Chlazení z tepla kogeneračních zařízení

Při řešení otázky, jak nejúčinněji aplikovat kogenerační jednotky, se objevuje mnoho otázek pro celoroční 100% účinné využití. Naše společnost SOKRA již od roku 2002 nabízí na českém trhu absorpční chladicí zařízení, která zužitkovávají přebytky tepla na výrobu chladu. Jedná se o velmi výhodnou možnost, jak zvýšit účinnost celého systému a plně využít kogenerační jednotky v letním období, kdy není možné na 100 % efektivně využít vyrobené teplo. Takové chladicí jednotky se dají rozdělit na dva typy, a to adsorpční a absorpční, dle použitého sorpčního materiálu. Rozšířenějším a komerčně více používaným systémem jsou absorpční zařízení, která se používají především pro chlazení v klimatizačních systémech budov. Výhody jsou především v nižších pořizovacích nákladech a vyšší provozní účinnosti. Adsorpční systémy mají hlavní výhodu v zužitkování velmi nízké teploty topného média, již od 50 °C, díky požití pevných sorpčních látek. Dále naleznete detailní popis komerčně více používaných zařízení absorpčních včetně historie a aplikačních možností. Představení funkce absorpčního chlazení Absorpční chladicí stroje se liší od kompresorových strojů v efektu chlazení, které je poháněno tepelnou energií oproti mechanické u kompresorů. Jednoduchá absorpční zařízení jsou bytové ledničky s plynovým hořákem v dolní části a ledovou kostkou v horní části, a to vše bez elektrické energie. Absorpční chladicí stroj je větší a má komplikovanější systém. Základní princip je stejný. Absorpční cyklus je znázorněn na obr. Absorpční chladicí stroje jsou především lithium bromidové s vodou (LiBr/H2O) nebo čpavkové s vodou. Systém LiBr/H2O používá lithium bromid jako absorbent a vodu jako chladivo. Čpavkové systémy používají vodu jako absorbent a čpavek jako chladivo. Díky této kombinaci mohou tyto systémy dosahovat hlubokých podnulových teplot chlazení. Pro vaší informaci je společnost SOKRA připravena dodat i čpavkové absorpční stroje, ale v dnešním tématu se budeme zabývat pouze lithium bromidovými stroji, které našly své hojné uplatnění v klimatizačních systémech a při chlazení technologií. Teplota chlazené / klimatizační vody je vyšší než +4 °C. Typy Všeobecně řečeno lze absorpční chladicí stroje rozdělit do tří hlavních kategorií: jednostupňové, dvoustupňové a třístupňové. Tyto typy lze dále rozdělit na dvě podkategorie dle typu tepelné energie, která je ve strojích zužitkována: přímovytápěné a nepřímovytápěné. Bližší informace jsou znázorněny v diagramu. Přímovytápěné absorpční chladicí stroje (DFA) používají napájecí energii palivo (zemní plyn, bioplyn, LTO atd.), které je spalováno v odpovídajícím hořáku vysokoteplotního vypuzovače. Nepřímovytápěné absorpční stroje (IFA) používají již vyrobené teplo v podobě teplé nebo horké vody popřípadě spalin nebo páry pro vyhřívání nízkoteplotního vypuzovače (jednostupňové stroje), případně vysokoteplotního vypuzovače (dvoustupňové nebo třístupňové stroje). Velmi zajímavou vlastností a výhodou jednostupňových strojů BROAD je využití i velmi nízké teploty vody od 65 °C pro jejich pohon a výrobu chladu. Pokud porovnáme tyto typy, jednoduše lze říci, že čím více využijeme tepelnou energie v absorpčním stroji, tím je vyšší účinnost takového zařízení. Tento fakt je velmi důležitý pro hodnocení ekonomické návratnosti investice. Speciálním typem absorpčních strojů je hybridní systém chlazení. Hybridní systém je kombinací chladicího systému používajícího klasické kompresorové chlazení a absorpční jednotky. Tento systém pak funguje tak, že absorpční jednotky pracují v trvalém režimu a kompresorové chladiče kapalin jsou použity pro zálohu nebo pro vyrovnání energetické špičky. Běžně se pak hybridní systém kombinuje s kogeneračním systémem, kdy je letní výroba tepla zužitkována v absorpčních jednotkách a pouze špičkový chladicí výkon je pokrýván kompresory. Sp olečnost BROAD , specializovaný výrobce absorpčních strojů s LiBr cyklem Společnost BROAD byla založena v roce 1988 ve městě Changsha, provincie Hunan jako projekční a konstrukční. V roce 1990 vyvinula beztlaký kotel a patent na jeho výrobu prodala. Na základě zkušeností s vakuem zkonstruovala v roce 1991 vlastní přímo vytápěný absorpční stroj pro chlazení a topení. Dalším důležitým mezníkem je rok 1998 kdy společnost Broad vstoupila se svými absorpčními stroji na zahraniční a světové trhy v Asii, USA a Evropě. Dnes je Broad největším specializovaným výrobcem absorpčních strojů na světě s rozlohou továrny 320 000 m2 a výrobní plochou 100 000m2. Je nositelem více jak 50 patentů, počínaje unikátním řídícím systémem s integrovanou PLC logikou, až po modifikaci absorpčního cyklu. V současné době probíhá výroba již 10. generace absorpčních strojů, což vypovídá o intenzivním vývoji a inovaci výrobce v oblasti zdokonalení a využití absorpčního cyklu. Rozsah výrobní produkce absorpčních strojů zahrnuje výkony od 23 do 23 000 kW chladicího a topného výkonu s přímo a nepřímovytápěnými stroji, s dvoustupňovým a jednostupňovým absorpčním cyklem. K dnešnímu dni je instalováno ve více jak 30 zemích přes 10 000 absorpčních strojů se značkou BROAD včetně České republiky (7, resp. v roce 2008 již 10 instalací). Vlastnosti zařízení BROAD • Inteligentní provoz, plně bezobslužný a samostatný provoz bez zásahu operátora s časovým nastavení zapnutí a vypnutí zařízení. Dále je možné zařízení manuálně zapnout do režimu, kde v závislosti na okolní teplotě prostředí dojde k zanutí nebo vypnutí chodu stroje, popřípadě je možno změnit výstupní teplotu chlazené vody. (Není potřeba další zásah obsluhy, kromě vizuální kontroly zařízení a případné preventivní kontroly vakua 1krát za 3 měsíce.) • Perfektní ovládací funkce. Z elektrického schématu ovládání stroje je zřejmé, že kontrolní systém může zajišťovat chod dalších navazujících periférií, jako například kvalitu kapaliny ve vodních systémech, úsporu elektrické energie, směšování chladicí vody, ovládání frekvenčních měničů vodních čerpadel a ventilátorů chladicí věže, ekvitermní regulace atd. Zařízení BROAD nabízí standardně kontrolní systém, který je u jiných nespecializovaných výrobců nedostupný nebo dodávaný na přání. • Monitorování provozu stroje výrobcem a dodavatelem. 7 dní/24 hodin/365 dní – monitoring pro každý instalovaný chladicí stroj tak, aby byl zajištěn správný provoz s maximální energetickou úsporou. • Jednoduchost a variabilita. Snadné navržení stroje, elektrické schéma zapojení, vnější kabeláž a potrubní napojení předem eliminuje možný problém s instalací a obsluhou. Tento fakt podporuje i kompaktnost a malý rozměr strojů včetně možnosti standardního uplatnění do tlaku 2,4 Mpa bez dalších nákladných tlakových regulačních periferií. Užité komponenty jsou standardně dostupné v místě instalace stroje. • Samostatný cyklus topení (přímovytápěné stroje) znamená dvojnásobnou životnost stroje. • Automatická detekce krystalizace a zamrznutí. Patentem firmy Broad je odstraněn padesátiletý uživatelský problém s krystalizací LiBr a zamrzáním absorpčních strojů. • Automatický čisticí systém. Je používán pro odstranění nekondenzovatelných částic. Speciální tlakový systém a zásobník umožňuje trvalé udržení vakua během provozu. • Deskový výměník tepla. Tepelná energie mezi chudým a bohatým roztokem je téměř dokonale předána a teplotní rozdíl mezi nimi je pouze 2 - 5 °C, což znamená úsporu více jak 15 % oproti trubkovému výměníku tepla. • Turbulátor ve vysokoteplotním vypuzovači (přímo vytápěné stroje) dramaticky snižuje tepelné ztráty ve spalinách a znamená až 10% energetické úspory. • Sondy úrovně chladiva zabraňují plýtvání chladivem při provozu na poloviční výkon a následně tak zvyšují energetickou účinnost. • Při 50 % zatížení chladicího stroje dosahují absorpční zařízení BROAD až o 20 % vyšší účinnost (COP). 1) Přímo vytápěné absorpční stroje BROAD • označení: BZ • napájecí médium: plyn, LTO, bioplyn • funkce: chlazení / topení • tyto stroje jsou osazeny hořáky Weishaupt nebo Riello na příslušné palivo a vytápějí vysokoteplotní vypuzovač. Vyrobená tepelná energie se zužitkuje ve dvou stupních, proto se nazývají takovéto stroje dvoustupňové. Tímto systémem (cyklem) se dosahuje účinnosti 1,41 – 1,56 (part load). Tzn. z jedné kW plynu vyrobí 1,41 – 1,56 kW chladu. Při funkci topení dosahují účinnosti 0,95. Využití: v místech s nedostatkem el. energie (často centra velkých měst) a požadavkem na chlazení např. kancelářských objektů nebo obchodních center, bytových a rodinných domů. Výkonové spektrum: Malé jednotky = BCT 23, 70, 115 kW Velké jednotky = BZ 174 – 23 000 kW 2) Nepřímovytápěné absorpční stroje BROAD • označení BH, BS, BE, BDH, BDS, BDE • napájecí médium: teplá až horká voda, pára, geotermální voda, voda ze solárních panelů s teplotou vyšší jak 75 °C • funkce: chlazení • na rozdíl od přímo vytápěných strojů jsou tato zařízení poháněna nepřímo vyrobenou tepelnou energií. Zařízení je osazeno regulačním ventilem, který zajišťuje regulaci výkonu. • Tato zařízení se dále dělí na podskupiny: a) dvoustupňové (BH, BS, BE) b) jednostupňové (BDH, BDS, BDE) 1. jak již bylo zmíněno tyto dvoustupňové stroje max. zužitkují dodanou energii ve dvou vypuzovačích. Jako poháněcí médium lze použít horkou vodu o teplotě od 120 – 140 °C, nebo páru o tlaku od 0,3 do 0,8 MPa. Účinnost těchto strojů dosahuje 1,41 – 1,6. 2. jednostupňové absorpční chladicí stroje zužitkovávají tepelnou energii pouze v jednom vypuzovači. Médiem v tomto případě je teplá voda od 75 do 120 °C nebo pára o tlaku 0,01 až 0,25 MPa. Účinnost jednostupňových strojů dosahuje až 0,89, což je špička v oboru absorpčního chlazení na světovém trhu. Využití nepřímovytápěných strojů je převážně v aplikacích, kde dosud nehospodárně docházelo k maření odpadního tepla nebo pro dálkové zásobování tepla s cílem vyrobit chlad v místě spotřeby přímo u zákazníka. Výkonové spektrum: Dvoustupňové = BS = 231 – 11 000 kW Jednostupňové = BD = 220 – 11 000 kW Speciální kategorií jsou absorpční chladicí stroje vyvinuté pro instalaci v tzv. trigeneračních soustavách (systémech), které využívají spaliny kogeneračních jednotek pro výrobu chladu nebo v zimních měsících fungují jako spalinový výměník a vyrábějí teplou vodu pro topení. Společnost Broad se může pochlubit desítkami instalací těchto systémů po celém světě a je jedinou firmou, která se zabývá výrobou a vývojem BCHP systémů. Další unikátní technologií je tzv. kompaktní absorpční stroj, který je osazen absorpční jednotkou a chladicí věží, včetně všech oběhových čerpadel. Zařízení je osazeno frekvenčními měřiči na čerpadle chladicí vody a ventilátoru chladicí věže, což uspoří další provozní náklady. Využití kompaktních strojů je široké vzhledem ke svým vlastnostem, které se blíží k běžným kompresorům. Výhodou je vybavení stroje kompletním hydraulickým systémem. Výkonové spektrum: od 23 do 11 000 kW u nepřímo i přímovytápěnými stroji.