1 1 ÚVOD - Partnerství v oblasti energetiky

1 1 ÚVOD - Partnerství v oblasti energetiky

Jakub LOKAJ1
ENERGETICKÝ AUDIT A MĚŘENÍ V PRÁDELENSKÝCH PROVOZECH
Abstrakt
Obsahem článku je seznámení se s měřením a vyhotovením energetického auditu
daného prádelenského provozu. Dále také měření odpadních proudů parního vyvíječe a
kalandru za účelem využití energie odcházející ve spalinách resp. ve vlhkém vzduchu
kalandru. V práci je také začleněn návrh zařízení pro sběr naměřených dat využívající
programovatelné vývojové HW platformy Arduino, jež bylo připravováno pro urychlení,
zpřesnění a zautomatizování sběru hodnot z vodoměrů, plynoměrů nebo elektroměrů.
Klíčová slova
Energetický audit, experimentální měření, sběr dat, prádelenský provoz, prací a sušící
zařízení, kalandr, odpadní proudy, spaliny, parní vyvíječ.
1
ÚVOD
V rámci odborné stáže projektu Partnerství v oblasti energetiky zaštiťovaného
Moravskoslezským energetickým klastrem (MSEK) ve spolupráci se společností EVECO
Brno, s.r.o. a výzkumným a vývojovým centrem NETME Centre byl nejprve vypracován
energetický audit prádelenského procesu společnosti PEVI, s. r. o. Tato společnost poskytla
prostory a prádelenské stroje pro experimentální měření jejich spotřeby elektrické energie,
plynu a vody. Kromě naměřených hodnot jednotlivých spotřeb vody, elektřiny a plynu
(tepelné energie) byly vyhotoveny analýzy dávek prádla, četnosti pracích programů a také
produktivity jednotlivých pracích a sušících zařízení z pracovního deníku vedeného
zaměstnanci společnosti. Po průzkumu prádelenského provozu bylo sepsáno doporučení
týkajících se inovací prádelenských zařízení a zautomatizování sběru dat z daných strojů a
dávek prádla včetně doporučení pro stávající zařízení.
Druhým objektem, kde probíhala experimentální měření, byl prádelenský provoz firmy
Blaha V., s. r. o. Zde se již nejednalo o vyhotovení energetické auditu pracích a sušících
1
Bc. Jakub Lokaj, student Energetického inženýrství, Fakulta strojního inženýrství, Vysoké učení
technické v Brně, Technická 2, 618 00 Brno - Žabovřesky, tel.: (+420) 773 16 09 25, e-mail:
[email protected].
1
strojů, nýbrž o určení energetické náročnosti korytového žehliče (kalandru) a parametrů
odpadních proudů kalandru a parního vyvíječe.
Na základě poznatků z experimentálních měření bylo, pro zjednodušení zápisu dat a
jejich transformace do elektronické podoby, navrženo elektronické zařízení na bázi
mikrokontroléru ATmega 328p, jež tvoří srdce programovatelné vývojové open-source
platformy Arduino Uno. Tato platforma posloužila k naprogramování automatického odečtu
dat z měřičů energií a vody (plynoměru, elektroměru a vodoměru).
2
ENERGETICKÝ AUDIT PRÁDELENSKÉHO PROVOZU PEVI, S. R. O.
Prvním měřením v prádelenském provozu, kterým byla stáž započata, bylo měření ve
firmě PEVI, s.r.o. sídlící v Lanškrounu. Tato společnost pronajímá pracovní oděvy a zároveň
obstarává i jejich pravidelné čištění. Zde bylo v plánu proměřit spotřeby vody, elektrické
energie a zemního plynu resp. páry u jednotlivých pracích a sušících zařízení neinvazivním
způsobem a vyhodnotit jejich energetickou náročnost. Na základě vyhodnocení naměřených
dat pak vytvořit daná doporučení pro inovaci prádelny a vyhotovit energetický audit.
Obr. 1: Provozovna PEVI, s. r. o., Lanškroun [1]
2.1
Popis měřených technologických zařízení
Provozovna firmy PEVI, s. r. o. využívá tři průmyslové prací stroje (Pračka 1 až 3),
jejichž typ ohřevu je realizován pomocí páry, jeden plynový sušič a plynový finišer.
Fotografie jednotlivých strojů včetně přehledové tabulky jsou uvedeny níže.
2
Obr. 2: Zleva - Prací stroje (Pračka č. 1 až 3), sušič, finišer [1]
Tab. 1: Přehled technologických zařízení [1]
Označení stroje
Výrobce
Model
Typ ohřevu
Elektrický příkon
Pračka č. 1
Primus
F55
parní
5,8 kW
Pračka č. 2
Primus
FS55
parní
62,7 kW
Pračka č. 3
Pharmagg
FU 1400
parní
23,4 kW
Sušič
Lavamac
LDR1025
plynový
2,5 kW
Finišer
Kannegiesser
SMT 1 Gas Turbo
plynový
14 kW
Pro výrobu technologické páry, která slouží k ohřevu pracích lázní, je využit parní
vyvíječ Certuss Junior 600, jehož výstupem je středotlaká pára o tlaku 7 bar g a teplotě 170
°C. Základní údaje o vyvíječi jsou uvedeny v Tab. 2 [1].
Tab. 2: Parametry parního vyvíječe (štítkové údaje) [1]
Výrobce
Certuss
Typ
Junior 600
Sériové číslo
10493
Rok výroby
2001
Objem vody
49 l
Výkon vyvíječe páry
600 kg/h
Provozní tlak
16 bar
Rozsah teplot
0 - 300 °C
Rozsah tlaku
0 - 25 bar
Značka schválení typu
08-316-014
Doba v provozu ke 12. 6. 2013
21821,33 h
2.1
Plán a metoda měření
V objektu, který je napojen na obecní vodovod, středotlaký plynovod a třífázovou
rozvodnou soustavu nízkého napětí, bylo nutno kvůli absenci podružných měřidel klíčových
3
technologických zařízení provozu využít fakturační měřidla na přípojkách objektu. Z tohoto
faktu vyplynula metodika měření, jejímž předpokladem byl sběr měřených dat pouze u
jednoho provozovaného zařízení a využití jednotlivých měřidel k odečtu sledovaných hodnot
[1].
Obr. 2: Zleva – Plynoměr, elektroměr, vodoměr (kotelna), vodoměr (hlavní), váha
Tab. 3: Popis použitých měřidel pro odečet měřených hodnot [1]
Měřidlo
Výrobce
Třída
přesnosti
Typ
Číslo měřidla
Plynoměr
Elster Amco Premagas RVG
-
0013568-057-01-IV
Elektroměr
Actaris
SL7000
Tř. 1 (0,5S)
51005988
Vodoměr (kotelna)
Sensus
-
B
01040875
Vodoměr (hlavní)
Actaris
Flostar HF10L
C
D 04UF085516 6
Váha
Transporta
P50
-
74-145692/XIV
Jednotlivá měření probíhala odečtem stavu měřidel vždy na začátku a na konci jednoho
pracovního cyklu stroje. U pracích strojů je cyklem myšleno vyprání jedné dávky prádla, u
sušiče usušení jedné vsádky a v případě finišeru usušení daného množství prádla. Každá
dávka prádla byla před i po vyprání resp. usušení analyzována formou určení množství a
hmotnosti oděvů. Dále se jednalo o rozdělení na jednotlivé druhy oděvů a zjištění jejich
hmotnostního podílu bavlny a polyesteru (PES). Měření byla opakována a bylo při nich
použito celkem 6 různých dávek prádla. Při praní dávky prádla v pracích strojích a sušení v
sušiči probíhalo měření ve 2 opakováních, přičemž u finišeru proběhly měřené cykly celkově
třikrát [1].
Obr. 3: Dávka a analýza praného prádla
4
2.2
Analýza produktivity pracích strojů dle provozních záznamů
a provozní náklady
Pro období měsíce března až května byla ze zaznamenávaných hodnot poskytnutých
zadavatelem zpracována analýza celkové hmotnosti vypraného a vysušeného prádla
jednotlivých strojů, četnosti pracích programů, hmotnosti prádla vztaženého k jednotlivému
pracímu programu a vytíženosti (počtu spuštění) jednotlivých pracích strojů. Hodnoty
hmotností jednotlivých várek pro prací zařízení č. 1, 2 byly dle vyjádření provozovatele
stanoveny obsluhou pouze orientačně, zatímco u pračky č. 3 byly dané hmotnosti prádla
zaznamenány z integrované váhy v pracím stroji. Celkové počty kusů za měsíc byly
převzaty z evidenčního programu LIN a byly proto věrohodnější [1].
Z dostupných údajů na fakturách jednotlivých energií (elektřina, plyn) a
vodného/stočného, byla zpracována ekonomická náročnost na provoz veškerých pracích a
sušících strojů pro období měsíce března až května. Z poskytnutých dat zadavatele, bylo
zjištěno, že hodnoty na fakturách za plyn nesouhlasí se skutečným stavem plynoměru ke
konci měsíce, ale k datům pořízenými zaměstnanci s předstihem 1 až 5 dnů [1].
Na základě zjištění spotřeb energií a vody a z množství vypraného prádla pro daný
měsíc byly vyčísleny měrné spotřeby energií a vodného/stočného na jednotkovou hmotnost
(kg) a jednotkový počet (ks) zpracovaného prádla. Ačkoli se v měsíci květnu zpracovalo
nejvíce prádla, měrné spotřeby elektřiny, plynu a vodného/stočného dosahovaly nejnižších
hodnot. Tento fakt vypovídá o tom, že vyšší produkce má v důsledku účinnější využití
energií (zejména plynu), neboť nedochází k dlouhým prostojům mezi cykly pracích a
sušících zařízení, které jinak zapříčiní vychladnutí zařízení a zvýší spotřebu kvůli
opětovnému nahřátí na provozní teplotu [1].
2.3
Zpracování naměřených hodnot a vyhodnocení záznamů
Z naměřených hodnot jednotlivých pracích a sušících strojů, kterými byly hmotnosti
dávek prádla, čas a stavy měřičů energie a vody na počátku a konci daného cyklu. Po
zpracování veškerých hodnot byl vytvořen pro každé měřené zařízení průkaz energetické
náročnosti pracích strojů, dále jen PENPS, který obsahoval výpočet produktivity, spotřeby
vody, elektrické energie a tepla, zbytkovou vlhkost po odstředění, G-faktor a souhrn
podstatných hodnot měrných spotřeb [1].
5
Obr. 4: Příklad průkazu energetické náročnosti pracích strojů – PENPS [1]
Po zpracování jednotlivých PENPS k pracím a sušícím zařízením bylo také pro firmu
PEVI, s. r. o. vypracování doporučení pro inovaci provozu plynoucích z naměřených dat a
také z chodu provozovny, kde bylo měření uskutečněno. Doporučení bylo zejména v oblasti
instalace inovativních prvků monitorujících aktuální spotřeby elektřiny, plynu a vody u
jednotlivých zařízení a strojů či případné pořízení nových prostředků k dotvoření
ucelenějšího pohledu na provoz prádelny [1].
Hlavní přínos pro celý prádelenský provoz by při instalaci měřících prvků
zaznamenávajících informace o aktuálních spotřebách jednotlivých zařízení měl spočívat ve
vyvozování individuálních spotřeb daných dávek vstupujících do pracího a sušícího procesu
a predikci poruchovosti jednotlivých strojů a zařízení [1].
V následujících odstavcích budou uvedena doporučení k jednotlivým měřícím
zařízením pro zajištění sběru naměřených spotřeb energií a vody.
Doporučení k měření aktuální spotřeby plynu
Inovace soustavy plynoměrů byla navržena tak, aby bylo možno naměřené hodnoty
spotřeb zemního plynu odesílat pomocí impulzního snímače do jednotky sběru dat. Jedná
se o jednotlivé plynoměry pro jednotlivá sušící zařízení (sušičku a finišer).
K ucelenému pohledu na aktuální spotřeby zemního plynu by bylo vhodné opatřit
vlastním plynoměrem také parní vyvíječ. Jelikož parní vyvíječ dosahuje nejvyšších
objemových toků ZP (okolo 44 m3/h), vhodně dimenzovaný plynoměr by měl nejvyšší
6
pořizovací cenu ze všech možných inovativních prvků a značně by navyšoval celkové
finanční náklady. Z toho důvodu je na zvážení, zda by bylo vhodnější využít samostatný
plynoměr pro vyvíječ páry či by se hodnota spotřeby vyvíječe odečítala rozdílem dílčích
plynoměrů od plynoměru hlavního.
Doporučení k měření aktuální spotřeby elektřiny
Hodnoty spotřeb elektrické energie z pracích zařízení (pračka č. 1, 2 a 3,
malokapacitní pračka), sušících a kompletovacích zařízení (sušička, finišer a skládač) a z
kotelny, v níž je umístěn parní vyvíječ, lze měřit a odečítat pomocí třífázových elektroměrů
opatřených impulsními výstupy. Ostatní spotřebiče v kotelně (kompresor a ventilátory) je
možno osadit jednofázovými elektroměry, které by měly taktéž impulsní výstupy pro sběr
dat. Každý elektroměr by měl být umístěn přímo u stroje či spotřebiče, přičemž naměřené
hodnoty by měly být vedeny do jednotky pro sběr dat pomocí datových vodičů.
Spotřeby okolních spotřebičů a zařízení (osvětlení v budově, počítače, nažehlovací a
šicí stroje) lze považovat za spotřebu sdruženou (v pozadí), kde její hodnotu je možno určit
rozdílem spotřeby na hlavním elektroměru vůči dílčím, které by byly instalovány ke každému
výše uvedenému zařízení.
Aby nedocházelo k případnému poškozování měřících přístrojů vlivem vlhkosti a
zranění obsluhy způsobeným zásahem elektrického proudu, je vhodné elektroměry umístit
do rozvodných skříní. Měřicí jednotky by bylo možné umístit v kotelně a v prádelně vedle
stávajících rozvodných skříní. Rozdělením na dva okruhy by bylo dosaženo potlačení rušení
způsobeným dlouhými signálními kabely.
Doporučení k měření aktuální spotřeby vody
Obdobně jako u elektroměrů by bylo vhodné využít vodoměry pro každý jednotlivý
prací stroj. Pro prací stroje (pračka č. 1, 2 a 3), dávkovače chemie a úpravnu vody směřující
do parního vyvíječe lze doporučit instalaci vodoměrů opatřenými impulsními výstupy
naměřených dat. Sběr dat z jednotlivých plynoměrů, elektroměrů a vodoměrů u daných
zařízení a strojů by byl realizován pomocí jednotek sběru dat. Nasbírána data by pak byla
odesílána na centrální počítat, kde by byla následně zpracovávána příslušným softwarem
(řazena do tabulek a graficky vykreslována) a také archivována. Mimo automatizovaný
měřící systém, který by ukládal data, bude možno jednotlivé hodnoty odečítat také na místě
z počítadla/displeje měřících přístrojů u jednotlivých zařízení.
Systém měření provozních dat by měl nejen zobrazovat aktuální spotřeby, ale
současně zaznamenávat hodnoty do archivu. Z archivu by pak bylo možné jednoduše
vytvořit přehledové zprávy dlouhodobého pozorování. Jednorázová měření totiž poskytují
pouze velmi omezenou představu o spotřebách jednotlivých zařízení během běžného
provozu. Zprávy z dlouhodobých měření mohou poukázat na největší konzumenty energií a
být dokladem snížení energetických nároků v případě výměny některých zařízení.
Alternativou ke komerčnímu řešení by mohl být software „na klíč“, po dohodě vypracovaný
na půdě NETME Centre.
V případě modernizace softwaru LIN společnosti Dataexpert v podobě detailnějšího
rozdělení prádla, by pak bylo možno naměřená data spotřeb energií a vody jednotlivých
pracích a sušících zařízení přiřadit k danému typu či kusu prádla. Tato inovace by vedla k
možnosti případného navýšení či snížení ceny za pronájem prádla, které by dosahovalo
vyšších resp. nižších výsledných spotřeb energií. K detailnějšímu pohledu o skutečném
zpracovaném množství prádla procházejícím prádelenským procesem, by bylo vhodné
pořídit nájezdovou podlahovou váhu, která by sloužila k přesnějšímu určení hmotnosti várky
7
namísto odhadované hodnoty obsluhou. Naměřená data z vážení by mohla být začleněna i
do databáze informačního systému LIN pro pozdější určení měsíční produkce.
Doporučení ke stávajícímu zařízení
Ke stávajícím zařízení lze doporučit změny i bez hrubého zásahu do současných
rozvodů a nutnosti nákupu nových měřících prvků. Mezi tato doporučení lze uvézt změnu
zobrazování spotřeby hlavního elektroměru Actaris, SL7000 (výrobce, model) na desetiny
kWh namísto jednotek, které jsou doposud nastaveny. Tato změna by vedla ke zpřesnění
měřené spotřeby. Dále je vhodné doporučit pravidelné sledování a zápis hodnot ze
současných měřících přístrojů každých 14 dní do předem připravené tabulky. Díky těmto
záznamům by bylo možné detailněji zachytit měsíční spotřeby daných pracích a sušících
strojů [1].
V průběhu měření byla odhalena chybovost počítadla ramínek tunelového finišeru.
Z předem zjištěného počtu kusů bylo počítadlem finišeru napočítáno vždy o cca 3 % kusů
méně. K dalším doporučením tudíž patří nepočítat jednotlivé kusy pomocí počítadla finišeru
nebo jej nechat opravit [1].
Při zpracování dat z faktur dodávky plynu poskytnutých zadavatelem, byly nalezeny
značné nesrovnalosti. Ve fakturách se opakovaně vyskytuje neodpovídající množství
spotřebovaného a dodaného tepla v GJ oproti provedeným ověřovacím výpočtům. Dále je
zde chybně uvedena výhřevnost zemního plynu a to s neodpovídající jednotkou GJ/m3.
Výrobní číslo plynoměru uvedeného na faktuře se pouze v jednom ze dvou případů shoduje
se skutečným výrobním číslem v objektu. V neposlední řadě je na faktuře nesprávně
uvedena jednotková cena zemního plynu a náklady na palivo převyšují výslednou cenu
fakturace. V tomto případě je namístě doporučit kontaktování dodavatele plynu pro úpravy
nepřesností ve fakturách či případné jejich objasnění [1].
3
URČENÍ ENERGETCKÉ NÁROČNOSTI KALANDRU A PARAMETRŮ
ODPADNÍCH PROUDŮ FY BLAHA V., S. R. O.
3.1
Plán a metoda měření
Účelem měření, které proběhlo ve dnech 12. až 13. srpna 2013 v provozovně fy
Blaha V., s. r. o., v areálu Lázní Teplice nad Bečvou bylo určit energetickou náročnost
kalandru (korytového žehliče) a to neinvazivním způsobem pomocí místních pevně
instalovaných měřidel. Dále byly zjišťovány parametry odpadních proudů – odtahu vlhkého
vzduchu z kalandru a spalin parního vyvíječe. Parní vyvíječ zásobuje celou technologii
prádelny sytou parou. Účelem měření je ověřit možnost využití odpadního tepla těchto
zařízení pro předehřev vody [2].
8
Obr. 5: Provozovna fy Blaha V., s. r. o., v areálu Lázní Teplice nad Bečvou [2]
Při měření spotřeb zemního plynu byl použit fakturační plynoměr s pracovním
přetlakem cca 300 kPa umístěný v plynoměrové skříni na fasádě objektu, který sleduje
spotřebu zemního plynu všech spotřebičů v objektu. Kromě fakturačního plynoměru byly
sledovány také hodnoty z přepočítávače spotřeby plynu, jehož výstupem je zobrazení
spotřeby ZP ve standardních podmínkách. Ke sledování spotřeb vody při doplňování
napájecí vody parního vyvíječe bylo využito vodoměru umístěného v kotelně. Mechanická
můstková váha umístěna taktéž v areálu provozovny posloužila ke zvážení dávek prádla
vstupujících do procesu [2].
Ke zjišťování parametrů vlhkého vzduchu v odtahu kalandru byl použit přenosný
měřicí přístroj Testo 445 (0560 4450), který pomocí připojené vysokoteplotní vlhkostní a
teplotní sondy Testo 0628 0021 a vrtulkové a teplotní sondy s průměrem 16 mm Testo 0635
6045 zaznamenával hodnoty. Pro určení parametrů vzduchu v okolí kalandru byl použit
přenosný měřicí přístroj Testo 435 (0560 4354), k němuž byla připojena vlhkostní a teplotní
sonda Testo 0636 9735. Veškerá naměřená data z výše uvedených přístrojů byla pomocí
softwaru dodávaného k přístrojům Testo uložena do paměti počítače a následně převedena
do tabulkového procesoru [2].
Určování parametrů odpadního proudu spalin parního vyvíječe probíhala obdobným
způsobem jako u měření proudu vlhkého vzduchu odtahu kalandru. K záznamu měřených
hodnot bylo vyuužito měřicího přístroje Testo 445 (0560 4450) s připojenou vysokoteplotní
vlhkostní a teplotní sondou Testo 0628 0021 a vysokoteplotní vrtulkovou a teplotní sondou
(s průměrem 25 mm) Testo 0635 6045. Přenosný měřicí přístroj Testo 350 XL byl využit pro
analýzu složení spalin zemního plynu parního vyvíječe [2].
Měření jednotlivých veličin energetické náročnosti a parametrů odtahového vzduchu
kalandru bylo prováděno ve dvou opakováních. Parametry odpadního proudu spalin parního
vyvíječe byly taktéž měřeny ve dvou opakovacích cyklech, přičemž byl kromě spotřeby vody
hlídán i režim parního vyvíječe [2].
3.2
Popis měřených technologických zařízení
Provozovna firmy Blaha V., s. r. o. je vybavena kontinuální pracím strojem,
průmyslovými pračkami a sušičkami. Prádlo vystupujícího z těchto zařízení je následně
obsluhou vkládáno do korytového žehliče – kalandru značky Transferon, který byl
předmětem měření. Kalandr využívá technologickou páru pro svůj ohřev, kde tato pára o
9
průměrném přetlaku 12 bar a teplotě 200 °C je generovaná parním vyvíječem Certuss
Universal SC 1800 [2].
Tab. 4: Základní údaje a parametry měřeného kalandru [2]
Výrobce
Transferon
Typ ohřevu
parní
Pracovní šířka
3000 mm
Průměr válců
1200 mm
Počet válců
3
Úhel opásání válců
Posuv
180°
33 m/min
Tab. 5: Základní údaje a parametry parního vyvíječe [2]
Výrobce
Certuss
Model
Universal SC 1800
Sériové číslo
9051
Rok výroby
1996
Objem vody
210 l
Výkon vyvíječe páry
Pracovní tlak
1 800 kg/h
10 bar
Režimy (stavy) parního vyvíječe při měření byly následující:



3.3
0 = vypnuto,
1 = poloviční výkon (900 kgpáry/hod),
2 = plný výkon (1800 kgpáry/hod)
Energetická náročnost kalandru
Jedním z cílů měření bylo určit energetickou náročnost kalandru neinvazivním
měřením a to za pomocí lokálních instalovaných měřičů energie (zemního plynu) a vody.
Před žehlením a následně i po něm bylo zpracované prádlo váženo na můstkové váze. Díky
měření hmotnosti bylo možno určit množství odpařené vody a hmotnost suchého prádla
(sušiny). K těmto veličinám pak byla vztažena výsledná produktivita a spotřeba kalandru [2].
Po zpracování naměřených hodnot byl vyhotoven protokol určující energetickou
náročnost žehlícího stroje dle krátkodobého neinvazivního měření, jež měl obdobnou
strukturu jako PENPS v prvním měřeném objektu. Přehled podstatných hodnot obsažených
v protokolu, jsou uvedeny v Tab. 6 [2].
10
Tab. 6: Přehled podstatných údajů z protokolů k určení energetické náročnosti kalandru [2]
1. měření
2. měření
Označení dávky prádla
1.1
1.2
-
Program / nastavení stroje
33
33
m/min
218,9
325,2
kgSP
100
100
% hm.
0
0
% hm.
Množství suchého prádla v dávce
Hmotnostní podíl bavlny
Hmotnostní podíl PES
Hodinová produktivita
405,1
478,8
kgSP/h
Úbytek měrné zbytkové vlhkosti
0,445
0,438
kgH2O/kgSP
Produktivita práce
81
95,8
kgSP/h/osoba
Průměrná odpařovací kapacita
3
3,49
kgH2O/min
Měrná spotřeba tepla (ZP)
2,06
2,17
kWh/kgH2O
Měrná spotřeba páry (12,2 bar g)
3,12
3,29
kg/kgH2O
SP – suché prádlo, PES – polyester, ZP – zemní plyn, H2O – voda
3.4
Parametry odpadních proudů kalandru a parního vyvíječe
Průměrné hodnoty naměřených parametrů odpadního proudu vlhkého vzduchu
v odtahu z kalandru, které byly naměřeny při žehlení dávky 1.1 po dobu 1 945 sekund, jsou
uvedeny v Tab. 7. Parametry pro dávku prádla 1.2, které byly měřeny po dobu 2 445 s, jsou
vyobrazeny v Tab. 8. Uvedené hodnoty za normálních podmínek se uvažují pro teplotu 0 °C
a tlak 101 325 Pa [2].
Tab. 7: Parametry odpadního proudu kalandru pro dávku prádla 1.1 [2]
Objemový průtok za norm. podmínek
1600 mN3/h (stabilita cca ± 50 mN3/h)
Teplota
115,3 °C (stabilita cca ± 2°C)
Relativní vlhkost
9,0 % r. v. (dle zatížení 7,5 ÷ 12 % r. v.)
Absolutní vlhkost
83,0 g/m3
Rosný bod
58,0 °C
Množství odpařené vody
97,35 kgH20
Tab. 8: Parametry odpadního proudu kalandru pro dávku prádla 1.2 [2]
Objemový průtok za norm. podmínek
1500 mN3/h (stabilita cca ± 50 mN3/h)
Teplota
117,5 °C (stabilita cca ± 2°C)
Relativní vlhkost
13,5 % r. v. (dle zatížení 4,5 ÷ 16 % r. v.)
Absolutní vlhkost
135,0 g/m3
Rosný bod
69,0 °C
Množství odpařené vody
142,4 kgH20
11
Měření odtahu kalandru doprovázelo také zaznamenávání hodnot proudu spalin
z kouřovodu parního vyvíječe. Při žehlení dávky prádla 1.1 byl parní vyvíječ 26,4 % svého
času v režimu 0 a 73,6 % v režimu 1 [2]. Průměrné hodnoty z tohoto měření byly
následující:
Tab. 9: Parametry proudu spalin parního vyvíječe pro dávku prádla 1.1 [2]
Objemový průtok za norm. podmínek
810 mN3/h (stabilita cca ± 50 mN3/h)
Teplota
154,3 °C (dle zatížení 135,2 ÷ 163,5 °C)
Relativní vlhkost
1,0 % r. v. (dle zatížení 0 ÷ 2,1 % r. v.)
Rosný bod
51,3 °C
Průměrné hodnoty proudu spalin v rámci žehlení dávky prádla 1.2 jsou zachyceny
v Tab. 10. Při těchto podmínkách pracoval parní vyvíječ z 21,9 % doby v režimu 0 a 78,1 %
v režimu 1 [2].
Tab. 10: Parametry proudu spalin parního vyvíječe pro dávku prádla 1.2 [2]
Objemový průtok za norm. podmínek
800 mN3/h (stabilita cca ± 50 mN3/h)
Teplota
162,7 °C (dle zatížení 127,2 ÷ 171,2 °C)
Relativní vlhkost
1,0 % r. v. (dle zatížení 0 ÷ 2,1 % r. v.)
Rosný bod
51,7 °C
Posledním měřením proudů parního vyvíječe bylo proměření parametrů při režimu 1
(polovičním výkonu) a režimu 2 (plném výkonu). Po dobu měření v celkové délce 2 445 s,
pracoval parní vyvíječ 60 % svého provozu v režimu 1 a zbylých 40 % v režimu 2. Průměrné
hodnoty proudu spalin byly následující:
Tab. 11: Průměrné parametry proudu spalin parního vyvíječe pro režim 1 a 2 [2]
Objemový průtok za norm. podmínek
1100 mN3/h (stabilita cca ± 50 mN3/h)
Teplota
210,9 °C (dle zatížení 181,3 ÷ 240,1 °C)
Relativní vlhkost
0,1 % r. v. (dle zatížení 0 ÷ 0,2 % r. v.)
Rosný bod
55,1 °C
Kromě objemových průtoků, teploty, relativní vlhkosti a teploty rosného bodu
odpadního proudu parního vyvíječe byly také pomocí přenosného přístroje Testo 350 XL
analyzovány jeho spaliny. Měření bylo realizováno pro režim 1 (poloviční výkon) a 2 (plný
výkon). Výsledné naměřené hodnoty jsou zobrazeny v Tab. 12.
12
Tab. 12: Analýza proudu spalin parního vyvíječe v režimu 1 a 2 [2]
režim 1
režim 2
Koncentrace O2
7,90%
4,60%
Koncentrace CO2
7,40%
9,30%
Koncentrace CO
3,3 ppm
19 ppm
Koncentrace H2
9,5 ppm
7 ppm
Koncentrace NO
50,5 ppm
60 ppm
Koncentrace NO2
Koncentrace NOX (přepočet pro 3% O2)
Přebytek vzduchu
Teplota rosného bodu
3.5
1,9 ppm
1,2 ppm
148 mg/m3
138 mg/m3
1,61
1,28
51,5 °C
55,1 °C
Zpracování naměřených hodnot a vyhodnocení záznamů
Po provedeném měření parametrů odtahového vzduchu za kalandrem lze orientačně
určit množství energie obsažené v tomto odtahovém vzduchu (směs suchého vzduchu a
páry). Dle výpočtů z průměrných hodnot ze dvou provedených měření bylo zjištěno, že
odtahový vzduch za kalandrem obsahuje energii o hodnotě 59 kW [2].
Po provedené simulaci návrhu výměníku v softwaru W2E (Waste2Energy) vyvíjeného
na půdě výzkumného centra NETME Centre bylo zjištěno, že výměník odtahového vzduchu
za kalandrem by měl dosahovat výkonu okolo 30 kW, aby teplota ohřívané napájecí vody o
objemovém průtoku 5 m3/h byla zvýšena z 15 °C na 20 °C, tedy o 5 °C, přičemž teplota
odtahového vzduchu by nepodkročila teplotu 70 °C, jenž odpovídá teplotě rosného bodu a
zamezila tak kondenzaci a případnému zanášení teplosměnných ploch výměníku
zkondenzovanou směsí parafínu a polyethylenových vosků z nábalů válců kalandru. V
případě návrhu výměníku s možností snadné údržby a čištění vnitřních částí by bylo možno
využít i latentního tepla odtahového vzduchu a díky jeho kondenzaci tak docílit vyšší
výstupní teploty ohřívané napájecí vody [2].
Energie obsažená ve spalinách parního vyvíječe se pohybuje okolo 47 kW
v kombinaci režimu 0 a 1, přičemž při stavu 1 a 2 je hodnota energie spalin okolo 69 kW.
Pro využití energie odpadního proudu z parního vyvíječe je možné instalovat spalinový
výměník, jenž dodává výrobce parních vyvíječů Certuss přímo pro výše uvedený a měřený
parní vyvíječ. Ekonomizér Certuss Universal SC (spalinový deskový výměník) dle údajů
poskytnutých výrobcem dosahuje tento výměník výkonu 33 kW a dokáže uspořit zemní plyn
až o 3,72 m3/hod, čemuž odpovídá roční úspora zemního plynu při plném výkonu vyvíječe a
jednosměnném provozu 9330 m3 [2].
Provedená analýza naznačuje významný potenciál pro aplikaci energetických
úsporných opatření, z kterýchž by byla dle propočtů nepřínosnější instalace tepelných
výměníků vzduch/voda pro předehřev prací vody [2].
13
4
ELEKTRONICKÉ ZAŘÍZENÍ PRO AUTOMATICKÝ ODEČET HODNOT
Z MĚŘIČŮ ENERGIÍ
4.1
Návrh programu v platformě Arduino
Během výše uvedených měření v prádelenském procesu bylo využito pro
zaznamenávání dat z měřičů energií obyčejných prostředků v podobě vedené poznámek a
dokumentace pomocí digitálního fotoaparátu. Ač tato metoda byla nenákladná, sběr dat byl
dosažen pouze s nízkou periodou zápisu hodnot. Navíc bylo nutno pak zapsaná data
převádět do elektronické podoby. Díky této zkušenosti bylo v rámci stáže vyvíjeno
elektronické zařízení, které by umožnilo s vyšší vzorkovací frekvencí sbírat data z měřičů
energie a vody a tak vytvořit podrobnější pohled na danou spotřebu měřeného
technologického zařízení.
Pro tuto aplikaci byla vybrána open-source platforma Arduino Uno, pro kterou byl
vytvořen program. Programovatelná hardwarový kit Arduino Uno je postaven na 8bit
mikrokontroléru ATmega 328p-PU a disponuje 14 digitálními vstupně-výstupními piny. Šest
těchto pinů umožňuje PWM výstup a dalších 6 pinů lze využít pro analogový vstup. Dále je
HW modul vybaven 32kB pamětí programu, 16 MHz keramickým oscilátorem, konektorem
pro připojení napájení z externího zdroje a USB konektor pro komunikaci s PC a
programování mikrokontroléru [3].
Elektronické zařízení bylo navrhováno s ohledem na potřeby vyplývající
z předchozích zkušeností z provedených měření v prádelenských provozech. Tudíž hlavní
vlastností bylo zjednodušit a zrychlit sběr dat z měřičů energií a vody a tato data ukládat do
vhodného formátu, který by byl jednoduše zpracovatelný v tabulkovém editoru. Na základě
tohoto požadavku bylo navrženo ukládání měřených dat na paměťovou kartu pomocí
rozšiřujícího Arduino Ethernet Shield-u, jenž disponoval slotem pro microSD karty. Tento
shield lze snadno instalovat na modul Arduino Uno a kromě nahrání patřičné knihovny do
programu již není potřeba žádné další konfigurace. Pro zobrazení aktuálních naměřených
hodnot použit také dvouřádkový LCD displej sloužící k průběžné kontrole dat a konfiguraci
zařízení pro daný typ měřidla [4].
Obr. 6: Platforma Arduino Uno (vlevo) a Arduino Ethernet Shield (vpravo) [3], [4]
Tvorba programu pro elektronické zařízení probíhala v grafickém vývojovém
prostředí, které je volně dostupné ke stažení na webových stránkách výrobce HW platformy
Arduino. Programovací jazyk Wiring je svou strukturou podobný jazyku C a je velmi
uživatelsky přívětivý.
14
Obr. 7: Ukázka vývojového prostředí a navrhovaného programu pro elektronické
zařízení
Program byl rozdělen na tři části, z čehož první část obsahovala nastavení knihoven,
vstupně-výstupních pinů a deklarování proměnných. Druhá část již byla součástí hlavního
jádra programu a sloužila ke konfiguraci zařízení pomocí výběrového a potvrzovacího
tlačítka. Nastavení spočívalo ve volbě daného měřiče (plynoměru, vodoměru a elektroměru)
a volbou přepočtu jednoho pulsu na danou veličinu. Třetí část programu, která následovala
po konfiguraci, již obsahovala záznam pulsu z daného měřiče, který byl přepočítán na
danou veličinu, zobrazen na displeji a uložen v paměti micro-SD karty.
4.2
Výběr elektronických součástí a jejich zapojení
Jelikož se od navrhovaného elektronického zařízení očekával sběr dat v reálném
čase, bylo nutno začlenit do návrhu také obvod reálného času, tzv. RTC modul. Po
průzkumu vhodných modulů dostupných na trhu byl vybrán integrovaný obvod PCF8563T,
jelikož pro jeho konfiguraci bylo potřeba pouze nahrát danou knihovnu do programu.
Mezi další elektronické součásti, které bylo nutno připojit k HW vývojovému kitu
Arduino, patřil výše zmíněný LCD displej. Ten měl sloužit k zobrazení potřebných údajů pro
uživatelskou konfiguraci zařízení spočívající ve výběru daného měřiče, ze kterého budou
data získávána, a také pro průběžné kontrolování měřených dat. Z tohoto důvodu byl
15
vybrán alfanumerický LCD displej s řadičem výrobce WINSTAR s modelovým označením
WH2002A-NYG-ET, podsvícením, dvěma zobrazovacími řádky a 20 znaky na řádek.
Data z měřičů energií a vody bylo potřeba získávat univerzální metodou, kterou je
možno aplikovat na většinu měřičů. Po zvážení a konzultaci byl pro sběr údajů z měřičů
vybrán reflexní senzor QRD1114 vyráběný společností Fairchild Semiconductor. Ten je
možno umístit nad rotační plochy zobrazovacích číselníků měřičů, přičemž po jejich
pootočení a tedy změně reflexní plochy dojde ke zvýšení napětí a naopak. Takto je možno
transformovat rotační pohyb mechanického číselníku měřiče na elektrický signál v podobě
pulzů a pomocí elektroniky jej zaznamenávat a ukládat.
4.3
Reálné odzkoušení elektronického zařízení
Po nahrání vytvořeného programu do mikrokontroléru Arduina, zapojení LCD
displeje, obvodu reálného času, reflexního senzoru a k nim potřebných elektronických prvků
(kondenzátory, odpory, diody apod.) do nepájivého pole včetně propojení s HW kitem
Arduino, bylo možno poprvé otestovat funkčnost zařízení. Pro testovací účely byl využit
mokroběžný vodoměr na jehož tělo byl připevněn reflexní senzor.
První testy ukázaly, že reflexní senzor snímá okolní světlo velice intenzivně a
rozlišitelnost mezi změnou reflexní plochy na vodoměru je zcela minimální. Po odstínění
vodoměru od okolního světla bylo zjištěno, že reflexní senzor zaznamenává hodnoty z
vodoměru nepřesně a je třeba jej důkladně nakalibrovat, aby rotační pohyb číselníku byl
vyhodnocován správně.
5
ZÁVĚR
První část článku byla věnována popisu proběhlého experimentálního měření
v prádelenském provozu, jehož výstupem bylo určit energetickou náročnost prádelenských
strojů, vytvořit dokumentaci s průkazem energetické náročnosti pracích a sušících strojů,
analyzovat poskytnutá data zadavatelem a také uvézt vhodná doporučení plynoucí
z pozorování a samotného měření v objektu. Všechny uvedené cíle byly naplněny a
výstupní dokumentace z proběhlého měření viz [1] byla předána zadavateli.
Druhá část již pojednává o měření energetické náročnosti korytového žehliče a
parametrů jeho odpadního proudu. Na základě měření byl vyhotoven protokol obsahující
klíčové údaje určující energetickou náročnost kalandru. Dále bylo provedeno experimentální
měření parního vyvíječe dodávajícího technologickou páru daným zařízením pro ohřev prací
lázně či pro ohřev sušícího vzduchu. Zde byly měřeny parametry proudu spalin v kouřovodu
parního vyvíječe při plném a polovičním výkonu, přičemž byla také provedena analýza
spalin. Z naměřených dat pak byly pomocí softwaru W2E simulovány možnosti začlenění
výměníků tepla (ekonomizéru) k odpadnímu proudu kalandru a parního vyvíječe. Podstatné
údaje z experimentálního měření a simulací byly uvedeny ve zprávě o měření
v prádelenském provozu, viz [2].
Na základě zkušeností z proběhlých měření byl vytvořen návrh elektronického
zařízení pro automatický sběr dat z měřičů energie a vody, které by mělo urychlit a usnadnit
sběr dat a také jejich následné zpracování. Zařízení bylo vytvářeno pomocí open-source
platformy Arduino, neboť vyniká svou uživatelskou přívětivostí a nízkou pořizovací cenou.
Na této platformě bylo navrženo zařízení, které bylo schopno pomocí senzoru (reflexního
optočlenu) sbírat data z předvoleného měřiče, kterým mohl být plynoměr, elektroměr nebo
vodoměr. V rámci stáže byl vytvořen pouze testovací prototyp vyvíjeného zařízení, který měl
16
odhalit jeho nedostatky a poukázat tak na místa, kterým by se v budoucím vývoji měla
věnovat pozornost.
Poděkování
Příspěvek byl realizován za finančního přispění Evropské unie v rámci projektu
Partnerství v oblasti energetiky, č. projektu: CZ.1.07/2.4.00/31.0080.
[1]
[2]
[3]
[4]
Literatura
BOBÁK, P., P. KUBA, J. LOKAJ. Výchozí energetický audit prádelenského provozu.
Brno: NETME Centre, 2013. 2013/PEVI/1. 42 s.
BOBÁK, P., J. LOKAJ. Zpráva o měření v prádelenském provozu. Brno: NETME
Centre, 2013. 2013/BLAHA/1. 17 s.
Arduino Uno. http://arduino.cc/ [online]. [cit. 2014-01-10]. Dostupné z:
http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardUno
Arduino Ethernet Shield. http://arduino.cc/ [online]. [cit. 2014-01-10]. Dostupné z:
http://arduino.cc/en/Main/ArduinoEthernetShield
CONTRIBUTION TITLE IN ENGLISH
Keywords
Energy audit, experimental measurement, data collection, professional laundry,
washing and drying machines, ironing machine, waste streams, flue gases, steam
generator.
Summary
This article deals with measuring and drawing up an energy audit of the industrial
laundries process. Furthermore, the measurement of the waste streams of steam generator
and ironing machine in order to use energy in the flue gases or wet air produced by ironing
machine. The work also included design of the device for collecting measurement data
using programmable hardware platform Arduino, which was developed to rapidly, accurately
and automatically collecting values from water, gas or electricity meters.
17