Úspory vody a energie na prádelnách podle fyzikálních, nikoliv marketingových zákonů 2. část. V minulém díle této série jste se dozvěděli základní principy snižování spotřeby vody na tunelových pracích linkách, výhody a nevýhody, správný a nesprávný postup. Další téma je snižování spotřeby energie na pracích linkách, kdy nejběžnějším způsobem je zapojení tepelného výměníku. Zapojení tepelného výměníku ale není tak jednoduchá a jednoznačná záležitost, jak by se mohlo na první pohled zdát, a proto se podíváme hlouběji pod povrch této problematiky.
Tunelová pračka – šetření energie pomocí tepelných výměníků Každá prací linka funguje za specifických podmínek, a proto vyžaduje individuální přístup ke snižování spotřeby energie. Nesprávně zapojený tepelný výměník, nejen že nemusí přinést žádnou úsporu energie, ale může i zvýšit spotřebu vody a po jeho zapojení tedy vzniká ztráta a nikoliv úspora. Naopak, správně zapojený a regulovaný tepelný výměník může ušetřit nejen velké množství energie, ale v některých případech i velké množství vody. Nejběžnější způsob zapojení tepelného výměníku je chlazení odpadní vody a ohřev vody čisté (obr. 1). Důvod rozšířenosti tohoto způsobu je zřejmý, odebírání energie z odpadní vody přináší na první pohled největší úsporu energie. Při bližším pohledu ale zjistíme, že to neplatí pro všechny prací linky a každý sortiment prádla.
Příklad, kdy je klasické zapojení tepelného výměníku nevhodné, popisuje obr. 2 a následující text (pro jednodušší pochopení si najděte jednotlivé body na obr.2): • Bod A (obr. 2): Zavedla se úplná recirkulace lisové vody do máchací sekce s cílem snížit spotřebu vody čisté (viz. předchozí článek). Toto opatření je správné, ale jeho
•
•
•
velkou nevýhodou je to, že pro napouštění zbylých sekcí pak zůstává pouze voda z máchacího tanku. Voda z máchacího tanku je dostatečně kvalitní pro použití v hlavním praní nebo předepírce, ale jejím problémem může být vysoká teplota. Bod B (obr. 2): K prací lince se připojil tepelný výměník s cílem snížit spotřebu energie. Tepelný výměník však výrazně ohřívá máchací lázeň a tím pádem i máchací tank, což umocňuje problém s jeho vysokou teplotou. Teplota máchacího tanku může po připojení výměníku dosáhnout až 85°C (výčet dalších faktorů, které ovlivňují teplotu máchacího tanku, najdete na konci článku pod *1). Vysoká teplota je samozřejmě výhodná pro napouštění hlavního praní, ale nemusí být vhodná pro napouštění první komory. Příliš vysoká teplota v první komoře není vhodná pro enzymatické prací prostředky a odepírání biologických zašpinění pomocí enzymů. Zásadním problémem je pak praní operačního prádla s vysokým podílem krve, kde by teplota v první komoře neměla překročit 30°C. Při vyšších teplotách pak dochází k zaprání krvavých zašpinění, která je možné odstranit často jen s pomocí silné dávky chloru, který ale velmi snižuje životnost prádla. Nejjednodušším, nejspolehlivějším a zároveň i nejlevnějším řešením pro praní krvavých zašpinění tak stále zůstává praní ve studené prací lázni s následným ohřevem po odeprání krvavého zašpinění. Bod C (obr. 2): „Řešením“ této situace je napouštění první komory čistou vodou. Toto „řešení“ však neguje jak úspory vody pomocí recirkulace tak i úspory energie, protože čistá studená voda se musí následně ohřát. Nebezpečí plýtvání čisté vody v první komoře je i v tom, že se tak často děje automaticky a nepozorovaně (u moderních pracích linek je to často jen nastavením teplot v softwaru pračky, u starších pracích linek pomocí termostatu v nádrži). Bod D (obr. 2): Ještě větší problém nastává, jestli výměník ohřívá vodu nejen pro máchací sekci ale pro celou prací linku, tedy i pro první komoru. V tomto případě jsme prací lince zcela odebrali možnost vychlazení první komory. Se zapojováním výměníku na ohřev celé linky se střetáváme poměrně často. Jedná se však o připojení bez základních znalostí práce tepelných výměníků, které je nevhodné z mnoha důvodů (podrobněji dále v článku).
Existuje nějaké lepší řešení pro tyto podmínky? Určitě ano a je jím principiálně jiné (speciální) zapojení tepelného výměníku. Toto zapojení popisuje obr. 3 a následující text: • Bod A (obr. 3): Stejně jako v předcházejícím případě se zavedla úplná recirkulace lisové vody, takže pro napouštění zbylých částí prací linky zůstává pouze voda z máchacího tanku. • Bod B (obr. 3): Ohřívá se čistá voda a to pouze do máchání. Za normálních okolností se u tohoto systému čistá voda jinde ani nespotřebovává*3. • Bod C (obr. 3): Chladí se voda z máchacího tanku nikoliv voda odpadní. Teplo z odpadní vody se dá využít pomocí dalšího tepelného výměníku, například na ohřev vody pro vsádkové pračky. Pro samotnou prací linku však toto teplo nemá využití, a proto není potřeba ani vyrovnávací tank odpadní vody. • Bod D (obr. 3): Ochlazená odpadní voda se shromažďuje v tanku pro první komoru. Vyrovnávací tank je potřebný z toho důvodu, že splav prádla musí být rychlý, zatímco chlazení vody přes výměník pomalé a kontrolované. Voda, která se během cyklu chladí, se použije pro splav v cyklu následujícím. • Bod E (obr. 3): V případě použití vysoce výkonných moderních pracích prostředků určitého typu jako je např. Ariel Professional System od P&G je možné po určité době (min. 60 sekund) do první komory dopustit další vodu, která už nemusí mít nízkou teplotu, protože krev je již z prádla vyplavena. Příklad napouštění první komory může tedy vypadat následovně: - prádlo se splavuje vychlazenou máchací vodou (30°C) min. 3,5L/kg s koncentrovanými specializovanými pracími prostředky - po 60 sekundách se dopouští máchací voda nevychlazená (80°C) např. 1,5L/kg - teplota vody v první komoře na konci cyklu tedy je 45°C
Zkusme si ukázat, jaké výsledky dosahují různé způsoby zapojení tepelného výměníku na starší prací lince, kde se pere velký podíl nemocničního prádla znečištěného krví. Před optimalizací spotřebovávala prací linka 8,5L/kg čisté vody v máchání a další 1L/kg na ochlazení první komory. Celkově tedy 9,5L/kg. Součástí optimalizace je celková recirkulace lisové vody do máchání s cílem snížit potřebné množství vody čisté. Při zachované účinnosti máchání (viz. předchozí článek) se nyní může snížit průtok čisté vody máchací sekcí na 6L/kg. K prací lince se poté připojil tepelný výměník klasickým způsobem (obr. 2). V případě praní nemocničního prádla se však musí použít dalších min. 3,5L/kg čisté, studené vody pro odeprání krve v první komoře. Celková spotřeba vody po této optimalizaci dosahuje tedy opět min. 9,5L/kg (6+3,5) a investor nepocítí žádnou úsporu. Nevhodné zapojení tepelného výměníku v tomto případě nejenže neguje úsporu vody dosaženou pomocí recirkulace, ale nepřináší ani významnou úsporu energie, protože do první komory proudí studená čistá voda. Zapojíme-li však výměník speciálním způsobem podle obr.3, celková spotřeba vody na prací lince bude činit 6L/kg a to pouze do máchání, protože čistá voda se nebude zbytečně spotřebovávat jinde. Pokles spotřeby vody o více než 36% s sebou nese i úsporu energie a pracích prostředků. Pomocí úplné recirkulace lisové vody a speciálního zapojení tepelného výměníku můžeme dosáhnout celkovou spotřebu vody 6L/kg u starší prací linky a 4,5L/kg u moderní prací linky (s důkladným vypouštěním vody mezi hlavním praním a mácháním) a to i pro operační prádlo. Samozřejmostí je zachování vysoké kvality máchání, protože čistá voda nikam jinam proudit nemusí *3. Nevýhodou speciálního zapojení tepelného výměníku je větší náročnost na regulaci, protože je potřeba vychladit správné množství vody, na správnou teplotu, pro správný program a ve správný čas. Regulace tohoto procesu je náročnější, nikoliv však nezvládnutelná a první dva tyto systémy fungují již i v české republice. Kdy je klasické zapojení tepelného výměníku vhodné? Existují mnohé prací linky, na kterých se pere výrazná většina hotelového prádla, často za nižší teploty praní (60°C – 70°C). K těmto pracím linkám*4 je skutečně vhodné připojit výměník klasickým způsobem (obr. 2) a to i s kompletní recirkulací lisové vody. Protože ale
prací linky perou na nižší teplotě a tudíž odpadní voda má nižší teplotní potenciál, je nesmírně důležitá efektivita využití odpadního tepla. Pro maximální efektivitu systému je zapotřebí splnit následující základní podmínky, a to všechny současně: 1. Čistá voda teče přes výměník kontrolovaným a stálým, nikoliv kolísajícím průtokem. 2. Čistá voda teče přes výměník maximální možnou dobu, ideálně celý cyklus. 3. Odpadní voda je odebírána dostatečně rychle tak, aby nedocházelo k výraznému přetékání tanku odpadní vody. 4. Odpadní voda však není odebírána příliš rychle tak, aby nebyla všechna spotřebována např. již v první půlce pracovní doby výměníku (tento případ je ještě horší než bod 3). 5. Je použit správný typ a velikost tepelného výměníku. Ve výměníku musí docházet k silně turbulentnímu proudění. Větší proto neznamená vždy lepší, příliš velký výměník použitý pro malé průtoky sklouzává do laminárního nebo lokálně laminárního proudění. Laminární proudění ve výměníku je největší překážkou efektivního využití odpadního tepla. Proč nepřipojovat výměník na ohřev vody pro celou prací linku? Průtok čisté vody do protiproudého máchání prací linky je většinou do určité míry plynulý (někdy i zcela plynulý), a proto se výměník může připojovat přímo na něj. Nátok čisté vody do nádrží a první komory však v žádném případě plynulý není, naopak je velmi rychlý a nárazový. V případě, že se nádrže začnou napouštět, výměník se na straně čisté vody „strhne“ a o žádné efektivitě nemůže být ani řeči (nejsou splněny podmínky 1 a 2). Chceme-li efektivně fungující systém, který ohřívá vodu i do nádrží, jsou potřebné dvě vyrovnávací nádrže. Klasická nádrž na odpadní vodu a vyrovnávací nádrž na ohřátou čistou vodu. Do této nádrže proudí přes výměník voda plynule, zatímco z ní může být odběr nárazový. Proč je průtokové řízení efektivnější než řízení na výstupní teplotu čisté vody? Tepelné výměníky jsou v zásadě řízeny „třemi“ způsoby. Prvním způsobem je řízení na výstupní teplotu čisté vody, kdy se do systému zadává, na kolik stupňů se má čistá voda ohřát. Systém na požadavek reaguje tak, že automaticky snižuje nebo zvyšuje průtok odpadní vody přes druhou stranu výměníku. Průtok čisté vody se nemění, protože ten je dán poptávkou prací linky. Problémem tohoto způsobu řízení je to, že pokud je zvolená teplota příliš vysoká, systém začne odpadní vodu neúměrně rychle odčerpávat a ta brzy dochází. Vztah mezi výstupní teplotou čisté vody a průtokem vody odpadní je totiž zcela nelineární. Změníme-li například požadovanou výstupní teplotu čisté vody z 40°C na 45°C, může se průtok vody odpadní zvýšit i trojnásobně, tato voda je ale poté vyčerpána již v první třetině cyklu. Pokud naopak snížíme požadovanou teplotu na 35°C, sníží se průtok odpadní vody např. na polovinu a druhá polovina následně zbytečně přepadává z tanku. Problémem tedy je najít ideální požadovanou teplotu tak, aby byla odpadní voda odebírána efektivně. Navíc ideální požadovaná teplota se neustále mění v závislosti na mnohých faktorech (zejména teploty odpadní vody). U tohoto systému tedy nejsou splněny podmínky 3 a 4. Řízení na výstupní teplotu čisté vody má svoje opodstatnění pouze v případě, že je nutné z nějakého důvodu limitovat teplotu v máchání (např. na 30°C) a tím i při odvodnění - lisování. Dalším způsobem řízení tepelných výměníků je řízení průtokové. Při tomto řízení se vhodným systémem neustále sleduje (nebo i koriguje) množství čisté vody, které do prací linky proudí. Systém následně automaticky odebírá z tanku podobné množství vody odpadní. Tento systém efektivně funguje díky tomu, že do prací linky dlouhodobě vstupuje přibližně stejné množství vody, jako z ní vystupuje. Porovnání efektivity řízení na výstupní teplotu a řízení průtokového je shrnuto na obr.4.
Posledním typem „řízení“ je neřízený systém, kdy jsou průtoky nastaveny manuálně na základě odhadu. Systém nijak nekontroluje ani nereguluje průtoky ani teploty. Pro tento typ „řízení“ je nutno použít velký výměník s velmi velkou setrvačností na straně odpadní vody (například Energy Optimizer dodávaný společností Ecolab), kdy se tato strana do určité míry samoreguluje. Nicméně strana čisté vody velkou setrvačnost nemá, a proto by měla být plnohodnotně regulována. Bez této regulace systém stěží dosahuje efektivity řízení na výstupní teplotu, natož efektivity řízení průtokového. Jak by tedy mohl vypadat systém s maximální efektivitou? Systém je připojen pouze na protiproudé máchání prací linky. Nátok do máchání je snímán indukčním průtokoměrem a případně i regulován polohovatelným automatickým ventilem tak, aby byly splněny podmínky 1 a 2 (viz výše). Z tanku odpadní vody je neustále odebíráno podobné množství vody odpadní. Automatizace by měla být zajištěna opět indukčním průtokoměrem a polohovatelným automatickým ventilem (případně frekvenčním měničem na čerpadle). Tímto jsou splněny podmínky 3 a 4. Kromě toho je nutné vyhodnotit potřebné průtoky a na jejich základě zvolit vhodný typ a velikost tepelného výměníku, kdy je podmínkou turbulentní proudění ve všech jeho částech. *1 Na teplotu máchacího tanku mají hlavní vliv následující faktory: • Teplota hlavního praní • Zapojení/nezapojení tepelného výměníku • Zda se jedná o prací linku s vypouštěním, nebo bez vypouštění vody mezi hlavním praním a mácháním • Průtok vody máchací zónou a počet máchacích komor *2 Pozorný čitatel si jistě všiml, že na obr.2 se máchací voda vychladila o 50°C, zatímco čistá voda se ohřála pouze o 30°C. Je to z toho důvodu že čisté vody se ohřívá více, než se chladí vody máchací (přibližně v poměru 5:3). *3 V případě, že je k prací lince připojen výměník speciálním způsobem (obr. 3), čistá voda se skutečně většinou spotřebovává pouze v máchání. Výjimka může nastat, pokud je nakládka prádla do pračky velmi nerovnoměrná, nebo se pere nestálobarevné prádlo, kdy může čistá voda proudit i do tanků. *4 Klasické zapojení tepelného výměníku stojí za zvážení i v případě že prací linka pere větší podíl nemocničního prádla, ale cena vody na prádelně je příliš nízká, voda pochází např. z vlastního zdroje.
Ing. Vladimír Kšenzuliak Procter & Gamble Professional
