Индустриални термопомпени системи

ОВКСп. Инженеринг ревю - брой 8/2018 • 29.11.2018

Индустриални термопомпени системи
Индустриални термопомпени системи

Глобалното търсене на оборудване с по-ниско енергопотребление и по-малко вредни емисии доведе до редица подобрения и иновации в термопомпените системи. Индустриалните термопомпи предлагат множество технологични и икономически възможности във всички видове производствени процеси.

Тъй като използват отпадна топлина като основен източник на енергия, те могат значително да намалят консумацията на изкопаеми горива и емисиите парникови газове в процесите на сушене, промиване, изпаряване и дестилация в различни индустриални приложения. Секторите, които могат да се възползват от тази технология, са например хранително-вкусовата, целулозно-хартиената, текстилната и химическата промишленост.

Употребата на термопомпи с работна температура под 100°C в много случаи се счита за лесна задача, а приложенията с по-високи температури все още изискват допълнителни научноизследователски и развойни дейности за проектиране на подходящи термопомпи, интегрирането им в индустриалните процеси и разработването на екологосъобразни хладилни агенти.

Технологии и хладилни агенти
Термопомпените системи, достъпни в търговската мрежа, могат да осигуряват топлина само до 100°C. Тъй като отпадната топлина, получена в производството при ниски температури, представлява около 25% от общата енергия, използвана от производствата, съществува голяма необходимост от разработване на индустриални термопомпени системи с висока работна температура, които могат да извършват рекуперация при относително ниски температури (обикновено между 5°C и 35°C) за доставка на гореща вода, подаване на горещ въздух, загряване на циркулираща гореща вода и генериране на пара при температури над 100°C.

В последните години се наблюдава известно развитие при индустриалните термопомпи, използващи хладилни агенти R-134a, R-245fa, R-717, R-744, въглеводороди и др. Въпреки това, с изключение на R-744, запалимите R-717 и въглеводородите, които са естествени хладилни агенти с изключително нисък потенциал за глобално затопляне (GWP), флуоровъглеводороди като R-134a и R-245fa имат високи GWP стойности и в обозримо бъдеще използването им вероятно ще бъде законово ограничено от гледна точка на борбата с климатичните промени.

Поради това е необходимо разработването на алтернативни хладилни агенти с нисък GWP. В момента за обещаващи заместители на R-134a се считат R-1234yf и R-1234ze (E), а R-1234ze (Z) е привлекателен като заместител на R-245fa. R-365mfc се счита за подходящ като охладител в термопомпи за генериране на пара с използване на отпадна топлина, но неговата стойност на GWP е висока.

Типични приложения
Изсушители - в индустриалните сушилни се използват различни нива на температура и принципи на сушене. Най-често срещаният тип изсушител е този, в който въздухът се нагрява с пара, газ или гореща вода и след това се разпръсква върху мокрия продукт. Когато въздухът поема влагата от мокрия продукт, неговата влажност се увеличава и енергията, съдържаща се в него, може да го направи полезен източник на топлина.

Стандартната процедура е да се изведе този влажен въздух или да се изсуши. С помощта на термопомпена система топлинната енергия може да бъде извлечена от влажния въздух, след което той се охлажда и изсушава. Температурата на получената топлина може да бъде повишена и да бъде използвана за нагряване на сушилнята. Така термопомпата изпълнява две цели - загряване на сушилнята и изсушаване и рециркулация на въздуха. По тази причина сушенето с помощта на термопомпени системи може да бъде много ефективно.

При сушилните с термопомпи горещият въздух циркулира вътре в сушилнята. При този цикъл температурата на въздуха намалява с увеличаването на влажността му. Около 1/3 от студения влажен въздух циркулира през изпарителя. Изпарителят охлажда въздуха допълнително под температурата на кондензация. Под тази температура въздухът ще бъде изсушен. Хладният, сух въздух се смесва с циркулиращия въздух от сушилнята. Сместа се нагрява до желаната температура на процеса вътре в кондензатора и може да се използва отново в цикъла на сушене.

Чрез тази техника е теоретично възможно да бъде реализиран напълно затворен процес на сушене, което го прави независим от въздействията на околната среда. Понякога обаче е желателно освежаване на въздуха. Поради това винаги се използват тръбопровод за отвеждане и захранващ въздуховод, вградени в сушилнята.

Миене - в производството процесите на миене най-често се извършват чрез гореща вода, понякога смесена с разтворител. Миялната инсталация често е оборудвана с вентилатор за отвеждане на въздуха, за да се предотврати изтичането на парите през различни отвори на системата. Вентилаторът извежда влажния горещ въздух навън и поддържа въздуха под налягане в машината. Тъй като освободеният въздух съдържа голямо количество енергия, с помощта на термопомпа е възможно да се използва топлоенергията на въздуха, за да се затопли водата за измиване.

Нагряване на технологични води с отпадна топлина от хладилни системи - в хранително-вкусовата промишленост често се произвеждат продукти, които трябва да бъдат охладени или замразени преди транспортиране и/или консумация. От друга страна, за почистване също е необходима гореща вода. Отпадната топлина от хладилната система е с температура от 25 до 30°C. Чрез допълнителна термопомпа отпадната топлина от кондензиращата страна на хладилната система се използва за затопляне на вода до 80°C. Допълнителната термопомпа ще увеличи налягането на хладилния агент от хладилната система, за да се постигнат високи температури на кондензация.

Две тръби свързват допълнителната термопомпа с хладилната система. Компресорът на термопомпата се поставя последователно с компресора на хладилната система. Компресорът на термопомпата допълнително ще увеличи налягането на сгъстените газове от хладилната система. По-високото налягане води до по-висока температура на кондензация, например 70° С. В кондензатора на термопомпата газовете с високо налягане ще кондензират и топлината се прехвърля към обекта, който трябва да бъде нагрят, водата за почистване например.

При температура на кондензация от 70°C температурата на водата е 65-70°C. Налягането на кондензирания хладилен агент на изхода на кондензатора се намалява и той се връща обратно в хладилната система.
Отпадните газове при кондензация на хладилната система при температура от 25 до 30°С поради сгъстяване се прегряват до 60-100°С. По тази причина прегретите газове се охлаждат от междинен охладител, преди да бъдат допълнително компресирани от термопомпата. Охлаждането става чрез смесване на течен хладилен агент от кондензатора с прегретите газове.

Тъй като газовете се охлаждат, компресията е много по-ефективна. Освен това, температурите на освободените газове от компресора на термопомпата не са твърде високи. Прекалено високите температури могат да разрушат компресорното масло.

Пастьоризация - продуктът трябва да бъде нагрят над 70°C, след което се охлажда. Така температурата варира от ниска преди пастьоризация до висока по време на процеса и отново ниска след това. В повечето процеси на пастьоризация се извършва топлообмен между студения и горещия продукт, но е необходимо и допълнително отопление или охлаждане. То обикновено се осигурява чрез впръскване на пара и струя от студена вода. Термопомпата може да бъде идеалното решение за извличане на топлината от продукта, който трябва да се охлади, и доставяне на тази топлина при по-висока температура към продукта, който трябва да достигне температура на пастьоризация.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top