Případová studie využití odpadního tepla z technologického procesu

1. Vznik a možnosti využití odpadního tepla

Lisovací stroje prochází vývojem a množství uvolňujícího se odpadního tepla při jejich provozu se snižuje. Nové lisovací stroje s frekvenčně řízeným pohonem vydávají v závislosti na průběhu cyklu až o 2/3 nižší množství odpadního tepla než běžná zařízení s proporcionálně řízenou hydraulikou. Odpadní teplo v lisostřikovém stroji vzniká hydrostatickým přenosem energie čerpadlo–hydromotor, při ochlazování lisovací formy vodou a část tepelné energie odchází vzduchem. Nejvíce odpadního tepla produkuje hydrostatický přenos energie při svém největším zatížení tj. ve fázi vstřiku a dávkování taveniny do formy.

Množství vznikajícího odpadního tepla ve výrobně závisí na charakteru výroby, využití lisovacích strojů a současnosti jejich provozu. Systém vytápění a přípravy TV je schopen z odpadního tepla pracovat do venkovní teploty vzduchu 0 až 4 °C v závislosti na provozu lisovny, poté se postupně připojují plynové kondenzační kotle.

2. Popis technologie výroby

Vstřikovací lisy pro výrobu plastových výlisků jsou hydraulické stroje. Elektromotorem poháněná čerpadla hydraulického oleje elektronicky řízená tlakově i objemově dodávají olej o tlaku až 150 bar a požadovaného množství do hydraulických válců a hydromotorů. Při lisování výrobků se hydraulický olej zahřívá na teplotu až 42 °C. Hydraulický olej je přes deskový výměník ochlazován tak, že je energie odváděna mediem (etylenglykol) a využita nebo mařena v suchém chladiči. Zdrojem tlakového vzduchu jsou dva kompresory, každý o výkonu 30 kW. První z nich je starší a má regulaci výkonu ve 2 stupních a běží stále. Druhý kompresor je modernější s lepší regulací výkonu frekvenčním měničem a je v provozu, když výkon prvního kompresoru nestačí.

Tepelnou energii taveniny plastu vstřikovaného do formy je potřeba rovněž z formy odvést chladící vodou. Teplota vody je vyžadována cca 10 °C a její požadované parametry (Ph, tvrdost) jsou zajištěny v úpravně, aby se předešlo korodování vstřikovacích forem. Požadovaná teplota chladicí vody je zajišťována tepelným čerpadlem voda-voda. Tepelné čerpadlo má dva kompresory a jeho jmenovitý elektrický příkon je 30 kW (při t_v1 10 °C, t_k2 35 °C). Studená voda je akumulována v zásobníku objemu 700 litrů, aby byl omezen počet startů tepelného čerpadla. V této technologii vzniká odpadní teplo o nejvyšší teplotě.

3. Odpadní teplo ve vzduchotechnice

VZT jednotky jsou instalovány v lisovací hale pro zajištění dostatečného větrání a odvodu tepelné zátěže v letním období. V administrativní budově zajišťují především hygienické větrání v kancelářích a zasedacích místnostech.

Plastový granulát je pro vstřik do formy zahříván v plastikačním válci pomocí elektrického topení podle druhu v rozmezí 150 až 350 °C. Přestože jsou topná tělesa izolována, dochází k vyzařování tepla. Tím se uvolňuje odpadní teplo, které odchází do okolního vzduchu. Teplota vzduchu v hale dosahuje hodnoty až 29 °C. V lisovací hale je instalována vzduchotechnická jednotka s rekuperací, aby bylo možno teplo ve vzduchu využít. VZT jednotka má v nejnižších venkovních teplotách zajištěn předehřev vzduchu před vstupem do rekuperačního výměníku topnou vodu z plynového kotle nebo odpadním teplem z chlazení hydrauliky lisovacích strojů.

Nasávání čerstvého venkovního vzduchu do VZT jednotek je orientováno na JZ světovou stranu (vzhledem k vlastnictví daného pozemku). Nepříznivá orientace nasávacího otvoru vzhledem ke světovým stranám je eliminována vzrostlými stromy a protékajícím potokem v bezprostřední blízkosti. Hala by byla zejména v letním období bez účinné vzduchotechniky přehřívána, proto je VZT jednotka navržena tak, aby byla schopna zajistit dostatečnou výměnu vzduchu. K rekuperaci v letním období nedochází, jednotka je opatřena by-pasem.

4. Zajištění pohody prostředí v hale s lehkým obvodovým pláštěm

Lisovací i montážní hala mají lehký obvodový plášť a se změnou teploty venkovního vzduchu se velmi rychle mění požadavky na předávaný topný výkon a množství větracího vzduchu. Velký vliv na interní mikroklima hal, které je dlouhodobě měřené a vyhodnocované, má sluneční svit. Čidly, umístěnými na východní a západní fasádě, je měřen sluneční svit a čidly v pracovním prostoru osob je zaznamenávána teplota vzduchu v halách. Zkušenostmi byla pracovníky zjištěna závislost mezi intenzitou a délkou slunečního svitu a požadovanou teplotou vzduchu pracovníky a s tím související teplotní skoky ve dnech, kdy se rychle mění počasí, které pracovníci vnímají velmi nepříznivě. Proto je změna teploty vzduchu v jednotlivých dnech v halách udržována na přiměřené odchylce, regulací předávaného topného výkonu a množství přiváděného/odváděného vzduchu, aby pracovníci nebyli ovlivněni tepelným diskomfortem ve dnech, kdy venkovní teploty kolísají. Pro komfortní distribuci vzduchu do prostoru slouží textilní výústky.

5. Využití odpadního tepla na přípravu TV

Odpadní teplo z chlazení hydraulického oleje a z předehřátých par na sání kompresoru je využito také pro předehřev teplé vody. Teplá voda je předehřívána na 45 °C v zásobníku objemu 1000 litrů. V dalším zásobníku o objemu 1000 l je tato předehřátá voda dohřívána kotlovou vodou z chlazení kompresorů na 55 °C, případně plynovými kotli.

Teplá voda je využívána především ve sprchách pro zaměstnance ve výrobě (55 osob) a také v administrativní části (24 osob), kde je spotřeba nižší. Objem vody v zásobnících je dostačující pro jeden pracovní den.

Specifická potřeba teplé vody o teplotě 55 °C dle [1] je pro administrativní budovu 15 [l‧os⁻¹‧den⁻¹] a pro sprchu v průmyslovém závodě 30 [l‧sprchovou koupel⁻¹‧den⁻¹]. Nejvyšší denní potřeba teplé vody v závodě je:

Úspora tepla pro ohřev teplé vody z 10 °C na 55 °C odpadním teplem z výroby je:

6. Využití odpadního tepla na teplovodní vytápění

Vznikající odpadní teplo je využíváno pro vytápění montážní haly, administrativních prostor a šaten pro zaměstnance ve výrobě. V projektu rozšíření výroby spojené se stavbou nové administrativní budovy, byl navržen nízkoteplotní otopný systém tak, aby mohlo být odpadní teplo efektivně využito. V co nejvyšší možné míře je využíváno nízkoteplotní podlahové vytápění, v šatnách pro zaměstnance jsou otopná tělesa s nízkoteplotním otopným spádem a v severně orientovaných kancelářích výkon podlahového vytápění nestačil, proto zde byla zde doplněna otopná tělesa.

Obrázek č. 1: Průběh teploty otopné vody v podlahové ploše a za směšovacím ventilem, dále průběh teploty vzduchu v místnosti RM (referenční místnost), M1, M2 a venkovní teploty během časového období

Plocha podlahového vytápění 1080 m² má akumulační funkci, která je ve velké míře využívána. Zaměstnanci pracující v halách přicházejí do zaměstnání, a tedy v první řadě do šaten, mezi 4. a 6. hodinou ranní. V tuto dobu jsou vysoké požadavky na teplotu vzduchu v šatnách, veškerý potřebný výkon je dodáván do šaten a je tedy utlumen předávaný výkon podlahovým vytápěním v administrativě, kde je po tuto dobu naakumulovaná energie.

Teplota přívodní otopné vody do systému se pohybuje v rozmezí 55 až 40 °C v závislosti na venkovní teplotě. Odpadní teplo běžně ohřívá otopnou vodu na dostatečnou teplotu. Plynové kotle se zapojí až při nedostatku odpadního tepla. Na obrázku č. 1 je zobrazen průběh teploty otopné vody v jednotlivých okruzích podlahového vytápění.

7. Závěr

Z hlediska zdrojů energií a technických požadavků je hlavní důraz kladen na zajištění potřeb nutných pro strojní vybavení. Požadavkům pracovníků na komfort interního mikroklima je vycházeno vstříc v co nejvyšší možné míře.

Ve firmě není využita možnost akumulace odpadního tepla nebo otopné vody, všechno dostupné teplo, po nahřátí zásobníku TV, odchází přímo do okruhů vytápění a VZT, proto je stěžejním prvkem systému regulace. Regulování takto složitého systému s prakticky stále se měnícími požadavky, kam má být využitelné odpadní teplo dodáváno, je velmi složité. Proto, zejména v nad-nulových venkovních teplotách, dochází ke stavu, kdy musí být část odpadního tepla mařena v suchém chladiči, když není okamžitý požadavek na jeho využití. Racionální návrh objemu akumulačního zásobníku odpadního tepla by snížil požadavky na regulaci a umožnil by redukovat časovou nerovnoměrnost mezi dodávkou a odběrem energie. Přesnější informaci o možných úsporách odpadní energie, která je při současném technickém řešení mařena a jejíž část by bylo možné snížit využitím akumulačního zásobníku, by bylo možné stanovit na základě přesného dynamického výpočtu dodávky a odběru energie v čase v závislosti na venkovní teplotě.

Plánované rozšíření výroby sebou přineslo úvahy o dalším rozšíření využití odpadního tepla do nové haly. Nová montážní hala bude vzdálená od hlavního zdroje odpadní energie natolik, že výpočetně transport topného média nevykazuje ekonomicky přijatelné výsledky.

Pro realizaci projektu využití odpadního tepla bylo využito podpory z fondů EU a MPO.

Použitá literatura

• [1] ČSN EN 15316-3-1 Tepelné soustavy v budovách – Výpočtová metoda pro stanovení potřeb energie a účinností soustavy – Část 3-1: Soustavy teplé vody, charakteristiky potřeb (požadavky na odběr vody).