Pompy ciepła, z uwagi na możliwość pozyskiwania wysokiej jak też niskiej temperatury, są stosowane coraz częściej w zakładach przemysłowych, zarówno jako urządzenia grzewczo-klimatyzacyjne, jak i urządzenia wspomagające procesy technologiczne w czasie produkcji gotowych wyrobów. Najefektywniejsze wykorzystanie pomp ciepła ma miejsce zwłaszcza podczas procesów, w których istnieje równoczesne zapotrzebowanie na chłód i ciepło. 

Możliwości aplikacyjne pomp ciepła są szerokie i związane z realizowanymi procesami technologicznymi. Pompy ciepła już obecnie są stosowane szeroko w przemyśle: 

• logistycznym; 
• morskim i przetwórstwa owoców morza; 
• przechowalniczym; 
• browarniczym;
• mleczarskim; 
• farmaceutycznym i biotechnologicznym; 
• energetycznym.

Można by przytoczyć również inne gałęzie przemysłu, w których rozważa się aplikację pomp ciepła jako urządzeń pozwalających na efektywne dostarczanie ciepła i chłodu do procesów technologicznych. Z racji różnych rozwiązań dostępnych pomp ciepła, ich elastyczność w aplikacji do różnych procesów technologicznych jest duża. Bardzo często instalacje pomp ciepła są projektowane i wykonywane specjalnie pod realizowany proces technologiczny – w tym przypadku dobiera się często różne typy obiegów termodynamicznych, według których ciepło może być „pompowane”.

Pompy ciepła nadkrytyczne Rozwiązania nadkrytyczne najczęściej oparte są na CO₂ jako czynniku roboczym. Jest to czynnik, który w ostatnim czasie powszechnie wykorzystywany jest w instalacjach chłodniczych w supermarketach, jak również w przemyśle mleczarskim i browarniczym. Układy nadkrytyczne pozwalają osiągać wysokie parametry wody grzewczej i jednocześnie realizować procesy chłodnicze, przy różnych konfi guracjach obiegów zainstalowanych w supermarketach. Na rysunku 1. przedstawiono interpretację obiegu chłodniczego nadkrytycznego wykorzystującego czynnik CO₂. Nadkrytyczna pompa ciepła pozwala pozyskiwać wysokie parametry wody grzewczej (nawet do 90°C).

Przykładem takiej pompy ciepła jest na przykład Mayekawa Eco Cute „unimo W/W”.

Rys.1. Pompa ciepła – obieg nadkrytyczny oparta na czynniku CO₂

Wykres (rys. 1.) przedstawia interpretację dwóch obiegów, które może realizować opisywana pompa ciepła. W przypadku podgrzewu wody w skraplaczu w zakresie przyrostu entalpii (3-4’), uzyskuje się większą efektywność energetyczną niż podczas realizacji procesu odparowania (1’-2). W związku z tym, jeśli ta pompa ciepła ma pracować jako układ chłodniczy, zasadne jest stosowanie dodatkowego wymiennika ciepła (lub chłodnicy wentylatorowej), pozwalającego dochłodzić czynnik do niższych parametrów termicznych.

Pompy ciepła podkrytyczne

Pompy ciepła stosowane w układzie podkrytycznym stosowane są obecnie najczęściej w praktyce grzewczej. Ich efektywność energetyczna zależy od tego, jak skonfi gurowane jest dolne źródło ciepła i przy jakiej temperaturze realizowany jest proces skraplania. Zakładając, że pompa ciepła pracuje przy stałej temperaturze skraplania np. 90°C (rys. 2a.), gdy dolnym źródłem ciepła jest na przykład chłodnica wentylatorowa umieszczona na zewnątrz budynku, to zimą proces odparowania musi być realizowany w temperaturze niższej niż temperatura powietrza (linia niebieska). W związku z tym wzrasta praca techniczna wymagana do napędu sprężarki. W przypadku, gdy mamy jako dolne źródło ciepła wymiennik gruntowy, system odzysku ciepła lub zbiornik wodny, parametry termiczne parownika pozwalają na zmniejszenie mocy pobieranej przez sprężarkę.

Rys. 2. Pompa ciepła podkrytyczna i jej parametry eksploatacyjne
a) stała temperatura skraplania,
b) stała temperatura odparowania

Przy realizacji przez pompę ciepła procesu skraplania przy różnych temperaturach, przy założeniu stałej temperatury odparowania, to wraz ze wzrostem temperatury skraplania maleje moc chłodnicza oraz wzrasta zapotrzebowanie na pracę techniczną potrzebną do napędu sprężarki (rys. 2b. – linia niebieska).

Jednym z ciekawszych rozwiązań w podkrytycznej pompie ciepła jest zastosowanie regeneracyjnego wymiennika ciepła, w celu zwiększenia temperatury wody grzewczej (rys. 3a.). Taki wymiennik pozwala na obniżenie wartości ciśnienia skraplania oraz umożliwia zwiększenie różnicy entalpii w procesie odparowania – w efekcie zwiększa się również możliwość pozyskiwania chłodu z produktów żywnościowych. Na rysunku 3b. przedstawiono interpretację obiegu pompy ciepła z zastosowanym wymiennikiem regeneracyjnym.

Rys. 3. Pompa ciepła z regeneracyjnym wymiennikiem ciepła
a) parametry teoretyczne pompy ciepła,
b) interpretacja obiegu na wykresie p-h 

Stosowane są również rewersyjne pompy ciepła, w których istnieje możliwość zmiany parownika w skraplacz oraz skraplacza w parownik. Te układy pracują według obiegów termodynamicznych przedstawionych na rysunku 2. i są szeroko stosowane w klimatyzacji i wentylacji do odzysku ciepła zimą oraz dostarczania chłodu w okresie letnim.

Układy lewobieżne dwu- i wielostopniowe

(...)

Przykład układu pompy ciepła jako systemu grzewczo- -chłodzącego w urządzeniach wyparnych stosowanych w przemyśle spożywczym

(...)

Podsumowanie

Pompy ciepła spotykane w przemyśle są projektowane z uwagi na realizowany proces technologiczny. Ich rozwiązania mogą się powtarzać, jak to jest w przypadku rozwiązań związanych z ogrzewaniem i klimatyzacją, gdzie jest duży typoszereg pomp ciepła dostępnych urządzeń produkowanych seryjnie.

Spotykane są również rozwiązania mniej typowych pomp ciepła, które dedykowane są tylko do procesu technologicznego związanego z określoną produkcją. Obiegi te są projektowane z podstawowych elementów występujących w pompach ciepła oraz z elementów, które są spotykane w realizowanym procesie technologicznym. Przykładem takiej pompy ciepła może być układ przedstawiony w niniejszym artykule, gdzie system pompy ciepła może być zintegrowany bezpośrednio z wyparką lub na sposób pośredni w zależności od rodzaju zastosowanego typu urządzenia wyparnego.

 dr inż. Robert MATYSKO
– Instytut Maszyn Przepływowych
Polska Akademia Nauk