Poniedziałek, 24 lipca 2017 r.

Imieniny: Krystyny, Kingi KONTRAST

Partner serwisu:

Minimalizacja rozmiarów chłodziarek adsorpcyjnych wykorzystywanych do produkcji wody lodowej cz. 1

J. Krzywański, Wojciech Nowak, K. Grabowska, A. Widuch, M. Wesołowska | 15.04.2017

Konieczność oszczędzania zasobów energetycznych oraz ochrony środowiska naturalnego to jedne z najistotniejszych problemów cywilizacyjnych obecnego wieku. Możliwą metodą realizacji tego postulatu jest wykorzystanie źródeł niskotemperaturowej energii gromadzonej w ziemi, powietrzu lub wodzie, w szczególności źródeł ciepła odpadowego lub niskotemperaturowego [1-5].

 

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 70oC) [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].

Na szczególną uwagę zasługuje ostatnia spośród ww. metod, wskazująca na możliwość modyfi kacji struktury złoża w obszarze bezpośrednio sąsiadującym z powierzchnią wymiennika ciepła. Obszar warstwy sąsiadującej ze złożem ma bowiem wyższy opór cieplny niż podobny obszar zlokalizowany wewnątrz złoża adsorbentu (rys. 1). Opór ten stanowi najwyższy opór cząstkowy ruchu ciepła pomiędzy złożem adsorbentu a płynem w wymienniku ciepła i jest czynnikiem determinującym wymianę ciepła pomiędzy ścianką wymiennika a złożem [12].

Uwzględniwszy znaną w teorii wymiany ciepła zasadę, zgodnie z którą intensyfi kacja ruchu ciepła przebiega najefektywniej podczas zmniejszania największego oporu cząstkowego, w obszarze omawianych zagadnień uwagę należy koncentrować na obniżeniu oporu wnikania ciepła od złoża adsorbentu do powierzchni wymiany ciepła [12]. Tu pojawiają się nowe koncepcje modyfi kacji konstrukcji złóż, pozwalające na zmniejszenie wymiarów chłodziarek adsorpcyjnych. Korzystając bowiem z wzoru Newtona:
 

zwiększenie współczynnika wnikania ciepła, przy zachowaniu stałego strumienia ciepła i różnicy temperatur, pomiędzy złożem i ścianką wymiennika ciepła, pozwoli na zmniejszenie powierzchni wymiany ciepła A, a więc zmniejszenie gabarytów wymiennika ciepła.

Dla celów bliższej analizy tego zagadnienia niezbędnym jest zdefi niowanie współczynników efektywności energetycznej COP i CC charakteryzujących pompy ciepła. Współczynnik wydajności chłodniczej chłodziarki możemy wyrazić następująco:
 

Moc grzewczą urządzenia możemy wyrazić równaniem opisującym przenikanie ciepła między czynnikiem grzewczym w wymienniku a materiałem złoża – adsorbentem:


Powyższa zależność określa minimalne gabaryty nieruchomych złóż adsorbentu chłodziarki adsorpcyjnej. Znając bowiem gęstość materiału adsorbentu ρs oraz biorąc pod uwagę skrajne wartości porowatości ε złóż ziaren kulistych, wynoszące odpowiednio 0.47 dla najluźniej i 0.256 dla najściślej upakowanego złoża [13], możliwe jest wyznaczenie minimalnej jego objętości Vs. Wielkość tę opisuje zależność (13):
 

która dla zadanej wysokości złoża Hs defi niuje powierzchnię jego przekroju As:

Z powyższego wynika, że z punktu widzenia wymiany ciepła dysponujemy dość użytecznymi metodami modyfi kacji gabarytów adsorpcyjnych pomp ciepła. Do metod tych należą wszelkie możliwe koncepcje modyfi kacji konstrukcji złóż adsorbentu, prowadzące do zwiększenia współczynnika wymiany ciepła między złożem a zabudowanym tam wymiennikiem.

Do podstawowych strategii należą:

• modyfi kacja struktury złoża w miejscu styku z powierzchnią wymiennika ciepła,

• wykorzystanie złóż polidyspersyjnych,

• zastosowanie fluidyzacji złóż adsorbentu.

Szczegółowe ich omówienie stanowi treść drugiej części artykułu, gdzie podjęto również zagadnienia intensyfikacji wymiany masy, wprowadzając do zagadnienia problematykę fluidyzacji.

***

Podstawową wadą adsorpcyjnych agregatów chłodniczych jest niski współczynnik wydajności chłodniczej COP jako rezultat własności złóż adsorbentu, a przede wszystkim ich słabego przewodnictwa cieplnego i słabej wymiany masy jako parametrów rzutujących na kinetykę sorpcji. W efekcie produkowane obecnie chłodziarki adsorpcyjne cechują duże gabaryty, ograniczające rynek potencjalnych odbiorców tych urządzeń. Największym więc obecnie wyzwaniem dla konstruktorów i producentów adsorpcyjnych pomp ciepła jest opracowanie nowych metod intensyfi kacji procesów wymiany ciepła oraz masy w obszarze złóż adsorbentu, prowadzących do zmniejszenia wymiarów tych urządzeń.
 

Literatura

[1] Chmielniak T., Technologie energetyczne, Wydawnictwo WNT, Warszawa 2013.

[2]  Lewandowski W.M., Proekologiczne odnawialne źródła energii, wydawnictwo WNT, Warszawa 2012.

[3] Wójs K., Odzysk i zagospodarowanie niskotemperaturowego ciepła odpadowego ze spalin wylotowych, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2015.

[4] Kotowicz, J., Job M., Brzęczek, M. The characteristics of ultramodern combined cycle power plants. Energy, 92, 197-211, 2015.

[5] Krzywanski J., Szyc M., Nowak W., Kolenda Z., Experience in modelling of a single-stage silica gel-water adsorption chiller, Technical Sciences, 19 (4) 2016 (w druku).

[6]  Tomaszewski M., Doświadczenia grupy EDF w produkcji chłodu z ciepła sieciowego na przykładzie instalacji Elektrociepłowni „Zielona Góra” S.A. Konferencja naukowo-techniczna „Chłód z ciepła sieciowego – perspektywy rozwoju w Polsce”, Ministerstwo Energii, 19.07.2016 r.

[7]  Chorowski M., Pyrka P. Modelling and experimental investigation of an adsorption chiller using low-temperature heat from cogeneration, Energy 2015, 92:221-29.

[8]  Szyc M., Nowak W. Operation of an adsorption chiller in diff erent cycle time conditions. Chemical and Process Engineering 2014; 35:109-19.

[9]  Chorowski M., Trigeneracja – zalety i ograniczenia, Nowa Energia, 4 (2014).

[10] Nowak W., Adsorpcyjna produkcja chłodu z ciepła odpadowego, Konferencja naukowo-techniczna: „Chłód z ciepła sieciowego – perspektywy rozwoju w Polsce”, Ministerstwo Energii, Warszawa, 19.07.2016 r.

[11] Kunii D., Levenspiel, O., Fluidization engineering, Butterworth-Heinemann, a division of Reed Publishing (USA) Inc. 1991.

[12] Zarzycki R., Wymiana ciepła i ruch masy w inżynierii środowiska, Wydawnictwo WNT, Warszawa 2010.

[13] Koch R., Noworyta A., Procesy mechaniczne w inżynierii chemicznej, WNT, Warszawa 1998.

 

 

Na skróty

© 2014. Wszelkie prawa zastrzeżone. BMP'      O nas   Reklama   Newsletter   Polityka prywatności Kontakt

Realizacja: Marcom Interactive
Newsletter BMP

Najważniejsze informacje ukazujące się w naszym portalu mogą otrzymać Państwo na skrzynkę e-mail za pomocą naszego bezpłatnego newslettera. Aby go zamówić prosimy wpisać swój adres e-mail w poniższym polu. Zapraszamy!

Polityka prywatności
Akceptuję
Strona korzysta z plików cookies w celu realizacji usług i zgodnie z Polityką Plików Cookies. Możesz określić warunki przechowywania lub dostępu do plików cookies w Twojej przeglądarce.