Energy-efficient high temperature heat pump systems for a spray-dryer

Abstract

Industrielle prosesser har en fellesnevner i å kreve store mengder varme, og et fokus på å resirkulere restvarmen dette slipper ut er nødvendig for at næringen skal bli mer bærekraftig. Høytemperatur varmepumper viser et godt potensial for å utnytte en slik restvarmen som varmekilde for å produsere høyere temperaturer ved hjelp av kompressorarbeid.

Spraytørkingsprosessen er valgt som fokusområdet for denne oppgaven, da det er en industriell prosess som krever luft ved temperaturer rundt 200ºC og slipper ut en restvarme med en temperatur mellom 70-115ºC, som pr dags dato ikke blir utnyttet.

En teoretisk studie er utført for å sammenlikne en superkritisk varmepumpes med karbondioksid som arbeidsmedium, en transkritisk varmepumpe som bruker iso-butan og en kompresjons/absorbsjonsvarmepumpe med en blanding av ammoniakk og vann som arbeidsmedium. Målet med studiet er å analysere potensialet ved å bruke de forskjellige varmepumpene til å produsere høy-temperatur varme for å øke energieffektiviteten til en spraytørker. Beregningene er gjort ved bruk av EES.

Den transkritiske modellen oppnår en maksimal COP på 3.16 når arbeidsmediet over-varmes med 15K før kompresjonen. Den dekker 30% av energibehovet til spraytørkeren oppgaven er basert på og har et gass-kjøler trykk på 18MPa. Den konstante fordampningstemperaturen begrenser den transkritiske syklusen for å bli optimalisert i termodynamisk forstand, noe som begrenser gass-kjølerens effektivitet til rundt 30% for de oppgitte spesifikasjonene.

Den superkritiske syklusen har høyere varmekapasitet og lavere COP enn den transkritiske syklusen, og løsningene varierer mer. Ved å tillate en COP på 1,98 blir gassvarmeren optimalisert ved et trykk på 7,5 MPa, og den superkritiske syklusen dekker 45% av luftstrømmenes varmekrav. Ved å istede optimalisere gass kjøleren ved 37MPa, øker COP til 2,5, men varmekapasiteten dekker bare 35% av luftstrømmen.

Begge varmepumpeløsningene har utfordringer i mangel på komponenter som kan takle forholdene.

Den kompresjons/absorbsjonsvarmepumpen er analysert gjennom et litteratursøk, der en gjennomsnittlig COP på 3 er funnet for liknende scenarier. Analyser fra litteraturen skiller seg fra den transkritiske og superkritiske analysen ved å heller fokusere på å varme en større luftstrøm med en mindre temperatur-differanse.

Industrial processes have a common energy-intensive heat demand, and a focus on heat recovery required for the industry to become more sustainable. High temperature heat pumps are showing good potential to utilize waste heat from industrial processes, and through heat exchange produce heat at higher temperatures by compression work.

The process of spray-drying is chosen for the study, as it is an industrial process utilizing air at temperatures around 200ºC with waste heat temperatures between 70-115ºC that is not yet utilized.

The theoretical study compares a supercritical heat pump cycle using carbon dioxide as the working fluid, a transcritical heat pump cycle using iso-butane as the working fluid and a compression-absorption heat pump cycle with an ammonia-water mixture as the working fluid, to study the potential of using a high-temperature heat pump solution to increase the energy efficiency of the spray-drying process. The calculations are done using EES.

The transcritical cycle achieves a maximum COP of 3.16 when the working fluid is overheated to 15K. It manages to utilize the excess air to cover the heat demand of 30% of the air flow with a gas cooler pressure of 18MPa. The constant evaporation temperature limits the transcritical cycle to be optimized in the thermodynamic sense, limiting the gas cooler effectiveness to around 30% for the given specifications.

The supercritical cycle has a higher heating capacity and a lower COP than the transcritical cycle, and the solutions vary more. By allowing a COP of 1.98, the gas heater is optimized at a pressure of 7.5MPa, and the supercritical cycle covers 45% of the air flow heat demand. However, by optimizing the gas cooler at 37MPa, the COP increases to 2.5 but the heat load only covers 35% of the airflow.

Both cycles are challenged by the lack of components found on today's market.

The compression-absorption heat pump cycles found in the literature achieves an average COP of 3 but differs from the transcritical and supercritical heat pump cycles by focusing on heating a larger flow rate of air with a lower temperature lift.