DEKARBONIZÁCIA STREDNE VEĽKÉ PRIEMYSELNÉ APLIKÁCIE S VEĽKÝMI SCROLL KOMPRESORMI: VÍZIA A VÝZVY, časť 1.
Ivan Rangelov, Jonathan Vlastuin, Danfoss, preložil PT
ABSTRAKT
Existuje mnoho nových vývojov v oblasti kompresorov pre tepelné čerpadlá (HP), ako aj skúmanie rozšírenia obalu. Nie však bez technických problémov. Každá technológia má svoje výhody a nevýhody, ale existuje niekoľko spoločných problémov súvisiacich s kompresormi pre aplikácie tepelných čerpadiel v dôsledku vyšších teplôt a prevádzkového modelu v porovnaní s chladením: súvisiace s materiálmi a mazaním.
Na trhu je veľa technológií. Výber toho najlepšieho však znamená úplné zmapovanie aplikácií priemyselných procesov – chladenie a vykurovanie, preskúmanie dostupných technológií/chladív/veľkostí, preštudovanie osvedčených postupov: bezpečnosť, COP, náklady na inštaláciu, servis, budúcnosť atď. a výber najlepšieho riešenia pre každú aplikáciu.
Tento dokument navrhne a porovná kombináciu usporiadania so špirálovými kompresormi na chladenie aj ohrev pod 100 °C v stredne veľkom závode na výrobu potravín a nápojov (F&B) < 1 MWth a analyzuje COP a poskytne ukazovateľ na základe nákladov na inštaláciu. na inštalované tepelné výkony. Okrem toho sa zameria na vývoj špirál pre vysokoteplotné aplikácie a predstaví niektoré riešenia s novým vývojom pre veľké špirálové kompresory pre vysokotlakové aplikácie pre procesné teplo a potom porovná s bežnejšie používanými polohermetickými piestovými kompresormi.
Kľúčové slová: Priemyselné tepelné čerpadlo, Dekarbonizácia, procesné vykurovanie a chladenie, špirálové kompresory
1. ÚVOD
Existujú tri megatrendy, ktoré spochybňujú budúce zásobovanie priemyslu energiou: urbanizácia, zmena klímy a energetická kríza. V Európe už existuje niekoľko pracovných mechanizmov, ako napríklad Európska zelená dohoda (Rada EÚ, 2023). Povedomie o klíme nabralo na sile aj v podnikaní. Vojna na Ukrajine od roku 2022 dostala plynové kotly pod tlak (Pachai, Hafner a Arpagaus, 2023).
Je však ťažké vybrať alebo dokonca zmapovať optimálne technológie IHP pre danú priemyselnú aplikáciu z dôvodu:
1. Rozmanitosť chladív
2. Rozloženie systému
3. Výber komponentov
4. Riadiaci algoritmus
5. Systémová integrácia
6. Technické obmedzenia pre komponenty
a. Mazanie
b. Materiály
„Tepelné čerpadlá sú o COP“. Autori s týmto postulátom nesúhlasia. Je dôležité vyhodnotiť celkové náklady na prevádzku (TCO) – nielen COP, ale aj kompletnú štúdiu uskutočniteľnosti. Porovnanie všetkých možných scenárov počas životnosti inštalácie a výber optimálneho (Reinholdt, 2023). Napriek tomu (Lund, Skovrup, & Holst, 2019) tvrdí, že hodnotenie TCO je veľmi ťažké. Efektivita je dôležitá, ale nie je všetko, preto je možné vykonať aspoň prvé porovnanie nákladov – napr. objemové výkony potrebné na jednotku dodávky tepla.
Cieľom tohto článku je ilustrovať príklad usporiadania pre stredne veľký závod na výrobu potravín a nápojov s požiadavkami na chladenie a ohrev procesu pod 100 °C a zhodnotiť riešenia s veľkými špirálovými kompresormi. Ďalej rozpracuje a rieši niektoré technické výzvy pre kompresorové technológie v tejto aplikácii.
2. HLAVNÁ ČASŤ
2.1. Potenciál: prečo tepelné čerpadlá v priemyselných procesoch?
Zameraním sa na dekarbonizáciu a zlepšenie účinnosti došlo za posledné desaťročie k výraznému rozvoju technológií tepelných čerpadiel. Dnešné dosahovanie teploty na výstupe tepelných čerpadiel až do 100 °C je dobre overené, implementované v priemysle a komerčne dostupné. (IEA HPT, 2023)
Viaceré štúdie poukazujú na potenciál implementácie tepelných čerpadiel na procesné teplo. V Európe (EÚ 28) je adresná potreba tepla pre priemyselné procesy < 100 °C približne 11 % z celkového ročného procesného tepla (Boer, et al., 2020).
Tabuľka 1 ukazuje teplotné rozdelenie ročnej spotreby tepla v Európe. Treba dodať, že pre adresovateľnú potrebu tepla na vykurovanie a teplú vodu – tieto dve tvoria 17 %, pričom najväčší podiel bude aj < 100 °C. Celkovo bude minimálne tretina tepla (procesné a
priestorové vykurovanie) adresovateľná technológiami tepelných čerpadiel, dnes už overenými a vyspelými technológiami.
Tabuľka 1 Súhrnné požiadavky na procesné teplo rozdelené podľa teploty a segmentov EÚ-28 (Arpagaus, 2024)
V priemysle, ako je Food & Beverage, je najčastejšie potreba chladenia aj ohrevu procesu. Prvý sa tradične vykonáva pomocou priemyselného chladiaceho systému (IRF) a druhý využíva kotol na fosílne palivá, ako je zemný plyn. Aj keď v týchto zariadeniach veľmi často dochádza k rekuperácii energie s využitím procesného tepla, toto nastavenie je neefektívne, pretože chladiace a vykurovacie systémy sú odpojené. V skutočnosti v mnohých z týchto odvetví môžu byť plynové kotly čiastočne alebo úplne nahradené už dostupnými a osvedčenými technológiami tepelných čerpadiel.
Obrázok 1 nižšie zobrazuje všeobecný vývojový diagram procesu v pivovare:
Všeobecný procesný diagram pivovaru zobrazený na obrázku 1 ilustruje postupnosť procesov chladenia a ohrevu počas varenia piva. Aj keď detaily nie sú zobrazené, je zrejmé, že produkt (voda, slad, kvasnice a pivo) sa viacnásobne ochladí a zohreje. Na chladenie sa veľmi často používa chladený propylénglykol v teplotnom rozsahu -1 až -6 °C, avšak vo veľkých systémoch je možné použiť aj priame chladivo. Pre potreby vykurovania je potrebná horúca voda a pre najvyššie teploty – mladina zohriata > 95-98 °C sa používa nízkotlaková para (2-3 bary). Mnohé procesy v pivovaroch sú vsádzkové procesy. Na skladovanie nosičov chladu a tepla sa zvyčajne používajú veľké zásobníky studeného glykolu a studenej aj teplej vody, ktoré zároveň slúžia ako nárazníky medzi procesnou stranou a zariadeniami na výrobu chladu a tepla.
Kľúčové body z obrázku 1:
1. Produkt sa niekoľkokrát ochladí a zahreje. Odpadové teplo z chladiaceho cyklu môže byť dokonalým zdrojom tepla pre inštaláciu tepelného čerpadla pre priemyselné procesy. Je to trvalo udržateľný spôsob, ako opätovne využiť odpadové teplo ako zdroj, a nie ho vylúčiť do životného prostredia a potom spaľovať fosílne palivo v kotli.
2. Väčšinu potrieb vykurovania v pivovare je možné dosiahnuť s nosičom tepla pod 100 °C, čo znamená už osvedčené technológie tepelného čerpadla. (Poznámka: na úplné odpojenie od kotla je stále potrebná malá časť pary, čo si vyžaduje výlevku > 100 °C. Napriek tomu, že úroveň technickej pripravenosti na výrobu pary tepelným čerpadlom je veľmi vysoká, nie sú predmetom tohto článku).
3. Proces je zjednodušený, pre úspešnú integráciu tepelných čerpadiel do priemyselných procesov je v reálnom živote potrebné počítať aj s profilom zaťaženia, ako aj so súbežným priebehom procesov. Chladiace zaťaženie sa zvyčajne mení a vykurovanie nie je vždy prítomné, preto:
a. Chladenie a kúrenie musia byť od seba oddelené, taktiež je implementované ovládanie pre vyrovnávanie záťaže
b. Pre úspešnú integráciu tepelného čerpadla je potrebné použiť viacero zdrojov
Aby sme to zhrnuli, potenciál tu je: rôzne procesy v F&B priemysle, ktoré si rovnako ako v pivovaroch vyžadujú chladenie aj ohrev. Toto sú zrejmé miesta, kde možno začať dekarbonizačnú cestu priemyslu.
2.2. Chladenie a procesné vykurovanie v pivovare: aké technológie a dispozície?
Existuje viacero chladiacich technológií, ktoré možno použiť v aplikáciách F&B. Výber závisí od viacerých faktorov: potrebný chladiaci a vykurovací výkon, COP, TCO, legislatíva, servis, dostupnosť komponentov, kvalifikovaný personál, skúsenosti atď. (Rangelov & Lund, 2024)
Veľké pivovary (veľkosť MWs) zvyčajne používajú na chladenie systém NH3 IRF a potom sa môže pridať prídavné tepelné čerpadlo „navrch“, čím sa odpadové teplo zvýši z asi 30 °C na 80 – 90 °C. vody s veľmi vysokými COP, často v rozsahu 5. Avšak pri pohľade na malé až stredné veľkosti (< 1 MWth) sa stáva relevantnejším a môže konkurovať viac technológiám.
Cieľom tejto štúdie je navrhnúť usporiadanie systému na chladenie a ohrev procesu pre mikro/stredne veľké pivovary – rozsah tepelnej kapacity Qth < 1 MW. V týchto kapacitách môžu byť relevantné aj rôzne chladivá šetrné k životnému prostrediu – prírodné (napr. uhľovodíky), ako aj chladivá s nízkym GWP (HFO). Okrem toho sa tento článok snaží porovnať riešenia pre tieto aplikácie s novým vývojom pre veľké špirálové kompresory so zameraním na aplikácie HP pre procesné teplo < 100 °C v prvej fáze (neskôr na 120 °C) s bežnejším používaným polohermetickým piestovým typom kompresora.
Zjednodušený príklad usporiadania takéhoto systému na chladenie a procesné teplo je znázornený na obrázku 2 nižšie:
Obrázok 2: Všeobecné a zjednodušené usporiadanie kaskádového systému použiteľné na chladenie a procesné teplo v malých/stredne veľkých pivovaroch
Usporiadanie na obrázku 2 je všeobecné a predstavuje kaskádu dvoch systémov: chladenie glykolu (1. stupeň) s R290 a ohrev procesného ohrevu horúcej vody na 90 °C (2. stupeň) s R600a. Usporiadanie je zjednodušené a pre skutočné riadenie takéhoto systému je potrebné: vyvážiť zaťaženie medzi chladením a vykurovaním, pretože takmer vždy dôjde k nesúladu. Preto je potrebné nainštalovať záložný kondenzátor (odvod tepla) pre 1. stupeň. Podobne v 2. stupni je potrebné zvážiť dodatočný záložný výparník (zdroj tepla), keď nie je dostatok odpadového tepla z chladiaceho systému alebo keď nie je potrebné chladenie zo strany procesu. Je dôležité, aby chladenie a vykúrenie boli oddelené. V reálnych systémoch existuje viacero zdrojov, čo tiež vyžaduje implementáciu vyrovnávacích nádrží pre lepšiu rovnováhu medzi zdrojmi.
Toto je rozloženie, ktoré sa používa na simulácie v tomto dokumente, ktoré sú popísané v nasledujúcich odsekoch.
2.3. Popis systému
Referenčný scenár: Piestové kompresory. Kaskádový systém znázornený na obrázku 2 s polohermetickými piestovými kompresormi. Každý stupeň je vyrobený z troch kompresorov HG66e/1540-4 S HC (Danfoss Bock, 2024). Každý z nich má výtlak 133,8 m³/h a môže pracovať s R290 aj R600a.
Alternatíva: Skroll kompresory – rovnaké rozloženie ako vyššie, tiež ekvivalentný posun pomocou R290 na prvom stupni a R600a na druhom stupni. Oba skroly používajú podobné platformy, ale so špecifickým prispôsobením dizajnu v závislosti od chladiva a aplikácie. Tieto špirálové kompresory sa nazývajú DSN (pre stupeň R290) a PSG (pre stupeň R600a) a sú v súčasnosti vo vývoji v Danfoss Commercial Compressor.
Obrázok 3: Objemová účinnosť Scroll & Piston je pre skrol kompresory vyššia pri vyšších kompresných pomeroch, kedy účinnosť piestových kompresorov sa znižuje expanziou pár z tzv. škodlivého, mŕtveho priestoru
Obrázok 3 ukazuje objemové účinnosti piestových a špirálových kompresorov pri rôznych tlakových pomeroch. Piestové kompresory sú menej účinné pri vysokých tlakových pomeroch, pretože objemový pomer kompresnej komory je pomer zdvihového objemu k mŕtvemu objemu valcov (podľa konštrukcie čo najnižší). Nevýhodou tejto technológie je, že nenulový mŕtvy objem bráni tomu, aby sa do komory piestu dostalo značné množstvo čerstvej tekutiny pri každom cykle, keď sa tlak zvyšuje na výtlačnej strane (mŕtvy objem sa rozširuje späť, zatiaľ čo piest sa vracia späť spodná poloha). Výsledkom je zníženie objemovej účinnosti kompresora so zvyšovaním tlakového pomeru, ako sme svedkami aj na špirále, ale s väčším postihom kapacity. Zhrnutie, ak stroj pracuje pri vysokom tlakovom pomere, je potrebné predimenzovať zdvih piesta, aby zodpovedal ekvivalentnej kapacite špirály.
Ako je možné vidieť z plášťa piestového kompresora na obrázku 4, R290 a R600a sú dve chladivá s veľmi odlišnými termodynamickými vlastnosťami: R290 je klasifikovaný ako „stredotlakový“ a funguje hlboko pod kondenzačnou teplotou 85 °C a až do minimálneho vyparovania. teplota -30 °C. Na druhej strane je R600a klasifikované ako „nízkotlakové“ chladivo a funguje lepšie pri vyššej kondenzačnej teplote (zvyčajne do 100 °C), ale pri vysokej teplote vyparovania (> -10 °C). Toto posledné tvrdenie priamo súvisí s teplotou varu chladiva.
Obrázok 4: Prevádzkový rozsah piestového kompresora R290 + R600a HG66e/1540-4 S HC od (Danfoss Bock, 2024)
Celkovo vzaté: Kritická teplota nastavuje maximálnu kondenzačnú teplotu, takže je priamym zástupcom maximálnej teploty dodávaného tepla dosiahnutej s chladivom. Teplota varu pri 1 bar je na druhej strane priamym zástupcom minimálnej teploty drezu. Typicky je 1,3 bara minimálny tlak, ktorý dodávateľ kompresora udržiava ako referencia pre minimálnu teplotu vyparovania s volumetrickým kompresorom. Skrátený pravý horný roh pre obálku špirálového kompresora R600a súvisí s vypínaním motora: pri maximálnom výkone a vysokej teplote vyparovania je nasávaním chladený špirál obmedzený na maximálny prúd. Na druhej strane má piest vyššiu účinnosť a môže byť tradične motoricky predimenzovaný, vďaka čomu je flexibilnejší v maximálne dosiahnuteľnej obálke.
Viac informácií nájdete v časopise Správy 8/2024.