UNIVERZITET U TUZLIMAŠINSKI FAKULTETSTUDIJSKI ODSJEK: ENERGETSKO MAŠINSTVO

 

DIPLOMSKI RAD

TOPLINSKE PUMPE U INDUSTRIJI

Kandidat:Ademović Dino Mentor: Dr.sc.Eljšan Sandira vanr.prof.

Tuzla, juli 2012.

1. UVOD

• U industriji se skoro polovina energije gubi kao sekundarna (otpadna) toplotna energija u okolinu, izazivajući razne ekološke poremećaje i probleme.

• Korištenjem sekundarne energije stvara se mogućnost za smanjenje potrošnje primarne energije. Primjena utilizacionih parnih kotlova, regenerativnih i rekuperativnih izmjenjivača topline, toplinskih pumpi i sličnog, ima svoje tehničko-tehnološko i ekonomsko opravdanje.

• Posebno je interesantna u industrijskim granama koje su veliki potrošači energije s jedne strane, a sa druge, veliki “proizvođači” sekundarne (otpadne) energije kao što su metalurški i hemijski kombinati.

• Primjena toplinskih pumpi u industriji pruža široke mogućnosti, prije svega, na strani toplinskog izvora, a potom i toplinskog ponora i omogućava iskorištenje niskotemperaturne otpadne topline.

2.2 Lijevokretni procesi sa utroškom rada

• Lijevokretni ciklusi sa utroškom rada su kompenzacioni procesi koji omogućavaju trajno prebacivanje topline iz izvora niže u ponor više temperature.

Slika 2.1 Parna kompresorska mašina koja radi po ciklusu Carnot: a) šema (KP - kompresor; KD -

kondenzator; D – detander; R - isparivač); b) T-s dijagram

Slika 2.2 Parna kompresorska mašina sa prigušnim ventilom i suhim usisavanjem: a) šema mašine (S -

separator); b) ciklus u „T-s“ dijagramu

3.1 Princip rada toplinske pumpe

• Efikasnost toplinske pumpe izražava se koeficijentom grijanja ili COP (engl. Coefficient of Performance), koji predstavlja odnos dobijene toplote i uloženog rada (električne energije za pogon kompresora):

Slika 3.1 Prikaz rada rashladnog uređaja u režimu toplotne pumpe

3.2 Podjela toplinskih pumpi

• S obzirom na dodatni izvor energije toplinske pumpe mogu biti:1. kompresijske2. difuzijsko-apsorcijske

• Većina toplinskih pumpi radi na principu parnog kompresionog kruga. • Glavni dijelovi ovakvog toplotnog pumpnog sistema su: kompresor, ekspanzioni

ventil i dva izmjenjivača topline kao što su izmjenjivač (evaporator) i kondenzator.

• Industrijske parne i kompresione toplinske pumpe često koriste fluide kao jedine čestice u otvorenim krugovima. Ovakve toplinske pumpe se smatraju mehaničkim parnim rekompresorima.

• Najčešći radni parovi apsorbnog sistema su:a) voda i litijev bromidb) amonijak i voda• Apsorbcijske toplinske pumpe su često punjene rudničkim plinom, dok se

industrijske instalacije najčešće pokreću visoko-pritisnom parom ili otpadnom toplinom.

3.3 Izvori topline toplinskih pumpi • Za postrojenje toplinske pumpe od najvećeg su značaja svojstva

toplinskog izvora.

1. Vazduh

2. Voda

3. Tlo

• Da bi se osigurao ekonomičan rad toplinske pumpe, za izvor topline se postavlja niz zahtijeva, među kojima su najvažniji sljedeći:

a) toplinski izvor treba da osigura potrebnu količinu topline u svako doba i na što višoj temperaturi,

b) troškovi za priključenje toplinskog izvora na toplotnu pumpu treba da budu što niži,

c) energija za transport topline od izvora do isparivača treba biti što manja.

3.4 Dijelovi toplinske pumpe

1. Isparivač

2. Kompresor

3. Kondenzator

4. Ekspanzioni ventil

Slika 3.10 Dijelovi toplinske pumpe

3.4.1 Rashladni fluidi

• Radna materija koja u rashladnoj mašini ili toplinskoj pumpi obavlja lijevokretni ciklus naziva se primarni rashladni fluid, ili, kraće, rashladni fluid.

• Sekundarni rashladni fluid je fluid koji oduzima toplinu hlađenja od hlađenog objekta (izvora topline) i predaje je (obično isparavajućem) primarnom rashladnom fluidu.

• Rashladni fluid mora da ispunjava što bolje određene termičke, fizičke i hemijske uslove i da ima određene praktične osobine upotrebe:

1. Toplina isparavanja rashladnog fluida 2. Specifična toplina tečnosti rashladnog fluida 3. Kritična temperatura rashladnog fluida 4. Specifična zapreminska rashladna sposobnost 5. Pritisci kondenzacije i isparavanja treba da su pogodni

6. Nezapaljivost i neeksplozivnost

7. Stabilan hemijski sastav

8. Toksičnost rashladnog fluida može da bude od odlučujećeg značaja u zavisnosti od namjene instalacije

Rashladni medij

Nastupa smrt ili ozbiljne povrede Da li pri razlaganju nastaju otrovne 

supstance

Klasa toksičnosti

Za vrijeme boravka od

Koncentracija medija u vazduhu

Zapreminski pri 28

Sumpordioksid 5 min 0,7 1,92 - 1Amonijak 0,5 h 0,5-0,6 0,32-0,48 - 2Metilhlorid 2,0 h 2,0-2,5 4,5-5,3 da 4-5

Metilenhlorid 0,5 h 5,1-5,3 17,8-18,7 da 4-5Freon 113 1,0 h 4,8-5,3 37,3-40,3 da 4-5Freon 21 0,5 h 10,2 43,4 da 5

Ugljendioksid 0,5-1,0 h 29,0-30,0 52,8-54,8 da 5Freon 11 2,0 h 10,0 57,0 da 5Freon 22 2,0 h 18,0-22,6 64,2-81,0 da 5AFreon 12 2,0 h 28,5-30,4 140,5-252,0 da 6

Tabela 3.2 Toksična svojstva nekih rashladnih fluida

3.4.1.1 Označavanje rashladnih fluida

• HC (ugljovodonici)• CFC (potpuno halogenizovani hlorofluorougljenici)• HCFC (djelimično halogenizovani hidrohlorofluorougljenici) • FC (potpuno halogenizovani fluorougljenici) • HFC (djelimično halogenizovani hidrofluorougljenici).

• Amonijak () ima oznaku R 717 • Ugljendioksid () ima oznaku R 744

• Neki primjeri označavanja rashladnih fluida: a) Brojevima od 400 do 499 označavaju se razne zeotropske smješe. b) Brojevima od 500 do 599 označavaju se razne azeotropske smješe. c) Brojevima od 600 do 699 obilježavaju se po proizvoljnom redoslijedu

razna organska jedinjenja, koja se koriste ili mogu da se iskoriste kao rashladni fluidi. Tako npr. za nbutan i izobutan koriste se oznake R 600 odnosno 600a.

3.4.1.2 Podjela rashladnih fluida

• Freoni (CFC, HCFC, FC i HFC) • Prirodni rashladni fluidi (ugljovodonici, voda, vazduh, (R717) i (R744))• Amonijak () se dugo koristi u oblasti industrijskog hlađenja. • ODP=0• GWP=0• Povoljna nabavna cijena• Ne mješa se sa uljima za podmazivanje

Sektor Rashladni fluid

Industrijsko hlađenje Amonijak, R404a

Komercijalno hlađenje R134a, R404a, R507, , propan, propilen

Klimatizacija -Chilleri sa scroll i hermetičkim klipnim kompresorima: R407c, R410a-Chilleri sa vijčanim kompresorima: R134a

Domaćinstva R134a

Transportno hlađenje R404a, R134a

Tabela 3.4 Rashladni fluidi po sektorima

3.4.2 Termo ekspanzijski ventil • Ekspanzijski ventil je regulator protoka rashladnog medija kroz

sistem.

• Regulacija rada kompresora

Slika 3.12 Termo ekspanzijski ventil

3.4.3 Kompresori• Kompresori su osnovni elementi onih rashladnih mašina čiji se

kompenzacioni proces zasniva na utrošku mehaničkog rada. • Prema principu rada kompresori mogu biti:1. Kompresori zapreminskog dejstvaa) klipni (klasični)b) rotacionic) spiralni2. Strujni kompresori

Slika 3.13 Izgled kompresora: a)klipni, b)spiralni (vijčani)

3.4.3.1 Kompresori sa spiralama (scroll)

• Izvedba je iz dvije identične spirale umetnute jedna u drugu, jedne stacionarne i druge koja rotira i ekscentrično je postavljena na vratilu u odnosu na stacionarnu i koja rotira.

• Sva se tri procesa: usis, kompresija i istiskivanje odvijaju istovremeno u jednom okretaju vratila sa spiralom.

3.4.4 Kondenzatori

• Kondenzatori su izmjenjivači topline u kojima se rashladni fluid kondenzuje predajući toplinu sredstvu za hlađenje kondenzatora.

• Prema načinu hlađenja kondenzatori se mogu podijeliti na: a) protočni kondenzatori hlađeni zrakom b) protočni kondenzatori hlađeni vodom c) optočni kondenzatori hlađeni zrakom i vodom koja ishlapljuje

Slika 3.17 Izgled kondenzatora: a)vazduhom hlađeni, b)vodom hlađeni - pločasti, c)evaporativni

3.4.4.3 Kondenzator s cijevima u plaštu

• Radna tvar kondenzira na snopu cijevi, a voda protječe kroz cijevi u jednom ili više prolaza.

Slika 3.19 Kondenzator s cijevima u plaštu: 1- ulaz vode; 2-izlaz vode; 3- ulaz pare; 4- izlaz kapljevine RT; 5- ispust ulja; 6- priključak za sigurnosne ventile; 7- priključak za izjednačenje

tlaka; 8 priključak za manometar, termometar; 9- odvod nekondenzirajućih plinova; 10-ispust vode; 11-odzračivanje

3.4.5 Isparivači

• Isparivači su izmjenjivači topline u kojima se isparavajućem rashladnom fluidu dovodi toplina, bilo neposredno od hlađenog objekta, bilo posredno - od sekundarnog rashladnog fluida.

Prema namjeni isparivači se mogu podijeliti u sljedeće grupe:a) isparivači za hlađenje

kapljevina b) isparivači za hlađenje

zraka (i plinova)c) isparivači za hlađenje i

smrzavanje proizvoda kontaktnim prijenosom topline

d) specijalni isparivači, npr. isparivači – kondenzatori u kaskadnim rashladnim uređajima i sl.)

Slika 3.25 Koaksijalni isparivači za hlađenje kapljevina

4.2 Amonijačne toplinske pumpe

• Energetski sistem „Schlieren“ u Cirihu• Dvije toplinske pumpe kapaciteta od oko 5,5 megavata. • Temperature polazne vode od oko 80• Ušteda fosilnih goriva od oko 48.700 megavatčasova• Sniženje emisije od oko 8.100 tona godišnje.

Slika 4.4 Izmjenjivač topline u poštanskom centru „Mülligen“

4.3 Korištenje otpadne vode i otpadne topline • Energana „Rietbach“ koristi energiju iz prečišćene otpadne vode i

otpadnu toplinu iz obližnjeg računskog centra.

• Toplinska pumpa može da pokrije preko 70% godišnjih potreba za toplinom.

Slika 4.2 Amonijačna toplinska pumpa u energani „Rietbach“

4.4 Otpadna voda kao obnovljivi izvor energije

• Dvije toplinske pumpe kapaciteta od po 1.250 kW.• Toplinske pumpe nude proizvodnju korisne topline od oko 14.000

MWh godišnje.• Pokrivaju oko dvije trećine godišnjih potreba za toplinskom

energijom stambenih područja Augarten i Weiherfeld, u ukupnom iznosu od oko 22.000 MWh.

• Na taj način se godišnje uštedi 1,25 milion kubnih metara prirodnog gasa, a emisija se smanjuje za 2.650 tona.

Slika 4.3 Postrojenje toplinske pumpe u Rheinfeldenu

4.5 Komunalni sistem sa amonijačnim toplinskim pumpama

• Postrojenje će raspolagati sa ukupno do 15 MW grijnog kapaciteta

Slika 4.4 Toplinska pumpa u Drammenu

5.  REKUPERACIJA TOPLINSKE ENERGIJE PRIMJENOM TOPLINSKE PUMPE

• Rekuperativni sistem se sastoji od sljedećih komponenata:

1. tri bunara dubine 40 m za izvor svježe vode

2. tri centrifugalne pumpe za podizanje i strujanje vode iz bunara

3. pločasti izmjenjivač topline

4. toplinska pumpa za nižu temperaturu (prva)

5. toplinska pumpa za višu temperaturu (druga)

6. termički izolovan rezervoar za toplu čistu vodu, izdignut na držače

7. termički izolovan rezervoar za toplu otpadnu vodu, smješten u zemlju

8. centrifugalna pumpa za podizanje i strujanje otpadne vode iz podzemnog rezervoara

9. cjevovod za dovođenje čiste vode

10. cjevovod za odvođenje otpadne vode

11. sistem za automatsko upravljanje

12. sistem mjernih instrumenata

5.3 Funkcionisanje sistema

Slika 5.1 Šema rekuperativnog sistema sa izmjenjivačem i toplinskim pumpama; 1-bušotina, 2-centrifugalna pumpa, 3-rezervoar, 4-izmjenjivač topline, 5-toplinska pumpa,

6-odvodna cijev, 7-mašina za pranje rublja

5.6 Matematički opis

• Prijenos topline se ostvaruje u tri stepena:

– u primarnom dijelu pločastog površinskog izmjenjivača

– u isparivaču prve toplinske pumpe

– u isparivaču druge toplinske pumpe

• Predata količina topline u jedinici vremena sa strane otpadne vode () može se izračunati kao:

• Primljena toplinska snaga sa strane čiste vode () može se izračunati kao:

• Potrebna električna snaga za pokretanje elektromotora kompresora i centrifugalnih pumpi može se izračunati kao:

• Energetski stepen dobrote () se računa kao:

• Mjerene vrijednosti su :

− temperatura ulazne otpadne vode− maseni protok otpadne vode− temperatura ulazne čiste vode− temperatura izlazne čiste vode− maseni protok čiste vode− primljena el.snaga elektromotora toplinske pumpe 1− primljena el. snaga elektromotora toplinske pumpe 2

• Vrijednost primljene toplinske snage čiste vode je:

• Vrijednost ukupne uložene električne snage je:

• Vrijednost energetskog stepena dobrote rekuperacije:

5.7 Ekonomska analiza

• Godišnja potrošnja toplinske energije u obliku električne energije:

3440 kWh · 240 dan/god. = 825 600 kWh/god.• Rekuperativni sistem na godišnjem nivou prosječno troši za

zagrijavanje vode od 5 000 kg/h, sa 13°C na 50°C sljedeću količinu električne energije:

34,67 kW · 16 h 240 dan/god. = 133 132 kWh/god. • Godišnja ušteda električne energije primjenom rekuperativnog

sistema je:

825.600 kWh/god. – 133 132 kWh/god. = 692 468 kWh • Vrijednost ušteđene električne energije godišnje:

660 480 kWh/god. · 0,0263 € /kWh = 18 212 € /god.• Ukupna investicija za rekuperativni sistem je oko 60 000 € . • Period povratka investiranog novca:

60 000 € /18 212 € = 3,29 godina• Energetski stepen dobrote sistema kreće se između 6 i 6,5. Ušteda je u

procentima izražena: (1–1/6) 100% = 83% ili (1–1/6,5) 100% = 85%

6. EJEKTORSKE TOPLINSKE PUMPE

• Upotrebljavaju se za iskorištenje toplinske energije iz svih vrsta otpadnih toplih, čistih i zaprljanih, tečnosti, zatim iz podzemnih termalnih voda, vode koja se povremeno ispušta iz kotlova (odsoljavanje i odmuljivanje), toplih navlaženih testastih i drugih materijala.

Slika 6.1 Iskorištenje topline iz otpadne tople vode

Prednosti : a. imaju jednostavnu konstrukcijub. mogu se upotrebiti za niske i

visoke pritiske; za male i velike protoke; za različite temperature

c. nemaju pokretne dijelove pa ne zahtjevaju rezervne dijelove, održavanje i podmazivanje

d. imaju stabilan, miran i tihi rad; ne zahtjevaju rashladne fluide

e. ne zagađuju okolinuf. investiciona ulaganja su mala, a

vijek trajanja praktično neograničen

6.3 Iskorištenje toplinske energije iz otpadne kotlovske vode

• Ugradnjom toplinske pumpe postižu se sljedeće uštede:

a) ušteda u toplinskoj energiji (koja na primjer za kotlove pritiska od 10 bar, po 1 ispuštene vode , koja se u isparivaču ohladi sa 180 na 460, iznosi

b) Q = (2.776.3 – 2.585,1)103 =221.800 kJ = 53.062 kcal - što odgovara 5 – 6 kg mazuta.

c) ušteda u vodi (ispareni usisani dio otpale vode je čist destilat),

d) ekološki povoljnije rješenje (manje zagađivanje okoline, temperatura izlazne vode je cca 290),

e) praktično nema potrošnje energije, jer se koristi energija koja se u reducir ventilu klasičnim postupkom uništava.

7. VISOKOTEMPERATURNE AMONIJAČNE TOPLINSKE PUMPE

• Superiorna termodinamička svojstva amonijaka.

Tabela 7.1. Koeficijent grijanja toplinske pumpe pri radu sa R717 i pri radu sa R134aRashladni fluid R 717 R 134a

Klipni kompresor tipa HPC 106 S SMC 106 S

Broj kompresora 1 1

Procenat opterećenja 100% 100%

Broj radnih cilindara 6/6 6/6

Pogonska brizna učestalosti kretanja 

klipa

1460 RPM 1460 RPM

Rashladni kapacitet 323,2 kW 140 kW

Potrebna pogonska snaga

111, kW 56,8 kW

Kapacitet grijanja 419,7 kW 193,2 kW

Koeficijent grijanja COP

3,75 3,40

Odnos ras. kap. kW/časovne zapremine

0,98 0,42

Slika 7.3 Industrijske oblasti u kojima se koriste amonijačne visokotemperaturne toplinske pumpe

• U zavisnosti od vrste rashladnog sistema i toplotne pumpe, moguće su tri vrste sprege ovih sistema:

– “booster” – jedan tok rashladnog fluida je u rashladnom sistemu i u toplinskoj pumpi;

– kaskadna – izmjenjivač topline fizički razdvaja dva toka rashladnog fluida (u rashladnom sistemu i toplinskoj pumpi);

– indirektna – sa vodom ili rasolinom kao posrednim fluidom između rashladnog sistema i toplinske pumpe.

Slika 7.6 Kaskadna toplinska pumpa HeatPACKSlika 7.5 “Booster” amonijačna toplinska pumpa

7.7 Poređenje koeficijenata grijanja za različite sisteme sprege

Rashladni fluid amonijak R 717Temperatura isparavanja-rashladnog sistema -10°C

Temperatura rashladnog fluida na usisu-rashladnog sistema

0 °C

Tip kompresora-rashladnog sistema VijčaniTemperatura kondenzacije- toplinske pumpe 65 °C

Tip kompresora-toplinske pumpe Klipni

  Booster Kaskadni Indirektan

Rashladni sistem-temperatura 

kondenzacije (°C)

35 35 40

Toplinska pumpa-temperatura 

isparavanja (°C)

35 30 30

Potreban toplinski kapacitet pri 60 °C (kW)

500 500 500

Toplinksa pumpa-utrošena snaga (kW) 

(pri 500 kW toplinskog opterećenja)

58,67 68,57 68,57

Pumpa u krugu vode-utrošena snaga (kW)

0,00 0,00 4,00

Koeficijent grijanja toplinske pumpe

8,52 7,29 7,29

Tabela 7.2 Uporedna analiza koeficijenata grijanja za različite sisteme sprege

7.9 Primjer primjene sistema Exergy+ sa “booster” toplinskom pumpom

Cijena goriva (€ /l) 0,65Efikasnost kotlova (%) 90

Cijena električne energije (€ /kWh)

0,09

Broj kompresora  2Tip kompresora klipni

Marka kompresora SABROModel HPC 108

Kapacitet grijanja (kW) 1222,2Utrošena snaga (kW) 102,1

Koeficijent grijanja(na potisnoj strani)

11,67

Usisni pritisak (bar) 11,67Potisni pritisak (bar) 20,33

Temperatura na potisu (°C) 87,8Projektini pritisak (bar) 40

Ostvarena ušteda

Potrošnjagoriva

-456,530 l/god -296,74 € /god

  Potrošnja  el. energije

103,620 kWh/god 9,325 € /god

  Potrošnja vode

-10,011 /god -11,012 € /god

 Vrijednost ostvarene uštede

-298,341 € /god

 Period otplate investicije 1,6 god.

Tabela 7.3 Tehnički podaci sistema Exergy+ i rezultati postignute uštede

Slika 7.10 Mašinska sala sa toplinskom pumpom Exergy+

Hvala na pažnji

Pitanja ?