Poligeneracja wykorzystanie ciepła odpadowego

Transkrypt

1 P A N Instytut Maszyn Przepływowych Polskiej Akademii Nauk GDAŃSK Poligeneracja wykorzystanie ciepła odpadowego Dariusz Butrymowicz, Kamil Śmierciew 1

2 I. Wstęp II. III. IV. Produkcja chłodu: układy sorpcyjne Produkcja chłodu: układy strumienicowe Czynniki robocze w układach chłodniczych V. Badania eksperymentalne chłodniczych urządzeń strumienicowych VI. VII. Możliwości rozwojowe układów strumienicowych Wnioski 2

3 Skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej, ciepła, chłodu i ew. innych zaawansowanych produktów lub paliw mogących mieć zastosowanie energetyczne 3

4 KOCIOŁ BLOK SIŁOWNI UKŁAD CHŁODNICZY SIŁOWNIA ORC BEZUŻYTECZNE CIEPŁO NISKOTEMPERATUROWE 4

5 Układ poligeneracyjny Istnieje duży potencjał w elektrociepłowniach produkcji latem niskotemperaturowego ciepła, umożliwiającego produkcję chłodu w tym celu proponuje się zastosowanie urządzeń absorpcyjnych lub adsorpcyjnych 5

6 Typowe systemy sorpcyjne: absorpcyjne / adsorpcyjne Schemat urządzenia absorpcyjnego - bardzo wysokie koszty inwestycyjne; - konieczność podwyższenia parametrów ciepła (obniżenie sprawności elektrociepłowni); - jest to układ zewnętrzny, wymagana jest różnica temperatur co obniża efektywność; - wielkie gabaryty; - całkowity brak możliwości rozwoju krajowego potencjału technicznego oraz badawczowdrożeniowego 6

7 Typowe systemy sorpcyjne: absorpcyjne / adsorpcyjne Schemat urządzenia adsorpcyjnego 7

8 Możliwość całkowicie nowego rozwiązania - zastosowanie wewnętrznego strumienicowego układu napędzanego niskoparametrową parą pobieraną z upustu niskociśnieniowego. jest to układ wewnętrzny (nie ma dodatkowych strat i różnic temperatur); wymaga bardzo niewielkich inwestycji (możliwość realizacji prawie siłami własnymi elektrociepłowni); system bardzo elastyczny; system sprawniejszy, bowiem część energii elektrycznej produkowana jest z największą sprawnością (nie podwyższa się ciśnienia w skraplaczu), zaś strata mocy elektrycznej dotyczy tylko części pary wykorzystywanej do produkcji chłodu (para niskoparametrowa). W układach absorpcyjnych, nawet jeśli wykorzystuje się ułamek mocy cieplnej - obniża się sprawność wytwarzania całości energii elektrycznej. Jedynie układ strumienicowy zapewnia racjonalny sposób realizacji poligerenacji w elektrociepłowniach! 8

9 urządzenia strumienicowe urządzenia absorbcyjne doskonałe dla odbiorów indywidualnych wykorzystanie energii cieplnej niskotemperaturowej do napędu mały pobór energii elektrycznej (tylko pompy obiegowe) praca z naturalnymi czynniki roboczymi (ekologiczność urządzenia) urządzenia dużej mocy stosowane w dużych budynkach (szkoły, szpitale) wykorzystanie amoniaku jako absorbera duża dostępność na rynku Realizowane w laboratorium IMP PAN 9

10 Strumienicowe urządzenie chłodnicze Schemat urządzenia strumienicowego 10

11 W Polsce problemem całego rynku chłodnictwa, klimatyzacji i pomp ciepła jest stosowanie bardzo szkodliwych dla środowiska syntetycznych czynników roboczych a ponadto niska sprawność urządzeń chłodniczych Syntetyczne czynniki robocze GWP = poszukiwanie nowych rozwiązań technicznych, stosowanie naturalnych czynników roboczych, poprawa sprawności urządzeń 11

12 Ograniczenie emisji gazów cieplarnianych dotyczą liczne akty prawne wprowadzone w Unii Europejskiej: Dyrektywa Nr 93/76/EEC w zakresie ograniczania emisji ditlenku węgla poprzez poprawę efektywności energetycznej; Dyrektywa 2037/2000 w zakresie substancji zubożających warstwę ozonową; Dyrektywa 2002/91/EEC w zakresie efektywności energetycznej budynków; Dyrektywa 842/2006 w zakresie tzw. gazów cieplarnianych konieczność wymiany w układach (nowych lub już pracujących) płynów roboczych na substancje uznane za bezpieczne dla środowiska; zapewnienie minimalizacji emisji czynników obciążających środowisko, a w tym minimalizacja napełnienia instalacji czynnikiem roboczym; zapewnienie odpowiedniego poziomu efektywności energetycznej układów; 12

13 Płyny naturalne amoniak, powietrze, woda, CO2 HC węglowodory Czynniki robocze CFC (chloro-fluoro-carbons) Zakazane w EU HCFC (hydro-chloro-fluoro-carbons) HFC (hydro-fluoro-carbons) FC (fluoro-carbons) Częściowo zakazane w EU 13

14 Generator pary Parownik Problemy doboru czynnika roboczego dla urządzeń chłodniczych Skraplacz 2 Strumienica Sprężarka Q g Q o Q c Zawór dławiący Parownik Pompa obiegowa Zawór rozprężny a) klasyczne urządzenie chłodnicze sprężarkowe b) urządzenie chłodnicze strumienicowe niepalny, niewybuchowy; dobre własności termodynamiczne w zakresie parametrów pracy; porównywalne sprawności urządzeń chłodniczych z czynnikiem naturalnym w porównaniu do urządzeń z czynnikiem syntetycznym; sposób realizacji obiegu urządzenie chłodnicze sprężarkowe lub strumienicowe 14

15 Obieg chłodniczy w urządzeniu strumienicowym a) Obieg z czynnikiem mokrym ; b) obieg z czynnikiem suchym Osobnym problemem jest zagadnienie dopasowania odpowiednich materiałów dopracy z danym czynnikiem naturalnym: korozje, stabilność chemiczna, itp. 15

16 COP Q COP e Q P g p Sprawność energetyczna strumienicowego urządzenia chłodniczego w zależności od temperatury napędowej czynnika roboczego Temperatura napędowa [ o C] COP Sprawność energetyczna strumienicowego urządzenia chłodniczego w zależności od temperatury parowania czynnika roboczego Temperatura parowania [ o C] Źródło: D. Butrymowicz, J. Karwacki, K. Śmierciew, Studium zastosowania naturalnych i syntetycznych czynników roboczych w układach strumienicowych, Nr arch. IMP PAN 109/08, Gdańsk

17 Ograniczanie pośredniej emisji poprzez zastosowanie mikrokanałowych wymienników ciepła (zwarte i bardziej sprawne instalacje minimalizacja napełnienia instalacji Fałdowane żebra żaluzjowe na rurach spłaszczonych: (a) układ rur spłaszczonych z poziomym przepływem czynnika chłodniczego, (b) pionowy przepływ czynnika chłodniczego w rurach spłaszczonych 17

18 COP =

19 1 generator pary, 2 parownik, 3,4,9 przepływomierz,5 skraplacz, 6 zbiornik czynnika, 7,8 pompa, 10 zawór rozprężny, 11 strumienica, 12 kolektory słoneczne, 13 wymiennik ciepła, 14 zespół grzałek elektrycznych 19

20 Poprawa COP chłodniczego urządzenia strumienicowego 20

21 COP effectiveness of heat exchanger temperature of evaporation [oc] with heat exchanger without heat exchanger temperature of evaporation [oc] 21

22 Φ Wpływ przegrzania pary zasysanej na współczynnik COP chłodniczego urządzenia strumienicowego 1.1 COP COP ref przegrzanie pary zasysanej [K] 22

23 static pressure [bar] symulacja CFD strumienicy nadkrytycznej pracującej z izobutanem EXP CFD length [m] 23

24 Możliwości rozwojowe układów strumienicowych Strumienicowe urządzenia chłodnicze: a) rozwiązanie klasyczne z pompą mechaniczną; b) rozwiązanie ekologiczne z pompą strumienicową 24

25 25

26 26

27 Wnioski Racjonalne gospodarowanie ciepłem niskotemperaturowym może przynieść korzyści na szeroką skalę Strumienicowe systemy urządzeń chłodniczych mogą być doskonałą ekologiczną alternatywą dla klasycznych rozwiązań sprężarkowych, bądź urządzeń absorpcyjnych Zagadnienie doboru naturalnych czynników chłodniczych odgrywa kluczową rolę i dalsze analizy oraz badania urządzeń chłodniczych pracujących z naturalnymi czynnikami roboczymi są niezbędne z uwagi na bezpieczeństwo oraz poprawę efektywności tych urządzeń Zastosowanie wewnętrznej wymiany ciepła podnosi sprawność urządzenia chłodniczego Przeprowadzone z sukcesem badania eksperymentalne zastosowania strumienic w technice chłodniczej znacznie zwiększają szanse wdrożenia 27