HTHP - VYSOKOTEPLOTNÉ TEPELNÉ ČERPADLÁ

 

GL konferencia,Trondheim, 13-15. jún 2022

Ruzhu WANG na konferencii GL uviedol vysokoteplotné tepelné čerpadlo (HTHP) pre priemyselné vykurovanie ako efektívne riešenie na zníženie emisií CO2. Uviedol schémy na zlepšenie priemyselného vysokoteplotného tepelného čerpadla v pracovných médiách, komponentoch a konštrukcii cyklov.

Pre vysokoteplotné tepelné čerpadlo (HTHP) pre priemyselné vykurovanie stále existujú obmedzené riešenia s veľkým rozsahom teplôt a vysokým teplotným nárastom. Problém sú chladivá s nízkym GWP pre HTHP. Použitie prírodných pracovných kvapalín v HTHP nevyhnutnou voľbou. Zistilo sa, že voda by mohla byť najlepšou pracovnou tekutinou v rôznych systémoch HTHP. S vodou ako chladivom by vysokoteplotné tepelné čerpadlo mohlo poskytnúť zvýšenie teploty o 100 °C so splnenými hodnotami COP, systém by mohol byť uzavretý cyklus, kombinované uzavreté a otvorené systémy a dokonca hybridné systémy kompresie pár a absorpcie.

Vhodné chladivá sa líšia v závislosti od technológie kompresora, teploty ohrevu a vykurovacieho výkonu. V porovnaní s prírodnými chladivami, ako sú HCs, CO2 a NH3, je voda najlepšia, keď sa používa vo vysokoteplotnom kaskádnom tepelnom čerpadle s dodávkou tepla nad 100oC. Voda sa používa iba na hornom stupni, a nižší stupeň používa chladivá s nízkym GWP ako sú prírodné chladivá HC, CO2 a NH3. 

Obrázok porovnáva teoretické výsledky COP kandidátskych chladív s nízkym GWP pre HTHP pri pracovných podmienkach 40 °C teplotného zdvihu (rozdiel teplôt medzi kondenzáciou a vyparovaním) a rôznych kondenzačných teplôt. Ako je znázornené na obrázku, R290, R1270 a R1234yf sú vhodnejšie pre výstupné teploty pod 60 °C. R717, R152a, R161, R600a a R1234ze(E) môžu byť použité na dodávku tepla od 60 do 100 °C a R744 je tiež zahrnutý v tejto teplotnej oblasti. HC (R600 a R601), HFO (R1234ze(Z) a R1336mzz(Z)), HCFO (R1224yd(Z) a R1233zd(E)) a voda (R718) majú lepší výkon, keď kondenzačná teplota prekročí 100 °C. Najmä COP výkon R718 (voda) je očividne lepší ako u iných pracovných médií a vykazuje neustále rastúcu účinnosť pri kondenzačnej teplote pod 200 °C. Väčšina chladív však vykazuje optimálne COP v rozmedzí 100 až 200 °C, ktoré sú často o 30 alebo 40 °C nižšie ako ich kritická teplota.

Kompresory v HTHP

Kompresor je kľúčovým komponentom tepelného čerpadla s kompresiou pár, ktorý rozhoduje o zvýšení teploty a účinnosti systému. Typ kompresora je určený hlavne vykurovacím výkonom, pričom skrutkový a piestový typ je vhodný pre priemyselné tepelné čerpadlo menšie ako 100 kW, skrutkový a odstredivý typ sa odporúča pre väčší vykurovací výkon, najmä v megawattovom meradle. Pracovné teplotné rozpätie kompresorov je určené hlavne technológiou chladenia motorového a mazacieho oleja. Ako je uvedené v tabuľke 1, sú zhrnuté niektoré typické produkty kompresorov, čo ukazuje, že Európa a Japonsko vedú pokročilú výrobu kompresorov. Je možné si všimnúť, že je tu prázdna oblasť pre megawattovú kapacitu a podmienky vysokej teploty (>100 °C). Stále je potrebné vyvinúť spoľahlivú a ekonomickú stratégiu chladenia vysokoteplotných kompresorov.

 

Tabuľka komerčné kompresory podľa teploty ohrevu a vykurovacieho výkonu

Vzduchové tepelné čerpadlo s kotlom na paru

Na vybudovanie systému tepelného čerpadla s vodou ako chladivom je potrebný vhodný kompresor. Vstrekovanie vody je výhodné na zníženie výstupnej teploty kompresora. Aplikácia vody nie je obmedzená na uzavretý cyklus. Kombinácia uzavretého kaskádového tepelného čerpadla a otvoreného systému kompresie vodnej pary by sa mala prednostne zvážiť vzhľadom na potenciálny veľký dopyt po pare v priemyselnom procese. Hybridné kompresno-absorpčné tepelné čerpadlo je navyše cestou k vytvoreniu priemyselného vykurovania s veľkou vykurovacou kapacitou. Vzhľadom na veľký podiel spotreby energie a emisií CO2, ktoré zaberá priemyselné vykurovanie, vysokoteplotné priemyselné tepelné čerpadlo bude efektívnym riešením pre uhlíkovo neutrálnu stratégiu, voda je zatiaľ jednoznačne najlepším chladivom.

Obrázok znázorňuje tepelné čerpadlo s kotlom na paru, ktoré dokáže odoberať teplo z okolitého vzduchu a vytvárať vodnú paru s vysokou teplotou. Systém kotla s tepelným čerpadlom sa skladá hlavne z kaskádového tepelného čerpadla, vzduchového zdroja a kompresora vodnej pary, ktoré sú prepojené pomocou separátora. 

Najvýraznejší vplyv na COP má teplota okolia

V podmienkach s konštantnými teplotami sa COP kotla zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou okolia. Keď stredná teplota zvýši, COP kotla sa zvýši až do určitého bodu, potom sa zníži. V dôsledku toho existuje optimálna teplotná zóna pre každú teplotu okolia. Pre okolitú teplotu 15°C, a existuje optimálna oblasť, kde je COP kotla nad 1,7. V určitej oblasti teplôt, je COP vždy nad 1,74.      

Potenciál na výrobu pary s vysokou účinnosťou

Prototyp ASHPB pre pivovarnícky priemysel. Ako je znázornené na obrázku nižšie, prototyp je vybavený hlavne tromi kaskádovými ohrievačmi vody s tepelným čerpadlom, separátorom, kompresorom vodnej pary a systémom čistenia vody. 

Tri kaskádové ohrievače vody s tepelným čerpadlom sú paralelne zapojené na ohrev vody, každý s vykurovacím výkonom 58,5 kW pri menovitých pracovných podmienkach (teplota okolia: -12 °C; Teplota vody na výstupe: 85 °C) a kaskádové tepelné čerpadlo využíva R404A a R245fa ako chladivá pre nízke a vysoké teploty.

Použitý je dvojskrutkový kompresor s variabilnou rýchlosťou pre flexibilný výkon, ktorý môže dodávať paru až do 0,5 t/h. Pre pivovarnícky priemysel je výstupná teplota pary okolo 110 oC, pričom tlak je okolo 0,12 MPa a hmotnostný prietok je okolo 0,2 t/h. 

Obrázok napravo ilustruje teoretickú a experimentálnu účinnosť kotla ASHPB. Plná čiara je teoretický COP získaný simulačným modelom, zatiaľ čo dve bodkované čiary predstavujú 105 % a 95 % teoretickej účinnosti. Červené krížové rozptyly znázorňujú experimentálne údaje vybrané z priemernej hodnoty so stabilným výkonom nad 30 min podľa oficiálneho štandardu účinnosti kotla. Je vidieť, že experimentálne výsledky sú v dobrej zhode s teoretickým výpočtom s odchýlkou ​​menšou ako 5 %. Priemerná účinnosť kotla ASHPB je viac ako 180% pri teplote okolitého vzduchu 15oC a môže dosiahnuť viac ako 165% pri teplote okolitého vzduchu 7oC a výstupnej teplote pary 110oC.

V súčasnosti je navrhovaný systém obmedzený prístupom ku komerčným kompresorom pre chladivá s nízkym GWP a R404A a R245fa použité v kaskádovom tepelnom čerpadle. Perspektívne pre kaskádové tepelné čerpadlo sú chladivá s nízkym GWP ako R290 a R600 a R1234ze(E) a R1233zd(E). Zdroj vzduch má za následok relatívne veľkú hodnotu teplotného nárastu pre tepelné čerpadlo, a tak je ťažké prekročiť celkovú účinnosť kotla vzduchového tepelného čerpadla, hodnotu 2. 

Mohlo by to byť lepšie riešenie, ak sa použije zdroj tepla s vyššou teplotou, ako je teplá voda diaľkového vykurovania z priemyselného odpadového tepla alebo iné. V skutočnosti by sa systém mohol ďalej zjednodušiť a vysokoteplotná para sa môže vyrábať kombináciou existujúcej siete horúcej vody a len kompresora vodnej pary.     

Skúsili sme plnenie chladiva s automatickou váhou

Podľa prehriatia, podchladenia a zadanej hmotnosti 

Plnenie s automatickou váhou s inteligentným ventilom, s pripojením servisných prístrojov ako aj tlakových a teplotných snímačov, sme si vyskúšali v školiacom pracovisku Zväzu. Na automatické plnenie sme využili Smart aplikáciu prepojenú cez Bluetooth na váhu, servisný ventil a tlakové, teplotné snímače. Chladiaci okruh sa dá plniť automaticky podľa zvolených parametrov. Je možné zadať rôzne cieľové parametre: prehriatie, podchladenie alebo hmotnosť chladiva.

Váha a ventil sa automaticky pripoja cez Bluetooth k servisnému prístroju, alebo v aplikácii v smartfóne alebo tablete. Servisný prístroj a aplikácie poskytujú okamžitý grafický alebo tabuľkový prehľad o všetkých nameraných hodnotách. Všetky namerané dáta sú uložené v aplikácii pre dokumentáciu a tvorbu správ.

Automatické plnenie náplne chladiva

            Aplikácia umožňovala zvoliť automatické plnenie podľa:

  1. Prehriatia
  2. Podchladenia
  3. Požadovanej hmotnostnej náplne.

            Plnenie sme zvolili najskôr podľa prehriatia a potom podľa podchladenia.

Skúsenosti z plnenia automatickou váhou

            Najskôr sme pôvodný 1 kg chladiva R134a odsali z chladiaceho okruhu odberovým zariadením na tlak  0,6 bara. Potom sme začali plnenie. Pripojili sme sa cez aplikáciu na smartphone. Vybrali sme príslušné menu. Pripojili automatickú váhu, servisný plniaci ventil, tlakové teplotné sondy. V menu sme zadali cieľovú hodnotu (prehriatie/podchladenie) a váha s ventilom sa automaticky postarali o plnenie chladiva.

Plnenie podľa prehriatia

Nastavili sme v aplikácii žiadané prehriatie 4 K vzhľadom na inštalovaný EEV.  Plnenie prebiehalo automaticky metódou postupných krokoch. Vždy po doplnení približne 200 g chladiva sa plniaci ventil zatvoril. Systém skontroloval dosiahnuté prehriatie a ak požadované prehriatie nedosiahol, pokračoval v plnení. Tak postupne pokračoval až cca 8 krokmi. Takým spôsobom výsledná náplň chladiva bola 1,66 kg.  Plnením podľa prehriatia sme prevýšili pôvodnú náplň chladiva o 66 %.

Plnenie podľa podchladenia

Nastavili sme v aplikácii žiadané podchladenie 5 K vzhľadom na odhadnutú tlakovú stratu v kvapalinovom potrubí.Plnenie prebiehalo automaticky metódou postupných krokoch. Vždy po doplnení približne 200 g chladiva sa plniaci ventil zatvoril. Systém skontroloval dosiahnuté podchladenie. Ak požadované podchladenie nedosiahol, pokračoval v plnení. Tak postupne pokračoval štyrmi krokmi. Takým spôsobom výsledná náplň chladiva bola 0,8 kg.Plnením podľa podchladenia sme pôvodnú náplň chladiva znížili o 20 %.

Diskusia k výsledným náplniam podľa prehriatia a podchladenia

            Možné vysvetlenie diametrálne rozdielnych náplní chladiva spočíva v nesprávnej veľkosti výmenníkoch. Kondenzátor je takmer 2x menší ako výparník. Dá sa predpokladať, že zaplavenie takmer 2x väčšieho výparníka kvapalným chladivo po dosiahnutie prehriatia 4 K si vyžiadalo viac chladiva v chladiacom okruhu. Tým sa dosiahol vyšší rozdiel tlakov na expanznom ventile a zvýšil sa prietok chladiva, ktorý je v celom okruhu rovnaký. Tak postupne EEV dokázal zaplaviť výparník kvapalným chladivom s prehriatím na výstupe 4 K.

 

Podchladenie nie je závislé od výkonu EEV. Podchladenie T3-3´ sa narastajúcim kondenzačným tlakom v dôsledku zvyšovania náplne chladiva zvyšuje, vzhľadom na sklon čiary sýtej kvapaliny. Požadované podchladenie sa tak dosiahlo podstatne skôr ako požadované prehriatie. Aj keď nesprávne veľkosti výmenníkov je na prvý pohľad vidieť, výsledky meraní pri plnení chladiva nám túto skutočnosť potvrdili.    

Viac informácií nájdete v časopise Správy 3/20232