy viz tab. 6.1). Tepelnou ztrátu totiž z velké 2ásti ur2uje 2ást nevyužité kalandrovací plochy, jež oh1ívá sušicí vzduch, který je bez užitku odvád4n ven z kalandru.
Obr. 6.3 – jednotkové operace schematického modelu kalandru
6.3 Popis výpo1tu V prvním kroku je pot1ebné zvolit vstupní hodnoty páry a parametry kalandru: 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
tlak páry – p [bar], kondenza2ní teplo páry – qkond [kJ/kg], m4rná entalpie páry – h6 [kJ/kg], množství páry – 96 [kg/hod], po2et válc6 – n [-], pr6m4r jednoho válce – D [mm], ší1ka jednoho válce – B [mm], uhel opásání válce korytem – 7 [°], množství vzduchu na výstupu z kalandru – V˙5 [mN3/hod] a identifika2ní 2íslo prádla.
6.3.1 0% využití plochy kalandru Následuje výpo2et, který uvažuje s 0 % využitím plochy kalandru. To znamená, že do prostor kalandru není vtahovano žádné prádlo a tudíž kalandr pracuje „na prázdno“ . Schematické znázorn4ní je na obrázku (obr. 6.4).
41 1
Obr. 6.4 – jednotkové operace kalandru p2i 0 % využití plochy
První jednotkovou operací, která je zde po2ítaná je sm4šova2. K výpo2tu teploty a m4rné entalpie výstupního proudu 2íslo 4‘ je zapot1ebí následujících krok6. Dle vzorce (15) se vypo2ítá výkon koryt: zA |+}~[ - A @A f
+
}[
(15)
Vzhledem k tomu, že parou vyh1ívané koryto oh1ívá pouze sušicí vzduch, který je následn4 bez užitku odtahován ven, je tepelná ztráta (Qk [J/hod]) zvolena jako procento vypo2teného výkonu koryt. Poté se zvolí vlastnosti vstupujícího vzduchu a následn4 se vypo2ítá jeho množství z jednoduché hmotnostní bilance (16) uzlu sm4šova2: A A A ?A [kg],
(16)
kde 94 [kg] je množství 2erstvého vzduchu v proudu 4 na vstupu do systému, 94‘ [kg] je množství sm4si 2erstvého vzduchu a odpa1ené vlhkosti a 91 [kg] je množství odpa1ené vlhkosti z prádla. V tomto p1ípad4 ovšem do kalandru žádné prádlo nevstupuje, tudíž je množství odpa1ené vody 91 [kg] rovno nule a množství vstupujícího vzduchu se rovná množství vystupujícímu vzduchu. Tlak nasycených par v p1isávaném vzduchu a následná koncentrace vodních par se ur2í dle vztahu 8. Ze zvoleného objemového pr6toku vzduchu na výstupu ze systému (proud 4‘) se vypo2ítá hmotnostní podíl suchého vzduchu (xsv) a vodní páry (xvp) [%]. Poté se vypo2ítá m4rná entalpie 42 1
vlhkého vzduchu proudu 4, dle vztahu 2íslo (9). I zde jsou st1ední tepelné kapacity po2ítány stejným zp6sobem pro každou jednotkovou operaci (jako u suši2ky), a to dle vztahu 2íslo (10) a nebudou dále popisovány. Následn4 za použití stejného principu jako u suši2ky se pomocí bilan2ní rovnice (12) vypo2ítá m4rná entalpie proudu 4‘. Poté se dle rovnice (13) zjistí teplota tohoto proudu. Tepelné ztráty prostupem tepla do okolí jsou na obr. 6.4, stejn4 jako u suši2ky, ozna2ené schematicky jako jednotková operace chlazení. Pro výpo2et t4chto ztrát je nutno použít díl2í výpo2et v programu Maple (viz kapitola 7). Po zjišt4ní tepelných ztrát se za pomoci bilan2ní rovnice 2íslo (12) (její vhodnou úpravou) dopo2te m4rná entalpie proudu 5. A pomocí rovnice 2íslo (13) se vypo2ítá teplota tohoto proudu. 6.3.2 100% využití plochy kalandru V této 2ásti výpo2tu jsou po2ítány jednotkové operace dle obr. 6.3. V prvním kroku je z rozm4r6 „ideální“ plachty vypo2tena její plocha. Ší1ka plachty je rovna ší1ce kalandru a její délka je závislá na rychlosti posuvu prádla. Z plochy plachty a gramáže se dopo2te hmotnost plachty, která projde kalandrem za hodinu. P1edpokládá se, že prádlo na vstupu do kalandru bude mít relativní vlhkost stejnou jakou m4lo na výstupu ze suši2ky. Teplota prádla vstupujícího do kalandru, ale nebude totožná s teplotou po výstupu ze suši2ky. To je zp6sobenu nekontinuálním provozem kalandru. Proto je teplota prádla na vstupu do kalandru volena. St1ední tepelná kapacita vody je po2ítána dle následujícího vztahu (17): b4WXYZ[
R e
cR ) daA0[X3 X) TAXe
fAAA
+,
3 iAAAAAAAAAAAAAAAAb4 N 1 jk 1 bk A 1 A lk ? 1 k
(17)
kde T [K] je teplota proudu, pro který je kapacita po2ítána, A, B, C, D, E jsou koeficienty mocninných rozvoj6 pro m4rné teplo cp vody v kapalném stavu, které platí pro rozmezí teplot 273,16 až 533,16 K [14]. Pomocí díl2ího výpo2tu, který je blíže popsán v kapitole 2íslo 7, se vypo2ítá množství odpa1ené vody (93) v proud4 3, množství vody (92), které z6stalo v prádle v proud4 2, a teplo (Qoh) pot1ebné na oh1ev této zbytkové vlhkosti. Z množství odpa1ené vody pod4lené plochou kalandru se zjistí odpa1ovací kapacita. Následn4 se dopo2ítá teplo, které je použito k odpa1ení vody z prádla, jako rozdíl celkového tepla dodaného parou a tepla pot1ebného pro oh1ev zbytkové vlhkosti. 43 1
Dalším krokem jsou výpo2ty m4rných entalpií proud6 1 a 2 pro prádlo i vlhkost v n4m vázanou: U1V 4WXYZ[ - \ V A YZ] ^
[J/hod],
(18)
kde cpstred [J/kg.K,] je bu7 st1ední tepelná kapacita vody, nebo v p1ípad4 výpo2tu m4rné entalpie prádla je to tepelná kapacita prádla, která je volena, ti [°C] je teplota po2ítaného proudu a tref [°C] je referen2ní teplota. Index i zna2í 2íslo proudu pro které se hodnota po2ítá. Ve všech výpo2tech m4rné entalpie je referen2ní teplota volena: tref = 0 °C. Hmotnostní bilancí (co do uzlu p1ite2e, to musí také odtéct) uzlu oh1ev + odpa1ení se dopo2ítá m4rná entalpie proudu 3. Poté následuje výpo2et proudu 4, 4‘ a proudu 5 stejným postupem, jako byl popsán výpo2et p1i 0% využití plochy kalandru. 6.3.3 Reálné využití plochy kalandru K výpo2tu reálného využití plochy kalandru slouží pomocný výpo2et „prádlo“. Ten je umíst4n na prvním listu s názvem „prádlo“, který se nachází v matematickém modelu [P2]. Zde se vypo2ítají hmotnostní podíly, množství vody, kterou je nutno odpa1it, reálna plocha využití kalandru a další veli2iny. P1i výpo2tu reálného využití kalandru pak sta2í zadat 2íslo typu prádla od 1 do 6. A tím se ur2í reálné vytížení plochy kalandru, s kterým se následn4 po2ítá. P1ehled typ6 prádla uvádí tab. 6.1.
ID
NÁZEV
1 2 3 4 5 6
Prost4radlo (jedno l6žko) Povlak p1ikrývky (jedno l6žko) Povlak polštá1e Ubrus 1 Ubrus 2 Rouška
ŠÍRKA DÉLKA [mm] 2400 2000 600 2200 1450 500
[mm] 1500 1500 500 1450 1450 500
ŽEHLENO MINIMÁLNÍ VYUŽITÍ Vi PERIODA PLOCHY DRAHÁCH VKLÁDÁNÍ KALANDRU i [1] 1 1 3 1 1 4
Tab. 6.1 – typy prádla
44 1
[s] 2 2 2 2 2 2
[%] 83,92 69,93 48,86 76,92 50,70 27,50
Zde je zapot1ebí vhodn4 zvolit rychlost posuvu tak, aby se odpa1ila nejlépe všechna voda obsažená v prádle. Jako pom6cka poslouží hodnota rychlosti posuvu (hodnota bude p1ibližn4 stejná) uvedena u jednotlivých typ6 prádla z listu „prádlo“. Vzhledem k tomu, že vybraný typ prádla zabírá jenom x % kalandrovací plochy je dopo2ítáno kolik vody je obsaženo v x % prádla, které by zabíralo 100 % plochy kalandru p1i zvolené rychlosti. Teplo (Qn.pl.) nevyužité plochy kalandru bez užitku oh1ívá sušicí vzduch a jedná se teda o tepelnou ztrátu a jeho hodnota se zjistí dle následujícího výpo2tu (19): "##T "##
3 z+ A z~3a$3
[J/hod],
(19)
kde x [%] je využití plochy kalandru u jednotlivých typ6 prádla, Qk [J/hod]je tepelná ztráta p1i 0% využití plochy kalandru. Názorné ukázky hmotnostní a energetické bilance kalandru jsou uvedeny v p1íloze [P4]. Teplo (Qodp_oh [J/hod]) pot1ebné na odpa1ení vody z prádla a na oh1ev prádla se vypo2ítá dle (20): z}[a} A Az A z~3a$3 AAAAAAAAAAAAB
}[
CAA
(20)
Výpo2et je poté totožný s výpo2tem p1i 100% využití plochy kalandru. Pro výpo2et množství odpa1ené a zbytkové vody je zapot1ebí použít díl2í výpo2et popsaný v kapitole 7. P1i výpo2tu m4rné entalpie proudu 3 je nezbytné p1i energetické bilanci uzlu oh1ev + odpa1ení uvažovat s teplem Qn.pl. dle obr. 6.5.
Obr. 6.5 – jednotkové operace kalandru p2i reálném využití plochy kalandru
45 1
6.4 Ov34ení matematického modelu Prvním krokem k ov41ení nam41ených dat je nastavení matematického modelu kalandru, zadáním vstupních dat, které byli zjišt4ny p1i m41ení v reálnem provozu v den m41ení. Následující tab. 6.2 udává nam41ené hodnoty, dle kterých byl matematický model nastaven. Vstupní veli1iny kalandru hmotnost prádla p1ed vstupem do kalandru [kg] hmotnost prádla na výstupu z kalandru [kg] ší1ka jedné plachty [m] délka jedné plachty [m] po2et kus6 za m41ený interval [ks] doba intervalu [s] rychlost posuvu [m/min]
Hodnota 130,6 82,8 2 1,4 95 840 9
Poznámka zjišt4no vážením zjišt4no vážením m41eno m41eno spo2ítáno zjišt4no m41ením nastaveno
Tab. 6.2 – vstupní data zjišt3ny na kalandru a zároveA vstupní data pro matematický model
Po zadání vstupních dat do matematického modelu následoval výpo2et teoretických hodnot, které jsou s nam41enými daty porovnány v tab. 6.3. Do matematického modelu jsou zadané následující vstupní data: 1 1 1 1
rozm4ry plachty, celková hmotnost prádla za 2asový interval, 2asový interval a rychlost posuvu.
Veli1ina množství odpa1ené vody za 2asový interval [kg]
Model 52,24
M34ení 47,8
pr6m4rná odpa1ovací kapacita [lH2O/min]
3,731
3,418
teplo na odpa1ení vody [MJ] teplo na oh1ev vzduchu [MJ] teplo na krytí tepelných ztrát [MJ] spot1eba páry na odpa1ení vody [kg] spot1eba páry na oh1ev vzduchu [kg] spot1eba páry na krytí tepelných ztrát [kg]
142,65 4,42 4,456 69,4 2,15 2,17
119,5 35,14 17,925 58,665 17,251 8,8
celková spot1eba páry [kg]
73,72
84,72
m4rná spot1eba tepla na odpa1ení vody [MJ/kgH2O]
2,73
2,5
m4rná spot1eba tepla na oh1ev vzduchu [MJ/kgH2O]
0,085
0,735
m4rná spot1eba tepla na krytí tepelných ztrát [MJ/kgH2O]
0,085
0,375
Tab. 6.3 – porovnání nam32ených dat s hodnotami teoretickými
46 1
Nam41ené i vypo2tené hodnoty jsou p1i 69,93% využití plochy kalandru. P1i porovnání hodnot nam41ených a vypo2tených je vid4t znatelný rozdíl v množství tepla pot1ebného pro oh1ev vzduchu. Velice nízkou hodnotu tepla pro oh1ev vzduchu je možné od6vodnit tím, že matematický model je nastaven tak, aby bylo po2ítáno pouze z volitelným procentem tepla z nevyužité plochy, která oh1ívá vzduch. Hodnota tohoto, tepla která byla zjišt4na p1i m41ení po2ítá se 100% využitím tepla z nevytížené 2ásti plochy koryta kalandru pro oh1ev. Také teplo pot1ebné na krytí tepelných ztrát do okolí prostupem tepla je u m41ení udáno pouze odhadem. Je ovšem nutné podotknou, že vypo2tené tepelné ztráty po2ítají s odhadnutými teplotami st4n uvnit1 i zven2í kalandru a po zadání nam41ených hodnot budou ur2it4 vyšší. Dále je možné konstatovat, že matematický model má p1i nižší spot1eb4 páry vyšší pr6m4rnou odpa1ovací kapacitu. Za 2asový interval, p1i kterém m41ení prob4hlo, je množství odpa1ené vody v4tší, než bylo zjišt4no p1i reálnem provozu. To je zp6sobeno v4tším množstvím tepelných ztrát, p1i nerovnom4rném vkládání jednotlivých kus6 prádla do kalandru.
47 1
7. Popis díl1ích výpo1t2 Pro výpo2ty matematických model6 bubnové suši2ky s parním oh1evem a kalandru je zapot1ebí použít díl2í výpo2ty, které byli vytvo1eny v prost1edí programu Maple. Tyto výpo2tové nástroje jsou obsahem elektronické p1ílohy. Jednotlivé díl2í výpo2ty jsou ur2eny pro: 1 výpo2et tepelných ztrát prostupem tepla do okolí pro suši2ku a kalandr, 1 itera2ní výpo2et spot1eby tepla na odpa1ení vlhkosti a na oh1ev zbytkové vlhkosti u kalandru 1 a itera2ní výpo2et spot1eby tepla na odpa1ení vlhkosti a na oh1ev zbytkové vlhkosti u kalandru p1i reálném využití plochy.
7.1 Výpo1et tepelných ztrát Výpo2et slouží k teoretickému ur2ení tepelných ztrát prostupem tepla do okolí. Používá se jak u suši2ky tak u kalandru [P5]. Ukázka zadávání vstupních dat je popsaná v aplikaci u jednotlivých krok6 výpo2tu. Postup výpo2tu je následovný: 1 zadání vstupních dat a fyzikálních vlastností p1i daných teplotách uvnit1 systému (teplota média uvnit1 a teplota st4ny, kterou je pot1ebné odhadnout), 1 výpo2et Reynoldsova 2ísla, Prandtlova 2ísla a Grashofova 2ísla pro proud4ní uvnit1 systému, 1 ur2ení oblasti proud4ní (turbulentní tok, laminární tok nebo p1echodná oblast), 1 výpo2et sou2initele p1estupu tepla pro danou oblast proud4ní, 1 zadání vstupních dat a fyzikálních vlastností p1i daných teplotách (teplota okolí a teplota st4ny zven2í, kterou je také pot1eba odhadnout), 1 výpo2et Reynoldsova 2ísla, Prandtlova 2ísla a Grashofova 2ísla pro proud4ní zven2í suši2ky, nebo kalandru, 1 výpo2et sou2initele p1estupu tepla p1i volné konvekci 1 a výpo2et hodnoty tepelných ztrát v [kJ/hod], [W]. Hodnoty dynamických viskozit pro vlhký vzduch je pot1ebné dohledat v tabulkách. Teploty st4n povrchu nejsou nam41eny, jsou ur2eny pouze odhadem. Výpo2tový nástroj je ovšem p1ipraven k použití v reálném provozu, až budou k dispozici nam41ená skute2ná data.
48 1
7.2 Výpo1et tepla pro oh4ev zbytkové vlhkosti Díl2í výpo2et „iterace pro kalandr“ [P6], slouží k p1esnému výpo2tu energie pot1ebné k oh1átí zbytkové vlhkosti v prádle, která se p1i nesprávném nastavení nap1íklad rychlosti posuvu nestihne odpa1it. Prvním krokem je zadání vstupních dat, která jsou podrobn4 popsána p1ímo ve výpo2tu u jednotlivých krok6. Poté následuje samotný itera2ní výpo2et, pomocí kterého je vypo2teno množství odpa1ené vody, a množství zbytkové vlhkosti, která se z prádla nestihne odpa1it. A množství energie pot1ebné na oh1átí této vlhkosti na výstupní teplotu. Tyto hodnoty je následn4 pot1ebné zapsat do matematického modelu kalandru.
7.3 Výpo1et tepla pro oh4ev zbytkové vlhkosti p4i reálném využití plochy kalandru Tento výpo2tový nástroj slouží pro výpo2et množství tepla pro oh1ev zbytkové vlhkosti v prádle pouze p1i reálném využití plochy kalandru [P7]. Princip a postup výpo2tu je totožný s p1edchozím výpo2tem – iterace pro kalandr. Ovšem zde je nadefinován další vstupní parametr a to tepelná ztráta nevyužité plochy kalandru.
49 1
8. Rozší4ení výpo1tového systému W2E 8.1 W2E „Waste-to-energy“ W2E je simula2ní program, který je vyvíjen na Ústavu procesního a ekologického inženýrství FSI VUT v Brn4 ve spolupráci s Fakultou Informa2ních Technologií. Vznikl na základ4 podpory výzkumného zám4ru MSM 0021630502 „Ekologicky a energeticky 1ízené soustavy zpracování odpadu a biomasy“[15]. Lze ho charakterizovat jako modulárn4 - stavebnicov4 koncipovaný simula2ní programový systém založený na hmotnostní a energetické bilanci technologických uzl6. V budoucnu má být rozší1en o prvky pro návrhové výpo2ty proces6 a za1ízení. Systém je ur2en hlavn4 pro rychlé inženýrské výpo2ty, které umožní ur2it nutné technologické parametry pro návrhové a simula2ní výpo2ty proces6 a za1ízení. Tento software také slouží jako podp6rný nástroj pro další výzkum a vývoj, dále pro prezentaci výsledku na profesionální úrovni a v neposlední 1ad4 umož3uje rychlou odezvu a uplatn4ní výsledku pro projek2ní a konstruk2ní praxi. Uživatelské rozhraní je tvo1eno kreslícím plátnem pro vytvá1ení modelu a interaktivním editorem pro nastavení okrajových podmínek výpo2tu. Základem jsou jednotkové operace. Vhodným uspo1ádáním a propojením t4chto jednotkových operací se modelují jednotlivé aparáty. Technologická linka je tedy vytvá1ena vkládáním a propojováním bilan2ních uzl6, které modelují bu7 jednotkovou operaci, aparát nebo tepelný stroj. Výpo2et linky vytvo1ené tímto zp6sobem se provádí sekven2n4 (tzn. ze známých vstupních proud6 se vypo2ítají výstupní proudy daného uzlu, které jsou zárove3 vstupními proudy následujícího uzlu).[16] Rozší1ení aplikace W2E o bloky (suši2ka a kalandr) by mohlo být provedeno dle matematických model6 zpracovaných v kapitolách 5 a 6. Dále by program mohl být rozší1en o proudy, jedním z proud6 by m4l být soubor prádla, který je popsán v následující kapitole.
8.2 Analýza a návrh knihovny „Prádlo“ Tato kapitola se zabývá analýzou a návrhem knihovny, jež by m4la být použita v aplikaci „Waste-to-energy“ k popisu proudu prádla. Struktura knihovny by m4la být závislá na struktu1e zbývajících 2ástí aplikace a styl programování by se tedy m4l p1izp6sobit. V dnešní dob4 se již používají p1evážn4 dva programovací styly, pon4kud zastaralý modulární styl programování a nov4jší objektov4 orientovaný programovací styl. P1i vytvá1ení návrhu bylo p1edpokládáno, že ostatní 2ásti aplikace jsou naprogramovány v 2eském jazyce a tudíž názvy entit (objekt6), jejich atribut6 (vlastností) a p1ípadn4 hodnot atribut6 jsou uvedeny v 2eském jazyce bez diakritiky. V p1ípad4, že je zdrojový kód napsán v jazyce anglickém, je nutné názvy p1eložit. Aby m4l programátor možnost volby mezi preferovaným stylem, jsou analýza i návrh knihovny v této kapitole vytvo1eny modulárn4 i objektov4. V podkapitole 9.2.2. je také znázorn4n návrh knihovny graficky. 50 1
8.2.1 Analýza knihovny Knihovna bude sloužit k definici jednotlivých typ6 prádla a výpo2tu veli2in týkajících se souboru prádla, jako jsou nap1. gramáž prádla, hmotnost složky, po2et kus6 složky a diskrétní podíl složky. Pro definování typu prádla bude sloužit datová struktura (modulární styl programování, dále jen MP) nebo t1ída (objektov4 orientovaný styl programování, dále jen OOP). Nazveme tuto entitu nap1. "Pradlo". Tato entita bude obsahovat všechny d6ležité informace ur2ující typ prádla (viz 8.1.a) a bude nutné pro ni vytvo1it funkci (nebo metodu v p1ípad4 OOP) pro výpo2et gramáže typu prádla. Další entita nazvaná "SouborPradla" bude v knihovn4 p1edstavovat soubor prádla. Soubor prádla se ve skute2nosti skládá z jednotlivých složek prádla a proto budeme muset v knihovn4 zavést t1etí entitu "SlozkaPradla". S entitou "SouborPradla" budou pracovat funkce pro výpo2et celkové hmotnosti složky prádla, po2tu kus6 složky a diskrétního podílu složky. V p1ípad4 OOP se místo t4chto funkcí vytvo1í ekvivalentní metody entity. 8.2.2 Návrh knihovny Entita "Pradlo" bude obsahovat atributy uvedené v tab. 8.1.a. V tab. 8.1.b jsou uvedeny také metody této entity (nebo funkce pracující s touto entitou). Podobn4 je v tab. 8.2 vytvo1en návrh entity "SouborPradla" a v tab. 8.3 návrh entity "SlozkaPradla".
ATRIBUTY Název atributu
Typ atributu
id nazev typ
textový 1et4zec vý2tový typ
Popis atributu
Poznámka
Identifikátor instance entity
Typ atributu je závislý na architektu1e aplikace
Název složky prádla, nap1. ubrus, prost4radlo, atd. Vý2tový typ obsahující dva prvky a to "rovne" nebo "tvarove"
hmotnost
booleovský typ reálné 2íslo
sirka
reálné 2íslo
Ší1ka jednoho kusu prádla v mm
delka
reálné 2íslo
Délka jednoho kusu prádla v mm
vrstev
celé 2íslo
Po2et vrstev jednoho kusu prádla
gramaz
reálné 2íslo
Gramáž prádla
Pokud bude mít prádlo typ "rovne", bude se tento atribut vypo2ítávat metodou zjisti_gramaz
material
vý2tový typ
Vý2tový typ obsahující informaci o materiálu prádla
Seznam materiálu se ješt4 up1esní
do_sucha
Informace, zda se má sušit do sucha Hmotnost jednoho kusu prádla v kg
Tab.8.1.a - Návrh entity "Pradlo":
51 1
METODY Název metody
Vstup OOP: žádný / MP: viz popis
zjisti_gramaz
O1ekávaný výstup
Popis metody
Reálné 2íslo
Pokud je atribut "typ" nastaven na hodnotu "rovne", tak se z atribut6 "sirka", "delka", "hmotnost" a "vrstev" vypo2ítá podle vzorce 3.5 gramáž prádla a tato hodnota se uloží do atributu "gramaz" a zárove3 se použije jako návratová hodnota metody / funkce
Tab. 8.1.b - Metody / funkce
ATRIBUTY Název atributu
Typ atributu
id hmotnost
reálné 2íslo
Popis atributu
Poznámka
Identifikátor instance entity Hmotnost složky prádla v kg
Typ atributu je závislý na architektu1e aplikace
Odkaz na entitu "Pradlo", ur2ující jaké prádlo je ve složce obsaženo
pradlo
Typ atributu je závisly na architektu1e aplikace
METODY Název metody
Vstup
O1ekávaný výstup
Popis metody
pocet_kusu
OOP: žádný / MP: viz popis
Celé 2íslo
Z atributu "hmotnost" entity "SlozkaPradla" a atributu "hmotnost" p1íslušející entity "Pradlo" se vypo2te po2te po2et kus6 prádla ve složce
Tab. 8.2 – Návrh entity "SlozkaPradla":
ATRIBUTY Název atributu
Typ atributu
id
slozky
seznam / pole
Popis atributu
Poznámka
Identifikátor instance entity
Typ atributu je závislý na architektu1e aplikace
Seznam odkaz6 na instance entity "SlozkaPradla"
METODY Název metody
Vstup
O1ekávaný výstup
Popis metody
hmotnost
OOP: žádny / MP:viz popis
Reálné 2íslo
Ze složek souboru prádla (entit "SlozkaPradla") se vypo2ítá celková hmotnost prádla
hm_podil
OOP:id entity SlozkaPradla / MP:viz popis
Reálné 2íslo
Z hodnoty metody / funkce "hmotnost" entity "SouborPradla" a atributu "hmotnost" entity
dis_podil
OOP:id entity SlozkaPradla/ MP:viz popis
Reálné 2íslo
Z atributu hmotnost entity "Pradlo" a hodnoty metody / funkce "hm_podil" se vypo2ítá diskrétní podíl vybrané složky v souboru prádla
Tab. 8.3 – Návrh entity "SouborPradla":
52 1
Obr. 8.1 – Grafický návrh knihovny
53 1
9. e!Sankey 2.x pro Schematické obrázky a diagramy, které se v této práci nachází byly vytvo1eny v prost1edí programu e!Sankey 2.0.3.2098 pro. Program e!Sankey byl vyvinut za ú2elem tvorby Sankeyho diagram6 a tzv. flow (tokových) diagram6. Uživatelské rozhraní a možnosti programu jsou tedy p1izp6sobeny k tomuto ú2elu. Základní formát soubor6 programu e!Sankey je vektorový s možnosti exportu do rastrového formátu, což umož3uje vytvo1it diagramy s vysokým rozlišením. Po spušt4ní programu se nabídne možnost výb4ru skupiny m41ících jednotek. Poté je možno za2ít s tvorbou diagramu následujícím zp6sobem (obr. 9.1). V horní 2ásti uživatelského rozhraní aplikace je k dispozici panel nástroj6. Zde je nutné vybrat tla2ítko „Process“, za pomoci kterého se vytvo1í jednotlivé uzly na pracovní ploše aplikace. Tyto procesy jsou základním stavebním prvkem diagram6. U proces6 lze nastavit základní parametry, jako jsou nap1íklad název procesu, barva a tlouš9ka 2áry ohrani2ení. Proces je také možné nahradit obrázkem. Za pomoci ikony „Edit Mode“ se jednotlivé procesy spojí jednoduše kliknutím na Process1 a potažením myši na Process2. Vznikne tzv. „Flow“, ovšem aby byl vzniklý proud funk2ní je zapot1ebí v panelu nastavení „Entries“ vytvo1it a definovat vstup za pomoci „Add Entrie“ (pojmenování proudu, nastavení barvy a m41ící jednotky). Aby byl vstup p1i1azen vytvo1enému proudu je zapot1ebí tento proud ozna2it. Poté sta2í kliknou na definovaný vstup a za pomoci tla2ítka „Insert Entry in Arrow“ v panelu „Entrie“ se nadefinované vlastnosti p1i1adí k danému proudu. Existuje možnost p1i1azení více druh6 nadefinovaných vlastností, je zde ale podmínka, že typ m41ící jednotky musí být stejný. Každý „Flow“ který spojuje jednotlivé procesy má sv6j vlastní panel nastavení „Properties“. Zde je možné nastavovat vzhled šipek jednotlivých proud6, tlouš9ky a barvy 2ar, a nachází se zde i vstupní pole „Quantity“. Aplikace nabízí propojení s programem Microsoft Excel na základ4 tzv. „LiveLink6“. „LiveLink“ je možné vytvo1it jednoduchým zp6sobem. Sta2í zkopírovat požadovanou hodnotu z bu3ky v Excelu za pomoci klávesové zkratky Ctrl+C, poté ji vložit p1íkazem Ctrl+V do programu e!Sankey do vstupního pole „Quantity“. P1i každé zm4n4 hodnoty v Excelové tabulce se zm4ní i hodnota v aplikaci e!Sankey. Možností jak „LiveLinky“ aktualizovat je n4kolik. Bu7 se p1i otev1ení již vytvo1eného diagramu objeví výzva k aktualizaci, nebo p1i práci s diagramem je p1ímo v panelu nástroj6 ikona „Update LiveLinks“, za pomoci které se aktualizuje celý diagram. Program jako takový má ovšem mnoho nedostatk6. V uživatelském rozhraní chybí mnoho ovládacích prvk6, které by práci s diagramy zjednodušily a tím pádem také nesmírn4 urychlily.
54 1
Obr. 9.1 – pracovní plocha programu e!Sankey
55 1
10. Záv3r První 2ást této práce seznamuje 2tená1e podrobn4ji s procesem profesní údržby prádla. Popisuje technologie a procesy se kterými je možné se setkat v profesní prádeln4. Objas3uje základní pojmy sušení a kalandrování, mezi které pat1í nap1íklad odpa1ovací kapacita, takt suši2ky, gramáž prádla, rychlost posuvu nebo také doba kalandrování. Blíže popisuje i možnosti úspor energií jednotlivých proces6. V rámci práce byli vytvo1eny bilan2ní matematické modely dvou aparát6, a to bubnové suši2ky s parním oh1evem a kalandru. Další 2ást práce podrobn4 popisuje jednotlivé modely, funk2nost kterých je ov41ena na základ4 experimentálních dat. Z hlediska úspor energií po2ítá matematický model suši2ky se systémem recirkulace a rekuperace použitého sušicího vzduchu. Systém umož3uje propo2ty r6zných nastavení d4li26, 2ímž je možno zjistit nejv4tší teoretickou úsporu energií. Model kalandru umož3uje zjistit množství tepelných ztrát p1i r6zném využití plochy kalandru. Což se dá v praxi využít p1i organizaci práce a obsluhy kalandru. Oba matematické modely jsou navrhnuty tak, aby je bylo možno použít p1i ov41ování dat nam41ených v reálných provozech. V práci byl také vytvo1en návrh knihovny, jež by mohla zjednodušit programátor6m aplikace Waste-to-Energy zakomponování objekt6 suši2ky a kalandru a proudu prádla. Z d6vodu grafické prezentace výsledk6 hmotnostní a energetické bilance jak samotné suši2ky a kalandru, tak celkové prádelny, bylo zapot1ebí nau2it se pracovat s aplikaci e!Sankey.
56 1
11. Seznam použité literatury [1]
BOBÁK, P.: Systém pro hodnocení energetické náro4nosti procesu profesní údržby prádla. Brno: Vysoké u2eni technické v Brn4, Fakulta strojního inženýrství, 2009. 47 s. Vedoucí diplomové práce Ing. Martin Pavlas, Ph.D.
[2]
TCMA, Z.: Model moderní komer4ní prádelny. Brno: Vysoké u2ení technické v Brn4, Fakulta strojního inženýrství, 2009. 63 s. Vedoucí diplomové práce Ing. Martin Pavlas, Ph.D.
[3]
KŠENZULIAK, V.: Systém pro výpo4et st3žejních parametr1 u energeticky náro4ného spot2ebitele. Brno: Vysoké u2ení technické v Brn4, Fakulta strojního inženýrství, 2007. 62 s. Vedoucí diplomové práce Ing. Martin Pavlas.
[4]
PAVLAS, M,; KŠENZULIAK, V.: Optimalizace využití tepla a vody na profesní prádeln3, I. etapa.Technická zpráva. Brno: Ústav procesního a ekologického inženýrství FSI VUT v Brn4, 2006
[5]
PAVLAS, M,; KŠENZULIAK, V.: Optimalizace využití tepla a vody na profesní prádeln3, II. etapa.Technická zpráva. Brno: Ústav procesního a ekologického inženýrství FSI VUT v Brn4, 2006
[6]
TCMA, Z., PAVLAS, M., KŠENZULIAK, V.: Model energeticky náro4ného procesu v rámci projektu NETME; p1edb4žná technická specifikace. Ústav procesního a ekologického inženýrství, FSI VUT v Brn4, Brno 2009
[7]
Pra2ky nové generace chrání prádlo i zdraví [online]. Poslední úprava: 8.4.2010. [cit. 26.4.2010]. Dostupné z Chytré pra2ky šet1í energii i prostor a zárove3 fandí designu [online]. Poslední úprava: 11.2.2010. [cit. 26.4.2010]. Dostupné z 1
[8]
Webové stránky spole2nosti Procter & Gamble [online]. [cit. 6.5.2010]. Dostupné z
[9]
Webové stránky spole2nosti Can Loy Electrical Engineering Sdn Bhd [online]. [cit. 8.5.2010]. Dostupné z
57 1
[10]
Úspory vody a energie na prádelnách podle fyzikálních, nikoliv marketingových zákon6 3. 2ást. [online]. [cit. 7.5.2010]. Dostupné z:
[11]
Webové stránky spole2nosti Laundry Quip [online]. [cit. 12.5.2010]. Dostupné z
[12]
Webové stránky spole2nosti ART Steam and Press [online]. [cit. 13.5.2010]. Dostupné z < http://www.art-steam.com/index.htm>
[13]
BABINEC, F.: Aplikovaná fyzikální chemie. Brno: Vysoké u2ení technické v Brn4, 1991. 200 s. ISBN 80-214-0367-5
[14]
PERRY, R. H.; GREEN, D. W.: Perry`s Chemical Engineers` Handbook. 8st ed. New York: McGraw – Hill, 2007. 2640 p. ISBN 0-07-142294-3
[15]
Výzkumný zám4r MSM0021630502 – Ekologicky a energeticky 1ízené soustavy zpracování odpad6 a biomasy (2005-2011, MSM). [online], [cit. 7.5.2010], dostupné z: http://www.isvav.cz/researchPlanDetail.do?rowId=MSM0021630502
[16]
PAVLAS, M.: Systém pro výpo4et technologických parametr1 proces1 v4etn3 energetických aspekt1. Brno: Vysoké u2ení technické v Brn4, Fakulta strojního inženýrství, 2008. 109 s. Vedoucí diserta2ní práce Prof. Ing. Petr Stehlík, CSc.
58 1
12. Seznam p4íloh [P1]
Ukázky Sankeyho diagram6 hmotnostní a energetické bilance prádelny.
[P2]
Matematický model.xls.
[P3]
Ukázky hmotnostní a energetické bilance suši2ky.
[P4]
Sankeyho diagramy pro hmotnostní bilanci kalandru pro jednotlivé typy prádla.
[P5]
Výpo2et tepelných ztrát.mw
[P6]
Iterace pro kalandr.mw
[P7]
Iterace pro kalandr pro reálné využití plochy.mw
59 1
P1íloha P1– Diagram pr1b2 1b2h prádla prádelnou, spot3eba vody, sušícih íciho vzduchu a páry u
jednotlivých za3ízení.
Diagram zobrazení pr1b2hu 2hu jedné dávky prádla prádelnou a spot3eba vody, vo páry a vzduchu u jednotlivých za3ízení.
Ideální stav, kdy všechny za3 za3ízení pracují kontinuáln2.
P1íloha P3–Vodní a ener ergetická bilance suši4ky, p3i sušení z 55% vlh lhkosti na 40% vlhkost. D2li4 1 nastaven na 0 %, d2 d2li4 2 nastaven na 0 %.
Vodní a energetická bilance ce suši4ky, p3i sušení z 55% vlhkosti na 40% vlhkost. v D2li4 1 nastaven na 50 %,, d2 d2li4 2 nastaven na 0 %.
Vodní a energetická bilance ce suši4ky, p3i sušení z 55% vlhkosti na 40% vlhkost. v D2li4 1 nastaven na 50 %,, d2 d2li4 2 nastaven na 50 %.
Vodní a energetická bilance ce suši4ky, p3i sušení z 55% vlhkosti na 40% vlhkost. v D2li4 1 nastaven na 50 %,, d2 d2li4 2 nastaven na 100 %
P1íloha P4 – hmotnostní ní a energetická bilance kalandru p3i 83,92% využití vy plochy kalandru.
Hmotnostní a energetickáá bbilance kalandru p3i 69,93% využití plochy kalandru. ka
