Investigation on Hot water production and Steam Generation Heat Pump for Energy Efficiency in Meat Processing

Abstract

Det økende behovet for energieffektivitet og reduksjon av klimagassutslipp i matindustrien, særlig i kjøttforedling, fremhever betydningen av avanserte varmepumpeteknologier. Denne avhandlingen tar for seg disse kritiske problemene ved å undersøke produksjon av varmtvann og damp ved bruk av et hybrid ammoniakk-vann absorpsjon kompresjon varmepumpesystem (ACHP) konfigurert i en kaskadert høytemperatur varmepumpe (HTHP) oppsett, som benytter naturlige arbeidsvæsker. Denne forskningen er en del av det europeiske ENOUGH-programmet, som har som mål å utvikle bærekraftige energiløsninger for matindustrien.

Studien benyttet både modellering og eksperimentelle metoder for å optimalisere ACHP-systemet for høytrykk varmtvann og dampproduksjon. Kaskadekonfigurasjonen ble modellert i Dymola, hvor flere simuleringer ble utført for to alternative bunnsykluser, NH3 og CO2, og toppsyklusen ACHP, for å undersøke ytelsen og potensialet til kaskadesystemet. Arbeidsområdet til HTHP ble undersøkt basert på tekniske og økonomiske begrensninger. ACHP-modellen ble videre validert med eksperimentelle verdier oppnådd ved NTNU’s EPT testrigganlegg. Kaskadesystemet ble evaluert for dets evne til å oppgradere spillvarme fra sjøvann ved 15°C fra kondensatorutløpet til ammoniakk-kjølesystemet til overhetet damp ved 193°C og 2 bar ved å inkorporere en flash-tank og en mekanisk dampkompressor ved utløpet til ACHP.

Resultatene viste at de kaskaderte HTHP-konfigurasjonene, særlig CO2-ACHP og NH3-ACHP syklusene, oppnådde betydelige temperaturøkninger og høye ytelseskoeffisienter (COP). NH3-ACHP-konfigurasjonen oppnådde en COP på 4,06, mens CO2-ACHP-konfigurasjonen oppnådde en COP på 3,75. Disse funnene fremhever systemets effektivitet i å produsere høytemperaturdamp og varmtvann, og presenterer et levedyktig alternativ til tradisjonelle fossile brennstoffbaserte kjeler.

Implementeringen av ACHP-systemer i kjøttforedlingsanlegg gir betydelige gevinster i energieffektivitet og miljøfordeler. Studiens resultater støtter potensialet til ACHP-teknologi til å redusere klimagassutslipp betydelig og forbedre bærekraften i matindustrien.

The increasing need for energy efficiency and the reduction of greenhouse gas emissions in the food industry, particularly in meat processing, highlights the significance of advanced heat pump technologies. This thesis addresses these critical issues by investigating the production of hot water and steam using a hybrid ammonia-water absorption compression heat pump (ACHP) system configured in a cascaded high-temperature heat pump (HTHP) setup, utilizing natural working fluids. This research is part of the European ENOUGH program, which aims to develop sustainable energy solutions for the food industry.

The study employed both modeling and experimental methods to optimize the ACHP system for high-pressure hot water and steam production. The cascade configuration was modeled in Dymola, where several simulations were carried out for two alternative bottom cycles, NH₃ and CO₂, and the top cycle ACHP, to investigate the performance and potential of the cascaded system. The working domain of the HTHP was investigated based on technical and economic constraints. The ACHP model was further validated with experimental values obtained at NTNU’s EPT test rig facility. The cascade system was evaluated for its ability to upgrade waste heat from seawater at 15°C from the condenser outlet of the ammonia refrigeration system to superheated steam at 193°C and 2 bar by incorporating a flash tank and a mechanical vapor compressor at the sink outlet of the ACHP.

The results demonstrated that the cascaded HTHP configurations, particularly the CO₂-ACHP and NH₃-ACHP cycles, achieved significant temperature lifts and high coefficients of performance (COP). The NH₃-ACHP configuration achieved a COP of 4.06, while the CO₂-ACHP configuration achieved a COP of 3.75. These findings highlight the system's efficiency in producing high-temperature steam and hot water, presenting a viable alternative to traditional fossil fuel-based boilers.

The implementation of ACHP systems in meat processing facilities offers substantial energy efficiency gains and environmental benefits. The study’s outcomes support the potential of ACHP technology to significantly reduce greenhouse gas emissions and enhance sustainability in the food industry.