Ritka épületgépészeti tervezési feladatot ismertetett a PTE-n gépészmérnöki MSc-oklevelet szerzett Szobotka Tamás a MÉGSZ által díjazott diplomamunkájában. A munka egyik különlegessége, hogy a folyamat során a kompresszor hulladékhőjét visszanyerték és hasznosították – ezzel önmagában 13,5 ezer m3/év földgáz takarítható meg.
A sűrített levegőt a kedvező fizikai és üzembiztonsági tulajdonságai, mint a szikra- és robbanásmentes alkalmazhatóság, a nagy teljesítmény/tömeg arány, a környezetbarát munkavégzés és túlterhelhetőség teszik az ipar egyik legszélesebb körben alkalmazható munkaközegévé. Viszont ennek a munkaközegnek az előállítása magas költségeket is von maga után. A kompresszorok sűrítés során a befektetett villamos energia csupán 5-10%-át alakítják át számunkra hasznos energiává, azaz sűrített levegővé. A maradék 90-95% energia viszont hővé alakul át, ami alapesetben hulladékhőként jelenik meg. Ez a veszteség nagy teljesítményű kompresszorok esetében igen magas villamosenergia-pazarlást jelent, ezért meg kell vizsgálni, hogy a rendszeren belül hol és hogyan lehet ezt a hőenergiát hasznosítani.
Jelen szakcikk a sűrített levegős rendszerek alkalmazhatósági területeit és felépítését ismerteti röviden, valamint egy 2480 m2 alapterületű húsipari létesítmény sűrített levegős rendszerének tervezési szempontjait és a keletkező hulladékhő hasznosítását mutatja be.
Alkalmazási területek
A sűrített levegő egyszerűbb megfogalmazása alatt a magasabb nyomás alatti levegőt értjük. Ez a magasabb nyomás teszi lehetővé, hogy a sűrített levegőt energiahordozónak tekintsük. Kedvező tulajdonságainak köszönhetően sokszínű felhasználási területeken alkalmazhatjuk, mint különféle iparágak és otthoni, magáncélú felhasználás.
Élelmiszer- és italgyártás: pneumatikus gépek működtetése, árumozgatás, tisztító átfúvatása, védőgázos csomagolás és palackfúvás.
Gyógyszeripar és egészségügy: szikramentes automatizálási feladatok, vezérlőszelepek működtetése, csőpostarendszer.
Autóipar és fémmegmunkálás: nagy teljesítmény/tömeg arányú kézi pneumatikus szerszámgépek, robotizált pneumatikus gépek, felületkezelés és száraz festékszórás.
Textil- és műanyagipar: pneumatikus szövőgépek (air-jet looms), légfúvásos fonógépek (opened-end spinning), PET-palack-fúvás.
Építőipar és bányászat: pneumatikus fúró- és fejtőgépek, betonfellövés.
Otthoni felhasználás: sűrített levegős tisztítás, kerékpumpálás.
A sűrített levegős rendszerek felépítése és főbb alkotóelemei
A számunkra megfelelő mennyiségű és minőségű sűrített levegő előállításához a következő rendszerelemekre van szükség:
Kompresszorok:
- Térfogatkiszorításos elven működő gépek: dugattyús kompresszorok (szakaszos üzem, magasnyomás, kis-közepes hozam), csavarkompresszorok (folyamatos üzem, kiváló hatásfok ipari szinten), lapátos és spirálkompresszorok (olajmentes, alacsony zajszint labor/orvosi felhasználás),
- Dinamikus gépek: centrifugál- és axiális kompresszor (nagy tömegű, folyamatos gázszállítás nagyipari üzemekben).
Kompresszor hűtése: A levegő sűrítése során akár 120-180 °C-ra melegedhet az összenyomott levegő. Ez a hő pedig károsítaná a kompresszor mechanikáját, és a sűrítési hatásfokot is ronthatja, ha nem megfelelő a hűtés, így utóhűtőt kell alkalmazni, ami lehet léghűtéses vagy folyadékhűtéses. A hűtés során itt keletkezik a legnagyobb mértékben kondenzátum és hulladékhő. Az itt keletkező hulladékhő a legalkalmasabb az összegyűjtésre és egyéb épületgépészeti rendszerekben való hasznosításra.
Légtartály (Puffertároló): A tároló szerepe, hogy a hálózatban esetlegesen keletkező nyomásingadozásokat kompenzálva megvédje a kompresszort, valamint helyes méretezés esetén a kompresszor kapcsolási számát is az optimális értékek között tartsa. Fordulatszám-szabályozású kompresszorok esetén kisebb térfogatú tároló is elegendő, mint az on/off szabályzású berendezéseknél. A légtartályok másodlagos szerepe a levegő további passzív hűtése, így szárítása is.
Szárítóberendezések: A sűrített levegő további szárítása elengedhetetlen, hogy ne okozzon problémát a rendszerben, vagy ne károsítsa a végterméket az esetlegesen keletkező kondenzátum. A sűrített levegő szárítására 3-féle szárítót alkalmaznak:
- Hűtve szárítók: hőcserélő segítségével képes hűtve szárítani a sűrített levegőt egészen +3 °C-os harmatponti hőmérsékletig.
- Adszorpciós szárítók: ikeroszlopos tartályokban szilikagél/timföld töltet van, amely képes -20–70 °C-os harmatpontig szárítani a sűrített levegőt.
- Membrános szárítók: szelektív áteresztésű polimer szálak segítségével szárítják a levegőt. Jellemzően végponti levegőkezelésnél alkalmazzák.
Szűrőegységek: Ahhoz, hogy megfeleljen a sűrített levegő az ISO 8573-1-es szabványnak, a következő szűrőegységeket kell alkalmazni:
- Durva részecskeszűrő: 1 µm-nél nagyobb porszemcséket és folyadékcseppeket képesek leválasztani. A durva szűrőt a szárító elé érdemes elhelyezni, ezzel csökkentve a berendezés terhelését.
- Finom és aeroszolszűrők: 0,01 µm szemcseméretig és 0,01 mg/m3 olajkoncentrációig képesek megszűrni a sűrített levegőt.
- Aktívszén szűrők: olajgőzök, szagok és ízanyagok megkötésére képesek.
Kondenzátumkezelés és szeparátorok: A sűrített levegő előállításának folyamata során nagy mennyiségű kondenzátum keletkezik. A kondenzátum, ha a csőhálózatba kerül, műszaki meghibásodásokat okozhat, így el kell vezetni a keletkező kondenzátumot. Emellett a keletkezett kondenzátum tartalmazhat olajszennyeződéseket is, amit szét kell választani a kondenzátumtól. Ezt a feladatot látják el a kondenzátumkezelő olaj-víz szeparátorok.
Végponti levegőkezelés: A végpontokon az FRL (Filter-Regulator-Lubricator) kezeli a sűrített levegőt. Az FRL-egység egy kompakt egység, amit a végfelhasználási pontok elé szoktak beépíteni.
Az FRL-egységnek 3 fő feladata van:
- biztonsági szűrés,
- nyomásszabályozás,
- olajozás.
A berendezés első komponense a szűrő, ami képes megszűrni a sűrített levegőben lévő durvább szennyeződéseket. Fontos hozzátenni, hogy nem helyettesíti az előzőekben leírt szűrési lépcsőket, csak egy biztonsági eljárást nyújt a végponti fogyasztó védelme érdekében.
A berendezés második komponense a nyomásszabályozó, ami egy rugóterhelésű membrán vagy dugattyú segítségével képes szabályozni, és így biztosítani a fogyasztónál a stabil üzemi nyomást. A pontos végponti beállítás nemcsak a pneumatikus berendezéseket óvja meg a túlzott mechanikai igénybevételtől és a meghibásodástól, hanem kiemelt energetikai szerepe is van, mivel a hálózatban minden 1 bar felesleges túlnyomás 6-8%-os többletvillamosenergia-felhasználást okoz a kompresszornál.
A berendezés harmadik komponense az olajozó, ami a Venturi-elv alapján finom olajködöt juttat a légáramba, ezzel biztosítva a mozgó alkatrészekkel rendelkező pneumatikus szerszámok és munkahengerek folyamatos kenését és élettartamuk növelését. Fontos azonban megjegyezni, hogy élelmiszeripari vagy tisztatéri környezetben az olajozó használata szigorúan tilos a termék beszennyeződésének elkerülése érdekében.
Az elvégzett tervezési munka
1. Tervezési peremfeltételek és a projekt specifikációja
A tervezési projekt peremfeltételeit a Somogy vármegyei Lábodon létesülő sertésvágóhíd és húsfeldolgozó üzem technológiai igényei képezték. A vágóhíd pneumatikus fogyasztó skálája a percenként néhány liter levegőt használó gépektől kezdve a percenként több köbméteres levegőigényű gépekig terjedt. A pneumatikus fogyasztók levegőigényének felmérése alapján az összesített mértékadó csúcsigény 155,5l/s (560 m3/h normál állapotban) 8 bar üzemi nyomáson. A szigorú élelmiszer-higiéniai előírások miatt az ISO 8573-1 szerinti 1:4:1 tisztasági osztály biztosítása volt kötelező. A szabványban szereplő 1:4:1 megmutatja, hogy a 3 kategóriában (szilárd részecsketartalom/nedvességtartalom/olajtartalom) milyen feltételeknek kell megfelelni.
- Szilárd részecsketartalom (1. osztály): köbcentiméterenként szigorúan korlátozott porszám, ahol az 1 mikron feletti szemcsék száma gyakorlatilag elhanyagolható.
- Nedvességtartalom (4. osztály): a nyomás alatti harmatpont legfeljebb +3 °C lehet, ami meggátolja a cseppképződést a beltéri elosztóhálózatban.
- Olajtartalom (1. osztály): az olajkoncentráció nem haladhatja meg a 0,01 mg/m³ határértéket.
A szinte olajmentes sűrített levegő előírása megkövetelte az olajmentes csavarkompresszoros technológia betervezését.
2. Kiválasztott berendezések
Kompresszor: A mértékadó csúcsigényhez egy 75 kW-os névleges villamos teljesítményű fordulatszám-szabályozású olajmentes kompresszort került kiválasztásra, integrált folyadékhűtéssel.
Légtartály: A légtartály a mértékadó csúcsigény és a kompresszor szabályozásának jellegétől függően lett kiválasztva. A kiválasztott rozsdamentes tároló a fordulatszám-szabályozású kompresszornak köszönhetően egy kedvező 1500 literes tároló lett.
Hűtve szárító: A légszárító szintén a mértékadó csúcsigényhez lett kiválasztva, amely képes +3 °C harmatponti hőmérsékletig hűteni a sűrített levegőt.
Szűrők:
- A mértékadó csúcsigényhez igazítva lett kiválasztva egy durva szűrő, amely az 1 µm-nél nagyobb porszemcséket képes megszűrni. A durva szűrő a légtartály elé lett telepítve.
- A szárítóberendezés után lett elhelyezve egy finom szűrő, amely a 0,01 µm-nél nagyobb részecskéket szűri ki. (A szűrési tartomány 0,01 µm és 1 µm között van.)
- Betervezésre került egy aktívszén szűrő, amely az íz- és szaganyagokat képes megszűrni üzemelése során.
- Végül egy biztonsági porszűrő került elhelyezésre az aktívszén szűrő után, hogy az aktívszén szűrőből esetlegesen leváló részecskéket megfogja.
3. A csőhálózat hidraulikai méretezése
A sűrítettlevegő-hálózat megtervezése során az egyik legfontosabb szempont, hogy a kompresszor és a legtávolabbi fogyasztó közötti nyomásesést minimalizáljuk. Ezért sugaras kialakítás helyett hurkolt gerincvezetéki elrendezést alkalmazunk.
A hurkolt kialakítás során a levegő két irányból áramlik a fogyasztói pontokhoz, így a sugaras hálózatokhoz viszonyítva felezi a helyi tömegáramokat. Mivel az áramlási veszteség négyzetesen függ az áramlási sebességtől, így a sebesség felére csökkenése negyedeli a fajlagos nyomásveszteséget.
A tervezés során ügyelni kell arra, hogy az áramlási sebesség ne legyen kritikusan magas, és hogy a mértékadó áramlási útvonalon ne essen annyi nyomás, hogy a pneumatikus berendezésnél 8 bar üzemi nyomásnál kevesebb alakuljon ki. A méretezési sebességhatár (vmax = 6 m/s) és a 8 bar üzemi nyomáshoz tartozó sűrűség (p = 10,52 kg/m3) alapján kiválasztott DN 65 méretű rozsdamentes acélcsőben a tényleges sebesség 4,32 m/s, a fajlagos nyomásesés pedig rendkívül kedvező, 20,42 Pa/m értéket mutat.
4. A hálózat üzembiztonságát szolgáló technológiai részletek
- Hálózat kialakítása: A hurkolt gerincvezetéki csőszakaszról a fogyasztókhoz való leágazásokat hattyúnyak-kialakítással kell megtervezni, így a gerincvezetékben esetleges szennyeződések és a felgyülemlett kondenzátum kisebb mértékben képes a pneumatikus berendezésekhez jutni, és így az ebből keletkező üzemzavart is elkerülhetjük.
- Hálózati lejtés és mélyponti ürítés: A vízszintes szakaszokat 1-2%-os hosszirányú lejtéssel kell szerelni a mélypontok felé, hogy a keletkező kondenzátumot egy automata kondenzátumelvezetővel el tudjuk távolítani a rendszerből.
- Kondenzáció elleni hőszigetelés: A vágóhídi üzem két hűtőhelyiségében tartósan 0–4 °C közötti léghőmérséklet uralkodik. Mivel a sűrített levegő harmatpontja +3 °C, az ezen tereken áthaladó csupasz fémcső belső felülete a környezeti hideg hatására harmatpont alá hűlne, ami azonnali belső kondenzációhoz és elfagyáshoz vezetne. Ennek elkerülésére a csöveket 19–25 mm falvastagságú, zárt cellás szintetikus kaucsukszigeteléssel láttuk el, ami a belső felületi hőmérsékletet tartósan a harmatpont felett tartja.
5. Hulladékhő-hasznosítási rendszer és energetikai/gazdaságossági számítások
A hővisszanyerő modul működése
Mivel a kompresszor választott típusa olyan, hogy integrálva van az utóhűtő, ezért a kompresszor primer hűtőhőcserélőjén (amely a mechanikus alkatrészek hűtését látja el) és a szekunder hűtőhőcserélőjén (amely a sűrített levegő hűtését látja el) keresztül távozó forró hűtőfolyadék belép a hővisszanyerő modulba, majd a hőfogyasztó hőcserélője felé áramlik, és itt átadja a hőjét a fűtési vagy HMV-rendszernek, majd tovább áramlik a hűtőrendszer hőcserélője felé, ahol víz-glikol keveréke áramlik, és megfelelő hőmérsékletűre hűti vissza a hűtőfolyadékot.
Az intelligens vezérlés és a háromutas szelep segítségével a hűtőrendszer teljesen kizárható vagy megnyitható, annak a függvényében, hogy mennyire kell, vagy sem visszahűteni a hűtőfolyadékot. A vezérlés azt is lehetővé teszi, hogy a hűtőoldali szivattyú az alapján változtassa a fordulatszámát, hogy a kompresszor éppen milyen terhelésen működik, így biztosítva a kompresszornak a számára mindig megfelelő hűtővizet. A vezérlésnek hála, a rendszer mindig a leggazdaságosabb üzemben működik. Ennél a berendezésnél az alapérték az, hogy a hűtőfolyadék maximum 40 °C-os legyen. A modul tartalmaz egy tágulási tartályt, egy leeresztő- és töltőszelepet, valamint a szívóoldalon biztonsági szelepet is.
A helyesen megválasztott berendezéssel stabilan 70-90 °C-os vizet lehet készíteni egy erre alkalmas tárolóban. Az ilyen magas hőmérsékletű vizet egy vágóhídon ládamosástól és egyéb fertőtlenítő forró vizes mosásoktól kezdve szociális zuhanyzók melegvíz-ellátására is alkalmazhatjuk. Így azt az energiát, ami ahhoz kell, hogy ezt a vizet gázkazánnal felmelegítsük, meg tudjuk takarítani éves szinten csupán a kompresszorból származó hulladékhő felhasználásával.
Éves megtakarítás
A sűrítés során a villamos energia nagy része hőenergiává alakul át. Ennek a hulladékhőnek a hasznosítására a 75 kW névleges villamos teljesítményhez igazítva került kiválasztásra a hővisszanyerő modul (amelyet az előbbi kapcsolási vázlat szemléltet), amely 2 integrált lemezes hőcserélővel (hőfogyasztó és hűtőrendszer oldalról) van ellátva. A folyadékhűtéses primerkörből kinyerhető energia mennyisége arányos a kompresszor névleges villamos teljesítményével. 67,5 kW elméleti hőteljesítmény 90%-os hőcserélő-hatásfok mellett 60,75 kW hasznosítható hőenergiát biztosít.
A vágóhíd napi 34,78 m3-es HMV-igénye 92,3 kW fűtési teljesítményt igényel, ahhoz hogy a hideg vizet 10 oC-ról 65 oC-ra felmelegítsük. A hulladékhő közvetlen hasznosításával a melegvíz-készítési igény mintegy 66%-a fedezhető primer energiahordozó igénybevétele nélkül. Évi 2000 üzemórával kalkulálva ez 121 500 kW/év visszanyert és megtakarított energiát jelent.
A megtakarítható földgáz mennyisége egyenesen arányos a hasznosított hulladékhő mennyiségével, így a hasznosított hulladékhő 13 542 m3/év kiváltott földgázt jelent.
A beruházás gazdasági megtérülése az üzemeltetési körülményektől függően
- Maximális (100%-os) kompresszorterhelés mellett: folyamatos csúcsüzemben az éves megtakarítás eléri a 10,4 millió forintot, valamint 24,5 tonna szén-dioxid-kibocsátás-csökkenés érhető el. Ekkora megtakarítás mellett a berendezés és az egyéb pluszbeavatkozások költsége közelítőleg 2 év alatt megtérül.
- Átlagos (65%-os) frekvenciaváltós terhelésnél: a gyártás karakterisztikája miatti egyidejűségeket figyelembe véve a valós villamosenergia-felvétel csökken, így az éves megtakarítás eléri a 6,74 millió forintot, valamint 15,9 tonna szén-dioxid-kibocsátás-csökkenés érhető el.
- Minimális (50%-os terhelésnél): a legalacsonyabb termelési szokások mellett is az éves megtakarítás 5,2 millió forint, amelynél a megtérülési idő továbbra is kedvező, mindössze 4 év.
Szobotka Tamás
A PTE Műszaki és Informatikai Karán 2024-ben épületgépész szakirányon BSc-szintű, majd 2026-ban ugyanott MSc-szintű gépészmérnöki oklevelet szerzett. 2023-ban gépész tervező gyakornok volt a pécsi KomfortMűhely Kft.-nél, 2024-ben pedig a Pécsi Sörfőzde Zrt.-nél műszaki gyakornokként dolgozott.
