W publikacji przedstawiono ogólne warunki dla dmuchaw stosowanych w oczyszczalniach ścieków. Przedstawiono krótko konstrukcje możliwe do zastosowania. Najważniejszą częścią publikacji jest studium przypadku oparte na wynikach pomiarów dmuchaw na rzeczywistym obiekcie przemysłowym w oczyszczalni ścieków w Chrzanowie. Pokazano porównanie bezpośrednich wyników pomiarów oraz ich analizę. Przedstawiono także wyniki analizy ekonomicznej zastosowania dmuchawy śrubowej w porównaniu z poprzednio eksploatowaną dmuchawą promieniową.
W oczyszczalniach ścieków zasadniczy proces oczyszczania ścieków przeprowadza się w komorach napowietrzania. W komorach tych wytwarzany i utrzymywany w ciągłym ruchu jest zespół drobnoustrojów – bakterii i pierwotniaków. Powoduje to powstawanie kłaczków osadu mającego zdolność wyłapywania związków organicznych znajdujących się w ściekach. Związki te zużywane są jako pożywka dla mikroorganizmów. Aby proces ten mógł być realizowany konieczne jest sztuczne doprowadzanie powietrza. W tym celu budowany jest system napowietrzania, którego zadaniem jest zaopatrywanie drobnoustrojów w odpowiednią ilość tlenu. Równocześnie woda utrzymywana jest w ciągłym ruchu, co uniemożliwia opadanie kłaczkowatego osadu czynnego na dno. Napowietrzanie stosuje się także w procesie wstępnego przetrzymywania ścieków w piaskownikach i odtłuszczaczach. Sprężone powietrze jest też stosowane w urządzeniach pomocniczych, jak ma to miejsce w innych gałęziach przemysłu: od zasilania w energię pneumatyczną maszyn i urządzeń, produkcji elementów z tworzyw sztucznych, transportu pneumatycznego materiałów sypkich, zasilania urządzeń AKP. Do celów napowietrzania wymagania są dosyć specyficzne, bo przy relatywnie niskim ciśnieniu (poniżej 100 kPa nadciśnienia) wymagana jest znaczna wydajność objętościowa.
Zgodnie z klasyfikacją pokazaną na rys. 1 jest to zakres pracy dmuchaw.
Dmuchawy można ogólnie podzielić na wyporowe i przepływowe. Maszyny wyporowe przekazują energię do czynnika poprzez zmianę objętości wyporowej, w której zawarta jest porcja czynnika roboczego [1, 2, 3]. Charakter sprężania można przedstawić w formie tzw. wykresu indykatorowego niezależnie od rodzaju konstrukcyjnego (śrubowa, łopatkowa, Rootsa [1, 4, 5]).
Dmuchawy przepływowe (wirowe) działają podobnie jak wentylatory, gdzie energia do czynnika przekazywana jest bezpośrednio przez wymianę pędu od łopatek wirnika do elementu płynu [6].
Charakterystyki dmuchaw
Jak wspomniano, dmuchawy dzielą się na wyporowe i wirowe (przepływowe). Na rys. 2 pokazano dwa przykłady konstrukcyjne dmuchaw wyporowych.
Dla idealnej maszyny wyporowej można obliczyć moc politropową teoretyczną zgodnie z zależnością:
gdzie:
indeks s oznacza warunki ssania,
p – ciśnienie – objętościowe natężenie przepływu w warunkach ssania [m3/s],
ξ – stosunek sprężania,
z – wykładnik politropy 1 < z ≤ 1,4 dla powietrza.
Moc na wale maszyny jest większa niż wynika to ze wzoru 1, ze względu na straty oporów przepływu, pulsacje ciśnienia, tarcie mechaniczne itp. Wiodący producenci dążą do minimalizowania tych strat i osiągania jak największej sprawności w szerokim zakresie działania dmuchawy. Sprawność ogólną dmuchawy określa stosunek mocy teoretycznej do mocy na wale, zwana sprawnością dmuchawy. Dla agregatu sprężającego wyposażonego w silnik elektryczny podaje się sprawność ogólną agregatu z uwzględnieniem strat elektromechanicznych silnika i sprzęgła. Poza sprawnością mechaniczną definiuje się stosunek dostarczania, określający stosunek rzeczywistej wydajności objętościowej dmuchawy do wydajności teoretycznej wynikającej z przemnożenia objętości wyporowej przez jej prędkość obrotową.
Dla dmuchawy przepływowej równanie charakterystyczne w dużym przybliżeniu może być zapisane jako:
gdzie:
p – ciśnienia ssania i tłoczenia,
f – współczynnik wynikający z zaniedbania ściśliwości powietrza.
Warto przy tym nadmienić, że teoretyczna wydajność dmuchawy wirowej jest funkcją liniową prędkości obrotowej, spręż funkcją kwadratową tej prędkości, a moc na wale funkcją trzeciego stopnia.
Studium przypadku – analiza pracy dmuchaw w obiekcie rzeczywistym
Przy nowych inwestycjach w oczyszczalniach ścieków warto jest odejść od zasady przetargowej „najniższej ceny”, a uwzględnić inne aspekty, które w perspektywie kilkuletniej mogą uczynić inwestycję optymalną pod względem rozłożonego rachunku kosztów i eksploatacji.
W warunkach przetargowych oprócz oczywistych wielkości, takich jak charakterystyka wydajności czy moc na wale, należy również brać pod uwagę możliwości regulacyjne dmuchawy, pozwalające na jej pracę przy niskich, zimowych obciążeniach w sposób efektywny. Analizując oszczędności eksploatacyjne po zrealizowaniu nowej inwestycji w oczyszczalni ścieków w Chrzanowie dokonano pomiarów porównawczych dotychczasowej dmuchawy promieniowej i nowej generacji dmuchawy śrubowej typu FBS660. Pomiarów dokonano w marcu 2019 r.
Na zdjęciach (rys. 3) pokazano widok oczyszczalni oraz realizowane w trakcie pracy oczyszczalni pomiary (rys. 4).
Pomiaru przepływu dokonano za pomocą masowego przepływomierza termicznego Proline t-mass 65I firmy Endress-Hauser o klasie dokładności 1,5. Pomiaru mocy dokonano miernikiem Unipower Typ APM386 o klasie dokładności 2.
Bezpośrednie wyniki pomiarów pokazano na rys. 6.
W czasie pomiarów zarejestrowano różne ciśnienia na tłoczeniu obydwu dmuchaw, stąd do porównania mocy jednostkowej zdecydowano się użyć tylko te punkty, w których ciśnienie tłoczenia było takie samo.
Zakres zmian ciśnienia jest zbyt niski żeby można było ekstrapolować wykres poza zakresy zmierzone. Ponadto w czasie pomiarów prowadzona była regulacja dmuchaw, utrzymując zadane parametry w rurociągu. Na rys. 7 zestawiono moce jednostkowe obydwu dmuchaw dla jednakowych warunków tłoczenia, opracowane w oparciu o wykres pokazany na rys. 6.
Zestawienie to pozwala na ocenę różnicy średniej mocy jednostkowej [kW/(m3/min)]. Znacząco wyższe zużycie mocy jednostkowej, o ok. 48% albo średnio ok. 30 kW. Znając roczne obciążenie dmuchaw na podstawie znanego histogramu obciążenia (rys. 8) można oszacować spodziewane oszczędności energii elektrycznej dla różnych rozwiązań.
Dla obliczeń ekonomicznych przyjęto koszt 73 gr za 1 kWh energii elektrycznej, według taryfy Tauron 2019.
Na rys. 8 pokazano szacowany na podstawie rozkładu Gaussa zysk energetyczny dla całego roku eksploatacji przy zmierzonych parametrach dmuchaw.
Taki rozkład daje możliwość oszacowania zysku energetycznego całkowitego i szacunek ekonomiczny. Końcowe dane zestawiono w tab. 2.
Podsumowując studium przypadku oparte o rzeczywiste pomiary na oczyszczalni ścieków, należy pamiętać, że pokazany tutaj zysk jest tylko przykładowy. Rzeczywiste wartości zależą od wielu elementów, w tym instalacji, rodzaju sterowania, serwisu itp. Przykład jednak obrazuje, jaką analizę należy podjąć dla racjonalnego doboru urządzeń w przedsiębiorstwie, gdzie często przy przetargach jako 90% wagi przyjmuje się koszt inwestycji.
Podsumowanie
W pracy przedstawiono zagadnienie doboru dmuchaw dla zakładów oczyszczania ścieków. Sprężone powietrze jest konieczne dla działania oczyszczalni, wymagane są relatywnie niskie ciśnienia, ale za to dosyć wysokie wydajności objętościowe, dla zapewnienia działania biologicznego oczyszczalni. Są to wymogi dla maszyn sprężających klasy dmuchaw. Na rynku jest dostępne kilka konstrukcji dmuchaw wyporowych i dmuchawy przepływowe (wirowe) promieniowe lub osiowe. Wybór odpowiedniej dmuchawy dla zakładu powinien być przemyślany, gdyż poza kosztem zakupu istotne są koszty eksploatacyjne, na co wskazuje zaprezentowane krótko studium przypadku, gdzie wykazane zostały różnice pomiarowe w ilości zużywanej energii. W tym przypadku dmuchawa śrubowa zużywała aż o 32% energii mniej w stosunku do dmuchawy promieniowej. Należy zwrócić uwagę, że tego typu pomiary dokonane na obiekcie dają lepszy obraz niż czyste dane katalogowe, gdyż w badaniach na obiekcie występują rzeczywiste wielkości strat ciśnienia wynikające z konfiguracji instalacji, obciążenia ściekami osadników itp.
Literatura
[1] W. Warczak, Sprężarki ziębnicze, Warszawa, WNT 1987.
[2] B. Gaziński, Sprężarki chłodnicze: budowa i zastosowanie. Technika chłodnicza dla praktyków, AREA 2014.
[3] P. Cyklis, Symulacja procesów termodynamicznych w sprężarkach tłokowych i ich instalacjach, Kraków, Politechnika Krakowska 2009, s. 181.
[4] Blackmer, „http://www.wastewaterpr.com/,” 13 marca 2019 r. [Online]. Available: http://www.wastewaterpr.com/releases/view/1984/Blackmer-Offers-GX-Series-Sliding-Vane-Pumps.
[5] P. Cyklis, Sprężarki i pompy próżniowe różnych typów konstrukcyjnych, Przemysł Spożywczy, ss. 26-30, nr 4/2015.
[6] P. Cyklis i H. Fannar, Compressors, w: Marks Standard Handbook for Mechanical Engineers 100th Anniversary Edition, New York, McGraw-Hill 2018, ss. 1176-1188.
[7] Kaeser Kompressoren, Materiały firmowe udostępnione na potrzeby artykułu, Kaeser Kompressoren 2019.
prof. dr hab. inż. Piotr Cyklis
Politechnika Krakowska, Instytut Inżynierii Cieplnej i Procesowej
Źródło: Forum Eksploatatora 3/2019
