Wielostopniowy odzysk ciepła odpadowego to w teorii rozwiązanie bliskie ideałowi. W analizowanym zakładzie zastosowano rozbudowaną kaskadę wykorzystującą ciepło ze skraplania amoniaku, chłodzenia oleju sprężarek oraz układu kogeneracyjnego. Sam fakt takiego zaprojektowania instalacji zasługuje na uznanie, ponieważ pozwala znacząco ograniczyć zużycie pary technologicznej niezbędnej do przygotowania ciepłej wody procesowej.
Dane pomiarowe wykorzystywane podczas audytu energetycznego pokazały jednak, że układ posiadał klasyczne „wąskie gardło”, które ograniczało wykorzystanie znacznej części dostępnego ciepła odpadowego.
Anatomia problemu
Proces podgrzewania wody procesowej realizowany był w czterech etapach. Zimna woda o temperaturze 9,3°C trafiała najpierw do wymiennika odzyskującego ciepło ze skraplania amoniaku. To właśnie na tym etapie ujawnił się problem. Z uwagi na zbyt małą powierzchnię wymiany ciepła temperatura wody wzrastała jedynie do 15,7°C.
Następnie medium przechodziło przez kolejne stopnie odzysku:
- wymiennik wykorzystujący ciepło z chłodzenia oleju sprężarek podnosił temperaturę do 25,9°C
- wymiennik zasilany ciepłem z kogeneracji zwiększał temperaturę do 41,2°C
- ostatni stopień stanowił wymiennik parowy typu JAD, który podgrzewał wodę do wymaganych 51°C.
Skutkiem takiej konfiguracji było niewystarczające wykorzystanie energii dostępnej podczas skraplania amoniaku. Część ciepła odpadowego nie była odbierana przez wodę procesową, a brakującą energię należało uzupełnić przy pomocy pary technologicznej.
Czy problem można rozwiązać jednym elementem?
Analiza wykazała, że potencjalnym rozwiązaniem mogłaby być wymiana wyłącznie pierwszego wymiennika ciepła na urządzenie o większej powierzchni wymiany. Logika działania jest stosunkowo prosta. Jeżeli pierwszy stopień odzysku ciepła skuteczniej podgrzeje wodę, to kolejne wymienniki rozpoczynają pracę z wyższego poziomu temperatury. W efekcie ta sama ilość energii odzyskanej z chłodzenia oleju i kogeneracji pozwala osiągnąć znacznie wyższą temperaturę końcową przed wymiennikiem parowym.
Przeprowadzone obliczenia wskazują, że po zwiększeniu odzysku ciepła ze skraplania amoniaku temperatura wody mogłaby wzrosnąć z 15,7°C do 25,4°C już po pierwszym stopniu odzysku. Przy zachowaniu tej samej ilości energii odzyskiwanej z chłodzenia oleju oraz kogeneracji temperatura na wejściu do wymiennika parowego osiągałaby około 50,9°C. Oznaczałoby to niemal całkowite wyeliminowanie konieczności wykorzystania pary technologicznej do końcowego podgrzewu.
Warto zaznaczyć, że parametry przedstawione w tabeli dla stanu docelowego nie wynikają wyłącznie z obliczeń. Zostały one przyjęte na podstawie danych z innych pracujących instalacji odzysku ciepła w zakładach mięsnych, gdzie wykorzystuje się ciepło ze skraplania amoniaku, chłodzenia oleju sprężarek do przygotowania ciepłej wody procesowej. Dzięki temu przedstawiony wariant opiera się nie tylko na analizie teoretycznej, ale również na rzeczywistych doświadczeniach eksploatacyjnych.
Wnioski
Przypadek ten dobrze pokazuje, że efektywność energetyczna układu wielostopniowego nie zawsze zależy od łącznej ilości dostępnego ciepła odpadowego. Często o końcowym wyniku decyduje pojedynczy element ograniczający pracę całej instalacji.
W analizowanym przypadku nie brakuje energii. Problemem jest sposób jej odbioru na pierwszym stopniu odzysku. Oznacza to, że przed rozważaniem nowych źródeł ciepła, pomp ciepła czy rozbudowy instalacji warto sprawdzić, czy istniejące wymienniki rzeczywiście pozwalają wykorzystać potencjał energii dostępnej już dzisiaj.