Możliwości odzysku ciepła z procesów technologicznych Jan Wajs Wydział Mechaniczny Katedra Energetyki i Aparatury Przemysłowej Forum Techniczne Efektywne i Ekologiczne Przetwórstwo Ryb Ustka, 14-15.09.2017
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
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
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
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
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
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)
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
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
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.
Odzysk ciepła z układów chłodniczych Teoretyczny suchy obieg Lindego 1 2 - sprężanie izentropowe, 2 3 - izobaryczne ochładzanie pary przegrzanej (2-2 ) oraz izobaryczno - izotermiczne skraplanie (2-3), 3 4 - dławienie izentalpowe, 4 1 - izobaryczne wrzenie. odzysk ciepła tylko w obszarze pary przegrzanej (odzysk jednostkowego ciepła przegrzania q kp, tj. ok. 15-20% 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
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.
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.
Wykorzystanie ciepła odzyskanego z układów chłodniczych 200 180 temperatura tłoczenia [ o C] 160 140 120 100 80 60 40 20 0-40 -30-20 -10 0 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
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 80-400 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
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
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 18.02 373.95 220.64 100 R 245fa suchy 134.05 154.01 36.51 + 15.1 R 134a mokry 102.03 101.06 40.59-26.1 R 141b izentropowy* 116.95 204.35 42.12 + 32.0 izopentan suchy 72.15 187.2 33.78 + 27.8 etanol mokry 46.07 240.75 61.48 + 78.2 HFE 7100 suchy 250.0 195.3 22.3 + 61.0 * w zakresie temperatur pracy układu ORC
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
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 = 85-150 C), ekspander śrubowy w układzie Układ z obiegiem pośrednim z olejem termalnym
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 77 116 C Silnik w obiegu Chłodzenie skraplacza dwuwirnikowy ekspander śrubowy obieg wodny z chłodnią wentylatorową Instalacja w Trechwitz, Niemcy
Technologia ORC układy komercyjne Enogia Układy ORC zasilane z kotłów biomasowych, heliostatów, nośników ciepła odpadowego. Moce elektryczne: Czynnik grzewczy Ekspander własnej konstrukcji 5 100 kw 80 200 C (nośnik ciekły) 150 500 C (spaliny) Jednostka o mocy elektrycznej 5 kw
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 80 120 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.)
Technologie sorpcyjne agregaty wody lodowej (???) Materiały: Sztykiel I., GPEC
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,
Odzysk ciepła z nieoczyszczonych ścieków Materiały: Sztykiel I., GPEC
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.
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.
Dziękuję za uwagę