PL249028B1

PL249028B1 - Układ i sposób rekuperacji energii cieplnej w procesie wytłaczania tworzyw polimerowych

Info

Publication number: PL249028B1
Application number: PL451168A
Authority: PL
Inventors: Kamil Anasiewicz; Paweł Pieśko; Magdalena Zawada-Michałowska
Original assignee: Politechnika Lubelska
Priority date: 2025-02-10
Filing date: 2025-02-10
Publication date: 2026-02-23
Also published as: PL451168A1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest układ i sposób rekuperacji energii cieplnej w procesie wytłaczania tworzyw polimerowych. Układ posiada wytłaczarkę (10) z wężownicą (10.1), za którą znajduje się wanna chłodząca (1) i charakteryzuje się tym, że wanna chłodząca (1) podłączona jest swoim wylotem cieczy chłodzącej do wlotu parownika (2.1) pompy ciepła (2), który z kolei połączony jest swoim wylotem z wlotem pompy obiegowej (3) dolnego źródła, połączonej wylotem z zaworem zwrotnym (4) i termometrem (5) cieczy dolnego źródła do wlotu wanny chłodzącej (1). W pompie ciepła (2) wylot czynnika roboczego parownika (2.1) połączony jest przez kompresor (2.2) z wlotem czynnika roboczego skraplacza (2.3), którego wylot czynnika roboczego połączony jest przez zawór rozprężny (2.4) z wlotem czynnika roboczego parownika (2.1). Wylot cieczy grzewczej skraplacza (2.3) pompy ciepła (2) połączony jest przez pompę obiegową (6) górnego źródła, przepływowy podgrzewacz (7) górnego źródła, zawór zwrotny (8) górnego źródła, termometr cieczy (9) górnego źródła do wlotu wężownicy (10.1) wytłaczarki (10), który to wylot wężownicy (10.1) wytłaczarki (10) podłączony jest do wlotu cieczy podgrzewającej skraplacza (2.3) pompy ciepła (2). Sposób polega na tym, że ciecz chłodzącą z wylotu wanny chłodzącej (1), o temperaturze w zakresie od 35°C do 45°C doprowadza się do wlotu parownika (2.1) pompy ciepła (2), w którym ochładza się ją do temperatury w zakresie od 10°C do 20°C i przesyła się do wlotu wanny chłodzącej (1). Energię uzyskaną w parowniku (2.1) przekazuje się przez czynnik roboczy płynący przez kompresor (2.2) do skraplacza (2.3), w którym nagrzewa się ciecz grzewczą do temperatury w zakresie od 100°C do 120°C. Następnie przekazuje się tą ciecz do przepływowego podgrzewacza górnego źródła (7), w którym w zależności od wytłaczanego materiału, podgrzewa się ją do temperatury w zakresie od 160°C do 240°C i przesyła się ją do wężownicy (10.1) wytłaczarki (10), gdzie ochładzana jest do temperatury w zakresie od 80°C do 100°C i przekazywana do wlotu skraplacza (2.3) pompy ciepła (2).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ i sposób rekuperacji energii cieplnej w procesie wytłaczania tworzyw polimerowych.

Opracowany system rekuperacji i transferu ciepła technologicznego dedykowany jest liniom do wytłaczania tworzyw polimerowych. Charakteryzuje się on możliwością odzysku ciepła z procesu technologicznego, co powoduje obniżenie zużycia energii elektrycznej w stosunku do obecnie stosowanych rozwiązań. W opracowanym sposobie ciepło cieczy chłodzącej, dzięki zastosowaniu pompy ciepła, jest wykorzystywane do uplastycznienia w wytłaczarce termoplastycznego tworzywa polimerowego. Ze względu na temperaturę pracy czynnika, układ dedykowany jest dla tworzyw polimerowych, których temperatura wytłaczania nie przekracza 240°C, w szczególności: PE LD, PE LLD, PE HD, PP, POM, TPUR, PVC-P, PVC-U. W celu uzyskania wymaganej temperatury cieczy roboczej dla zespołu formowania wykorzystano układ z pompą ciepła oraz podgrzewaczem przepływowym, który zwiększa temperaturę tej cieczy do wymaganej wartości, czyli do ok. 160-240°C i jednocześnie zmniejsza temperaturę cieczy wykorzystywanej do chłodzenia wytłaczanego elementu do ok. 10-20°C.

W urządzeniu przedstawionym w opisie patentowym PL227925B1 strumienie powietrza nawiewanego i wywiewanego przepływają przez wymiennik ciepła, w którym energia cieplna zawarta w powietrzu wywiewanym (zużytym) przekazywana jest do powietrza nawiewanego (świeżego). Istotą wynalazku jest wykorzystanie energii kinetycznej zawartej w strumieniu powietrza samoczynnie napływającego przez kanał nawiewny do wywołania przepływu powietrza zużytego przez wymiennik ciepła. W tym celu nawiewnik według wynalazku zaopatrzony jest w turbinę napędzaną strumieniem powietrza nawiewanego, która jest połączona mechanicznie z wentylatorem znajdującym się w kanale wywiewnym. Wentylator zasysa powietrze zużyte z pomieszczenia i wymusza jego przepływ na zewnątrz przez wymiennik ciepła.

Z opisu patentowego PL220223B1 znany jest sposób rekuperacji ciepła z oparów w komorze zraszającej skrubera, polegający na przepuszczaniu strumienia oparów przez tę komorę i ich równoczesny natrysk zimną wodą, w przeciwprądzie lub prostopadle do kierunku przepływu tych oparów. Sposób według wynalazku umożliwia schłodzenie oparów do temperatury 30°C, przy jednoczesnym 3-krotnym zwiększeniem strumienia podgrzanej wody w porównywaniu z dotychczasowymi rozwiązaniami.

Z dokumentu PL244197B1 znany jest układ rekuperacji energii cieplnej w procesie termoformowania i zgrzewania opakowań. Układ obejmuje pompę ciepła z obiegiem dolnym, wykorzystującym ciepło odprowadzane z zespołu zgrzewającego, oraz obieg górny, przekazujący odzyskaną energię do płyty podgrzewającej zespołu formującego. W układzie zastosowano przepływowy podgrzewacz pozwalający uzyskać wymagane temperatury medium grzewczego. Rozwiązanie to skutkuje obniżeniem zużycia energii elektrycznej i redukcją strat cieplnych do otoczenia.

Znane są rozwiązania dotyczące rekuperacji energii cieplnej w procesach wytłaczania tworzyw polimerowych oraz w innych procesach przetwórczych.

Z dokumentu CN112519178A znany jest system rekuperacji energii w procesie wytłaczania, w którym ciepło odbierane z gorących wyrobów tworzywowych w wannie chłodzącej przekazywane jest do medium grzewczego, służącego do wstępnego podgrzewania surowca polimerowego wprowadzającego do wytłaczarki. Układ obejmuje obieg cieczy chłodzącej oraz dodatkowe urządzenia, takie jak wymienniki ciepła i pompy, umożliwiające przekazywanie odzyskanego ciepła.

Z rozwiązania CN210415437U znana jest linia do produkcji rur PERT, obejmująca wannę chłodzącą, pompę ciepła oraz układ wymiany ciepła, w którym woda chłodząca jest schładzana w parowniku pompy ciepła i ponownie zawracana do wanny chłodzącej. Energia z kondensatora pompy ciepła wykorzystywana jest do ogrzewania powietrza, które następnie służy do podgrzewania i osuszania granulatu tworzywa w układzie podawania.

Z dokumentu CN220162938U znana jest wytłaczarka do granulacji materiałów PP z układem odzysku ciepła, w której stosuje się spiralny wymiennik cieczowy otaczający cylinder wytłaczarki, zasilany z obiegu wodnego. Woda, po nagrzaniu w kontakcie z cylindrem i produktem, kierowana jest do zbiornika, a następnie ponownie wykorzystywana do podgrzewania wsadu. Układ ten pozwala na poprawę efektywności energetycznej poprzez częściowy odzysk ciepła odpadowego.

Z publikacji JP2000246786A znana jest wytłaczarka do gumy wyposażona w pompę ciepła, w której ciepło odbierane od wyrobów gumowych w układzie chłodzącym przenoszone jest do płaszcza grzewczego cylindra wytłaczarki. Parownik pompy ciepła sprzężony jest z obiegiem chłodzenia, a skraplacz z obiegiem grzewczym cylindra, co pozwala na zmniejszenie całkowitego zapotrzebowania na energię elektryczną

Problemem technicznym do rozwiązania jest zapewnienie bardziej efektywną rekuperację energii cieplnej w procesie wytłaczania polimerów przy jednoczesnym zmniejszeniu zużycia energii elektrycznej i redukcji strat cieplnych do otoczenia.

Istotą układu jest to, że składa się on z wytłaczarki z wężownicą, a za wytłaczarką usytuowana jest wanna chłodząca. Wanna chłodząca podłączona jest swoim wylotem cieczy chłodzącej do wlotu parownika pompy ciepła. Parownik połączony jest swoim wylotem z wlotem pompy obiegowej dolnego źródła, połączonej wylotem z zaworem zwrotnym i termometrem cieczy dolnego źródła do wlotu wanny chłodzącej. W pompie ciepła wylot czynnika roboczego parownika połączony jest przez kompresor z wlotem czynnika roboczego skraplacza, którego wylot czynnika roboczego połączony jest przez zawór rozprężny z wlotem czynnika roboczego parownika. Wylot cieczy grzewczej skraplacza pompy ciepła połączony jest przez pompę obiegową górnego źródła, przepływowy podgrzewacz górnego źródła, zawór zwrotny górnego źródła, termometr cieczy górnego źródła do wlotu wężownicy wytłaczarki. Wylot wężownicy wytłaczarki podłączony jest do wlotu cieczy podgrzewającej skraplacza pompy ciepła.

Istotą sposobu jest to, że ciecz chłodzącą z wylotu wanny chłodzącej, o temperaturze w zakresie od 35 do 45°C doprowadza się do wlotu parownika pompy ciepła, w którym ochładza się ją do temperatury w zakresie od 10 do 20°C i przesyła do wlotu wanny chłodzącej. Energię uzyskaną w parowniku przekazuje się przez czynnik roboczy płynący przez kompresor do skraplacza, w którym nagrzewa się ciecz grzewczą do temperatury w zakresie od 100 do 120°C. Ciecz tą przekazuje się następnie do przepływowego podgrzewacza górnego źródła, w którym w zależności od wytłaczanego materiału, podgrzewa się ją do temperatury w zakresie od 160 do 240°C. Tak podgrzaną ciecz przesyła się do wężownicy wytłaczarki, gdzie ochładzana jest do temperatury w zakresie od 80 do 100°C i przekazywana do wlotu skraplacza pompy ciepła.

Korzystnym skutkiem zastosowania wynalazku jest ograniczenie poboru energii elektrycznej oraz redukcja emisji ciepła do otoczenia, co zapobiega jego nieodwracalnym stratom. Przyczynia się to do zwiększenia efektywności energetycznej oraz poprawy warunków środowiskowych, redukując negatywny wpływ na klimat i ograniczając koszty eksploatacyjne.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania uwidoczniony jest na schematycznym rysunku, na którym poszczególne figury przedstawiają:

fig. 1 - widok układu z boku, fig. 2 - schemat układu, fig. 3 - schemat układu z zaznaczonymi wartościami temperatur na wejściach i wyjściach poszczególnych zespołów.

Opracowany układ i sposób rekuperacji oraz transferu ciepła technologicznego dedykowany jest wytłaczaniu tworzyw polimerowych. Charakteryzuje się on możliwością odzysku ciepła z procesu technologicznego, co skutkuje zmniejszeniem zużycia energii elektrycznej w stosunku do obecnie stosowanych rozwiązań. W opracowanym rozwiązaniu ciepło cieczy znajdującej się w wannie chłodzącej, dzięki zastosowaniu pompy ciepła, wykorzystywane jest do ogrzewania wężownicy wytłaczarki. W celu uzyskania wymaganej temperatury cieczy roboczej dla wężownicy wytłaczarki wykorzystano układ z pompą ciepła oraz podgrzewaczem przepływowym, który zwiększa temperaturę tej cieczy, w zależności od wytłaczanego materiału, do wymaganej wartości, czyli ok. 160-240°C i jednocześnie zmniejsza temperaturę wykorzystywaną do chłodzenia cieczy w wannie chłodzącej do ok. 80-100°C. Rozwiązanie zapewnia zwiększoną efektywność energetyczną, zmniejsza straty ciepła oraz poprawia stabilność procesów produkcyjnych.

Układ do rekuperacji energii cieplnej w procesie wytłaczania tworzyw polimerowych w przykładzie wykonania składa się z wanny chłodzącej 1, która podłączona jest swoim wylotem cieczy chłodzącej do wlotu parownika 2.1 pompy ciepła 2. Z kolei parownik 2.1 połączony jest swoim wylotem z wlotem pompy obiegowej 3 dolnego źródła, połączonej wylotem z zaworem zwrotnym 4 i termometrem 5 cieczy dolnego źródła do wlotu wanny chłodzącej 1. W pompie ciepła 2 wylot czynnika roboczego parownika 2.1 połączony jest przez kompresor 2.2 z wlotem czynnika roboczego skraplacza 2.3, którego wylot czynnika roboczego połączony jest przez zawór rozprężny 2.4 z wlotem czynnika roboczego parownika 2.1. Wylot cieczy grzewczej skraplacza 2.3 pompy ciepła 2 połączony jest przez pompę obiegową 6 górnego źródła, przepływowy podgrzewacz 7 górnego źródła, zawór zwrotny 8 górnego źródła, termometr cieczy 9 górnego źródła do wlotu wężownicy 10.1 wytłaczarki 10. Wylot wężownicy wytłaczarki 10 podłączony jest natomiast do wlotu cieczy podgrzewającej skraplacza 2.3 pompy ciepła 2. Pomiędzy wanną chłodzącą 1 a wytłaczarką 10 znajduje się kalibrator 11. Za wanną chłodzącą 1 znajduje się odciąg 12, urządzenie odcinające 13 oraz urządzenie odbierające 14. Finalnym produktem jest wytłaczany element 15.

Sposób rekuperacji energii cieplnej w procesie wytłaczania tworzyw polimerowych z wykorzystaniem układu przedstawionego w przykładzie wykonania polega na tym, że ciecz chłodzącą z wylotu wanny chłodzącej 1, o temperaturze w zakresie od 35 do 45°C doprowadza się do wlotu parownika 2.1 pompy ciepła 2, w którym ochładza się ją do temperatury w zakresie od 10 do 20°C i przesyła do wlotu wanny chłodzącej 1. Energię uzyskaną w parowniku 2.1 przekazuje się przez czynnik roboczy płynący przez kompresor 2.2 do skraplacza 2.3, w którym nagrzewa się ciecz grzewczą do temperatury w zakresie od 100 do 120°C. Ciecz tą przekazuje się następnie do przepływowego podgrzewacza górnego źródła 7, w którym w zależności od wytłaczanego materiału podgrzewa się ją do temperatury w zakresie od 160 do 240°C. Tak podgrzaną ciecz przesyła się do wężownicy 10.1 10 wytłaczarki 10, gdzie ochładzana jest do temperatury w zakresie od 80 do 100°C i przekazywana do wlotu skraplacza 2.3 pompy ciepła 2.

Wykaz oznaczeń:

- wanna chłodząca

- pompa ciepła

2.1 - parownik

2.2 - kompresor

2.3 - skraplacz

2.4 - zawór rozprężny

- pompa obiegowa dolnego źródła

- zawór zwrotny cieczy dolnego źródła

- termometr cieczy dolnego źródła

- pompa obiegowa górnego źródła

- przepływowy podgrzewacz górnego źródła

- zawór zwrotny górnego źródła

- termometr cieczy górnego źródła

- wytłaczarka

10.1 - wężownica wytłaczarki

- kalibrator

- odciąg

- urządzenie odcinające

- urządzenie odbierające

- wytłaczany element

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Układ do rekuperacji energii cieplnej w procesie wytłaczania tworzyw polimerowych, posiadający wytłaczarkę (10) z wężownicą (10.1), a za wytłaczarką (10) usytuowana jest wanna chłodząca (1) znamienny tym, że wanna chłodząca (1) podłączona jest swoim wylotem cieczy chłodzącej do wlotu parownika (2.1) pompy ciepła (2), który z kolei połączony jest swoim wylotem z wlotem pompy obiegowej (3) dolnego źródła, połączonej wylotem z zaworem zwrotnym (4) i termometrem (5) cieczy dolnego źródła do wlotu wanny chłodzącej (1), przy czym w pompie ciepła (2) wylot czynnika roboczego parownika (2.1) połączony jest przez kompresor (2.2) z wlotem czynnika roboczego skraplacza (2.3), którego wylot czynnika roboczego połączony jest przez zawór rozprężny (2.4) z wlotem czynnika roboczego parownika (2.1), zaś wylot cieczy grzewczej skraplacza (2.3) pompy ciepła (2) połączony jest przez pompę obiegową (6) górnego źródła, przepływowy podgrzewacz (7) górnego źródła, zawór zwrotny (8) górnego źródła, termometr cieczy (9) górnego źródła do wlotu wężownicy (10.1) wytłaczarki

PL 249028 B1 5 (10), który to wylot wężownicy (10.1) wytłaczarki (10) podłączony jest do wlotu cieczy podgrzewającej skraplacza (2.3) pompy ciepła (2).

2. Sposób rekuperacji energii cieplnej w procesie wytłaczania tworzyw polimerowych znamienny tym, że ciecz chłodzącą z wylotu wanny chłodzącej (1), o temperaturze w zakresie od 35 do 45°C doprowadza się do wlotu parownika (2.1) pompy ciepła (2), w którym ochładza się ją do temperatury w zakresie od 10 do 20°C i przesyła się do wlotu wanny chłodzącej (1), natomiast energię uzyskaną w parowniku (2.1) przekazuje się przez czynnik roboczy płynący przez kompresor (2.2) do skraplacza (2.3), w którym nagrzewa się ciecz grzewczą do temperatury w zakresie od 100 do 120°C, a następnie przekazuje się tę ciecz do przepływowego podgrzewacza górnego źródła (7), w którym w zależności od wytłaczanego materiału, podgrzewa się ją do temperatury w zakresie od 160 do 240°C i przesyła się ją do wężownicy (10.1) wytłaczarki (10), gdzie ochładzana jest do temperatury w zakresie od 80 do 100°C i przekazywana do wlotu skraplacza (2.3) pompy ciepła (2).