Sorpcyjne Systemy Energetyczne

Transkrypt

1 Sorpcyjne Systemy Energetyczne Adsorpcyjne systemy chłodnicze dr inż. Bartosz Zajączkowski bud. D2, pok. 9b Wydział Mechaniczno-Energetyczny Katedra Termodynamiki, Teorii Maszyn i Urządzeń Cieplnych Wrocław, 27 maja 2015

2 Plan zajęć Klasyfikacja adsorpcyjnych systemów chłodniczych Elementarny system do pracy okresowej Elementarny system do pracy ciągłej Analiza termodynamiczna System do pracy ciągłej z odzyskiem ciepła Układ podstawowy Układ z falą cieplną

3 Klasyfikacja Rodzaje adsorpcyjnych systemów chłodniczych

4 Adsorpcyjne systemy chłodnicze Rys.Klasyfikacja adsorpcyjnych systemów chłodniczych

5 System okresowy Podstawowy system adsorpcyjny do pracy okresowej

6 Schemat systemu Rys. Schemat podstawowego systemu adsorpcyjnego do pracy okresowej.

7 Obieg adsorpcyjny fizyczny: faza 1-2 Adsorber znajduje się w temperaturze T a2 (punkt 1). Adsorbent jest maksymalnie nasycony czynnikiem x a. Zawory C 1 oraz C 2 są zamknięte. Wskutek ogrzewania temperatura adsorbera wzrasta do T g1. Jednocześnie ciśnienie wzrasta od p 0 do p k (punkt 2). Stężenie adsorbatu na adsorbencie pozostaje stałe x a. Rys. Obieg adsorpcyjny (fizyczny). Schemat instalacji oraz wykres p-t.

8 Obieg adsorpcyjny fizyczny: faza 2-3 Rys. Obieg adsorpcyjny (fizyczny). Schemat instalacji oraz wykres p-t. Adsorbent jest ogrzewany do momentu, aż jego temperatura osiągnie T g2. Wzrost temperatury powoduje desorpcje czynnika (stężenie spada od x a do x d (punkt 3). Proces jest izobaryczny pod ciśnieniem p k. Zawór C 1 jest otwarty. Uwolniony czynnik przedostaje się do skraplacza, gdzie natychmiast ulega kondensacji (punkt 5).

9 Obieg adsorpcyjny fizyczny: faza 3-4 W tej fazie procesy przebiegaja podobnie jak w 1-2. Po zakończeniu procesu desorpcji, adsorber zostaje odizolowany (zamknięte zawory C 1 i C 2, a złoże zostaje ochłodzone do temperatury T a1. Stężenie pozostaje stałe x d, a ciśnienie spada do p 0 (punkt 4). Rys. Obieg adsorpcyjny (fizyczny). Schemat instalacji oraz wykres p-t.

10 Obieg adsorpcyjny fizyczny: faza 4-1 Adsorber ma temperaturę T a1 i ciśnienie p 0. Zawór C 2 zostaje otwarty, co rozpoczyna proces adsorpcji. Stężenie wzrasta od x d do x a. Proces jest izobaryczny, a ciśnienie jest narzucane przez parowacz p 0. Po zakończeniu procesu adsorpcji, system wraca do punktu 1 i rozpoczyna sie nowy cykl pracy. Rys. Obieg adsorpcyjny (fizyczny). Schemat instalacji oraz wykres p-t.

11 Obieg adsorpcyjny Ciśnienie p 0 i p k są określone przez parametry czynnika w parowniku i skraplaczu (rodzaj czynnika oraz temperatury T 0 oraz T k ). Temperatury T a2 oraz T g2 są końcowymi temperaturami procesu adsorpcji i desorpcji i zależą od temperatur cieczy chłodzącej adsorber podczas desorpcji oraz grzejącej adsorber podczas desorpcji (temperatury źródeł ciepła). Temperatury T a1 oraz T g1 są to temperatury początku procesu adsorpcji i desorpcji, zależące od ciśnień oraz od maksymalnego i minimalnego stężenia adsorbatu na adsorbencie.

12 Obieg adsorpcyjny chemiczny: faza 3-4 Adsorpcyjny system chłodniczy oparty na parze roboczej amoniak chlorek wapnia. Poniższe reakcje chemiczne odpowiadają przemianom na liniach 1-2, 3-4 oraz 5-6. CaCl 2NH CaCl 2NH CaCl 2NH 2NH CaCl 4NH CaCl 4NH 4NH CaCl 8NH Rys. Obieg adsorpcyjny (chemiczny). Schemat instalacji oraz wykres p-t.

13 Obieg adsorpcyjny chemiczny: faza 3-4 Ogrzewanie adsorbera przy jednoczesnym zamknięciu zaworu C 1 i C 2 powoduje wzrost temperatury (od T 3 do T 4 ) oraz ciśnienia (od p 0 do p k ). Rys. Obieg adsorpcyjny (chemiczny). Schemat instalacji oraz wykres p-t.

14 Obieg adsorpcyjny chemiczny: punkt 4 Otwarcie zaworu C 1 przy jednoczesnym ciągłym ogrzewaniu złoża powoduje desorpcję czynnika. Ciśnienie oraz tempratura pozostają w trakcie tego procesu stałe, odpowiednio p k oraz T 4. Jednocześnie w skraplaczu następuje kondensacja czynnika chłodniczego, który następnie gromadzi się w zbiorniku. Rys. Obieg adsorpcyjny (chemiczny). Schemat instalacji oraz wykres p-t.

15 Obieg adsorpcyjny chemiczny: faza 4-3 Ochłodzenie reaktora przy jednoczesnym zamknięciu zaworów C 1 i C 2 powoduje spadek tempratury złoża do T 3 i jednoczesny spadek ciśnienia do p 0. Rys. Obieg adsorpcyjny (chemiczny). Schemat instalacji oraz wykres p-t.

16 Obieg adsorpcyjny chemiczny: punkt 3 Otwarcie zawodu C 2 przy jednoczesnym dalszym ochładzaniu złoża powoduje odparowanie czynnika w parowaczu i produkcję efektu chłodniczego. Ciśnienie i temperatura w złożu utrzymują się stałe, odpowiednio p 0 oraz T 3. Rys. Obieg adsorpcyjny (chemiczny). Schemat instalacji oraz wykres p-t.

17 System ciągły Podstawowy system adsorpcyjny do pracy ciagłej

18 Ilość adsorberów do pracy ciagłej Chłodniczy system adsorpcyjny do pracy ciągłej składa sie z dwóch lub wiecej adsorberów, które pracują w taki sposób, że w danej chwili przynajmniej jedno złoże połaczone jest z parowaczem, co zapewnia ciagłość produkcji efektu chłodniczego. Zwykle czas adsorpcji jest taki sam jak czas desorpcji, co w połaczeniu z czasem niezbędnym do przeprowadzenia fazy pośredniej (ogrzenie/ochłodzenie złoże) daje tzw. czas poł-cyklu. Jeśli czas adosprcji jest równy czasowi desorpcji, układ najczęściej posiada parzystą liczbę złóż. Jeśli czas adsorpcji jest dwukrotnie dłuższy od czasu desorpcji, system może pracować w oparciu o trzy złoża.

19 Schemat systemu Rys. Schemat podstawowego systemu adsorpcyjnego do pracy ciągłej.

20 Obieg adsorpcyjny fizyczny: faza 2-3/4-1 Rys. Obieg adsorpcyjny (fizyczny). Schemat instalacji oraz wykres p-t. Obieg adsorpcyjny fizyczny do pracy ciągłej, składa się z dwóch złóż realizujących naprzemiennie podstawowy cykl pracy okresowej. Kiedy adsorber 1 jest ogrzewany zawór C 3 jest otwarty, a czynnik przedostaje sie do skraplacza gdzie następuje jego kondensacja. W tym samym czasie adsorber 2 jest chłodzony, otwarty jest zawór C 1 umożliwiając przepływ odparowanego czynnika z parownika.

21 Obieg adsorpcyjny fizyczny: faza 3-4/1-2 Rys. Obieg adsorpcyjny (fizyczny). Schemat instalacji oraz wykres p-t. W pośredniej fazie cyklu wszystkie zawory są zamknięte. Adsorber 1 zostaje schłodzony od T 3 do T 4 (ciśnienie zmniejsza się do p 0 ) natomiast adsorber 2 jest ogrzewany od T 1 do T 2 (ciśnienie wzrasta do p k ). W tym czasie stężenia adsorbatu na adsorbencie pozostają stałe, tj. x d w adsorberze 1 oraz x a w adsorberze 2.

22 Obieg adsorpcyjny fizyczny: faza 4-1/2-3 Rys. Obieg adsorpcyjny (fizyczny). Schemat instalacji oraz wykres p-t. W kolejnym kroku następuje przełączenie adsorberów. Adsorber 1, w którym panuje teraz ciśnienie p 0 zostaje podłączony do parowacza, natomiast adsorber 2 z ciśnieniem p k do skraplacza. Rozpoczynają się procesy adsorpcji i desorpcji, które trwają do osiągnięcia warunków jak w punkcie 1 (adsorber 1) oraz jak w punkcie 3 (adsorber 2).

23 Obieg adsorpcyjny fizyczny: faza 1-2/3-4 Po raz kolejny, w pośredniej fazie cyklu pracy, przy zamkniętych wszystkich zaworach, adsorber 1 zostaje ogrzany od temperatury T 1 do T 2 (jednocześnie wzrasta ciśnienie do p k ), natomiast adsorber 2 zostaje schłodzony od temperatury T 3 do temperatury T 4 (ciśnienie spada od p k do p 0 ). Rys. Obieg adsorpcyjny (fizyczny). Schemat instalacji oraz wykres p-t.

24 Analiza termodynamiczna Obliczenia termodynamiczne podstawowego cyklu pracy adsorpcyjnego systemu chłodniczego

25 Analiza termodynamiczna W kontekście wymiany ciepła, w podstawowym systemie adsorpcyjnym mamy do czynienia z siedmioma strumieniami ciepła, które należy wziąć pod uwage w róznych fazach cyklu pracy: 1. Pojemność cieplna złoża adsorbentu podczas ogrzewania Ciepło desorpcji Pojemność cieplna złoża adsorbentu podczas chłodzenia Ciepło adsorpcji Ciepło parowania czynnika chłodniczego 6. Ciepło skraplania czynnika chłodniczego 7. Ciepło tracone wskutek ochładzania skroplonego czynnika do temperatury parowania

26 1. Pojemność cieplna złoża Pojemność cieplna złoża adsorbentu podczas ogrzewania: T T T g1 g1 g1 Q c T M dt c T M x dt c T M dt h a a Lc a a m madb T T T a 2 a 2 a 2 Gdzie: c a ciepło właściwe adsorbentu, c Lc ciepło właściwe ciekłego czynnika oraz c m ciepło właściwe materiału adsorbera M a masa adsorbentu, M adb masa adsorbera x a2 stężenie adsorbatu na adsorbencie podczas ogrzewania złoża

27 2. Ciepło desorpcji Ciepło desorpcji: T g 2 ò Q d = c a T T g1 T g 2 dx ( ) M a dt + ò c Lc ( T ) M a x(t )dt + ò c m ( T ) M madb dt - ò M a T g1 T g 2 T g1 T g 2 T g1 dt h d dt Gdzie: c a ciepło właściwe adsorbentu, c Lc ciepło właściwe ciekłego czynnika oraz c m ciepło właściwe materiału adsorbera M a masa adsorbentu, M adb masa adsorbera x stężenie adsorbatu na adsorbencie w temperaturze złoża h d ciepło desorpcji

28 3. Pojemność cieplna złoża Pojemność cieplna złoża adsorbentu podczas chłodzenia: T T T g 2 g 2 g 2 Q c T M dt c T M x dt c T M dt c a a Lc a d m madb T T T a1 a1 a1 Gdzie: c a ciepło właściwe adsorbentu, c Lc ciepło właściwe ciekłego czynnika oraz c m ciepło właściwe materiału adsorbera M a masa adsorbentu, M adb masa adsorbera x stężenie adsorbatu na adsorbencie w temperaturze złoża

29 4. Ciepło adsorpcji Ciepło adsorpcji: dx ( ) M a dt + c Lc ( T ) M a x(t )dt + c m ( T ) M madb dt + M a Q ad = ò c a T ò ò ò dt h dt + d T a1 ò T a1 T a 2 - c pc T T a 2 ( ) M a dx T a1 T a 2 ( dt T - T 0 )dt T a1 T a 2 T a1 T a 2 Gdzie: c a ciepło właściwe adsorbentu, c Lc ciepło właściwe ciekłego czynnika, c m ciepło właściwe materiału adsorbera, c pc ciepło właściwe par czynnika M a masa adsorbentu, M adb masa adsorbera x stężenie adsorbatu na adsorbencie w temperaturze złoża h a ciepło adsorpcji T 0 temperatura parowania

30 5. Ciepło parowania Ciepło parowania czynnika: Q M xl 0 a Gdzie: M a masa adsorbentu x zmiana stężenia adsorbatu na adsorbencie w adsorberze sprzężonym z parownikiem L ciepło parowania czynnika chłodniczego

31 6. Ciepło skraplania Ciepło skraplania czynnika: T g 2 dx Q M xl c T M T T dt g1 k a pc a k dt T Gdzie: c pc ciepło właściwe par czynnika M a masa adsorbentu x zmiana stężenia adsorbatu na adsorbencie w adsorberze sprzężonym z parownikiem L ciepło parowania czynnika chłodniczego T k temperatura skraplania

32 7. Ochładzanie skroplonego czynnika Ciepło ochładzania skroplonego czynnika od temperatury skraplania do temperatury parowania: T 0 rliq Lc a T k Q c T M xdt Gdzie: M a masa adsorbentu x zmiana stężenia adsorbatu na adsorbencie w adsorberze sprzężonym ze skraplaczem c Lc ciepło właściwe ciekłego czynnika

33 Analiza termodynamiczna Wszystkie omówione formuły są równaniami teoretycznymi umozliwiajacymi obliczenie maksymalnej wydajności i efektywności układu. W rzeczywistej analizie konieczne jest uwzględnienie nieodwracalności procesów w skutek różnego rodzaju strat, m.in. związanych z drugą ZT.

34 Efektywność chłodnicza COP Podstawowym parametrem wykorzystywanym do ewaluacji adsorpcyjnego urzadzenia chłodnieczego jest jego efektywność chłodnicza COP (ang. Coefficient of Performance), którą określa się jako stosunek efektu chłodniczego do nakładu energii, który należy ponieść, aby zrealizować cykl pracy: Q Q COP Q Q 0 rliq h d

35 Rekuperacja ciepła System adsorpcyjny do pracy ciągłej z możliwościa odzysku ciepła

36 Odzysk ciepła (podstawowy) Duża ilość ciepła jest tracona w procesie ogrewania/ochładzania adsorbera (fazy pośrednie cyklu pracy), znacząco wpływając na współczynnik efektywności COP. Q Q COP Q Q 0 rliq h d Odzysk ciepła w adsorpcyjnych systemach chłodniczych przeprowadza się w ten sposób, że podczas pośrednich faz cyklu pracy adsorber gorący łaczy się cieplnie z adsorberem zimnym, do momentu zrównania temperatur w obu złożach.

37 Odzysk ciepła (podstawowy) 1 Tg1 T5 Q T Q Q 2 h T d T a2 g1 Tg2 Ta1 Q T Q Q c T Q T Q T 1 2 ad T a1 6 Rys. Odzysk ciepła w układzie z dwoma adsorberami.

38 Odzysk ciepła (podstawowy) Rys. Praktyczna realizacji odzysku ciepła w układzie z dwoma adsorberami.

39 Temperatura regeneracji Temperaturę regeneracji wyznacza się z założenia: reg reg Q T Q T 1 2 Temperatura regeneracji może być inna dla adsorbera w fazie desorpcji i adsorbera w fazie adsorpcji. W sytuacjach teoretycznych przyjmuje się je za równe, tzn. T T T reg 5 6 W rzeczywistości, biorąc pod uwagę róznice temperatur oraz czas odzysku ciepła: T T 5 6

40 Fala cieplna System adsorpcyjny z odzyskiem ciepła realizowanym za pomocą tzw. fali cieplnej został zaproponowany przez Sheltona w 1986 roku (US Patent ). Jego podstawową zaletą jest minimalizacja strat cieplnych ciepło z gorącego z adsorbera jest kierowane do adsorbera zimnego, co ułatwia duża różnica temperatur. W przeciwieństwie do podstawowego odzysku ciepła, który kończy się w momencie zrównania temperatur obu złóż, system z falą cieplną pozwala przeprowadzić regenerację niejako do końca.

41 Fala cieplna W systemie z falą cieplną oba złoża oraz oba źródła (ciepło na potrzeby desorpcji oraz chłodzenie na potrzeby adsorpcji) są ze soba połączone w jednym obiegu cieplnym. W rezultacie ciepło które wydziela się w jednym złożu jest transportowane do drugiego, będąc uzupełniane o ciepło ze źródła. Tak przeprowadzona rekuperacja pozwala osiągnąć efektywność odzysku ciepła na poziomie 80%.

42 Odzysk ciepła i fala cieplna Rys. Różnica w budowie systemów z odzyskiem ciepła i z odzyskiem z falą cieplna.

43 Odzysk ciepła i fala cieplna Rys. Zasada działania odzysku ciepła z wykorzystaniem fali cieplnej.

44 Odzysk ciepła i fala cieplna Kąt nachylenia fali zależy od parametrów termodynamicznych złoża w szczególności od jego przewodności cieplnej w kierunku promieniowym. Przy większym kącie nachylenia duża część złoża nie jest wykorzystywana, co negatywnie wpływa na efektywność chłodnicza urządzenia. Rys. Zmienność fali cieplnej w czasie.