Využití odpadního tepla z kompresoru stlačeného vzduchu
Při kompresi stlačeného vzduchu se energie potřebná k pohonu kompresoru přeměňuje z 90 % na teplo. Pro zabezpečení dlouhé životnosti kompresoru je nutné zajistit pokud možno jeho stálou provozní teplotu. Přebytečné teplo se zpravidla bez užitku odvádí do okolního prostředí. Autor popisuje zdařilé využití odpadního tepla pro předehřívání otopné vody určené pro technologický ohřev, přípravu teplé vody a vytápění. Řešení je schematicky znázorněno.
Recenzent: Jiří Matějček
Vzduchový kompresor je stroj na stlačování atmosférického vzduchu na přetlak vyšší než 0,2 MPa (pokud je přetlak nižší než 0,2 Pa, jedná se o vývěvu). Z termodynamického principu stlačování vzduchu plyne, že zhruba 90 % elektrické energie, která je potřebná pro pohon elektromotoru kompresoru, se přemění v kompresní teplo. Pouze zbývajících asi 10 % se přemění v energii stlačeného vzduchu, pro kterou se kompresor provozuje. V současnosti se ve většině případů prosazuje technologie šroubových kompresorů, které jsou chlazeny buď vzduchem nebo vodou.
Do výrobního objektu s parní výměníkovou stanicí, která slouží kromě vytápění a přípravy teplé vody z více jak 50 % především pro celoroční technologický ohřev produktů, resp. slouží ke hrazení tepelných ztrát v potrubí a zásobnících tak, aby teplota produktů neklesla pod hranici čerpatelnosti, tj. cca 45 až 50 °C, byl instalován nový kompresor stlačeného vzduchu.
Vzduchový výkon kompresoru 25,9 m3·min–1, výstupní přetlak stlačeného vzduchu 0,7 MPa, elektrický příkon 142 kW. Jednotka je dvoustupňová se šroubovými kompresory poháněnými elektrickým motorem, s frekvenčním měničem a v provedení s vodním chlazením.
Nasávaný vzduch prochází filtrem a je stlačen v nízkotlakém stupni kompresoru. Odtud prochází mezichladičem, dále je stlačen ve vysokotlakém stupni kompresoru, a poté prochází dochlazovačem do výstupního potrubí. Výstupní teplota vzduchu je max. 44 °C.
Chladicí voda proudí přes olejový chladič, chladicí plášť vysokotlakého stupně kompresoru a nízkotlakého stupně kompresoru; paralelně k tomu část chladicí vody protéká mezichladičem a dochlazovačem.
Pozn.: V obr. 1 není respektována skutečnost, že na kompresoru jsou pro obě paralelní větve samostatná hrdla.
V případě chlazení vodou lze odpadní teplo ve formě ohřáté vody (u tohoto kompresoru max. 90 °C) využít dále pro různé účely – technologické, příprava teplé vody, ale i vytápění při vhodných teplotních parametrech. Vzhledem k tomu, že požadovaná vstupní teplota chladicí vody do kompresoru činí 35 °C (max. 40 °C), je nejčastěji vhodná aplikace přípravy teplé vody, a to jak z důvodu teplotních parametrů, tak celoročního využití. Z výše uvedeného požadavku je proto nutné instalovat chladič (vzduchový nebo i vodní), který vždy zajistí požadovanou vstupní teplotu chladicí vody.
V předmětném realizovaném projektu je navrženo využití odpadního kompresního tepla v několika stupních – jak do systému otopné vody, tak pro předehřev teplé vody.
Jak je uvedeno výše, je průtok chladicí vody uvnitř kompresoru rozdělen na dvě paralelní větve – tzv. okruh sušičky (tj. onen mezichladič a dochlazovač) s výkonem 16 kW s teplotním spádem 35/40 °C, a okruh chlazení oleje a pláště kompresorových stupňů o výkonu 126 kW s teplotním spádem 35/80 °C. Vzhledem k tomu, že z ekonomických i dispozičních důvodů výkon sušičky není využitelný, je tento výkon vyveden přímo na (záložní) vzduchový chladič.
Vysokou teplotu i ztrátový výkon, použitelné pro širší okruh aplikací, generuje okruh chlazení oleje a pláště kompresorových stupňů. V prvním stupni se ohřátá chladicí voda na 80 °C (max. 90 °C) využívá pro přihřívání vratné vody otopné soustavy (celoročně s teplotou cca 50 °C) před vstupem do parní předávací výměníkové stanice (2x 1100 kW). Zde se odebírá trvale výkon 72 kW (tj. cca 50 % kompresního tepla). Pak protéká dvěma sériově řazenými deskovými výměníky dimenzovanými na zbývající výkon cca 80 kW, které slouží pro předehřev teplé vody. Zde již nelze zajistit trvalý odběr (ten závisí na okamžité potřebě teplé vody) a proto je proměnlivý zbytek výkonu odebírán ve vzduchovém chladiči. Jeho chladicí výkon je autonomně řízen na základě výstupní teploty 35 °C (max. 40 °C) pomocí otáček ventilátoru s elektrickým motorem s frekvenčním měničem.
Vždy je nutné předpokládat a řešit nestandardní provozní stavy. Pro případ opravy je osazen zkrat na okruhu využití tepla (uzavírací armatura 1), který umožňuje pro chlazení kompresoru použít pouze záložní vzduchový chladič.
Naopak pro případ odstávky kompresoru v zimním období, při podnulových venkovních teplotách, je třeba vzduchový chladič chránit před zamrznutím, k čemuž je určen zkrat s uzavírací armaturou 2.
Celkové funkční schéma využití odpadního tepla z kompresoru stlačeného vzduchu je na obr. 2. Projekt byl realizován v roce 2011 s celkovým nákladem (potrubní část) 530 tis. Kč bez DPH.
A jedna statistika na závěr: Údajně pouze 5 % provozovatelů kompresorů se zajímá o těch 90 % elektrického příkonu odcházejícího ve formě tepla, které odchází nevyužité do okolí. Z uvedených 5 % pouze 1 % toto teplo skutečně racionálně využívá.
Ceny energie zřejmě už nikdy klesat nebudou, takže je vhodné a zřejmě bude i nutné, využít všechny její možné úspory.
Heat Recovery from Air Compressor
The author describes a specific example of the use of heat from the refrigeration of the compressor.
Keywords: compressed air, heat recovery