Til hovedinnhold

Høytemperatur varmepumper (Industrielle varmepumper)

Høytemperatur varmepumper (Industrielle varmepumper)

Varmepumper er i utgangspunktet utviklet for å levere kulde eller kjøling, men i de siste årene er teknologien også brukt til å produsere prosessvarme for industrielle applikasjoner.

Potensialet av teknologien er:

  • redusert energibehov
  • utnyttelse av overskuddsvarme
  • elektrifisering av energikilden
  • og ikke minst reduksjon av klimagassutslipp

Høytemperatur varmepumper, eller industrielle varmepumper, betegnes ofte som varmepumper som kan levere termisk energi. Nåværende varmepumper kan vanligvis ikke levere høyere temperaturer enn 70°C - 80°C, mens industrien ofte krever prosessvarmen mellom 100°C og 200°C.

 

Høytemperatur varmepumper kan brukes i alt fra oppvarming av varmtvann til oppgradering av overskuddsvarme til bruk i andre prosesser. Integrasjon av høy temperatur varmepumper i eksisterende produksjonsprosesser er en stor utfordring som forutsetter at energikilden og energibehov passer sammen.

 

Prosessvarme levert av en varmepumpe

 

Dampproduserende varmepumper og re-kompresjon av damp (MVR)

Høytemperatur varmepumper kan brukes til produksjon av høytrykk damp (industridamp), som er den foretrukket varmebærer i industrien. Industridamp blir brukt i alt fra tørking av ulike produkter matvarer, papir og tekstiler, sterilisering av melk og meieriprodukter og varmebærer i stort sett all industri hvor høy temperatur kreves.

 

Varmepumpeprodusert damp er mer miljøvennlig enn konvensjonell olje/gass produsert damp fordi energimengden som kreves per kilo damp ofte er mer enn halvert. Naturlige kuldemedium spesielt vann og butan, egner seg godt til bruk i høytemperatur varmepumper.

 

Mechanical Vapor Recompression (MVR) skaper ikke ny damp som en dampproduserende varmepumpe, men rekomprimerer avdamp fra en prosess. Denne prosessen kan være damptørking, hvor høytemperatur-damp brukes til å tørke for eksempel matvarer eller tekstiler. Temperaturen i tørkekammeret er alltid over 100 °C slik at dampen ikke kondenserer. Da vil høytemperatur-dampen varme opp det våte produktet og trekke ut vannet i produktet i form av damp, mens et tørket produkt går ut av systemet.

 

MVR kan brukes ved å komprimere avdamp, som er mengden damp fra produktet, til et høyere trykk. Deretter blir høytrykk-dampen kondensert i en varmeveksler, mot kald damp som har blitt brukt i tørkekammeret. Kondenseringsenergien i damp er såpass høy at mengden av damp som kondenseres kan være mye mindre enn dampen som skal varmes opp. Den oppvarmede dampen kan nå brukes om igjen til å tørke nye produkt. Bruk av MVR i både tørking og inndamping kan gi opp til 50 % energireduksjon.                                   

 

Vi arbeider innen disse områdene:

 

  • Systemintegrasjon og evaluering av ulike løsninger
  • Utvikling av kompressorer og design av varmeveksler
  • Effektiv energibruk ved bruk av høytemperatur varmepumper
  • Kombinert oppvarming og kjøling
  • Turbokompressorer
  • Dampproduserende varmepumper

Typiske oppdrag for oss er:

 

  • Kartlegge energibesparende løsninger i forskjellige prosesser ved hjelp av høytemperatur varmepumper/MVR løsninger
  • Simulering, dimensjonering, planlegging og implementering av høytemperatur varmepumper/MVR løsninger
  • Utvikle nye løsninger for høytemperatur varmepumper/ MVR løsninger

Metodene vi bruker:

 

  • Testing av komponenter og systemer i SINTEFEnergy lab og HighEFFlab
  • Modellering av nøkkeltall for en høytemperatur varmepumpe
  • Måling nødvendige parametere i fabrikk/prosess
  • Simulering og modellering

Hvorfor velge SINTEF?

SINTEF er verdensledende på høytemperatur varmepumper, særlig innenfor naturlige kuldemedier som vann og hydrokarboner. SINTEF har vært med å utvikle en kaskadevarmepumpe som både kan levere kjøling og varme, som for øvrig har en av verdens høyeste temperaturløft. Innenfor dampkompresjon har SINTEF lang erfaring fra nasjonalt og internasjonalt samarbeid med andre forskningsinstitutter og bedrifter.

 

Hvem gjør vi dette for?

Norsk og internasjonal industri med formål å redusere sitt CO2 avtrykk, samtidig som HMS og effektivitet er ivaretatt.

 

Relevante prosjekt:

HTHP-rigg på SINTEF Energy Lab
HTHP-rigg på SINTEF Energy Lab

 

Facts Heat Pumps

 

What is a heat pump?

A heat pump is a technical installation which transfers heat from a colder area to a hotter area by using mechanical energy.

 

The most know application is surely household refrigeration, in which the inside of the refrigerator is kept cold while the back of the refrigerator is getting warm.

 

In order to transfer this heat a working fluid called refrigerant is needed. The refrigerant is evaporated in the cold part of the heat pump, hereby removing energy from a system (=chilling). The refrigerant is then compressed and transported by a compressor (=mechanical energy) to the warm side where the energy during condensation of the refrigerant is given to another system (=heating). The cold and warm systems are separated and therefore heat is “pumped” from cold to warm. The temperature level of the cold and warm area is a result of different evaporation and condensation pressures in the system.

 

In most heat pump systems, the mechanical energy needed for the compressor is supply by an electric motor. It is the characteristic of a heat pump that the electricity consumption is lower than the transferred energy. This is expressed by the Coefficient of Performance (COP) which states how much useful heating or cooling is provided compared to the work supplied. The COP of a heat pump is commonly getting lower as higher the temperature difference between cold and warm area is.

 

Need for natural refrigerants:

Natural refrigerants (like CO2, ammonia, hydrocarbons) were the first generation of refrigerants and used until 1930, when the second generation of refrigerants was introduced under the aspect of “safety and reliability” [1].

 

However, their negative influence on the ozone layer forced the industry to introduce the third generation of refrigerants (HFCs e.g. R134a) through the Kyoto protocol.  HFCs then showed a high global warming potential (GWP) and will be phased out due to the Kigali protocol and the F-Gas regulation.

 

For industrial application from 2020 the installation of new refrigeration equipment and heat pumps containing refrigerants with high GWP (e.g. R134a, R404A, R407C, R410a, R507A) will be forbidden. The service of existing units can only be conducted by applying recirculated refrigerants causing price increase for maintenance. The units need to be phase out until 2030.

 

The industry now promised that the fourth generations of refrigerants (HFOs) will solve also this problem, however already now there are indications that also these refrigerants could cause problems, e.g. in the drinking water[2]. Consequently, there is an ongoing search for the “right” refrigerant and the trend goes back to the first generation of natural refrigerants which will cause no environmental impact.

 

In other words; if a natural refrigerant can be applied in in a heat pump this should be the favourable solution, since they can be handed safe, are cheap, environmentally friendly and will not be subject to future regulations.

 

[1]

Research & Development Roadmap for Next-Generation Low Global Warming Potential Refrigerants

 

[2] German Environment Agency 

 

Seniorforsker