Hynek Mikula
Diplomová práce
1
Hynek Mikula
Diplomová práce
Obsah Obsah ......................................................................................................................................................2 Poděkování: ........................................................................................................................................3 1.1.1 Seznam použitých veličin ..................................................................................................4 1.1.2 Seznam použitých zkratek a indexu ..................................................................................6 Bibliografické citace: ......................................................................................................................7 Úvod ................................................................................................................................................... 8 Rozbor řešené problematiky ..........................................................................................................8 Cíle řešení .......................................................................................................................................8 1. Koloběh rostlinného oleje...................................................................................................................9 1. Koloběh rostlinného oleje...................................................................................................................9 1.1. Co to jsou rostlinné oleje ......................................................................................................9 1.1.3 Podíl jednotlivých druhů olejů na celosvětové spotřebě v roce 2007 ............................10 1.1.4 Podíl jednotlivých druhů olejů na spotřebě v České republice .......................................10 1.1.5 Složení Řepkového oleje podle L[15] ..............................................................................11 1.2 Spotřeba oleje a tuků v ČR z hlediska historie ........................................................................11 1.3 Schéma koloběhu oleje ...........................................................................................................12 1.3.1 Čištění použitého oleje pro sekundární použití v KJ........................................................13 1.4 Pojem kogenerace, kogenerační jednotka ..............................................................................13 1.5 Kogenerační jednotka pro spalování rostlinného oleje...........................................................14 1.5.1 Technické parametry Kogenerační Jednotky SEV - MT 480P ..........................................16 2 Ekonomická bilance .....................................................................................................................19 2.1 Cena 1 litu paliva vyrobeného z použitého potravinářského oleje .........................................19 2.1.1 Celkové náklady T ............................................................................................................19 2.1.2 Hmotnost ročně nashromážděného ŠO ..........................................................................20 2.1.3 Palivové náklady K a C .....................................................................................................21 2.1.4 Náklady plynoucí z pořizovací ceny filtrační technologie................................................22 2.1.5 Náklady plynoucí z pořizovací ceny nádob umístěných na provozovnách .....................22 2.1.6 Náklady plynoucí z energie potřebné při zpracování ......................................................23 2.1.7 Celkové roční náklady na výrobu paliva ze ŠO ................................................................24 2.2 Náklady na 1 kg paliva .............................................................................................................24 2.3 Cena 1kWh elektrické energie vyrobené KJ ............................................................................25 2.3.1 Vstupní parametry...........................................................................................................25 2.3.2 Konečná cena 1kWh elektrické energie vyrobené KJ......................................................25 2.4 Možný zisk firmy TRAFIN OIL s.r.o bez zeleného bonusu........................................................26 2.5 Možný zisk firmy TRAFIN OIL s.r.o se zeleným bonusem ........................................................27 2.5.1 Opodstatnění ZB na dotaci výroby el. Energie z recyklovaných rostlinných olejů ..........27 3 Energetická bilance .....................................................................................................................29 3.1 Nafta - rostlinný olej ................................................................................................................29 3.2 Elektřina - rostlinný olej ..........................................................................................................30 4 Ekonomická bilance návrhu doplnění průmyslového areálu v Jihlavě o KJ spalující recyklované rostlinné oleje. ............................................................................................................................................33 4.1 Vstupy pro variantu s plynovým kotlem .................................................................................36 4.2 Náklady na el. Energii a teplo v roce 2009 alternativa 1 .........................................................37 4.3 Náklady na el. Energii a teplo v roce 2009 alternativa 2 .........................................................37 5 Návrh tepelného výměníku .........................................................................................................41 5.1 Vstupní parametry horké strany - vodní pára .........................................................................41 5.1.1 Parametry páry před vstupem do škrtícího ventilu (Stav 0) ...........................................41 5.1.2 Parametry páry po seškrcení - na vstupu do výměníku (Stav 1) .....................................42 5.1.3 Parametry páry po dochlazení na teploty sytosti (Stav 1´´) ............................................42 5.1.4 Parametry kondenzátu na výstupu (Stav 2) ....................................................................42 5.1.5 Parametry kondenzátu v zásobní nádrži (Stav 3) ............................................................42 5.1.6 Střední hodnoty pro tepelný výpočet a odečet veličin ...................................................43 2
Hynek Mikula
Diplomová práce
5.1.7 Další potřebné parametry ...............................................................................................43 5.2 Vstupní parametry studené strany – oleje ..............................................................................45 5.2.1 Teplota filmu ...................................................................................................................45 5.2.2 Koeficient objemové roztažnosti.....................................................................................49 5.2.3 Prandtlovo číslo ...............................................................................................................49 5.3 Vstupní parametry pro konstrukci výměníku ..........................................................................51 5.4 Ostatní vstupní parametry ......................................................................................................51 5.5 Tepelná bilance .......................................................................................................................51 5.5.1 Potřebný výkon tepelného výměníku .............................................................................52 5.5.2 Teplo odevzdané při dochlazení přehřáté páry na teplotu sytosti .................................52 5.5.3 Teplo odevzdané při dochlazení kondenzátu na teplotu oleje .......................................53 5.6 Součinitel přestupu tepla na horké straně ..............................................................................53 5.6.1 Kapalinové Reynoldsovo číslo ReL ...................................................................................53 5.6.2 Parní Reynoldsovo číslo Rev.............................................................................................54 5.6.3 Ekvivalentní Reynoldsovo číslo........................................................................................54 5.6.4 Střední součinitel přestupu tepla na horké straně (vnitřní stěna potrubí) .....................55 5.7 Součinitel přestupu tepla na chladné straně ..........................................................................55 5.8 Součinitel prostupu tepla vztažený k vnitřnímu povrchu........................................................56 5.9 Logaritmický teplotní spád ......................................................................................................56 5.9.1 Hodnota součinitele f jako funkce pomocných parametrů P a R ....................................56 5.10 Teplo směnná plocha ..........................................................................................................57 5.11 Délka potrubí výměníku ......................................................................................................58 5.12 Konstrukce tepelného výměníku.........................................................................................58 5.13 Provoz tepelného výměníku ................................................................................................59 5.14 Přehled vlastností jednotlivých medií a parametrů tepelného výměníku ..........................63 5.15 Ekonomický přínos tepelného výměníku ............................................................................63 5.15.1 Náklady na ohřev jedné náplně el.energií ...................................................................64 5.15.2 Náklady na ohřev jedné náplně parou ........................................................................64 5.15.3 Finanční úspora na ohřevu jedné náplně ....................................................................64 5.15.4 Úspora pro firmu TRAFIN oil s.r.o. za rok ....................................................................64 6 Možná vylepšení a závěr .............................................................................................................65 Použitá literatura: .............................................................................................................................67
Poděkování: Na tomto místě bych rád poděkoval svému vedoucímu panu doc. Ing. Jiřímu Pospíšilovi Ph.D. za možnost vypracování tohoto pro mne zajímavého tématu a odborné vedení diplomové práce. Svému konzultantu Ing. Janu Hábovi za neocenitelné rady a zkušenosti z praxe v této problematice.
……………………………………………… Hynek Mikula
3
Hynek Mikula
Diplomová práce
1.1.1 Seznam použitých veličin Veličina
Jednotka
Název
β
[K-1]
Součinitel objemové roztažnosti
c
[J.Kg-1.K-1 ] Měrná tepelná kapacita
Ce
[Kč ]
Cena
D
[m]
Vnější průměr potrubí
d
[m]
Vnitřní průmět potrubí
E
[kJ],[kWh]
Energie
η
[-],[%]
Účinnost
f
[-]
Korekčí faktor logaritmického teplotního spádu
G
[kg.m-2.s-1 ] Hmotnostní tok vztažený k ploše
Gr
[-]
Grashofovo podobnostní kriterium
g
[m.s-2]
Gravitační zrychlení
i
[kJ.kg-1 ]
Entalpie
B C
D
E
F G
I i´
-1
Entalpie syté kapaliny při daném tlaku
-1
Entalpie syté páry při daném tlaku
[kJ.kg ]
i´´
[kJ.kg ]
L
[m]
L Charakteristický rozměr
λ
[W.m .K ] Součinitel tepelné vodivosti
m
[kg]
Hmotnost
µ
[Pa.s]
Dynamická viskozita
n
[-]
Počet
NA
[Kč]
Náklad (finanční)
N
[kg]
Nosnost
-1
-1
M
N
ν
[m .s]
Kinematická viskozita
P
[W]
Výkon
P
[-]
Parametr pro korekci logaritmického
2
P
4
Hynek Mikula
Diplomová práce
teplotního spádu Po
[-],[%]
Podíl
Počet
[-]
Počet (obecně)
p
[Pa,bar ]
Tlak
Pr
[-]
Prandlovo číslo
Q
[ kJ]
Teplo
R
[-]
Parametr pro korekci logaritmického
Q R teplotního spádu Ra
[-]
Rayleighovo podobnostní kriterium
ρ
[kg.m-3 ]
Hustota
s
[m]
Dráha
S
2
S [m ]
Plocha -1
SP
[l.100km ]
Spotřeba paliva automobilu
t
[s]
Čaš
t
[°C]
Teplota
T
[K ]
Termodynamická teplota
Vytizeni
[-],[%]
Vytížení např. automobil
T
V 3
V
[m ]
Objem
x
[-]
Suchost
x
[-]
Hodnota x pro níž chceme získat lineární
X
interpolací hodnotu y x0
[-]
Tabelované x jako vstup lineární interpolace
x1
[-]
Tabelované x jako vstup lineární interpolace
y
[-]
Hodnota y jako výsledek lineární interpolace
y0
[-]
Tabelované y jako vstup lineární interpolace
y1
[-]
Tabelované y jako vstup lineární interpolace
[-]
Zadávané hodnoty
Y
Z
5
Hynek Mikula
Diplomová práce
1.1.2 Seznam použitých zkratek a indexu Zkratka - index Význam 2009.
Týkající se (za rok) 2009
´´
Fyzikální vlastnosti vodní páry na mezi sytosti
´
Fyzikální vlastnosti vody na mezi sytosti
al.
Alternativa
Čov
Čistička odpadních vod
C
Cisterna - nákladní automobil
∆
Rozdíl
dnu
Znamenající den (denní)
el.
Elektrická
f
Film (tenka vrstva tekutiny při stěně potrubí výměníku)
FT
Filtrační technologie
(h)
Hodinově - za hodinu
Jihlava
Existující či nalézající se ve městě Jihlava
j.
Jízda automobilu
KJ
Kogenerační jednotka
KO
Kotel
K
Kamion - nákladní automobil
l
(liquid) - Kapalina
mes.
měsíční
mzda
mzdové náklady
N
Stojící u objemové jednotky znamená normální
nafta
Vztahující se k naftě (palivu) Vyskytuje se u teploty a znamená teplotu nerozrušeného
A C
D
E F
H J
K
L M
N
∞
prostředí daleko od stěny tepelného výměníku 6
Hynek Mikula
Diplomová práce
napln
Náplň oleje o objemu 10000 l
o
Olej
odpis
Účetní odpis
oh.
Ohřev
poř.
Pořizovací (finanční)
pal.
palivo (související s palivem)
prum.
Průměrná (aritmetický průměr)
prod.
Prodané
r.
Roční (za rok)
(s)
Sekundově - za sekundu
sp.
Spotřebované
sit.
Energetická síť (z ní)
ŠO
Špinavý (znečištěný) rostlinný olej
Trzba
Tržba
T
Ford Tranzit 2.0 TDi
tr.
Trubka
udrzba
Věci související z údržbou zařízení
v
(Vapor) pára
vs.
Vstup – vstupní
1
Vstup media
2
Výstup media
w
Při teplotě - teplota stěny tepelného výměníku
ZP
Zemní plyn
ZB
Zelený bonus (dotace od státu)
Zisk
Zisk
O
P
R S
Š T
U V
W Z
Bibliografické citace: MIKULA, H. Energetické využití recyklovaných rostlinných olejů. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2011. XY s. Vedoucí diplomové práce doc. Ing. Jiří Pospíšil, Ph.D. 7
Hynek Mikula
Diplomová práce
Úvod Rozbor řešené problematiky Práce se zabývá problematikou energetického využití recyklovaných rostlinných olejů, představujících odpad gastronomických provozů. Pozornost je zaměřena na posouzení energetické a ekonomické smysluplnosti celého procesu. Zpracována je technicko-ekonomická studie nasazení Kogenerační jednotky (dále jen KJ) spojující recyklované rostlinné oleje v konkrétních podmínkách. Cíle řešení 1. Ekonomické zhodnocení technologie využití recyklovaných rostlinných olejů. Počínaje jejich svozem z jednotlivých gastronomických zařízení a provozu přes jejich čištění až po užití v KJ. Zjištění výsledné ceny 1l recyklovaného rostlinného oleje (dále jej nazývejme palivem). 2. Energetickým zhodnocením technologie ve smyslu porovnání energie získané z paliva k energii vložené v procesu recyklace špinavého oleje (dále jen ŠO) na palivo pro KJ (především doprava, čištění a ohřev). 3. Návrh doplnění současného energetického zdroje průmyslového areálu v Jihlavě kogenerační jednotkou na rostlinné oleje. Ve smyslu ekonomické úspory podniku oproti centralizovanému zásobování energiemi. 4. Návrh tepelného výměníku pro ohřev ŠO parou, jež má za cíl zlepšit celkovou ekonomickou bilanci výroby paliva ze ŠO.
8
Hynek Mikula
Diplomová práce
1. Koloběh rostlinného oleje 1.1. Co to jsou rostlinné oleje Rostlinné, jedlé oleje jsou rostlinné kapalné triglyceroly. Mohou mít jednu nebo více nenasycených vazeb. Čím více je dvojných vazeb v řetězci, tím je olej tekutější. V rostlinných tkáních slouží oleje jako zásobárna energie, často jako pohotový energetický zdroj pro klíčící semena. L[12] Rostlinných olejů je mnoho druhů tyto rozlišujeme hlavně podle rostliny, z jejíchž semen byl olej získán. Uveďme alespoň nejznámější: •
Arašídový olej
•
Dýňový olej
•
Kokosový olej
•
Konopný olej
•
Lněný olej
•
Mandlový olej
•
Olivový olej
•
Palmový olej
•
Řepkový olej
•
Sezamový olej
•
Slunečnicový olej
•
Sojový olej
9
Hynek Mikula
Diplomová práce
1.1.3 Podíl jednotlivých druhů olejů na celosvětové spotřebě v roce 2007
Graf 1: Světová spotřeba rostlinných olejů za rok 2007 L[13]
1.1.4 Podíl jednotlivých druhů olejů na spotřebě v České republice Všeobecně ve světě platí za tzv. „Krále rostlinných olejů“ olej olivový (Olive). Toto je však pro jeho ušlechtilost. Jak je z obrázku patrné - největší podíl na světové spotřebě olejů nají Palmový (Palm) 32% a Sojový (Soybean) 30%. Třetí pozici obsazuje olej řepkový (Rapeseed) 14% - ní podíl na světové spotřebě. V rámci české republiky je tomu poněkud jinak. V součastné době tvoří řepkový olej 80-85% olejů zpracovaných v České republice. L[14] Na základě těchto poznatků lze usuzovat na složení ŠO jako odpadu z gastronomických provozů. Proto bude v další práci nahlíženo na směs použitých rostlinných olejů jako na použitý olej řepkový. Toto z důvodu
10
Hynek Mikula
Diplomová práce
snazšího nalezení fyzikálních charakteristik v energetických a ekonomických výpočtech. Pojďme se blíže seznámit se složením řepkového oleje: 1.1.5 Složení Řepkového oleje podle L[15]
1.2
•
Kyselina olejová 56 až 62%
•
Kyselina linolová 21 až 28%
•
Alfa-linolenová kyselina 8-13%
•
Kyselina palmitová 3-5%
•
Kyselina stearová 1.3-1.7%
•
Kyseliny erukové 2%
•
Kyselina Palmitolejová 0,2 až 0.3% Spotřeba oleje a tuků v ČR z hlediska historie
Z historického hlediska byla spotřeba tuků a olejů ovlivňována různými faktory.
•
Rozdílnou dostupností toho či onoho tuku
•
Cenou
•
Povědomím obyvatelstva o jeho blahodárných či škodlivých účincích na lidský organizmus
•
Moderními trendy v gastronomii
•
Ekonomickou situací obyvatelstva
Nejlepší obraz o historické spotřebě másla, sádla, rostlinných tuků a olejů nám poskytne graf nalezený v L[1].
11
Hynek Mikula
Diplomová práce
17,0
16,7 Máslo
15,0
Sádlo
13,0 Jedlé rostlinné tuky a oleje
kg/obyvatel
11,0 10,0 9,0 7,7 7,0 5,2
5,0
rok
Graf 2: Historická spotřeba másla, sádla, jedlých rostlinných tuků a olejů L[1]
1.3
Schéma koloběhu oleje
Surovina (řepka olejná) rostoucí na polích díky sluneční energii
Výroba elektrické energie a tepla (z enegrie dříve akumulované ze slunce) spálením v KJ
Sklizeň a výroba rostlinného oleje lisováním semen
Čištění použitého oleje pro sekundární použití výroby energie
Primární užití oleje v gastronomii (znečištění)
Obrázek 1: Schéma koloběhu rostlinného oleje 12
2008
2006
2004
2002
2000
1998
1996
1994
1992
1990
1988
1986
1984
1982
1980
1978
1976
1974
1972
1970
1968
1966
1964
1962
1960
1958
1956
1954
1952
1948
1950
3,3 3,0
3,0
Hynek Mikula
Diplomová práce
1.3.1 Čištění použitého oleje pro sekundární použití v KJ V první fázi je potřeba zajistit v daném gastronomickém provozu místo pro sběr použitého oleje a zabránit jeho úniku spolu s odpadní vodou do kanalizačního řádu. Toto je realizováno umístěním jednoho či více plastových nádob o objemu 50 l na provozovně. Tam kde proces sběru použitého oleje funguje, se v současnosti daří zachytit průměrně 50% z celkového objemu oleje použitého v daném gastronomickém zařízení. Zbylých 50% uniká spolu s odpadní vodou. V dalším kroku je potřeba použitý olej nashromáždit z jednotlivých gastronomických provozů spolupracujících na recyklaci této suroviny s firmou TRFIN OIL a.s. Tyto jsou rozptýleny po celém území České republiky. Tento svoz zajišťuje v současnosti jediné vozidlo, (Ford Tranzit 2.0 TDi) které každý pracovní den objíždí určitou oblast provozoven a dopravuje plné nádoby do sběrného místa. V okamžiku nashromáždění dostatečného množství suroviny ve sběrném místě je realizován převoz nákladním autem (Kamion) na místo výroby paliva pro KJ. Ta zahrnuje ohřev suroviny na teplotu cca. 60°C pro snížení její viskozity, hrubou filtraci a finální čištění v (zkonstruované speciálně pro tento účel) odstředivce. Vyčištěný olej (palivo pro KJ) je pak načerpáno do cisterny a transportováno ke KJ společnosti TRAFIN OIL a.s. popř. ke KJ jiné společnosti která toto palivo zakoupila. 1.4
Pojem kogenerace, kogenerační jednotka Zásobování teplem, jež vyžaduje značnou část primárních energetických zdrojů, lze
nejjednodušeji realizovat spálením vhodného paliva a transportem uvolněného tepla ke spotřebiteli. Účinnost této transformace bývá vysoká (80% - 100%). Z hlediska energetiky však špatná, nebo se při ní ztrácí energie paliva (schopnost paliva vykonat z uvolněného tepla práci). Mnohem dokonaleji lze dodávku tepla uskutečnit použitím tzv. kogenerace, která představuje sdruženou výrobu elektrické energie a tepla. Výraz kogenerace se u nás používá stále častěji a je ekvivalentní pojmu teplárenská výroba elektrické energie a tepla. Přesto že se jedná o přejaté cizí slovo zdá se být jeho použití oprávněné, neboť jednoznačně vyjadřuje podstatu procesu. České výrazy jako např. teplárenství, teplárenská výroba apod. mohou leckdy vést k nedorozumění. L[5] Kogenerační jednotka je zařízení na kombinovanou výrobu elektřiny a tepla. Skládá se ze dvou hlavních částí: spalovacího pístového motoru a generátoru na výrobu elektrické energie.
13
Hynek Mikula
Diplomová práce
Spalovací motor je opatřen chladícím okruhem, z něhož pak přes velmi účinný deskový výměník odebíráme teplo. Na svorkách generátoru pak odebíráme elektrickou energii. 1.5
Kogenerační jednotka pro spalování rostlinného oleje Bloky elektráren spalující jako palivo rostlinný olej jsou považovány za dostatečně účinnou
alternativu k agregátům, které jsou provozovány s fosilními palivy. Motory používané v těchto typech elektráren jsou sériově vyráběné dieselové motory, které jsou upraveny v SEVA Energie AG (popř. v jiné společnosti zabývající se touto problematikou) pro provoz s rostlinným olejem. Start takové KJ probíhá na bionaftu a po dosažení provozní teploty se automaticky přechází na provoz s rostlinným olejem. Před odstavením KJ opět přechod na provoz s bionaftou. Vzhledem k unikátnímu zpracování motorů a komponentů nejvyšší kvality jsou SEVA Energie AG agregáty oproti normálním vybavené materiály odolnými vůči většímu napětí, jež provází spalování rostlinného oleje. To v praxi umožní prakticky nepřetržitý provoz na rostlinný olej. SEVA Energie AG produkuje bloky elektráren pro provoz s rostlinným olejem o výkonech v rozmezí 100 do 550 kW tepelných. KJ jsou vyráběny a dodávány v kontejnerovém provedení. Viz. obrázky (2,3).
14
Hynek Mikula
Diplomová práce
Obrázek 2: Fotografie kogenerační jednotky SEV MT 480P instalované v průmyslovém areálu v Jihlavě
15
Hynek Mikula
Diplomová práce
Obrázek 3: Model Kogenerační jednotky SEV MT 480P instalované v průmyslovém areálu v Jihlavě
1.5.1 Technické parametry Kogenerační Jednotky SEV - MT 480P
Technická data použitého rostlinného oleje 30,6 MJ.kg-1
Minimální výhřevnost Specifikace motoru Výrobce
MTU 16
Hynek Mikula
Diplomová práce
Typ
12 V 2000 G65
Otáčky
1500 min-1
Zdvihový objem
23,88 dm3
Počet válců a uspořádání
12 V
Plnění
Přeplňovaný
Mezichladič
v jednom stupni
Hmotnostní průtok vyfukového plynu cca
2,581 kg.h-1
Hmotnostní průtok spalovacího vzduchu cca 4)
2,463 kg.h-1
Teplota spalovacího vzduchu Ventilace vzduchu
25 °C
5)
9,024 Nm3
Generátor Stamford 5)
Výrobce Typ Účinnost
HCI 634 G 6)
96,3 %
Provozní režim
Synchroní při 100 %
Energetická bilance
výkonu
Elektrický výkon 7)
480 kW
Využitelný tepelný výkon chlazení
198 kW
Výkon spalin při teplotě 180°C 8)
257 kW
Celkový tepelný výkon
9)
455 kW
Výkon mezichladiče vstupního vzduchu při 50°C
92 kW
Sálavý výkon soustavy
43 kW
Výkon palivového čerpadla Spotřeba rostlinného oleje
1,156 kW
3)
131 l.h-1
Elektrická účinnost
41,5 %
Tepelná účinnost 9)
39,4 %
Celková účinnost
80,9 %
Systémové parametry Teplota vstupní vody do chladícího okruhu 8)
min.
70 °C
8)
max.
90 °C
Průtok vody chladícím okruhem
min.
22 m3.h-1
Zbytkový přetlak za tlumičem
max.
15 mbar
Teplota výstupní vody z chladícího okruhu
17
Hynek Mikula
Diplomová práce
Poznámky 1) do 5% 2) emisí z výfuku s SCR katalyzátorem NOX < 450 mg/Nm3 CO < 300 mg/Nm3 3) palivo podle DIN 51605 33,12 MJ/l 4) podle ISO3046/1 5) Ventilace vzduchu ∆Tmax=15K v včetně spalovacího vzduchu 6) nebo rovno 7) jak 50Hz, U=0,3 kV, účiník = 1 8) jiné teploty na vyžádání 9) na úrovni vytápění
18
Hynek Mikula
2
Diplomová práce
Ekonomická bilance Hlavní složkou ekonomické bilance bude výpočet ceny 1 litru paliva pro KJ z použitého
potravinářského oleje. Na základě této ceny budeme moci poměrně jednoduše spočíst cenu 1kWh elektrické energie a jednoho GJ tepla z něho vyrobené. Tímto získáme kompletní přehled o ekonomické smysluplnosti této výroby. 2.1
Cena 1 litu paliva vyrobeného z použitého potravinářského oleje Významnou měrou na výsledné ceně paliva se podílí doprava z restauračních zařízení, v níž
recyklace funguje do sběrného místa. Odtud následuje transport do místa čištění (výroba paliva pro KJ z použitého potravinářského oleje) a doprava ke KJ. Vozidlem uskutečňujícím svoz je Ford Tranzit 2,0 TDi o průměrné spotřebě SPT a maximální nosnosti NT. Hromadný svoz do místa výroby paliva je realizován kamiónem o spotřebě SPK a maximální nosnosti NK. Transport čistého paliva ke KJ je realizován cisternou o spotřebě SPC a nosnosti NC.
SPT
10 l.100 Km-1
SPK
30 l.100 Km-1
SPC
30 l.100 Km-1
NT
1200 Kg
NK
15000 Kg
NC
15000 Kg
T urazí denně dráhu
sTd
200 Km
Pořizovací náklady na T
CeTpoř.
Náklady na měsíční provoz T
NATmes
Počet pracovních dnů v roce 2010
ndnu
Mzda řidiče (řidičů)
NATmzdam
27000 Kč
Cena nafty 21.8.2010
Cenafta/l
30,57 Kč.l-1
Doba odpisu pořizovací ceny T
todpisT
5 Let
Počet T zapojených do svozu
PocetT
6 Ks
500000 Kč 3000 Kč 253
2.1.1 Celkové náklady T Denní náklady na provoz T sestávají z nákladu na údržbu a provoz vozu, nákladů na palivo a odpisu jeho pořizovací ceny. T ujede za den 200 Km, při čemž může svézt až 1200 Kg ŠO. Tím zjistíme složku ceny paliva, na které se podílí svozový automobil T.
19
Hynek Mikula
Diplomová práce
Roční náklady plynoucí z pořizovací ceny T
NATrpoř . =
CeTpoř ⋅ PocetT t odpisT
NATrpoř.
600000 Kč
(2-1)
Roční náklady plynoucí z údržby a provozu T Počet měsíců v roce
12 měsíc
NA Tr = ( NA Tmes + NA Tmzdam ). Pocet
T
⋅ 12 NATr
2160000 Kč
(2-2) Roční náklady plynoucí z paliva pro T
NATrpal. =
sTd .Cenafta / l .ndnů ⋅ PocetT SPT
NATrpal.
928105 Kč
(2-3)
2.1.2 Hmotnost ročně nashromážděného ŠO Průměrná denní vytíženost T
Vytizeni T
62,5 %
Hmotnost ročně shromažděného ŠO
m ŠOr = N T .n dnů .
Vytizeni 100
T
.Pocet T
(2-4)
mŠOr
1138500 Kg 1138,5 t
20
Hynek Mikula
Diplomová práce
2.1.3 Palivové náklady K a C Nashromážděný ŠO je přepraven K do provozu výroby PAL (čištění ŠO) a poté C ke KJ. Pro potřeby výpočtu musíme znát počet uskutečněných cest jednotlivých vozidel (K a C) a úbytek hmotnosti při výrobě PAL. Tento úbytek byl již empiricky stanoven a činí 15%. ∆mŠO-PAL
Úbytek hmotnosti při výrobě PAL
15 %
K, realizuje přepravu ŠO se sběrného místa v barelech zpět pak dopraví čisté barely připravené pro další ŠO. Jedna tato cesta (tam i zpět) je průměrně dlouhá 300 Km. Dráha, kterou urazí K během jedné cesty
sK
300 Km
PočetjKr
75,9
PočetjKr
76
Palivové náklady K
NAKrpal.
209099 Kč
Dráha, kterou urazí C během jedné cesty
sC
Potřebný počet jízd K v roce
Pocet
jKr
=
m ŠOr NK
(2-5) Po zaokrouhlení
NAKrpal. =
sK .SPK .Cenafta/ l .Pocet jKr 100
(2-6)
600 Km
Hmotnost PAL ročně vyrobeného a dopravovaného
m palr = (1 −
∆mŠO−PAL 100
) ⋅ mŠOr
mPALr
(2-7)
21
967725 Kg
Hynek Mikula
Diplomová práce
Potřebný počet jízd C v roce
Pocet jCr =
m PALr NC
PočetjCr
64,52
PočetjCr
65
NACrpal.
357669 Kč
(2-8) Po zaokrouhlení Palivové náklady C
NACrpal. =
sC .SPC .Cenafta / l .PocetjCr 100
(2-9)
2.1.4 Náklady plynoucí z pořizovací ceny filtrační technologie Filtrační technologie se skládá z ohřevu, hrubé filtrace a odstředivky. Pořizovací cena zařízení je 5 milionu korun. Pořizovací cena FT
CeFTpoř.
Doba odpisu
todpisFT
5000000 Kč 5 let
Roční náklady plynoucí z pořizovací ceny FT NAr . FT . poř . =
CeFTpoř . t odpisFT
NAr.FT.poř.
1000000 Kč
(2-10)
2.1.5 Náklady plynoucí z pořizovací ceny nádob umístěných na provozovnách Počet barelů umístěných na provozovnách
Početsud50
Pořizovací cena 1 plastového sudu 50l L[16]
Cesud50
Doba odpisu částky vynaložené na nákup
todpis sud50 22
6000 Ks 520 Kč 10 let
Hynek Mikula
Diplomová práce
Roční náklady plynoucí z pořizovací ceny nádob NAr .sud 50. poř . =
Počočsud 50 ⋅ Cesud 50 t odpis.sud 50
Nar.sud50.poř
311904 Kč
(2-11)
2.1.6 Náklady plynoucí z energie potřebné při zpracování Hlavní složkou je ohřev ŠO z teploty 0°C na 60°C (snížení viskozity) před vstupem do zařízení pro čištění. Ten je v současnosti realizován elektrickými úhlovými ohřívači, jež spotřebují pro ohřátí 25t ŠO 2500 KWh elektrické energie. Dále pak příkony pohonných jednotek tohoto filtračního zařízení. Ohřev ŠO před filtrací Teplota chladného ŠO
t1
0 °C
Teplota ohřátého ŠO
t2
60 °C
Rozdíl teplot
(t2-t1)
60 °C
Účinnost el. Úhlových ohřívačů
ηel.
Současná cena el. Energie v Jihlavě
Ceel.Jihlava MWh
1 2390 Kč.MWh-1
Současná cena el. Energie v Jihlavě za kWh
Ceel . JihlavakW h =
Ceel . JihlavaMW h 1000
Ceel.Jihlava kWh 2,39 Kč.kWh-1
(2-12) El. Energie potřebná k ohřátí 1t ŠO
E el .na1tŠO =
2500kWh 25t Eel.oh. 1t ŠO
100 kWh.t-1
(2-13) El. Energie potřebná na pohon zařízení filtrace
Eel.filtrace 23
9 kWh.t-1
Hynek Mikula
Diplomová práce
Náklady na ohřev a zpracování 1t ŠO
NAsp.1tŠO = (Eel.oh.1tŠO + Eel. filtrace) ⋅ Ceel.Jihlavak Wh
(2-14)
261 Kč.t-1
NAsp.1t ŠO
Roční náklady na ohřev a zpracování ŠO
NArsp.+oh.ŠO = NAsp.1tŠO ⋅ mŠOr NArsp.+oh.ŠO
296591 Kč
(2-15)
2.1.7 Celkové roční náklady na výrobu paliva ze ŠO Náklady na 1 kg paliva (rozumí se vyčištěný potravinářský olej jako palivo pro KJ) jsou složeny z nákladů na jeho svoz, dopravu k filtračnímu zařízení, nákladu na pořízení takového zařízení, ohřevu před filtrací, dopravě ke KJ a průměrné výkupní ceny od jednotlivých restauračních a kuchyňských provozoven. Tato cena se pohybuje v rozmezí (0 - 5) Kč.kg -1ŠO. Z toho se stanoví průměrná výkupní cena ŠO která činí 2,5 Kč.kg-1 ŠO. NArvyr.pal. Průměrná výkupní cena ŠO
2.2
4551464 Kč
CeŠOprum.
2,50 Kč.kg-1
Náklady na 1 kg paliva
NApal.1kg =
mŠOr ⋅ CeŠOprum. + NAr.FT. poř. + NArvyr. pal. + NAr.sud50. poř mPALr
(2-16)
NApal.1kg
24
9,00 Kč.kg-1
Hynek Mikula
2.3
Diplomová práce
Cena 1kWh elektrické energie vyrobené KJ Zařízení KJ má životnost minimálně 15 let avšak motor je třeba vyměnit každých 5 let. Cena
nového motoru je 3 mil. korun. To je potřeba připočíst k ceně za KJ.
2.3.1 Vstupní parametry Výkon KJ Hmotnostní tok paliva do KJ hodinově (spotřeba KJ)
PKJ
480 kW
mpal(h)
113 kg
Cena KJ
CeKJ
Cena motoru do KJ
CemotorKJ
Doba odpisu pořizovací ceny KJ
todpisKJ
Doba provozu KJ v roce
tprovozKJ
13000000 Kč 3000000 Kč 15 let 8766 h
Náklady plynoucí z údržby motoru
NA motorKJr
t odpis − 1 ⋅ Ce motorKJ 5 = t odpisKJ
NAmotorKJr
400000 Kč
NAKJpoř.r.
1266667 Kč
(2-17) Náklady plynoucí z pořizovací ceny KJ
NA KJpoř .r . =
Ce KJ + Ce motorKJr t odpisKJ
(2-18)
2.3.2 Konečná cena 1kWh elektrické energie vyrobené KJ CekWhKJQ0 Toto je cena 1 kWh elektrické energie vyrobené z recyklovaného rostlinného oleje za předpokladu že není dotovaná zeleným bonusem od státu a že veškeré teplo vypustíme jako odpad bez dalšího ekonomického efektu. Což není reálný stav, neboť tato elektřina je dotována zeleným bonusem od státu a část tepla je prodána.
25
Hynek Mikula
CekWhKJQ0 =
Diplomová práce
NApal.1kg ⋅ mpal(h) ⋅ t provozKJ+ NAKJpoř.r. PKJ ⋅ t provozKJ
(2-19)
2.4
CekWhKJQ0
2,42 Kč
Možný zisk firmy TRAFIN OIL a.s i bez zeleného bonusu
Dotace od státu v podobě zeleného bonusu L[1]
CeZB
Teplo vyprodukované KJ za rok L[1]
Qr.KJ
Teplo prodané z KJ za rok L[1]
Qr.prod.KJ
2,56 Kč.kWh-1 14148 GJ 9598 GJ
Prodejní ceny pro KJ Jihlava (Srpen 2010) L[1] Elektřina
Ceel.KJ kWh 2,219 Kč.kWh-1
Teplo
CeQ.KJ GJ 360 Kč.GJ-1
Množství el. energie vyrobené za rok
E el . r . = PKJ ⋅ t provozKJ Eel.r.
4207680 kWh 4207,68 MWh
(2-20)
Tržba z prodeje této elektřiny za rok
CeTrzba.E.el.r = Eel.r ⋅ Ceel.KJ.kWh CeTrzba.E.el.r (2-21)
26
9336842 Kč
Hynek Mikula
Diplomová práce
Náklady na tuto elektřinu NAE .el .r = E el .r . ⋅ CekW hKJQ0
NAE.el.r.
10181783 Kč
(2-22) Tržba z prodeje tepla za rok CeTrzba.Q.r = Qr . prod.KJ .CeQ . KJ .GJ
CeTrzba.Q.r
3455280 Kč
CeZisk.r
2610338 Kč
(2-23) Roční zisk CeZisk.r = CeTrzba. E .el .r + CeTrzba.Q.r − NAE .el .r
(2-24)
2.5
Možný zisk firmy TRAFIN OIL a.s. se zeleným bonusem
Ce Zisk .r . ZB = Ce ZB ⋅ E el . r + Ce Zisk .r CeZisk.r.ZB
13381999 Kč
(2-25)
2.5.1 Opodstatnění ZB na dotaci výroby el. Energie z recyklovaných rostlinných olejů Náklady ČOV na odstranění 1kg oleje z vody L[1]
NAČov1kg
1,5 Kč
Celkové náklady ČOV
NA Čov = NA Čov 1 kg ⋅ m pal ( h ) ⋅ t provozKJ ⋅ 1,15 NAČov (2-26) Roční objem financí ZB CeZB .r = E el .r . ⋅ CeZB 27
1708713 Kč
Hynek Mikula
Diplomová práce
CeZB.r
10771661 Kč
(2-27) Procentuální podíl
Po
NACOV CeZB . r
=
Ce ZB . r NA Čov
PoNAČov/CeZB.r 15,86 %
(2-28)
28
Hynek Mikula
3
Diplomová práce
Energetická bilance Doposud jsme se zabývali ekonomickou stránkou problému, ta nám však neřekne vše o tom
jaký smysl má tento proces z hlediska čistě energetického. Proto v následující kapitole porovnáme vstupní a výstupní energetické suroviny do procesu zapojené. Bude spočtena a porovnána spotřeba ušlechtilých zdrojů energie (elektrické energie + nafta) na výrobu paliva z recyklovaných rostlinných olejů a dále na výrobu elektrické energie v KJ. 3.1
Nafta - rostlinný olej
Množství ročně nashromážděného paliva
mPALr
967725 Kg
VTrpal
30360 l
VKrpal
6840 l
VCrpal
11700 l
Vnafta.r
48900 l
Nafta pro T
V Trpal
.
=
s Td . n dn ů ⋅ Pocet SP T
T
(3-1) Nafta pro K
V Krpal
.
=
sK . SP K . Pocet 100
jKr
sC . SP C . Pocet 100
jCr
(3-2) Nafta pro C
V Crpal
.
=
(3-3) Celkové množství spotřebované nafty za rok Je rovno sumě roční spotřeby T,K a C
29
Hynek Mikula
Diplomová práce
ρnafta
Přepočteme teme na hmotnost podle hustoty L[20]
mnafta.r
840 kg.m-3 41076 kg
Graf 3: Poměr spotřebované nafty k vyrobenému palivu za jeden rok (číselné údaje v grafu jsou v tunách jednotlivých paliv)
3.2
Elektřina - rostlinný olej Za celkové množství elektřiny ele pro tuto bilanci musíme brát to, co se vyrobí z mPALr nikoli to,
které nám vyrobí KJ během ěhem celého roku. Množství paliva mPALr bylo totiž toti vyrobeno za spotřeby Ersp.+oh.ŠO.
Pro větší tší názornost tuto elektřinu elekt rozdělíme na dvě složky pro ohřev oh a pro filtraci.
E r .sp+ oh.ŠO =
NArsp.+ oh.ŠO Ceel . jihlavakW h NArsp.+oh.ŠO
296591 Kč
Ersp.+oh.ŠO
124097 kWh
(3-4) Celkové množství spotřebované řebované elektřiny elekt za rok
30
Hynek Mikula
E nPALr =
Diplomová práce
m PALr ⋅ PKJ m pal( h )
EmPALr
4110690 kWh
Ersp.oh
113850 kWh
(3-5) Množství spotřebované elektřiny za rok - ohřev
E rsp.oh =
m ŠOr 1000
⋅ E el .oh .1t . ŠO
(3-6) Množství spotřebované elektřiny za rok - ohřev
E rsp . filtrace =
m ŠOr 1000
⋅ E el . filtrace Ersp.filtrace
(3-7)
31
10247 kWh
Hynek Mikula
Diplomová práce
Graf 4: Poměr spotřebované elektrické energie k vyrobené elektrické energii za jeden rok (číselné údaje v grafu jsou v MWh)
32
Hynek Mikula
4
Diplomová práce
Ekonomická bilance návrhu doplnění průmyslového areálu v Jihlavě o KJ spalující recyklované rostlinné oleje. Tato bilance porovná dvě alternativy zásobování elektrickou energií a teplem jistý podnik v
Jihlavě (dále jen podnik). První alternativa počítá s výrobou tepla ze zemního plynu a odběrem elektrické energie ze sítě. K realizaci této varianty se zakoupí plynový kotel o výkonu 780 kW. Náklady na pořízení činí 1 milion Kč, plus roční údržba a nutné servisní prohlídky dalších 5% z pořizovací ceny (cca 50000 Kč) každý rok. Druhou alternativou je dodávka tepla a elektrické energie z KJ společnosti TRAFIN OIL a.s. Pro posouzení obou alternativ budeme vycházet ze spotřeby elektřiny a tepla za uplynulý rok 2009. Pro srovnání jsou uvedeny i spotřeby tepla za rok 2007 a 2008.
Spotřeba tepla v roce 2007
Měsíc Leden Únor Březen Duben Květen Červen Červenec Srpen Září Říjen Listopad Prosinec Celkem
Spotřeba ZP v m3 76309 69217 65943 54592 46238 39322 42248 40916 53460 82465 126002 108736 805449
Celková Technologická Spotřeba tepla Spotřeba tepla spotřeba tepla v spotřeba tepla topení + TUV topení + TUV kWh v kWh v kWh v GJ 807931 90000 717931 2585 732843 200000 532843 1918 698181 270000 428181 1541 577994 210000 367994 1325 489544 220000 269544 970 416325 250000 166325 599 447310 220000 227310 818 433201 180000 253201 912 566016 280000 286016 1030 873110 300000 573110 2063 1334055 380000 954055 3435 1151257 250000 901257 3245 8527768
2850000
5677768
Tabulka 1: Spotřeba tepla za rok 2007 průmyslového areálu v Jihlavě
33
20440
Hynek Mikula
Diplomová práce
Spotřeba tepla v roce 2008 Měsíc Leden Únor Březen Duben Květen Červen Červenec Srpen Září Říjen Listopad Prosinec Celkem
Celková Technologická Spotřeba tepla Spotřeba tepla Spotřeba ZP spotřeba tepla v spotřeba tepla topení + TUV topení + TUV v m3 kWh v kWh v kWh v GJ 139422 1476145 90000 1386145 4990 110262 1167413 200000 967413 3483 114290 1210059 270000 940059 3384 92184 976012 210000 766012 2758 79207 838611 220000 618611 2227 60047 635754 250000 385754 1389 57687 610764 220000 390764 1407 53917 570849 180000 390849 1407 64633 684306 280000 404306 1456 63318 670389 300000 370389 1333 81923 867368 380000 487368 1755 56583 599082 250000 349082 1257 973474
10306752
2850000
7456752
26844
Tabulka:2 Spotřeba tepla za rok 2008 průmyslového areálu v Jihlavě
Spotřeba tepla v roce 2009 Měsíc Leden Únor Březen Duben Květen Červen Červenec Srpen Září Říjen Listopad Prosinec Celkem
Spotřeba ZP v m3 128306 68593 63612 40043 41209 27473 31962 21875 35673 59288 69942 61960 649937
Celková Technologická Spotřeba tepla Spotřeba tepla spotřeba tepla v spotřeba tepla topení + TUV topení + TUV kWh v kWh v kWh v GJ 1 358 450 90000 1268450 4566 726 239 200000 526239 1894 673 495 270000 403495 1453 423 963 210000 213963 770 436 306 220000 216306 779 290 871 250000 40871 147 338 399 220000 118399 426 231 609 180000 51609 186 377 694 280000 97694 352 627 713 300000 327713 1180 740 516 380000 360516 1298 656 013 250000 406013 1462 6881268
2850000
4031268
Tabulka:3 Spotřeba tepla za rok 2009 průmyslového areálu v Jihlavě
34
14513
Hynek Mikula
Diplomová práce
Rozdělení dodávaného tepla mezi KJ a plynové kotle Měsíc
Teplo dodané kogeneraci v GJ
Kogenerace
GJ
Zemního plynu v m3
kWh
Zůstane pro plynové kotle
Leden Únor Březen Duben Květen Červen Červenec Srpen Září Říjen Listopad Prosinec
1179 1179 1179 777 774 159 416 188 338 1052 1179 1179
3400,241227 680,7648391 275,4670519 0 0 0 0 0 0 0 118,4199743 288,0356924
941867 188572 76304 0 0 0 0 0 0 0 32802 79786
88959 17811 7207 0 0 0 0 0 0 0 3098 7536
Celkem
9598
4763
1319331
124611
Tabulka 4: Rozdělení dodávaného tepla mezi KJ a plynové kotle
35
Hynek Mikula
Diplomová práce
Podíl KJ na dodané elektrické energie pro podnik v Jihlavě
Měsíc roku leden únor bžezen duben květen červen červenec srpen září říjen listopad prosinec
Celková spotřeba eletrické energie v daném měsíci 2 151 657 kWh 1 830 516 kWh 2 139 415 kWh 1 712 671 kWh 2 007 624 kWh 2 506 644 kWh 2 484 042 kWh 1 790 888 kWh 2 817 777 kWh 2 812 808 kWh 2 704 787 kWh 1 697 038 kWh
Celková spotřebovaná elektrická energie v roce 2009
Průměrná spotřeba elektrické energie za hodinu Výkon během KJ v daném daného měsíce měsíci 2 988 kWh 480 kW 2 542 kWh 480 kW 2 971 kWh 480 kW 2 379 kWh 480 kW 2 788 kWh 480 kW 3 481 kWh 480 kW 3 450 kWh 480 kW 2 487 kWh 480 kW 3 914 kWh 480 kW 3 907 kWh 480 kW 3 757 kWh 480 kW 2 357 kWh 480 kW
Procentuální podíl eletrické energie dodané KJ 16,06% 18,88% 16,15% 20,18% 17,21% 13,79% 13,91% 19,30% 12,26% 12,29% 12,78% 20,36%
Průměrný procentuální podíl elektrické energie dodané KJ během roku 26 655 867 kWh 2009
16,10%
Tabulka 5: Podíl KJ na celkové spotřebě průmyslového areálu v Jihlavě
4.1
Vstupy pro variantu s plynovým kotlem
Součastné ceny energií Jihlava (Srpen 2010) L[1] Elektřina:
Ceel.Jihlava MWh 2390 Kč.MWh-1
Teplo (zemní plyn):
CeQ.Jihlava GJ 387 Kč.GJ-1
Náklady na pořízení plynového kotle
NAKOpoř.
Náklady na provoz a údržbu plynového kotle
NArKOudrzba
Doba odpisu plynového kotle
todpisKO
Celkem spotřebovaná el. Energie za rok 2009
Eel.2009 36
1000000 Kč 50000 Kč.rok-1 5 let 26656 MWh
Hynek Mikula
Diplomová práce
Celkem spotřebované teplo za rok 2009
4.2
Qsp.2009
14 341 GJ
Náklady na el. Energii a teplo v roce 2009 alternativa 1
Roční náklady z pořizovací ceny kotle NArKOpoř . =
NAKOpoř . t odpisKO
NArKOpoř. 200000 Kč
(4-1) Roční náklady na elektřinu ze sítě NAr .el .sit = E el .2009 ⋅ Ce el . JihlavaMW h
NAr.el.sit
63,70752 mil.Kč
NAr.ZP
5,549784 mil.Kč
NAr.al.1
69,50731 mil.Kč
(4-2) Roční náklady na teplo ze zemního plynu NAr .ZP = QSP.2009 ⋅ CeQJihlavaGJ
(4-3) Celkové náklady alternativy 1 za rok
NA ral .1 = NA r . ZP + NA r .el . sit + NA rKOpo ř . + NA rKOudrzda
(4-4)
4.3
Náklady na el. Energii a teplo v roce 2009 alternativa 2 Druhá alternativa počítá s dodáním části elektřiny a tepla z KJ, díky čemuž nebude nutné
pořídit nový plynový kotel a financovat jeho provoz. Předpokládaná roční úspora oproti první alternativě je cca 1 mil. Kč Prodejní ceny pro KJ Jihlava (Srpen 2010) 37
Hynek Mikula
Diplomová práce
Elektřina
Ceel.KJ MWh 2219 Kč.MWh-1
Teplo
CeQ.KJ GJ 360 Kč.GJ-1
Roční podíl elektrické energie dodané KJ
Por.el.KJ
16,1 %
Eel.2009KJ
4291 MWh
Což činí množství el. Energie
E el .2009KJ =
Por .el . KJ ⋅ E el .2009 100
(4-5) A náklady na ni NAel .2009KJ = E el .2009KJ ⋅ Ceel . KJ
NAel.2009KJ 9,522114 mil. Kč (4-6) Množství el. Energie dobrané ze sítě E el .2009sit− KJ = E el .2009 − Eel .2009KJ
Eel.2009sit-KJ 22364,69 MWh (4-7) A náklady na ni NAel .2009sit− KJ = E el .2009sitKJ ⋅ Ceel . JihlavaMW h
NAel.2009sit-KJ 53,45162 mil. Kč
(4-8) Roční úspora na el. Energii ∆NAel .2009 = NAr .el .sit − NAel .2009sit− KJ − NAel .2009KJ 38
Hynek Mikula
Diplomová práce
∆NAel.2009
(4-9)
0,733791 mil. Kč
Teplo: KJ Jihlava je schopna během letních měsíců dodat veškeré potřebné teplo. Během zimy ji misí doplnit již instalované plynové kotle. Množství tepla dodané KJ za rok
QKJr.
9598 GJ
PoQr.KJ
66,9 %
NAQr.KJ
3,455152 mil. Kč
Což je PoQr. KJ =
QKJr . Qsp.2009
(4-10) A náklady na něj NAQr . KJ = Q KJr . ⋅ CeQ .KJ .GJ
(4-11) Množství tepla doplňovaného z plynových kotlů
QKOr.
4763 GJ
A náklady na něj NAQKOr = Q KOr . ⋅ CeQ. JihlavaGJ
NAQKOr
1,843253 mil. Kč
(4-12) Roční úspora na teple ∆NAQ.2009 = NAr .ZP − NAQKJr − NAQKOr
∆NAQ.2009 0,251379 mil Kč (4-13)
39
Hynek Mikula
Diplomová práce
Celkové náklady alternativy 2 za rok
NA r . al .2 = NA el .2009 KJ + NA el .2009 sit − KJ + NA QKJr . + NA QKOr .
Nar.al.2
68,27214 mil. Kč
∆NAr.1-2
1,235169 mil. Kč
(4-14) Celková úspora mezi 1 a 2 pro podnik činí ∆NAr .1− 2 = NAr .al.1 − NAr .al.2
(4-15)
40
Hynek Mikula
5
Diplomová práce
Návrh tepelného výměníku V současnosti je ohřev ŠO před jeho filtrací realizován úhlovými elektrickými ohřívači.
Toto je zcela špatné, neboť elektřina je nejušlechtilejší forma energie a její přeměna na teplo je z hlediska energetického "hřích". Proto návrh tepelného výměníku pro ohřev ŠO parou. Návrh proto, že zásobní nádoby na ŠO jsou již postaveny a jakékoli jejich konstrukční úpravy nejsou přípustné. Proto tepelný výměník vodní pára – olej, jež bude možné smontovat uvnitř těchto nádob tvaru kvádru o rozměrech 3m x 2m x 2m. Přívod páry a odvod kondenzátu musí rovněž probíhat přes stávající otvory v horní části nádoby. Dále je požadavek aby ohřev oleje o objemu (10000l) z 0°C na 60°C trval právě šest hodin. Posledním požadavkem bylo použít pro teplo směné potrubí konkrétní již nakoupený materiál. Tímto materiálem jsou bezešvé trubky z nerezavějící oceli o vnitřním průměru 66,93mm, vnějším průměru 73,03mm a tloušťkou stěny 3,05mm
Tyto okolnosti vyloučily použití jakéhokoli standardně vyráběného tepelného
výměníku. 5.1
Vstupní parametry horké strany - vodní pára Topným médiem, jež je k dispozici je sytá vodní pára o teplotě 150°C, tlaku 0.48 MPa a
entalpii 2746,28 kJ.kg-1. Tato pára se před vstupem do výměníku seškrtí na tlak atmosférický, aby tento výměník mohl mít výfuk do volného prostoru a nebyly kladeny zvýšené nároky na konstrukční materiál.
Změna tlaku je děj izoentalpický, to znamená, že entalpie páry se
nezmění. Změní se teplota na 130,827°C a tlak 0,1Mpa. Tato pára pak vstupuje do tepelného výměníku už ne jako sytá ale jako přehřátá. A však během relativně krátké doby se dochladí na teplotu sytosti při atmosférickém tlaku, jež činí 99,61°C viz. kapitola (5.5.2) a začne její kondenzace. Tato zapříčí dvoufázové proudění (sytá vodní párá - sytá kapalina). Pro dvoufázové proudění platí poněkud odlišná pravidla pro výpočet součinitele přestupu tepla. To by znamenalo počítat součinitel přestupu tepla dvakrát: 1) Usek výměníku, v němž probíhá přestup tepla přehřátá pára - ocel 2) Úsek, v němž probíhá přestup tepla mezi dvoufázovou soustavou a ocelí. Jak si ukážeme v kapitole (5.5.2) nebude to potřeba. 5.1.1 Parametry páry před vstupem do škrtícího ventilu (Stav 0) Tlak páry L[3]
pv0
Teplota páry L[3]
tv0
Entalpie páry L[3]
i´´0
41
0,48 MPa 150,03 °C 2746,28 kJ.kg-1
Hynek Mikula
Diplomová práce
5.1.2 Parametry páry po seškrcení - na vstupu do výměníku (Stav 1) Tlak páry L[3]
pv1
0,1 MPa
Teplota páry po snížení tlaku (lineární interpolace z tabulek) L[3] x0
2736,7 kJ.kg-1
x1
2756,7 kJ.kg-1
y0
130 °C
y1
140 °C
x
2746,28 kJ.kg-1
L[11]
y
134,79 °C
Teplota páry L[3]
tv1
134,79 °C
Entalpie páry L[3]
i´´1
2746,28 kJ.kg-1
5.1.3 Parametry páry po dochlazení na teploty sytosti (Stav 1´´) Tlak páry L[3]
pv1´´
Teplota páry L[3]
tv1´´
Entalpie páry L[3]
i´´1´´
0,1 MPa 99,61 °C 2674,95 kJ.kg-1
5.1.4 Parametry kondenzátu na výstupu (Stav 2) Tlak L[3]
pl2
Teplota L[3]
tl2
Entalpie kondenzátu L[3]
i´2
0,1 MPa 99,61 °C 417,44 kJ.kg-1
5.1.5 Parametry kondenzátu v zásobní nádrži (Stav 3) Tlak L[3]
pl3
0,1 MPa
Teplota L[3]
tl3
60 °C
Entalpie kondenzátu L[3]
i3
251,2 kJ.kg-1
42
Hynek Mikula
Diplomová práce
5.1.6 Střední hodnoty pro tepelný výpočet a odečet veličin Pro tepelný výpočet výměníku ze vstupních a výstupních parametru je potřeba spočíst střední hodnoty veličin, pro něž budeme výpočet realizovat. Teplota
tprum.
99,61 °C
Tlak
pprum.
0,1 MPa
Suchost
xst.
0,5
x0
90 °C
x1
100 °C
y0
1,95
y1
1,75
x
99,61
Lineární interpolace L[11]
y
1,7578
Prandtlovo číslo syté kapaliny při střední teplotě
Pr´
1,7578
5.1.7 Další potřebné parametry Prandtlovo číslo syté kapaliny při střední teplotě (lineární interpolace z tabulek) L[4]
Dynamická viskozita syté kapaliny při střední teplotě (lineární interpolace z tabulek) L[3]
43
x0
90 °C
x1
100 °C
y0
314,4
y1
281,7
x
99,61
y
0,00028
µst.l
0,00028 Pa.s
Hynek Mikula
Diplomová práce
Dynamická viskozita syté páry při střední teplotě (lineární interpolace z tabulek) L[3] x0
90 °C
x1
100 °C
y0
11,93
y1
12,27
x
99,61
y
1,2E-05
µst.v
1,2E-05 Pa.s
Hustota syté kapaliny při střední teplotě (lineární interpolace z tabulek) L[3]
3
x0
99 °C
x1
100 °C
-1
Měrný oběm v m .kg
y0
0,00104
Měrný oběm v m3.kg-1
y1
0,00104
L[11]
x
99,61
y
958,6
ρst.l
958,6 kg.m-3
x0
99 °C
x1
100 °C
Hustota syté páry při střední teplotě (lineární interpolace z tabulek) L[3]
3
-1
Měrný oběm v m .kg
y0
1,729
Měrný oběm v m3.kg-1
y1
1,672
x
99,61
y
0,59024
ρst.v
0,59024 kg.m-3
L[11]
44
Hynek Mikula
Diplomová práce
Tepelná vodivost syté kapaliny při střední teplotě (lineární interpolace z tabulek) L[3] 90 °C
x1
100 °C
-1
-1
y0
673
-1
-1
y1
677,76
x
99,61
y
0,67757
λ´st.l
0,67757 W.m-1K-1
Tepelná vodivost v mW.m .K Tepelná vodivost v mW.m .K L[11]
5.2
x0
Vstupní parametry studené strany – oleje
Objem oleje
Vo
10000 l
Počáteční teplota oleje
to1
0 °C
Teplota ohřátého oleje
to2
60 °C
tprum.
30 °C
Teplota průměrná
t prum. =
t o1 + t o 2 2
(5-1) Teplota stěny výměníku
TW
99,61 °C
Střední teplota oleje
T∞
30 °C
5.2.1 Teplota filmu Teplota filmu je aritmetickým průměrem teploty stěny výměníku TW a teploty nerozrušeného prostředí daleko od stěny výměníku T∞.
Tf =
TW + T∞ 2
Tf
(5-2)
45
64,805 °C
Hynek Mikula
Diplomová práce Hustota řepkového oleje v závislosti na teplotě
938
933
928
Hustota kg.m-3
923
918
913
908
903
898 10
30
50
70
90
110
Teplota °C
Graf 5: Hustota řepkového oleje v závislosti na teplotě L[17]
ρo
Hustota řepkového oleje při T∞ L[17]
931 kg.m-3
Hustota řepkového oleje při Tf (lineární interpolace z hodnot grafu) L[17] x0
10 °C
x1
120 °C
.
-3
y0
938
.
-3
y1
898
x
64,805 °C
Hustota v kg m Hustota v kg m L[11]
46
y
918,071
ρf
918,071 kg.m-3
Hynek Mikula
Diplomová práce Měrná tepelná kapacita v závislosti na teplotě
2,9
Měrná tepelná kapacita kJ.kg-1.K-1
2,7
2,5
2,3
2,1
1,9
1,7 0
50
100
150
200
250
Teplota °C
Graf 6: Měrná tepelná kapacita řepkového oleje v závislosti na teplotě L[17]
Měrná tepelná kapacita řepkového oleje při T∞ (lineární interpolace z hodnot grafu) L[17]
Měrná tepelná kapacita v kJ.kg-1.K-1 -1
-1
Měrná tepelná kapacita v kJ.kg .K
x0
20 °C
x1
300 °C
y0
1,839
y1
2,278
x
L[11]
47
30 °C
y
1,85468
co
1,85468 kJ.kg-1.K-1
300
Hynek Mikula
Diplomová práce Tepelná vodivost v závislosti na teplotě
0,174 0,172 0,17
Tepelná vodivost W.m-1.K-1
0,168 0,166 0,164 0,162 0,16 0,158 0,156 0,154 0
50
100
150
200
250
300
Teplota °C
Graf 7: Tepelná vodivost řepkového oleje v závislosti na teplotě L[17]
Tepelná vodivost řepkového oleje při Tf (lineární interpolace z hodnot grafu) L[17] x0
20 °C
x1
160 °C
Tepelná vodivost v W.m-1.K-1
y0
0,173
Tepelná vodivost v W.m-1.K-1
y1
0,162
x
64,805 °C
L[11]
y
0,16948
Tepelná vodivost při Tf L[17]
λf
0,16948 W.m-1K-1
48
350
Hynek Mikula
Diplomová práce
5.2.2 Koeficient objemové roztažnosti Hodnotu koeficientu objemové roztažnost řepkového oleje se v žádné literatuře nepodařilo nalézt. Bude proto spočten podle vztahu nalezeného v L[18] ze závislosti hustoty na teplotě.
V
0
=
m
ρ
m
938 kg
0
V0
1 m3
1
V1
1,04454 m3
∆V
0,04454 m3
(5-3)
V1 =
m
ρ
(5-4)
∆ V = V1 − V 0 (5-5)
t0
10 °C
t1
120 °C
∆T
110 °C
∆ T = t1 − t 0
(5-6)
β =
1 ∆V ⋅ V0 ∆t
(5-7) β
Koeficient objemové roztažnosti
0,0004 K-1
5.2.3 Prandtlovo číslo Rovněž hodnotu Prandlova čísla se v žádné literatuře nepodařilo nalézt. Bude spočteno ze známých veličin podle vztahu (5-8) z L[19]. Pro jeho vlastní výpočet nám ještě schází dynamická viskozita a tepelná kapacita při teplotě filmu.
49
Hynek Mikula
Diplomová práce
Dynamická viskozita při Tf (lineární interpolace z uvedených v) L[17] x0
20 °C
x1
160 °C
Dynamická viskozita Pa.s
y0
0,1635
Dynamická viskozita Pa.s
y1
0,00293
x
64,805 °C
L[11]
y
0,11211
Dynamická viskozita při Tf L[17]
µf
0,11211 Pa.s
Měrná tepelná kapacita řepkového oleje při Tf (lineární interpolace z hodnot grafu) L[17] x0
20 °C
x1
300 °C
-1
-1
y0
1,839
-1
-1
y1
2,278
Měrná tepelná kapacita v kJ.kg .K Měrná tepelná kapacita v kJ.kg .K
x
64,805 °C
L[11]
y
1,90925
Měrná tepelná kapacita řepkového olej při Tf
cf
1,90925 kJ.kg-1.K-1
Pr
1262,97
νf
0,00012 m2.s-1
Prandtlovo číslo pro teplotu filmu
Pr =
cf ⋅µ f
λf
(5-8) Kinematická viskozita oleje při Tf
νf =
µf ρf
(5-9) Gravitační zrychlení
g 50
9,81 m.s-2
Hynek Mikula
5.3
Diplomová práce
Vstupní parametry pro konstrukci výměníku
Tepelná vodivost nerez oceli při 100°C L[6]
λn.o.
Počet křížení proudu
np
2
Počet trubek výměníku
ntr.
1
Počet vstupních proudů páry
nvs.v
1
Vnitřní průměr trubek výměníku L[8]
d
66,93 mm
Vnější průměr trubek výměníku L[8]
D
73,03 mm
Tloušťka stěny trubek výměníku L[8]
Tl
3,05 mm
Plocha průřezu trubky
Str.
Charakteristický rozměr = D
L
5.4
0,00352 m2 73,03 mm
Ostatní vstupní parametry
požadovaný čas ohřevu 5.5
17 W.m-1.K-1
toh.
6 h
Tepelná bilance
Rozdíl entalpii
∆i1− 2 = i´´1 −i´2 ∆i1-2
2328,84 kJ.kg-1
(5-10) Množství tepla potřebné pro ohřev oleje
Qoh.o = ρ o ⋅
Vo ⋅ co ⋅ (t o 2 − t o1 ) 1000
Qoh.o
1E+09 J 1036023 kJ 1036,02 MJ
(5-11)
mv =
Qoh.o ∆i1−2
(5-12) Potřebné množství páry na ohřev celého objemu
mv
444,867 kg
Potřebný hmotnostní tok páry za hodinu
mv(h)
74,1445 kg.h-1
51
Hynek Mikula
Diplomová práce
Potřebný hmotnostní tok páry za sekundu
mv(s)
0,0206 kg.s-1
P
47,964 kW
5.5.1 Potřebný výkon tepelného výměníku P = mv ( s ) ⋅ ∆i1− 2
(5-13) 5.5.2 Teplo odevzdané při dochlazení přehřáté páry na teplotu sytosti Rozdíl entalpií stavu 1 a 1´
∆i1−1´´ = i´´1 −i´´1´´
∆i1-1´´
71,33 kJ.kg-1
(5-14) Teplo uvolněné dochlazením vodní páry na teplotu sytosti Q1−1´´ = mv .∆i1−1´´
Q1-1´´
31732,3 kJ
(5-15) Procentuální podíl tepla odevzdaného přehřátou parou při dochlazování na teplotu sytosti k teplu celkovému.
Po Q1−1´´ = Qoh.o
Q1−1´´ Q oh.o
PoQ1-1´´/Qoh.o 3,06 %
(5-16) Jak je z výpočtu patrné množství tepla potřebného k dochlazení přehřáté páry na teplotu sytosti tvoří pouhé 3% z celkového množství potřebného tepla. Proto si můžeme dovolit toto zanedbat a koeficientu přestupu tepla počítat pouze pro dvoufázové proudění. Zanedbání tohoto tepla se ve výsledku promítne cca 3% - ní odchylkou ve výkonu výměníku. Skutečný výkon výměníku bude cca o tři procenta vyšší než výkon vypočtený. Což je v našem případě zanedbatelná chyba.
52
Hynek Mikula
Diplomová práce
5.5.3 Teplo odevzdané při dochlazení kondenzátu na teplotu oleje
Rozdíl entalpií stavu 2 a 3 ∆i2−3 = i´2 −i3
∆i2-3
166,24 kJ.kg-1
(5-17) Teplo uvolněné dochlazením kondenzátu na teplotu oleje
Q 2−3 = m v ⋅ ∆ i2−3 Q2-3
73954,6 kJ
(5-18) Procentuální podíl tepla odevzdaného kondenzátem při dochlazování na teplotu oleje k teplu celkovému.
Po Q 2 − 3 = Qoh . o
Q 2−3 Q oh.o
PoQ2-3/Qoh.o 7,14 %
(5-19) Jak již bylo zmíněno v kapitole () nádoba s kondenzátem bude během ohřevu ponořena v oleji pod tepelným výměníkem. Tudíž tento tepelný příspěvek opět zvýší výkon výměníku o cca 7% a však do výpočtu nebude zahrnut a to ze dvou důvodů. 1) Je příliš malý a vyžadoval by složitý výpočet součinitele přestupu tepla. 2) Pokud by se stavitel rozhodl umístit nádobu na kondenzát mimo nádrž s ohřívaným olejem, nebude muset žádným způsobem korigovat jeho výkon. 5.6
Součinitel přestupu tepla na horké straně Dvoufázové proudění (sytá kapalina + sytá pára). Přenos tepla při nucené konvekci.
5.6.1 Kapalinové Reynoldsovo číslo ReL Relativní plocha průřezu trubkového svazku
53
Hynek Mikula
SR =
Diplomová práce
S tr . ⋅ n tr . n vs .v
SR
0,00352 m2
GR
5,85389 kg.m-2s-1
Rel
692,288
Rev
15983,1
Reeq
28591,5
(5-20) L[2] Hmotnostní tok na jednotku plochy mv ( s )
GR =
SR
(5-21) L[2]
Re l =
G R (1 − x st. ) ⋅ d
µ st.l
(5-22) L[2] 5.6.2 Parní Reynoldsovo číslo Rev
Re v =
G R ⋅ x st. ⋅ d
µ st.v
(5-23) L[2] 5.6.3 Ekvivalentní Reynoldsovo číslo
Re eq
µ = Re v ⋅ st.v µ st.l
ρ st.l ⋅ ρ st.v
0,5
+ Re l
(5-24) L[2]
54
Hynek Mikula
Diplomová práce
5.6.4 Střední součinitel přestupu tepla na horké straně (vnitřní stěna potrubí) 0 ,8 3 α st .v = 0,05 Re eq ⋅ Pr´ ⋅
λ´ st .l αst.v
d
2243,63 W.m-2K-1
(5-25) Cavallinihi a Zecchin L[2] 5.7
Součinitel přestupu tepla na chladné straně Na chladné straně výměníku se bude přestup tepla realizovat volnou (přirozenou) konvekcí
film teplejší kapaliny ohřáté od potrubí výměníku o nižší hustotě bude stupat vlivem vztlakové síly. Tato síla vyvolá přirozené proudění okolo teplo směnné plochy. Tento tepelný vypočet vyžaduje zjištění tří podobnostních kritérií uvedených v dalším textu. Pomocí nich se pak stanoví součinitel prostupu tepla. Grashofovo podobnostní kritérium
Gr =
g ⋅ β ⋅ (TW − T∞ ) ⋅ L3
ν2
Gr
7222,58
RaD
9121893
NuD
38,1021
(5-26) L[21] Rayleighovo kriterium
RaD = Gr ⋅ Pr (5-27) L[21] Nuseltovo číslo
0,387 ⋅ Ra 1D/ 6 Nu D = 0,60 + 9 / 16 1 + (0,559 / Pr )
[
8 / 27
2
]
(5-28) L[21] 55
Hynek Mikula
α=
Diplomová práce
Nu ⋅ λ D
αst.l
88,4231 W.m-2K-1
(5-29) L[21] 5.8
Součinitel prostupu tepla vztažený k vnitřnímu povrchu
d 1 kd = + 2 ⋅ ln α st .v λ n .o .
D d 2 + 2 ⋅ 1 d D α st .l 2 2
−1
kd
91,0578 W.m-2K-1
(5-30) L[21] 5.9
Logaritmický teplotní spád Pro určení logaritmického teplotního spádu je podstatné o jakou koncepci výměníku jde.
Rozlišujeme koncepce výměníku: souproud, protiproud a křížový proud. V našem případě se jedná o proud křížový. Ten se ještě liší počtem křížení proudu. Ten je v našem 2 neboť proud stoupajícího teplejšího oleje bude křížit dvě vrstvy potrubí s horkým médiem. Pomocí parametrů P a R se stanoví korekční faktor f, kterým pak násobíme logaritmický teplotní spád. 5.9.1 Hodnota součinitele f jako funkce pomocných parametrů P a R Parametr P
P =
t l 2 − t v1 t o1 − t v1 P
0,261
R
1,70551
(5-31) L[4] Parametr R
R =
t o1 − t o 2 t l 2 − t v1
(5-32) L[4] 56
Hynek Mikula
Diplomová práce
Obrázek 4: Diagram parametrů P a R pro určení korekčního faktoru logaritmického teplotního spádu f.
Parametr f na základě parametrů P a R
∆ Tln = f ⋅
f
0,99
(t l 2 − t o 2 ) − (t v1 − t o1 ) ln
tl 2 − to2 t v1 − t o1
∆Tln
64,4125
S
8,17765
(5-33) L[10] 5.10 Teplo směnná plocha
S=
P k d ⋅ ∆T ln
(5-34)
57
Hynek Mikula
Diplomová práce
5.11 Délka potrubí výměníku
L =
S π ⋅d L
38,89 m
(5-35)
5.12 Konstrukce tepelného výměníku
Obrázek 5: Koncepce autorem navrženého tepelného výměníku pro ohřev rostlinného oleje před jeho filtrací. Globální pohled 1-Vstup páry, 2-Výstup kondenzátu, 3-Nádoba na kondenzát, 4-Teplo směnné potrubí, 5-Hladina oleje, 6-Kondenzát, 7-Výfuk do volného prostoru, 8-Odvod kondenzátu. 58
Hynek Mikula
Diplomová práce
Obrázek 6: Regulační a měřící aparatura tepelného výměníku. 9-Škrtící ventil s nastavitelným výstupním tlakem, 10-Pojistný ventil s nastavitelným pojistným tlakem, 11,12-Kulové ventily, 13Tlakoměr
5.13 Provoz tepelného výměníku Ohřev oleje v nádobách probíhá diskontinuálně. Nádoba se naplní chladným olejem a výměník se uvede do chodu. Během šesti hodin se náplň ohřeje a poté odčerpá. Před opětovným plněním se vytlačí ze zásobní nádoby kondenzát, načerpá se nová náplň a proces se opakuje. Popišme si nyní konkrétní provoz. Vstupem (1) se přivádí topná pára (Stav 0 viz. Kapitola 5.1.1). Škrtícím ventilem (9) se seškrtí na páru o atmosférickém tlaku (Stav 1 viz. Kapitola 5.1.2). Tato pára pak postupuje potrubím výměníku, postupně kondenzuje a předává teplo oleji (5) na chladné straně. Toto se děje do doby dokud teplotní čidlo (15) nezaznamená požadovanou teplotu oleje. Jakmile se tak stane, škrtící ventil uzavře přívod páry do výměníku. Ohřev je 59
Hynek Mikula
Diplomová práce
ukončen. Po odčerpání náplně uzavřeme kulové ventily (11,12) a pomocí kulového ventilu (14) mírně zvýšíme tlak uvnitř výměníku. Toto zvýšení je potřeba provést v závislosti na výškovém rozdílu hladiny kondenzátu (6) v nádobě (3). (zvýšení tlaku o 10 kPa = 0,1 bar umožní překonat výškový rozdíl jednoho metru na odvodním potrubí kondenzátu (8).) Většímu zvýšení by pak zabránil pojistný ventil (10), neboť nádoba na kondenzát není konstruovaná jako tlaková. Po patřičném zvýšení tlaku se otevře kulový ventil (11) a kondenzát je tlačen ven z nádoby (3). V případě že by nebyl vyčerpán všechen je zapotřebí kulový ventil (11) uzavřít, opětovně navýšit tlak uvnitř výměníku a pokračovat. Prázdná nádoba se pozná tak že tlak prudce klesne a žádný kondenzát již nepoteče. Kulové ventily (11,12) se oba otevřou a výměník je připraven pro ohřev nové náplně. Kontrolní teplotní čidlo (16) ohlídá, aby nezkondenzovaná pára neunikala mimo prostor výměníku. V takovém případě škrtící ventil sníží průtok páry. Pro ještě lepší názornost konstrukce výměníku jsou přiloženy pohledy (nárys, půdorys, bokorys).
Obrázek 7: Nárys tepelného výměníku
60
Hynek Mikula
Diplomová práce
Obrázek 8: Půdorys tepelného výměníku
61
Hynek Mikula
Diplomová práce
Obrázek 9: Bokorys tepelného výměníku
62
Hynek Mikula
Diplomová práce
5.14 Přehled vlastností jednotlivých medií a parametrů tepelného výměníku
Přehled vlastností tepelného výměníku pára - řepkový olej Technická kalkulace Rozdělení: Hmotnostní tok
kg.h-1
Výkon
kW
Teplota vstup → výstup
°C
Studená strana
Horká strana
Řepkový olej
Vodní pára
-
74,14 47,96
0 →60
Skupenství
kapalné
99,61→99,61
kapalné
plynné
kapalné
Hustota
kg.m-3
941
920
0,59
958
Měrná tepelná kapacita
kJ.kg-1.K-1
1,8
1,9
2,077
4,217
Tepelná vodivost
W.m-1.K-1
0,174
0,17
0,02479
0,678
Dynamická viskozita
µPa.s
186400
117620
12
280
Kinematická viskozita
µm2.s-1
198,1
127,8
20,34
0,2923
Součinitel přestupu tepla
W.m-2.K-1
Součinitel prostupu tepla
W.m-2.K-1
Latentní teplo
kJ.kg-1
88,423
2243,635 91,058
-
Těleso výměníku:
2257
Trubkový had
Plocha
m2
8,18
Vnější průměr potrubí
mm
73,03
Vnitřní průměr potrubí
mm
66,98
Délka potrubí
m
38,89
Délka jedné trubky
m
2
Počet trubek svazku
20
Materiál
Nerez
Nádoba na kondenzát:
Kvádr - svařovaný
Délka
m
-
2
Šířka
m
-
0,91
Výška
m
-
0,3
Objem min.
l
-
500
Objem navržený
l
-
546
Materiál
Nerez
Pozn.: Odchylka od těchto parametrů bude mít za následek změny výkonu tepelného výměníku
Tabulka 6: Přehled vlastností médií a parametrů tepelného výměníku vodní pára – řepkový olej
5.15 Ekonomický přínos tepelného výměníku a parního ohřevu Pojďme nyní zhodnotit ekonomický přínos ohřevu ŠO parou místo elektrickou energií. Pro dostatečnou představu je spočtena finanční úspora pro ohřátí jedné náplně o hmotnosti 10000 kg a úspora během celého roku. Celkové náklady na ohřev ŠO ročně viz. kapitola (2.1.6) Eel.oh. 1t Potřebná el. energie na ohřev 1t ŠO
ŠO
Hmotnost ročně nashromážděného ŠO
mŠOr 63
100 kWh.t-1 1138,5 t
Hynek Mikula
Diplomová práce
Cena vodní páry pro tepelný výměník bez DPH 20%
Cev-20%
330 Kč.GJ-1
Cena vodní páry pro tepelný výměník bez DPH 20%
Cev
396 Kč.GJ-1
Teplo potřebné pro ohřátí náplně o objemu 10 000l
Qoh.o
1,03602 GJ
Hmotnost náplně o objemu 10000l
mo−napln = ρo ⋅
Vo 1000
mo-napln
9310 kg 9,31 t
5.15.1 Náklady na ohřev jedné náplně elektrickou energií Náklady na ohřev mo-napln
NA oh .1 t . ŠO = Ce el . jihlava
. kW h
⋅ E el . oh . 1 t . ŠO ⋅ m o − nap ln NAQoh.1t.ŠO 2225 Kč
5.15.2 Náklady na ohřev jedné náplně parou NAoh.1t .v = Qoh.o ⋅ Cev
NAoh.1t.v
410 Kč
5.15.3 Finanční úspora na ohřevu jedné náplně
∆ NA
oh . nap ln . ŠO
= NA
Qoh . 1 t . ŠO
− NA
oh . 1 t . v
∆NAoh.napln.ŠO 1815 Kč 5.15.4 Úspora pro firmu TRAFIN OIL a.s. za rok ∆NAoh.ŠO.r =
mŠO.r mo −nap ln
⋅ ∆NAoh.nap ln ŠO
∆NAoh.ŠO.r 221931 Kč
64
Hynek Mikula
6
Diplomová práce
Možná vylepšení a závěr Nejdůležitějším faktorem celého procesu výroby elektrické energie z recyklovaných
rostlinných olejů je cena paliva (recyklovaného oleje) pro KJ. Tu ovlivňuju čtyři hlavní náklady: 1. Údržba a provoz automobilu T v závislosti na množství ŠO, které přivezou, viz Kapitola (2.1.1) 2. Výše průměrné výkupní ceny od majitelů gastronomických provozů viz Kapitola (2.1.7) 3. Doprava nákladními automobily kamionem a cisternou z míst svozu k filtraci a následně ke KJ 4. Samotné zpracování ŠO (ohřev + filtrace) Maximálním vylepšením bodu 4 bude přechod na ohřev parou, který ušetří ročně asi 222 000 Kč (viz. Kapitola 5.15.4) a hlavně zlepší energetickou bilanci ve smyslu podstatného snížení spotřeby elektrické energie na výrobu paliva. Bod tři již dnes ve firmě TRAFIN OIL a.s. funguje s minimálními náklady, tudíž o jeho vylepšeních nemá smysl přemýšlet. Navíc z charakteru celkové ekonomické bilance je jeho vliv zanedbatelný. I jeho případná vylepšení by cenu paliva ovlivnily v řádech haléřů. První dva body jsou ty podstatnější pro vývoj ceny paliva. Jediným možným zlepšením bodu 2 je tlak na majitele gastronomických provozů na co nejmenší nejlépe nulovou výkupní cenu za ŠO. Vyžadovalo by to jisté úsilí s nejistým efektem. Proto by největší snaha měla být věnována bodu 1. Jak je uvedeno v Kapitole 2.1.2 automobily T jsou průměrně vytíženy na 62,5%. Zlepšením logistiky svozu ŠO by jeho cena výrazně klesala. V modelovém případě kdyby se podařilo každému T každý den jet s vytížením 100% (při ujetí stejné dráhy) klesla by cena za 1 litr paliva z 9Kč na 7Kč. Jak rozdíl cen naznačuje, vyplatilo by se tímto problémem zabývat před ostatními. Co se týče energetického hlediska celého procesu (jak je patrné z grafu 3 a 4 uvedených v kapitole 3) je tento velice efektivní, neboť spotřeba energií a paliv tvoří asi jen 5% z celkového množství vyrobeného paliva a následně energie. Co se týká zeleného bonusu na podporu tohoto procesu, ten je (jak vyplývá z kapitoly 2.5.1) z 16 % oprávněný. Oprávněný ve smyslu objemu financí, které by nakonec stát zaplatil za odstranění tohoto oleje z odpadních vod. Takovým poměrem ZB k ušetřeným státním financím se dnes může pochlubit málokterý alternativní zdroj energie. Z návrhu doplnění průmyslového areálu v Jihlavě o KJ na spalování recyklovaných rostlinných olejů vyplývá pro podnik roční úspora ve výši 1 milionu dvou set tisíc korun. Tudíž by tomuto projektu nemělo stát nic v cestě. Poslední věcí je tepelný výměník pro ohřev oleje před jeho filtrací. Je možné, že koncepci jak je navržena
65
Hynek Mikula
Diplomová práce
na modelu (obrázek 5 kapitola 5.12) nebude možné realizovat pouze pomocí svarových spojů. Je už na zvážení stavitele zavedení spojů přírubových v kritických místech jeho konstrukce.
Seznam obrázků, tabulek a grafů Graf 1: Světová spotřeba rostlinných olejů za rok 2007 L[13]..............................................................10 Graf 2: Historická spotřeba másla, sádla, jedlých rostlinných tuků a olejů L[1] ...................................12 Obrázek 1: Schéma koloběhu rostlinného oleje ...................................................................................12 Obrázek 2: Fotografie kogenerační jednotky SEV MT 480P instalované v průmyslovém areálu v Jihlavě ..........................................................................................................................................................15 Obrázek 3: Model Kogenerační jednotky SEV MT 480P instalované v průmyslovém areálu v Jihlavě 16 Graf 3: Poměr spotřebované nafty k vyrobenému palivu za jeden rok (číselné údaje v grafu jsou v tunách jednotlivých paliv) ........................................................................................................................30 Graf 4: Poměr spotřebované elektrické energie k vyrobené elektrické energii za jeden rok (číselné údaje v grafu jsou v MWh) ..........................................................................................................................32 Tabulka 1: Spotřeba tepla za rok 2007 průmyslového areálu v Jihlavě................................................33 Tabulka:2 Spotřeba tepla za rok 2008 průmyslového areálu v Jihlavě ................................................34 Tabulka:3 Spotřeba tepla za rok 2009 průmyslového areálu v Jihlavě ................................................34 Tabulka 4: Rozdělení dodávaného tepla mezi KJ a plynové kotle ........................................................35 Tabulka 5: Podíl KJ na celkové spotřebě průmyslového areálu v Jihlavě .............................................36 Graf 5: Hustota řepkového oleje v závislosti na teplotě L[17]..............................................................46 Graf 6: Měrná tepelná kapacita řepkového oleje v závislosti na teplotě L[17] ....................................47 Graf 7: Tepelná vodivost řepkového oleje v závislosti na teplotě L[17] ...............................................48 Obrázek 4: Diagram parametrů P a R pro určení korekčního faktoru logaritmického teplotního spádu f. ..................................................................................................................................................................57 Obrázek 5: Koncepce autorem navrženého tepelného výměníku pro ohřev rostlinného oleje před jeho filtrací. Globální pohled 1-Vstup páry, 2-Výstup kondenzátu, 3-Nádoba na kondenzát, 4-Teplo směnné potrubí, 5-Hladina oleje, 6-Kondenzát, 7-Výfuk do volného prostoru, 8-Odvod kondenzátu. .....58 Obrázek 6: Regulační a měřící aparatura tepelného výměníku. 9-Škrtící ventil s nastavitelným výstupním tlakem, 10-Pojistný ventil s nastavitelným pojistným tlakem, 11,12-Kulové ventily, 13Tlakoměr .....................................................................................................................................................59 Obrázek 7: Nárys tepelného výměníku.................................................................................................60 Obrázek 8: Půdorys tepelného výměníku .............................................................................................61 Obrázek 9: Bokorys tepelného výměníku .............................................................................................62 Tabulka 6: Přehled vlastností médií a parametrů tepelného výměníku vodní pára – řepkový olej .....63
66
Hynek Mikula
Diplomová práce
Použitá literatura: L[1] Firemní literatura společnosti TRAFIN OIL a.s.
L[2] KAKAČ, S. – HONGTAN, L. Heat Exchanger selection, rating and thermal design. 2nd ed. USA: CRC Press, 2002. 501 s. ISBN 0-8493-0902-6.
L[3] MAREŠ, Radim ; ŠIFNER, Oldřich; KADRNOŽKA, Jaroslav . Tabulky vlastností vody a páry. Vysoké účení technické v Brně : VUTIUM, 1999. 156 s. ISBN 80-214-1316-6.
L[4] KUTATELADZE, S.S.; BORIŠANSKIJ, V.M. Příručka sdílení tepla. Ing.Miroslav Hibš CSc.. Praha : Státní nakladatelství technické literatury, 1962. 527 s. Typové číslo L11-E1-N-41/1338.
L[5] KRBEK, Jaroslav; OCHRANA, Ladislav; POLESNÝ, Bohumil. Zásobování teplem a kogenerace. Brno : PC-DIR Real, s.r.o., 1999. 143 s. ISBN 80-214-1347-6.
L[6] The Engineering ToolBox [online]. 2009 [cit. 2010-09-25]. Thermal Conductivity of some common Materials. Dostupné z WWW: .
L[7] Tn.cz [online]. 2010 [cit. 2010-08-23]. Rok 2010: 253 dnů práce. SVÁTKY A PRÁZDNINY. Dostupné z WWW:
L[8] Italinox [online]. 2009 [cit. 2010-09-25]. TRUBKY KRUHOVÉ, TAŽENÉ BEZEŠVÉ DIN 17458 (EN 10216-5) . Dostupné z WWW: .
L[9] Kurzy.cz [online]. 2010 [cit. 2010-08-23]. AKTUÁLNÍ CENY BENZÍNU, CENA NAFTY. Dostupné z WWW: .
L[10] PAVELAK, Milan, et al. Termomechanika. Brno : CERM, s.r.o., 2003. 284 s. ISBN 80-214-2409-5.
L[11] Line%C3%A1rn%C3%AD interpolace. In Wikipedia : the free encyclopedia [online]. St. Petersburg (Florida) : Wikipedia Foundation, 9.12.2007, last modified on 1.3.2010 [cit. 2010-09-25]. Dostupné z WWW: .
67
Hynek Mikula
Diplomová práce
L[12] Olej#Potravin.C3.A1.C5.99sk.C3.A9. In Wikipedia : the free encyclopedia [online]. St. Petersburg (Florida) : Wikipedia Foundation, 30.5.2006, last modified on 19.5.2010 [cit. 2010-09-26]. Dostupné z WWW: .
L[13] Soystats [online]. 2008 [cit. 2010-09-26]. World statistics. Dostupné z WWW: .
L[14] SUCHÁNEK, Pavel. Hobza.cz [online]. 2.10.2008 [cit. 2010-09-26]. Řepkový olej, český král olejů. Dostupné z WWW: .
L[15] Www.Aromaland.com [online]. 2009 [cit. 2010-09-27]. Aromaland. Dostupné z WWW: .
L[16]
Ambra
[online].
2010
[cit.
2010-09-27].
Plastové
sudy.
Dostupné
z
WWW:
.
L[17] Data z Ústavu Mléka a tuků Vysoké školy chemicko technologické v Praze
L[18] Teplotn%C3%AD objemov%C3%A1 rozta%C5%BEnost. In Wikipedia : the free encyclopedia [online]. St. Petersburg (Florida) : Wikipedia Foundation, 4.12.2006, last modified on 14.5.2010 [cit. 2010-10-07].
Dostupné
z
WWW:
.
L[19] Prandtl number. In Wikipedia : the free encyclopedia [online]. St. Petersburg (Florida) : Wikipedia Foundation, 30.1.2008, last modified on 1.9.2010 [cit. 2010-10-07]. Dostupné z WWW: .
L[20] Motorov%C3%A1 nafta#Hustota. In Wikipedia : the free encyclopedia [online]. St. Petersburg (Florida) : Wikipedia Foundation, 7.5.2006, last modified on 20.8.2010 [cit. 2010-10-11]. Dostupné z WWW: .
L[21] JÍCHA, Miroslav. Přenos tepla a látky. Brno : Akademické nakladatelství CERM, 2001. 160 s. ISBN 80-241-2029-4.
68
