Jakub LOKAJ1 ENERGETICKÝ AUDIT A MĚŘENÍ V PRÁDELENSKÝCH PROVOZECH Abstrakt Obsahem článku je seznámení se s měřením a vyhotovením energetického auditu daného prádelenského provozu. Dále také měření odpadních proudů parního vyvíječe a kalandru za účelem využití energie odcházející ve spalinách resp. ve vlhkém vzduchu kalandru. V práci je také začleněn návrh zařízení pro sběr naměřených dat využívající programovatelné vývojové HW platformy Arduino, jež bylo připravováno pro urychlení, zpřesnění a zautomatizování sběru hodnot z vodoměrů, plynoměrů nebo elektroměrů. Klíčová slova Energetický audit, experimentální měření, sběr dat, prádelenský provoz, prací a sušící zařízení, kalandr, odpadní proudy, spaliny, parní vyvíječ.
1
ÚVOD
V rámci odborné stáže projektu Partnerství v oblasti energetiky zaštiťovaného Moravskoslezským energetickým klastrem (MSEK) ve spolupráci se společností EVECO Brno, s.r.o. a výzkumným a vývojovým centrem NETME Centre byl nejprve vypracován energetický audit prádelenského procesu společnosti PEVI, s. r. o. Tato společnost poskytla prostory a prádelenské stroje pro experimentální měření jejich spotřeby elektrické energie, plynu a vody. Kromě naměřených hodnot jednotlivých spotřeb vody, elektřiny a plynu (tepelné energie) byly vyhotoveny analýzy dávek prádla, četnosti pracích programů a také produktivity jednotlivých pracích a sušících zařízení z pracovního deníku vedeného zaměstnanci společnosti. Po průzkumu prádelenského provozu bylo sepsáno doporučení týkajících se inovací prádelenských zařízení a zautomatizování sběru dat z daných strojů a dávek prádla včetně doporučení pro stávající zařízení. Druhým objektem, kde probíhala experimentální měření, byl prádelenský provoz firmy Blaha V., s. r. o. Zde se již nejednalo o vyhotovení energetické auditu pracích a sušících
1
Bc. Jakub Lokaj, student Energetického inženýrství, Fakulta strojního inženýrství, Vysoké učení technické v Brně, Technická 2, 618 00 Brno - Žabovřesky, tel.: (+420) 773 16 09 25, e-mail:
[email protected].
1
strojů, nýbrž o určení energetické náročnosti korytového žehliče (kalandru) a parametrů odpadních proudů kalandru a parního vyvíječe. Na základě poznatků z experimentálních měření bylo, pro zjednodušení zápisu dat a jejich transformace do elektronické podoby, navrženo elektronické zařízení na bázi mikrokontroléru ATmega 328p, jež tvoří srdce programovatelné vývojové open-source platformy Arduino Uno. Tato platforma posloužila k naprogramování automatického odečtu dat z měřičů energií a vody (plynoměru, elektroměru a vodoměru).
2
ENERGETICKÝ AUDIT PRÁDELENSKÉHO PROVOZU PEVI, S. R. O.
Prvním měřením v prádelenském provozu, kterým byla stáž započata, bylo měření ve firmě PEVI, s.r.o. sídlící v Lanškrounu. Tato společnost pronajímá pracovní oděvy a zároveň obstarává i jejich pravidelné čištění. Zde bylo v plánu proměřit spotřeby vody, elektrické energie a zemního plynu resp. páry u jednotlivých pracích a sušících zařízení neinvazivním způsobem a vyhodnotit jejich energetickou náročnost. Na základě vyhodnocení naměřených dat pak vytvořit daná doporučení pro inovaci prádelny a vyhotovit energetický audit.
Obr. 1: Provozovna PEVI, s. r. o., Lanškroun [1]
2.1
Popis měřených technologických zařízení
Provozovna firmy PEVI, s. r. o. využívá tři průmyslové prací stroje (Pračka 1 až 3), jejichž typ ohřevu je realizován pomocí páry, jeden plynový sušič a plynový finišer. Fotografie jednotlivých strojů včetně přehledové tabulky jsou uvedeny níže.
2
Obr. 2: Zleva - Prací stroje (Pračka č. 1 až 3), sušič, finišer [1] Tab. 1: Přehled technologických zařízení [1] Označení stroje
Výrobce
Model
Typ ohřevu
Elektrický příkon
Pračka č. 1
Primus
F55
parní
5,8 kW
Pračka č. 2
Primus
FS55
parní
62,7 kW
Pračka č. 3
Pharmagg
FU 1400
parní
23,4 kW
Sušič
Lavamac
LDR1025
plynový
2,5 kW
Finišer
Kannegiesser
SMT 1 Gas Turbo
plynový
14 kW
Pro výrobu technologické páry, která slouží k ohřevu pracích lázní, je využit parní vyvíječ Certuss Junior 600, jehož výstupem je středotlaká pára o tlaku 7 bar g a teplotě 170 °C. Základní údaje o vyvíječi jsou uvedeny v Tab. 2 [1]. Tab. 2: Parametry parního vyvíječe (štítkové údaje) [1] Výrobce
Certuss
Typ
Junior 600
Sériové číslo
10493
Rok výroby
2001
Objem vody
49 l
Výkon vyvíječe páry
600 kg/h
Provozní tlak
16 bar
Rozsah teplot
0 - 300 °C
Rozsah tlaku
0 - 25 bar
Značka schválení typu
08-316-014
Doba v provozu ke 12. 6. 2013
21821,33 h
2.1
Plán a metoda měření
V objektu, který je napojen na obecní vodovod, středotlaký plynovod a třífázovou rozvodnou soustavu nízkého napětí, bylo nutno kvůli absenci podružných měřidel klíčových
3
technologických zařízení provozu využít fakturační měřidla na přípojkách objektu. Z tohoto faktu vyplynula metodika měření, jejímž předpokladem byl sběr měřených dat pouze u jednoho provozovaného zařízení a využití jednotlivých měřidel k odečtu sledovaných hodnot [1].
Obr. 2: Zleva – Plynoměr, elektroměr, vodoměr (kotelna), vodoměr (hlavní), váha Tab. 3: Popis použitých měřidel pro odečet měřených hodnot [1] Měřidlo
Výrobce
Třída přesnosti
Typ
Číslo měřidla
Plynoměr
Elster Amco Premagas RVG
-
0013568-057-01-IV
Elektroměr
Actaris
SL7000
Tř. 1 (0,5S)
51005988
Vodoměr (kotelna)
Sensus
-
B
01040875
Vodoměr (hlavní)
Actaris
Flostar HF10L
C
D 04UF085516 6
Váha
Transporta
P50
-
74-145692/XIV
Jednotlivá měření probíhala odečtem stavu měřidel vždy na začátku a na konci jednoho pracovního cyklu stroje. U pracích strojů je cyklem myšleno vyprání jedné dávky prádla, u sušiče usušení jedné vsádky a v případě finišeru usušení daného množství prádla. Každá dávka prádla byla před i po vyprání resp. usušení analyzována formou určení množství a hmotnosti oděvů. Dále se jednalo o rozdělení na jednotlivé druhy oděvů a zjištění jejich hmotnostního podílu bavlny a polyesteru (PES). Měření byla opakována a bylo při nich použito celkem 6 různých dávek prádla. Při praní dávky prádla v pracích strojích a sušení v sušiči probíhalo měření ve 2 opakováních, přičemž u finišeru proběhly měřené cykly celkově třikrát [1].
Obr. 3: Dávka a analýza praného prádla
4
2.2
Analýza produktivity pracích strojů dle provozních záznamů a provozní náklady
Pro období měsíce března až května byla ze zaznamenávaných hodnot poskytnutých zadavatelem zpracována analýza celkové hmotnosti vypraného a vysušeného prádla jednotlivých strojů, četnosti pracích programů, hmotnosti prádla vztaženého k jednotlivému pracímu programu a vytíženosti (počtu spuštění) jednotlivých pracích strojů. Hodnoty hmotností jednotlivých várek pro prací zařízení č. 1, 2 byly dle vyjádření provozovatele stanoveny obsluhou pouze orientačně, zatímco u pračky č. 3 byly dané hmotnosti prádla zaznamenány z integrované váhy v pracím stroji. Celkové počty kusů za měsíc byly převzaty z evidenčního programu LIN a byly proto věrohodnější [1]. Z dostupných údajů na fakturách jednotlivých energií (elektřina, plyn) a vodného/stočného, byla zpracována ekonomická náročnost na provoz veškerých pracích a sušících strojů pro období měsíce března až května. Z poskytnutých dat zadavatele, bylo zjištěno, že hodnoty na fakturách za plyn nesouhlasí se skutečným stavem plynoměru ke konci měsíce, ale k datům pořízenými zaměstnanci s předstihem 1 až 5 dnů [1]. Na základě zjištění spotřeb energií a vody a z množství vypraného prádla pro daný měsíc byly vyčísleny měrné spotřeby energií a vodného/stočného na jednotkovou hmotnost (kg) a jednotkový počet (ks) zpracovaného prádla. Ačkoli se v měsíci květnu zpracovalo nejvíce prádla, měrné spotřeby elektřiny, plynu a vodného/stočného dosahovaly nejnižších hodnot. Tento fakt vypovídá o tom, že vyšší produkce má v důsledku účinnější využití energií (zejména plynu), neboť nedochází k dlouhým prostojům mezi cykly pracích a sušících zařízení, které jinak zapříčiní vychladnutí zařízení a zvýší spotřebu kvůli opětovnému nahřátí na provozní teplotu [1].
2.3
Zpracování naměřených hodnot a vyhodnocení záznamů
Z naměřených hodnot jednotlivých pracích a sušících strojů, kterými byly hmotnosti dávek prádla, čas a stavy měřičů energie a vody na počátku a konci daného cyklu. Po zpracování veškerých hodnot byl vytvořen pro každé měřené zařízení průkaz energetické náročnosti pracích strojů, dále jen PENPS, který obsahoval výpočet produktivity, spotřeby vody, elektrické energie a tepla, zbytkovou vlhkost po odstředění, G-faktor a souhrn podstatných hodnot měrných spotřeb [1].
5
Obr. 4: Příklad průkazu energetické náročnosti pracích strojů – PENPS [1] Po zpracování jednotlivých PENPS k pracím a sušícím zařízením bylo také pro firmu PEVI, s. r. o. vypracování doporučení pro inovaci provozu plynoucích z naměřených dat a také z chodu provozovny, kde bylo měření uskutečněno. Doporučení bylo zejména v oblasti instalace inovativních prvků monitorujících aktuální spotřeby elektřiny, plynu a vody u jednotlivých zařízení a strojů či případné pořízení nových prostředků k dotvoření ucelenějšího pohledu na provoz prádelny [1]. Hlavní přínos pro celý prádelenský provoz by při instalaci měřících prvků zaznamenávajících informace o aktuálních spotřebách jednotlivých zařízení měl spočívat ve vyvozování individuálních spotřeb daných dávek vstupujících do pracího a sušícího procesu a predikci poruchovosti jednotlivých strojů a zařízení [1]. V následujících odstavcích budou uvedena doporučení k jednotlivým měřícím zařízením pro zajištění sběru naměřených spotřeb energií a vody. Doporučení k měření aktuální spotřeby plynu Inovace soustavy plynoměrů byla navržena tak, aby bylo možno naměřené hodnoty spotřeb zemního plynu odesílat pomocí impulzního snímače do jednotky sběru dat. Jedná se o jednotlivé plynoměry pro jednotlivá sušící zařízení (sušičku a finišer). K ucelenému pohledu na aktuální spotřeby zemního plynu by bylo vhodné opatřit vlastním plynoměrem také parní vyvíječ. Jelikož parní vyvíječ dosahuje nejvyšších objemových toků ZP (okolo 44 m3/h), vhodně dimenzovaný plynoměr by měl nejvyšší
6
pořizovací cenu ze všech možných inovativních prvků a značně by navyšoval celkové finanční náklady. Z toho důvodu je na zvážení, zda by bylo vhodnější využít samostatný plynoměr pro vyvíječ páry či by se hodnota spotřeby vyvíječe odečítala rozdílem dílčích plynoměrů od plynoměru hlavního. Doporučení k měření aktuální spotřeby elektřiny Hodnoty spotřeb elektrické energie z pracích zařízení (pračka č. 1, 2 a 3, malokapacitní pračka), sušících a kompletovacích zařízení (sušička, finišer a skládač) a z kotelny, v níž je umístěn parní vyvíječ, lze měřit a odečítat pomocí třífázových elektroměrů opatřených impulsními výstupy. Ostatní spotřebiče v kotelně (kompresor a ventilátory) je možno osadit jednofázovými elektroměry, které by měly taktéž impulsní výstupy pro sběr dat. Každý elektroměr by měl být umístěn přímo u stroje či spotřebiče, přičemž naměřené hodnoty by měly být vedeny do jednotky pro sběr dat pomocí datových vodičů. Spotřeby okolních spotřebičů a zařízení (osvětlení v budově, počítače, nažehlovací a šicí stroje) lze považovat za spotřebu sdruženou (v pozadí), kde její hodnotu je možno určit rozdílem spotřeby na hlavním elektroměru vůči dílčím, které by byly instalovány ke každému výše uvedenému zařízení. Aby nedocházelo k případnému poškozování měřících přístrojů vlivem vlhkosti a zranění obsluhy způsobeným zásahem elektrického proudu, je vhodné elektroměry umístit do rozvodných skříní. Měřicí jednotky by bylo možné umístit v kotelně a v prádelně vedle stávajících rozvodných skříní. Rozdělením na dva okruhy by bylo dosaženo potlačení rušení způsobeným dlouhými signálními kabely. Doporučení k měření aktuální spotřeby vody Obdobně jako u elektroměrů by bylo vhodné využít vodoměry pro každý jednotlivý prací stroj. Pro prací stroje (pračka č. 1, 2 a 3), dávkovače chemie a úpravnu vody směřující do parního vyvíječe lze doporučit instalaci vodoměrů opatřenými impulsními výstupy naměřených dat. Sběr dat z jednotlivých plynoměrů, elektroměrů a vodoměrů u daných zařízení a strojů by byl realizován pomocí jednotek sběru dat. Nasbírána data by pak byla odesílána na centrální počítat, kde by byla následně zpracovávána příslušným softwarem (řazena do tabulek a graficky vykreslována) a také archivována. Mimo automatizovaný měřící systém, který by ukládal data, bude možno jednotlivé hodnoty odečítat také na místě z počítadla/displeje měřících přístrojů u jednotlivých zařízení. Systém měření provozních dat by měl nejen zobrazovat aktuální spotřeby, ale současně zaznamenávat hodnoty do archivu. Z archivu by pak bylo možné jednoduše vytvořit přehledové zprávy dlouhodobého pozorování. Jednorázová měření totiž poskytují pouze velmi omezenou představu o spotřebách jednotlivých zařízení během běžného provozu. Zprávy z dlouhodobých měření mohou poukázat na největší konzumenty energií a být dokladem snížení energetických nároků v případě výměny některých zařízení. Alternativou ke komerčnímu řešení by mohl být software „na klíč“, po dohodě vypracovaný na půdě NETME Centre. V případě modernizace softwaru LIN společnosti Dataexpert v podobě detailnějšího rozdělení prádla, by pak bylo možno naměřená data spotřeb energií a vody jednotlivých pracích a sušících zařízení přiřadit k danému typu či kusu prádla. Tato inovace by vedla k možnosti případného navýšení či snížení ceny za pronájem prádla, které by dosahovalo vyšších resp. nižších výsledných spotřeb energií. K detailnějšímu pohledu o skutečném zpracovaném množství prádla procházejícím prádelenským procesem, by bylo vhodné pořídit nájezdovou podlahovou váhu, která by sloužila k přesnějšímu určení hmotnosti várky
7
namísto odhadované hodnoty obsluhou. Naměřená data z vážení by mohla být začleněna i do databáze informačního systému LIN pro pozdější určení měsíční produkce. Doporučení ke stávajícímu zařízení Ke stávajícím zařízení lze doporučit změny i bez hrubého zásahu do současných rozvodů a nutnosti nákupu nových měřících prvků. Mezi tato doporučení lze uvézt změnu zobrazování spotřeby hlavního elektroměru Actaris, SL7000 (výrobce, model) na desetiny kWh namísto jednotek, které jsou doposud nastaveny. Tato změna by vedla ke zpřesnění měřené spotřeby. Dále je vhodné doporučit pravidelné sledování a zápis hodnot ze současných měřících přístrojů každých 14 dní do předem připravené tabulky. Díky těmto záznamům by bylo možné detailněji zachytit měsíční spotřeby daných pracích a sušících strojů [1]. V průběhu měření byla odhalena chybovost počítadla ramínek tunelového finišeru. Z předem zjištěného počtu kusů bylo počítadlem finišeru napočítáno vždy o cca 3 % kusů méně. K dalším doporučením tudíž patří nepočítat jednotlivé kusy pomocí počítadla finišeru nebo jej nechat opravit [1]. Při zpracování dat z faktur dodávky plynu poskytnutých zadavatelem, byly nalezeny značné nesrovnalosti. Ve fakturách se opakovaně vyskytuje neodpovídající množství spotřebovaného a dodaného tepla v GJ oproti provedeným ověřovacím výpočtům. Dále je zde chybně uvedena výhřevnost zemního plynu a to s neodpovídající jednotkou GJ/m3. Výrobní číslo plynoměru uvedeného na faktuře se pouze v jednom ze dvou případů shoduje se skutečným výrobním číslem v objektu. V neposlední řadě je na faktuře nesprávně uvedena jednotková cena zemního plynu a náklady na palivo převyšují výslednou cenu fakturace. V tomto případě je namístě doporučit kontaktování dodavatele plynu pro úpravy nepřesností ve fakturách či případné jejich objasnění [1].
3
URČENÍ ENERGETCKÉ NÁROČNOSTI KALANDRU A PARAMETRŮ ODPADNÍCH PROUDŮ FY BLAHA V., S. R. O.
3.1
Plán a metoda měření
Účelem měření, které proběhlo ve dnech 12. až 13. srpna 2013 v provozovně fy Blaha V., s. r. o., v areálu Lázní Teplice nad Bečvou bylo určit energetickou náročnost kalandru (korytového žehliče) a to neinvazivním způsobem pomocí místních pevně instalovaných měřidel. Dále byly zjišťovány parametry odpadních proudů – odtahu vlhkého vzduchu z kalandru a spalin parního vyvíječe. Parní vyvíječ zásobuje celou technologii prádelny sytou parou. Účelem měření je ověřit možnost využití odpadního tepla těchto zařízení pro předehřev vody [2].
8
Obr. 5: Provozovna fy Blaha V., s. r. o., v areálu Lázní Teplice nad Bečvou [2] Při měření spotřeb zemního plynu byl použit fakturační plynoměr s pracovním přetlakem cca 300 kPa umístěný v plynoměrové skříni na fasádě objektu, který sleduje spotřebu zemního plynu všech spotřebičů v objektu. Kromě fakturačního plynoměru byly sledovány také hodnoty z přepočítávače spotřeby plynu, jehož výstupem je zobrazení spotřeby ZP ve standardních podmínkách. Ke sledování spotřeb vody při doplňování napájecí vody parního vyvíječe bylo využito vodoměru umístěného v kotelně. Mechanická můstková váha umístěna taktéž v areálu provozovny posloužila ke zvážení dávek prádla vstupujících do procesu [2]. Ke zjišťování parametrů vlhkého vzduchu v odtahu kalandru byl použit přenosný měřicí přístroj Testo 445 (0560 4450), který pomocí připojené vysokoteplotní vlhkostní a teplotní sondy Testo 0628 0021 a vrtulkové a teplotní sondy s průměrem 16 mm Testo 0635 6045 zaznamenával hodnoty. Pro určení parametrů vzduchu v okolí kalandru byl použit přenosný měřicí přístroj Testo 435 (0560 4354), k němuž byla připojena vlhkostní a teplotní sonda Testo 0636 9735. Veškerá naměřená data z výše uvedených přístrojů byla pomocí softwaru dodávaného k přístrojům Testo uložena do paměti počítače a následně převedena do tabulkového procesoru [2]. Určování parametrů odpadního proudu spalin parního vyvíječe probíhala obdobným způsobem jako u měření proudu vlhkého vzduchu odtahu kalandru. K záznamu měřených hodnot bylo vyuužito měřicího přístroje Testo 445 (0560 4450) s připojenou vysokoteplotní vlhkostní a teplotní sondou Testo 0628 0021 a vysokoteplotní vrtulkovou a teplotní sondou (s průměrem 25 mm) Testo 0635 6045. Přenosný měřicí přístroj Testo 350 XL byl využit pro analýzu složení spalin zemního plynu parního vyvíječe [2]. Měření jednotlivých veličin energetické náročnosti a parametrů odtahového vzduchu kalandru bylo prováděno ve dvou opakováních. Parametry odpadního proudu spalin parního vyvíječe byly taktéž měřeny ve dvou opakovacích cyklech, přičemž byl kromě spotřeby vody hlídán i režim parního vyvíječe [2].
3.2
Popis měřených technologických zařízení
Provozovna firmy Blaha V., s. r. o. je vybavena kontinuální pracím strojem, průmyslovými pračkami a sušičkami. Prádlo vystupujícího z těchto zařízení je následně obsluhou vkládáno do korytového žehliče – kalandru značky Transferon, který byl předmětem měření. Kalandr využívá technologickou páru pro svůj ohřev, kde tato pára o
9
průměrném přetlaku 12 bar a teplotě 200 °C je generovaná parním vyvíječem Certuss Universal SC 1800 [2]. Tab. 4: Základní údaje a parametry měřeného kalandru [2] Výrobce
Transferon
Typ ohřevu
parní
Pracovní šířka
3000 mm
Průměr válců
1200 mm
Počet válců
3
Úhel opásání válců Posuv
180° 33 m/min
Tab. 5: Základní údaje a parametry parního vyvíječe [2] Výrobce
Certuss
Model
Universal SC 1800
Sériové číslo
9051
Rok výroby
1996
Objem vody
210 l
Výkon vyvíječe páry Pracovní tlak
1 800 kg/h 10 bar
Režimy (stavy) parního vyvíječe při měření byly následující:
3.3
0 = vypnuto, 1 = poloviční výkon (900 kgpáry/hod), 2 = plný výkon (1800 kgpáry/hod)
Energetická náročnost kalandru
Jedním z cílů měření bylo určit energetickou náročnost kalandru neinvazivním měřením a to za pomocí lokálních instalovaných měřičů energie (zemního plynu) a vody. Před žehlením a následně i po něm bylo zpracované prádlo váženo na můstkové váze. Díky měření hmotnosti bylo možno určit množství odpařené vody a hmotnost suchého prádla (sušiny). K těmto veličinám pak byla vztažena výsledná produktivita a spotřeba kalandru [2]. Po zpracování naměřených hodnot byl vyhotoven protokol určující energetickou náročnost žehlícího stroje dle krátkodobého neinvazivního měření, jež měl obdobnou strukturu jako PENPS v prvním měřeném objektu. Přehled podstatných hodnot obsažených v protokolu, jsou uvedeny v Tab. 6 [2].
10
Tab. 6: Přehled podstatných údajů z protokolů k určení energetické náročnosti kalandru [2] 1. měření
2. měření
Označení dávky prádla
1.1
1.2
-
Program / nastavení stroje
33
33
m/min
218,9
325,2
kgSP
100
100
% hm.
0
0
% hm.
Množství suchého prádla v dávce Hmotnostní podíl bavlny Hmotnostní podíl PES Hodinová produktivita
405,1
478,8
kgSP/h
Úbytek měrné zbytkové vlhkosti
0,445
0,438
kgH2O/kgSP
Produktivita práce
81
95,8
kgSP/h/osoba
Průměrná odpařovací kapacita
3
3,49
kgH2O/min
Měrná spotřeba tepla (ZP)
2,06
2,17
kWh/kgH2O
Měrná spotřeba páry (12,2 bar g)
3,12
3,29
kg/kgH2O
SP – suché prádlo, PES – polyester, ZP – zemní plyn, H2O – voda
3.4
Parametry odpadních proudů kalandru a parního vyvíječe
Průměrné hodnoty naměřených parametrů odpadního proudu vlhkého vzduchu v odtahu z kalandru, které byly naměřeny při žehlení dávky 1.1 po dobu 1 945 sekund, jsou uvedeny v Tab. 7. Parametry pro dávku prádla 1.2, které byly měřeny po dobu 2 445 s, jsou vyobrazeny v Tab. 8. Uvedené hodnoty za normálních podmínek se uvažují pro teplotu 0 °C a tlak 101 325 Pa [2]. Tab. 7: Parametry odpadního proudu kalandru pro dávku prádla 1.1 [2] Objemový průtok za norm. podmínek
1600 mN3/h (stabilita cca ± 50 mN3/h)
Teplota
115,3 °C (stabilita cca ± 2°C)
Relativní vlhkost
9,0 % r. v. (dle zatížení 7,5 ÷ 12 % r. v.)
Absolutní vlhkost
83,0 g/m3
Rosný bod
58,0 °C
Množství odpařené vody
97,35 kgH20
Tab. 8: Parametry odpadního proudu kalandru pro dávku prádla 1.2 [2] Objemový průtok za norm. podmínek
1500 mN3/h (stabilita cca ± 50 mN3/h)
Teplota
117,5 °C (stabilita cca ± 2°C)
Relativní vlhkost
13,5 % r. v. (dle zatížení 4,5 ÷ 16 % r. v.)
Absolutní vlhkost
135,0 g/m3
Rosný bod
69,0 °C
Množství odpařené vody
142,4 kgH20
11
Měření odtahu kalandru doprovázelo také zaznamenávání hodnot proudu spalin z kouřovodu parního vyvíječe. Při žehlení dávky prádla 1.1 byl parní vyvíječ 26,4 % svého času v režimu 0 a 73,6 % v režimu 1 [2]. Průměrné hodnoty z tohoto měření byly následující:
Tab. 9: Parametry proudu spalin parního vyvíječe pro dávku prádla 1.1 [2] Objemový průtok za norm. podmínek
810 mN3/h (stabilita cca ± 50 mN3/h)
Teplota
154,3 °C (dle zatížení 135,2 ÷ 163,5 °C)
Relativní vlhkost
1,0 % r. v. (dle zatížení 0 ÷ 2,1 % r. v.)
Rosný bod
51,3 °C
Průměrné hodnoty proudu spalin v rámci žehlení dávky prádla 1.2 jsou zachyceny v Tab. 10. Při těchto podmínkách pracoval parní vyvíječ z 21,9 % doby v režimu 0 a 78,1 % v režimu 1 [2]. Tab. 10: Parametry proudu spalin parního vyvíječe pro dávku prádla 1.2 [2] Objemový průtok za norm. podmínek
800 mN3/h (stabilita cca ± 50 mN3/h)
Teplota
162,7 °C (dle zatížení 127,2 ÷ 171,2 °C)
Relativní vlhkost
1,0 % r. v. (dle zatížení 0 ÷ 2,1 % r. v.)
Rosný bod
51,7 °C
Posledním měřením proudů parního vyvíječe bylo proměření parametrů při režimu 1 (polovičním výkonu) a režimu 2 (plném výkonu). Po dobu měření v celkové délce 2 445 s, pracoval parní vyvíječ 60 % svého provozu v režimu 1 a zbylých 40 % v režimu 2. Průměrné hodnoty proudu spalin byly následující: Tab. 11: Průměrné parametry proudu spalin parního vyvíječe pro režim 1 a 2 [2] Objemový průtok za norm. podmínek
1100 mN3/h (stabilita cca ± 50 mN3/h)
Teplota
210,9 °C (dle zatížení 181,3 ÷ 240,1 °C)
Relativní vlhkost
0,1 % r. v. (dle zatížení 0 ÷ 0,2 % r. v.)
Rosný bod
55,1 °C
Kromě objemových průtoků, teploty, relativní vlhkosti a teploty rosného bodu odpadního proudu parního vyvíječe byly také pomocí přenosného přístroje Testo 350 XL analyzovány jeho spaliny. Měření bylo realizováno pro režim 1 (poloviční výkon) a 2 (plný výkon). Výsledné naměřené hodnoty jsou zobrazeny v Tab. 12.
12
Tab. 12: Analýza proudu spalin parního vyvíječe v režimu 1 a 2 [2] režim 1
režim 2
Koncentrace O2
7,90%
4,60%
Koncentrace CO2
7,40%
9,30%
Koncentrace CO
3,3 ppm
19 ppm
Koncentrace H2
9,5 ppm
7 ppm
Koncentrace NO
50,5 ppm
60 ppm
Koncentrace NO2 Koncentrace NOX (přepočet pro 3% O2) Přebytek vzduchu Teplota rosného bodu
3.5
1,9 ppm
1,2 ppm
148 mg/m3
138 mg/m3
1,61
1,28
51,5 °C
55,1 °C
Zpracování naměřených hodnot a vyhodnocení záznamů
Po provedeném měření parametrů odtahového vzduchu za kalandrem lze orientačně určit množství energie obsažené v tomto odtahovém vzduchu (směs suchého vzduchu a páry). Dle výpočtů z průměrných hodnot ze dvou provedených měření bylo zjištěno, že odtahový vzduch za kalandrem obsahuje energii o hodnotě 59 kW [2]. Po provedené simulaci návrhu výměníku v softwaru W2E (Waste2Energy) vyvíjeného na půdě výzkumného centra NETME Centre bylo zjištěno, že výměník odtahového vzduchu za kalandrem by měl dosahovat výkonu okolo 30 kW, aby teplota ohřívané napájecí vody o objemovém průtoku 5 m3/h byla zvýšena z 15 °C na 20 °C, tedy o 5 °C, přičemž teplota odtahového vzduchu by nepodkročila teplotu 70 °C, jenž odpovídá teplotě rosného bodu a zamezila tak kondenzaci a případnému zanášení teplosměnných ploch výměníku zkondenzovanou směsí parafínu a polyethylenových vosků z nábalů válců kalandru. V případě návrhu výměníku s možností snadné údržby a čištění vnitřních částí by bylo možno využít i latentního tepla odtahového vzduchu a díky jeho kondenzaci tak docílit vyšší výstupní teploty ohřívané napájecí vody [2]. Energie obsažená ve spalinách parního vyvíječe se pohybuje okolo 47 kW v kombinaci režimu 0 a 1, přičemž při stavu 1 a 2 je hodnota energie spalin okolo 69 kW. Pro využití energie odpadního proudu z parního vyvíječe je možné instalovat spalinový výměník, jenž dodává výrobce parních vyvíječů Certuss přímo pro výše uvedený a měřený parní vyvíječ. Ekonomizér Certuss Universal SC (spalinový deskový výměník) dle údajů poskytnutých výrobcem dosahuje tento výměník výkonu 33 kW a dokáže uspořit zemní plyn až o 3,72 m3/hod, čemuž odpovídá roční úspora zemního plynu při plném výkonu vyvíječe a jednosměnném provozu 9330 m3 [2]. Provedená analýza naznačuje významný potenciál pro aplikaci energetických úsporných opatření, z kterýchž by byla dle propočtů nepřínosnější instalace tepelných výměníků vzduch/voda pro předehřev prací vody [2].
13
4
ELEKTRONICKÉ ZAŘÍZENÍ PRO AUTOMATICKÝ ODEČET HODNOT Z MĚŘIČŮ ENERGIÍ
4.1
Návrh programu v platformě Arduino
Během výše uvedených měření v prádelenském procesu bylo využito pro zaznamenávání dat z měřičů energií obyčejných prostředků v podobě vedené poznámek a dokumentace pomocí digitálního fotoaparátu. Ač tato metoda byla nenákladná, sběr dat byl dosažen pouze s nízkou periodou zápisu hodnot. Navíc bylo nutno pak zapsaná data převádět do elektronické podoby. Díky této zkušenosti bylo v rámci stáže vyvíjeno elektronické zařízení, které by umožnilo s vyšší vzorkovací frekvencí sbírat data z měřičů energie a vody a tak vytvořit podrobnější pohled na danou spotřebu měřeného technologického zařízení. Pro tuto aplikaci byla vybrána open-source platforma Arduino Uno, pro kterou byl vytvořen program. Programovatelná hardwarový kit Arduino Uno je postaven na 8bit mikrokontroléru ATmega 328p-PU a disponuje 14 digitálními vstupně-výstupními piny. Šest těchto pinů umožňuje PWM výstup a dalších 6 pinů lze využít pro analogový vstup. Dále je HW modul vybaven 32kB pamětí programu, 16 MHz keramickým oscilátorem, konektorem pro připojení napájení z externího zdroje a USB konektor pro komunikaci s PC a programování mikrokontroléru [3]. Elektronické zařízení bylo navrhováno s ohledem na potřeby vyplývající z předchozích zkušeností z provedených měření v prádelenských provozech. Tudíž hlavní vlastností bylo zjednodušit a zrychlit sběr dat z měřičů energií a vody a tato data ukládat do vhodného formátu, který by byl jednoduše zpracovatelný v tabulkovém editoru. Na základě tohoto požadavku bylo navrženo ukládání měřených dat na paměťovou kartu pomocí rozšiřujícího Arduino Ethernet Shield-u, jenž disponoval slotem pro microSD karty. Tento shield lze snadno instalovat na modul Arduino Uno a kromě nahrání patřičné knihovny do programu již není potřeba žádné další konfigurace. Pro zobrazení aktuálních naměřených hodnot použit také dvouřádkový LCD displej sloužící k průběžné kontrole dat a konfiguraci zařízení pro daný typ měřidla [4].
Obr. 6: Platforma Arduino Uno (vlevo) a Arduino Ethernet Shield (vpravo) [3], [4] Tvorba programu pro elektronické zařízení probíhala v grafickém vývojovém prostředí, které je volně dostupné ke stažení na webových stránkách výrobce HW platformy Arduino. Programovací jazyk Wiring je svou strukturou podobný jazyku C a je velmi uživatelsky přívětivý.
14
Obr. 7: Ukázka vývojového prostředí a navrhovaného programu pro elektronické zařízení Program byl rozdělen na tři části, z čehož první část obsahovala nastavení knihoven, vstupně-výstupních pinů a deklarování proměnných. Druhá část již byla součástí hlavního jádra programu a sloužila ke konfiguraci zařízení pomocí výběrového a potvrzovacího tlačítka. Nastavení spočívalo ve volbě daného měřiče (plynoměru, vodoměru a elektroměru) a volbou přepočtu jednoho pulsu na danou veličinu. Třetí část programu, která následovala po konfiguraci, již obsahovala záznam pulsu z daného měřiče, který byl přepočítán na danou veličinu, zobrazen na displeji a uložen v paměti micro-SD karty.
4.2
Výběr elektronických součástí a jejich zapojení
Jelikož se od navrhovaného elektronického zařízení očekával sběr dat v reálném čase, bylo nutno začlenit do návrhu také obvod reálného času, tzv. RTC modul. Po průzkumu vhodných modulů dostupných na trhu byl vybrán integrovaný obvod PCF8563T, jelikož pro jeho konfiguraci bylo potřeba pouze nahrát danou knihovnu do programu. Mezi další elektronické součásti, které bylo nutno připojit k HW vývojovému kitu Arduino, patřil výše zmíněný LCD displej. Ten měl sloužit k zobrazení potřebných údajů pro uživatelskou konfiguraci zařízení spočívající ve výběru daného měřiče, ze kterého budou data získávána, a také pro průběžné kontrolování měřených dat. Z tohoto důvodu byl
15
vybrán alfanumerický LCD displej s řadičem výrobce WINSTAR s modelovým označením WH2002A-NYG-ET, podsvícením, dvěma zobrazovacími řádky a 20 znaky na řádek. Data z měřičů energií a vody bylo potřeba získávat univerzální metodou, kterou je možno aplikovat na většinu měřičů. Po zvážení a konzultaci byl pro sběr údajů z měřičů vybrán reflexní senzor QRD1114 vyráběný společností Fairchild Semiconductor. Ten je možno umístit nad rotační plochy zobrazovacích číselníků měřičů, přičemž po jejich pootočení a tedy změně reflexní plochy dojde ke zvýšení napětí a naopak. Takto je možno transformovat rotační pohyb mechanického číselníku měřiče na elektrický signál v podobě pulzů a pomocí elektroniky jej zaznamenávat a ukládat.
4.3
Reálné odzkoušení elektronického zařízení
Po nahrání vytvořeného programu do mikrokontroléru Arduina, zapojení LCD displeje, obvodu reálného času, reflexního senzoru a k nim potřebných elektronických prvků (kondenzátory, odpory, diody apod.) do nepájivého pole včetně propojení s HW kitem Arduino, bylo možno poprvé otestovat funkčnost zařízení. Pro testovací účely byl využit mokroběžný vodoměr na jehož tělo byl připevněn reflexní senzor. První testy ukázaly, že reflexní senzor snímá okolní světlo velice intenzivně a rozlišitelnost mezi změnou reflexní plochy na vodoměru je zcela minimální. Po odstínění vodoměru od okolního světla bylo zjištěno, že reflexní senzor zaznamenává hodnoty z vodoměru nepřesně a je třeba jej důkladně nakalibrovat, aby rotační pohyb číselníku byl vyhodnocován správně.
5
ZÁVĚR
První část článku byla věnována popisu proběhlého experimentálního měření v prádelenském provozu, jehož výstupem bylo určit energetickou náročnost prádelenských strojů, vytvořit dokumentaci s průkazem energetické náročnosti pracích a sušících strojů, analyzovat poskytnutá data zadavatelem a také uvézt vhodná doporučení plynoucí z pozorování a samotného měření v objektu. Všechny uvedené cíle byly naplněny a výstupní dokumentace z proběhlého měření viz [1] byla předána zadavateli. Druhá část již pojednává o měření energetické náročnosti korytového žehliče a parametrů jeho odpadního proudu. Na základě měření byl vyhotoven protokol obsahující klíčové údaje určující energetickou náročnost kalandru. Dále bylo provedeno experimentální měření parního vyvíječe dodávajícího technologickou páru daným zařízením pro ohřev prací lázně či pro ohřev sušícího vzduchu. Zde byly měřeny parametry proudu spalin v kouřovodu parního vyvíječe při plném a polovičním výkonu, přičemž byla také provedena analýza spalin. Z naměřených dat pak byly pomocí softwaru W2E simulovány možnosti začlenění výměníků tepla (ekonomizéru) k odpadnímu proudu kalandru a parního vyvíječe. Podstatné údaje z experimentálního měření a simulací byly uvedeny ve zprávě o měření v prádelenském provozu, viz [2]. Na základě zkušeností z proběhlých měření byl vytvořen návrh elektronického zařízení pro automatický sběr dat z měřičů energie a vody, které by mělo urychlit a usnadnit sběr dat a také jejich následné zpracování. Zařízení bylo vytvářeno pomocí open-source platformy Arduino, neboť vyniká svou uživatelskou přívětivostí a nízkou pořizovací cenou. Na této platformě bylo navrženo zařízení, které bylo schopno pomocí senzoru (reflexního optočlenu) sbírat data z předvoleného měřiče, kterým mohl být plynoměr, elektroměr nebo vodoměr. V rámci stáže byl vytvořen pouze testovací prototyp vyvíjeného zařízení, který měl
16
odhalit jeho nedostatky a poukázat tak na místa, kterým by se v budoucím vývoji měla věnovat pozornost.
Poděkování Příspěvek byl realizován za finančního přispění Evropské unie v rámci projektu Partnerství v oblasti energetiky, č. projektu: CZ.1.07/2.4.00/31.0080.
[1] [2] [3] [4]
Literatura BOBÁK, P., P. KUBA, J. LOKAJ. Výchozí energetický audit prádelenského provozu. Brno: NETME Centre, 2013. 2013/PEVI/1. 42 s. BOBÁK, P., J. LOKAJ. Zpráva o měření v prádelenském provozu. Brno: NETME Centre, 2013. 2013/BLAHA/1. 17 s. Arduino Uno. http://arduino.cc/ [online]. [cit. 2014-01-10]. Dostupné z: http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardUno Arduino Ethernet Shield. http://arduino.cc/ [online]. [cit. 2014-01-10]. Dostupné z: http://arduino.cc/en/Main/ArduinoEthernetShield CONTRIBUTION TITLE IN ENGLISH Keywords
Energy audit, experimental measurement, data collection, professional laundry, washing and drying machines, ironing machine, waste streams, flue gases, steam generator. Summary This article deals with measuring and drawing up an energy audit of the industrial laundries process. Furthermore, the measurement of the waste streams of steam generator and ironing machine in order to use energy in the flue gases or wet air produced by ironing machine. The work also included design of the device for collecting measurement data using programmable hardware platform Arduino, which was developed to rapidly, accurately and automatically collecting values from water, gas or electricity meters.
17
