Πρόλογος του Εκδότη
Ευχαρίστως σας παρουσιάζουμε το νέο μας βιβλίο, «Θερμοδυναμική εφηρμοσμένη στην οικονομία του πεπιεσμένου αέρος».
Ο συγγραφέας κ. Ηρακλής Αργυρόπουλος, ασχολήθηκε επί 40 έτη, εμπορευόμενος αεροσυμπιεστές, φυσητήρες και συναφείς διατάξεις, ενώ παράλληλα έδινε λύση σε ενεργειακά προβλήματα σ’ αυτόν τον τομέα. Το βιβλίο είναι γραμμένο απλά, αναλύοντας πως σπαταλάται ενέργεια στις διάφορες εφαρμογές και οδηγώντας στη λύση της ελάχιστης κατανάλωσης ενέγειας, με την ορθή επιλογή μηχανών, ρυθμίσεις και παρεμβάσεις, υπολογίζοντας το χρηματικό κέρδος στην κάθε περίπτωση. Ιδιαίτερη προσπάθεια κατεβλήθη ώστε το κείμενο να είναι ζωντανό, δηλαδή ο αναγνώστης να μετέχει στη λύση των προβλημάτων, ενώ η πλούσια εικονογράφηση και τα διαγράμματα, βοηθούν στην κατανόηση της θεωρίας.
Με το κόστος της ενέγειας να αυξάνεται συνεχώς, το βιβλίο είναι εξαιρετικά επίκαιρο.
Ο πεπιεσμένος αέρας σήμερα, μετά τον ηλεκτρισμό, είναι η δεύτερη κινητήρια ενέργεια στη βιομηχανία, και ίσως ήρθε ο καιρός να διδάσκεται στα Πολυτεχνεία και στα Τ.Ε.Ι.
Πιστεύουμε ότι θα διαβάσετε με ενδιαφέρον το βιβλίο και θα εκτιμήσετε την ευρύτατη δυνατότητα εξοικονόμησης ενέργειας.
Εισαγωγή
Το βιβλίο αυτό «Θερμοδυναμική Εφηρμοσμένη στην Οικονομία του Πεπιεσμένου Αέρος», γράφηκε για να καλύψει περισσότερους τομείς στους οποίους είναι δυνατή η εξοικονόμηση ενέργειας και είναι συνέχεια του πρώτου, «Ο Πεπιεσμένος Αέρας και η Εξοικονόμηση Ενέργειας».
Όλοι οι κατασκευαστές αεροσυμπιεστών και συναφών διατάξεων, φίλτρων, ξηραντήρων όπως και εργαλείων, προωθούν τελευταίως τις πωλήσεις τους με διαφημίσεις που τονίζουν πρωτίστως την εξοικονόμηση ενέργειας. Η μόνη σαφής ενεργειακή ένδειξη είναι η ειδική ισχύς των συμπιεστών, Ws = kW/m3/1΄ σε ορισμένη πίεση και πάντα αν και δεν είναι αυτοσκοπός προτιμάται ο συμπιεστής με τη χαμηλότερη Ws. Πέραν αυτής όμως, έχουμε την ισχύ εν κενώ, όταν ο συμπιεστής εκφορτίζεται και ενώ λειτουργεί, δεν παρέχει αέρα, την Ws όταν ο συμπιεστής λειτουργεί σε χαμηλές στροφές, ελεγχόμενος από Inverter και τη μείωση του βαθμού αποδόσεως του κινητήρα, τη θερμοκρασία του αέρα και άλλα ενεργειακά κριτήρια, που δεν δίδονται από τους κατασκευαστές. Πολλές διαφημίσεις είναι εντελώς αόριστες και παραπλανητικές, όπως π.χ. αεροσυμπιεστές που εξοικονομούν έως 40% ενέργεια∙ προφανώς πρόκειται για λανθασμένη επιλογή, με συμπιεστή που δεν ταιριάζει στα χαρακτηριστικά της κατανάλωσης, και έτσι, η εξοικονόμηση είναι εφικτή.
Πουθενά δεν αναφέρονται οι συνθήκες εξοικονόμησης ενέργειας κατά την ενεργοποίηση μηχανών με πεπιεσμένο αέρα, όπως αναλύονται στο βιβλίο αυτό. Ας σχολιάσουμε τις διαφημίσεις διαφόρων κατασκευαστών.
- Κατασκευαστής οργάνων συνιστά την καταγραφή της κατανάλωσης αέρος για εξοικονόμηση ενέργειας, η οποία όμως δεν δίνει άμεσα το ενεργειακό κόστος, εφόσον αυτό εξαρτάται από την πίεση λειτουργίας και τον τρόπο παραγωγής του πεπιεσμένου αέρος, π.χ. με κοχλιοφόρο συμπιεστή που λειτουργεί με χαμηλό φορτίο, όπου η WS ενδέχεται να είναι υψηλή, ή
8
ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ ΕΦΗΡΜΟΣΜΕΝΗ ΣΤΗΝ ΟΙΚΟΝΟΜΙΑ ΤΟΥ ΠΕΠΙΕΣΜΕΝΟΥ ΑΕΡΟΣ
συμπιεστή σταθερών στροφών σε φορτίο 60%, με αναλογικό έλεγχο της παροχής «Modulation», όπου η Ws είναι επίσης υψηλή.
- Άλλος τονίζει τη δυνατότητα εξοικονόμησης ενέργειας κατά τον εξευγενισμό του πεπιεσμένου αέρος, επισημαίνοντας τη διαφορά μεταξύ φίλτρων, διαφημίζοντας ότι τα φίλτρα του εξοικονομούν ενέργεια, μειώνοντας κατά 50% την πτώση πίεσης έναντι των κοινών φίλτρων. - Αμερικανός κατασκευαστής κοχλιοφόρων διαφημίζει ~30% της ισχύος στην πλήρη φόρτιση, όταν οι συμπιεστές του λειτουργούν εν κενώ «only». (Κεφάλαιο 4). - Γνωστός κατασκευαστής μεγάλων πτερυγιοφόρων, τονίζει ότι οι συμπιεστές του απορροφούν ισχύ ευθέως ανάλογη με τις στροφές του συμπιεστή, όταν η κατανάλωση αέρος είναι χαμηλή. Έτσι, είναι σίγουρη η εξοικονόμηση ενέργειας με Inverter.
- Μεγάλος κατασκευαστής κοχλιοφόρων, εμβολοφόρων και στροβιλοφόρων συμπιεστών, αναφέρει ότι, όλο και περισσότερες βιομηχανίες στρέφονται στους εμβολοφόρους για την ενεργειακή αναβάθμιση των εγκαταστάσεών τους. Όπως αναγράφεται στη Γερμανική Επιθεώρηση του 2013, Pumps, Compressors and Process Equipment, Βιομηχανία αντικατέστησε δύο κοχλιοφόρους με εμβολοφόρους των 55 kW επιτυγχάνοντας 50% μείωση της κατανάλωσης ενέργειας.
Η οικονομική λειτουργία μιας εγκατάστασης παραγωγής και αξιοποίησης του πεπιεσμένου αέρος, εξασφαλίζεται όταν η εφαρμογή έχει μελετηθεί για ελάχιστη κατανάλωση ενέργειας και ο συμπιεστής ανταποκρίνεται οικονομικά. Η εξυπηρέτηση καταναλώσεων με υπερμεγέθεις συμπιεστές ή ακατάλληλη διάταξη ελέγχου της παροχής αναπόφευκτα αποβαίνει αντιοικονομική. Ιδεώδης κατάσταση επιτυγχάνεται, όταν η κατανάλωση αέρος έχει διαμορφωθεί και η ονομαστική παροχή του συμπιεστή δεν την υπερβαίνει κατά 5%. Όπως συνάγεται, ο Μηχανικός, καθορίζοντας τις απαιτήσεις μιας εφαρμογής, μπορεί να επιλέξει τον πιο κατάλληλο συμπιεστή για οικονομική λειτουργία. Οι συμπιεστές αποδίδουν τον αέρα σε πίεση υψηλότερη από την ατμοσφαιρική και η πίεση αυτή αξιοποιείται κατά δύο τρόπους με πάμπολλες εφαρμογές.
α) τη χρήση του αέρα ως ενεργειακού μέσου, για την πρόσδοση ισχύος σε αεροέμβολα, ακροφύσια, αεροκινητήρες κ.λπ., την πίεση λειτουργίας των οποίων καθορίζει ο μηχανικός με κριτήρια πρωτίστως ενεργειακά.
ΕΙΣΑΓΩΓΗ
9
β) την αποθήκευση του αέρος υπό πίεση όπως στις φιάλες των αυτοδυτών ή την παροχή του αέρος στην πίεση που επιβάλλεται από την εφαρμογή με διαφορετικά κριτήρια οικονομίας.
Στην πρώτη περίπτωση, όσο χαμηλότερη η πίεση λειτουργίας και υψηλότερη η επιτρεπόμενη θερμοκρασία του πεπιεσμένου αέρος τόσο βελτιώνεται η ενεργειακή απόδοση, ενώ στη δεύτερη, της πίεσης δεδομένης, η συνεχής ψύξη του αέρος κατά τη συμπίεση και τη μετάβαση από βαθμίδα σε βαθμίδα, επιτυγχάνει οικονομία ενεργειακή άρα και χρηματική. Σε ορισμένες περιπτώσεις, η ενεργειακή απόδοση υπερβαίνει το 80%, πράγμα παράδοξο, που εξηγείται από την απορρόφηση θερμότητας του αέρα από την ατμόσφαιρα, κατά την παραγωγή έργου με την εκτόνωση του αέρα.
Διαφορετικοί τρόποι προσέγγισης ενεργειακών προβλημάτων, όπως αναλύονται στα Κεφάλαια του βιβλίου, καταλήγουν στα ίδια συμπεράσματα.
Μετά τις περίφημες μηχανές του Ήρωνος και του Κτησίβιου που λειτουργούσαν με πεπιεσμένο αέρα, Γάλλοι μηχανικοί μελέτησαν την συμπεριφορά των αερίων κατά τη μεταβολή της πίεσης και της θερμοκρασίας, κατασκεύασαν σταθμούς παραγωγής πεπιεσμένου αέρα, που κινούσαν τραμ, υπαίθριους ωροδείκτες, όπως και τις μηχανές διάνοιξης σηράγγων στις Άλπεις. Ο Carnot εισάγοντας την έννοια του βαθμού απόδοσης, έθεσε τις βάσεις της θερμοδυναμικής, ενώ ο Βρετανός Joule επινόησε τη διάταξη μέτρησης του μηχανικού ισοδύναμου της θερμότητας, 4,186 Joule = 1 Cal. Σήμερα, οι μηχανικοί μπορούν να υπολογίσουν εξ αρχής την ενεργειακή απόδοση μιας εγκατάστασης που, όταν λειτουργεί οικονομικά, λειτουργεί πάντα ικανοποιητικά. Υ.Γ. Τα πρακτικά προβλήματα και οι εικόνες στο τέλος των κεφαλαίων, φανερώνουν τις πάμπολες εφαρμογές και την ποικιλία μηχανών που συναντώνται στον πεπιεσμένο αέρα.
Περιεχόμενα
Εισαγωγή ...................................................................................................................5
Κεφάλαιο 1. Από την ισοθερμοκρασιακή στην αδιαβατική, συμπίεση ή εκτόνωση. Η λειτουργία των αεροσυμπιεστών ..............................13 Κεφάλαιο 2. Ανυπολόγιστη σπατάλη ενέργειας στην απλούστερη εφαρμογή (Ένα κλειστό σύστημα) .....................................................................27 Κεφάλαιο 3. Από την ατμόσφαιρα στην ατμόσφαιρα, αποθήκη και πηγή ενέργειας .............................................................................41 Κεφάλαιο 4. Τα ενεργειακά μυστικά των αεροσυμπιεστών και η ρύθμιση της παροχής τους ..............................................................63 Κεφάλαιο 5. Ιδιοτροπίες του πεπιεσμένου αέρα και ευκαιρίες για εξοικονόμηση ενέργειας. Τι συμβαίνει ενεργειακά κατά τον ψεκασμό, την πλήρωση δοχείων και την κίνηση μηχανών ................................75
Κεφάλαιο 6. Η κρίσιμη ενεργειακή εξίσωση και η οικονομικότερη ενεργειακή απόδοση του πεπιεσμένου αέρος ....................................85
Κεφάλαιο 7. Η αξιοποίηση της διαθέσιμης ισχύος στην παραγωγή και κατανάλωση του πεπιεσμένου αέρος...........................................91
Κεφάλαιο 8. Η χαμηλή πίεση λειτουργίας, εξασφαλίζει υψηλή ενεργειακή απόδοση ........................................................................101
Κεφάλαιο 9. Μία απλή ιδέα για την εξοικονόμηση ενέργειας. Αεροέμβολα 2πλής ενέργειας, σε διαφορετικές πιέσεις ..................113
Κεφάλαιο 10. Η θερμότητα του πεπιεσμένου αέρος και η ψύξη των συμπιεστών .....................................................................117
Κεφάλαιο 11. Σπατάλη ενέργειας με αεροσυμπιεστές διακεκομμένης λειτουργίας. Ο προγραματισμός της κατανάλωσης αέρος, αποφέρει ενεργειακό κέρδος και αποτέλεσμα ................................127
12
ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ ΕΦΗΡΜΟΣΜΕΝΗ ΣΤΗΝ ΟΙΚΟΝΟΜΙΑ ΤΟΥ ΠΕΠΙΕΣΜΕΝΟΥ ΑΕΡΟΣ
Κεφάλαιο 12. Ο ψεκασμός του πεπιεσμένου αέρος ..............................................143
Κεφάλαιο 13. Η ενεργειακή απόδοση του πεπιεσμένου αέρος και τα σύγχρονα ακροφύσια. Πώς οι 12,36 KWh, μειώνονται αποδεδειγμένα σε 2,86 KWh ..........................................................157 Κεφάλαιο 14. Και οι αεροσυμπιεστές θέλουν καθαρό περιβάλλον και τα κλιματιστικά τους, μερικές φορές........................................161 Κεφάλαιο 15. Δημιουργία κενού με τον πεπιεσμένο αέρα. Εφαρμογές με σύγχρονες διατάξεις ................................................169 Κεφάλαιο 16. Πτώση της πίεσης και της θερμοκρασίας στα δίκτυα διανομής του πεπιεσμένου αέρα .........................................175 Κεφάλαιο 17. Η αφύγρανση, ο καθαρισμός του πεπιεσμένου αέρος και το υψηλό κόστος τους ...................................................181
Κεφάλαιο 18. Ο ψεκασμός θερμού ή ψυχρού αέρος. Θέρμανση και ψύξη ταυτοχρόνως ..................................................191 Κεφάλαιο 19. Το κόστος του πεπιεσμένου αέρα. Συγκριτικά στοιχεία και εφαρμογές. Μέτρηση της παροχής των αεροσυμπιεστών. Επιλογή αεροσυμπιεστών ...........................203
Κεφάλαιο 20. Σπατάλη ενέργειας με μειωτήρες (ρυθμιστές) πίεσης ....................219 Κεφάλαιο 21. Ιδιαίτερες εφαρμογές του πεπιεσμένου αέρα .................................229