Pinch point optimeret semikaskadevarmepumpe (PiPoVP)
Testopbygning af semikaskadevarmepumpe. Foto: Projektgruppen.
Projektet har været en succes, i og med at der er udviklet et nyt varmepumpedesign, som med fordel kan anvendes, når der er behov for høje fremløbstemperaturer på op til 120 °C – 130 °C, og hvor temperaturgradienten er relativt stor. Dette giver en række muligheder for anvendelse af konceptet i procesindustrien – fx til pasteurisering, fjernvarmenettet og ved udnyttelse af overskudsvarme fra køleanlæg.Projektet har også vist, at kombinationen af ammoniak og isobutan er en velegnet løsning til at opnå disse høje temperaturer. Der er nogle spørgsmål, der stadig bør arbejdes med for at give en sikker implementering af teknikken. Eksempler på dette er ønsker om bedre vurderingsmuligheder for levetider for kompressorerne og om muligheder for valg af olie. Ligeledes vil der være behov for at opnå driftserfaringer med teknikken. Projektet har også vist, at det vil være muligt at erstatte gas som den traditionelle energikilde i de processer, hvor der er behov for at anvende høje temperaturer. Udgangspunktet for konceptet var i sin enkle form en videreudvikling af kaskadeprincippet. Kaskadeprincippet bygger på, at energien løftes fra en lav temperatur til en højere temperatur i flere omgange – dvs. ved hjælp af to eller flere varmepumper. Udgangspunktet for konceptet er at få lavtrykstrinnet til at generere så stor en del af temperaturløftet på vandet som muligt. Hvis formålet fx er at hæve vandtemperaturen fra 40 °C til 80 °C med kølemidlet ammoniak, så ville man kunne introducere et slags semikaskadeanlæg, hvor det øverste trin kun løftede en meget beskeden andel af den samlede effekt. Udfordringen har været, om man vil kunne finde varmevekslere, der kan løse opgaven, i og med at der er relativt store volumenstrømme samtidig med relativt små effekter, hvilket har vist sig ikke at være praktisk muligt inden for projektets rammer. Når denne metode anvendes, reduceres det nødvendige kompressorarbejde, da kun en mindre del af kølemidlet fra lavtrykstrinnet vil skulle komprimeres op til det høje tryk i modsætning til normale kaskadeanlæg, hvor alt kølemiddel skal komprimeres op fra lavtrykstrinnet. Det er vurderet, at der er et besparelsespotentiale på op til 15 % på anlæggets effektivitet. Designet kan med fordel også anvendes ved integration med køleanlæg, hvorfra udnyttelse af overskudsvarme er ønskelig. Ved indkobling af en mindre varmepumpe på toppen af et køleanlæg vil dette koncept kunne løfte en vis procentdel af energien til et niveau, som er nødvendigt i forhold til opvarmning af vandet. Varmegenvindingsandelen kan øges betydeligt i forhold til udelukkende at anvende energien fra køleanlæggets overhedning, hvilket ellers er normal praksis. Denne metode vil medføre et relativt lille kompressorarbejde, og vandtemperaturen kan blive relativt høj, da der ikke på samme måde er en begrænsning af kompressorens trykrørstemperatur.
Der udvikles en semi-2-trinsvarmepumpe, der kan anvende bl.a. ammoniak som kølemiddel, og som har til formål at kunne producere varmt vand med en temperatur over 100 °C, hvilket er ret vanskeligt med de varmepumper, der anvendes i dag.
I projektet er mulighederne og afgrænsningerne for det foreslåede koncept blevet undersøgt. De mest lovende udformninger er udviklet, og der er foretaget en beregning af den forventede ydeevne mht. effektivitet.
Der er opbygget en laboratoriemodel af varmepumpen, som kører med isobutan, og som er blevet testet. Der findes andre varmepumpeløsninger, som kan producere varmt vand ved over 100 °C, men disse har en begrænset udbredelse og er relativt dyre. I de tilfælde, hvor formålet er at opvarme vandet med mere end ca. 25 K, og trykforholdet er for stort til, at en 1-trinsløsning kan anvendes, vil løsningen også være fordelagtig. I de tilfælde, hvor trykforholdet er tilstrækkeligt lavt til, at et 1-trinsanlæg kan klare opgaven, vil den udviklede semi-2-trinsvarmepumpe fortsat være mere effektiv, men også dyrere. Den nødvendige temperaturdifferens i kaskadekøleren vil dog i visse tilfælde kunne reducere gevinsten.
Konceptet kan også udnyttes i forbindelse med udnyttelse af overskudsvarme fra køleanlæg, hvor det ønskes at genvinde mere energi, end hvad der kan hentes fra trykgassen alene.
Formålet med projektet er sammen med firmaer fra ind- og udland at konceptudvikle en ny type kaskadevarmepumpe, som vil have et stort potentiale i bl.a. industrien og i fjernvarmesystemer.
I projektet vil der blive fokuseret på kølemidlerne ammoniak og isobutan, der begge er naturlige kølemidler. Både fordi teknologien vil kunne finde anvendelse uden for industrien, men også fordi teknologien vil kunne anvendes i forbindelse med varmegenvinding fra køleanlæg generelt.
Varmepumpeopbygningen er simuleret for bedst muligt at bestemme et optimeret ”mellemtryk”. Der er designet og opbygget en forsøgsmodel med isobutan på både høj- og lavtrykstrinnet, således at funktionaliteten og effektiviteten af konceptet er blevet eftervist. Isobutan er valgt for at holde anlæggets størrelse nede, og så er dette kølemiddel yderst interessant, i og med at der kan opnås en meget høj temperatur grundet det relativt høje kritiske punkt og det relativt lave arbejdstryk. Kølemidlet er ligeledes valgt, da det giver en smart løsning med ammoniak på det laveste tryktrin og isobutan på det øverste trin.
Projektet vil kunne medvirke til, at store dele af den energi, som ellers spildes, vil kunne genvindes og i stedet anvendes internt i virksomhedernes processer.
Mere information
347-022