Højtemperaturvarmepumpe til tunnelovn

Projektperiode: 2020 - 2022
Industri
352-009_foto

The conical spindle compressor with one of the rotors installed. Foto: KRAL

I projektet udvikles en tunnelovn og en højtemperaturvarmepumpe til et hidtil uset højt temperaturniveau på over 200 °C til anvendelse i tunnelovne og tørreanlæg. Varmepumpen vil have vand som kølemiddel og dermed være miljøvenlig. 

Projektet har fremstillet en prototypekompressor, som er installeret på en testrig. Her blev der udført en velfungerende mekanisk funktionstest og en ydelsesmåling for kompressoren.
 

Projektbeskrivelse

I industrien udgør energiforbruget til ovne og tørringsanlæg mere end 20% af det totale energiforbrug. I sådanne anlæg opvarmes luft til 150–250 °C, hvilket typisk sker ved direkte gasfyring.

I projektet udvikles en varmepumpe prototype til temperaturniveauet omkring 200 °C (150–250 °C). Varmepumpen testes på en eksisterende forsøgstunnelovn. Vanddamp bruges som kølemiddel og har fordelagtige termiske egenskaber og er det mest miljøvenlige kølemiddel. Forbruget af primær energi vil reduceres til en tredjedel ved implementering af denne varmepumpe i tunnelovne og være et vigtigt bidrag til den grønne omstilling fra gas til el på en meget energieffektiv måde.

Varmepumpen til tunnelovnen baseres på en kompressor fra det tyske iværksætterfirma iCooler og er en modificeret version af en vakuumpumpe fra tyske SIHI, der er markedsledende på vakuumpumper. Vakuumpumpen er en tørløbende spindle type, og den tænkes modificeret til vanddamp ved at redesigne profiler, motor og styringselektronik samt benytte vandindsprøjtning. Vandindsprøjtningen foregår løbende i kompressionen og sikrer en mere energieffektiv kompression, tætning mellem rotorerne og ren reduceret trykgastemperatur.

Teknologien udvikles til den danske producent Flexmatic med forventning om indgåelse af aftale om licensproduktion i Danmark (CS Techcom). Herved opnår Flexmatic et miljøvenligt og bæredygtigt produkt, som vil styrke deres konkurrenceevne.

Tunnelovnen har en energienhed til opvarmning af den cirkulerede luft. I de nuværende anlæg opvarmes luften i en gasfyret varmeveksler. I forsøgstunnelovnen indbygges varmeflader til varmepumpens fordamper og kondensator. Således erstattes gas som energitilførsel med el, som via varmepumpen har en høj virkningsgrad. Projektets formål er elektrificering af energiforbruget i tunnelovne og en betragtelig reduktion af det samlede energiforbrug.

I de fleste anvendelser af tunnelovne sker der en tørring af produktet, og varmepumpen henter energien ved kondensering af den fugtige returluft fra ovnen. Beregninger viser, at der kan opnås en COP på ca. 3. Efter installation foretages testkørsler på forsøgstunnelovnen for at teste kompressoren specifikt og for at teste hele varmepumpen – både funktion og performance.

Resultat

Formålet med projektet var at udvikle og teste en dampkompressor, der kunne passe ind i en varmepumpe, som igen kunne opfylde kravene til tunnelovne og spray tørrere med hensyn til fremløbs-temperaturer i området 200°C til 250° C – og derved erstatte gasfyrede enheder.

En kompressor af spindeltypen blev designet til en kapacitet på 130 kW og et temperaturløft fra 105°C til 230°C med vanddamp (damp) som arbejdsmedie. Kompressoren er designet med et indbygget trykforhold på ca. 1:20 og vandindsprøjtning til tætning og reduktion af trykgas temperaturen.

Fremstillingen af de kritiske spindle komponenter viste sig at være væsentligt mere kompliceret end forudsat.

Geometrien af de designede spindler viste sig at være for kompliceret til, at de umiddelbart kunne fremstilles ved at dreje på en drejebænk. Det var nødvendigt at bruge 5-akset bearbejdning til de første prototyper. Så selve fremstillingen af de kritiske spindle komponenter viste sig at være væsentligt mere kompliceret end forudsat.

Det viste sig også at være ret udfordrende at samle kompressoren med spindler og indsætte den i et eksisterende kompressorhus, især med hensyn til at finde måder at måle spillerum på for at sikre korrekt montering – det blev til dels nødvendigt at benytte indirekte metoder.

På grund af de opståede forsinkelser og projektets tidsbegrænsning blev det besluttet af flytte testen fra den oprindeligt planlagte test tunnelovn. I stedet blev den fremstillede prototypekompressor installeret på en nyligt etableret testrig på Teknologisk Institut, hvor der blev udført en mekanisk funktionstest og en ydelsesmåling.

Mekanisk er det en velfungerende kompressor med et lavt vibrations- og støjniveau, og den har et mekanisk tab på ca. 6 kW ved fuld hastighed (8000 rpm) i den aktuelle konfiguration.

Ydeevnemæssigt klarede kompressoren sig ikke tilfredsstillende uden vandindsprøjtningen i forhold til forventningerne. Men med vandindsprøjtning producerede kompressoren en volumenstrøm og trykstigning på flere bar, begrænset af testriggen. Volumenstrømmen og det maksimale trykforhold var stadig lavere end designværdien, og er sandsynligvis afhængig af den valgte tolerance for afstanden mellem spindlen og kompressorhuset - et forhold, der sandsynligvis vil blive analyseret og ændret i den videre udviklingsproces.

En funktionel kompressor kan være inden for rækkevidde blot ved at variere frigangen

Resultaterne af målingerne var meget opmuntrende, idet kompressoren fungerede fremragende mekanisk. Resultaterne indikerer, at der i starten blev valgt en ret stor afstand mellem spindel og hus for at være sikker på, at spindlerne ikke satte sig eller låste sig på prototypen. Hvis det er tilfældet, er en funktionel kompressor inden for rækkevidde blot ved at variere frigangen. Ellers vil det være en revision af spindeldesignet og vandinjektionsdesignet.

Mere information

Projekt nummer

352-009

Projektansvarlig
Teknologisk Institut

Dokumenter

Projektdeltagere

Flexmatic ApS
SENIUS Equipment Aps
Hamburg Vacuum
CS Techcom ApS
SANOVO Technology Process A/S

Økonomi

Bevillingsår
2020
Tilskud
Kr. 1.953.754
46%
Egenfinansiering
Kr. 2.305.386
54%
Total budget
Kr. 4.259.140
Timer
4.050