Artykuł naukowy

Charakterystyka pracy płytowego rekuperatora
ciepła zainstalowanego w układzie suszącym
maszyny papierniczej.
Streszczenie: W pracy przedstawiono wyniki badao parametrów technologicznych pracy
prototypowego płytowego wymiennika ciepła zainstalowanego fabryce papieru. Opisano specyfikę
procesu wymiany ciepła w układzie suszącym wstęgę masy makulaturowej. Częśd badawcza stanowi
podstawę do doboru parametrów pracy w zależności od potrzeb układu.
Słowa kluczowe: rekuperacja ciepła, suszenie masy papierniczej, płytowe wymienniki ciepła
1.Wstęp
Układy rekuperacji ciepła znajdują obecnie szerokie zastosowanie w wielu gałęziach
przemysłu. Ilośd zawróconej energii cieplnej w procesie rekuperacji przekłada się na zmniejszenie
zapotrzebowania energetycznego układu oraz ograniczenie emisji do atmosfery.
W papiernictwie najbardziej energochłonnym etapem produkcji jest suszenie papieru, podczas
którego główna częśd ciepła zużywa się na odparowanie wody z wilgotnej wstęgi.
Stosowane powszechnie w papierniach układy rekuperacji ciepła najczęściej wyposażane są
w wymienniki krzyżowe. Wymienniki krzyżowe znajdują szerokie zastosowanie ze względu na niskie
koszty ich produkcji oraz brak konieczności doprowadzania energii zewnętrznej do ich pracy.
Sprawnośd odzysku ciepła w wymiennikach krzyżowych sięga 60%. Wymienniki krzyżowe
dedykowane są do pracy tylko w temperaturach dodatnich, gdyż już w temperaturze -5°C powstaje
szronienie powierzchni wymiany ciepła. W przypadku niskich temperatur konieczna jest instalacja
dodatkowego urządzenia, którego zadaniem jest wstępne ogrzanie powietrza.
Innowacyjne rozwiązanie pozbawione wad wymiennika krzyżowego zaproponowała firma
PPH KRYSTIAN. Układ rekuperacji został wyposażony w specjalnej konstrukcji wymiennik płytowy
realizujący odzysk ciepła części suszącej maszyny papierniczej. Urządzenie ma za zadanie wymieniad
energię cieplną pomiędzy czynnikiem opuszczającym maszynę, a powietrzem atmosferycznym
zasilającym układ suszący. Sprawnośd odzysku ciepła tego wymiennika wynosi ponad 80%.
2.Charakterystyka realizowanego procesu
Przekazywanie ciepła następuje przez ściany separujące strumienie powietrza w oparciu o
zasadę przenikania ciepła. Czynnikiem ogrzewanym zasilającym maszynę papierniczą jest powietrze
atmosferyczne o parametrach zmiennych, zależnych od pory dnia, roku, warunków pogodowych.
Czynnikiem grzewczym jest powietrze odlotowe z procesu suszenia masy papierniczej.
Na wejściu do wymiennika zainstalowano wymiennik bezprzeponowy umożliwiający
mieszanie doprowadzanego czynnika ogrzewanego z wyprowadzanym czynnikiem grzewczym.
Proces suszenia masy papierniczej odbywa się na cylindrach ogrzewanych parą, osłoniętych
okapturzeniem. W części suszącej wstęgę suszy się do osiągnięcia koocowej suchości 90 – 95%.
Niemal całe ciepło użyte w procesie suszenia odprowadzane jest do rekuperatora. Temperatura
powietrza wynosi 90-100°C, a zawartośd wilgoci 140-160 gramów wody na 1 kg suchego czynnika.
Powietrze atmosferyczne (czynnik ogrzewany) tłoczone jest przez kanały wymiennika, a
następnie nagrzewnicę do części suszącej wstęgę papieru na maszynie papierniczej. Czynnik
przepływając przez wymiennik ogrzewa się do temperatury ok 70°C, a wymagana temperatura na
poziomie 135°C osiągana jest na nagrzewnicy gazowej zainstalowanej za kanałem wylotowym.
Jednocześnie czynnik jest osuszany do wilgotności względnej nie przekraczającej 8%. Prędkośd
przepływu jest sterowalna i zależy od wydajności zespołu suszącego maszyny papierniczej. Wydatek
czynnika wynosi 21 ton na godzinę pracy.
Powietrze odlotowe z procesu suszenia (czynnik grzewczy) jest zasysane do wymiennika
wraz z powietrzem z hali produkcyjnej. Wydajnośd wentylatora ssącego powinna gwarantowad
całkowite odprowadzenie ogrzanego na zespole suszarniczym powietrza do rekuperatora.
Powietrze grzewcze o temperaturze początkowej ok. 135°C , stanowiące czynnik oddający ciepło
poprzez przegrody płytowe w procesie rekuperacji przepływając w przeciwprądowo z czynnikiem
ogrzewanym, oziębia się do ok 100°C. Jednocześnie podczas wymiany ciepła następuje kondensacja
zawartej w czynniku odlotowym pary wodnej oraz osadzanie zanieczyszczeo (pyłu) na powierzchni
płyt wymiennika od strony czynnika grzewczego.
W koocowym etapie schłodzone powietrze może zostad zawrócone do obiegu lub
odprowadzone do atmosfery. W przypadku otwarcia przepony i zawracania czynnika grzewczego do
układu nie można dopuścid do znacznego zwiększenia wilgotności względnej czynnika ogrzewanego.
3.Układ pomiarowy
Obiektem badawczym, którego parametry pracy określano jest płytowy wymiennik ciepła
będący częścią systemu rekuperacji ciepła z układu suszenia masy papierniczej. Umiejscowienie
czujników pomiarowych możliwe jest w miejscach pomiędzy elementami roboczymi układu. Wyniki
pomiarów mają ocenid poprawnośd zastosowanej konstrukcji oraz parametrów technologicznych
wymiennika płytowego, dlatego nagrzewnica gazowa na czas prowadzenia badao została wyłączona.
Układ rekuperacji został podzielony na poszczególne strefy, w których zbierano wyniki pomiarów:
01 – zasilanie układu rekuperacji powietrzem atmosferycznym z zewnątrz hali
02 – przestrzeo pomiędzy wentylatorem tłoczącym a wymiennikiem płytowym
03 – wylot powietrza ogrzewanego z wymiennika płytowego
11 – zasilanie układu rekuperacji czynnikiem oddającym ciepło
12 – przestrzeo pomiędzy wymiennikiem przeponowym a wentylatorem ssącym
13 – wylot czynnika oddającego ciepło z układu rekuperacji
Dla określenia wilgotności względnej oraz temperatury czynników w kanałach łączących
poszczególne sekcje zostały zainstalowane czujniki higrometryczne. Punkt charakterystyczny 01
pozwala na rejestrację zmiennych w czasie parametrów powietrza pobieranego z zewnątrz hali
produkcyjnej.
W celu oceny zmian wilgotności oraz temperatury powietrza przepływającego przez wentylator
tłoczący zainstalowany został kolejny higrometr przewodzie łączącym wentylator z płytowym
wymiennikiem ciepła (punkt charakterystyczny 02). Dane potrzebne do określenia zmiany
parametrów fizycznych czynnika ogrzewanego przepływającego przez wymiennik ciepła zostają
zbierane w części wylotowej wymiennika przed nagrzewnicą gazową (punkt charakterystyczny 03).
Analogicznie opomiarowana jest częśd grzewcza układu rekuperacji. Przed wlotem czynnika
grzewczego do wymiennika ciepła mierzona jest jego temperatura oraz wilgotnośd względna (punkt
11). Spadek temperatury czynnika grzewczego rejestrowany jest na wyjściu z wymiennika (punkt 12),
natomiast czujnik w punkcie 13 dostarcza informacji o parametrach powietrza oprowadzanego do
atmosfery.
4.Analiza wyników
4.1 Mieszanie czynników roboczych rekuperatora
Układ rekuperacji wyposażony w wymiennik bezprzeponowy sterowany z panelu
operatorskiego pozwala na mieszanie czynnika ogrzewającego opuszczającego wymiennik
przeponowy z powietrzem atmosferycznym pobieranym z zewnątrz. Zabieg taki pozwala na
sterowanie parametrami termodynamicznymi powietrza zasilającego rekuperator.
W celu określenia wpływu zmiany stopnia mieszania na pracę rekuperatora
przeprowadzono szereg pomiarów dla stałych wartości przepływów obu czynników. Element roboczy
wymiennika bezprzeponowego stanowi przegroda, którą możemy sterowad obracając ją od 0° do 90°.
Wartośd zerowa oznacza odseparowanie kanałów przepływowych czynników, natomiast 90°
maksymalne otwarcie przepony.
Przyjęte oznaczenia symbolizują parametr termodynamiczny w danym punkcie charakterystycznym
układu:
W01, T01 – odpowiednio wilgotnośd względna i temperatura powietrza atmosferycznego
pobieranego z zewnątrz hali
W02, T02 – wilgotnośd, temperatura czynnika ogrzewanego przed wymiennikiem płytowym
W03, T03 – wilgotnośd, temperatura czynnika ogrzewanego po wyjściu z wymiennika płytowego
T11 - temperatura czynnika ogrzewającego przed wlotem do wymiennika płytowego
W12, T12 – wilgotnośd, temperatura czynnika ogrzewającego po wyjściu z wymiennika płytowego
W13, T13 – wilgotnośd, temperatura czynnika odprowadzanego do atmosfery lub zawracanego do
układu (w zależności od ustawienia przepony).
80
60
40
20
0
0
10
20
Otwarcie klapy [°]
30 40 50 60 70
W01
W02
80 90 100
W03
Wykres 1. Wilgotnośd względna czynnika ogrzewanego w zależności
od otwarcia przepony.
-30
100
80
60
40
20
0
0
10
20
Otwarcie klapy [°]
30 40 50 60 70
W12
W13
80
90 100
Wykres 3. Wilgotnośd względna czynnika grzewczego w zależności
od otwarcia przepony
40
Wykres 2. Zmiana wilgotności czynnika ogrzewanego
y = -5,6848x + 68,867
R² = 0,775
90
120
Wilgotność względna [%]
-40
90
16
80
17
70
13
60
17
50
10
-3 40
30
-13
-3 20
10
10
0
12
Wilgotność względna [%]
-20 -10
0
10
20
30
W02-W01
15
80
11
70
18
60
18
50
42
40
56
30
55
20
57
10
53
0
51
Wilgotność względna [%]
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60
W13-W12
Wykres 4. Zmiana wilgotności czynnika grzewczego
Otwarcie przepony
Wilgotność względna [%]
100
Otwarcie przepony
Dla zobrazowania zmian wartości parametrów pomiędzy punktami pomiarowymi przyjęto:
W02-W01 – zmiana wilgotności względnej czynnika ogrzewanego podczas przepływu przez
wentylator tłoczący,
W03-W02 – zmiana wilgotności względnej czynnika ogrzewanego po przejściu przez wymiennik
płytowy,
W12-W13 – zmiana wilgotności względnej czynnika ogrzewającego podczas przepływu przez
wentylator ssący,
T02-T01 – zmiana temperatury czynnika ogrzewanego podczas przepływu przez wentylator tłoczący,
T03-T01 – zmiana temperatury czynnika ogrzewanego podczas przepływu przez wymiennik ciepła,
T12-T11 – zmiana temperatury czynnika ogrzewającego przepływającego przez wymiennik ciepła,
T13-T12 – zmiana temperatury czynnika ogrzewającego podczas przepływu przez wentylator ssący.
40
30
20
10
0
0
10
20
Otwarcie klapy [°]
30 40 50 60 70 80
T01
T02
T03
90 100
Wykres 5. Temperatura czynnika grzewczego w zależności
od otwarcia przepony
-40
-30
30
40
Wykres 6. Zmiana temperatury czynnika grzewczego
y = -0,2612x - 6,2533
R² = 0,3556
70
60
Temperatura
-20
80
14,4
70
13,4
60
11,5
50
9,2
40
8
30
6,3
20
5,4
10
4,3
0
3,1
Temperatura [°C]
-10
0
10
20
T02-T01
50
40
30
20
10
0
0
10
20
Otwarcie klapy [°]
30 40 50 60 70
T11
T12
Wykres 7. Temperatura czynnika oddającego ciepło
80
90 100
-40
-30
-6,4
-9,6 80
-9,5
-8,7 60
-7,7
-8,4 40
-7,6
-6,6 20
-6,4
-6 0
Wilgotność względna [%]
-20 -10
0
10
20
30
T13-T12
Wykres 8. Zmiana temperatury czynnika grzewczego
Stopieo mieszania strug czynników roboczych układu rekuperacji wpływa na wartości
parametrów termodynamicznych powietrza zasilającego wymiennik. Z przeprowadzonych pomiarów
wynika, że zainstalowany wymiennik bezprzeponowy spełnia założoną funkcję. Dzięki sterowaniu
stopniem otwarcia przegrody możemy zwiększyd temperaturę czynnika ogrzewanego podawanego
na wymiennik płytowy nawet o 15°C. Jednocześnie należy uwzględnid wzrost wilgotności względnej
jaki wnosi nasycony parą wodną czynnik oddający ciepło. Aby praca układu była optymalna otwarcie
przepony powinno się zmieniad dynamicznie w zależności od parametrów wyjściowych czynnika
ogrzewanego.
Otwarcie przepony
Temperatura
50
Otwarcie przepony
y = 1,2691x + 1,8
90 R² = 0,93112,2
60
40
4.2 Wpływ prędkości przepływu na wymianę ciepła
Drugi etap badao stanowi odpowiedź na wpływ prędkości przepływu czynnika ogrzewanego
na zdolnośd wymiany ciepła w rekuperatorze płytowym. Prędkośd przepływu regulowana jest za
pomocą zmiany obrotów wentylatorów tłoczącego i ssącego. Uzyskane wyniki są podstawą do oceny
doboru parametrów technologicznych systemu zainstalowanego w fabryce papieru. Przeprowadzone
pomiary obrazują zachowanie się układu przy zamkniętym wymienniku bezprzeponowym.
25
70
Temperatura [°C]
Wilgotność względna [%]
60
50
40
30
20
23
22
21
10
0
24
Obroty wentylatora [obr/min]
426 466 506 546 586 626 666 706 746 786 826
W01
W02
20
Obroty wentylatora [obr/min]
426 466 506 546 586 626 666 706 746 786 826
T01
T02
Wykres 9. Wilgotnośd względna oraz temperatura czynnika ogrzewanego w zależności od prędkości obrotowej wentylatora.
Wyniki pomiarów wskazują na zjawisko osuszania powietrza podczas przepływu przez wentylator
tłoczący. Proces ten zachodzi przy bardzo małej zmianie temperatury czynnika przepływającego przez
wentylator.
70
Wilgotność względna [%]
Temperatura [°C]
60
50
40
30
20
10
0
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
Obroty wentylatora [obr/min]
426 466 506 546 586 626 666 706 746 786 826
W02
W03
Obroty wentylatora [obr/min]
426 466 506 546 586 626 666 706 746 786 826
T02
T03
Wykres 10. Rekuperacja ciepła w wymienniku płytowym – parametry czynnika odbierającego ciepło.
Temperatura [°C]
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
Obroty wentylatora [obr/min]
426 466 506 546 586 626 666 706 746 786 826
T11
T12
Wykres 11. Rekuperacja ciepła w wymienniku płytowym – temperatura czynnika oddającego ciepło
Zdolnośd wymiany ciepła jest utrzymana w całym zakresie zmienianej prędkości obrotowej
wentylatora tłoczącego. Nie następuje wzrost temperatury czynnika ogrzewanego wraz z
wydłużeniem czasu rezydowania w sekcji wymiany ciepła. Wartośd temperatury utrzymuje się na
poziomie 37-38°C w zakresie 420-640 obr./min. Optymalną prędkością przepływu jest uzyskana dla
660 obr./min wartośd 1,2 m/s (wydatek 22 tony/godzinę). W tym przypadku temperatura wynosi
43,6°C,a wilgotnośd względna 10%. Dalsze zwiększanie prędkości przepływu (680-840 obr./min.)
skutkuje liniowym obniżaniem temperatury na wyjściu z wymiennika.
5. Wnioski
Proces rekuperacji ciepła z układu suszenia maszyny papierniczej jest specyficzny ze
względu na duże zapotrzebowanie czynnika roboczego dostarczanego do części okapturzenia
maszyny papierniczej, kondensację pary wodnej i występowanie cząstek stałych (zanieczyszczeo) w
czynniku oddającym ciepło. Zainstalowanie wymiennika płytowego w układ suszący maszyny
papierniczej przyniosło wymierne skutki ekonomiczne i ekologiczne. Z uwagi na to, że jest to model
prototypowy, finalna konstrukcja powinna zostad zoptymalizowana pod kątem wymiarowym i
technologicznym realizowanego procesu.
Autor: mgr inż. Dominik Grygiel