Odzysk ciepła w przemyśle - zasada działania i zastosowania

Jak ocenić potencjał odzysku ciepła w procesie

Odzysk ciepła pozwala wykorzystać energię, która w przeciwnym razie opuściłaby proces bez pożytku dla zakładu. Samo przechwycenie ciepła to tylko część zadania. O powodzeniu decyduje przede wszystkim dopasowanie źródła, odbiornika oraz czasu, w którym energia jest dostępna i potrzebna.

1. Rozpoznaj miejsca, w których proces stale lub okresowo oddaje energię. Odróżnij źródła stabilne od tych działających tylko w określonych cyklach. Stałe źródło zwykle łatwiej włączyć do pracy instalacji.
2. Wskaż odbiorniki, które potrzebują ciepła o niższych wymaganiach temperaturowych. Najkorzystniejsze są zwykle połączenia krótkie i bezpośrednie.
3. Porównaj czas pracy źródła i odbiornika. Nadwyżka energii może pojawiać się wtedy, gdy zakład nie jest w stanie jej wykorzystać. Różnica w harmonogramie pracy bywa ważniejsza niż sama ilość dostępnego ciepła.
4. Sprawdź, jak integracja z procesem wpłynie na ciągłość produkcji, obsługę oraz bezpieczeństwo urządzeń. Rozwiązanie ma wspierać proces, a nie utrudniać jego prowadzenie.
5. Oceń możliwe sposoby wykorzystania energii. Wybierz taki, który ograniczy straty bez tworzenia nowych ograniczeń w instalacji.

Dobrze zaprojektowany układ pozwala traktować ciepło odpadowe jako zasób. Może wspierać ogrzewanie pomieszczeń, podgrzewanie wody użytkowej albo procesy o niższych wymaganiach temperaturowych.

Analiza ma sens wtedy, gdy proces wytwarza nadmiar energii, a w innych częściach zakładu istnieje zapotrzebowanie na ciepło. Pozwala ustalić, czy źródło, odbiorniki i harmonogram pracy da się skutecznie połączyć.

Odzysk ciepła - definicja i zasada działania

Każdy projekt zaczyna się od ustalenia trzech elementów: skąd pochodzi energia, kto może ją odebrać oraz w jaki sposób zostanie przekazana.

Skala zjawiska jest znacząca. Według amerykańskiego Departamentu Energii (DOE) w przemyśle jako ciepło odpadowe tracone jest od 20 do 50% energii doprowadzanej do procesów - w postaci gorących spalin, wody chłodzącej oraz ciepła oddawanego przez rozgrzane powierzchnie urządzeń i produkty. Odzysk tych strat przekłada się na oszczędności kosztów, mniejszy wpływ na środowisko oraz sprawniejszą organizację pracy.

W tłumaczeniu: w miarę jak przemysł kontynuuje starania o poprawę efektywności energetycznej, odzysk strat ciepła generuje oszczędności kosztów, zmniejsza wpływ na środowisko oraz poprawia organizację i wydajność pracy.

Odzysk ciepła polega na przechwytywaniu energii, która bez odpowiedniej instalacji zostałaby utracona podczas pracy urządzeń lub prowadzenia procesu. Nie powstaje przy tym nowa energia. Ciepło już dostępne w zakładzie trafia do miejsca, w którym może zostać praktycznie wykorzystane.

Ciepło odpadowe może występować w postaci pary, gorącej wody, oleju albo gorącego powietrza. Media te różnią się warunkami pracy i sposobem przekazywania energii. Gorące powietrze można wykorzystać do ogrzania innego strumienia powietrza, a energia zawarta w cieczy może służyć do podgrzewania kolejnego obiegu. O przydatności ciepła decyduje zgodność jego parametrów z wymaganiami odbiornika.

Ilość energii możliwej do odzyskania z danego strumienia można oszacować z zależności Q = V · ρ · c_p · ΔT, gdzie V to natężenie przepływu medium, ρ jego gęstość, c_p ciepło właściwe, a ΔT różnica temperatur między wlotem a wylotem. Wynika z niej praktyczny wniosek: o dostępnym potencjale decyduje nie tylko sama temperatura, lecz iloczyn przepływu i różnicy temperatur. Duży, lecz chłodny strumień powietrza może nieść porównywalną energię co mały strumień o wysokiej temperaturze.

Przydatność ciepła zależy też od jego poziomu temperaturowego. W klasyfikacji stosowanej przez DOE wyróżnia się ciepło odpadowe niskotemperaturowe (do ok. 230 °C), średniotemperaturowe (ok. 230-650 °C) oraz wysokotemperaturowe (powyżej ok. 650 °C). Im wyższa temperatura, tym łatwiej wykorzystać energię i tym szerszy zakres możliwych odbiorników.

W wielu układach podstawowym urządzeniem jest wymiennik ciepła. Przekazuje on energię z gorącego medium do chłodniejszego bez mieszania obu obiegów. Pozwala to wykorzystać ciepło procesu przy zachowaniu rozdzielności mediów i ich właściwości wymaganych przez instalację.

Sam przepływ ciepła nie gwarantuje jeszcze efektu. Trzeba ustalić, ile energii jest dostępne, kiedy powstaje oraz gdzie może zostać odebrane. Źródło może pracować stale, podczas gdy zapotrzebowanie pojawia się tylko okresowo. Równie częsta jest sytuacja odwrotna: odbiornik potrzebuje energii wtedy, gdy źródło jej nie dostarcza.

• Źródło ciepła to miejsce, w którym proces oddaje energię nie wykorzystywaną bezpośrednio do podstawowego zadania.
• Odbiornik ciepła wykorzystuje przechwyconą energię do ogrzewania pomieszczeń, podgrzewania wody użytkowej albo zasilania procesów o niższych wymaganiach temperaturowych.
• Droga przekazania energii łączy źródło z odbiornikiem i, gdy jest to potrzebne, zachowuje rozdzielność mediów.
• Bilans czasowy pokazuje, czy ciepło powstaje wtedy, gdy instalacja może je wykorzystać.
• Integracja z procesem określa, czy nowe rozwiązanie będzie współpracowało z istniejącą instalacją bez zakłóceń.

Od straty energetycznej do użytecznego strumienia

Punktem wyjścia jest energia opuszczająca proces. Dla obsługi zakładu jej obecność bywa widoczna: powierzchnie są gorące, powietrze ma podwyższoną temperaturę, a obieg cieczy oddaje energię poza miejscem, w którym mogłaby zostać wykorzystana. Dopiero wskazanie konkretnego odbiornika pozwala włączyć tę energię do gospodarki cieplnej zakładu.

Źródło i odbiornik nie muszą znajdować się w tym samym urządzeniu. Ciepło może powstawać w jednym fragmencie instalacji, a być używane w innym, o ile można je bezpiecznie i skutecznie przekazać. W praktyce analizuje się moc instalacji, temperaturę odbiorników oraz charakter zapotrzebowania na ciepło.

Gdy temperatura odzyskanej energii jest zbyt niska dla planowanego zastosowania, można rozważyć pompy ciepła. Ich zadaniem jest podniesienie temperatury do poziomu użytecznego dla odbiornika.

Właściwa kolejność prac ma znaczenie: najpierw określa się dostępną energię i potrzeby odbiorcy, następnie sposób przekazania, a dopiero później dobiera urządzenia. Dzięki temu odzysk staje się częścią procesu, a nie dodatkiem oderwanym od realnej pracy zakładu.

Znaczenie czasu wykorzystania ciepła

Proces może wytwarzać energię wtedy, gdy ogrzewanie pomieszczeń, podgrzewanie wody użytkowej lub inny odbiornik jej nie potrzebuje. W takiej sytuacji odzysk ogranicza się do bieżącego zapotrzebowania, chyba że instalacja ma możliwość przechowania nadwyżki.

Zasobnik buforowy pozwala oddzielić chwilę powstawania energii od momentu jej wykorzystania. Nie zastępuje właściwego doboru technologii ani nie zmienia parametrów źródła, ale daje instalacji większą elastyczność. Jest szczególnie przydatny wtedy, gdy proces pracuje nierównomiernie, a potrzeba ogrzewania lub podgrzewania pojawia się w innym rytmie.

Dwa pytania wymagają rozdzielenia: czy ciepło jest dostępne oraz czy da się je wykorzystać w praktyce. Pierwsze dotyczy źródła. Drugie obejmuje odbiorniki, czas pracy, miejsce montażu i wpływ rozwiązania na proces. To rozróżnienie pomaga ocenić, czy potrzebny jest bufor, inny odbiornik czy urządzenie podnoszące temperaturę energii.

Audyt przed wyborem rozwiązania

Przed wdrożeniem instalacji należy przeprowadzić audyt energetyczny. Jego celem jest ustalenie, gdzie powstają straty ciepła, ile energii jest dostępne oraz które odbiorniki mogą ją wykorzystać. Bez takiego rozpoznania łatwo wybrać urządzenie niedopasowane do warunków pracy.

Analiza powinna obejmować całe połączenie źródła z odbiornikiem. Trzeba sprawdzić, czy odbiornik potrzebuje ciepła stale czy okresowo, czy medium może bezpiecznie przekazać energię oraz jak rozwiązanie wpłynie na istniejące procesy. Wdrożenie może wymagać specjalistycznych urządzeń, połączenia z infrastrukturą i przygotowania miejsca montażu.

Dobry projekt nie polega na przechwytywaniu każdej dostępnej nadwyżki, lecz na takim wykorzystaniu energii, które odpowiada rzeczywistym potrzebom zakładu.

Rekuperacja a odzysk ciepła - najważniejsze różnice

Odzysk ciepła może obejmować wiele mediów i procesów. Rekuperacja dotyczy konkretnego układu: odzyskiwania energii z powietrza wywiewanego w systemie wentylacyjnym. To rozróżnienie ułatwia wybór właściwego rozwiązania.

Rekuperatory są wymiennikami ciepła pracującymi w centralach wentylacyjnych. Odbierają energię z powietrza usuwanego z pomieszczeń i przekazują ją do powietrza nawiewanego. Rekuperacja jest więc wyspecjalizowaną formą odzysku energii w wentylacji.

Szerszy odzysk może dotyczyć pary, cieczy, oleju, gorącego powietrza lub innych obiegów obecnych w instalacji. Rekuperator natomiast pracuje wyłącznie między strumieniem powietrza wywiewanego i nawiewanego. Przekazuje energię bez mieszania tych strumieni, dlatego powietrze usuwane nie trafia bezpośrednio do nawiewu.

Powietrze jako źródło i odbiornik energii

W wentylacji powietrze wywiewane opuszcza pomieszczenie po przejęciu części jego energii. Usunięcie go bez odzysku oznacza utratę ciepła. Rekuperator wykorzystuje ten strumień do przygotowania świeżego powietrza dostarczanego przez centralę wentylacyjną.

Odbiornikiem energii w tym układzie nie jest dowolna instalacja grzewcza, ale powietrze nawiewane. Celem jest ograniczenie energii potrzebnej do jego przygotowania przed nawiewem. Rekuperacja nie zastępuje całego systemu ogrzewania, ponieważ jej działanie zależy od energii dostępnej w powietrzu wywiewanym.

Kluczowe jest zachowanie rozdzielności strumieni. Rekuperator przekazuje między nimi energię, ale nie miesza powietrza usuwanego z nawiewanym. Wentylacja może jednocześnie usuwać powietrze z wnętrza i przygotowywać świeży strumień do nawiewu.

Zakres rekuperacji i szerszego odzysku

Rekuperacja obejmuje odzyskiwanie energii z powietrza wywiewanego przez system wentylacyjny. Szerszy odzysk ciepła może wykorzystywać energię do ogrzewania pomieszczeń, podgrzewania wody użytkowej albo zasilania procesów o niższych wymaganiach temperaturowych.

W zakładzie wentylacja może być tylko jednym z miejsc, w których powstają straty energii. Rekuperator wspiera wtedy centralę wentylacyjną, a inne rozwiązania obsługują pozostałe źródła i odbiorniki. Nie każde miejsce oddające ciepło wymaga rekuperatora.

• Rekuperacja dotyczy energii odzyskiwanej z powietrza wywiewanego w systemie wentylacyjnym.
• Rekuperator przekazuje tę energię do powietrza nawiewanego.
• Strumienie wywiewany i nawiewany pozostają rozdzielone.
• Szerszy odzysk może wykorzystywać energię także do ogrzewania, podgrzewania wody użytkowej oraz procesów o niższych wymaganiach temperaturowych.
• Dobór rozwiązania zależy od rodzaju źródła i sposobu dalszego wykorzystania energii.

Dobór rozwiązania do źródła energii

Pierwszym krokiem jest wskazanie medium, z którego ma pochodzić energia. Jeśli źródłem jest powietrze wywiewane, należy analizować zastosowanie rekuperacji. Jeżeli energia pochodzi z innego fragmentu instalacji, trzeba określić odbiorniki i porównać parametry obu stron.

Następnie należy ustalić cel wykorzystania energii. Rekuperator służy przygotowaniu powietrza nawiewanego, dlatego jego działanie ocenia się w odniesieniu do wentylacji. Szerszy system odzysku można projektować pod kątem ogrzewania pomieszczeń, podgrzewania wody użytkowej albo procesów wymagających niższej temperatury.

Trzeci element to zgodność czasu pracy źródła i odbiornika. Rekuperacja działa w rytmie wentylacji: energia jest przekazywana wtedy, gdy przez centralę przepływa powietrze wywiewane i nawiewane. W innych układach różnica między momentem powstawania ciepła a chwilą jego wykorzystania może wymagać zastosowania bufora lub zmiany sposobu zagospodarowania energii.

Rodzaje i dobór wymienników ciepła w przemyśle

W zależności od specyfiki procesu i wymagań projektowych stosuje się różne typy wymienników ciepła. Do najczęściej używanych należą wymienniki płytowe, płaszczowo-rurowe oraz spiralne. Wybór konstrukcji nie sprowadza się do wskazania urządzenia o najwyższej sprawności - każdy typ ma zakres parametrów, poza którym przestaje być właściwym rozwiązaniem.

Wymienniki płytowe

Wymienniki płytowe zbudowane są z pakietu cienkich, tłoczonych płyt, między którymi płyną naprzemiennie oba media. Rozwinięta, pofalowana powierzchnia zapewnia wysoki współczynnik przenikania ciepła i kompaktową budowę, dlatego sprawdzają się tam, gdzie miejsce jest ograniczone, a wymagana jest duża moc na małej powierzchni zabudowy.

Ograniczeniem są wąskie kanały międzypłytowe. Wersje uszczelkowane pracują zwykle do ok. 150 °C i kilkunastu barów - granicę wyznacza materiał uszczelek; wyższe parametry osiągają konstrukcje lutowane i spawane. Wąskie szczeliny są wrażliwe na zanieczyszczenia mechaniczne: pył, włókna czy cząstki stałe łatwo je zatykają, co zwiększa opory przepływu i obniża wydajność. Z tego powodu wymiennik płytowy nie nadaje się do bezpośredniej pracy z silnie zapylonym medium, na przykład z nieoczyszczonym dymem spawalniczym - wymaga czystych strumieni lub filtracji wstępnej.

Wymienniki płaszczowo-rurowe

Wymienniki płaszczowo-rurowe (rurowe) to rozwiązanie tradycyjne i wytrzymałe mechanicznie. Wiązka rur umieszczona jest w płaszczu, a media płyną odpowiednio wewnątrz rur i w przestrzeni międzyrurowej. Konstrukcja znosi wysokie ciśnienia oraz temperatury rzędu setek stopni Celsjusza, co czyni ją odpowiednią dla pary, spalin i procesów o wymagających parametrach.

Ceną za wytrzymałość są większe gabaryty i masa oraz niższa gęstość powierzchni wymiany niż w konstrukcjach płytowych. Przy mediach zanieczyszczonych po stronie rurowej łatwiej jednak prowadzić czyszczenie mechaniczne, co bywa zaletą tam, gdzie płytowy szybko by się zabrudził.

Wymienniki spiralne

Wymienniki spiralne mają zwinięte w spiralę kanały tworzące dwa przeciwbieżne obiegi. Pojedynczy, stosunkowo szeroki kanał i wysoka prędkość przepływu ograniczają osadzanie się zanieczyszczeń, dlatego konstrukcja sprawdza się przy mediach zawiesinowych, lepkich i podatnych na zabrudzenie - szlamach, ściekach czy cieczach z cząstkami stałymi.

Ograniczeniem bywają niższe dopuszczalne ciśnienia i temperatury niż w konstrukcjach płaszczowo-rurowych oraz trudniejszy dostęp serwisowy do wnętrza. Przy bardzo wysokich parametrach ciśnieniowych zwykle wybiera się inne rozwiązanie.

Kryteria doboru i wymagania projektowe

Dobór wymiennika wynika z zestawienia parametrów obu mediów. W projekcie ustala się przede wszystkim:

• Temperatury i różnicę temperatur (ΔT) na wlocie i wylocie obu stron - decydują o kierunku przepływu ciepła i wymaganej powierzchni wymiany.
• Natężenia przepływu mediów - wraz z ΔT i właściwościami medium wyznaczają moc możliwą do przekazania.
• Ciśnienie robocze - wyznacza dopuszczalny typ i klasę konstrukcji.
• Dopuszczalny spadek ciśnienia (Δp) - w układach powietrznych szczególnie istotny, bo zbyt duży opór wymiennika zwiększa pobór mocy wentylatorów i może zaburzyć bilans wentylacji hali.
• Kierunek przepływu - konfiguracja przeciwprądowa zapewnia wyższą skuteczność wymiany i bardziej równomierny rozkład temperatur niż współprądowa, dlatego zwykle jest preferowana tam, gdzie zależy nam na maksymalnym odzysku.
• Właściwości i czystość mediów - agresywność chemiczna, zapylenie i skłonność do osadzania (fouling) decydują o materiale, typie konstrukcji i potrzebie filtracji wstępnej oraz rezerwy powierzchni.
• Punkt rosy - przy odzysku ze spalin schłodzenie poniżej punktu rosy (dla spalin siarkowych często w zakresie ok. 100-150 °C) prowadzi do wykraplania agresywnego kondensatu i korozji, co trzeba uwzględnić w doborze materiału i temperatury pracy.

Medium źródłowe - para, gorąca woda, olej lub gorące powietrze - w dużej mierze zawęża wybór już na starcie. Ostateczna decyzja jest kompromisem między sprawnością, oporami przepływu, odpornością na zabrudzenie a kosztem i gabarytami urządzenia.

Korzyści i ograniczenia odzysku ciepła w zakładach i halach

Głównym efektem odzysku jest ograniczenie zużycia energii pierwotnej: energia raz doprowadzona do procesu zostaje wykorzystana ponownie, zamiast opuścić zakład bez pożytku. Przy stratach sięgających w przemyśle 20-50% doprowadzanej energii pole do oszczędności bywa znaczące. W samej wentylacji przemysłowej wymiennik ciepła pozwala wyraźnie ograniczyć zapotrzebowanie na energię do ogrzania powietrza nawiewanego - efekt zależy od sprawności wymiennika i warunków eksploatacyjnych, ale przy odpowiednio dobranych rozwiązaniach oszczędności sięgają kilkudziesięciu procent zużycia energii wentylacyjnej.

Weźmy halę spawalniczą z kilkoma stanowiskami wyposażonymi w odciągi lokalne. Powietrze usuwane - po przefiltrowaniu na filtrach patronowych - trafia do wymiennika krzyżowego, który podgrzewa strumień nawiewany. W efekcie nagrzewnica centrali pracuje z mniejszą mocą przez całą zimę, a do hali nie trafiają zanieczyszczenia usuwane ze stanowisk spawalniczych. Ten sam schemat działa w lakierniach i odlewniach, gdzie ciepło odpadowe z pieców lub agregatów chłodniczych może zasilić ogrzewanie przestrzeni produkcyjnej.

Odzysk ma jednak swoje ograniczenia. Nie każde źródło da się opłacalnie połączyć z odbiornikiem: przeszkodą bywa niska temperatura strumienia, duża odległość między źródłem a odbiornikiem, rozjazd czasowy między powstawaniem a zapotrzebowaniem na ciepło albo zanieczyszczenie medium, które wymusza filtrację i podnosi koszt. Sprawność samego wymiennika nie przesądza o efekcie - liczy się energia faktycznie wykorzystana przez odbiornik, a nie ta dostępna przy źródle.

Wpływ na jakość powietrza i bezpieczeństwo pracy w spawalniach i halach

W obiektach, w których powietrze wywiewane jest zanieczyszczone - jak spawalnie, szlifiernie czy lakiernie - odzysk ciepła musi być zaprojektowany tak, by nie pogorszył jakości powietrza na stanowiskach pracy.

Jakość powietrza i filtracja

Dym spawalniczy zawiera drobne cząstki, w tym tlenki metali i związki manganu. Kierowanie takiego strumienia wprost do wymiennika groziłoby jego szybkim zabrudzeniem i zapchaniem. Dlatego układ odzysku poprzedza się filtracją - odciągiem stanowiskowym z filtrem patronowym, elektrofiltrem lub filtrem workowym - która chroni wymiennik i utrzymuje czystość strumienia. Filtracja przed wymiennikiem to warunek trwałej pracy odzysku przy zapylonym wywiewie.

Drugim zabezpieczeniem jest rozdzielność strumieni. Wymienniki z pełną rozdzielnością (płytowe krzyżowe i przeciwprądowe) przekazują energię, nie dopuszczając do mieszania powietrza usuwanego z nawiewanym. Przy silnie zanieczyszczonym wywiewie preferuje się właśnie takie konstrukcje zamiast wymienników obrotowych, w których niewielki przeniesienie zanieczyszczeń jest z zasady możliwe. Dzięki temu do nawiewu nie trafiają zanieczyszczenia usuwane ze stanowisk.

Bezpieczeństwo pracy

Niesprawny lub zabrudzony wymiennik nie jest wyłącznie problemem sprawności. Wzrost oporów przepływu obniża wydajność wentylacji, a to bezpośrednio pogarsza usuwanie zanieczyszczeń ze stanowisk - w skrajnym przypadku prowadzi do przekroczenia najwyższych dopuszczalnych stężeń (NDS) w powietrzu, którym oddychają pracownicy. Do najważniejszych zagrożeń, które projekt i eksploatacja muszą kontrolować, należą:

• Niekontrolowany przerzut zanieczyszczeń do nawiewu - wskutek nieszczelności wymiennika lub doboru konstrukcji dopuszczającej przecieki między strumieniami.
• Spadek skuteczności wentylacji przy rosnących oporach zabrudzonego wymiennika i filtrów, a w efekcie pogorszenie warunków BHP na stanowisku.
• Zamarzanie kondensatu w wymienniku zimą, przy odzysku z wilgotnego wywiewu - blokuje przepływ i podnosi opory; przeciwdziała się temu układem antyzamrożeniowym lub obejściem (bypass).
• Korozja i wycieki wskutek wykraplania agresywnego kondensatu poniżej punktu rosy.
• Ryzyko pożarowe przy mediach zawierających olej, tłuszcz lub palne pyły - wymaga utrzymania czystości kanałów i regularnych przeglądów.

Dlatego układ odzysku wyposaża się w kontrolę spadku ciśnienia i podstawowe parametry pracy, a harmonogram obsługi wskazuje osoby odpowiedzialne za reakcję na nieprawidłowości. Bezpieczny odzysk to taki, który wspiera wentylację i ochronę stanowisk pracy, a nie konkuruje z nimi o przepływ powietrza.

Ciepło odpadowe to energia, za którą zakład już zapłacił - raz, w paliwie lub prądzie napędzającym proces. Odzysk jej nie tworzy: przenosi stratę do miejsca, gdzie może pracować. W spawalni, szlifierni czy lakierni wymiennik z odpowiednią filtracją robi to bez zakłócania wentylacji i bez ryzyka dla stanowisk. Najtrudniejszy krok to nie montaż - to audyt, który ustala, czy źródło, odbiornik i harmonogram pracy układają się w układ faktycznie działający przez lata.

Źródła

• Waste Heat Recovery Basics | U.S. Department of Energy
• Waste Heat Recovery Technology Assessment | DOE Quadrennial Technology Review 2015 (PDF)
• Jouhara i in., Waste heat recovery technologies and applications | Thermal Science and Engineering Progress (ScienceDirect)
• Data analysis for performance index of plate heat exchanger: parallel versus counterflow | Scientific Reports (Nature)
• Wentylacja dla szkół i domów. Analiza i perspektywy projektu (odzysk ciepła z wentylacji) | gov.pl