niedziela, luty 17, 2019

    Najnowsze wydanie


 PI 9_10/2018
Okładka 9 10

 

Coraz więcej możliwości wykorzystania pomp ciepła

29bW gospodarce kraju sektor przemysłowy odgrywa ważną rolę w popycie na energię finalną, ale i emisję CO2. Zapotrzebowanie przemysłu w około trzech czwartych przypada na ciepło, stąd też pompy ciepła mogą poprawić efektywność wykorzystania energii i redukcję emisji CO2. Jest to szczególnie ważne teraz, gdy Polska jest zobowiązana do zmniejszenia emisji CO2.

29a

Istnieje dużo typów pomp ciepła. Główna uwaga zostanie skupiona na sprężarkowych pompach ciepła wykorzystujących mechaniczną kompresję czynników roboczych w obiegu zamkniętym. W artykule przedstawiono możliwości technologiczne i kierunek ich rozwoju.Dostępność technologii i komponentów pozwala budować urządzenia w szerokim zakresie wydajności i dla różnych aplikacji. Dostępne dziś urządzenia, jak i elementy automatyki, pozwalają swobodnie budować pompy osiągające temperaturę do 80°C – pracując na źródłach ciepła o temperaturze od -10°C do +40°C. 

30

Osiągane wtedy COPh waha się między 2,5 a 5,8. Prowadzone badania i rozwój technologii sprawia, że w niedalekiej przyszłości możliwe będzie uzyskanie temperatury użytkowej nawet do 160°C.Około 14% zapotrzebowania na ciepło w przemyśle przypada na temperatury do 80°C, co z powodzeniem może być realizowane przy pomocy aktualnie dostępnych rozwiązań. W momencie rozwoju pomp ciepła z temperaturą użytkową 160°C, ich udział może wrosnąć nawet do 32%. Mimo tego, że już dzisiaj możemy w znaczący sposób wykorzystywać pompy ciepła przy produkcji ciepła, to jednak aplikacje przemysłowe są dość rzadkie. Wydaje się, że główną barierą jest niedostateczna wiedza o możliwościach wykorzystania pomp ciepła w przemyśle.

31Gdy mówimy o chłodnictwie, sposób jego podziału i klasyfikowania jest prosty i ogólnie znany. Mimo, że pompy ciepła z racji swojej budowy istnieją równie długo jak sprężarkowe instalacje chłodnicze, wydaje się, że nie doczekały się systematycznego podziału.

Autor uważa, że analogicznie do instalacji chłodniczych pompy ciepła można klasyfikować wg. osiąganej temperatury. Proponuje się następujący podział:

  • pompy niskotemperaturowe: Tużytkowa = ±35°C;
  • pompy średniotemperaturowe: Tużytkowa ≤ ±85°C;
  • pompy wysokotemperaturowe: Tużytkowa > +85°C.

Podobnie jak w chłodnictwie – technologia jest wynikową. Elementem, który wynika bezpośrednio z wymaganej temperatury jest stosowany czynnik chłodniczy. Kryteria, które powinien spełniać czynnik roboczy dla przemysłowej pompy ciepła to:

  • wysoka temperatura krytyczna,
  • niskie ciśnienia pracy,
  • zerowy współczynnik ODP;
  • n p ożądane są także niskie współczynniki. GWP, nie palność i brak toksyczności.

32

33

W tabeli 1. porównano czynniki wg osiąganych wartości temperatury. Z przedstawionego w niej zestawienia, a także specyfiki czynników wynika, że:

  • R134a, (R407C, R410A) nadaje się do aplikacji w których wymagane jest ciepło w temperaturze Tużytkowa maks.≤ 85°C;
  • R600a do aplikacji małych i bardzo małych;
  • R1336mzz-Z (R245fa) do aplikacji, w których wymagane jest ciepło w temperaturze Tużytkowa.maks.≤ 160°C (140°C);
  • R717 (amoniak) dla dużych i bardzo dużych aplikacji Tużytkowa min. ≥ 80°C, Tużytkowa maks.=110°C;
  • n R 744 (CO2) do aplikacji w których potrzeba jest ogrzać medium z niskiej temperatury do wysokiej, Tużytkowa maks.=130°C.

34

R1336mzz-Z czynnik przyszłości
Szczególnie duże oczekiwania są wobec czynnika R1336mzz-Z (w fazie testów oznaczany DR-2, teraz HFO-Z-1336mzz-Z), który ma w zamyśle zastąpić czynnik R245fa.
Wykres na rysunku 3. obrazuje zakres ciśnień i temperatur skraplania. Przyjmując za limit ciśnienie 2,5 Mpa możemy zaprojektować system o temperaturze skraplania na poziomie około 160°C. Z kolei sprawność układów przedstawiona została na kolejnym wykresie (rys. 4.). Dla przykładu pompa ciepła pracująca na cieple ze skraplania z instalacji chłodniczej osiągająca temperaturę 70°C uzyska COPh≈ 6,2.

35Na rysunku 5. można zobaczyć kolejne własności termofizyczne czynnika. Widoczne jest dosyć mocne nachylenie linii nasycenia w prawo, co będzie skutkowało koniecznością uzyskiwania znaczącego przegrzania.
Przedstawione własności czynnika świadczą o dużym potencjale w zastosowaniu do wysokotemperaturowych pomp ciepła. Muszą one jedynie zostać potwierdzone przez niezależne ośrodki badawczo-rozwojowe.

36Dwutlenek węgla R744
Czynnikiem, który przeżywa drugą młodość jest R744 (CO2).
Wysoka sprawność egzergetyczna w układzie pracującym na parametrach nadkrytycznych daje bardzo praktyczne możliwości. Jesteśmy w stanie podgrzewać medium z temperatury niskiej, rzędu +10°C, do temperatury +90°C w jednym przepływie przez wymiennik, uzyskując bardzo korzystną efektywność energetyczną – nie możliwą do uzyskania w innych przypadkach. Dostępne są już urządzenia pracujące w systemie zasilania wodą +12°C, na wyjściu +7°C i produkujące ciepłą wodę użytkową o temperaturze +60°C z temperatury +10°C ze sprawnością łączną 8,4 (COP= 3,7, COPh=4,7).

37Wskazana zaleta ma zastosowanie np. w hotelach, gdzie jest bardzo duże zapotrzebowanie na c.w.u. i jednocześnie wymagana jest klimatyzacja pomieszczeń oraz chłodzenie. Dodat kowo, stosowanie układów z płynną regulacją wydajności i z bardzo dużym przyrostem temperatury powoduje brak konieczności magazynowania dużych ilości ciepła lub produkowania go na zapas.

Kolejnym równie ważnym elementem, który należy rozważyć to rodzaj dolnego źródła ciepła oraz jego temperatura. Na dzień dzisiejszy dolnym źródłem ciepła najczęściej jest powietrze oraz grunt. Rzadziej spotyka się wodę, glikole z różnorodnych technologii, powietrze odpadowe, energię procesów, ciepło rozkładu odpadów, ciepło technologiczne, czy też wodę odpadową.

Mimo iż technologia pozwala na znacznie więcej, aktualnie pompy ciepła są stosowane do c.o. lub c.w.u. w biurowcach i mieszkaniówce. Nieliczne są przykłady wykorzystywania pomp ciepła i układów skojarzonych jak suszenie drewna i produkcja spożywcza (browary, mleczarnie). W Polsce roczne zapotrzebowanie na ciepło szacuje się na 280 TWh, zaś w Niemczech 524 TWh.
Potencjalne procesy technologiczne, do których jako źródło ciepła można wykorzystać pompy ciepła i wymagane temperatury, przedstawia tabela 2.

Jaka jest przyszłość?
(...)

 

Autorzy: mgr inż. Maurycy Szwajkajzer

Artykuł pierwotnie ukazał się
w miesięczniku „Chłodnictwo&klimatyzacja"

 

Jeśli chcesz przeczytać pełną treść artykułu zamów prenumeratę lub e-wydanie.

homeWyszukiwarka

homeTagi

homeWydarzenia

UWAGA! Ten serwis używa cookies i podobnych technologii.

Brak zmiany ustawienia przeglądarki oznacza zgodę na to. Czytaj więcej…

Zrozumiałem