VISOKOTEMPERATURSKE AMONIJAČNE TOPLOTNE PUMPE – PRIMENA U INDUSTRIJSKIM PROCESIMA

Procesi proizvodnje u industriji hrane i pića, kao i u hemijskoj i petrohemijskoj industriji, imaju potrebu za hlađenjem, a u isto vreme zahtevaju i toplotnu energiju u različitim delovima fabričkog postrojenja.

Klanice, sušionice šunke, mlečna industrija i pivare predstavljaju karakteristične primere. Više od jednog veka u industrijskom hlađenju koristi se amonijak kao rashladni fluid koji obezbeđuje rashladnu energiju potrebnu u industrijskim procesima.

Sada, posle protokola iz Montreala i Kjota, u novom ekološkom okruženju, najnoviji zakoni i propisi u Evropskoj uniji koji su na snazi u većini evropskih zemalja, učvršćuju mesto prirodnih rashladnih fluida, kao što su amonijak i ugljen-dioksid.

S druge strane, najnovija tehnološka dostignuća u rashladnoj industriji dozvoljavaju da kompresori i druge rashladne komponente, dostignu vrednosti radnog pritiska iznad 50 bar. Sve ove činjenice, zajedno sa visokom efikasnošću amonijaka, opravdavaju upotrebu visokotemperaturskih amonijačnih toplotnih pumpi u industriji, čime su omogućeni ušteda energije i smanjenje troškova proizvodnje i emisije CO2.

Prirodni rashladni fluid R717

Zbog štetnog uticaja na ozonski sloj u atmosferi, CFC rashladni fluidi su već zabranjeni i povučeni iz upotrebe u razvijenim zemljama, što je predviđeno i za HCFC rashladne fluide. Kao moguća zamena, 1990-ih godina pojavili su se alternativni sintetički rashladni fluidi HCF, koji nisu štetni za ozon jer je njihov potencijal razgradnje ozona (ODP) jednak nuli, ali imaju visok potencijal globalnog zadrevanja (GWP), zbog čega su stavljeni u grupu freona GHGs (greenhouse gases) kontrolisanih Protokolom iz Kjota.

Amonijak je prirodni rashladni fluid koji je u industriskim rashladnim sistemima u upotrebi poslednjih 130 godina. On nema kumulativni uticaj na životnu sredinu, jer je biorazgradljiv. Ispušten u vazduh živi 7 do 17 dana, a onda se spaja sa vlagom u vazduhu i formira talog vode i amonijaka.

Karakterišu ga veličine: ODP = 0 i GWP < 1. Zbog toga se smatra ekološkim rashladnim fluidom, i prema evropskim zakonima i regulativama, kao i prema protokolima iz Montreala i Kjota odobren je za upotrebu.

Amonijak ima superiorna termodinamička svojstva. Visoka kritična temperatura (132 °C) omogućava više temperature kondenzacije i veći koeficijent grejanja. Specifična toplota tečnog i parnog amonijaka je oko četiri puta veća od one koju ima R22, a toplota isparavanja mu je oko šest puta veća, pa je koeficijent prelaza toplote pri isparavanju i kondenzaciji srazmerno veći.

Zbog veće toplote isparavanja i specifične zapremine pare, amonijačni sistemi zahtevaju manje cevovode za isti rashladni kapacitet.

Amonijak je energetski visoko efikasan. Pri istim temperaturama isparavanja i kondenzacije amonijak obezbeđuje veći odnos rashladnog kapaciteta i časovne zapremine kompresora, kao i veći koeficijent grejanja, što se vidi poređenjem sa freonom R134a pri istim uslovima rada (slike 1 i 2). Rezultati su prikazani u tabeli 1.

Nepovoljna osobina amonijaka je njegova toksičnost. Granična koncentraciji iznosi 25 ppm, a simptomi trovanja nastaju pri 2500 ppm. Međutim amonijak se lako detektuje, jer njegov karakterističan miris upozorava već pri koncentraciji od 5 ppm.

Zapaljiv je u visokim koncentracijama i sa neprekidnim spoljašnjim izvorom plamena, pa su male količine amonijaka bezbedne i dozvoljene po propisima.

Poštovanje propisa i standarda koji se odnose na bezbednost prilikom upotrebe ovog rashladnog fluida, kao i dobra obuka zaposlenih zaduženih za održavanje, svode opasnost od upotrebe amonijaka na minimum.

Tabela 1. Koeficijent grejanja toplotne pumpe pri radu sa R717 i pri radu sa R134a

Amonijak ima nisku cenu, u odnosu na HFC rashladne flu-ide, pogotovo u zemljama gde su uvedeni dodatni ekološki porezi.

Odnos cena nekih rashladnih fluida u različitim zemljama prikazan je na dijagramu (slika 3).

Slika 3. Odnos cena različitih rashladnih fluida u nekim zemljama

Oblast primene visokotemperaturskih amonijačnih toplotnih pumpi

Sve veći zahtevi za toplotnom energijom, nagli porast cena fosilnih goriva, kao i sami ekološki faktori, navode nas da koristimo sve raspoložive sisteme koji omogućavaju uštedu energije.

Primena visokotemperaturskih toplotnih pumpi pruža mogućnost uštede u onim industrijskim oblastima i procesima gde postoji zahtev za grejanjem u opsegu od 40 °C do 90 °C, i gde u isto vreme ima dovoljno odbačene toplote kondenzacije od rashladnog sistema.

Izvori odbačene toplote kondenzacije u industrijskim procesima u opsegu od 25 °C do 35 °C su:

– rashladne komore 0 °C/–30 °C;

– tuneli za smrzavanje –40 °C/–50 °C;

– prostori za manipulaciju i pripremu +20 °C/+4 °C;

– procesi sušenja 2 °C/13 °C;

– hlađenje tečnosti,

– i drugi procesi koji zahtevaju hlađenje.

Potrošači toplote iz kotlova u industrijskim procesima u temperaturskom opsegu od 45 °C do 90 °C su:

– procesi u proizvodnji piva;

– procesi sušenja;

– tekuća voda za industrisko pranje;

– tekuća voda za sanitarnu upotrebu;

– sistemi grejanja za kancelarije i druge proizvodne pro-store;

– voda za napajanje parnih kotlova.

Najčešće industrijske oblasti u kojima se koriste visokotemperaturske toplotne pumpe prikazane su na (slici 4).

Slika 4. Industrijske oblasti u kojima se koriste amonijačne visokotemperaturske

toplotne pumpe

Tehnika primene visokotemperaturskih toplotnih pumpi sa amonijakom

Spregom sistema toplotne pumpe u seriji sa rashladnim sistemom (slika 5), postiže se ušteda energije, koja se ogleda u sledećem: smanjenoj potrošnji fosilnih goriva u kotlovima za proizvodnju potrebne toplotne energije, čime je smanjena i emisija štetnih gasova koja bi nastala sagorevanjem tog goriva.

Slika 5. Šema sprege sistema toplotne pumpe sa rashladnim sistemom

Sa druge strane javiće se dodatna potrošnja relativno male količine električne energije potrebne da se u toplotnoj pumpi izvrši kompresija rashladnog fluida do odgovarajuće temperature na kojoj je moguće razmeniti toplotu kondenzacije rashladnog sistema i iskoristiti je za proizvodnju potrebne toplotne energije.

Na taj način biće smanjena utrošena električna energija i količina vode potrebne za rad evaporativnog kondenzatora koji se obično koristi za kondenzaciju pare rashladnog fluida u rashladnom sistemu. Rashladni sistem će moći da radi i sa nižom temperaturom kondenzacije, čime se povećava koeficijent hlađenja, smanjuje utrošena električna energija i produžava radni vek sistema.

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 toplotnoj pumpi;

– kaskadna – razmenjivač toplote fizički razdvaja dva toka rashladnog fluida (u rashladnom sistemu i toplotnoj pumpi);

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

“Booster” sistem

Otpadna toplota kondenzacije niske temperature iz rashladnog sistema koristi se kao izvor toplote za “booster” sistem toplotne pumpe koji podiže ovu toplotu na viši nivo temperature. Para amonijaka sa potisa kompresora rashladnog sistema potisnuta je kompresorima toplotne pumpe na viši pritisak i temperaturu.

Pre nego što dospe do kompresora visokog stepena, para amonijaka koja dolazi iz rashladnog sistema, skuplja se u “desuperheater”-u. U ovoj posudi para amonijaka iz rashladnog sistema biće ohlađena do temperature zasićenja kaja odgovara usisnom pritisku toplotne pumpe.

U razmenjivaču toplote para visokog pritiska sa potisa kompresora toplotne pumpe, predaće toplotu vodi odnosno korisniku toplote u industriskom procesu. Šema ovog sistema sprege prikazana je na slici 6, a na slici 7 prikazana je fotografija odgovarajućeg sistema.

Slika 6. Šema “booster” sistema sprege toplotne pumpe sa rashladnim sistemom

Kaskadni sistem

Para rashladnog fluida sa potisa kompresora iz rashladnog sistema kondenzuje se u razmenjivaču toplote, u kome istovremeno isparava rashladni fluid iz toplotne pumpe.

U ovom slučaju, u rashladnom sistemu mogu se takođe koristiti i freoni iz grupe HCFC-a ili HFC-a. Preporuka je ne koristiti različita rashladna sredstva u sistemu hlađenja i toplotne pumpe (na niskotemperaturskoj i visokotemperaturskoj strani kaskadnog sistema) jer se u tom slučaju izbegavaju energetski gubici usled dodatne temperaturske razlike (3–5 °C) na razmenjivaču toplote, koji je isparivač gornje kaskade, odnosno kondenzator donje kaskade.

Šema ovog sistema sprege prikazana je na slici 8, a na slici 9 prikazana je fotografija odgovarajućeg sistema.

Indirektan sistem

Indirektan sistem se najčešće koristi kada se kondenzacuija u rashladnom sistemu vrši pomoću vode.U tom slučaju se posredno, pomoću posebnog vodenog kruga, toplota kondenzacije rashladnog sistema koristi za isparavanje rashladnog fluida u toplotnoj pumpi. Pri tome postoje energetski gubici usled razlike temperatura kondenzacije rashladnog sistema i temperature isparavanja toplotne pumpe, koja može biti i do 10 °C, čime se snižava ukupna efikasnost celog sistema. Utrošena električna energija za pogon pumpi za cirkulaciju vode dodatno će umanjiti efikasnost.

Sa druge strane, to je relativno jednostavan sistem koji je moguće primeniti u postojećim rashladnim sistemima i postojećim sistemima klimatizacije. Šema tog sistema sprege prikazana je na slici 10. U tom sistemu korišćena je toplotna pumpa voda–voda: “HeatPACK Low ammonia charge”, danske firme Sabroe.

Poređenje koeficijenata grejanja za različite sisteme sprege

U tabeli 2 prikazana je uporedna analiza primene prethodno pomenutih tipova sprege: rashladnog sistema i toplotnih pumpi, u istim uslovima rada.

Iz prikazanih rezultata vidimo da najbolji koeficijent korisnog učinka ima “booster” sistem, jer u tom sistemu nema energetskih gubitaka usled temperaturskih razlika u razmenjivaču toplote koji koristi toplotu kondenzacije rashladnog sistema za isparavanje amonijaka u toplotnoj pumpi.

Postignuta ušteda energije i kako je predvideti

U industrijskoj oblasti potrebno je pružiti klijentima preciznu analizu tehničkih i ekonomskih pokazatelja koji će opravdati rad sistema kao i visinu ulaganja. Iz tih razloga kompanija Johnson Controls razvila je protokol i poseban softwer Exergy+, pomoću koga prezentuje klijentima vrednosti koje omogućavaju proračun troškova eksploatacije, uštede energije, kao i procenu perioda otplate ulaganja.

Prvi korak se sastoji u izradi studije izvodljivosti i opravdanosti zajedno sa inženjerima održavanja i proizvodnim stručnjacima. Ova prva analiza uzima u obzir raspoložive iskustvene i proizvodne podatke, kao što su: vrsta rashladnog sistema; vreme rada sistema u toku godine; potreba za

grejanjem u industrijskom procesu (godišnje toplotno opterećenje); zahtevane temperaturske režime; potrošnju goriva; cenu električne energije itd.

U sledećem koraku u industrijskom procesu vrše se merenja, kako bi se ustanovile stvarne vrednosti kao što su:

– raspoloživa količina otpadne toplote kondenzacije iz rashladnog

sistema za reprezentativni period vremena tokom dana;

– utrošena toplotna energija u industrijskom procesu;

– efikasnost kotlova za proizvodnju potrebne toplotne energije;

– cena utrošene energije (obuhvata električnu energiju i potrošnju goriva);

– zavisno od industrijskog procesa i druge važne veličine potrebne za konačnu studiju.

Nakon unosa ulaznih podataka i izmerenih vrednosti i sprovedenog proračuna uz pomoć pomenutog softvera, završni izveštaj prikazuje postignutu uštedu energije sa stanovišta:

– sačuvane količine goriva (kg/god.);

– sačuvane količine vode u sistemu rashladne kule (m3/ god.);

– smanjene emisiji CO2 u atmosferu (tona/god.);

– utrošene električne energije (kW),

– ukupne vrednosti postignute uštede.

Na slikama 11–15 prikazani su primeri izveštaja koji su napravljeni za izvedeni projekat.

Primer primene sistema Exergy+ sa “booster” toplotnom pumpom

Sistem Energy+ instaliran je u postrojenju fabrike smeštene u malom gredu Cantagallo (Salamanca), u centralnoj zapadnoj regiji Španije pod nazivom CASTILLA-LEON koji je u radu od 2009. godine.

Ova oblast dobro je poznata po proizvodnji šunke “pata negra”. Sistem je instaliran u postrojenju jednog od najznačajnijih proizvođača ove šunke (slika 16).

U ovom postrojenju “booster” toplotna pumpa proizvodi topli glikol temperature 45 °C koji se koristi za proces sušenja šunke i toplu vodu temperature 60 °C za svakodnevno čišćenje prostorija.

Exergy+ je patentiran sistem sa toplotnom pumpom koji vrši rekuperaciju odbačene toplote iz postojećeg sistema za hlađenje opremljenog sa tri vijčana kompresora za proizvodnju hladnog glikola temperature –8 °C koji se koristi u procesu konzervacije šunke.

U tabeli 3 prikazani su tehnički podaci o sistemu Exergy+, kao i rezultati postignute uštede.

Zaključak

Kao što je pokazano, visokotemperaturske amonijačne toplotne pumpe omogućavaju uštedu energije, redukciju eksploatacionih troškova kao i smanjenje emisije štetnih gasova u atmosferu. Ova dobro razvijena i pouzdana tehnologija omogućava izuzetno kratko vreme otplate ulaganja.

U mnogim evropskim zemljama toplotne pumpe sa malim punjenjem amonijaka koriste se u stambenim zgradama kao i u centralnim sistemima daljinskog grejanja, gde koriste podzemne vode kao toplotni izvor niske temperature. Danska i druge zemlje severne Evrope dobar su primer uspešne primene ove tehnologije.

Najnoviji zakoni i propisi EU koji su na snazi u većini evropskih zemalja, visoka efikasnost amonijaka, kao i najnovija tehnološka dostignuća u rashladnoj industriji, navode nas da koristimo sve raspoložive sisteme koji omogućavaju uštedu energije, kao što je primena visokotemperaturskih amonijačnih toplotnih pumpi u industrijskim procesima.