Industrial heat pumps. State of the art and case studies relevant to the Italian scenario

The heat pump is a very well-known technology concerning space heating and domestic hot water production, however its potential is not only related to residential applications but could be also exploited in industrial ones. The thesis presents an overview of the heat pump technology, focusing on its applications in industrial processes, for which a survey about current state of the art, typical configurations and working fluids is provided. Then, integration of heat pumps within industrial processes is analysed more in detail for two attractive processes typical of the food and beverage sector: milk pasteurization and malt production. For both cases, an energetic analysis is carried out according to a modelling approach based on mass and energy balances. For each process, first reference conditions are defined according to literature data, then, heat pump integration potential is investigated through a thermal integration analysis. Afterwards, heat pump scheme, operating conditions and Coefficient Of Performance are calculated together with estimation of the primary energy saving potential. Concerning pasteurization, primary energy saving up to 38% can be achieved thanks to heat pump integration. For brewery yet only heat integration measures combined to mechanical vapour recompression lead to significant improvements (more than 50% fuel savings), followed by even better results thanks to adoption of most complex solutions including the integration of a cascade heat pump system.

La pompa di calore è una tecnologia molto conosciuta per quanto riguarda il riscaldamento degli ambienti e la produzione di acqua calda sanitaria, tuttavia il suo potenziale non è solamente legato al settore residenziale ma potrebbe essere sfruttato anche in campo industriale. La tesi presenta una panoramica sulla tecnologia della pompa di calore, concentrandosi sulle sue applicazioni in processi industriali per i quali viene fornita anche un'indagine riguardo lo stato dell'arte attuale, le configurazioni tipiche e i fluidi di lavoro impiegati. Quindi, viene analizzata più in dettaglio l'integrazione delle pompe di calore all'interno di processi industriali per due interessanti processi tipici del settore alimentare e delle bevande; la pastorizzazione del latte e la produzione di malto. In entrambi i casi, viene effettuata un'analisi energetica secondo un approccio di modellizzazione basato sui bilanci di massa ed energia. Per ogni processo, innanzitutto vengono definite le condizioni di riferimento in base ai dati presenti in letteratura, quindi viene studiato il potenziale di integrazione della pompa di calore attraverso un'analisi di integrazione termica. Successivamente, vengono stabiliti lo schema della pompa di calore, le condizioni operative e il coefficiente di prestazione energetica insieme con una stima del potenziale risparmio energetico primario. Riguardo la pastorizzazione, si può ottenere un risparmio energetico fino al 38% grazie all’integrazione della pompa di calore. Per quanto concerne il birrificio, già solamente le misure di recupero termico combinate con la ricompressione meccanica del vapore portano a miglioramenti significativi (risparmio di combustibile maggiore del 50%), seguiti da risultati ancora migliori grazie all'adozione di soluzioni più complesse come l'integrazione di una pompa di calore in un sistema a cascata.