MOŻLIWOŚCI WYKORZYSTANIA POMPY CIEPŁA

Posted on 1 marca 2017 by Paweł Rachwał

Sektor przemysłowy odgrywa ważną rolę w popycie na energię finalną i emisję CO₂. Zapotrzebowanie przemysłu w około trzech czwartych przypada na ciepło. Pompy ciepła mogą poprawić efektywność wykorzystania energii i redukcję emisji CO₂. Szczególnie teraz gdy Polska jest zobowiązana do zmniejszenia emisji CO₂.

Istnieje dużo typów pomp ciepła. Główna uwaga zostanie skupiona na sprężarkowych pompach ciepła wykorzystujących mechaniczną kompresję czynników roboczych w obiegu zamkniętym. W artykule przedstawiono możliwości technologiczne i kierunek ich rozwoju.

Tabela 1: Typy pomp ciepła (Ranade 1989, prace własne)

Dostępność technologii i komponentów pozwala budować urządzenia w szerokim zakresie wydajności i dla różnych aplikacji. Dziś dostępne urządzenia jak i elementy pozwalają swobodnie budować pompy osiągające temperaturę do 80°C pracując na źródłach ciepła o temperaturach od -10°C do +40°C. Osiągane wtedy COP_h waha się między 2,5 a 5,8. Prowadzone badania i rozwój technologii sprawia, że w niedalekiej przyszłości możliwe będzie uzyskanie temperatury użytkowej do 160°C.

Wykres 1: Lambauer 2012, IER

Jakie jest zapotrzebowanie na ciepło w przemyśle?

Około 14% zapotrzebowania na ciepło w przemyśle przypada na temperatury do 80°C co z powodzeniem może być realizowane przy pomocy aktualnie dostępnych rozwiązań. W momencie rozwoju pomp ciepła z temperaturą użytkową 160°C ich udział może wrosnąć nawet do 32%. Mimo tego, że już dzisiaj możemy w znaczący sposób być obecni przy produkcji ciepła, aplikacje przemysłowe są dość rzadkie. Wydaje się ,że główną barierą jest niedostateczna wiedza o możliwościach wykorzystania pomp ciepła w przemyśle.

Gdy mówimy o chłodnictwie, sposób jego podziału i klasyfikowania jest prosty i ogólnie znany. Mimo, że pompy ciepła z racji swojej budowy istnieją równie długo jak sprężarkowe instalacje chłodnicze, wydaje się, że nie doczekały się systematycznego podziału.

Autor uważa, że analogicznie do instalacji chłodniczych pompy ciepła można klasyfikować wg. osiąganych temperatur. Proponuje się następujący podział:

Pompy niskotemperaturowe: T_użytkowa = +/- 35°C
Pompy średniotemperaturowe: T_użytkowa < = +/- 85°C
Pompy wysokotemperaturowe: T_użytkowa > +85°C

Podobnie jak w chłodnictwie – technologia jest wynikową.

Jaki czynnik chłodniczy do pompy ciepła?

Elementem który wynika bezpośrednio z wymaganej temperatury jest stosowany czynnik. Kryteria które powinien spełniać czynnik roboczy dla przemysłowej pompy ciepła to: wysoka temperatura krytyczna, niskie ciśnienia pracy, zerowy wsp. ODP. Pożądane są także niskie wsp. GWP, nie palność i brak toksyczności. Poniżej porównano czynniki wg. osiąganych temperatur.

Tabela 2. Podstawowe właściwości czynników chłodniczych stosowanych w pompach ciepła.

Z powyższej tabeli a także specyfiki czynników wynika, że:

R134a, (R407C, R410A) nadaje się do aplikacji w których wymagane jest ciepło w temperaturze T_{użytkowa maks..}≤ 85°C
R600a do aplikacji małych i bardzo małych
R1336mzz-Z (R245fa) do aplikacji w których wymagane jest ciepło w temperaturze T_{użytkowa.maks.}≤ 160°C (140°C)
R717 (amoniak) dla dużych i bardzo dużych aplikacji T_{użytkowa min.}≥ 80°C, T_{użytkowa maks.}=110°C
R744 (CO₂) do aplikacji w których potrzeba jest ogrzać medium z niskiej temperatury do wysokiej, T_{użytkowa maks.}=130°C

Szczególnie duże oczekiwania są wobec czynnika R1336mzz-Z (w fazie testów oznaczany DR-2, teraz HFO-Z-1336mzz-Z) który ma w zamyśle zastąpić czynnik R245fa.

Wykres 1: Ciśnienie pary nasyconej R134a, R245fa, R1336mzz-Z (DR-2) , Kontomaris , 2013

Wykres 1 obrazuje zakres ciśnień i temperatur skraplania. Przyjmując za limit ciśnienie 2,5 Mpa możemy zaprojektować system o temperaturze skraplania na poziomie około 160°C. Sprawność układów obrazuje wykres 2. Dla przykładu pompa ciepła pracująca na cieple ze skraplania z instalacji chłodniczej osiągająca temperaturę 70°C uzyska COP_h≈ 6,2.

Wykres 2: COP_h dla R134a, R245fa, R1336mzz-Z (DR-2) przy T_parowania=T_skraplania -40°C, Kontomaris , 2013

Na wykresie 3 można zobaczyć kolejne własności termofizyczne czynnika. Widoczne jest dosyć mocne nachylenie linii nasycenia w prawo co będzie skutkowało koniecznością uzyskiwania znaczącego przegrzania.

Wykres 3: Wykres ciśnienie – entalpia dla R1336mzz-Z (DR-2), (www.kth.se)

Przedstawione własności czynnika świadczą o dużym potencjale w zastosowaniu do wysokotemperaturowych pomp ciepła. Muszą one jedynie zostać potwierdzone przez niezależne ośrodki badawczo-rozwojowe.

R744 (CO₂)

Czynnikiem który przeżywa drugą młodość jest R744 (CO₂). Wysoka sprawność egzergetyczna w układzie pracującym na parametrach nadkrytycznych daje bardzo praktyczne możliwości. Jesteśmy w stanie podgrzewać medium z temperatury niskiej , rzędu +10°C do temperatury +90°C w jednym przepływie przez wymiennik uzyskując bardzo korzystną efektywność energetyczną, nie możliwą do uzyskania w innych przypadkach. Dostępne są już urządzenia pracujące w systemie zasilania wodą +12°C, na wyjściu +7°C i produkujące ciepłą wodę użytkową o temperaturze +60°C z temperatury +10°C ze sprawnością łączną 8,4. (COP= 3,7 , COP_h=4,7).

Wykres 4: Wobst 2008, IW-S

Wskazana zaleta ma zastosowanie np. w hotelach , gdzie jest bardzo duże zapotrzebowanie na C.W.U i jednocześnie wymagana jest klimatyzacja pomieszczeń oraz chłodzenie. Dodatkowo stosowanie układów z płynną regulacją wydajności i z bardzo dużym przyrostem temperatury powoduje brak konieczności magazynowania dużych ilości ciepła lub produkowania go na zapas.

Kolejnym równie ważnym elementem, który należy rozważyć to rodzaj dolnego źródła ciepła oraz jego temperatura. Na dzień dzisiejszy dolnym źródłem ciepła najczęściej są powietrze oraz grunt. Rzadziej spotyka się wodę, glikole z różnorodnych technologii, powietrze odpadowe, energię procesów, ciepło rozkładu odpadów, ciepło technologiczne, woda odpadowa.

Mimo iż technologia pozwala na znacznie więcej, aktualnie pompy ciepła są stosowane do C.O. lub C.W.U. w biurowcach i mieszkaniówce. Nieliczne są przykłady wykorzystywania pomp ciepła i układów skojarzonych jak suszenie drewna i produkcja spożywcza (browary, mleczarnie). W Polsce roczne zapotrzebowanie na ciepło szacuję się na 280 TWh, w Niemczech 524 TWh.

Potencjalne procesy technologiczne do których jako źródło ciepła można wykorzystać pompy ciepła i wymagane temperatury przedstawia tabela poniżej.

Źródło: Lauterbach 2011, IER

Aktualne ścieżki rozwoju to ciągłe zwiększanie osiąganej temperatury oraz zastosowanie w nowych branżach – jak pisano wyżej najlepiej w skojarzeniu z chłodzeniem.

Prowadzone są prace badawczo-rozwojowe nad wykorzystaniem pomp ciepła w nowych przestrzeniach. Przykładem może być budynek biurowy w Hamburgu (podobne także istnieją w Polsce) w którym źródłem ciepła dla pompy ciepła jest układ odzysku ciepła z serwerowni. Temperatura źródła ciepła jest w zakresie +16 ÷ +6 °C. Ciepło użytkowe dostarczane jest w temperaturze +35 ÷ +45 °C.

Źródło: Lambauer , 2012 IER

Instalacja została wykonana na dobrze poznanym czynniku roboczym R134a. Zintegrowana efektywność energetyczna takiego rozwiązania średnio w okresie użytkowania wynosi 7,7. Instalacja pracuje od 2011r.

Energia we wszystkich strefach działalności jest coraz lepiej wykorzystywana – to jest ekologiczne i to się opłaca. Prowadzone są intensywne prace nad odzyskiwaniem energii w wielu branżach, przekształcaniu jej w formę zdatną do dalszego wykorzystania i przekazania do miejsca gdzie jest potrzebna. Autor uważa, że już niedługo to co znajdziemy w maszynowniach równie dobrze będzie można nazwać instalacją chłodniczą jak pompą ciepła. Można sobie wyobrazić sytuację gdy energia (cieplna, elektryczna, paliwo) będzie zużywana tylko na jeden proces w fabryce a wszystkie kolejne procesy będą zasilane z jej przekształceń. Łącznie z energią elektryczną – ORC.

Dla Chłodnictwo & Klimatyzacja

Paweł Rachwał
Maurycy Szwajkajzer

WYKORZYSTANIE CIEPŁA ODPADOWEGO UKŁADÓW CHŁODNICZYCH DO UZYSKANIA ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Posted on 1 marca 2017 by Paweł Rachwał

Śmiało można stwierdzić, że skuteczne ekonomicznie oraz technologicznie wykorzystanie ciepła odpadowego instalacji chłodniczej jest tematem przyszłości. Jest to z jednej strony sposób na oszczędność pieniędzy – business, a z drugiej na zmniejszenie produkcji CO2 a więc ekologia i tylko w tym połączeniu należy rozpatrywać przydatność poszczególnych rozwiązań. Na dzień dzisiejszy wielu klientów rozważa lub wprowadza odzyski ciepła mające na celu podgrzanie ciepłej wody użytkowej lub wody służącej do centralnego ogrzewania. Jest to prosty i sprawdzony sposób na nie wyrzucanie energii (więc także pieniędzy i CO2) do atmosfery.
Można jednak iść o krok, duży krok dalej. Jak napisano w tytule do uzyskiwania energii elektrycznej.
Produkcja energii elektrycznej z ciepła odpadowego mogłaby w przyszłości być bardzo znaczącym źródłem zasilania każdego obiektu zawierającego chłodnictwo. W supermarkecie o powierzchni około 14 000 m2 od 50 do 70% energii eklektycznej jest zużywane przez chłodnictwo i klimatyzację.
Poniżej w formie wykresu kołowego przedstawiono zużycie prądu przez supermarket wielkopowierzchniowy.

Rysunek 1. Zużycie prądu przez sklep wielkopowierzchniowy. Oświetlenie halogenowe

Rysunek 2. Zużycie prądu przez sklep wielkopowierzchniowy. Oświetlenie LED

Ile ciepła odpadowego można wykorzystać?

Przy uśrednionym COP na poziomie 2,3 i sprawności odzysku ciepła 30% możliwa do uzyskania energia eklektyczna to do 80% zapotrzebowania elektrycznego oświetlenia, produkcji oraz biur. Na dzień dzisiejszy taki bilans elektryczny obiektu jest nieosiągalny, niemniej jednak warty rozważenia jako technologia przyszłości.

Z doświadczenia także można stwierdzić, że typowy supermarket spożywczo-przemysłowy posiada instalację chłodniczą, która pozwala przy odzyskaniu tylko ciepła przegrzania na ogrzanie całego zapotrzebowania wody użytkowej obiektu od 10 do 55°C. Dla przykładu duży supermarket zużywa dobowo około 12m3.

Odebranie ciepła przegrzania czynnika nadal pozostawia bardzo znaczną ilość ciepła do wykorzystania. Czyli ciepło skraplania oraz nieznaczną ilość ciepła dochłodzenia ciekłego czynnika.

Uśredniając można stwierdzić, że w formie ciepła przegrzania (bez zmiany fazowej) dostępne jest 30% ciepła skraplania.

A zatem do odebrania pozostaje 70% energii skraplania. Niestety jest to energia o niskiej temperaturze która pozwala ogrzać znaczne ilości wody, ale do niskiej temperatury około 35°C lub nawet mniej. Woda o takich parametrach nie nadaje się na wodę użytkową ani do ogrzania budynku (ewentualnie ogrzewanie podłogowe). Zmusza to inwestora do potraktowania odzysku ciepła skraplania jako wstępnego podgrzania wody, która następnie nadal musi zostać dogrzana przez tradycyjną instalację grzewczą (np. piec). Odzysk ciepła skraplania do ogrzania wody jest tylko połowicznym sukcesem i nadal pozostawia klienta z energią w formie ciepła, która nie zawsze jest przydatna (np. latem).

Idealnym więc rozwiązaniem byłoby wykorzystanie ciepła odpadowego do wytwarzania energii elektrycznej, na którą zapotrzebowanie jest mniej zmienne w skali roku a możliwości wykorzystania bardzo szerokie.

W tym kontekście szczególnie ciekawe są dwie technologie: zjawisko termoelektryczne, oraz obieg Stirlinga.

Zjawisko termoelektryczne

Główny potencjał zjawiska termoelektrycznego polega na jego rozpowszechnieniu na rynku. Urządzenia działające na jego zasadzie stosowane są już w chłodziarkach przenośnych, odzieży chłodzącej, chłodzonych siedzeniach samochodowych, medycynie, zegarkach zasilanych ciepłem użytkownika, elektronice i innych. Moduły termoelektryczne są szeroko dostępne w różnych rozmiarach oraz wydajnościach.

Zjawisko termoelektryczne a dokładniej w tym przypadku efekt Peltiera zachodzi na granicy dwóch różnych przewodników lub półprzewodników N i P jeden o przewodności elektronowej a drugi dziurowej. Upraszczając, przepływ prądu powoduje, że jedno ze złączy staje się złączem zimnym a drugie ciepłym tym samym transportując ciepło między nimi. To które ze załączy jest ciepłym a które zimnym zależy od kierunku przepływu prądu.

Zjawiskiem odwrotnym jest efekt Seebecka. Polega on na powstaniu siły termoelektromotorycznej przy umieszczeniu złączy dwóch różnych przewodników lub półprzewodników w różnych temperaturach. Przy zamknięciu obwodu popłynie prąd.

Naturalnie więc efekt Seebecka jest metodą na uzyskanie energii elektrycznej z ciepła odpadowego instalacji chłodniczej. Jak już wcześniej wspomniano warunkiem koniecznym jest odzyskanie energii ze źródła o relatywnie niskiej temperaturze.

Sprawność konwersji energii termicznej na energię elektryczną jest głównym zagadnieniem i można ją obliczyć wg wzoru:

Gdzie:

T_H– temperatura złącza ciepłego (ciepła dostarczanego / odpadowego) [K]

T_C– temperatura złącza zimnego (dolnego źródła ciepła) [K]

ZT – współczynnik określający sprawność przemiany energii termicznej na elektryczną materiału z którego zbudowana jest termopara [bez jednostki]

Dla aktualnie istniejących technologii oraz materiałów sprawność wacha się między 0,04% a 2%.

Uzyskiwana sprawność oznacza, że wykorzystanie energii termoelektrycznej do odzysku ciepła skraplania jest ekonomicznie i technologicznie nie uzasadnione.

Dla instalacji o mocy 100 kW pracującej w temperaturach -10/+45 oraz COP 2,3 uzyskano by nie więcej niż 3 kW energii elektrycznej. Ta wartość nie wystarczy nawet do zasilenia automatyki sterowniczej agregatu.

Istnieje jednak inne zastosowanie pozwalające wykorzystywać tę technologię już aktualnie.

Ciepło skraplania nie jest jedynym dostępnym źródłem energii cieplnej w układzie chłodniczym. Instalacja chłodnicza w sklepie jest często bardzo rozproszona a także rozproszone są lokalizacje zapotrzebowania na energię elektryczną. Rura z ciekłym czynnikiem chłodniczym ma temperaturę około 30°C. Jest to więc źródło ciepła lokalne, które można wykorzystać do uzyskania niewielkiej ilości energii. Przy spadku temperatury 10°C aktualnie dostępne ogniwa termoelektryczne uzyskują moc do 30W/cm2. To jest moc wystarczająca do zasilenia urządzeń pomiarowych (np. termometrów), niektórych sterowników a potencjalnie nawet oświetlenia LED w meblach. Możliwe jest także obudowanie silników elektrycznych ogniwami i wykorzystanie uzyskanej w ten sposób energii do zasilenia urządzeń zabezpieczających lub pomiarowych.

Poniżej przedstawiono propozycję elementu zbierającego energię elektryczną z rurociągu. Za budową elementów jak poniżej dodatkowo przemawia szeroka dostępność elementów składowych oraz nieskomplikowanie techniczne w ich budowie. Można zatem konstruować modułowe elementy do poboru prądu wg średnicy rurociągu. Takie urządzenie na rurociągu także dochładzało by ciekły czynnik zwiększając moc chłodniczą oraz COP układu.

Rysunek 3. Propozycja elementu do poboru energii eklektycznej

Jako zaletę uznać należy także możliwość wykorzystywania termoelektryki w miejscach gdzie źródła solarne nie mogą pracować czyli w nieoświetlonych pomieszczeniach, szafach elektrycznych itp.

Kolejną zaletą pozyskiwania energii elektrycznej za pomocą efektu termoelektrycznego jest brak ruchomych części takiej instalacji. Rozwiązanie jest trwałe, jego sprawność nie zmienia się w czasie i praktycznie nie wymaga interwencji serwisowych. Nie zawiera f-gazów oraz nadaje się do zastosowań w środowiskach mało przyjaznych dla konwencjonalnego chłodnictwa/generatorów.

Silnik Stirlinga

Nieco inną metodą na pozyskanie energii elektrycznej z ciepła odpadowego układu chłodniczego jest obieg Stirlinga. Jest to silnik cieplny, który zamiast wewnętrznego spalania wykorzystuje ciepło zewnętrzne. Energia cieplna jest więc konwertowana w pracę mechaniczną, która następnie za pomocą generatora może być konwertowana w energię elektryczną. To rozwiązanie także zostało wprowadzone do zastosowań komercyjnych. Co więcej silnik Stirlinga najczęściej jest łączony właśnie z generatorem. Pracujące w takim połączeniu silniki Stirlinga spotykane są w generatorach przenośnych lub stacjonarnych, na statkach podwodnych a także prowadzone są badania nad ich wykorzystaniem w motoryzacji. Brak jest jednak informacji do co zastosowań w chłodnictwie lub klimatyzacji.

Rysunek 4. Komercyjny silnik Stirlinga

Aktualnie projektowane silniki Stirlinga osiągają sprawność między 15 a 30% (dane z katalogów producentów) a więc wydajność zbliżoną do silników spalinowych. Dzieje się to jednak przy temperaturach górnego źródła ciepła rzędu 750°C czyli znacznie wyższych niż dostępne w układzie chłodniczym.

Obieg realizowany w silniku Stirlinga pracuje podobnie do silnika Carnota. Do wstępnych obliczeń można zastosować następujący wzór na sprawność:

Dla temperatur osiągalnych w układzie chłodniczym (+60/15°C) sprawność byłaby rzędu 13%.

Analogicznie dla instalacji chłodniczej o mocy 100 kW pracującej w temperaturach -10/+45 oraz COP 2,3 uzyskano by 18 kW energii elektrycznej. Czyli moc wystarczającą do zasilenia wentylatorów skraplaczy, układu sterowania, wentylacji maszynowni i innych.

Studiując rozwój oferty niektórych producentów komercyjnych silników Stirlinga można stwierdzić, że zastosowanie tej technologii bezpośrednio lub w połączeniu z inną zwiększającą uzyskiwaną temperaturę górnego źródła jest możliwe pod warunkiem obniżenia kosztów inwestycyjnych dla klienta końcowego.

Pośród technologii zwiększających temperaturę górnego źródła ciepła można wymienić:

pompa ciepła (bardzo niska całkowita sprawność takiego połączenia)
kolektory słoneczne
ciepło z piekarni lub pieców technologicznych
ciepło spalin generatorów spalinowych
ciepło geotermalne
spalanie biomasy
i inne

Ze względu na rozmiary i skomplikowane połączenie ze źródłem ciepła nie widzi się możliwości umiejscowienia generatora z silnikiem Stirlinga w innym miejscu niż pomieszczenia techniczne.

Jaka jest więc przyszłość ciepła odpadowego i produkcji z niego energii elektrycznej?

Podsumowując. Przydatność do odzysku energii urządzeń termoelektrycznych oraz silnika Stirlinga ze względu na niskie sprawności na dzień dzisiejszy jest ograniczona oraz ekonomicznie nie uzasadniona. Ich charakterystyki oraz możliwe zastosowania są bardzo różne. O ile można przypuszczać, że silnik Stirlinga rozwinie się w kierunku uzasadniającym jego użycie do pełnego odzysku ciepła skraplania z układu chłodniczego o tyle środowiska naukowo techniczne uważają, że ograniczenia w dostępnych „ziemskich” materiałach skazują urządzenia termoelektryczne na pełnienie roli źródeł lokalnych zastępujących baterie (tzw. „energy harvesting”). Nadal jednak w obydwu przypadkach niezmienna pozostaje zaleta polegająca na zerowym koszcie ekologicznym ich pracy.

Dla Chłodnictwo & Klimatyzacja

Maurycy Szwajkajzer

ENRECO na targach FoodTech2017

Posted on 28 lutego 20177 grudnia 2020 by Paweł Rachwał

7 do 9 marca 2017 – zarezerwuj czas.

Zapraszamy na stoisko firmy ENRECO na targach Food Tech 2017, które odbędą się między 7 a 9 marca w centrum wystawienniczym Ptak w Nadarzynie pod Warszawą.

Na naszym stoisku będzie można zobaczyć Pompę Ciepła na czynnik R744 (CO2). Naładowaną czynnikiem i gotową do działania. Niezwykle wydajną i jednocześnie prostą w instalacji i obsłudze.

Nasza firma to przede wszystkim inżynieria chłodnicza i pomp ciepła: projektowanie, consulting, audyty.

SCHŁADZANIE W PRODUKCJI PIECZYWA

Posted on 28 lutego 20177 grudnia 2020 by Paweł Rachwał

Branża spożywcza przeżywa coraz szybsze zmiany. Drastyczne zamknięcie rynków wschodnich zmusza do przejścia praktycznie tylko i wyłącznie na rynek wewnętrzny i rynki zachodnie. To wymusza zmiany. Zmiany i adaptację albo śmierć. Mimo iż jeszcze relatywnie niewiele pieczywa eksportuje się z Polski to na zasadzie naczyń połączonych odczuwa je także i branża piekarnicza. Po tym pozornie pesymistycznym wstępie można by przypuszczać, że autor niniejszego artykułu widzi lub wróży kryzys. Na szczęście jest odwrotnie. Zapotrzebowanie na dobre pieczywo z Polski nieustannie rośnie. Zmianom, a raczej adaptacjom ulega także technologia. Jeszcze do niedawna brzydkie słowo „oszczędność” nabiera bardziej charakteru optymalizacji produkcji. Optymalizacja jest obecna na każdym etapie od pozyskania składników aż po talerz końcowego odbiorcy produktu. Należy produkować wydajniej, nie tracąc na jakości lub nawet ją zwiększać. Schładzanie w produkcji pieczywa jest jednym z rozwiązań, które pomoże w budowie nowoczesnego i biznesowo opłacalnego zakładu produkcyjnego.

Poniżej przedstawiono schematycznie główne etapy produkcji chleba. Niniejszy artykuł będzie opowiadał o niewielkim bardzo elemencie całego procesu: schładzanie (zaznaczone na zielono), które może pojawiać się w procesie produkcji kilkukrotnie.

Proces technologiczny

Tabela 1. technologia produkcji pieczywa

Schładzanie w produkcji pieczywa w zależności od temperatury może odbywać się na dwa sposoby:

przepływem powietrza (wymuszonym lub naturalnym)
urządzeniem chłodniczym (najczęściej sprężarkowym)

Poniżej przedstawiono schematycznie typowy, spotykany w znacznej większości przypadków układ chłodniczy.

Rysunek 1. obieg chłodniczy

Aby Państwa produkt – czyli chleb był najwyższej jakości oraz w odpowiedniej cenie ważne jest aby każdy element z powyższego schematu był wysokiej klasy oraz odpowiednio pracował z resztą układu.

Każdy z etapów oznaczonych na schemacie 1 może, ale nie musi występować w procesie produkcji.

Pomysł na schładzanie w produkcji pieczywa przed garowaniem – czyli opóźniony rozrost jest w Polsce relatywnie nowy. Schładzanie odbywa się w komorze o budowie podobnej do komory szokowej, czyli z wymuszonym przepływem powietrza, nakierowanym w taki sposób aby przepływało ono równomiernie przez wózki z ciastem. Jak napisano wcześniej każdy proces we współczesnej piekarni należy usprawniać, sprawiać, że jest bardziej wydajny i oszczędny. W przypadku instalacji chłodniczej oszczędność można realizować na dwa sposoby:

usprawnienie działania instalacji chłodniczej tak aby zużywała jak najmniej energii
odzysk ciepła w skraplaczu (patrz rysunek 1)

Nie w pełnym wymiarze obydwie te metody można zastosować jednocześnie. A co równie ważne nie każda z nich nawet jeśli skuteczna technologicznie będzie opłacalna finansowo.

Aby zdecydować którą z powyższych metod zastosować należy najpierw rozważyć potencjalne zapotrzebowanie na energię w skali całego zakładu.

W piekarni zużywa się energię w postaci energii elektrycznej, gazu i ciepła. Energia odpadowa z instalacji chłodniczej występuje tylko w postaci ciepła. Energię cieplną odzyskuje się już dziś także z pieców. Odzyskuje się jej bardzo duże ilości i to w temperaturach bardzo przydatnych dla przemysłu. Wodę można ogrzać z łatwością do 90°C.

Jaka jest energia odzyskana z chłodnictwa?

20% ciepła odzyskanego z układu chłodniczego pozwala ogrzać wodę do 65°C. Pozostałe 80% pozwala zaś ogrzać wodę do 30°C. To niestety oznacza, że na tle ciepła odzyskanego z pieców jest jego bardzo mało i jest w temperaturach mało przydatnych do wykorzystania (ewentualnie cwu lub ogrzewanie budynku).

Wnioskować więc można, że na dzień dzisiejszy w większości instalacji chłodniczych w celu optymalizacji kosztów należy starać się zmniejszać ilość energii elektrycznej pobieranej niż starać się odzyskać to co już włożono.

Do powyższych rozważań założono czas zwrotu inwestycji w oszczędność energii poniżej 4 lat, oraz wielkość instalacji chłodniczej ograniczoną do garowania – bez dużych chłodni o mocach powyżej 100 kW.

Podstawowym pytaniem na jakie należy odpowiedzieć jest to jaki czynnik chłodniczy należy zastosować;

W doborze czynnika musi pomóc wykwalifikowany projektant. Jako perspektywiczne uważa się czynniki naturalne. Szczególnie, że niektóre z nich mają bardzo wysoką sprawność (taką jak dawno wycofany R22).

Wymagana najniższa temperatura podczas opóźniania rozrostu to zazwyczaj -20°C. Najwyższa obliczeniowa temperatura otoczenia do którego oddajemy ciepło to około 30 do 35°C. Różnicę temperatur przestawiono schematycznie poniżej.

Rysunek 2. temperatury w układzie chłodniczym

Im różnica temperatur (A+B+C) jest mniejsza tym mniej energii elektrycznej będzie zużywać instalacja chłodnicza. To oznacza często konieczność większej inwestycji w chłodnicę powietrza (A) oraz skraplacz (B). Taka inwestycja jednak zazwyczaj się zwraca w okresie znacznie poniżej 4 lat. To znaczy dopłata z tytułu bardziej wydajnego urządzenia kompensuje się w zmniejszonym zużyciu energii.

Oszczędności energii

Poniżej przedstawiono różnicę w zużyciu energii.

Moc chłodnicza: 10 kW
Czynnik chłodniczy: R404A
Ta: +45°C (temp. zewnętrzna +30°C)
Tc: -32°C (temp. w komorze -20°C)
Roczne zużycie energii elektrycznej: 8,11 kW x 10h/dobę x 300 dni = 24 330 kWh/rok

Moc chłodnicza: 10 kW
Czynnik chłodniczy: R404A
Ta: +37°C (temp. zewnętrzna +30°C)
Tc: -26°C (temp. w komorze -20°C)
Roczne zużycie energii elektrycznej: 5,55 kW x 10h/dobę x 300 dni = 16 650 kWh/rok

Moc chłodnicza: 10 kW
Czynnik chłodniczy: R290 (propan)
Ta: +37°C (temp. zewnętrzna +30°C)
Tc: -26°C (temp. w komorze -20°C)
Roczne zużycie energii elektrycznej: 4,25 kW x 10h/dobę x 300 dni = 12 750 kWh/rok

Różnica: 11 580 kWh x 0,35pln/kWh = 4 053 pln/rok a to prawie 50% kosztów w stosunku do układu nazwijmy go najprostszym.

Przy urządzeniach większych proporcje pozostają te same.

Zaletą takiego „przewymiarowania” wymienników jest także fakt, że w przypadku warunków ekstremalnych, np.: szczególnie wysokich temperatur zewnętrznych, zapylenia lub innych podobnych urządzenie nadal będzie pracowało poprawnie. Kolejna zaleta to mniejsza ususzka przechowywanego produktu.

Inną metodą na zmniejszenie zużycia energii jest odpowiednie dobranie mocy sprężarki do mocy wymaganej przez urządzenie chłodnicze. Standardowo sprężarki produkowane są w pewnych znamionowych mocach. Rzadko idealnie dopasowanych do unikalnego zapotrzebowania procesu technologicznego klienta. Rozwiązaniem jest zastosowanie falownika, który płynnie steruje wydajnością sprężarki dopasowując ją precyzyjnie do chwilowego zapotrzebowania. To daje ostatecznie mniejsze zużycie energii i co nie mniej istotne precyzyjne sterowanie temperaturą nie tylko w całej objętości komory, ale także nawiewanego powietrza.

Inne istotne nie tylko dla jakości chłodzonego towaru ale także dla zużycia energii czynniki na które mamy wpływ to: przepływ powietrza przez towar, kształt kanałów nawiewnych, czas otwarcia drzwi, lokalizacja komory chłodniczej, dobranie elementów automatyki instalacji chłodniczej, umiejscowienie agregatu chłodniczego.

Czynnikami na który wpływ mamy ograniczony są: temperatura początkowa, końcowa i wilgotność chłodzonego towaru.

Powyżej wymienione rozwiązania to tylko dwa z wielu wymogów, które należy spełnić aby urządzenie chłodnicze tak jak i każdy proces technologiczny w piekarni nie tylko istniało, ale jeszcze było wydajne i skuteczne.

Powyższe uwagi dotyczą tak samo opóźnionego rozrostu jak i przechowywania w warunkach chłodniczych.

Schładzanie w produkcji pieczywa – przyszłość czy teraźniejszość?

Zmiany technologiczne zachodzące w branży piekarskiej (mniej cukierniczej) przypominają te z lat ubiegłych z branż produkcji owoców lub mięsnej. Zmiany gospodarcze jak i chęć rozwoju popychają do zwiększenia zaawansowania technologicznego, skali i intensywności produkcji. Nie wystarcza już aby właściciel piekarni znał się jedynie na pieczeniu chleba (nawet najlepszego). Powoli musi wiedzieć także co kryje się wewnątrz urządzeń, których ma na zakładzie coraz więcej. Ma to znaczenie tak dla jakości produktu jak i wyniku finansowego. Ostatecznie ma znaczenie dla przyszłości jego firmy.

Dla Przegląd Piekarski i Cukierniczy

Maurycy Szwajkajzer

CZY INWESTYCJA W PROJEKT MOŻE SIĘ OPŁACIĆ?

Posted on 17 lutego 201725 listopada 2020 by Paweł Rachwał

W branży chłodniczej są czynności, których nie należy robić: łączyć rur calowych z metrycznymi, obniżać zbyt szybko temperaturę w mroźniach podczas uruchomienia, malować grubo farbą ciasno pasowanych elementów. Takie przykłady można mnożyć bez końca.

Oczywiście wykonanie tych czynności jest możliwe, ale pochłania nieproporcjonalnie dużo roboczogodzin, wymaga nieprofesjonalnych metod i ostatecznie daje słabe wyniki. Branża chłodnicza jest pełna takich przykładów. Należy je potraktować jako metaforę. W chłodnictwie łączymy to przy czym pracuje się siłą z tym nad czym pracuje się ostrożnie i z wyczuciem. Wbrew pozorom ten typ działania nie zaczyna się w momencie rozpoczęcia budowy. Rozpoczyna się on już w momencie przyjęcia zapytania od klienta. Można powiedzieć, że wydaje się miliony w monetach jednozłotowych. Ten kto lepiej opanuje łączenie zgrubnych elementów z drobnymi ten wygrywa. Jest wiele sposobów podziału etapów procesu inwestycyjnego. W tabeli 1. przedstawiono jeden z nich – specyficzny dla chłodnictwa. Jak widać poza pracą instalatorską w procesie inwestycyjnym jest wiele etapów wymagających pracy inżyniera, w tym także projektowanie instalacji chłodniczych. Od tego jak dobrze potrafi my je wykonać sami lub jak wykona je firma, której je powierzymy, zależy sukces lub porażka obu stron – klienta i oferenta.

Głównym zadaniem inżynierskim stojącym przed klientem jest odpowiednio precyzyjne określenie swojej potrzeby i przygotowanie materiałów, które pozwolą porównać oferty. Odpowiednio przygotowane zapytanie powinno zawierać:

podkłady architektoniczne;
wytyczne projektowe lub księgę standardów klienta;
formularz ofertowy (ten dokument często jest bardzo opieszale napisany).

Zlecenie przez inwestora „nie technologicznego” dokumentacji przetargowej na zewnątrz zapewnia zamawiającemu dostęp do aktualnych technologii i znajomości przepisów, a jednocześnie nie wymaga tworzenia nowych działów technicznych.

Niestety, często klient w poszukiwaniu oszczędności lub wykonując jedynie „przymiarkę do inwestycji”, omija przygotowanie do zapytania. W efekcie dostaje bardzo różne oferty i brak realnej możliwości oszacowania kosztów – nie mówiąc już o podstawach do decyzji na temat technologii. Oczywiście brak specyficznej technicznej wiedzy u klienta na temat chłodnictwa nie musi być czymś złym. Jak autor pisał we wcześniejszym artykule na temat outsourcingu, klient „nie technologiczny” może z powodzeniem zlecić stworzenie dokumentacji przetargowej na zewnątrz. Takie podejście zapewnia zamawiającemu dostęp do aktualnych technologii i znajomości przepisów, a jednocześnie nie wymaga tworzenia nowych działów technicznych. W przypadku, gdy praca do wykonania nie jest nową budową należy zacząć od audytu, który precyzyjnie ustali stan aktualny. Z drugiej strony, główne zadanie inżynierskie wykonawcy to odpowiednie zaprojektowanie instalacji, gdy przetarg już został wygrany. W tym momencie weryfikowane są założenia z oferty.

Przed przystąpieniem do budowy

Przed przystąpieniem do budowy należy przygotować przynajmniej:

plan instalacji chłodniczej w architekturze;
plan sterowania w architekturze;
plan technologiczny instalacji chłodniczej;
schematy elektryczne sterowania oraz szaf;
listę materiałów;
harmonogram prac (zawierający terminy dostaw).

Poprawnie wykonane dokumenty są bazą, z którą może pracować kierownik robót i – co nie mniej ważne – zapewniają nam na placu budowy dostęp do odpowiednich stref w odpowiednim czasie. A wiemy, że instalacja chłodnicza często jest budowana jako ostatnia. Przesunięcia w terminach wszystkich poprzednich wykonawców zbiegają się dokładnie w czasie naszych prac. Na podstawie odpowiednio napisanej dokumentacji, odbiór UDT jest znacznie mniej skomplikowany. Nie warto wspominać jakie są konsekwencje niepoprawnie przygotowanych dokumentów wymienionych powyżej.

W Polsce, pod względem podejścia do sposobu realizacji inwestycji, istnieją niejako dwa światy. Jeden, w którym z większym lub mniejszym sukcesem zachowuje się ścieżkę opisaną w tabeli 1. (potrzeba biznesowa – projekt – zapytanie – realizacja) i drugi, w którym w poszukiwaniu oszczędności lub pozornego uproszczenia realizacji odrzuca się wszystko, co nie jest częścią fizyczną inwestycji (potrzeba biznesowa – zapytanie – realizacja).

Z obserwacji autora wynika, iż w pierwszej grupie znajdują się przede wszystkim klienci i dostawcy instalacji z zagranicy. W drugiej klienci i dostawcy Polscy. Grupy te w bardzo nieznacznym stopniu się mieszają. Tymczasem wejście na wyższy standard przygotowania i obsługi klienta pod względem dokumentacji pozwoli Polskim firmom walczyć jak równy z równym z międzynarodowymi korporacjami nie tylko w Polsce, ale może i za granicą. Oczywiście opinia powyżej nie jest regułą. Na odpowiednim podejściu projektowym i organizacyjnym wiele zyskać może tak klient, jak i instalator

Ile to kosztuje?

Ile to kosztuje? Istnieje wiele metod wyceny prac inżynierskich, w tym projektowych – w naszej branży najczęściej stosowana jest wskaźnikowa i wartościowa.

Metoda wskaźnikowa wyceny pracy projektowej

Metoda wskaźnikowa wynika z doświadczenia i ogólnie stosowanych praktyk. Wyraża się w % wartości danej części inwestycji w stosunku do całości. Projekt chłodniczy zawierający:

plany technologiczny;
chłodniczy w architekturze;
bilans chłodniczy i elektryczny;
dane doborowe urządzeń;
dobór automatyki,
kosztorys inwestorski;

ale już bez projektu centrali lub nadzoru autorskiego budowy jest wart między 1 a 3% całości.

Metoda wartościowa wyceny pracy projektowej

Metoda wartościowa polega na oszacowaniu czasu pracy projektanta i pomnożeniu go przez koszt roboczogodziny, któ- ra zawiera wszystkie koszty – także dodatkowe (biuro, dojazd itd.). Zwykle roboczogodzina pracy projektanta to między 120 a 180 zł. Przygotowanie projektu instalacji chłodniczej o wartości 1 000 000 zł. trwa około 2 tygodni dla dwóch osób:

2 x 5 x 8 x 2 = 160 h
160 h x 150 pln/h = 24 000 zł
Wydruki (3 egzemplarze) = 1500 zł
Razem: 25 500 zł, czyli 2,5 % wartości inwestycji

Czy jest to dużo, czy mało, należy rozpatrywać w kategorii tego, co kompletna dokumentacja może dać każdej ze stron. Czy klient jest w stanie dzięki odpowiednio przygotowanej dokumentacji wynegocjować cenę obniżoną o więcej niż 2,5%? Czy instalator dzięki odpowiedniemu podejściu formalnemu jest w stanie w ogóle startować w przetargu, a potem ograniczyć czas obecności na budowie, kupić precyzyjnie materiały, lub sprostać wymaganiom klienta, proponując innowacyjną technologię, która spełnia wymagania małego zużycia energii i ekologii? Odpowiedź na to pytanie czytelnik na pewno zna.

W zakres pracy biura projektowego mogą wchodzić także:

audyt,
nadzór inżynierski,
kierownictwo robót,
doradztwo, ale dodatkowo także pomoc w negocjacjach z zagranicznym klientem lub wsparcie biznesowe w realizacji inwestycji (relacje z dostawcami, ekipami itd.).

Podsumowując, na odpowiednim podejściu projektowym i organizacyjnym wiele zyskać może tak klient, jak i instalator. Każda ze stron ma swoje obowiązki i wymagania. Klient powinien ograniczyć czas instalatora poświęcony pomiarom i analizom na obiekcie. Z drugiej strony, ma prawo wymagać precyzyjnej i innowacyjnej oferty. Oferent ma za zadanie skupić się na ofertowaniu technologii nowoczesnej i powinien dostać w tym celu odpowiednie materiały. Takie podejście pozwoli każdej ze stron robić to, w czym jest najlepsza i pozostać przy starych przysłowiach: „płacę i wymagam” oraz „praca i płaca”.

Dla Chłodnictwo & Klimatyzacja

Maurycy Szwajkajzer