Energi- og procesoptimering af tørreprocesser mm.

Transkript

1 Energi- og procesoptimering af tørreprocesser mm. Workshop om intelligent energiomkostnings effektivisering Syddansk Universitet d. 12/ Ebbe Nørgaard, Teknologisk Institut

2 Indhold Energi- og procesoptimering af tørreprocesser Inddampningsprocesser Rekompression af damp fra tørre- og inddampningsprocesser Varmepumper i industrielle processer

3 Tørring. For at fordampe/sublimere vand skal der tilføres ca kj/kg vand, (1). Vandet fordamper/sublimerer og diffunderer ud til overfladen og fjernes. (2) (1) Q = U x A x t [W] Falling Constant (2) N = k x A x p [kg/s] 2 1 Drying rate [kg/s kg] 3 Critical water content 1-2 Constant rate period: Free water evaporates/sublimates 2-3 Falling rate: Capillary flow in pores. 3-4 Falling rate: Diffusion of liquid/steam in material Tørretider, fra uger til sekunder 4 Water content produkter, 400 forskellige principper

4 Kend dit produkt dernæst vurder proces. Måling af produktegenskaber (varme- og massetr.)

5 Simulering af varme- og massetransport. Afgørende parametre for tørreproces Materialeegenskaber (varmeledningsevne, diffusionsegenskaber, geometri) Varmetilførsel (konvektion, konduktion, stråling, over/under kogepunktet) Håndtering af produkt (udstyr)

6 Typiske energiforbrug ved industrielle tørreprocesser Typical energy consumption Dryer types [kj/kg water] [kcal/kg water][mwh/ton] Convection dryers Conveyer dryers ,1-1,7 Tunneldryers ,5-1,7 Owens ,4-1,6 Rotorowen ,3-2,5 Fluid bed ,1-1,7 Flash ,3-2,5 Spray ,3-3,2 Steam Vacuum ,8-1,3 Atmospheric ,7 High pressure ,7 Heat pump ,1-0,3 Contact dryers Drum ,9-1,8 Roller ,8-1,6 Spiraltube ,9 Screw ,9-1,6 Gas based infra red dryers ,0-2,6 Radiant dryers Radiofrequency ,5 Microwave ,8 Freeze drying ,8 Infrared ,9-1,6 Klide: Energistyrelsen (1998) kj/kg Specifikke energiforbrug over fordampnings/sublimeringsenergien er spild Specifikke energiforbrug lavere end fordampnings/sublimeringsenergien kan realiseres ved at genvinde afdampen med varmepumper eller ved at bruge energien eksternt Nøgletal bør opgøres i forhold til mængden af vand der fordampes under tørringen og ikke i relation til tørret produkt

7 Typisk tørreproces Ca. 90 % af alle tørreprocesser er baseret på dette princip Fuel Heat loss Inlet air Combustion Air inlet Exhaust air Gas inlet Drying chamber Dryed product out Wet product inlet Kendte fokuspunkter for energioptimering 1. Maksimal afvanding før tørring / minimal vandtilsætning 2. Reducer afkasttemperaturen mest muligt 3. Recirkulation af tørreluften for at øge vandindholdet (reduktion af friskluft mængden) 4. Reduktion af varmetab ved isolering 5. Varmegenvinding af afkastluft med varmeveksler opvarmning af indblæsningsluft 6. Anvendelse af varmepumper til at øge genvindingsgraden lukkede tørreprocesser

8 Typisk tørreproces Ca. 90 % af alle tørreprocesser er baseret på dette princip Fuel Heat loss Inlet air Combustion Air inlet Exhaust air Gas inlet Drying chamber Dryed product out Wet product inlet Kendte fokuspunkter for energioptimering 1. Maksimal afvanding før tørring / minimal vandtilsætning 2. Reducer afkasttemperaturen mest muligt 3. Recirkulation af tørreluften for at øge vandindholdet (reduktion af friskluft mængden) 4. Reduktion af varmetab ved isolering 5. Varmegenvinding af afkastluft med varmeveksler opvarmning af indblæsningsluft 6. Anvendelse af varmepumper til at øge genvindingsgraden lukkede tørreprocesser

9 Typisk tørreproces Ca. 90 % af alle tørreprocesser er baseret på dette princip Fuel Heat loss Inlet air Combustion Air inlet Exhaust air Gas inlet Drying chamber Dryed product out Wet product inlet Kendte fokuspunkter for energioptimering 1. Maksimal afvanding før tørring / minimal vandtilsætning 2. Reducer afkasttemperaturen mest muligt 3. Recirkulation af tørreluften for at øge vandindholdet (reduktion af friskluft mængden) 4. Reduktion af varmetab ved isolering 5. Varmegenvinding af afkastluft med varmeveksler opvarmning af indblæsningsluft 6. Anvendelse af varmepumper til at øge genvindingsgraden lukkede tørreprocesser 7. Hold øje med fouling på varmevekslere

10 Varmepumpetørring vs. alm. varmegenvinding B Heating the air (20 C C) Drying (100 C - 40 C) Energy recovery (40 C 25 C) Sensible part (15 %) Latent part (85 %, dashed) Recuperator (n=0.75, 50 % recovery, dashed line) Heat pump ( % recovery, dashed line) C E D A F CASE 1: Kun CO2 varmepumpe, COP = 4, spec. energi 990 kj/kg CASE 2: CO2 varmepumpe og alm varmegenvinding, COP = 3,3 spec. energi 960 kj/kg

11 Damptørring m/u. rekompression Tørring over kogepunktet typisk kortere tørretid Afdampen har typisk højere exergiindhold end ved lufttørring (lettere at genvinde) Lavere temperaturdifferenser Effektiv varmepumpekreds Vakuum- (inklusiv frysetørring), til atmosfærisk- og overtrykssystemer

12 Økonomi: Energibesparelsespotentiale og kompressoromkostninger

13 Optimering af tørring og afvanding ved hjælp af elektriske gradienter Ødelæggelse af cellemembran ved pulserende højspænding lettere vandtransport ud af cellerne. Elektrokinetisk afvanding

14 Styring/regulering af tørreproces Hvilke temperaturer kan produktet tåle under tørringen (tør/våd temperatur, og hvor længe? Kræver produktkendskab og indblik i kvalitetsparametre. Valg af energiform (fjernvarme, gas, el mv.) som funktion af varierende energipriser Hvornår er produktet tørt? - Typisk erfaringsbaseret/knowhow, baseret på tørretid, måling på afkastluft (temp. Fugt) - Tommelfingerregel: 2/3 dele af tørretiden bruges til at tørre den sidste 1/3 Betydning af vandindhold i slutprodukt - Holdbarhed (Vandaktivitet), hvad er nødvendigt? - Funktionalitet af slutprodukt - Fordeling af vand/ensartethed af tørret produkt - Overtørring er på alle måder spild (øget energiomkostning, længere procestid, lavere vægt mindre produkt at sælge) Drømmescenarium: - Styring efter nøjagtig måling af vandindhold on-line - Mikrobølger er en nyere interessant mulighed

15 Inddampning Opkoncentrering af væsker, produktet er flydende efter proces Damp ud Føde ind Varme Koncentrat ud Fouling & Scaling : Belægninger på varmeveksler overfladen, der reducerer varmeovergangen og dermed enten øger energiforbruget eller sænker kapaciteten. Overvågning af U-værdi kan være relevant. Kogepunktforhøjelse (BPE) : Damptrykket over en vandig opløsning er altid lavere end over vand ved samme temperatur, hvilket medfører at en opløsning har et kogepunkt der er højere end for rent vand. Dampen fra en vandig opløsning er overhedet, hvilket betyder at den ikke kondenserer med samme.

16 Forskellige inddampningstyper Destillat Varme Varme Føde Destillat Føde Koncentrat Koncentrat Roberts med naturlig cirkulation: små opkoncentreringsgrader Faldstrømsinddamper: større opkoncentreringer mediet pumpes igennem Flashinddamper: høje opkoncentreringer, højviskøse produkter

17 Energiforbrug Mechanical Vapor Recompression (MVR) Føde Kompressor Reboiler Beholder Energiforbrug: Vands fordampningsvarme plus tab Trin 1 Trin 2 Kondensator Destillat Koncentrat Varmt vand ind Kølevand ud Varmt vand ud Føde Kølevand ind SPEC [kwh/m 3 ] Destillat Koncentrat Flertrinsinddampere Destillat N [-]

18 Specifikt energiforbrug i forhold til kompressorvirkningsgrad for MVR 80 SPEC c [kwh/m 3 ] Eta is =0,6 Eta is =0,7 Eta is =0, DT [ C]

19 Trykforhold og temperaturløft for MVR 10 9 PR = 1,4 8 PR =1,37 T [K] 7 6 PR = P P c o T s [ C]

20 Industrielle varmepumper Typisk eldrevne Virkningsgrader skal være større end forskellen mellem elprisen og prisen på alternative energikilder, for at det kan betale sig. COP minimum over 2-3, erfaringsmæssigt 4-5 for at investeringen kan betale sig tilbage hvis det er den eneste drivende faktor For almindelige kredsprocesser kan dette realiseres ved t 40 K Tendenser, ekskl. afgifter, moms og markedsvilkår

21 Nye varmepumpetyper kan levere højere temp.. Højtryksvarmepumpe med ammoniak som kølemiddel, almindelig kredsproces ved højt tryk: 100 C Kulbrinteløsninger, almindelig kredsproces Transkritisk CO 2 - stort temperaturglid på varm side: 100 C Hybrid energi (Norge, 6 anlæg installeret) mulighed for stort temperaturglid på kold og varm side: 150 C Vanddamp få taylormade anlæg installeret, almindelig kredsproces ved lavt tryk, mulighed for direkte kontaktvarmeveksling ved processer med vand > 200 C.

22 Hybrid processen (Osenbrück proces): NH 3 + H 2 O

23 Teknologier, sammenligning på kogepunkter

24

25 Varmedrevne varmepumper Hvis man alligevel anvender gas som primær energikilde til lavtemperaturtørring kan det overvejes om en absorptionsvarmepumpe kan bruges gratis Principskitse med anslåede temperatur- og effektværdier Inlet air 20 C Fuel 10 C Exhaust air 0,7 MW 80 C 1 MW 0,1 MW Heat loss 40 C 1,7 MW Gas inlet 85 C Drying chamber Dryed product out Wet product inlet COP = 1,8 / 1,1 = 1,6