BRODSKI RASHLADNI SUSTAVI dio 2.
Kompresori • Kompresori su radni strojevi koji komprimiraju neki plin ili paru na viši tlak.
Literatura • Branimir Pavković: Kompresori,Tehnički fakultet Rijeka
STAPNI KOMPRESORI • Po dobavi se stapni kompresori mogu podijeliti na: • male (do 10 m3/min), • srednje (10 do 100 m3/min) • velike (iznad 100 m3/min).
Proces kompresije • Ovako predočen proces je idealan proces. • Pretpostavlja se da kompresor radi s idealnim plinom. • Zanemaren je štetni prostor i njegov utjecaj, nije uzeta u obzir tromost ventila i stvarna brzina njihova otvaranja, • zanemarena izmjena topline između plina i stijenkecilindra.
Promjena stanja
Tehnički rad
Stupanj dobave kompresora • Dobava kompresora je ona količina plina ili pare koju dobavlja kompresor, ta se količina odnosi na stanje koje vlada na usisnom priključku kompresora.
λ1-Utjecaj štetnog prostora – uzima se u obzir kroz λ2-Utjecaj pada tlaka Δp1 kod usisavanja λ3- Utjecaj propusnosti λ4-Utjecaj broja okretaja kompresora na stupanj dobave
Indikatorski dijagram • • •
• • •
•
Usisni i tlačni ventil rade automatski i otvaraju se uslijed razlike tlakova. Usisni se ventil otvara kod d, tj nešto malo ispod tlaka p1 . Uslijed toga što još nije do kraja otvoren, tlak i dalje pada do M1. U M1 ventil je potpuno otvoren. U 1' usisni se ventil zatvara. Kompresija teče od 1'. Kad stap prijeđe put koji odgovara volumenu Vb postiže se tlak p1 u cilindru. Tlačni se ventil počinje otvarati u O,a maksimalno je otvoren u M2. Kad stap dođe u GMT, ostaje u cilindru Va plina i tlačni se ventil zatvara. Kad se tlačni ventil zatvori, na putu stapa od GMT do d nema usisavanja, jer tu ekspandira plin iz štetnog prostora. Usisavanje se ne vrši na cijelom putu stapa s, već na putu s-a.
Stupnjevi djelovanja • Za vrijeme jednog stvarnog ciklusa izvrši se rad L koji se računa kao
Mehanički stupanj djelovanja
Stvarni rashladni proces 1-2 Od isparivača do kompresora, dovođenje topline 2-3 Usisni ventil, pad tlaka 3-4 Dovođenje topline prilikom usisa 4- Početak kompresije 4-5 Kompresija 4-M-5, Hlađenje vodom 4-M’-5, Hlađenje zrakom 5-6, hlađenje pare prije izlaska iz cilindra 7-Ulaz u kondenzator 8-Izlaz iz kondenzatora 9-Podhlađivanje
Od 4-M Toplina se dovodi od stjenke cilindra na plin Od M-5 Toplina se odvodi od plina na stjenku cilindra Točka M, nema izmjene topline između stjenke cilindra i plina
Stvarni rashladni proces • Kod stvarnih se procesa isparivanje odvija u isparivaču uz promjenjivi tlak (uslijed pada tlaka pri strujanju), što uzrokuje i promjenjivu, sve nižu temperaturu isparivanja. • Zbog toga kompresor u stvarnom rashladnom procesu siše paru radne tvari s nižeg tlaka nego što je to u teoretskom procesu. • Komprimirana para utiskuje se u stvarni kondenzator pri većem tlaku nego u teoretskom procesu. • Zbog pada tlaka pri strujanju kroz kondenzator, na izlazu iz kondenzatora biti će tlak niži od tlaka na ulazu.
Stvarni rashladni proces
Stvarni rashladni proces
Kapacitet hlađenja kompresora – rashladni učinak
Nominalni rashladni učin
Nominalni rashladni učin
NH3 > CO2
Granični tlak kompresora
VIŠEKRATNA KOMPRESIJA Ušteda na radu kod višekratne kompresije
Dvostupanjska (dvokratna) kompresija
Ostali sastavni dijelovi rashladnog sustava • Odvajač ulja • Izmjenjivači topline – Kondenzator – Isparivač – Podhlađivač
• • • •
Ventili Skupljač rashladnog sredstva (Receiver) Sušilo rashladnog sredstva Cjevovodi
Odvajač ulja • Zadaća je odvajača ulja da odvaja kapljice ulja koje se odvode parom rashladnog medija iz kartera kompresora i tako sprečava strujanje kapljica ulja kroz rashladni sustav. • Narčelo odvajanja kapljica ulja temelji se na činjenici da ulje ima znatno veću gustoću od rashladnog plina, pa se zakretanjem plinske struje mogu iscentrifugirati kapljice ulja.
Odvajač ulja • Ugrađuje se u tlačnom cijevovdu ispred kondenzatora, da se smanji dolazak ulja u kondenzator • Smanjenje prijelaza topline, a time i učin izmjenjivača • Smanjenje ulja u karteru, smanjenje podmazivanja kompresora
Odvajač ulja
Odvajač ulja
IZMJENJIVAČI TOPLINE RASHLADNIH UREĐAJA • Da bi se toplina u rashladnom procesu prenijela s niže na višu temperaturu, potrebna su najmanje dva toplinska izmjenjivača. • Jedan od njih omogućuje da se toplina s hlađenog tijela prenese na radnu tvar procesa, a drugi da se toplina od radne tvari preda okolišu. • Kod parnih procesa radna tvar mijenja agregatno stanje pri prolasku kroz ove izmjenjivače, pa govorimo o isparivaču kondenzatoru.
Prijenos topline • Kondukcija • Konvekcija • Zračenje
PROVOĐENJE TOPLINE (KONDUKCIJA) Prema Fourierovom iskustvenom stavku je toplinski tok provođenja
T1 − T2 T2 − T1 ∆T λA Qkon = = −λ A = −λ A ∆x ∆x ∆x Q kon W / m 2 qkon = A
[W ]
λ − Koeficijenet toplinske vodljivosti ( W / mK )
KONDUKCIJA
KONVEKCIJA (PRIJENOS TOPLINE U FLUIDIMA)
Q kon α A (Ts − T∞ ) , =
[W ]
α − koeficijenta prijelaza topline, W / m 2
Dimenzijska analiza Nusselt Koeficijent prijelaza topline sa stjenke na fluid može odrediti iz funkcijske veze Nusseltove, Raynoldsove i Prandtlove značajke tj. Na temelju relacije
Nu = f (Re, Pr) α=
λ
Nu W / m 2 K L
qkonv = α∆T ∆T L qkonv α∆T α L = = = Nu λ qkond λ ∆T L
qkond = λ
Prirodna konvencija
Q= α (Ts − T∞ ) konv
Prisilna vanjska konvencija
Prisilna vanjska konvencija
Prisilna unutarnja konvekcija
ZRAČENJE (Radijacija) Zračenje ili radijacija označava prijenos energije elektro magnetskim valovima, bez posredstva materije i na daljinu Relaciju između temperature i energije toplinskog zračenja idealnog tijela prvi je postavio Josef Stefan 1884., a kasnije je teorijski potvrdio njegov student Ludwig Boltzmann
Qzra = εσ AT 4
[W ]
Univerzalna konstanta zračenja crnog tijela
= σ 5, 67 ⋅10−8
W / m 2 K 4
Zračenje
ZRAČENJE
ZRAČENJE
Zračenje
Otpor prijenosu topline (Kondukcija)
T1 − T2 Qkond , zid = Rzid Rkonv =
L λ⋅A
(W )
(K / W )
Otpor prijenosu topline (Konvekcija)
Rkonv
Rkonv
1 = α ⋅ As
(K / W )
Ukupni otpor prijenosu topline
T −T Q = ∞1 ∞ 2 Rukupni
Rukupni =Rkonv ,1 + Rkond + Rkonv ,2
1
L 1 = + + α1 λ A α 2
(K /W )
Prividni koeficijent prijelaza topline konvekcijom i zračenjem
α ukupni = α konv + α zra (W / m 2 K )
Prividni koeficijent prijelaza topline zračenjem
(
)
(
(T
)
4 4 4 4 εσ − = α − = Q= A T T A T T okolina zra s s zra s s okolina
Rzra
1 = α zra ⋅ As
(
Rzra =
εσ As (T + T 2 s
okolina
4 − Tokolina )
Rzra
) (T + T
okolina )
s
1 2
s
(K / W )
Qzra 2 2 = εσ T + T s okolina As (T 4 s − T 4 okolina )
α zra =
4
) (T + T s
okolina
)
W / m 2 K
[K / W ]
[W ]
IZMJENJIVAČI TOPLINE
Pločasti izmjenjivač topline
Koeficijent prijelaza topline
Opća energetska jednadžba izmjenjivača topline [ Promjena akomulirane energija ] = [ Energija koja ulazi u volumen ] - [ Energija koja izlazi iz volumena ] ± [ Izmjenjena energije]
dT V ⋅ ρ ⋅ cp Q iz = V ⋅ ρ ⋅ c pTulaz − V ⋅ ρ ⋅ c pT dt Izmjenjena energija Ulaz Izlaz
Akumulirana energija
m ⋅ c p
dT = m u ⋅ c p ,u ⋅ Tu − m i ⋅ c pi ⋅ Ti ± Q iz dt
Opća energetska jednadžba izmjenjivača topline Područje proračuna 1. jaka struja
dT1 1,u ⋅ c p1,u ⋅ T1u - m 1,i ⋅ c p1,iT1i - Q iz =m m1c p1 dt Područje proračuna 2. slaba struja
m2 ⋅ c p 2
dT2 2,u ⋅ c p 2,uT2,u − m 2,i ⋅ c p 2,iT2 − Q iz =m dt Područje proračuna 3. ploča
Q iz = k ⋅ A ⋅ ∆T ∆T = T1i − T2i
Izmijenjena toplina Srednja logaritamska temperatura Istosmjerni ∆T1 = T1,u − T2,u , ∆T2 = T1,i − T2,i
Protusmjerni
∆T1 = T1,u − T2,i , ∆T2 = T1,i − T2,u Qiz = k ⋅ A ⋅
∆T1 − ∆T2 ∆T ln 1 ∆T2
Qiz = k ⋅ A ⋅ ∆Tm
Srednja logaritamska temperatura Qiz = k ⋅ A ⋅ ∆Tm
Logaritamska srednja vrijednost temperatura
∆Tm ,l
∆T1 − ∆T2 , ∆T1 ln ∆T2
Ako je
∆T1 >2 ∆T2
Aritmetička srednja vrijednost temperatura
= ∆Tm,a
∆T1 + ∆T2 ∆T , Ako je 1 < 2 2 ∆T2
Kondenzator • Kondenzator je uređaj u kojem se mijenja agregatno stanje rashladnog sredstva. • Kompresor usisava pare medija iz isparivača i tlači ih u kondenzator u koji treba odvesti svu toplinu koju je medij prikupio u isparivaču. • Toj toplini treba još dodati količinu topline jednako vrijednoj radnji koja je utrošena na tlačenje plina u kompresoru. Dakle, svu tu toplinu u kondenzatoru treba predati rashladnoj vodi ili zraku, • Brzina kondenzacije usklađena je s brzinom isparavanja medija u isparivaču, tj. pogon mora raditi u uravnoteženom stanju.
Kondenzator Dobra odvođenje topline i brza kondenzacija para postiže se: • veoom brzinom strujanja rashladne vode • dobrim oplakivanjem stjenki kondenzatora, s jedne strane rashladnim medijem a s druge rashladnom vodom • osiguranjem protiv ulaska zraka u sustav • brzim odvođenjem kondenzata.
Kondenzator Q= Q o + Pi k Q k = A ⋅ k ⋅ ∆Tm
• Temperatura kondenzacije 3-4 °C veća od izlazne temperature rashladne vode • Rashladna voda se zagrije pri prolazu kroz kondenzator 25 °C • Maksimalna brzina morske vode kroz kondenzator 2,5 m/s
Protok vode krot kondenzator određuje se prema jednadžbi:
Q k V = , m3 / s c p ,w ρ∆Tw T= Tiz − Tul w
Kondenzator
Tipovi i konstrukcije kondenzatora
Podjela prema načinu hlađenja: • protočni kondenzatori hlađeni zrakom • protočni kondenzatori hlađeni vodom • optočni kondenzatori hlađeni zrakom i vodom koja ishlapljuje Površine za prijenos topline mogu biti glatke cijevi, orebrene cijevi ili profilirane ploče
Kondenzator
Protočni kondenzatori hlađeni zrakom
• Primjena je sve šira zbog sve većih problema s opskrbom vodom. • Primjenjuju se za sve veličine rashladnih uređaja. Kondenzator se sastoji od više redova orebrenih cijevi s lamelama. Kao i kod isparivača, na kućište se ugrađuju ventilatori radi ostvarivanja prisilne cirkulacije, a time i povećanja koeficijenta prijelaza topline.
Kondenzator Hlađen zrakom
Kondenzator
Vodom hlađeni protočni kondenzatori
•
•
• •
•
Predstavljaju najekonomičnije rješenje ako na raspolaganju stoji dovoljna količina rashladne vode odgovarajuće kvalitete i ako dovođenje vode do kondenzatora nije skupo. Kondenzatori s cijevnom zavojnicom u bubnju (shell and coil) Rade se za male toplinske učinke (1 do 5 kW) i najjednostavnije rashladne uređaje. Moguće je korištenje topline vode ugrijane u bubnju (npr. potrošna voda). Nedostatak je relativno velik pad tlaka radne tvari koja struji kroz cijevnu zavojnicu i mali koeficijent prijelaza topline sa strane vode. Ovaj se koeficijent može povećati dodavanjem miješalice.
Kondenzator
Protustrujni kondenzatori tipa cijev u cijev
Kondenzator
Kondenzator s cijevima u plaštu (shell and tube) • Grade se u svim veličinama. Radna tvar kondenzira na snopu cijevi, a voda protječe kroz cijevi u jednom ili više prolaza. Uobičajene su izvedbe s ravnim cijevima. • Izvedbe su uglavnom horizontalne. • Tamo gdje je na raspolaganju mali tlocrtni prostor za smještaj cijevi mogu biti vertikalne, ali to smanjuje koeficijent prijelaza topline na strani radne tvari. • Cijevi, promjera 19 do 25 mm
Kondenzator
Kondenzator s cijevima u plaštu (shell and tube)
Kondenzator
Kondenzator s cijevima u plaštu (shell and tube)
Skupljač rashladnog srestva • •
• •
•
•
Sakupljač tekućeg rashladnog sredstva nalazi se ispod kondenzatora. To je cilindrična čelična posuda koja može hiti vodoravno ili okomitu ugrađena. Služi za prihvat i akumulaciju kondenziranog rashladnog medija. Skupljač nadoknađuje neravnomjernu dobavu rashladnog fluida u isparivačima. U skupljaču se može čuvati rezerva rashladnog medija radi nadoknade gubitaka. Sakupljač obavezno ima nivokazno staklo koje služi za nadzor medija u posudi. Dimenzioniran je tako da može u 2/3 svoga sadržaja preuzeti cijelu količinu rashladnog medija iz sustava.
Sušilo rashladnog srestva • • • • • • • • • • •
Vlaga u rashladnom sustavu mote prouzročit koroziju materijala i blokiranje pojedinih dijelova za regulaciju. Vlaga može ući u rashladni sustav s rashladnim sredstvom, uljem ili zrakom. Da bi se smanjio utjecaj vlage, u rashladni se sustav ugrađuje s ušilo. U sušilu se nalazi sredstvu koje upija vlagu i kiseline. Najpoznatiji (SiO2), SILIKAGEL koji se pri uporabi ne raspada. Čuvati u odgovarajućoj ambalaži. Ako je sredstvo upilo vlagu grijanjem se može reaktivirati na temperaturi 170-300 °C. Ne preporučujese reaktiviranje sredstva koje je već bilo u rashladnom sredstvu Rashladno sredstvo prolazi kroz metalno sito (filtriranje) zatim kroz silikagel Pogodno za manje sustave i manje količine vlage, veće količine potrebno vakumirane sustava. Manji kapaciteti (provijant) koriste jedno sušilo, za brodska rashladna skladišta dva sušila (drugi kao rezerva)
Sušilo rashladnog srestva
Isparivač (Hladnjak)
• Isparivač je uređaj u kojem rashladni medij isparava zbog topline oduzete od • rashlađivane sredine (zraka, rasoline ili vode). • Rashladni medij u isparivaču isparava oduzimajući toplinu okolini, te joj snizuje temperaturu, ovisno o veličini tlaka nakon prolaska kroz regulacijski ventil.
Podjela isparivača može se provesti na više različitih načina. Prema namjeni isparivači se mogu podijeliti u slijedeće grupe: • isparivači za hlađenje kapljevina, • isparivači za hlađenje zraka (i plinova), • specijalni isparivači, npr. isparivači – kondenzatori u kaskadnim rashladnim uređajima i sl.)
Isparivač Prema načinu isparivanja i regulaciji napajanja radnom tvari razlikuju se • suhi isparivači • potopljeni isparivači
Suhi se isparivači koriste za hlađenje zraka, kao i za hlađenje kapljevina. U njima radna tvar potpuno isparuje, a para se pregrijava u izlaznoj zoni isparivača. Odgovarajućim načinom regulacije osigurava se da na izlazu iz isparivača para bude pregrijana.
Potopljeni isparivač
Prirodna cirkulacija potopljenog isparivača Termosifonski efekt
p = ρ ⋅ g ⋅ h, Pa
(1) Niskotlačni receiver, (2) Naplavljeni isparivač, (3) Compressor, (4) Pločasti kondenzator, (5) Ekspanzijski ventil.
Prirodna cirkulacija (Termosifonski efekt)
Cirkulacijski broj : C =
1 xizlaz
• Pločasti izmjenjivač (BHPE) C= 1,1 (xizlaz=0,91) i C=1,4 (xizlaz=0,71) • Cijevne izmjenjivače (S&T) C= 5 (xizlaz=0,2) i 10 (xizlaz=0,1).
Prisilna cirkulacija (1) Niskotlačni receiver, (2) Naplavljeni isparivač, (3) Compressor, (4) Pločasti kondenzator, (5) Ekspanzijski ventil, (6) Pumpa.
Isparivač (Suhi isparivač)
• Suhi se isparivači koriste za hlađenje zraka, kao i za hlađenje kapljevina. • U njima radna tvar potpuno isparuje, a para se pregrijava u izlaznoj zoni isparivača. • Odgovarajućim načinom regulacije osigurava se da na izlazu iz isparivača para bude pregrijana.
Isparivač
(Potopljeni isparivač) • Potopljeni su isparivači skoro potpuno ispunjeni kapljevinom radne tvari. Izrađuju se se u obliku cijevnih snopova od glatkih ili orebrenih cijevi, ili kao isparivači s cijevnim snopom u plaštu. • Prijelaz topline na strani radne tvari je intenzivniji nego kod suhih isparivača, jer je cijela površina unutrašnjih stjenki u dodiru s kapljevinom. • Cirkulacija radne tvari u potopljenim isparivačima može biti prirodna ili prisilna, kada kroz njih cirkulira nekoliko puta više kapljevine nego što ispari. • Koriste se uglavnom u većim rashladnim instalacijama.
Isparivač
(Oblikovanje površine za prijenos topline) Prema obliku površine za prijenos topline isparivači mogu biti: • glatkocijevni, • pločasti, • orebreni
Isparivač (Suhi)
Isparivač Potopljeni
Isparivač Potopljeni
Isparivač Potopljeni tank
Podhlađivač kondenzata
Odleđivanje • led = toplinski otpor • Defrosting • elektrielektričnim grijanim grijačem– manji uređaji • toplim parama iz kompresora • Tava s otvorom za ispust vode u kalju
Elementi rashladnog sustava • Prigušni elementi • Regulatori kapaciteta rashladnog sredstva: – Automatski ekspanzijski ventil – Termo ekspanzijski ventil – Regulacija plovkom
• Uređaji za nadzor uključivanja i isključivanja • Cjevovodi i spojevi
Prigušni elementi • Zadatak je prigušnih elemenata je regulacija protoka radne tvari koja dospijeva u isparivač i prigušivanje radne tvari od tlaka kondenzacije na tlak isparivanja. • Kod potopljenih isparivača prigušni ventili održavaju razinu radne tvari u isparivaču, dok kod suhih isparivača održavaju tlak isparivanja i temperaturu pregrijana.
Ventil u rashladnom krugu
Ručni prigušni ventil • Ne služi za zatvaranje protoka, već se njegovim pritvaranjem osigurava odgovarajuća protočna površina, a time i željeni pad tlaka kod odgovarajućeg protoka. • Za zatvaranje služe zaporni ventili. • Ne upotrebljavaju se za prigušivanje u rashladnim uređajima koji trebaju raditi bez nadzora (mogu se koristiti npr. u laboratorijima).
Kapilarna cijev
Rashladni uređaj s kapilarnom cijevi
REGULATORI TEMPERATURE PREGRIJANJA (Kapilare)
Regulator tlaka (Automatski ventil)
Elektronski kontroliran ekspanzijski ventil, ON/OFF type
Elektronski kontroliran ekspanzijski ventil, ON/OFF type
REGULATORI RAZINE • Prigušni ventil s plovkom na strani niskog tlaka (VPNT) • Prigušni ventil s plovkom na strani visokog tlaka (VPVT)
REGULATORI RAZINE
Prigušni ventil s plovkom na strani niskog tlaka VPNT
• Ovaj ventil regulira razinu radne tvari u isparivaču
REGULATORI RAZINE
Prigušni ventil s plovkom na strani niskog tlaka VPNT
• Visina ugradnje VPNT treba biti takva da isparivači budu ispunjeni kapljevinom približno do 2/3 svoje visine • Uz previsoko postavljen VPNT postoji opasnost da se isparivač prepuni kapljevinom radne tvari i da dođe do hidrauličkog udara. • Ako je pak prenisko postavljen, površina isparivača se samo djelomično iskorištava, pa se smanjuje rashladni učinak.
REGULATORI RAZINE
Prigušni ventil s plovkom na strani niskog tlaka VPNT • Kućište ventila 1 zatvoreno je poklopcem 2 s priključcima za dovod i odvod radne tvari, koji se može skidati radi održavanja. • Priključak 5 spaja se na prostor s parom a priključak 6 na prostor s kapljevinom radne tvari u isparivaču ili posudi u kojoj treba regulirati nivo, s njom čini spojene posude. • Ulaz kapljevine je kroz priključak 3 a izlaz kroz priključak 4. • Ovisno o razini kapljevine, plovak 7 preko poluge 8 i igle 9 otvara ili zatvara protok kapljevine kroz sjedište ventila 10. • Vijkom 11 može se u malom opsegu mijenjati željena razina.
REGULATORI RAZINE
Prigušni ventil s plovkom na strani visokog tlaka VPVT
REGULATORI RAZINE
Prigušni ventil s plovkom na strani visokog tlaka VPVT
REGULATORI RAZINE
Prigušni ventil s plovkom na strani visokog tlaka VPVT
• Regulacijska je karakteristika VPVT da propušta u isparivač svu radnu tvar koja je u kondenzatoru kondenzirala, bez obzira da li je ona u isparivaču potrebna. • Ukapljena radna tvar nalazi se u isparivaču. • Nije potreban sakupljač kapljevine radne tvari. • Zato se VPVT upotrebljava samo ako rashladni uređaj ima jedan isparivač ili isparivače povezane serijski.
REGULATORI RAZINE
Prigušni ventil s plovkom na strani visokog tlaka VPVT
REGULATORI TEMPERATURE PREGRIJANJA (Termoekspanzijski ventil TEV , TXV)
REGULATORI TEMPERATURE PREGRIJANJA (Termoekspanzijski ventil TEV , TXV)
REGULATORI TEMPERATURE PREGRIJANJA (Termoekspanzijski ventil TEV , TXV) •
•
•
•
Kapljevina radne tvari ulazi u kućište 1 kroz priključak 2, prolazi kroz filtar 3 i dolazi u sjedište ventila gdje se prigušuje. Protočna površina A’ ovisi o položaju igle ventila 4, povezane s mijehom (membranom) 6 preko jarma 5. S donje strane na iglu ventila djeluje sila F opruge 7 koja ovisi o položaju vijka za regulaciju 11. Prigušena radna tvar izlazi u isparivač u kojem vlada tlak po. Dio kućišta ventila iznad membrane spojen je kapilarnom cijevi 9 s osjetnikom temperature 10, koji se postavlja na izlazu pare iz isparivača. Osjetnik temperatureizrađen je u obliku malog metalnog cilindra, ispunjen je nekom lakoisparljivom kapljevinom, pa se ovisno o temperaturi na kojoj se nalazi osjetnik uspostavlja odgovarajući tlak u prostoru iznad mijeha (membrane).
REGULATORI TEMPERATURE PREGRIJANJA (Elektronički ekspanzijski ventil)
REGULATORI TEMPERATURE PREGRIJANJA (Elektronički ekspanzijski ventil) • Dok termoekspanzijski ventili rade bez pomoćne energije, elektronički ekspanzijski ventil je motorni igličasti ventil koji djeluje kao dio regulatora prikazanog na prethodnoj slici i za svoj rad treba električnu energiju. • U elektronički krug uključen je mikroprocesorski regulator koji temeljem signala s davača temperatura i tlakova mijenja izlazni signal, a time i položaj igle, odnosno protočnu površinu ventila. • Osnovni davači su davač temperature S2 i tlaka Po, a sustav je moguće opremiti i dodatnim davačima, ovisno o zahtijevanoj funkciji regulacije. • Budući da se ulazni signali obrađuju u regulatoru, može se osigurati proizvoljno pregrijanje,odnosno proizvoljna regulacijska karakteristika.
REGULATORI TEMPERATURE PREGRIJANJA (Kapilare) • Prigušenje se ostvaruje hidrauličkim otporima strujanja radne tvari u kapilari. Kapilara nije regulator, ali zahvaljujući svojim svojstvima pojednostavljuje automatizaciju malih rashladnih uređaja. • To je cijev malog promjera 0,5 – 2 mm, duljine oko 0,8 – 3 m koja povezuje • kondenzator i isparivač. • Protok kroz kapilarnu cijev mijenja se tijekom rada kompresora ovisno o razlici tlakova isparivanja i kondenzacije. • Volumen isparivača treba biti takav da može primiti svu kapljevinu, bez da se ona prelije u usisni vod.
Uređaji za nadzor, uključivanje /isključivanje • Nadzor: – Termometar (temperatura) – Manometar (tlak) – Higrometar (relativna vlažnost)
• Uključivanje/isključivanje: – Termostat – Presostat – Magnetni ventil
Termostat • Uređaj koji kontrolira temperaturu, • Odstupanje od zadane vrijednosti, impuls regulacijskom uređaju (prekidanje ili zatvaranje strujnog kruga)
Presostat • uključivanje, isključivanje kompresora kad pritisak prijeđe željenu vrijednost. • Uzroci neželjenog pritiska: – Nedostatak vode u kondenzatoru, – Prisudstvo zraka u instalaciji, nedovoljno vakumiorana instalacija prije punjenja rashladnim fluidom – Ostao zatvoren neki od ventila pri puštanju sustava u rad – Diferencijalni presostat: – Razlika pritisaka, pumpa ulja za podmazivanje
Magnetni ventil (solenoid valve)
• Solenoid je elektromagnetska naprava koja se sastoji od elektromagneta i pomične metalne jezgre podržanog sa oprugom. Kad struja prolazi kroz elektromagnet, on privlači jezgru djelovanjem magnetskog polja. • Kad struja ne teče, jezgre se vraća u početni položaj djelovanjem opruge. • Od releja se razlikuje u tome, što pomjeranje jezgre služi za obavljanje mehaničke akcije, a ne za zatvaranje električnih kontakata.
1. Tijelo ventila
4. Namotaj
7. Klip ventila
2. Ulaz
5. Namotaj
8. Opruga
3. Izlaz
6. Dovod napajanja
9. Otvor
Presostat (diferencijalni presostat)
Brodske instalacije • U načelu, klima-rashladna instalacija na brodu ne razlikuje se od standardnih instalacija. • Brigu o rashladnim uređajima, po pravilu vodi prvi časnik stroja, odnosno na brodovima sa većim klima uređajima časnik za rashladne uređaje (HVAC officer).
Glavni elementi BRU-a • Kompresor najvažniji i najskuplji dio instalacije. • Obezbijeđuje kvalitetan rashladnog transport tereta, a posadu i putnike opskrbljuje kvalitetnom hranom te omogućuje ugodan boravak.
Glavni elementi BRU-a • Kompresor mora udovoljavati zahtjevima: – Kompaktan, malog volumena i što lakše konstrukcije – Laka pristupačnost i izmjenjivost dijelova – Sigurnost u radu pri velikim termičkim promjenama opterećenja (promjene klimatskih podneblja) – Što bolja mogućnost regulacije kapaciteta – Montaža: Os kompresora paralelna sa osi broda (Ležajevi, podmazivanje (bolja cirkulacija ulja)
Glavni elementi BRU-a • Vodom hlađeni kondenzator • Isparivači podijeljeni u dvije sekcije, u slučaju kavara moguć rad jedne sekcije. • Ventilatori, u pravilu više-brzinski • Svi elementi rashladne instalacije potpadaju pod nadležnost klasifikacijskog društva (Hrvatski registar brodova,Loyd registar brodova,Bureau Veritas i ostalih). • Dijelovi kompresora se atestiraju prije montaže, • Kondenzator se izrađuju od atestiranih cijevi, nakon ugradnje inspektor vrši proba na pritisak
Glavni elementi BRU-a • Sva električna oprema mora biti izrađena u skladu sa propisima. • Dijeli se na klima električnu opremu i opremu za namirnice tzv. provijant.
• Klima: – Komandni i uklopni panel motora kompresora sa ručnom regulacijom kompresora. – Panel sa automatskom regulacijom kompresora – Panel za kontrolu temperature skladišta – Alarmni panel – Zaštitna sklopka pumpe i ventilatora
• Provijant: – Električni komandni i uklopni uređaji izvode se u obliku ormara koji s epostavlja posebno ili na mjesto gdje su smješteni rashladni kompresori provijanta.
Klima instalacije • Ljetni i zimi osigurati najpovoljnije uvjete (temperatura i vlažnost) • Priprema zraka vrši se u klima –jedinicama, a razvod do prostorija putem limenih kanala sa otvorima za ubacivanje i izbacivanje zraka • U sastavu klima uređaja je : – – – – – –
Filter za zrak, grijač, hladnjak, prskalica za vlaženje, dogrijač, odstranjivač kapljica.
Vlažni zrak
Termodinamička svojstva Vlažni zrak se može smatrati smjesom idealnih plinova, jer se vodena para nalazi pri niskom parcijalnom tlaku.
Vodena para u zraku je najčešće u pregrijanom stanju. Tlak smjese je zbroj parcijalnih tlakova.
p= pz + p p s p-para z-zrak s-smjesa
Termodinamička svojstva vlažnog zraka
Tlak smjese = Zrak+Para
= p s Tlak smjese
p z Parcijalni tlak zraka
+
pp Parcijalni tlak vodene pare
Relativna vlažnost Za utvrđivanje svojstva zraka potrebno je poznavati sljedeće veličine: Relativna vlažnost, sadržaj vlage i entalpija
ρ p v '' p p = ϕ = = ρ '' v p p
Sadržaj vlage x Sadržaj vlage x, se definira kao količina vodene pare u 1 kg suhog zraka
x=
mp
kg vodene pare / kg suhog zraka mz
p pV / R pT p p 287, 04 pp 0, 622 x= =⋅ = pzV / RzT pz 461, 6 pz
p= pz + p p s x
pp pϕ 0,= 622 0, 622 ps − p p ps − pϕ
ϕ=
pp p
⇒ pp= ϕ p
p x 0, 622 za= ϕ 1,= ps − p
Entalpija hs = hz + hp ⋅ x ≅ c p t + x hp
hp ≅ h
Entalpija suhog zraka = hz 1, 005 ⋅ t
Prema približno empirijskoj formuli hp ≅ 2500,9 + 1,82 ⋅ t [ kJ / kg ]
Dijagram vlažnog zraka
Dijagram vlažnog zraka
Dijagram vlažnog zraka
Dijagram vlažnog zraka
Procesi s vlažnim zrakom Zagrijavanje 1-2 Hlađenje 3-4 Zasićeni zrak (Rosište) 5 Hlađenje ispod točke Rosišta 5-6 • Adijabatsko vlaženje 3-7 • Miješanje A-B. stanje zraka nakon mješanja C • • • •
Mollierov i Psihrometarski diagram
Psihrometarski dijagram
Klima instalacije
Klima instalacije
Klima instalacije • Rashladni uređaj u sklopu klima-instalacije – za hlađenje zraka, smješten u klima-jedinici – Topli zrak dolazi na isparivač, hladi se, relativna vlažnost povećava i tako pripremljen ide kroz kanale u prostoriju.
Klima instalacije
HLADNJAČE
HLADNJAČE
Instalacija sa više hladnih komora (Provijant)
Instalacija sa više hladnih komora (Pokretanje i zaustavljanje kompresora)
• Uz svaki isparivač ide termo ekspanzijski i magnetni ventil • Kad je u komori postignuta željena temperatura termostat zatvara se magnetni ventil. • Kad se i posljednji isparivač isključi iz rada kompresor nema što usisavati, pad tlaka, presostat niskog tlaka, zaustavlja kompresor (zaustavlja dovod struje). • Uslijed otvaranja magnetnog ventila i dolaska rashladnog fluida u isparivač, raste pritisak i u isparivaču i usisnom vodu i presostat niskog pritiska uključuje kompresor.
Višestruki kompresorski sustavi • Više kompresora u paralelnom radu, mogu se dobiti rezultati kao da radi jedan veći kompresor, veliki kapacitet dva kompresora. Prednosti: • Start kompresora povlači veliku struju • staranje kompresora jedan iza drugoga. • Bolje korištenje kapaciteta, • bolja regulacija • Ušteda u El. Energiji. • Poželjno: sa stajališta trošenja materijala (kompresora), naizmjenično uključivanje kompresora kako bi se ravnomjerno trošili
Primjena (Provijant)
Primjena (Kaskadni RS)
Ukapljivanje
Utjecaj pada tlaka u spremniku ukapljenog plina
Ukapljivanje plinova • •
•
• • • •
Ukapljivanje je proces u kojem se snizuje temperatura plina ispod kritične vrijednosti, kada su tekuća i parna faza u ravnoteži. Plinovi, kao npr. zrak, vodik , helij, čija je kritična temperatura niža od - 100°C mogu se prevesti u tekuće stanje primjenom kriogenih transformatora topline, koji rade na temperaturama nižim od 120 K. Potreba za tekućim plinovima vrlo je velika u različitim granama industrije i znanosti. Tako se npr. u metalurgiji , kod ljevanja i uklanjanja primjesa upotrebljavaju kisik i drugi produkti razdvajanja zraka (npr. argon). Kisik i interni plinovi neophodni su pri varenju metala u strojarskoj industriji. U kemijskoj industriji koriste se kisik i dušik iz zraka za dobivanje deuterija iz tehničkog vodika. Tekući vodik primjenjuje se kao gorivo, a tekući kisik kao oksidator u avijaciji i kozmonautici. Niske temperature postignute u kriogenim uređajima potrebne su u energetici, radio i elektronskoj, te laboratorijskoj tehnici kao i u medicini. Osim toga, transport i uskladištenje plinova u tekućem stanju znatno je povoljniji nego u plinovi tom.
Višestupanjska kompresija • Jednostupanjski do -30 °C • Dvostupanjski do -65 °C • Trostupanjski do -100 °C
Dvostupanjski rashladni uređaj
Kaskadni rashladni uređaji • Dvostupanjski kaskadni do -150 °C
Dvostupanjski kaskadni rashladni uređaj
• Dvostupanjski kaskadni ispod-150 °C
Ukapljivanje Metana trostupanjskim kaskadnim rashladnim uređajem
Ukapljivanje Metana trostupanjskim kaskadnim rashladnim
Teoretski proces ukapljivanja
• Teorijski proces ukapljivanja (sl.) mogao bi se provesti izotermnom kompresijom plina (1 do 2) i adijabatskom ekspanzijom (2 do 3) uz utrošak minimalnog rada prikazanog šrafiranom površinom.
Sl.1 Teoretski proces ukapljivanja
Teorijski proces ukapljivanja (sl. 1) mogao bi se provesti izotermnom kompresijom plina (1 do 2) i adijabatskom ekspanzijom (2 do 3) uz utrošak minimalnog rada prikazanog šrafiranom površinom.
1, 2, 3, 4 = 1, 2, a , b - l, 4, 3, a, b Pritom je površina:
1, 2, a, b = To ( s1 - s2 ) a površina :
1, 4, 3, a, b = ∫ cpdT + r = h1 - h3
pa je utrošeni rad:
l = To (s1 - s2 ) - (h1 - h3 )
• Takav idealni proces nije ostvarljiv zbog visokih konačnih tlakova (stanje 2), koji su potrebni da bi se adijabatskom ekspanzijom postiglo tekuće stanja (3). Procesi koji se danas primjenjuju temelje se na snizenju tlaka i temperature prigušivanjem (Joule-Thomsonov efekt). • Prigušivanje je nepovratljivi proces uz konstantnu entalpiju, bez dovoda i odvoda topline, te obavljanja vanjskog rada. • Za idealne plinove ovaj efekt je jednak nuli, jer se temperatura prigušivanjem ne mijenja. • U realnih plinova mijenja se temperatura, koja je određena odstupanjem njihovih svojstava od idealnih, zbog međumolekularnih sila.
Izotermni kompresor Rad kompresora možemo izraziti prema drugom glavnom stavku:
Tds = dh - vdp 2
2
1
1
l = + ∫ v dp = h2 - h1 - ∫ T ds
za T = cons. l = h2 - h1 - T(s2 - s1 ) = T(s1 - s2 ) - (h1 - h2 )
Rad kompresora u h-s dijagramu
∂h =T ∂s p
Određivanje rada izotermnog kompresora
Ukapljivanj eprema Lindeu
Jednostavni uređaj za ukapljivanje plinova po Lindeu (skica uređaja, shematski prikaz i T, s - dijagram procesa)
Ukapljivanje prema Lindeu • • •
• • • •
•
Dobivanje tekućeg zraka ostvareno je na sljedeći način: Zrak okolnog stanja komprimira se višestupanjski politropski do konačnog tlaka. Politropska kompresija moze se aproksimirati izotermom (1 do 2). Usljed prigušivanja (2 do a) snižava se temperatura zraka od T1 do T3. Zrak stanja a uvodi se u protustrujni izmjenjivač (rekuperator) gdje hladi novu količinu komprimiranog zraka od 2 do stanja b. Ovako ohladeni zrak (stanje b) prigusuje se (b do c) pri čemu se hladi, te koristi za daljnje hlađenje komprimiranog zraka (b do d). Tokom daljnjeg procesa prigušivanja i hlađenja postiže se stanje 3 iz kojeg se prigusivanjem (3 do 4) dobiva mokra para (stanja 4). Ona se sastoji iz dijela tekućeg zraka 4' (y = 1 - x) i dijela· suhozasićene pare 4" (x = 1 - y). Lindeov uređaj sastoji se iz kompresora, rekuperatora , prigušnog ventila i otkapljivača u kojem se odjeljuje tekuća faza 4' (y) od parne 4" (1 - y). Termodinamički proces provodi se tako da se okolni zrak komprimira veisestepeno politropski (što se aproksimira izotermom) do konačnog visokog tlaka (1do2). Nakon toga ulazi u rekuperator, gdje se izobamo hladi (2 do 3) pomoću suhozasićene pare (4"), koja se dovodi iz otkapljivača. Prigušivanjem (3 do 4) postiže se tlak okoline i njemu odgovarajuća temperatura ukapljivanja zraka ( -191°C).
Lindeov uređaj za ukapljivanje zraka
Termodinamički proces u Lindeovom uređaju
Bilanca Lindeovog procesa uz idealni rekuperator i savršenu izolaciju za 1 kg/h zraka je sljedeća:
1 · h2 = y ⋅ h4' + ( 1 - y)h1 , odakle je iscrpak tekućeg zraka: h1 − h2 y= . ' h1 − h4 h,s dijagram U stanj u 4 smjesa je vrele tekućine 4' (y), tj. ukapljenog zraka i suhozasićene pare 4" (1- y) . Odnos količine tekućeg i neukapljenog zraka odgovara odnosu odsječaka 4- 4 ' i 4 - 4". Suhozasićena para uvodi se u rekuperator, gdje hladi komprimirani zrak (2 do 3), a sama se zagrijava. U teorijskom slučaju idealnog rekuperatora temperatura zraka za hladenje na izlazu iz njega bila bi jednaka temperaturi okoline T1. U stvarnom procesu, struja zraka za hladenje (1 - y) nikada se ne zagrije na temperaturu s kojom komprimirani zrak ulazi u rekuperator T2 = T1 nego na neku nižu temperaturu T5. Ova razlika temperatura naziva se nedokuperacija i obično ne prelazi 15° (T1 - T5 < 15 °).
Ukapljivanje prema Claude-u • Povećanje iskorištenja procesa za ukapljivanje plinova može se postići uvođenjem dodatnog hlađenja, koje može biti vanjsko ili unutrašnje. Vanjsko hlađenje ostvaruje se pomoću različitih rashladnih medija, a predložio ga je također Linde. • Proces s unutrašnjim hlađenjem pomoću ekspanzije radnog medija razradio je i ostvario Claude 1902. godine.
• Claude je želio zamijeniti nepovratljivo prigušivanje povratljivom ekspanzijom u ekspanzionom cilindru ( detanderu) , pri čemu se također dobiva i rad.
Claude • Adijabatska ekspanzija (2 do 2a) plina (zraka) odmah nakon kompresije (1 do 2) završila bi u mokrom području, ali s vrlo malim iscrpkom (1 - Xa)· Osim toga, zbog trenja i gubitaka izmjene topline ekspanzija se ne može provesti adijabatski, pa kraj ekspanzije 2c pada u pregrijano područje. • Zbog toga je predloženproces u kojem se komprimirani zrak prvo hladi (2 do 2b), a nakon toga adijabatski ekspandira (2b do 3b). • Ni ovaj se proces nije mogao ostvariti zbog gubitaka izmjene topline s masivnim stijenkama cilindra pri niskim temperaturama, kao i zbog trenja i otežanog podmazivanja. • Teorijski iscrpak tekućeg plina (1 - Xb) bio bi veći, no ni ovdje nije moguća adijabatska ekspanzija. Do ukapljivanja uopće ne bi došlo , jer ekspanzija završava u pregrijanom području (stanje 3c,).
Claude • Konačno rješenje obuhvatilo je primjenu hladnoće dobivene ekspanzijom za hlađenje plina nakon kompresije, a ne za neposredno ukapljivanje. • Detander se priključuje tako da stvarna ekspanzija završava u pregrijanom području. • Plin ima nisku temperaturu, ali se ne ukapljuje, nego koristi za hlađenje komprimiranog plina. • Ovakvim procesom se, u kombinaciji s prigušivanjem, povećava iscrpak tekućeg plina.
Termodinamicki proces u Claudeovom uredaju
Jednostavni Claudeov uređaj
Primjer Jednostavnog ciklusa ukapljivanja tzv. Joule-Thomson
Primjer jednostavnog zatvorenog ciklusa ukapljivanja
Primjer jednostavnog otvorenog ciklusa ukapljivanja
Što je ukapljeni prirodni plin? • Ukapljeni prirodni plin je bezbojna bezmirisna mješavina ugljikovodika koja se održava u tekućem stanju na temperaturi malo nižoj od temperature isparavanja (oko –160 °C) pri tlakovima od 1,006 do 1,1 bar • Prirodni plin po sastavu je mješavina plinova, čiji sastav ovisi o nalazištu i procesu koji se koristi za ukapljivanje • Metan ima najveći udio u smjesi (minimalno 70%), dok ostatak čine ostali plinoviti, i to etan, propan, butan i pentan. Uz njih se u smjesi može pojaviti i dušik, a u tragovima se pojavljuju ugljični dioksid, sumporovodik, helij i vodena para • Prirodni plin po sastavu je mješavina plinova, čiji sastav ovisi o nalazištu i procesu koji se koristi za ukapljivanje
Svojstva Metana • Metan, glavni sastojak prirodnog plina, prvi je u nizu alkana, a kemijska formula mu je CH4 • U tekućem stanju metan je bezbojna tekućina, a u plinovitom stanju neotrovan plin bez boje, okusa i mirisa • U standardnim uvjetima metan je teško ukapljiv plin, pri atmosferskom tlaku (101 kPa) isparava na –161.5 °C, ledište mu je na –182.5 °C, a ukapljen je lakši od vode i ima gustoću 425 kg/m3. • Gustoća plinovitog metana iznosi 0.554 kg/m3, njegove smjese sa zrakom se samozapaljuju na 595 °C, dok je u volumnim udjelima 5 ... 15% u zraku zapaljiv.
Metan p-h dijagram
Crpljenje i priprema prirodnog plina •
Da bi se plin mogao dovesti do broda, potrebno ga je prvo iscrpsti iz bušotina, odvesti ga u centralnu plinsku stanicu, obraditi za transport i na kraju uskladištiti na terminalu
•
Nakon dovođenja u centralnu plinsku stanicu, plinu se smanjuje tlak, a zatim odlazi u separatore. U separatorima se plin odvaja od vode i plinskog kondenzata (ugljikovodika koji su pri tom tlaku i temperaturi u tekućem stanju).
•
Izdvajanje vodene pare iz prirodnog plina je potrebno, kako bi se spriječilo njeno kondenziranje u cjevovodima ili stvaranje leda u tankovima ukapljenog plina.
•
Voda je nepoželjna u sustavima za transport i skladištenje plina, jer:
•
•
snižava transportni kapacitet,
•
povećava mogućnost korozije,
•
povećava mogućnost stvaranja hidrata i začepljenja cjevovoda.
Zbog navedenoga, plin se u centralnoj stanici suši do vlažnosti koja odgovara najnižoj temperaturi koja će se pojaviti u postupku transporta plina.
Transport ukapljenog plina •
Općenito govoreći, prirodni plin se transportira u plinovitom stanju cjevovodima, u tekućem stanju brodovima te skladišti pod tlakom u spremnicima.
•
Ukapljeni prirodni plin se najjednostavnije transportira brodovima, za što postoji više razloga: •
pri tlaku okoline, ohlađen na temperaturu isparivanja ima 600 puta manji volumen nego u plinovitom stanju,
•
potrošnja plina u svijetu raste, a potrošači su sve udaljeniji od nalazišta, što opravdava transport velikih količina plina,
• •
•
pomorski transport je najjeftiniji oblik prijevoza, veličina i težina opreme potrebne za transport ukapljenog prirodnog plina su takvi, da je brod jedino prijevozno sredstvo na koje ih je moguće smjestiti.
Proces transporta ukapljenog plina obuhvaća: •
ukapljivanje i skladištenje na mjestu ukrcaja na brod,
•
transport brodom,
•
prihvat plina na odredišnom terminalu, isparivanje plina i dostavu plina potrošačima.
Ukapljivanje prirodnog plina •
Nakon crpljenja iz bušotine, sirovi prirodni plin se prerađuje, kako bi se odstranili teži ugljikovodici i plinovi koji ne pripadaju skupini ugljikovodika.
•
U sljedećem koraku se frakcionom destilacijom odvajaju propan i butan, dok je preostali plin uglavnom metan koji se ukapljuje, čime se dobiva prirodni ukapljeni plin.
•
Plinoviti metan se hladi na temperaturu od –161.5 °C pri tlaku okoline u jedinici za ukapljivanje.
•
Jedan od mogućih ciklusa ukapljivanja jest klasični kaskadni ciklus.
•
Klasično kaskadno postrojenje sastoji se od tri identične jedinice, a plin koji se ukapljuje prolazi kroz tri serijski spojena izmjenjivača predviđena za rad na vrlo niskim temperaturama:
•
•
izmjenjivač s propanom
•
izmjenjivač s etenom (etilen)
•
izmjenjivač s metanom.
Prirodni plin se hladi u plinovitom stanju izmjenom topline sa rashladnim sredstvom u svakom stupnju jedinice. Nakon posljednjeg stupnja, plin ekspandira na tlak od 0.6 bar, pri čemu temperatura pada na – 161.5 °C, a plin se ukapljuje. Dio isparenog plina se koristi za pogon postrojenja.
Transport •
Plin se transportira kopnenim i podmorskim plinovodima pod različitim tlakom u plinovitom stanju, ali ako se želi transportirati na mnogo veće geografske udaljenosti, transport se obavlja posebnim brodovima za prijevoz plina.
•
Plin se brodovima prevozi u tekućem stanju. Takvi su brodovi podijeljeni u dvije skupine i nose međunarodne oznake: – LNG (Liquified Natura] Gas - tekući prirodni plin) – LPG (Liquified Petroleum Gas - tekući umjetni plin).
•
Razlozi ukapljivanja i prijevoza prirodnog plina brodovima jesu: – visoki troškovi izgradnje, održavanja i korištenja kopnenih i podmorskih plinovoda zbog kojih postoji granična udaljenost iznad koje je transport plina u ukapljenom stanju brodovima jeftiniji – prirodnom plinu se ukapljivanjem, pri tlaku okoline i temperaturi od -161,5 °C, volumen smanji oko 600 puta, što otvara mogućnosti prijevoza i skladištenja velikih količina energije – povećanje potrošnje prirodnog plina u svijetu zajedno s porastom udaljenosti između proizvođača i potrošača uvjetuje prijevoz prirodnog plina u ukapljenom stanju – strateško-politički interesi.
Shema iskrcajnog terminala za ukapljeni prirodni plin
Prirodni plin • Tijekom transporta dolazi do zagrijavanja tereta provođenjem topline kroz stijenke tankova, što dovodi do isparivanja dijela tereta (tzv. boil – off gas ili BOG). • Budući da pri jednakom tlaku lakše komponente isparuju prije težih, isparivanjem se mijenja sastav tereta, što znači da će iskrcani plin imati niži udio metana i dušika nego pri ukrcaju, odnosno nešto viši udio etana, propana i butana. • Ispareni plin je lakši od zraka na temperaturama višim od –110 °C ili više, ovisno o sastavu plina, tj. u slučaju ispuštanja u atmosferu, oblak pare će se brzo dignuti i raspršiti.
Prirodni plin •
• •
•
• • •
Prirodni plin se u prirodi nalazi u plinovitom stanju te se kao takav i crpi. Kako bi mu se smanjio volumen u svrhu skladištenja i prijevoza potrebno ga je ukapljiti (kondenzirati), odnosno pretvoriti u tekućinu. To se radi hlađenjem, ali problem je što je za ukapljivanje metana potrebna temperatura od -161,5 °C pri atmosferskom tlaku. Kako bi se postigla tako niska temperatura, uređaji za ukapljivanje su prilično složeni, vrlo skupi i troše veliku količinu energije. Zbog te karakteristike te zbog nekadašnje cijene pogonskog goriva i samog LNG tereta ti su uređaji, za brodsku uporabu, bili neisplativi. Isplativije je bilo napraviti brzi brod s dobro izoliranim tankovima tereta te sav ispareni plin izgarati u generatorima pare. Proizvedena vodena para se koristi kao medij za pogon parnih turbina koje pogone brodski vijak ili generatore za proizvodnju električne energije. Nedostatak je mala iskoristivost takvog postrojenja pa se stalno traže nova rješenja. Razvojem tehnologije, cijena uređaja za ukapljivanje je pala te u usporedbi s cijenom čitavog broda nije više tako visoka. Također, kretanje cijena fosilnih goriva na tržištu je takvo da nije isplativo koristiti uvijek isto gorivo. Uređaj za ukapljivanje je tehnologija koja se primjenjuje na novijim brodovima za prijevoz prirodnog ukapljenog plina. Služi kako bi se kontrolirao tlak u tankovima tereta, odnosno spriječilo ispuštanje, za ozonski omotač vrlo štetnog metana,a koji je glavni sastojak prirodnog plina.
Plinovi •
•
•
Na slici je vidljivo da je kritično stanje određene tvari (tereta koji se prevozi u tekućem stanju) određeno veličinama stanja (Pk, Tkr, Vk). Analizirajući stanje od točke 5 do točke 6, u kojem je T > Tkr, uočava se da plinovito stanje nije moguće pretvoriti u tekuće stanje nikakvom izotermnom kompresijom Ako je T < Tkr u izoterijskom sabijanju (od točke 1 do točke 4), plin se može pretvoriti u tekuće stanje.
Prikaz stanja ukapljenog plina u p-V dijagramu 1 - pregijano stanje pare, 2 - suho zasićeno stanje, 3 - mokro zasićeno stanje, 4 - područje tekućine, 5 i 6 - područje plina
Plinovi Tablica Karakteristike plinova
Brodovi za prijevoz ukapljenih Plinova •
Za opskrbljivanje sve razvijenije svjetske industrije potrebne su goleme količine energije, odnosno goriva i sirovina.
•
Posljedica je toga smanjenje rezervi postojećih izvora energije i pronalaženje novih. Zadnjih se nekoliko desetljeća prirodni plin sve intenzivnije koristi kao izvor energije.
•
Razlozi su sve većeg iskorištavanja prirodnog plina sljedeći: – idealan kao gorivo velike ogrjevne moći – otpor javnosti korištenju nuklearne energije – znatno manje onečišćuje okoliš – strateško-političke prilike.
Brodovi za prijevoz ukapljenih plinova •
•
•
Rad s prirodnim ukapljenim plinom obuhvaća ukapljivanje i skladištenje kod proizvođača, prijevoz brodovima, prihvat, skladištenje, isparivanje iisporuku potrošačima (slika ). Brodovi za prijevoz ukapljenih plinova, zajedno s tankerima za prijevoz sirove nafte i naftnih derivata te sa specijalnim brodovima za prijevoz opasnih kemikalija u rasutom stanju, u međunarodnom se pomorstvu smatraju plovilima izrazito velike opasnosti. Opseg mogućih nesreća tih plovila i težina posljedica za posadu, imovinu i morski okoliš može se jedino usporediti s brodovima na nuklearni pogon ili brodovima koji prevoze nuklearne materijale.
Sustavi za ponovno ukapljivanje plina • Tijekom plovidbe i na sidru, potrebno je održavati ukapljeni plin ga na temperaturi nižoj od –161.5 °C i pri tlaku od oko 1.1 bar, što se postiže kontroliranim isparivanjem tereta. • Taj ispareni teret se može ponovno ukapljiti (danas se teži isključivo tom rješenju), ili pak koristiti kao pogonsko gorivo za glavni motor i pomoćne motore. • U oba slučaja, višak plina koji se ne može obraditi ili iskoristiti ispušta se kroz ispusne jarbole broda. •
Kod brodova manje nosivosti, omjer količine isparenog plina i ukupne količine tereta postaje vrlo nepovoljan (preko 0.30%), pa investicija u sistem ponovnog ukapljivanja tereta postaje opravdana, prije svega zato što je moguće spriječiti veće gubitke plina u slučaju duljeg čekanja na iskrcaj. Osim toga, u lukama je zabranjeno ispuštanje viška plina kroz ispusne jarbole.
Moss RS rashladni sustav •
Postrojenje za ukapljivanje ima dva osnovna kruga: Krug isparenog plina krug rashladnog dušika
•
Krug isparenog plina sastoji se od: -pothlađivača isparenog plina, -kompresora isparenog plina, -izmjenjivača topline, -separatora ukapljenog plina i -LNG pumpe za povrat ukapljenog plina u tankove (pumpa se koristi u posebnim prilikama kada je tlak u sustavu niži od tlaka u tankovima tereta).
•
Krug rashladnog dušika sastoji se od sušioca dušika -booster kompresora dušika, -kompandera, -spremnika dušika i -izmjenjivača topline.
•
Sustav za ponovno ukapljivanje Moss RS
Sustav Moss RS koristi dušik u zatvorenom ciklusu za hlađenje isparenog plina i njegovo ponovno ukapljivanje.
Slika 1
Sustav za ponovno ukapljivanje Moss RS • •
• •
Dvostupanjski kompresor usisava ispareni plin i vodi ga u dvostupanjski izmjenjivač topline, tzv. «cold box». S druge strane nalazi se zatvoreni krug dušika, u kojem se dušik najprije tlači u trostupanjskom kompresoru sa vodenim međuhlađenjem, nakon čega odlazi u kondenzator smješten unutar «cold boxa». Kondenzirani dušik se zatim odvodi u ekspanzijsku turbinu smještenu na istoj osovini s trećim stupnjem kompresora, kako bi se povratio znatni dio rada uloženog pri kompresiji. Ekspandirani dušik odlazi zatim u isparivački dio «cold boxa» u kojem hladi ispareni prirodni plin i ponovno ga ukapljuje.
Sl 2. Brytonov rashladni ciklus
• • • • • • • •
• •
Između točaka 1 i 2 dolazi do povećanja tlaka dušika uslijed trostupanjske kompresije s međuhlađenjem. Temperatura dušika održava se konstantnom. Između točaka 2 i 3 u izmjenjivaču topline dolazi do pada temperature pri konstantnom tlaku. Od točke 3 do 4 dolazi do pada tlaka i temperature rashladnog dušika uslijed ekspanzije u ekspanzijskoj turbini. Porast temperature pri konstantnom tlaku je od točke 4 do 1. Glavna komponenta u krugu rashladnog dušika je kompander. Dušiku se preko tri stupnja kompresije povećava tlak s 13,5 bara na otprilike 57 bara . Toplina uzrokovana kompresijom odvodi se pomoću hladnjaka slatke vode smještenih između svakog stupnja. Stlačeni se dušik nakon trećeg stupnja kompresije odvodi u izmjenjivač topline, gdje se pothlađuje na temperaturu od -110°C, a zatim ekspandira u ekspanzijskoj turbini (ekspanderu) na tlak od 13,3 bara i temperaturu od -163°C . Tako ohlađeni dušik odvodi se natrag u izmjenjivač topline, gdje ukapljuje ispareni prirodni plin. Kapacitet, odnosno rashladni učinak, podešava se promjenom količine protoka dušika u sustavu, mijenjajući pritom tlak i maseni protok rashladnog plina kroz sustav. Kapacitet ovoga sustava za ponovno ukapljivanje prirodnog plina iznosi oko 6 t/h i pri punom opterećenju zahtijeva snagu od 5,8MW.
Suhi led
Suhi led
Suhi led
Rashladni kontejneri
Rashladni kontejneri • Kontejneri su posebno konstruirani spremnici različitih veličina i oblika, namijenjeni za prijevoz roba morem, kopnom i zrakom. Nezaobilazna su sredstva u suvremenom transportu. • Kontejnerski način prijevoza roba, zbog niza komparativnih prednosti u usporedbi s konvencionalnim transportnim metodama, zauzima sve već i udio u ukupnom prijevozu roba. • Rashladni kontejneri kojima se koristi uprijevozu hlađenog i smrznutog tereta za različite vrste pokvarljive robe pri vrlo promjenljivim klimatskim uvjetima, izloženi su vrlo strogim izvedbenim zahtjevima. • Opremljeni su rashladnim uređajima koji omogućuju održavanje željene temperature u unut rašnjosti kontejnera unutar granica od –30 do +20 °C i pri ekstremnim atmosferskim temperaturama od –40 do +50 °C. • Precizna regulacija temperature općeniti je zahtjev u oblasti hlađenog tereta, posebno za neke vrste robe.
Rashladni kontejner
