Odzyskane ciepło z fabryk – korzyść dla przemysłu i środowiska
Większość ciepła procesowego jest uwalniana do środowiska jako spaliny lub ścieki. Odzyskanie i ponowne wykorzystanie tego ciepła przyczynia się do obniżenia zużycia energii oraz zmniejszenia emisji i ilości zanieczyszczeń. Umożliwia też przemysłom ograniczanie kosztów, przestrzeganie wymogów zawartych w rozporządzeniach(odnośnik otworzy się w nowym oknie) oraz poprawę wizerunku korporacyjnego, co przekłada się na ich konkurencyjność. Jednym z największych wyzwań jest uwzględnienie ogromnej różnorodności temperatur spalin i ich składników, utrudniającej wykorzystanie uniwersalnych wymienników ciepła. Aby rozwiązać ten problem, twórcy finansowanego ze środków UE projektu ETEKINA(odnośnik otworzy się w nowym oknie), opracowali nowatorskie, dostosowane do potrzeb wymienniki ciepła wykorzystujące rury cieplne (ang. heat pipe heat exchanger, HPHE) i przetestowali je z powodzeniem w pilotażowych placówkach z sektora ceramiki, stali i aluminium.
Szeroka przestrzeń projektowa zaspokaja potrzeby złożonych układów wylotu spalin
Pompy ciepła to rury uszczelnione na obu końcach, zawierające płyn roboczy w stanie nasycenia, co oznacza, że wzrost temperatury spowoduje jego parowanie. Są one wykorzystywane przy zarządzaniu ciepłem w rozmaitych zastosowaniach, od komputerów po satelity i statki kosmiczne. W HPHE rury cieplne montuje się w wiązkach przymocowanych do płyty i umieszczonych w oknie na zawiasach. Źródło ciepła, takie jak spaliny, przepływa do dolnej części. Płyn roboczy paruje i unosi się w rurach, gdzie rozpraszacz ciepła, taki jak chłodne powietrze, wprowadzany jest do górnej części osłony, gdzie wchłania ciepło. Zamknięta struktura minimalizuje stratę, zaś płyta minimalizuje zanieczyszczenie krzyżowe pomiędzy spalinami a powietrzem. HPHE wymagają udostępnienia mniejszej powierzchni, umożliwiając przy tym większy transfer ciepła w porównaniu z konwencjonalnymi metodami. Sprawia to, że są one bardzo wydajne i mniej podatne na zanieczyszczenia. Problemem jest natomiast dobranie parametrów w taki sposób, by odzyskać jak najwięcej ciepła ze złożonych strumieni odpadów. Istnieje tak wiele parametrów, które trzeba uwzględnić: liczba, średnica i długość rur cieplnych oraz materiał, z jakiego je wykonano; ich konfiguracja; sam płyn roboczy itp.
Od modeli po fabryki
Zważywszy na dużą liczbę i różnorodność parametrów opracowano obliczeniową dynamikę płynów(odnośnik otworzy się w nowym oknie) oraz modelowanie(odnośnik otworzy się w nowym oknie) symulacji systemów przejściowych (TRNSYS), aby pomóc naukowcom zaprojektować dostosowane do potrzeb HPHE dla trzech zastosowań przemysłowych. Na przykład: HPHE z przepływem krzyżowym, z konstrukcją żeberkową, odporny na zanieczyszczenia (żeberka zwiększają powierzchnię, co intensyfikuje transfer ciepła) zaprojektowano po to, by odzyskiwać ciepło odpadowe z paleniska pieca rolkowego do ceramiki. Po raz pierwszy wykorzystano HPHE tego typu w tej konfiguracji w przemyśle ceramicznym. Osłony rur cieplnych wykonano ze stali węglowej, zaś za płyn roboczy posłużyła woda. „Przekroczyliśmy przewidziane w projekcie cele zakładające odzyskiwanie ciepła odpadowego ze spalin na poziomie przynajmniej 40 %(odnośnik otworzy się w nowym oknie) Nasze HPHE są też dużo mniejsze niż konwencjonalne wymienniki ciepła, co pozwala na zaoszczędzenie cennej przestrzeni w fabryce. Oprócz wysokiej wydajności, przyczyniającej się do obniżenia kosztów i emisji, oferują one również szybki zwrot z inwestycji”, opowiada Hussam Jouhara z uniwersytetu Brunel University London, techniczny i naukowy koordynator projektu ETEKINA. Systemy z powodzeniem odzyskiwały ciepło bez zanieczyszczeń krzyżowych i przekazywały je z powrotem do fabryki, do wykorzystania w innych procesach. Koncepcja HPHE opracowana w kontekście projektu ETEKINA to wysoce skalowalne rozwiązanie, które można przystosować do każdego rodzaju spalin przemysłowych dla dużego zakresu temperatur. Możliwa jest też integracja HPHE z rozmaitymi rozpraszaczami ciepła, w tym powietrzem, wodą i olejem. Dodatkowo nowatorskie narzędzie służące do powielania pomoże szybko ocenić potencjał odzysku ciepła odpadowego przyszłych klientów.
