Technologią, która dobrze wpisuje się w te oczekiwania, jest chłodzenie oparte na efekcie cieplnym adsorpcji, realizowane w chłodziarkach adsorpcyjnych. Dzięki wykorzystaniu ciepła odpadowego urządzenia te nadają się do produkcji chłodu w postaci wody lodowej, szczególnie w obiektach o dużej kubaturze, takich jak np. budynki użyteczności publicznej (szpitale, szkoły, teatry, kina, muzea, biblioteki), ale też hale przemysłowe i biurowce [6].

Charakterystyka chłodziarek adsorpcyjnych

Podstawowym elementem konstrukcji chłodziarek adsorpcyjnych są nieruchome złoża adsorbentu z zabudowanymi powierzchniami wymiany ciepła [7, 8]. Wymienniki ciepła pozwalają na prowadzenie procesu adsorpcji i desorpcji. Przepływ ciepła pomiędzy złożem a zabudowanym w jego obrębie wymiennikiem stanowi więc jeden z kluczowych procesów decydujących o efektywności urządzeń chłodniczych. Wymiana ciepła pomiędzy wodą chłodzącą lub regenerującą złoże oraz adsorbentem realizowana jest poprzez wymiennik ciepła zabudowany w samym złożu. Przepływ ciepła w złożu zachodzić może między materiałem adsorbentu a powierzchnią wymiennika oraz między powierzchnią wymiennika ciepła a wypełnionymi parą wodną przestrzeniami międzyziarnowymi. Dodatkowe efekty cieplne procesów sorpcyjnych, jakie zachodzą w normalnym cyklu pracy chłodziarek adsorpcyjnych, związane z wydzielaniem ciepła, powodują okresowy wzrost temperatury powierzchni ziaren, co sprzyja intensyfi kacji wymiany ciepła.

Cykl pracy konwencjonalnej chłodziarki adsorpcyjnej jest następujący. Odparowany czynnik chłodniczy (zwykle woda) przepływa z parownika do stałego złoża adsorbentu, chłodzonego wodą przepływającą w wymienniku zabudowanym w złożu. W chwili, kiedy stężenie adsorbatu zbliży się do stanu równowagi adsorpcyjnej, adsorber przechodzi w stan regeneracji złoża. Etap ten polega na podnoszeniu temperatury połączonego ze skraplaczem złoża adsorpcyjnego gorącą wodą, przepływającą tym samym systemem rur co woda chłodząca podczas adsorpcji. Powoduje to przesunięcie równowagi adsorbcyjnej w kierunku desorpcji, a powstała para przepływa do skraplacza [8].

Z uwagi na wykorzystanie niskotemperaturowego źródła odpadowego, jakim jest woda grzewcza o temperaturze ok. 65 C w charakterze energii napędowej, zapotrzebowanie na energię elektryczną w porównaniu z tradycyjnymi agregatami sprężarkowymi jest kilkukrotnie mniejsze. Jest to jedna z głównych zalet tych urządzeń. Inne zalety chłodziarek adsorpcyjnych to: prostota budowy, łatwość eksploatacji, niski poziom emisji hałasu i drgań (cicha praca), eliminacja szkodliwych dla środowiska substancji chemicznych (np. freonów), niskie wymagania serwisowe i niezawodność działania.

Natomiast podstawową wadą chłodziarek adsorpcyjnych jest ich niski współczynnik wydajności chłodniczej COP (coeffi  cient of performance); typowe wartości spotykane w literaturze mieszczą się w granicach: 0.49-0.56. Jako przyczynę podaje się tu niskie wartości przewodnictwa cieplnego adsorbentu tworzącego złoża oraz jego własności sorpcyjne [9]. Na fot. 1 przedstawiono przykładowo adsorpcyjny agregat chłodniczy ze złożami zorientowanymi poziomo o nominalnej mocy chłodniczej 90 kW (dla temperatury wody grzewczej 70^oC) [10].

 P rzedział roboczy temperatury wody grzewczej dla tej chłodziarki wynosi 60-90°C, a urządzenie zapewnia równoczesną produkcję wody lodowej w dwóch zakresach temperatur: 7-12°C i 15-20°C. Nominalny wydatek produkowanej wody słodkiej przekracza 5 ton/dobę. Uwzględniając konstrukcję chłodziarek adsorpcyjnych, zbudowanych ze stałych złóż adsorbentu, wymianę ciepła pogarsza cechująca takie warstwy porowatość, szczególnie w strefi e przyściennej wymiennika. Sytuacja ta wymusza więc na konstruktorach budowę chłodziarek o dużych rozmiarach. To z kolei ogranicza rynek odbiorców tych urządzeń.

Przykładowo, dla przedstawionego na rys. 1 agregatu chłodniczego, orientacyjne gabaryty sekcji sorpcyjnej i hydraulicznej (D/S/W) wynoszą odpowied

nio 12/5/5 m, a masa całkowita sekcji hydraulicznej i sorpcyjnej – do 8 ton [10]. Tak więc największym obecnie wyzwaniem dla konstruktorów jest zmniejszenie gabarytów chłodniczych agregatów sorpcyjnych. W pracy przedstawiono koncepcję minimalizacji rozmiarów chłodziarek adsorpcyjnych wykorzystywanych do produkcji wody lodowej, z zachowaniem niezmiennej mocy agregatu poprzez poprawę przewodności cieplnej złóż adsorbentów.

Wymiana ciepła w złożach a gabaryty chłodziarki adsorpcyjnej

W złożu nieruchomego adsorbentu ciepło przekazywane jest poprzez punkty kontaktu ziaren oraz pary wodnej w przestrzeniach międzyziarnowych złoża. Należy jednak zauważyć, że powierzchnia styku ziaren z wymiennikiem ciepła zawiera małe mikroprzestrzenie wypełnione parą wodną, eliminującą występowanie idealnego styku ziaren z wymiennikiem. Wynika to z chropowatości, jaką cechuje się każda powierzchnia ciała stałego. W efekcie na powierzchni styku złoża adsorbentu z wymiennikiem ciepła występuje dość znaczny opór przepływu ciepła, wyrażający się wyraźnym spadkiem temperatur przylegających powierzchni (rys. 1).

Przepływ ciepła między powierzchniami na drodze przewodzenia bezpośrednio poprzez punkty kontaktu ciała stałego jest bardzo efektywny, natomiast przewodzenie przez przestrzenie wypełnione parą wodną jest bardzo utrudnione z uwagi na niską przewodność cieplną pary. Przewodność w miejscu styku ziaren i powierzchni wymiennika ciepła zależy od następujących czynników [11]:

• stanu powierzchni ciał stykających się,

• rodzaju materiałów,

• ciśnienia,

• temperatury powierzchni styku,

• obecności lub braku dodatkowego materiału wypełniającego nierówności powierzchni i przestrzenie międzyziarnowe [11].