TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI
FAKULTA STROJNÍ Katedra vozidel a motor
DIPLOMOVÁ PRÁCE
MOBILNÍ PLNICÍ STANICE BIOPLYNU
BIOGAS FILLING MOBILE STATION
David PLÍŠEK
TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI
FAKULTA STROJNÍ Katedra vozidel a motor
Obor 2302T010
Konstrukce stroj a za ízení Zam ení
Kolové dopravní a manipula ní stroje
MOBILNÍ PLNICÍ STANICE BIOPLYNU
BIOGAS FILLING MOBILE STATION
Diplomová práce
KSD – DP – 615 David PLÍŠEK
Vedoucí diplomové práce: doc. Ing. Lubomír Moc, CSc. – KVM-TUL Konzultant diplomové práce: Ing. Michael Fenkl – KVM-TUL
Po et stran: 51 Po et obrázk : 16 Po et tabulek: 8 Po et p íloh: 2
Místo pro vložení originálního zadání DP (BP)
ANOTACE
JMÉNO A P ÍJMENÍ: David Plíšek
OBOR: Konstrukce stroj a za ízení
ZAM ENÍ: Kolové dopravní a manipula ní stroje NÁZEV PRÁCE: Mobilní plnicí stanice bioplynu
ÍSLO PRÁCE: KSD – DP – 615
VEDOUCÍ PRÁCE: doc. Ing. Lubomír Moc, CSc.
KONZULTANT: Ing. Michael Fenkl
P edložená diplomová práce se zabývá návrhem uspo ádání mobilní plnicí stanice bioplynu pro využití v laborato ích Katedry spalovacích motor .
V první ásti diplomové práce je popsána výroba a možné úpravy bioplynu z hlediska odstra ování škodlivých p ím sí.
V druhé ásti je rozebrána problematika legislativního omezení p epravy nebezpe ných látek. D raz je kladen na Evropskou dohodu o mezinárodní silni ní p eprav nebezpe ných v cí.
V t etí ásti je navržen tlakový zásobník, kompresor a upínací systém.
Uvedeny jsou také výpo ty pevnosti uchycení ve vozidle a energetické náro nosti stanice p i erpání bioplynu.
V záv re né ásti je shrnuta ekonomická náro nost realizace.
Klí ová slova: bioplyn, ADR, biometan, p eprava,
ANNOTATION
NAME: David Plíšek
SPECIALIZATION: Construction machinery and equipment FOCUSING: Transport and handling machines THEME OF THESIS: Biogas mobile filling station NUMBER OF THESIS: KSD – DP – 615
LEADER OF THESIS: doc. Ing. Lubomír Moc, CSc.
CONSULTER: Ing. Michael Fenkl
This graduation theses deals with the arrangement of a biogas filling mobile station. The station should be use in the laboratories of the Department of internal combustion engines.
The first part is describe the production of the biogas and biogas modifications with regard to get harmful admixturies out.
The second part analyzes legislative restrictions of the transport of the dangerous substances. The emphasis is on the European Agreement Concerning the International Carriage of Dangerous Goods by Road (ADR).
The pressure tank, the pump and the clamping system are designed in the third part of the graduation theses. There are included calculations of the strength of attachment in the vehicle and the energy performance on biogas pumping.
The final section summarizes the economic performance of the realization.
Key words: biogas, ADR, biomethane, transportation,
Prohlášení k využívání výsledk diplomové práce
Byl(a) jsem seznámen(a) s tím, že na mou diplomovou práci se pln vztahuje zákon . 121/2000 Sb. o právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.
Beru na v domí, že technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé diplomové práce pro vnit ní pot ebu TUL.
Užiji-li diplomovou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si v dom(a) povinnosti informovat o této skute nosti TUL; v tomto p ípad má TUL právo ode mne požadovat úhradu náklad , které vynaložila na vytvo ení díla, až do jejich skute né výše.
Diplomovou práci jsem vypracoval(a) samostatn s použitím uvedené literatury a na základ konzultací s vedoucím diplomové práce a konzultantem.
V ……… dne ……… ………
podpis
Pod kování
Tímto bych rád pod koval panu doc. Ing. Lubomíru Mocovi, CSc. a panu Ing. Michaelu Fenklovi za vedení a rady p i zpracování mé diplomové práce.
Dále také panu Ing. Josefu Palatinovi za pomoc p i sestavování podmínek p epravy a ostatním lidem, kte í mi ochotn p edali své zkušenosti, odpov d li na otázky týkající se dané problematiky a zárove mi poskytli všechnu dostupnou literaturu, z které jsem mohl p i vypracovávání této práce erpat.
Nemalé pod kování pat í také mým rodi m za jejich podporu a klidné zázemí, které mi po celou dobu studia svým p ístupem zajistili.
Seznam použitých symbol a zkratek
Zkratky
ADR - Evropská dohoda o mezinárodní silni ní p eprav nebezpe ných v cí BP - bioplyn
BPS - bioplynová stanice CNG - stla ený zemní plyn
OV - isti ka odpadních vod R - eská republika SN - eská státní norma J.N. - jinde nejmenovaný
MZ R - Ministerstvo zem d lství eské republiky
PSA - tlaková adsorpce – technologie na úpravu bioplynu OZE - obnovitelné zdroje energie
UN - oficiální zkratka pro ozna ení t íd nebezpe ných látek dle dohody ADR VŠCHT - Vysoká škola chemicko-technologická v Praze
ZP - zemní plyn Veli iny
aB - setrva né zrychlení vzniklé p i brzd ní
E - spot eba elektrické energie f - sou initel smykového t ení F - síla
g - gravita ní zrychlení G - tíhová síla
i - interval m - hmotnost
M(X) - molární hmotnost plynu X n - polytropický exponent p - tlak plynu
P - p íkon
rBP - m rná plynová konstanta bioplynu R - univerzální plynová konstanta t - as
T - teplota plynu v - m rný objem plynu V - objem plynu
V - dopravované objemové množství plynu kompresorem
W - práce
- úhel sklonu zádržné síly
ad - adiabaticka ú innost kompresory
mK - mechanická ú innost kompresoru
el - mechanická ú innost
elektromotoru a emenového p evodu
- Poissonova konstanta - procentuální obsah složky ve
sm si
Indexy
1 - stav nestla eného plynu p ed kompresí
2 - stav stla eného plynu v zásobníku I - stav plynu po prvním stupni
komprese
II - stav plynu po druhém stupni komprese
AD - adiabatická c - celková i - intervalu KOM - kompresoru P1; P2 - popruh 1; popruh 2 POL - polytropická RA;RB - reakce 1; reakce 2 s - setrva ná
si - st edu intervalu t - t ecí
Obsah
Seznam použitých symbol a zkratek ... 7
1.0 ÚVOD ... 9
2.0 BIOPLYN ... 11
2.1 VÝROBA BIOPLYNU... 11
2.2 ÚPRAVA BIOPLYNU NA BIOMETAN ... 14
2.2.1 Výhody úpravy bioplynu na biometan... 14
2.2.2 Technologie úpravy bioplynu na biometan ... 15
2.2.3 Podmínky pro využití biometanu (v R v porovnání se zahrani ím) .. 20
3.0 PODMÍNKY P EPRAVY NEBEZPE NÝCH V CÍ ... 22
3.1 SEZNAM ZÁKON ... 22
3.2 PODMÍNKY P EPRAVY ... 23
4.0 NÁVRH EŠENÍ... 28
4.1 NÁVRH KOMPRESORU ... 28
4.2 NÁVRH TLAKOVÉHO ZÁSOBNÍKU... 30
4.3 NÁVRH UPÍNACÍCH PRVK ... 31
4.4 NÁVRH USPO ÁDÁNÍ VE VOZIDLE... 34
4.5 VÝPO ET ENERGETICKÝCH POŽADAVK STANICE ... 35
4.6 KONTROLA PEVNOSTI UPEVN NÍ SVAZKU TLAKOVÝCH LAHVÍ A KOMPRESORU... 41
4.7 BEZPE NOSTNÍ DOPORU ENÍ K P EPRAV ... 44
5.0 EKONOMICKÁ NÁRO NOST ... 48
6.0 ZÁV R... 49
Seznam použité literatury... 50
Seznam p íloh ... 51
1.0 ÚVOD
Sou asný stav ve sv t , se vyzna uje vysokou poptávkou po energiích.
S tím souvisí silný nár st jejich cen. eská republika se jako lenský stát Evropské unie zavázala, že v roce 2010 výroba elekt iny z obnovitelných zdroj energie (OZE) bude tvo it 8 % její hrubé domácí spot eby [2]. K tomuto cíli se R zavázala v p ístupové smlouv a tento cíl je dán také zákonem . 180/2005 Sb., o podpo e výroby elekt iny z obnovitelných zdroj energie. Na Obr. 1 jsou znázorn ny podíly elekt iny z OZE na hrubé spot eb .
Obr. 1 Podíl výroby elekt iny z OZE na hrubé domácí spot eb |Alternativní energie; Ing. Kusý Petr (Energetický regula ní ú ad); 01/2010|
V Tab. 1 je uvedené množství vyrobené elektrické energie jednotlivých odv tví obnovitelných zdroj energie.
Dalšími kroky v roce 2010 bude implementace p ijaté sm rnice 2009/28/ES na podporu energií z obnovitelných zdroj do zákona . 180/2005 Sb.. Sm rnice stanoví lenským stát m Evropské unie nové a ješt ambiciózn jší cíle, než jaké byly vztaženy k roku 2010. Pro R to znamená, že k roku 2020 bude muset vyráb t 13 % energie z obnovitelných zdroj , tedy nejen elekt inu, ale také teplo, chlad a paliva pro dopravu. Cíle pro rok 2010 se týkají výroby pouze elekt iny. [2]
Odv tvím, kterému tyto plány mohou velice pomoci k rozši ování p sobnosti, je bezesporu zem d lství. To má pro výrobu energie z obnovitelných zdroj nejv tší možnosti a p edpoklady. Jedním z velmi perspektivních zem d lských produkt , které se adí mezi OZE, je práv bioplyn.
Ten už se tedy nebude adit dle uvedených sm rnic pouze mezi zdroje elektrické energie, ale i mezi paliva pro dopravu. To s sebou p ináší další možnosti ve výzkumu a úpravách motor tak, aby byly schopny bioplyn spalovat. Tímto sm rem se chce katedra vozidel a motor na TU v Liberci ubírat, proto je nutné sestavit za ízení, kterým by se bioplyn do laborato í dopravoval. Tímto tématem se bude moje diplomová práce zabývat.
P edpokladem je, že se do vozidla naloží tlakový zásobník a p iveze se do laborato í katedry, kde se bude experimentáln zjiš ovat jeho chování p i spalování. P evážet se bude zásobník v automobilu Renault Trafic, který je katedrou používaný i pro jiné ú ely, proto musí být možno zásobník naložit a vyložit. Proto by také m li p ípadné úpravy mít minimální dopad na stávající provedení nákladového prostoru. Sou ástí práce by m l být i výpo et upnutí svazku tlakových lahví ve vozidle.
2.0 BIOPLYN
2.1 VÝROBA BIOPLYNU
Bioplyn vzniká na základ rozkladu organické hmoty bez p ítomnosti kyslíku digescí nebo fermentací. Specifické mikroorganismy rozkládají organický materiál v n kolika stupních, hlavní složkou tohoto kvasného procesu je metan (50–75 %), zbytek tvo í plynné sm si, hlavn oxid uhli itý. Na otázku, co všechno lze zpracovávat v bioplynové stanici, je jednoduchá odpov – všechno, co je organického p vodu, tedy vše, co vyrostlo a je rostlinného nebo živo išného p vodu. Provoz bioplynové stanice vyžaduje kontinuální pln ní fermentoru kvalitní organickou hmotou. [3]
V sou asné dob , kdy se rapidn snižují chovy hospodá ských zví at a snižuje se i produkce statkových hnojiv, stále stoupá využití energetických plodin p i výrob bioplynu a stabilizuje se systém jejich produkce.
Nejv tší potenciál pro výrobu bioplynu má kuku ice a fytomasa z trvalých travních porost , které obsahují velké množství rozpustných cukr jako základní zdroj energie mikroorganism pro fermenta ní proces a získání metanu. Hn j a kejda jsou používány také, ale jako transportní a o kovací materiál základního rostlinného substrátu. Pokud je celý proces dob e zvládnutý, z bioplynové stanice vystupuje kvalitní hnojivo bez zápachu a vyrábí se dostatek plynu. V opa ném p ípad vzniká zápach z nedostate n zfermentovaných surovin a ekonomika celého provozu je špatná. [3]
Vzniklý bioplyn je ve v tšin p ípad využit v kogenera ní jednotce pro produkci elektrického proudu a tepla. Odpadní teplo z bioplynové stanice je áste n využíváno pro provoz stanice, zbytek je ur en k dalšímu využití. A zde se zem d lskému podniku nabízí r zné možnosti – poskliz ové sušení obilovin nebo sena, vytáp ní provoz , oh ev vody, sušení eziva i palivového d eva a jeho prodej apod.
Za p ipomínku také stojí použití digestátu z bioplynové stanice jako hnojiva. Podle legislativy je digestát organické hnojivo typové, pokud spl uje podmínku minimáln 25 % spalitelných látek v sušin a minimální obsah dusíku
Využití i dávkování digestátu jako hnojiva je srovnatelné s kejdou. Digestát je bohatý na živiny jako je dusík, fosfor, draslík a je ideálním hnojivem práv pro kuku ici a travní porosty. M žeme tedy íct, že živiny, které z p dy odvozem zelené hmoty vy erpáme, op t ve zna né mí e digestátem vrátíme zp t. [3]
Odvlh ování bioplynu
Bioplyn produkovaný v bioplynových stanicích má vysoký obsah vodní páry. Pro další využívání bioplynu (transport, stla ování, spalování v kogenera ních jednotkách,…) je nutné snížení jeho vlhkosti. Sušení se provádí jeho zchlazením a následným oh evem. P i ochlazení se z plynu vysráží voda a práv následným oh evem se pak sníží relativní vlhkost. Chlazení a oh ev bioplynu se provádí ve speciálních tepelných vým nících. Veškeré za ízení je vyrobeno z nerezové oceli. Pokud je požadovaný výkon sušení tak velký, že je nutno použít více vým ník , je každý z nich vybaven samostatným chladicím a oh ívacím blokem a lapa em kapek.
Odsi ování bioplynu
Jedinou formou síry, která se m že v bioplynu objevovat ve významném množství, je sulfan (H2S). V bioplynu byly stanoveny i další formy organicky vázané síry. Obsahy t chto složek jsou však v porovnání se sulfanem o ád nižší. Z pohledu technologického i uživatelského si m žeme dovolit p evést problém síry pouze na problém jediné slou eniny - sulfanu. P itom množství sulfanu, které v bioplynu nalezneme, je p ednostn ur ováno složením substrátu použitého k výrob bioplynu. (viz. Tab. 2) [1]
Druh substrátu Obsah H2S v bioplynu [mg/m3]
d evní biomasa, papír, celulóza, rostlinný odpad do 100 kaly z išt ní m stských splaškových vod 300 – 1500
živo išné odpady (skot) 500 – 800
živo išné odpady (dr bež, vep i)
potraviná ské odpady s vysokým obsahem protein 4000 – 6000
Skládkové plyny se vyzna ují vysokou rozmanitostí objemu sulfanu. Ve v tšin p ípad se sulfan do plynu dostane pouze minimáln . P i m ení skládkových plyn v eské a Slovenské republice se koncentrace sulfanu ve v tšin p ípad pohybovala v rozmezí 0,5 – 40 mg/m3 [1].
Velmi nep íjemné jsou korozivní ú inky p i spalování bioplynu obsahujícího sulfan, kdy se zejména p i vyšších koncentracích sulfanu v plynu tvo í kyselina sírová, zp sobující korozi za ízení, se kterými p ichází do styku.
Typická je vysoká koroze kontakt zapalovacích sví ek, koroze olejových t sn ní a ložisek klikové h ídele. P i spalování bioplynu s vysokým obsahem sulfanu v plynových kotlích dochází ke zna né korozi spalinového traktu. [6]
Odsi ování je obzvlášt d ležité p i použití bioplynu jako paliva kogenera ních jednotek. Výrobci t chto jednotek požadují maximální obsah sulfanu v bioplynu do 500 mg/m3. [6]
Pro odstra ování sulfanu z plyn se v provozní praxi používají absorp ní a adsorp ní metody. Absorp ní metody používají k odstran ní sulfanu prací kapaliny, ve kterých se sulfan dob e rozpouští. Takovou látkou je nap íklad methanol, který je využíván jako prací kapalina v procesu odsí ení. Pro odstra ování sulfanu z relativn malých objem bioplynu se osv d ily p edevším adsorp ní metody, kdy se sulfan zachycuje na pevných adsorbentech. Používá se speciální impregnované aktivní uhlí, které je schopno zajistit oxidaci sulfanu na elementární síru i bez p ítomnosti kyslíku v išt ném plynu. Speciální impregna ní p ísady zajiš ují nejen velmi vysokou ú innost odsí ení plynu, ale i velmi vysokou adsorp ní kapacitu aktivního uhlí v i sulfanu. Adsorp ní technologie odsí ení bioplynu pomocí speciálního aktivního uhlí vyvinutá v minulých letech na Ústavu plynárenství, koksochemie a ochrany ovzduší na VŠCHT Praha používá adsorbent impregnovaný slou eninami šestimocného chrómu. Tato technologie byla provozn aplikována k odsí ení bioplynu na 4 istírnách odpadních vod v R (Znojmo, Prost jov, Krom íž, Kralupy nad Vltavou). Tato technologie dosahuje velmi vysoké ú innosti odsí ení plynu a velmi vysokého stupn nasycení adsorbentu sírou, který p esahuje 25 % hm. [1]
2.2 ÚPRAVA BIOPLYNU NA BIOMETAN
2.2.1 Výhody úpravy bioplynu na biometan
Dát "zelenou" takovémuto využívání bioplynu má smysl z n kolika d vod . Úpravou na biometan lze efektivn využít v tší ást primární energie obsažené v bioplynu, než je dnes obvyklé. Zatímco bioplynová stanice zpravidla zhodnotí 40 – 50 % energie v bioplynu ve form elekt iny p íp. i tepla (mimo vlastní spot ebu), p i úprav na biometan a jeho dodávce do plynovodní sít roste tento potenciál i na více než 60 %. [4]
Jako motorové palivo je dále biometan šetrn jší k životnímu prost edí, a to nejen ve srovnání s b žnou naftou i benzinem, ale i jejich obnovitelnými substituty - biodieselem a bioetanolem vyráb nými u nás z tradi ních plodin.
Zatímco p i výrob bioetanolu z obilí i biodieselu z epky olejné lze v našich podmínkách získat reálný hektarový energetický zisk mezi 20 až 50 GJ, v p ípad bioplynu to m že být až 120 i více GJ v podob finálního paliva, jsou-li pro jeho produkci vhodné plodiny, jako je nap . kuku ice. [4]
asto diskutovaná bilance energetických vstup a výstup p i výrob a užívání biopaliv je pro bioplyn jednozna n pozitivní. V p ípad výroby bioplynu z kuku ice jsou energetické vstupy, jež je nutné vložit do vyp stování kuku ice, v porovnání s výnosem v podob dále využitelné zelené hmoty asi v pom ru 1:3. Po odpo tu vlastní technologické spot eby bioplynové stanice (v závislosti na použité technologii anaerobní fermentace p edstavuje zpravidla 15 – 20 % energie obsažené ve vyráb ném bioplynu) tento pom r klesá na p ibližn 1:2,5 a po odpo tu vlastní spot eby p ípadného išt ní bioplynu na kvalitu zemního plynu (op t ve výši 15 – 20 % v závislosti na typu technologie a finální tlakové úrovni plynu p i kone ném využití) pak na výsledných asi 1:2. [4]
Zdrojem pro výrobu bioplynu resp. biometanu mohou být ale i nejr zn jší organické materiály, které mají povahu odpadu. Nap íklad z jedné tuny kuchy ského bioodpadu m že být vyrobeno tolik biometanu, že s ním autobus nebo svozový v z ujede vzdálenost 200 i více kilometr . Chytrou koncepcí odpadového hospodá ství lze tak z biodpad získávat palivo pro pohon nap . CNG autobus m stské hromadné dopravy, odpadá ských voz apod. [4]
2.2.2 Technologie úpravy bioplynu na biometan
Existuje celá ada technologií umož ujících zvýšit v produkovaném bioplynu podíl energeticky hodnotného metanu, tj. odd lit z n j nežádoucí p ím si. Zejména se jedná o odstran ní oxidu uhli itého (v bioplynu CO2 je zastoupen v rozmezí 25 – 55 %), a dále vodní páry (H2O), sulfanu (H2S), pavku (NH3), vodíku a vzduchu (tj. dusíku, kyslíku), které jsou v bioplynu obsaženy v malých množstvích. U kalového nebo skládkového plynu se pak rovn ž vyskytují nežádoucí p ím si na bázi halogenovaných slou enin nebo organických slou enin k emíku. [4]
Jednotlivé technologie se liší v principu separace, komplexnosti (n které odstra ují jen n které nežádoucí složky v bioplynu) a robustnosti (kapacitních schopnostech). P ed vlastním odd lováním CO2 obvykle p edchází vy išt ní surového bioplynu od stopových látek, p edevším síry, která by negativn ovliv ovala další proces obohacování. [4]
Postupy odd lování metanu a oxidu uhli itého (a p íp. dalších nežádoucích složek) lze rozd lit do ty hlavních skupin, jež se liší principem
innosti a de facto i technologickým ešením:
- adsorpce - technologie PSA
- absorpce - fyzikální (tlaková) vypírka - chemická vypírka
- membránová separace
- nízkoteplotní rektifikace – kryotechnologie
Nejv tšího uplatn ní v reálném provozu doposud doznaly s jistými modifikacemi v zásad dv technologie: proces tlakové adsorpce ozna ovaný jako „PSA“ (z angl. Pressure Swing Adsorption) nebo fyzikální i chemická absorpce vodou i jiným roztokem (v angl. nazýván jako „scrubbing“ i
„washing“); slibnou technologií z pohledu energetických i prostorových nárok je pak i membránová separace, která má již první komer ní nasazení. Za podobn perspektivní je považováno i využití kryogenní metody separace, její praktické uplatn ní pro úpravu bioplynu je však zatím ve stádiu vývoje a ov ování. Podrobn ji jsou jednotlivé technologie p edstaveny níže. [4]
2.2.2.1 Technologie PSA
Tato technologie využívá pro separaci oxidu uhli itého tzv. Van der Waalsových sil, které vážou molekuly CO2 a povrch vysoce porézní pevné látky (zpravidla jím je aktivní uhlí). Adsorpce probíhá za zvýšeného tlaku a desorpce – regenerace adsorbentu p i sníženém tlaku (vakuu). V adsorbéru se tak opakovan m ní tlakové podmínky, podle ehož se proces v podstat nazývá.
Aby produkce biometanu byla nep erušovaná, bývá instalováno vždy n kolik adsorbér , které pak pracují paraleln a pokaždé se nacházejí v jiné fázi procesu (typický po et je 4). Vyšší produk ní kapacita je docílována instalací dalších sad. [4]
Na Obr. 2 je znázorn no procesní schéma. Bioplyn zbavený síry se stla í na cca 0,4 – 0,7 MPa a zchladí na teplotu 10 až 20 °C, tím se vysráží vlhkost a zkondenzovaná voda se odvede mimo plyn. Takto vy išt ný plyn se p ivádí zespodu do adsorbéru, který obsahuje tzv. molekulární síto tvo ené velmi jemn rozemletým uhlíkem v extrudované podob . Na tomto adsorbentu se zachycuje CO2 a zbytkový obsah H2O a H2S a rovn ž malé množství metanu. Z horní ásti filtru vychází metan o koncentraci 95 – 98 %. Po nasycení adsorbéru se p ítok vstupního bioplynu p epne na druhou sadu regenerovaných filtr . [4]
Obr. 2 Schéma úpravy bioplynu technologií PSA | P ekážky a bariéry využití bioplynu v kvalit ZP, ermáková J.; VŠCHT Praha|
V klasickém uspo ádání procesu PSA zajiš uje st ídání sad filtr ídicí jednotka pomocí elektromagnetických ventil (nap . za ízení spole nosti CarboTech Engineering GmbH nebo Cirmac International BV). Jinou alternativou je p epínání jednotlivých cykl pomocí systému rotujících ventil ,
díky emuž je doba cykl kratší a za ízení kompaktn jší (technologii vyvinula spole nost QuestAir Technologies Inc., nyní sou ástí skupiny XEBEC Inc.). [4]
2.2.2.2 Tlaková vypírka
Technologie využívá odlišné rozpustnosti nežádoucích složek bioplynu – konkrétn oxidu uhli itého, sulfanu a pavku – oproti metanu p i r zné teplot a tlaku (p i tlaku 1 bar a teplot 25 °C má CO2 25krát v tší rozpustnost než metan, H2S tém 80krát a NH3 dokonce více než 20 tis. násobn ). A tak zatímco je p i pr chodu pracovním prost edím za zvýšeného tlaku jimi
"nasycena" procesní kapalina, metan prochází a zvyšuje sv j podíl na výstupním plynu. [4]
Nej ast ji je jako pracovní médium – rozpoušt dlo využívána voda (pak je tento proces nazýván v angl. jako "water scrubbing" i v n m. „Druckwasser Wäsche“). Procesní schéma tlakové vypírky vodou ukazuje Obr. 3. Surový bioplyn je dvoustup ov stla en s mezichlazením, a p i teplot cca 15 °C a tlaku 0,3 – 0,7 MPa vstupuje do spodku absorp ní kolony. Do její horní ásti je vst ikována voda, která v protiproudové sprše zachytí jmenované nežádoucí plyny a výsledný biometan odchází s obsahem 95 – 98% CH4. (Tento proces neodstraní zbytkový obsah vzduchu, tj. N2 a O2.) Pro vyšší ú innost procesu je kolona uvnit vypln na vysoce porézním materiálem s velkou vnit ní plochou.
Voda ze spodní ásti kolony se erpá do expanzní nádoby a odtud po uvoln ní na atmosférický tlak do desorp ní kolony, kde se rozpušt né plyny uvolní za pomoci protiproudu vzduchu a spolu s ním odcházejí do atmosféry.
Regenerovaná voda je zpravidla erpána zp t do absorbéru. Plyn uvoln ný v expandéru je recirkulován zp t do sání druhého stupn komprese.[4]
Z d vodu lepších absorp ních vlastností pak bývají namísto vody rovn ž využívána organická rozpoušt dla – nej ast ji jím je Genosorb® nebo Selexol®, což jsou obchodní zna ky chemického roztoku na bázi polyetylen glykolu od r zných výrobc . [4]
Obr. 3 Schéma úpravy bioplynu tlakovou vypírkou vodou | Nové technologické systémy pro hospodárné využití bioplynu; Kára Jaroslav – MZ R |
2.2.2.3 Chemická vypírka
Odd lování nežádoucích p ím sí, p ítomných v bioplynu, od metanu je možné docílit i chemickou absorpcí. Výhodou oproti fyzikální vypírce je vyšší selektivita a rozpustnost nežádoucích plyn , a to i p i atmosférickém tlaku.
Nej ast jším sorbentem je monoetanolamin. Procesní schéma chemické vypírky je velmi podobné, liší se však zp sobem absorpce a pracovními podmínkami. Vstupní surový bioplyn je stla ován pouze na cca 50 kPa (k p ekonání odporu vodní sprchy) a vychlazen na teplotu cca 10 °C. Sorbent je ed n vodou na koncentraci cca 10 – 20 % a na rozdíl od fyzikální vypírky váže nežádoucí plyny chemickým zp sobem. Obohacený biometan odchází s koncentrací 96 - 99 %. Regenerace sorbentu se provádí op t v desorp ní kolon po zah átí roztoku, v její spodní t etin až na teplotu p es 100 °C. ást vody se p i tom odpa í. [4]
Absorp ní technologii k obohacování bioplynu nabízí ada firem.
Tlakovou vypírku vodou nap . spole nosti Malmberg Water AB a Flotech Group, na bázi organického rozpoušt dla Genosorb®, pak nap . Haase Energietechnik
AG. Absorpci chemickou cestou pak využívá ešení firmy MT-Biomethan GmbH i Cirmac International BV. [4]
2.2.2.4 Membránová separace
Membránová separace využívá rozdílné pr chodnosti jednotlivých složek ve sm si bioplynu tenkou membránou. Materiálem pro konstrukci membránových sít jsou nej ast ji polymery. Skrze membránu prochází snáze CO2 (a též zbytkový obsah H2S a vodní páry) jako tzv. permeát, zatímco v tšina metanu z stává p ed membránou a odchází na tlakové stran jako tzv. retenát (viz Obr. 4). Podíl metanu v retenátu závisí na použitém materiálu membrány, jejím stá í a také tlakové úrovni. Za optimálních podmínek proces išt ní probíhá p i tlaku 0,7 – 0,9 MPa a dociluje se až 97 – 98 % obsahu CH2 ve výsledném plynu. Vyšší míry vy išt ní (a menších ztrát metanu) umož uje dvoustup ová separace. Membránovou technologii nabízí nap . op t firma Cirmac International BV i také Axiom Angewandte Processtechnik GmbH. [4]
Obr. 4 Princip úpravy bioplynu membránovou separací |Využití bioplynu v doprav , SEVEn, o.p.s.; 2009|
2.2.2.5 Nízkoteplotní rektifikace
Oxid uhli itý a metan mají dosti rozdílné body varu (CO2 78 °C a CH4 161 °C). Této skute nosti lze tak využít a kryogenní cestou, tj. ochlazením bioplynu na velmi nízkou teplotu (min. -80 °C), odd lit CO2 a p íp. další nežádoucí složky od metanu jejich zkapaln ním p íp. rovnou desublimací.
Výhodou tohoto postupu je velmi vysoká istota výsledného plynu (více než
teplotách pak m že být zkapaln n i biometan, ímž se pak m že stát náhradou za LNG. Zatím však uplatn ní této technologie nedoznalo v této oblasti komer ního uplatn ní, zejména z d vodu vysoké kapitálové a energetické náro nosti. [4]
2.2.3 Podmínky pro využití biometanu (v R v porovnání se zahrani ím)
Požadavky na kvalitu biometanu
Prvním dobrým krokem bylo p ijetí zm ny technických pravidel TPG 902 02 upravujících požadavky na kvalitu plyn bohatých na metan, která jsou dodávána prost ednictvím plynárenských sítí. S platností od 1. 3. 2009 byly nov upraveny požadavky na biometan (viz Tab. 3). Definované parametry jsou nicmén jen doporu ením, provozovatel p íslušné distribu ní sít zemního plynu m že p i sjednávání p ipojení výroben biometanu do místní plynárenské sít požadovat i jiné (p ísn jší) hodnoty. [4]
St žejní parametry (jako nap . obsah metanu, vody, kyslíku, síry atd.) by p itom m ly být sledovány kontinuáln m ícím za ízením p edepsaným distributorem.
Obdobné požadavky na kvalitu jsou pak již v eských technických p edpisech definovány i pro p ímé využití bioplynu, resp. biometanu v motorových vozidlech (tj. bez jeho dopravy ve ejnou plynárenskou sítí). Stalo se tak p ijetím normy SN 65 6514 (v platnosti od 1. 1. 2008), která je v zásad eským p ekladem švédského standardu SS 15 54 38. Z d vodu absence infrastruktury výroby biometanu však v praxi zatím žádné z motorových vozidel u nás na "bio CNG" ješt nejezdí. [4]
Tab. 3 Požadavky na kvalitu biometanu dle TPG 902 02 | Nové možnosti využití bioplynu na BPS; Tomáš Rosenberg; Bioprofit s.r.o |
Majetko-právní vztahy
Jistou bariérou vzniku prvních za ízení na výrobu biometanu (pro jeho dodávku do plynovodní sít ZP) jsou však v eské legislativ zatím nevyjasn né vlastnické vztahy k za ízení p ipojovacího místa a financování náklad na jeho instalaci a provoz. P ipojovacím místem se rozumí ta ást strojního a technického vybavení, která po úprav bioplynu monitoruje a na finální tlakové parametry upravuje výsledný biometan pro možné dodání do sít . Sou ástí p ipojovacího místa bývá obchodní m ení zajiš ující zpravidla sou asn i m ení kvality (tvo í jej pak procesní chromatograf, pr tokom r a p epo ítáva ), dále odoriza ní jednotka, kompresor pro úpravu tlakové úrovn biometanu dle požadavk místní sít a také telekomunika ní za ízení pro dálkový p enos dat a možné dálkové ízení stanice. N kdy pak bývá sou ástí i za ízení na p idávání propanu pro zvýšení spalného tepla biometanu (v R však nebude, zdá se, vyžadováno). Stávající praxe v N mecku nap íklad rozd luje investi ní náklady p ipojovacího místa rovnom rn mezi výrobce biometanu a místního dstributora, a to v etn p ípadného potrubního p ívodu biometanu až do délky 10 kilometr . Provozní náklady pln hradí provozovatel distribu ní sít . V R by tyto otázky m ly být vyjasn ny v pr b hu roku 2010, kdy se o ekává zm na provád cích p edpis k energetickému zákonu
3.0 PODMÍNKY P EPRAVY NEBEZPE NÝCH V CÍ
Pro p epravu nebezpe ných v cí, mezi které se bioplyn adí, platí n kolik p edpis , které musí mnou navrhované ešení spl ovat. V této kapitole uvedu, kterých p edpis se to týká a jaké podmínky p epravy z nich vyplývají.
3.1 SEZNAM ZÁKON
Zákon . 361/2000 sb., o provozu na pozemních komunikacích
Zákon upravuje práva a povinnosti ú astník provozu na pozemních komunikacích, pravidla provozu na pozemních komunikacích, úpravu a ízení provozu na pozemních komunikacích, idi ská oprávn ní a idi ské pr kazy a vymezuje p sobnost a pravomoc orgán státní správy a Policie eské republiky ve v cech provozu na pozemních komunikacích.
Evropská dohoda o mezinárodní silni ní p eprav nebezpe ných v cí (ADR)
(ADR - z Accord Dangereuses Route)
Dohoda byla p ijata v Ženev dne 30. zá í 1957 a tehdejší eskoslovensko k ní p istoupilo 26. kv tna 1987 a vydalo ve vyhlášce . 64/1987 Sb. Zprvu platila jen pro mezinárodní p epravu nebezpe ných v cí, ale v roce 1994 byla zákonem . 111/1994 Sb. vztažena i na vnitrostátní dopravu.
Jedná se o pom rn rozsáhlý p edpis, který v sou asné dob ítá cca 1200 stran textu. Obecn lze íci, že dohoda ADR stanovuje podmínky pro silni ní p epravu nebezpe ných v cí. Dohoda ADR mimo jiné p edepisuje pravidla pro klasifikaci nebezpe ných v cí, metody balení, ozna ování obal , pravidla pro nakládku a manipulaci, pravidla pro p epravu, požadavky na schvalování a konstrukci obal a požadavky na konstrukci a schvalování vozidel, ozna ování vozidel a výbavu vozidel.
V neposlední ad stanoví dohoda ADR minimální požadavky na školení osob zú astn ných na p eprav a manipulaci s nebezpe nými v cmi, idi a bezpe nostních poradc .
SN EN 1968, Lahve na p epravu plyn – Periodická kontrola a zkoušení bezešvých ocelových lahví.
Hlavním zám rem této evropské normy je sjednocení požadavk na periodickou kontrolu a zkoušení bezešvých ocelových lahví na plyny (samostatných nebo ve svazcích) používané na stla ené a pod tlakem zkapaln né plyny o vodním objemu od 0,5 l do 150 l. Rovn ž vymezuje postupy k zajišt ní volného pohybu existujících lahví mezi lenskými státy EU. Tato evropská norma odkazuje na p edpisy týkající se p epravy nebezpe ného zboží (ADR a RID).
3.2 PODMÍNKY P EPRAVY V zákon . 361/2000 Sb. jsou uvedeny následující povinnosti:
- §5 íká, že idi je povinen zajistit bezpe nost p epravované osoby nebo zví ete a bezpe nou p epravu nákladu
- v §52 je uvedeno, že p i p eprav nákladu nesmí být p ekro ena maximální p ípustná hmotnost vozidla a maximální p ípustná hmotnost na nápravu vozidla. Dále je p edepsáno, že náklad musí být na vozidle umíst n a upevn n tak, aby neohrožoval bezpe nost provozu na pozemních komunikacích, nezp soboval hluk a nezne iš oval ovzduší
Dále se budu zabývat podmínkami vyplývajícími z dohody ADR pro p epravu mnou navrhované stanice.
Nejprve bylo nutné za adit p epravovanou látku (bioplyn) do skupin dle kapitoly 3.2 dohody ADR. Tyto skupiny se ozna ují písmeny „UN“, za kterými je uveden ty místný íselný kód (nap . UN 1234). Všechny skupiny a jejich ozna ení jsou v tabulce A kapitoly 3.2 ADR. ást této tabulky týkající se bioplynu je uvedena níže (Tab. 4).
Pro jakoukoli nebezpe nou látku by m l výrobce této látky vyhotovit tzv.
Bezpe nostní list, ve kterém je p ímo látka za azena. Bohužel se mi nepoda ilo sehnat žádného výrobce bioplynu, který by tento list vlastnil, proto jsem za pomoci odborník odhadl, do které skupiny by bioplyn pat il. Za azen byl následovn :
Název látky : Plyn stla ený, ho lavý, J.N.
T ída: 2 – Plyny Klasifika ní kód: 1F
Kemper v kód: 23 – ho lavý plyn
UN íslo: 1954
Tab. 4 ást tabulky A kapitoly 3.2 dohody ADR
Zkratka J.N. uvedená na konci názvu látky znamená „jinde nejmenovaný“. Pokud je látka takto ozna ena m l by být dle 3.1.2.8 za názvem uveden technický název. V našem p ípad by pak m l název vypadat takto:
„UN 1954 PLYN STLA ENÝ, HO LAVÝ, J.N. (BIOPLYN)“
Pro takto za azený plyn je dle 1.1.3.6 dáno podlimitní množství 333 litr už stla eného plynu na jednu p epravní jednotku. P i p eprav menšího množství, než je limitní, není p epravce povinen spl ovat všechny požadavky.
Z d vod vysoké ekonomické náro nosti na dodržení požadavk ADR p i p eprav nadlimitního množství se budu orientovat pouze na podlimitní p epravu. Pro p ehlednost uvedu i podmínky nadlimitní p epravy, ovšem pouze ty hlavní, protože jich je mnoho.
Podmínky p epravy podlimitního množství plynu UN 1954:
Celá osádka vozidla a osoby podílející se jinak na p eprav nebezpe ných látek musí být proškoleni dle kapitoly 1.3 ADR. Toto školení se nazývá „Školení osob podílejících se na p eprav a manipulaci s nebezpe nými v cmi dle kap. 1.3 dohody ADR“. Toto osv d ení není nutno vozit s sebou.
Cena takovéhoto školení se pohybuje okolo 1 400,- K a platí po dobu 2 let.
V kapitole 8.1.4.2 musí být dopravní jednotka vybavena alespo jedním p enosným hasicím p ístrojem pro t ídy ho lavosti A, B a C s obsahem nejmén 2 kg suchého prášku vhodným pro hašení požáru motoru nebo kabiny dopravní jednotky.
V kapitole 7.5.11 je doporu eno, že lahve s nebezpe nou látkou by m ly být nakládány a p eváženy v nekrytých nebo odv trávaných prostorech. Pokud tomu tak není a látka je p evážena v uzav ených automobilech, musí být dve e do nákladového prostoru opat eny následujícím nápisem ve vhodném jazyce a o výšce písmen nejmén 25 mm:
„POZOR
NEODV TRÁVANÝ PROSTOR OTEVÍRAT OPATRN “
V kapitole 5.2 je dáno, že opakovateln pln né nádoby, tedy i svazky tlakových lahví, musí být opat eny bezpe nostními zna kami uvedenými ve sloupci (5) tabulky A kapitoly 3.2. Bezpe nostní zna ky musí mít tvar tverce postaveného na vrchol pod úhlem 45° s nejmenšími rozm ry 100 mm x 100 mm. Dalším povinným ozna ením je pevný štítek s p edepsanými údaji p ipevn ný ke svazku. Tento štítek musí obsahovat z etelné a itelné údaje: UN íslo, Technický název p epravované látky, u sm sí plyn minimáln dva komponenty p edstavující nejv tší nebezpe í, hmotnost a datum p íští periodické kontroly. Na t chto nálepkách mohou být uvedené další údaje, jako nap . R a S v ty, údaje o výrobci apod. Bezpe nostní zna ky,
kterými by m l být svazek ozna en jsou uvedeny na Obr. 5. ADR ozna uje tyto zna ky jako .2.1 – Ho lavé plyny.
Bezpe nostní zna ku a štítek sta í umístit na jednu stranu svazku.
Vzhledem k bezpe nosti je vhodn jší ozna it svazek na stranách, kde je umíst n p ipojovací ventil.
Obr. 5 Bezpe nostní zna ky na svazek tlakových lahví dle ADR
Dle kapitoly 5.4.1 musí být p i p eprav dopravní jednotka vybavena tzv.
P epravním dokladem pro nebezpe né v ci, ve kterém musí být uvedeny údaje jako jsou: UN íslo, technický název, klasifika ní kód, obalová skupina, množství, atd.
Vozidlo ješt musí být dle kapitoly 5.4.3 vybaveno Písemnými pokyny, které slouží jako pomoc p i nehodové nouzové situaci, k níž m že dojít nebo která m že vzniknout b hem p epravy. V t chto pokynech je uvedena tabulka bezpe nostních zna ek, kterými musí být nebezpe né v ci ozna ovány.
Sou ástí této tabulky je charakteristika nebezpe í p epravovaných látek a dodate ná upozorn ní. Vzor t chto písemných pokyn vyjmutý z ADR je p iložen v P íloze 1.
Podmínky p epravy nadlimitního množství plynu UN 1954:
idi vozidla p epravující nadlimitní množství musí být proškolen podle kapitoly 8.2 ADR. Na základ tohoto školení musí získat Osv d ení k p epravám nebezpe ných v cí dle dohody ADR. Osv d ení platí po dobu p ti let. idi s tímto osv d ením m že p epravovat nebezpe né látky do všech stát , které k dohod p istoupily, v etn eské republiky. Cena Kurzu se
Povinná hmotnost práškového hasicího p ístroje je podle 8.1.4.1 navýšena na 4 kg. Tuto hmotnost lze rozd lit na více p ístroj . Umíst ní p ístroj by m lo být takové, aby umož ovalo snadný p ístup.
Automobil musí být dle 5.3 ozna en vp edu i vzadu oranžovou tabulkou, jejíž specifikace je p esn popsána ve zmi ované kapitole. V horním ádku je uvedeno identifika ní íslo nebezpe nosti (n kdy ozna ováno jako Kemler v kód) a v dolním ádku je UN íslo. Ší ka tabulky je 40 cm a výška je 30 cm.
Vzor bezpe nostní zna ky je uveden na obr. 6. V p ípad bioplynu by ovšem na zna ce m ly být uvedeny ísla 23 a 1954.
Obr. 6 Bezpe nostní tabulka na automobily dle ADR
Pro nadlimitní p epravu musí p epravce spl ovat ješt mnoho dalších p edpis , které by se musely konzultovat s bezpe nostními poradci. Proto jsem zde uvedl pouze hlavní požadavky.
4.0 NÁVRH EŠENÍ
Požadavky na zpracování mobilní plnicí stanice bioplynu byly:
- p evážet se bude stanice ve vozidle, které již katedra vlastní. Je to Renault Trafic s karoserií ozna enou jako L1H1
- musí být možno tlakový zásobník z vozidla vyjmout - dovážet se bude surový bioplyn
Jak již bylo e eno v úvodu, je surový bioplyn vysoce agresivní (sulfan) a obsahuje vysoké množství vodních par (koroze). Toto korozivní a agresivní prost edí postupn poškozuje ásti kompresoru, uzavíracích ventil a tlakových lahví, proto je vysoce nebezpe né bioplyn stla ovat a p evážet pod tlakem.
Dále by tento plyn postupn poškozoval v laborato ích katedry vozidel a motor technické vybavení, s kterým by p išel do styku. Z t chto d vod zavrhuji variantu s p evážením surového bioplynu a budu navrhovat stanici pro p evoz odsí eného a odvlh eného bioplynu. Takový plyn má tém zachován pom r základních složek (CH4 a CO2), a p itom není tak vlhký a agresivní jako p vodní plyn. P i výb ru bioplynové stanice, ze které se bude plyn dovážet, je proto nutno dbát na istotu a stálost nakupovaného bioplynu.
Pro ešení mobilní stanice budu navrhovat tyto základní komponenty:
- kompresor, - tlakový zásobník, - upínací prvky,
- uspo ádání ve vozidle.
4.1 NÁVRH KOMPRESORU
Protože na bioplynových stanicích se pracuje pouze s relativn nízkými tlaky, je nutností p evážet spole n se svazkem tlakových lahví ješt kompresor, kterým se stanice naplní. Kompresory, které jsou používány pro stla ování bioplynu, jsou tak velké, že je není možné p evážet. Pro možnost
ale je p vodn ur en na stla ování zemního plynu. Informace o tom, zda bude schopný stla ovat odvlh ený a odsí ený bioplyn, se mi bohužel nepoda ilo zjistit. Mnou volený kompresor, ozna ovaný jako „MCH16/ET STANDARD“, je od výrobce AEROTECNICA COLTRI S.p.A.. Tento kompresor je na Obr. 7 a jeho základní technické údaje jsou uvedeny v Tab. 5.
Obr. 7 Kompresor MCH16/ET STANDARD firmy AEROTECNICA COLTRI S.p.A.
PLNICÍ VÝKON 265 litr /min – 16 Nm3/hod.
PRACOVNÍ TLAK 225 bar
POHON t ífázový elektromotor
VÝKON MOTORU 5,5 kW
ROZM RY (viz. Obr. 8) A=855mm; B=450mm; C=635mm
HMOTNOST 109 kg
OTÁ KY KOMPRESORU 1550 ot/min MEZISTUP OVÉ A KONCOVÉ CHLAZENÍ nerezová ocel
PO ET STUP 3
Obr. 8 Základní rozm ry kompresoru MCH16/ET STANDARD
Pro kompatibilitu celé navrhované stanice budou použity spojovací koncovky NGV 1. tyto koncovky se b žn používají pro erpání CNG. Proto je nutno nechat kompresor vybavit práv t mito koncovkami.
4.2 NÁVRH TLAKOVÉHO ZÁSOBNÍKU
Jako tlakový zásobník bude použit svazek tlakových lahví. Pro dodržení podlimitního množství (viz. kapitola 3.2) volím celkový objem svazku 300 litr . Doporu uji svazek nabízený firmou VÍTKOVICE CYLINDERS a.s., který je ur en na zemní plyn a vy išt ný bioplyn. Zmi ovaný svazek je na Obr. 9.
Obr. 9 Svazek tlakových lahví – 300 l |Vítkovice cylinders a.s.|
Tento svazek je tvo en 6ti tlakovými lahvemi o objemu 50 litr s maximálním pracovním tlakem 200 bar a je vybaven uzavíracími manuálními ventily na každé lahvi. Na vstupu bude použita koncovka typická pro stanice zemního plynu ozna ována jako NGV-1. Rozm ry celého svazku jsou 615 mm (výška) x 815 mm (ší ka) x 1750 mm (délka). Profily, umíst né v dolní ásti svazku, sloužící k p emís ování pomocí vysokozdvižného vozíku, budou orientovány podél (tj. oto eny o 90° než je na Obr.9) tak, aby bylo možno nakládat svazek vysokozdvižným vozíkem zadními dve mi automobilu.
4.3 NÁVRH UPÍNACÍCH PRVK
Podle zákona . 361/2000 Sb. a dohody ADR je t eba provést opat ení pro zajišt ní nákladu. Vysoká hmotnost nákladu není sama schopna zabránit posunutí nebo p eklopení nákladu ve vozidle.
Pro uchycení svazku tlakových nádob ve vozidle navrhuji tzv. diagonální upevn ní pomocí popruh (Obr. 10). V publikaci [5] auto i doporu ují upev ovat svazky tlakových nádob práv tímto zp sobem.
P i diagonálním upevn ní je náklad p ipevn n p í n k upínacím bod m ložné plochy. Na rozdíl od uchycení zespoda je t eba popruhy dotáhnout pouze rukou (tvarov uzav ené zajišt ní nákladu). Zajišt ní za ne p sobit až ve chvíli, kdyby se náklad mohl za ít posouvat.
Na rozdíl od uchycení zespoda je možno náklad zajistit menším po tem popruh . Z tohoto by se m la – jestliže je to možné – dávat diagonálnímu upevn ní p ednost. Dostate né zajišt ní nákladu je p i diagonálním upevn ní závislé do zna né míry na p ípustné tažné síle (tahu) upínacího prost edku.
Podle literatury [5] musí být povolená tahová síla v pásu minimáln 2000 daN (p ímý tah) resp. 4000 daN (opásání).
U diagonáln provedených upnutí na podlaze vozidla vznikají dva úhly:
- První úhel vzniká mezi upínacím prost edkem a podlahou vozidla jako úhel svislý; ten musí být 20°až 65°.
- Druhý úhel vzniká jako úhel vodorovný mezi pr m tem upínacího prost edku na podlahu vozidla a podélnou osou vozidla; tento úhel musí být mezi 6°až 55°.
Bokorys P dorys
Obr. 10 Diagonální upevn ní nákladu |P eprava tlakových nádob s plyny na silni ních vozidlech; Miffek P., Palatin J.|
Pro diagonální p ipevn ní svazku tlakových lahví volím použití dvou upínacích kurt (Obr.11), které nabízí firma JK SPED. Ší ka kurty je 50 mm a délka je 4 m. Maximální povolené zatížení t chto kurt v p ímém tahu je 2000 daN. Jsou vyráb ny na dv ásti: pevný díl s rá nou (cca 0,4 m) a volný pásový díl (cca 3,6 m). Firma zaru uje, že kurty spl ují normu SN EN 12195-2 – Prost edky pro zajiš ování b emen na silni ních vozidlech.
Obr. 11 Upínací kurta firmy JK SPED pro upevn ní svazku
Vozidlo je vybaveno upínacími oky, která ovšem nejsou schopna p enášet
siln jší upínací prvky. Pro toto ešení jsou vhodné upínací misky BISON od firmy TRANS-TECHNIK, s.r.o. (Obr.12) s dovoleným zatížením 2000 daN.
Montáž upínacích prost edk do podlahy musí dle zákona provést specializovaná firma. Ta si také ur í, do kterých míst upínací oka namontuje.
Proto v mé práci pouze navrhnu umíst ní t chto míst, ale jejich skute ná poloha bude dána práv specializovanou firmou.
Obr. 12 Upínací miska BISON firmy TRANS-TECHNIK, s.r.o.
Další, co bude ve vozidle p epravováno a je t eba to upevnit, je kompresor. Pro jeho uchycení navrhuji použít upínacích kurt stejn jako u svazku tlakových lahví. Kompresor je leh í než svazek, proto bude možno použít slabší upínací kurty i oka.
Upínací místa, která jsou sou ástí vozidla, budou pro toto upevn ní dosta ující. Jedná se o upínací oka zabudovaná do nosných sloupk karoserie vozidla. Upínací kurty volím také od firmy JK SPED, ovšem v nižší pevnostní kategorii. Použita tedy bude kurta (Obr. 13) ší ky 25 mm s dovoleným zatížením 400daN pro p ímý tah, 800daN pro opásání. Délka kurty bude 4 m.
4.4 NÁVRH USPO ÁDÁNÍ VE VOZIDLE
Pro uspo ádání ve vozidle by bylo vhodné, aby t žišt všech sou asn naložených v cí bylo umíst no na podélné ose vozidla. To by zaru ovalo stejné zatížení kol a usnad ovalo ovládání vozidla.
Pokud se svazek umístí p ímo na zmi ovanou podélnou osu vozidla, budou se moci upínací oka namontovat ke kraj m nákladového prostoru. To p ináší tu výhodu, že oka nebudou p íliš omezovat jiné využívání vozidla.
Kompresor by potom bylo výhodné umístit p ímo p ed svazek, aby byla dodržena podmínka umíst ní t žišt . Toto uspo ádání je schematicky znázorn no na Obr. 14.
Kompresor
Sm r jízdy Kurty (25 mm)
Podlaha vozidla
Kurty (50 mm)
Svazek tlakových lahví
Délka svazku je 1750 mm a ší ka kompresoru 450 mm. Protože je délka nákladového prostoru 2290 mm a kompresor m že být p ímo u p ední hrany nákladového prostoru, zbývá v le 90 mm pro umíst ní svazku. Tato v le není p íliš velká, ale je jediným negativním faktorem tohoto uspo ádání. Velké výhody jsou v jednoduchosti upínání a snadného vyvážení vozidla. Aby se p i nakládání svazku nepoškodil kompresor, je možnost nakládat kompresor bo ními dve mi až po naložení svazku.
P i naložení komponent se zm ní rozložení sil na nápravy vozidla.
Hmotnost vznikající na p ední nápravu je 1388 kg a na zadní nápravu p sobí hmotnost 1248 kg. V technickém pr kazu vozidla jsou uvedeny maximální dovolená zatížení následovn :
p ední náprava 1650 kg, zadní náprava 1550 kg.
Povolené limity tedy nejsou p ekro eny.
4.5 VÝPO ET ENERGETICKÝCH POŽADAVK STANICE V reálném kompresoru je d j, p i kterém se plyn stla uje, nazýván polytropická komprese. P i tomto d ji je plynu teplo odvá eno. Práci p i polytropické kompresi v jednostup ovém kompresoru WPOL popisuje rovnice (1). [10]
1 1 1
1 1 2 1
n n
POL p
m p v n p
W n (1)
n - polytropický exponent závisí na zp sobu komprese a na množství tepla, které se plynu b hem komprese odvede chlazením.
Zjišt ní polytropického exponentu je pro m j p ípad složité, proto bude použit pro výpo et idealizovaný pr b h komprese, p i kterém nedochází k p ívodu nebo odvodu tepla z plynu. Tento proces se nazývá adiabatická komprese. [10]
Do výpo tu bude zavedena tzv. adiabatická ú innost – ad, která upravuje ideální adiabatickou kompresní práci na skute nou. Adiabatickou kompresní
1 1 1
1 1 2
1 p
m p v p
WAD (2)
– Poissonova konstanta – je dána pom rem m rných tepelných kapacit plynu.
Pro sm s plynu lze tuto hodnotu zjistit z Poissonových konstant jednotlivých složek sm si pomocí váženého pr m ru – vztah (3). Kde x je procentuální obsah plynu x ve sm si. [10]
2 2 2 2 2 2 4
4 NH CO CO N N H H
NH (3)
V jednostup ovém kompresoru, vzhledem ke škodlivému prostoru, nelze stla it plyn na libovolný tlak. Proto používáme kompresory vícestup ové, které násobí tlak plynu postupn v jednotlivých stupních. Se stoupajícím kompresním pom rem roste teplota plynu, proto se mezi jednotlivými stupni stla ený plyn ochlazuje v chladi ích p i konstantním tlaku. Sou asn se zmenšuje pot ebná kompresní práce. [1]
Práce ideálního t ístup ového kompresoru p i zchlazení plynu mezi stupni na po áte ní hodnotu T1 je obecn dán výrazem (4).
1 3
1 2 1 1
1 1
II I
II i I
BP
AD p
p p
p p
m p T r
W (4)
Kde rBP je m rná plynová konstanta bioplynu T1 je teplota vstupního plynu
p1 je vstupní tlak
pI je tlak plynu po prvním stupni pII je tlak plynu po druhém stupni
p2 je výstupní tlak plynu (po t etím stupni) mi hmotnost stla eného plynu
M rnou plynovou konstantu bioplynu rBP vyjad uje podíl univerzální plynové konstanty R a molární hmotnosti bioplynu M(BP), která se dopo ítá váženým pr m rem molárních hmotností jednotlivých složek (vztah (5)). [10]
rBP R R (5)
Pot ebný p íkon kompresoru lze dopo ítat jako podíl spot ebované práce WKOM
a asu stla ování daného množství t. [10]
t
PKOM WKOM (6)
Kde spot ebovaná práce WKOM je adiabatická kompresní práce zvýšená
adiabatickou ú inností ob hu ad a mechanickou ú inností kompresoru mK. Pak tedy bude p íkon kompresoru:
mK ad
AD
KOM KOM t
W t
P W
.
. (7)
Elektrický p íkon celé jednotky Pel pak bude p íkon kompresoru vyd lený ú inností elektromotoru a emenového p evodu el.
el el KOM
P P (8)
Celková spot eba elektrické energie E [kWh] je rovna sou inu p íkonu elektromotoru Pel a doby intervalu pln ní ti.
i el t P
E (9)
Pro výpo et bude použit p edpoklad, že bioplyn je sm sí ty základních plyn : NH4 – metan,
CO2 – oxid uhli itý, N2 – dusík,
H2 – vodík.
Procentuální obsahy t chto plyn ve sm si jsou uvedeny v Tab. 6. Dále je pro výpo et nutno znát Poissonova ísla a molární hmotnosti jednotlivých složek.
Tyto hodnoty jsou též uvedeny v Tab. 6.
plyn Procentuální obsah plynu ve sm si
Poissonovo
íslo Molární hmotnost
NH4 NH4=0,60 NH4=1,320 M(NH4)=16
CO2 CO2=0,36 CO2=1,304 M(CO2)=44
N2 N2=0,02 N2=1,404 M(N2)=28
H2 H2=0,02 H2=1,41 M(H2)=2
Tab. 6 Procentuální obsah, Poissonovo íslo a molární hmotnost jednotlivých složek bioplynu
Pro dosazení do vztahu (4), který ur uje adiabatickou kompresní práci WAD, je nutno dopo ítat Poissonovo íslo bioplynu a m rnou plynovou konstantu rBP. Ze vztahu (3) je tedy
= 1,318 a rBP dle vztahu (5)
rBP = 319,3 J.kg-1.K-1
T ístup ový kompresor MCH16/ET stla uje plyn po jednotlivých stupních takto:
p1 = 1 bar pI = 5 bar pII = 40 bar
p2 je výstupní tlak plynu – tlak v lahvi
Takovéto kompresory dosahují následujících adiabatických a mechanických ú inností:
ad = 0,7
mK = 0,9
Elektromotor a p íslušný emenový p evod pohán jící kompresor mají celkovou mechanickou ú innost:
el = 0,9
Další hodnoty pot ebné pro výpo et jsou:
Objem zásobníku V2 = 0,3 m3
Tlak v zásobníku p2 = 200 bar Vstupní teplota bioplynu T1 = 300 K Dopravované množství kompresoru V 265 l/min
Pro dosazování do vztahu (4) je nutno po ítat s ur itým tlakovým p etlakem na kompresoru. Z d vodu toho, že se p etlak na kompresoru b hem stla ování plynu do tlakových zásobník m ní (roste), bude pro výpo et celkový as stla ování plynu rozd len do p ti interval , ve kterých bude po ítáno s konstantním p etlakem. Ten bude odpovídat p etlaku, který odpovídá st edu intervalu.
Dopravované množství m se vypo te ze stavové rovnice plynu.
mrT
pV (10)
Po dosazení hodnot již stla eného plynu do rovnice (10) je dopravované množství plynu m:
6 , 62
2 2 2
T r
V m p
BP
[kg]
Hmotnostní množství na jeden interval je potom p tinové, tedy:
5 , 5 12
mi m [kg]
Z rovnice (10) upravené pro stav plynu p ed stla ením se vypo te objem plynu p ed stla ením V1.
3 , 59
1
1 p 1
T
V mrBP [m3]
P i dopravovaném množství V bude celková doba stla ování:
224
1
V
tc V [min]
t
Hmotnostní množství již stla eného plynu ve st edu intervalu i je :
i
si i m
m 2
1 (11)
P i dosazení msi z rovnice (11) a objemu zásobníku V2 do rovnice (10) vychází tlak v tlakovém zásobníku p2si uprost ed asového intervalu.
2 2 2
2 2
2 / 1
V T r m i
V T r
p si msi BP i BP (12)
Dosazením vypo tených hodnot postupn do rovnic (12), (4), (7), (8) a (9) lze zjistit velikosti spot ebované el. energie v jednotlivých intervalech.
Hodnoty vypo tené z t chto rovnic ve zvolených asových intervalech jsou v Tab. 7.
Tab. 7 Tabulka hodnot vypo tených energetických veli in v asových intervalech
Vypo tený pr b h p íkonu kompresoru v závislosti na dob pln ní tlakových zásobník je na Obr. 15. Stupnice asu je volena tak, aby odpovídala
Intervaly
rovnice
1 2 3 4 5
intervaly asu 0 –
44,8 44,8 –
89,6 89,6 –
134,4 134,4 –
179,2 179,2 – 224 as st edu
intervalu tsi [min] 22,4 67,2 112 156,8 201,6 (12) p etlak ve
st edu intervalu p2si [bar] 20 60 100 140 180 (4) kompr. práce Wad [kJ] 4 322,4 6 095,4 6 812,9 7 336,1 7 755,6 (7) p íkon
kompresoru Pkom [kW] 2,37 3,35 3,74 4,03 4,26 (8) p íkon el.
motoru Pel [kW] 2,79 3,94 4,40 4,74 5,01 (9) spot ebovaná
el. energie E [kWh] 2,08 2,94 3,28 3,54 3,74
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0
0 44,8 89,6 134,4 179,2 224
as [min]
p íkon [kW]
Obr. 15 Pr b h p íkonu plnicí jednotky v závislosti na ase pln ní
Celková spot eba elektrické energie Ec je dána sou tem vypo tených spot eb v daných intervalech.
58 ,
i 15
C E
E [kWh]
Výsledkem tedy je, že napln ní svazku tlakových lahví o objemu 300 l bioplynem na tlak 200 bar bude trvat 3 hodiny a 44 minut. B hem pln ní bude spot ebováno 15,58 kWh elektrické energie.
4.6 KONTROLA PEVNOSTI UPEVN NÍ SVAZKU TLAKOVÝCH LAHVÍ A KOMPRESORU
KONTROLA UPEVN NÍ SVAZKU TLAKOVÝCH LAHVÍ
V návrhu upev ovacích prvk již bylo navrženo tzv. diagonální uspo ádání. To p sobí na svazek ve dvou místech silami FP1 a FP2. Tyto síly zvyšují p ítla nou sílu svazku k podložce a díky t ení mezi podložkou a svazkem vzniká síla, která náklad zadržuje ve své poloze.
Systém upnutí bude namáhán setrva nými silami, které vznikají p i jízd
silnicích dosahuje nejvyšších hodnot práv setrva né zrychlení od brzd ní.
Dosahuje hodnot až 0,8 – 1 g.
Kontrola upnutí bude provedena tak, že z navržených velikostí upínacích sil FP1 a FP2, setrva ného zrychlení aB a geometrie svazku se vypo tou velikosti reakcí FRA a FRB a tím i maximální dosažitelná t ecí síla na podlaze vozidla.
Tato síla musí být v tší než síla vzniklá od setrva ného zrychlení FS. Pokud toto tvrzení bude platit, svazek se p i daném brzd ní neposune. Pokud bude spln na i podmínka, že jsou ob reakce kladné (tlakové), svazek se ani nep evrátí.
Pro tento kontrolní výpo et jsou doporu eny tyto hodnoty:
FP1 = FP2 = 3926 N napínací síla popruhu je 2000 N, ale z d vodu opásání je FP1,2 dvojnásobná, ale zmenšená o úhel, který svírá popruh s bokem svazku, ab = 1,1*g = 10,8 m/s2 setrva né zrychlení od brzd ní,
f = 0,6 koeficient t ení mezi podložkou a svazkem (ocel - pryž).
Dále je dáno:
m = 530 kg hmotnost plného svazku,
P1 = 30°; P2 = 35° úhly sklonu popruh jsou dány uspo ádáním ve vozidle,
rozm ry svazku jsou na Obr. 16 uvedeny v milimetrech.
Tíhová síla G dopo ítaná z tíhového zrychlení g a hmotnosti svazku m je:
G = m.g = 5199 N
Síla FN od zrychlení ab je:
FS = m.aB = 5719 N
