Енергийна ефективност в промишлеността чрез термопомпи

Осигуряването на надеждно, икономично и устойчиво енергоснабдяване, както и на опазване на околната среда и климата, е едно от важните глобални предизвикателства на 21-ви век. Възобновяемата енергия и подобряването на енергийната ефективност са най-значимите стъпки за постигане на тези цели на енергийните политики.

Въпреки че през последните две десетилетия са постигнати впечатляващи резултати по отношение на ефективността, енергопотреблението и емисиите на въглероден диоксид от производствената индустрия могат да бъдат редуцирани още, ако най-добрите налични технологии се прилагат в световен мащаб.
Термопомпите стават все по-важни като технология, предлагаща потенциал за подобряване на енергийната ефективност и понижаване на емисиите на въглероден диоксид. Индустриалните термопомпи в частност предлагат редица възможности за всякакъв вид процеси и дейности. Те използват отпадната технологична топлинна енергия като източник на топлина, предоставят топлина с по-висока температура за промишлени процеси, нагряване или предварително подгряване, или за отопление и охлаждане. Те могат значително да редуцират потреблението на изкопаеми горива и емисиите на парникови газове при процесите на сушене, промиване, изпарение и дестилация в разнообразие от приложения. Сред индустриалните сектори, които биха могли да се възползват от тази технология, са производството на храни и напитки, текстил, химикали и др.

Внедряването на термопомпи с работна температура под 100°C в много случаи се счита за лесно, но по-високотемпературните приложения изискват допълнителна научноизследователска и развойна дейност, насочена към разработването на високотемпературни термопомпи, интегрирането на термопомпи в индустриални процеси и разработването на високотемпературни, екологосъобразни хладилни агенти.

Предизвикателства

Въпреки че на пазара се предлагат термопомпи за индустриално приложение, броят на внедряванията е много малък. Една от причините за това е липсата на знания. Интегрирането на термопомпи в индустриалните процеси изисква познаване на възможностите им, както и на самия процес. Експертите в индустрията, които имат тези комбинирани познания, за да интегрират една термопомпа по най-подходящия начин, не са много.
Друга бариера е ниската осведоменост относно потреблението на топлина от компаниите. При повечето от тях данните относно енергийните потребности за нагряване и охлаждане не са достатъчни. Това изисква предприемането на скъпоструващи и времеемки измервания с цел да се открие възможност за интеграция на индустриална термопомпа.

В допълнение, в сравнение с маслените и газовите горелки, термопомпите се характеризират с относително високи инвестиционни разходи. В същото време компаниите очакват много кратки периоди на възвръщаемост от под 2 или 3 години. Някои компании са склонни да приемат периоди на изплащане до 5 години, когато става въпрос за инвестиции в тяхната енергийна инфраструктура. За да отговорят на тези очаквания, термопомпите трябва да имат дълги периоди на експлоатация и добри стойности на коефициента на полезно действие, за да станат икономически целесъобразни.

От техническа гледна точка може да бъде идентифицирана една бариера, отнасяща се до температурните ограничения на повечето от предлаганите на пазара термопомпени агрегати. При много от приложенията температурите на подаваната топлина са ограничени до 65°C. Теоретичният потенциал за диапазона на приложение на индустриалните термопомпи нараства значително с разработването на енергийноефективни агрегати (включително и хладилни агенти) за температури на подаваната топлина над 100°C.

Тези предизвикателства могат да бъдат решени, както показват резултатите от редица внедрявания на технологията – възможни са кратки периоди за възвръщаемост на инвестицията (под 2 години), висока степен на редуциране на емисиите на въглероден диоксид (в някои случаи над 50%), температури над 100°C са възможни, но стандартно температурите на подаваната топлина са под 100°C.

Сушене

Сушенето е важен индустриален процес. В индустриалните сушилни се прилагат различни температурни нива и принципи на сушене. При най-разпространения вид сушилни въздухът се подгрява с помощта на пара, газ или гореща вода, след което циркулира над мокрия продукт. Поемайки влагата от мокрия продукт, въздухът повишава влажността си и енергията, съдържаща се в тази пара, може да се превърне в ценен източник на топлина. Стандартна процедура е този влажен въздух да бъде изпуснат или да бъде изсушен. С помощта на термопомпа топлината може да бъде извлечена от влажния въздух. Той се охлажда и изсушава, а температурата на извлечената топлина може да бъде повишена и тя да се използва за загряване на сушилнята. По този начин термопомпата изпълнява две функции – загрява сушилнята и изсушава и рециркулира въздуха, благодарение на което ефективността на процеса може да бъде висока.

За разлика от конвенционалните сушилни, при тези с интегрирана термопомпена технология топлообменникът се заменя от кондензатора на термопомпата. Отворът за отработен въздух пък се свързва с подаващия въздуховод. В този участък се инсталира изпарителят на термопомпата.

В сушилнята горещият въздух циркулира над конвейерна лента, транспортираща мокрия продукт. По време на този цикъл температурата на въздуха спада, а влажността му се увеличава. Около една трета от този хладен влажен въздух циркулира до изпарителя. Там въздухът се охлажда допълнително до температура под точката на кондензация. Под тази температура въздухът ще бъде изсушен. След това хладният сух въздух се смесва с циркулационен въздух от сушилнята. Сместа се нагрява до желаната технологична температура в кондензатора, след което може да бъде използвана отново в цикъла на сушене.

Теоретично е възможно да бъде реализиран напълно затворен процес на сушене с тази техника, което ще осигури и независимост от условията на околната среда. Понякога обаче се изисква опресняване на въздуха, поради което сушилните с вградена термопомпа винаги разполагат и с изпускателен и подаващ въздуховод.

Промиване

При конвенционалните промивни инсталации водата се изпомпва през топлообменник, като се загрява с помощта на газов котел. Чрез вентилатор налягането на промивната вода се повишава и тя се разпръсква върху продукта. Част от промивната вода се изпарява, но основният дял се връща обратно в резервоара за вода. Промивните инсталации често са оборудвани с вентилатор за отвеждане на въздуха, за да се предотврати изпускането на пара през входния или изходния отвор. По този начин влажният горещ въздух се изпуска в околната среда, а в промивната инсталация се поддържа подналягане.

Изпусканият въздух съдържа голямо количество енергия. С помощта на термопомпа е възможно топлината от отвеждания въздух да бъде оползотворена за загряване на промивната вода. Изпарителят на термопомпата се разполага в изпускащия въздуховод, като в него влажният въздух се охлажда под точката на кондензиране. Температурата на отпадната топлина се повишава от термопомпата. В кондензатора тази топлина се използва за загряване на централния нагряващ контур на промивната инсталация. Необходимостта от използване на котел не се елиминира, тъй като количеството топлина от изпускания въздух не е достатъчно за загряване на цялата промивна инсталация. Възможно е също промивната вода да се подгрява директно от кондензатора, но обикновено инсталациите имат повече от един сегмент и е по-лесно да се нагрее централният контур.

За да се постигне висока ефективност, е важно изпусканият въздух да има висока относителна влажност. Това може да се подсигури чрез контролиране на количеството изпускан въздух спрямо относителната влажност или спрямо налягането в промивната инсталация.

Топлинните потребности на промивната инсталация зависят от няколко фактора, като сред най-важните са входната и изходната температура на продукта, количеството пара, която се изпарява и изпуска, и топлинните загуби през повърхностите на инсталацията. Въз основа на тези фактори може да се изчисли дали е възможно да се подгрее цялата промивна инсталация с термопомпата, но в повечето случаи за това е необходим и външен топлинен източник.

Подгряване на технологична вода

Често продуктите в хранително-вкусовата индустрия трябва да бъдат охладени или замразени преди транспортиране и/или замразяване. От друга страна, за процесите на обработка и за почистване е необходима гореща вода. Отпадната топлина от хладилните системи обикновено е с температура от 25 до 30°C. С използването на термопомпа отпадната топлина от кондензатора на хладилната система може да се оползотвори за подгряване на вода до температури до 80°C. Термопомпата допълнително ще повиши налягането на хладилния агент от хладилната система за постигане на по-високи температури на кондензация.

Допълнителната термопомпа се свързва с хладилната система чрез два тръбопровода. Компресорът на термопомпата се свързва последователно с компресора на хладилната система, като той допълнително увеличава налягането на сгъстените газове от хладилната система. По-високото налягане води до по-висока температура на кондензация, например 70°C. Газовете под високо налягане кондензират в кондензатора на термопомпата и топлината се пренася към средата, която трябва да бъде подгрята, например вода за почистване. При температура на кондензация от 70°C температурата на почистващата вода може да достигне 65 – 70°C. Налягането на кондензирания хладилен агент на изхода на кондензатора спада и той се връща обратно в хладилната система.

Отработените газове от хладилната система кондензират при температури от 25 до 30°C, но поради компресията те се прегряват от 60 до 100°C. Прегретите газове се охлаждат в междинен охладител, преди да бъдат сгъстени допълнително от термопомпата. Охлаждането се осъществява чрез смесване на течен хладилен агент от кондензатора с прегретите газове. Тъй като газовете се охлаждат, сгъстяването може да бъде много по-ефективно. Освен това температурата на изпускания газ от компресора на термопомпата не е твърде висока, което елиминира риска от унищожаване на компресорното масло.

Капацитетът на термопомпения компресор се контролира от топлинните нужди за почистващата вода, преминаваща през кондензатора. Кондензаторът на хладилната система поема кондензацията на останалата част от сгъстените газове. Тоест само необходимото количество топлина се обработва от допълнителната термопомпа.

Пастьоризация

За пастьоризация продуктът трябва да бъде нагрят до температура над 70°C, след което да бъде охладен. Тоест температурата на продукта се изменя от ниска преди пастьоризация до висока по време на процеса и отново до ниска след пастьоризация. В повечето процеси по пастьоризация вече е внедрен топлообмен между потоците на студената и горещата продукция. Студената продукция преди пастьоризация се използва за предварително охлаждане на продукцията веднага след пастьоризация, а топлинната енергия на горещата продукция може да се оползотвори за предварително подгряване на студения продукт. За пастьоризацията обаче са необходими допълнително нагряване и охлаждане. Това обикновено се осигурява чрез впръскване на пара и пропускане на поток охлаждаща вода. Интегрирането на термопомпа може да бъде идеалното решение за извличане на топлината от продукта, който трябва да бъде охладен, и подаване на тази топлина с по-висока температура към продукта, който трябва да достигне температурата на пастьоризация.

Пример може да бъде даден с пастьоризацията на мляко. С начална температура 10°C, то се загрява предварително до 62°C с регенерирана топлинна енергия от вече пастьоризираното мляко, което е в етап на охлаждане. След това предварително подгрятото мляко се загрява до 72°C чрез контур с гореща вода. След достигане на желаната температура на пастьоризация, млякото трябва да бъде охладено отново до 10°C. Първоначално това се осъществява с все още непастьоризирано мляко, като температурата на вече пастьоризираното спада до 20°C. За да се достигне желаната температура на млякото от 10°C, се използва контур със студена вода. Този контур се охлажда механично (хладилна система). Системата за механично охлаждане отделя отпадна топлина от кондензатора си.

Добавянето на термопомпа осигурява възможност за оползотворяване на отпадната топлина от системата за механично охлаждане в процеса на пастьоризация. Работният принцип е следният: сгъстените газове от хладилната инсталация имат температура на кондензация между 25 и 30°C. Термопомпеният компресор повишава налягането на газообразния хладилен агент, поради което температурата на кондензация се покачва до 80°C. По този начин топлината за пастьоризация може да се получи от отделяната от кондензатора на хладилната система топлинна енергия. След кондензиране на хладилния агент в хладилната система, налягането му се понижава, след което той се връща отново в охлаждащия цикъл.

Източник:
https://www.energy-review.bg/bg/prilozheniya-na-termopompite-v-promishlenostta/2/1244/