Możliwości odzysku ciepła z procesów technologicznych

Transkrypt

1 Możliwości odzysku ciepła z procesów technologicznych Jan Wajs Wydział Mechaniczny Katedra Energetyki i Aparatury Przemysłowej Forum Techniczne Efektywne i Ekologiczne Przetwórstwo Ryb Ustka,

2 Zakres prezentacji Wprowadzenie - podział źródeł/nośników ciepła, podstawowe definicje Rodzaje energii odpadowej i sposoby jej wykorzystania Wybrane technologie w odzysku ciepła z nośników niskotemperaturowych - rekuperacja/regeneracja w układach wentylacji i klimatyzacji - odzysk ciepła z agregatów chłodniczych - technologia kogeneracyjna - technologie sorpcyjne - wysokotemperaturowe sprężarkowe pompy ciepła Problematyka wymienników ciepła - aspekt intensyfikacji wymiany ciepła Podsumowanie

3 Energia tracona na sposób ciepła wysokotemperaturowe nośniki ciepła przedział temperaturowy od około 650⁰C, można zagospodarować efektywnie na wiele sposobów. Należy pamiętać, że tak wysokie wartości temperatury nośnika ciepła odpadowego powstają wyłącznie bezpośrednio ze spalania paliwa. Doskonale opanowane technologie kogeneracyjne Przykładowe źródła wysokotemperaturowe

4 Energia tracona na sposób ciepła cd. średniotemperaturowe nośniki ciepła w zakresie temperatur od około 230 do 650⁰C. W większości są do wykorzystania jako gazy odlotowe procesu spalania. Przykładowe średniotemperaturowe źródła ciepła

5 Energia tracona na sposób ciepła cd. niskotemperaturowe nośniki ciepła już od kilkudziesięciu C i z reguły nie przekraczające 200⁰C (czyli z zakresu, który do niedawna uchodził za nieopłacalny w aspekcie konwersji ciepła na pracę). Zagospodarowanie: - głównie do celów grzewczych - podgrzew substratów w proc. technolog. - generacja chłodu - konwersja ciepła na pracę Przykładowe niskotemperaturowe źródła ciepła

6 Definicje Energia odpadowa energia bezużytecznie odprowadzana do otoczenia pomimo tego, że dzięki wysokiej jakości (egzergii) nadaje się do dalszego wykorzystania w sposób ekonomicznie opłacalny. Korzyści płynące z wykorzystania energii odpadowej: - oszczędność paliw podstawowych (pierwotnych i wtórnych) - obniżenie nakładów na transport - obniżenie nakładów na przetwarzanie paliw - efekt ekologiczny obniżenie emisji związków szkodliwych Egzergia praca maksymalna (miara ilościowa jakości energii): praca, jaką można uzyskać z ciała fizycznego dążącego na drodze przemian odwracalnych do równowagi z otoczeniem, przy ewentualnym wykorzystaniu bezwartościowego ciepła z otoczenia. dla dowolnej substancji fizycznej: b l = h h + T ( s s1) [ kj / kg] max 1 ot ot ot

7 Rodzaje energii odpadowej fizyczna - entalpia fizyczna spalin / gazów odlotowych o podwyższonej temperaturze - ciepło chłodzenia elementów konstrukcyjnych - entalpia fizyczna oparów - entalpia fizyczna stałych i ciekłych produktów procesu, wynikająca z podwyższonej temperatury (jeśli ich wysoka temperatura nie jest potrzebna do dalszego procesu technologicznego) - egzergia fizyczna gazów odlotowych, wynikająca z ich podwyższonego ciśnienia chemiczna- energia chemiczna palnych gazów odlotowych - egzergia chemiczna niepalnych gazów odlotowych (np. azotu, gazów szlachetnych) - energia chemiczna palnych odpadów stałych komunalnych i przemysłowych - egzergia chemiczna niepalnych odpadów komunalnych i przemysłowych (surowce wtórne) Chemiczna energia odpadowa wynika z różnicy składu chemicznego substancji odpadowej w stosunku do powszechnie występujących składników otoczenia. Egzergię chemiczną określa się na podstawie tablic (w przypadku substancji jednorodnych) lub wzorów empirycznych (zależnych od rodzaju paliwa)

8 Sposoby wykorzystania energii odpadowej wewnętrzne: energia odpadowa wykorzystana dla potrzeb realizowanego procesu (np. wstępne podgrzanie powietrza potrzebnego do spalania, wstępne podgrzanie wsadu) zalety: - zgodność czasowa podaży z zapotrzebowaniem - bezpośrednia oszczędność energii (np. energii chemicznej paliwa) - znaczna efektywność energetyczna procesu zewnętrzne: wytwarzanie nośnika energii dla odbiorców znajdujących się poza rozpatrywanym urządzeniem (procesem); podaż energii odpadowej może być niedostosowana do zapotrzebowania (okresowe nadmiary lub niedobory wytwarzanego nośnika energii) konieczność instalowania zasobników energii lub źródeł szczytowych przykłady - produkcja pary z gorącej wody w kotłach odzyskowych - generacja energii elektrycznej w turbinach odzyskowych - produkcja chłodu w urządzeniach absorpcyjnych zasilanych spalinami - produkcja pary w instalacjach chłodzenia wyparkowego

9 Główne technologie w odzysku ciepła z nośników niskotemperat. 1. odzysk ciepła w układach wentylacji i klimatyzacji 2. odzysk ciepła z układów chłodniczych 3. pompy ciepła 4. układy skojarzone kogeneracja (mikrokogeneracja) w rozproszeniu Kogeneracja - oznacza konwersję en. chemicznej paliwa na en. elektryczną (lub mechaniczną) i ciepło zasilanie nośnikiem ciepła odpadowego

10 Odzysk ciepła w układach wentylacji i klimatyzacji 1. recyrkulacja (gdy jest dopuszczalna); 2. odzysk w wymiennikach ciepła, bez medium pośredniczącego: - z wykorzystaniem rekuperatorów: - krzyżowo-płytowych, - przeciwprądowo-płytowych, - spiralnych; - z wykorzystaniem regeneratorów: obrotowych, nieobrotowych; 3. odzysk w układach z medium pośredniczącym: - z wykorzystaniem rurki ciepła, - z wykorzystaniem układu glikolowego, - z wykorzystaniem pompy ciepła.

11 Odzysk ciepła z układów chłodniczych Teoretyczny suchy obieg Lindego sprężanie izentropowe, izobaryczne ochładzanie pary przegrzanej (2-2 ) oraz izobaryczno - izotermiczne skraplanie (2-3), dławienie izentalpowe, izobaryczne wrzenie. odzysk ciepła tylko w obszarze pary przegrzanej (odzysk jednostkowego ciepła przegrzania q kp, tj. ok % całkowitego ciepła odprowadzanego w skraplaczu) odzysk ciepła przegrzania oraz skraplania czynnika chłodniczego (odzysk jednostkowego ciepła przegrzania i kondensacji q kp +r) Najwyższa opłacalność w przypadku, gdy zapotrzebowanie na ciepło może zostać w całości pokryte przez ciepło przegrzania sprężonych par czynnika chłodniczego brak wpływu na działanie urz. chłodniczego / brak dodatkowych nakładów na jego regulację

12 Ingerencja w ciśnienie skraplania na skutek odzysku ciepła ε 0 = Q 0 P Zastosowanie odzysku ciepła w urządzeniu chłodniczym nie powinno wiązać się ze zmianą nominalnych parametrów jego pracy (ciśnienie skraplania), gdyż niesie to za sobą negatywne konsekwencje techniczne, a także ekonomiczne.

13 Wykorzystanie ciepła odzyskanego z układów chłodniczych podgrzew wody użytkowej (c.w.u.) która może być wykorzystana zarówno do celów sanitarno-bytowych, jak i do zastosowań technologicznych (procesy przetwórcze żywności, w których oprócz schładzania produktów jednocześnie konieczne są znaczne ilości gorącej wody użytkowej do mycia); wstępny podgrzew wody centralnego ogrzewania (c.o.) w tym przypadku ciepło odpadowe może także posłużyć do podgrzania wody krążącej w instalacjach nagrzewnic w klimatyzacji; zasilanie w ciepło dolnego źródła pompy ciepła; ogrzewanie roztworów glikolowych układów zabezpieczających podłogi chłodni przed przemarzaniem (niszczeniem tych podłóg) rozwiązanie to jest dość powszechnie stosowane w dużych, amoniakalnych instalacjach chłodniczych chłodni składowych. Realizacja: szeregowe / równoległe podłączenie wymiennika do odzysku ciepła względem skraplacza Węzły odzysku ciepła wyposażone w zbiorniki buforowe z wewnętrznym wymiennikiem ciepła w węźle odzysku ciepła, układy automatyki itd.

14 Wykorzystanie ciepła odzyskanego z układów chłodniczych temperatura tłoczenia [ o C] temperatura parow ania [ o C] R 22 R 134a R 404A R 407C R 717 Obliczenia przy założeniu: t k = 40 C t p = 10 K t d = 0 K Źródło: Staniszewski D., Targański W.: Odzysk ciepła w instalacjach chłodniczych i klimatyzacyjnych, Wyd. IPPU Masta, 2007

15 Kogeneracja niskotemperaturowa Technologia ORC (???) Organiczny Obieg Rankine a umożliwia konwersję energii transportowanej za pomocą nośnika niskotemperaturowego (w postaci pary, wody, spalin itd.) na wysokowartościową energię mechaniczną (elektryczną) i ciepło w skojarzeniu. Zakres temperatury nośnika C, Silnik pracuje według tradycyjnego obiegu Clausiusa-Rankine a, lecz zamiast H 2 O stosowana jest organiczna substancja robocza (tzw. czynnik niskowrzący). W - wymiennik ciepła / wytwornica pary T - turbina parowa G - generator S - skraplacz CODP - ciepło odpadowe

16 Technologia ORC - cechy układów - stosunkowo niska sprawność generowania energii elektrycznej na tle innych technologii; powodem są niskotemperaturowe źródła ciepła, takie jak: - źródła geotermalne - kotły opalane biomasą - kolektory słoneczne - źródła energii odpadowej

17 Technologia ORC - czynniki robocze dla technologii ORC 1-2 podnoszenie ciśnienia cieczy 2-3 wytwornica pary 3-4 turbina / ekspander objętościowy 4-1 skraplacz Rys. ORC w układzie Belpaire a dla różnych czynników; a) izentropowy, b) mokry, c) suchy czynnik kategoria masa molowa t k [ C] p k [bar] temp. wrzenia przy ciś. normalnym [ C] woda mokry R 245fa suchy R 134a mokry R 141b izentropowy* izopentan suchy etanol mokry HFE 7100 suchy * w zakresie temperatur pracy układu ORC

18 Technologia ORC - czynniki robocze dla technologii ORC Aspekty zw. z doborem czynnika roboczego: własności termofizyczne - stabilność chemiczna/termiczna w zakresie temperatur pracy obiegu - brak agresywności chemicznej wobec mat. konstrukcyjnych i uszczelnień - wysoka przewodność cieplna - niska lepkość i napięcie powierzchniowe (niskie opory w przepływie) - mała objętość wł. pary po ekspansji w turbinie - możliwie wysokie ciepło parowania szeroko pojęte bezpieczeństwo - jak najniższa toksyczność/palność/wybuchowość aspekt środowiskowy (ODP, GWP, ) aspekt ekonomiczny

19 Technologia ORC układy komercyjne GMK Jednostki INDUCAL do zagospodarowania ciepła odpadowego (pracują wyłącznie jako elektrownie): Moce elektryczne: 500 kw 5 MW (odzysk z nośników o t>300 C), turbina osiowa w układzie 300 kw 1 MW (odzysk z nośników o t = C), ekspander śrubowy w układzie Układ z obiegiem pośrednim z olejem termalnym

20 Technologia ORC układy komercyjne ElectraTherm Układy ORC do zagospodarowania entalpii fizycznej spalin z tłokowych jednostek CHP oraz turbin gazowych. Moce elektryczne: Czynnik roboczy 35 / 65 / 110 kw R 245fa Temperatura wody zasilającej C Silnik w obiegu Chłodzenie skraplacza dwuwirnikowy ekspander śrubowy obieg wodny z chłodnią wentylatorową Instalacja w Trechwitz, Niemcy

21 Technologia ORC układy komercyjne Enogia Układy ORC zasilane z kotłów biomasowych, heliostatów, nośników ciepła odpadowego. Moce elektryczne: Czynnik grzewczy Ekspander własnej konstrukcji kw C (nośnik ciekły) C (spaliny) Jednostka o mocy elektrycznej 5 kw

22 Technologia ORC układy komercyjne Infinity Turbine Jednostki kompletne : Moce elektryczne: 10 / 30 / 50 / 100 kw Cena IT10 50 tys.$ Czynnik roboczy R 245fa, R 134a, CO 2 Czynnik grzewczy C Sprawności 7 10% Oferta dla jednostek ORC projektowanych pod klucz : Turbogeneratory w szerokim zakresie mocy: 100 W 2.5 MW na spręż. pow. / R 245fa, R 134a Ceny na XII 2015r.: 100 W 500 $ (DC gen.) 2-3 kw 5 tys.$ (DC gen.) 500 kw 225 tys.$ (AC gen.) 2.5 MW 2 mln.$ (AC gen.)

23 Technologie sorpcyjne agregaty wody lodowej (???) Materiały: Sztykiel I., GPEC

24 Technologie sorpcyjne agregaty wody lodowej Uproszczona analiza: Jeżeli dostarczenie strumienia ciepła 1 kw do chłodziarki absorpcyjnej skutkuje wytworzeniem ok. 0,7 kw chłodu, to współczynnik wydajności chłodniczej wynosi 0,7. Jeżeli moc elektryczna 1 kw w chłodziarce sprężarkowej skutkuje wytworzeniem ok. 4 kw chłodu, to współczynnik wydajności chłodniczej wynosi 4. Zatem chłodziarka absorpcyjna może być opłacalna wtedy, gdy ciepło jest tanie lub zostanie wykorzystane ciepło odpadowe z innych procesów. Zalety adsorpcyjnych agregatów chłodniczych: kilkukrotnie niższe zapotrzebowanie na energię elektryczną w stosunku do agregatów sprężarkowych, niski poziom wibracji i hałasu podczas pracy, możliwość stopniowej regulacji, niewielkie wymogi serwisowe i długi okres eksploatacji urządzeń (dwukrotnie dłuższy w stosunku do chłodziarek sprężarkowych), pewność i niezawodność działania, możliwość stosowania substancji nie będących freonami, technologia przyjazna dla środowiska naturalnego nie powstają gazy cieplarniane,

25 Odzysk ciepła z nieoczyszczonych ścieków Materiały: Sztykiel I., GPEC

26 Intensyfikacja Wymiany Ciepła korzyść w postaci wzrostu gęst. str. ciepła Dąży się do: zmniejszenia wymiarów wymiennika ciepła dla ustalonej mocy cieplnej, (inżynieria medyczna, elektronika i dziedziny pokrewne, techniki satelitarne) efektywnej wymiany ciepła przy zmniejszonej różnicy temperatur pomiędzy czynnikami grzewczym i ogrzewanym (w szczególności podczas wymiany ciepła z udziałem gazów), co zwiększa efektywność energetyczną procesu (odzysk ciepła odpadowego z procesów technologicznych/energetycznych, wysokosprawne układy gazowe i gazowo-parowe szczególnie dla en. rozproszonej) Ogólny podział metod intensyfikacji wymiany ciepła: pasywne korespondujące przede wszystkim z rozwinięciem powierzchni wymiany ciepła lub wprowadzaniem dodatkowej substancji do wymiennika, aktywne związane z doprowadzaniem dodatkowej energii do wymiennika jako systemu termodynamicznego, kombinowane połączenie metod pasywnych albo aktywnej z pasywną; - cechują się wysoką efektywnością, - są rezultatem badań teoretyczno doświadczalno numerycznych.

27 Podsumowanie Największą trudność stanowi zagospodarowanie ciepła odpadowego ze źródeł niskotemperaturowych. W tym aspekcie obserwuje się: powszechne wykorzystanie nośników niskotemperaturowych do celów grzewczych, możliwość generacji energii elektrycznej w oparciu o odzysk ciepła z nośników niskotemperaturowych, lecz rozwój w tym kierunku ograniczają bariery ekonomiczne, pewne ograniczenia techniczne i ekonomiczne w aplikacji urządzeń sorpcyjnych do generacji chłodu, zapotrzebowanie na nowatorskie wysokosprawne konstrukcje wymienników ciepła.

28 Dziękuję za uwagę