77 1 • 2011 kgh

BI­BLI­D 0350–1426 (206) 40:1 p. 77–84

HIGH TEMPERATURE AMMONIA HEAT PUMP – THE APPLICATION IN INDUSTRIAL PROCESSESProduction processes in the food and beverage industries, as well as in chemical and petrochemical industries, require the cooling and in the same time heating energy in different parts of the factory plant.

Slaughterhouses, ham drying devices, dairy industry and breweries represent some characteristic examples. I­ndustrial refrigeration uses ammonia as a refrigerant more than one century. Such refrigerant provides needed cooling energy in industrial processes.

Today, after the Monteral and Kyoto Protocols in a new ecoligical environment, more recently EU laws and regulations, already in force in most of European countries, establish the position of natural refrigerants, such as ammonia and CO2.

On the other hand, the most recent technological development in refrigeration industry, make it possible to compressors and other refrigeration components to reach the pressure values high above 50 bar. All these facts coupled with high ammonia efficiency, justify the use of the high temperature ammonia heat pumps in industry, whereby the energy savings and reduction of production costs and CO2 emissions are made possible

KEy wORDS: heat pumps; ammonia; industrial application of refrigeration; energy savings

MAURIZIO GIULIANI, Director División Contracting España, “Johnson Controls”, Spain, DEJANA SOLDO, dipl. inž. maš., “Soko inžinjering”, Bul. Arsenija Čarnojevića 125, 11070 Beograd

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

KLJuČNE rEČi: toplotne pumpe; amonijak; industrijska primena hlađenja; ušteda energije

VISOKOTEMPERATURSKE AMONIJAČNE TOPLOTNE PUMPE – PRIMENA U INDUSTRIJSKIM PROCESIMA

Prirodni rashladni fluid R717

Zbog štetnog uticaja na ozonski sloj u atmosferi, CFC ras-hladni fluidi su već zabranjeni i povučeni iz upotrebe u ra-zvijenim 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) jed-nak nuli, ali imaju visok potencijal globalnog zadrevanja (GWP), zbog čega su stavljeni u grupu freona GHGs (gree-nhouse gases) kontrolisanih Protokolom iz Kjota. Amonijak je prirodni rashladni fluid koji je u industriskim rashladnim

78kgh 1 • 2011

sistemima u upotrebi poslednjih 130 godina. On nema ku-mulativni uticaj na životnu sredinu, jer je biorazgradljiv. Is-pušten u vazduh živi 7 do 17 dana, a onda se spaja sa vlagom u vazduhu i formira talog vode i amonijaka. Karak-terišu ga veličine: ODP = 0 i GWP < 1. Zbog toga se smatra ekološkim rashladnim fluidom, i prema evropskim zakoni-ma 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 temperatu-re kondenzacije i veći koeficijent grejanja. Specifična toplo-ta 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 kon-denzaciji 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 temperatu-rama isparavanja i kondenzacije amonijak obezbeđuje veći odnos rashladnog kapaciteta i časovne zapremine kompre-sora, kao i veći koeficijent grejanja, što se vidi poređenjem sa freonom R134a pri istim uslovima rada (slike 1 i 2). Re-zultati su prikazani u tabeli 1.

Slika 1. Logp-h dijagram za R717

Slika 2. Logp-h dijagram za R134a

Nepovoljna osobina amonijaka je njegova toksičnost. Gra-nična koncentraciji iznosi 25 ppm, a simptomi trovanja na-staju pri 2500 ppm. Međutim amonijak se lako detektuje, jer njegov karakterističan miris upozorava već pri koncen-traciji od 5 ppm. Zapaljiv je u visokim koncentracijama i sa neprekidnim spo-ljašnjim izvorom plamena, pa su male količine amonijaka bezbedne i dozvoljene po propisima.Poštovanje propisa i standarda koji se odnose na bezbed-nost prilikom upotrebe ovog rashladnog fluida, kao i dobra

obuka zaposlenih zaduženih za održavanje, svode opa-snost od upotrebe amonijaka na minimum.

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

Rashladni fluid R 717 R 134a

Klipni kompresor tipa HPC 106 S SMC 106 S

Broj kompresora 1 1

Procenat opterećenje 100% 100%

Broj radnih cilindara 6/6 6/6

Pogonska brzina učest. kretanja klipa 1460 RPM 1460 RPM

Rashladni kapacitet 323,2 kW 140 kW

Potrebna pogonska snaga 111,7 kW 56,8 kW

Kapacitet grejanja 419,7 kW 193,2 kW

Koef. grejanja COP 3,75 3,40

Odnos ras. kap. kW / časovne zapremine 0,98 kW/m3h 0,42 kW/m3h

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 ze-mljama 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 ušte-du energije.

Primena visokotemperaturskih toplotnih pumpi pruža mo-gućnost 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 kon-denzacije od rashladnog sistema.

Izvori odbačene toplote kondenzacije u industrijskim proce-sima 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.

79 1 • 2011 kgh

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 visokotem-peraturske toplotne pumpe prikazane su na (slici 4).

Slika 4. Industrijske oblasti u kojima se koriste amonijačne visoko-temperaturske toplotne pumpe

Tehnika primene visokotemperaturskih toplotnih pumpi sa amonijakomSpregom sistema toplotne pumpe u seriji sa rashladnim si-stemom (slika 5), postiže se ušteda energije, koja se ogleda u sledećem: smanjenoj potrošnji fosilnih goriva u kotlovima za proizvodnju potrebne toplotne energije, čime je smanje-na i emisija štetnih gasova koja bi nastala sagorevanjem tog goriva.

Slika 5. Šema sprege sistema toplotne pumpe sa rashladnim si-stemom

Sa druge strane javiće se dodatna potrošnja relativno male količine električne energije potrebne da se u toplotnoj pum-pi izvrši kompresija rashladnog fluida do odgovarajuće tem-perature na kojoj je moguće razmeniti toplotu kondenzacije rashladnog sistema i iskoristiti je za proizvodnju potreb-ne toplotne energije. Na taj način biće smanjena utrošena električna energija i količina vode potrebne za rad evapo-rativnog kondenzatora koji se obično koristi za kondenzaci-ju pare rashladnog fluida u rashladnom sistemu. Rashladni

sistem će moći da radi i sa nižom temperaturom kondenza-cije, čime se povećava koeficijent hlađenja, smanjuje utro-šena 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 pum-pi);

– indirektna – sa vodom ili rasolinom kao posrednim flui-dom između rashladnog sistema i toplotne pumpe.

“Booster” sistem Otpadna toplota kondenzacije niske temperature iz ras-hladnog sistema koristi se kao izvor toplote za “booster” si-stem toplotne pumpe koji podiže ovu toplotu na viši nivo temperature. Para amonijaka sa potisa kompresora ras-hladnog sistema potisnuta je kompresorima toplotne pum-pe 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 ras-hladnog sistema biće ohlađena do temperature zasićenja kaja odgovara usisnom pritisku toplotne pumpe.

U razmenjivaču toplote para visokog pritiska sa potisa kom-presora toplotne pumpe, predaće toplotu vodi odnosno ko-risniku toplote u industriskom procesu. Šema ovog sistema sprege prikazana je na slici 6, a na slici 7 prikazana je foto-grafija odgovarajućeg sistema.

Slika 6. Šema “booster” sistema sprege toplotne pumpe sa ras-hladnim sistemom

Kaskadni sistemPara rashladnog fluida sa potisa kompresora iz rashladnog sistema kondenzuje se u razmenjivaču toplote, u kome isto-vremeno 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 hlađe-nja i toplotne pumpe (na niskotemperaturskoj i visokotem-peraturskoj strani kaskadnog sistema) jer se u tom slučaju izbegavaju energetski gubici usled dodatne temperatur-ske razlike (3–5 °C) na razmenjivaču toplote, koji je ispari-vač gornje kaskade, odnosno kondenzator donje kaskade. Šema ovog sistema sprege prikazana je na slici 8, a na slici 9 prikazana je fotografija odgovarajućeg sistema.

80kgh 1 • 2011

Slika 7. “Booster” amonijačna toplotna pumpa (Johnson Controls – Exergy+tm)

Slika 8. Šema kaskadnog sistema sprege toplotne pumpe sa rashladnim sistemom

Slika 9. Kaskadna toplotna pumpa HeatPACK (Johnson Controls – Sabroe)

Indirektan sistemIndirektan sistem se najčešće koristi kada se kondenzaci-ja u rashladnom sistemu vrši pomoću vode. U tom sluča-

ju se posredno, pomoću posebnog vodenog kruga, toplota kondenzacije rashladnog sistema koristi za isparavanje rashladnog fluida u toplotnoj pumpi. Pri tome postoje ener-getski gubici usled razlike temperatura kondenzacije ras-hladnog sistema i temperature isparavanja toplotne pumpe, koja može biti i do 10 °C, čime se snižava ukupna efika-snost 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 po-stojećim sistemima klimatizacije. Šema tog sistema sprege prikazana je na slici 10. U tom sistemu korišćena je toplot-na pumpa voda–voda: “HeatPACK Low ammonia charge”, danske firme Sabroe.

Slika 10. Šema indirektnog sistema sprege toplotne pumpe sa rashladnim sistemom

Poređenje koeficijenata grejanja za različite sisteme spregeU tabeli 2 prikazana je uporedna analiza primene prethod-no pomenutih tipova sprege: rashladnog sistema i toplotnih pumpi, u istim uslovima rada.

Tabela 2. Uporedna analiza koeficijenta grejanja za različite siste-me sprege

Rashladni fluid amonijak NH3 R 717 Temperatura isparavanja – rashladnog sistema –10Temperatura rashladnog fluida na usisu – rashladnog sistema 0 0CTip kompresora – rashladnog sistema VijčaniTemperatura kondenzacije – toplotne pumpe 65 0CTip kompresora – toplotne pumpe klipni

Booster Kaskadni Indirektan

Rashladni sistem – temperatura kondenzacije (°C) 35 35 40

Toplotna pumpa – temperatura isparavanja (°C) 35 30 30

Potreban toplotni kapacitet pri 60 °C (kW) 500 500 500

Toplotna pumpa – utrošena snaga (kW) (pri 500 kW toplotnog opretećenja) 58,67 68,57 68,57

Pumpa u krugu vode – utrošena snaga (kW) 0,00 0,00 4,00

Koeficijent grejanja toplotne pumpe 8,52 7,29 7,29

I­z prikazanih rezultata vidimo da najbolji koeficijent kori-snog učinka ima “booster” sistem, jer u tom sistemu nema

81 1 • 2011 kgh

energetskih gubitaka usled temperaturskih razlika u razme-njivaču toplote koji koristi toplotu kondenzacije rashladnog sistema za isparavanje amonijaka u toplotnoj pumpi.

Postignuta ušteda energije i kako je predvidetiU industrijskoj oblasti potrebno je pružiti klijentima preciznu analizu tehničkih i ekonomskih pokazatelja koji će opravda-ti rad sistema kao i visinu ulaganja. I­z tih razloga kompa-nija 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 oprav-danosti zajedno sa inženjerima održavanja i proizvodnim stručnjacima. Ova prva analiza uzima u obzir raspoložive iskustvene i proizvodne podatke, kao što su: vrsta rashlad-nog sistema; vreme rada sistema u toku godine; potreba za grejanjem u industrijskom procesu (godišnje toplotno opte-rećenje); zahtevane temperaturske režime; potrošnju gori-va; cenu električne energije itd. U sledećem koraku u industrijskom procesu vrše se mere-nja, kako bi se ustanovile stvarne vrednosti kao što su:– raspoloživa količina otpadne toplote kondenzacije iz ras-

hladnog sistema za reprezentativni period vremena to-kom 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 spro-vedenog 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 na-pravljeni za izvedeni projekat.

Slika 11. Grafik apsorbovane količine struje (u amperima)

Slika 12. Grafik ulazne/izlazne temperature vode postojećeg kotla

Slika 13. Unos podataka za izračunavanje utrošene energije za pro-izvodnju sanitarne tople vode

Slika 14. Unos podataka za izračunavanje utrošene električne ener-gije u sistemu za sušenje šunke

82kgh 1 • 2011

Slika 15. Primer završnog izveštaja

Primer primene sistema Exergy+ sa “booster” toplotnom pumpomSistem Energy+ instaliran je u postrojenju fabrike smešte-ne u malom gredu Cantagallo (Salamanca), u centralnoj za-padnoj regiji Španije pod nazivom CASTI­LLA-LEON koji je u radu od 2009. godine.

Ova oblast dobro je poznata po proizvodnji šunke “pata ne-gra”. Sistem je instaliran u postrojenju jednog od najznačaj-nijih proizvođača ove šunke (slika 16).

Slika 16. Mašinske sale sa toplotnom pumpom Exergy+

U ovom postrojenju “booster” toplotna pumpa proizvodi to-pli glikol temperature 45 °C koji se koristi za proces suše-nja 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 proi-zvodnju 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.

Tabela 3. Tehnički podaci sistema Exergy+ i rezultati postignu-te uštede

Cena goriva (€/l) 0,65Efikasnost kotlova (%) 90Cena elek. energije (€/kWh) 0,09Broj kompresora 2Tip kompresora klipniMarka kompresora SABROModel HPC 108Kapacitet grejanja (kW) 1222,2Utrošena snaga (kW) 102,1Koeficijent grejanja (na potisnoj strani) 11,67Usisni pritisak (bar) 11,67Potisni pritisak (bar) 20,33Temperatura na potisu (0C) 87,8Projektni pritisak (bar) 40

Ostvarena ušteda potrošnje goriva –456.530 l/god. –296.744 €/god.

potrošnje električne energije 103.620 kWh/god. 9.325 €/god.

potrošnje vode –10.011 m3/god. –11.012 €/god.

Vrednost ostvarene uštede –298.431 €/godPeriod otplate investicije 1,6 godina

Slika 17. Početni meni Exergy+ mikroprocesora

Slika 18. Ekran Exergy+ mikroprocesora prikazuje oslobođenu sna-gu grejanja u dva grejna ciklusa, zajedno sa utrošenom strujom u klipnim kompresorima visokog pritiska firme SABROE

83 1 • 2011 kgh

Slika 19. Ekran Exergy+ mikroprocesora prikazuje ekvivalent po-trošnje goriva, odnosno količinu ušteđenog goriva

Zaključak Kao što je pokazano, visokotemperaturske amonijačne toplotne pumpe omogućavaju uštedu energije, redukci-ju eksploatacionih troškova kao i smanjenje emisije štet-nih gasova u atmosferu. Ova dobro razvijena i pouzdana tehnologija omogućava izuzetno kratko vreme otplate ula-ganja.

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

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

Literatura[1] Pearson, Andy, Ammonia’s Future, ASHRAE journal, Febru-

ary 2008.[2] Ciconkov, R., Nove tehnologije u amonijačnim sistemima za

hlađenje i klimatizaciju, zbornik radova za 37. kongres o KGH, SMEI­TS, Beograd, 2006.

[3] Nkonzo, Nondi, Use of natural refrigerants in heat pumps for industry, I­MD, March 2010.

[4] *** Sabro Refrigeration A/S, Sabroe packaged ammonia heat pump, Job report.

[5] *** Johnson Controls Spain, High Temperature Ammonia Heat Pump for Industrial Applications, Job report 2009.

kgh