Wstęp
Opisywałem już na stronie podgrzewanie wsadu w fermentatorach, czyli zbiornikach fermentującej biomasy. Kiszonki w zbiorniku utrzymywane są w temperaturze mezofilowej za pomocą wewnętrznych wężownic. W przypadku WKF-ów stosuje się trzy odrębne rozwiązania:
- wymienniki ciepła wewnętrzne
- podgrzewanie osadów gorącą wodą podawaną do komory
- wymienniki ciepła zewnętrzne
Materiał powstał na podstawie podręcznika „[1] Osady ściekowe, teoria i praktyka – Januarego Bienia i Katarzyny Wystalskiej”, „[2] Kanalizacje – prof. Wójcickiego” oraz całej gamy katalogów firm produkujących wymienniki ciepła.
Wymienniki ciepła wewnętrzne
Wykonywane są w postaci wężownic grzejnych poziomych umieszczonych na obwodzie, na ścianie komory, lub jako pionowe wężownice grzejne mocowane w jej stropie. Teoretycznie możliwe są też inne rozwiązania, jak wymienniki świecowe typu rura w rurze. Umieszczenie wymiennika ciepła wewnątrz komory fermentacyjnej zmniejsza straty ciepła, ale utrudnia prace konserwacyjne. Wymaga też większych powierzchni wymiany ciepła, bowiem stosuje się tutaj niższe wartości temperatury czynnika grzewczego, rzędu 55-65°C. Użycie tak niskiej temperatury na powierzchniach wymiany ciepła zapobiega zarastaniu wymiennika osadami, co jest kluczowe dla jego prawidłowego działania.
Rys. Po prawej – wymiennik ciepła pionowy wykonany w postaci wężownicy grzewczej zamocowanej w stropie komory. (źr. [2])
Rys. Poniżej – Komora fermentacyjna z wymiennikiem ciepła w postaci wężownicy grzejnej umieszczonej na ścianie komory. Ozn. 1- właz, 2 – dzwon gazowy, 3- wężownica grzejna (źr. [2])
Wymienniki ciepła wewnętrzne wężownicowe, poziome, wykonywane są obecnie głównie ze stali nierdzewnej lub rur tworzywowych. Są więc odporne na korozję. Ich powierzchnia może być gładka, lub falista. To drugie rozwiązanie zapewnia większą powierzchnię wymiany ciepła, ale sprzyja zarastaniu osadami. Wszystkie prace konserwacyjne wymagają każdorazowo opróżniania komory z osadu. Wady tej nie mają wymienniki pionowe, świecowe, wyjmowane na czas czyszczenia od góry komory, bez konieczności wyłączania jej z ruchu.
Podgrzewanie osadów gorącą wodą podawaną do komory
To rozwiązanie polega na doprowadzeniu do WKF-u gorącej wody, która mieszając się z osadem podnosi jego temperaturę. Jako woda grzewcza może być wykorzystana czysta woda wodociągowa, lub woda nadosadowa, podgrzana zewnętrznie w wymienniku ciepła. Ogrzaną wodę doprowadza się izolowanymi rurami na dno komory, skąd, jako lżejsza, unosi się ku górze komory, mieszając z osadem i ostatecznie odpływa z nadmierną wodą nadosadową. Ten system ogrzewania nosi też nazwę płuczącego. Jego zaletą jest niski koszt inwestycyjny, brak konieczności konserwacji i pewność działania. Wadą – rozcieńczanie osadu. Nadmiar wody jest jednak bezproblemowo usuwany na kolejnych urządzeniach oczyszczalni.
Wymienniki ciepła zewnętrzne
Instalowane są poza komorą, mogą pracować na znacznie wyższych parametrach czynnika grzejnego rzędu 100-110°C. Stosowane są dwie podstawowe grupy wymienników:
- wymienniki typu rura w rurze
- wymienniki spiralne
Wymienniki typu rura w rurze
Fot. Wymiennik typu „rura w rurze” typu ST firmy Hexonic.
Wymienniki ciepła zewnętrzne typu „rura w rurze” zbudowane są ze stali nierdzewnej i składają się z rury wewnętrznej (dla osadu) wokół której zamocowana jest rura zewnętrzna, płaszczowa, w której płynie czynnik grzewczy (woda, lub para wodna). Całość zamocowana jest na stalowej ramie jako sekcja grzewcza i zwykle dodatkowo zaizolowana termicznie. Wymienniki tego typu mogą pracować współprądowo, gdzie osad i czynnik grzewczy płyną w tym samym kierunku, lub przeciwprądowo, o kierunku przeciwnym. Wymienniki są rozbieralne, w wersji kołnierzowej, przez co łatwe w czyszczeniu. Poniżej na rys. budowa wewnętrzna wymiennika i kierunek przepływu przy pracy przeciwprądowej.
Fot. Po prawej, wymienniki ciepła WCrr firmy Siga-Tech.
Firma Siga-Tech wykonuje wymienniki do osadów ściekowych WCrr płaszczowo-rurowe izolowane wełną mineralną o grubości 50mm. Całość obudowana jest blachą aluminiową. Zastosowanie dla osadów o zawartości s.m. do 8%.
Spiralne wymienniki ciepła mają budowę walcową. W przekroju zauważymy dwie spirale wzajemnie się stykające ze sobą, w których płynie na po przeciwnych stronach ściany osad ściekowy i woda grzewcza. Całość zamknięta jest ochronnym płaszczem. Wymiennik ciepła spiralny firmy ALSHE o nazwie handlowej STW zbudowany jest z dwóch nawiniętych spiralnie pasów blachy, które tworzą parę koncentrycznych dróg przepływu. Media przepływają przeciwprądowo w dwóch kanałach, jeden strumień płynie od środka na zewnątrz, a drugi odwrotnie. Kanał osadowy jest otwarty z jednej strony i zamknięty z drugiej, a kanał wodny jest zamknięty z obydwu stron. Każdy kanał ma jedno podłączenie w środku, a drugie na obwodzie urządzenia.
Rys. Wymienniki spiralne ALSHE, po prawej przekrój i kierunek przepływu czynników.
Wymienniki spiralne mogą pracować w temperaturach do 100°C, są łatwe w czyszczeniu, przy gładkich powierzchniach i dobraniu odpowiedniej prędkości przepływu posiadają efekt samooczyszczania. W odróżnieniu do wymienników typu „rura w rurze” charakteryzują się mniejszymi gabarytami i bardziej zwartą konstrukcją, która pozwala na oszczędność miejsca montażu. Przykładowe wydajności cieplne wymienników spiralnych ALSHE pokazuje poniższy wykres.
