Plan zajęć. Sorpcyjne Systemy Energetyczne. Rekuperacja masy. Podstawowy układ z odzyskiem masy. System do pracy ciągłej z odzyskiem masy

Transkrypt

1 Plan zajęć Sorpcyjne Systemy Energetyczne Adsorpcyjne systemy chłodnicze cz.2 dr inż. Bartosz Zajączkowski Wydział Mechaniczno-Energetyczny Katedra Termodynamiki, Teorii Maszyn i Urządzeń Cieplnych System do pracy ciągłej z odzyskiem Układ podstawowy Układ wielostopniowy Układ resorpcyjny Modelowanie dwuadsorberowego systemu adsorpcyjnego kontakt: bartosz.zajaczkowski@pwr.edu.pl biuro: bud. D2, pok. 9b Wrocław, 2 marca 217 Rekuperacja System adsorpcyjny do pracy ciągłej z możliwością odzysku Układ podstawowy odzysku realizuje się poprzez bezpośrednie połączenie ze sobą dwóch lub więcej adsorberów podczas pośredniej fazy cyklu pracy. W ten sposób para czynnika uwolniona z jednego adsorbera zamiast do skraplacza przepływa do drugiego adsorbera. Najważniejszym efektem odzysku jest wzrost zdolności adsorpcyjnej, a tym samym wydajności chłodniczej urządzenia

2 Zimny adsorber 1 podczas procesu adsorpcji był podłączony do parownika, więc jego ciśnienie jest zbliżone do ciśnienia parowania. Gorący adsorber 2 podczas procesu desorpcji był podłączony do skraplacza, dlatego panuje w nim ciśnienie zbliżone do ciśnienia skraplania. adsorber 1 adsorber 2 skraplacz parowacz Rys. Schemat podstawowego systemu z odzyskiem (adsorpcja fizyczna). Połączenie ze sobą tych adsorberów podczas fazy pośredniej cyklu pracy przyśpieszy proces desorpcji w gorącym złożu, co przekłada się na wzrost zdolności adsorpcyjnej złoża, a tym samym efektywności COP całego systemu adsorber 1 adsorber 2 skraplacz parowacz Rys. Schemat podstawowego systemu z odzyskiem (adsorpcja fizyczna). Zasada działania jest następująca: Kiedy kończy się proces desorpcji w złożu 1, jednocześnie kończy się proces adsorpcji w złożu 2. W tym momencie zostają zamknięte wszystkie zawory łączące adsorbery z parowaczem i skraplaczem oraz zostaje otwarty zawór A. adsorber 1 adsorber 2 skraplacz parowacz Kiedy zakończy się proces regeneracji złoża 1, w środku panuje ciśnienie skraplania p k oraz temperatura T g2 (punkt g 2 ). Jednocześnie kiedy zakończy się proces adsorpcji w złożu 2, w środku panuje ciśnienie parowania p oraz temperatura T a2 (punkt a 2 ). Rozpoczyna się przepływ czynnika ze złoża 1 (w którym panuje wyższe ciśnienie skraplania) do złoża 2 (niższe ciśnienie parowania). Rys. Schemat podstawowego systemu z odzyskiem (adsorpcja fizyczna). Celem przeprowadzenia procesu odzysku oba złoża zostają połączone, a ciśnienie równowagowe pomiędzy nimi wynosi p m. Rys. Schemat podstawowego systemu z odzyskiem (adsorpcja fizyczna).

3 Wskutek tego połączenia temperatura i ciśnienie w złożu 1 spadną do tych w punkcie g 3, natomiast w złożu 2 wzrosną do tych w punkcie a 3. Jeśli odzysk połączony jest jednocześnie z odzyskiem ciepła, to po zakończeniu odzysku, rekuperacja będzie kontynuowana w złożu 1 w punktach g 3 -a 1 -e, natomiast w złożu 2 w punktach a 3 -g 1 -e. Rys. Schemat podstawowego systemu z odzyskiem (adsorpcja fizyczna). Podstawową własnością odzysku jest wzrost zdolności adsorpcyjnej złoża o δx, co oznacza jednocześnie wzrost wydajności chłodniczej systemu adsorpcyjnego (w odróżnieniu do odzysku ciepła, który prowadzi do wzrostu efektywności chłodniczej systemu adsorpcyjnego). Stary cykl przebiega pomiędzy punktami: a 2 -g 1 -e-g 2 -a 1 -e -a 2, natomiast nowy: a 2 -a 3 -g 1 -e-g 2 -g 3 - a 1 -e -a 2. Rys. Schemat podstawowego systemu z odzyskiem (adsorpcja fizyczna). W przypadku adsorpcji chemicznej problem jest bardziej skomplikowany. Odzysk może nastąpić tylko tam, gdzie mamy do czynienia z szeregiem konsekutywnych reakcji chemicznych, tak jak w przypadku chlorku wapnia. Skrajne izostery adsorpcji 1-2 oraz 5-6 znajdować się poza cyklem, który jest tu zdefiniowany przez punkty: A 2 -G 1 -G 2 -A 1 -A 2. W tym cyklu możliwa recyrkulacja to 2 mol amoniaku na mol chlorku wapnia. CaCl + 2NH «CaCl 2NH CaCl 2NH + 2NH «CaCl 4NH CaCl 4NH + 4NH «CaCl 8NH CaCl + 2NH «CaCl 2NH CaCl 2NH + 2NH «CaCl 4NH CaCl 4NH + 4NH «CaCl 8NH Rys. Wykres p-t podstawowego systemu z odzyskiem (adsorpcja chemiczna). Rys. Wykres p-t podstawowego systemu z odzyskiem (adsorpcja chemiczna).

4 W przypadku gdy po odzysku parametry złoża 2 będą takie jak w punkcie G 3 będzie mogła zajść reakcja 5-6: CaCl + 2NH «CaCl 2NH Jeśli w tym samym czasie złoze 1 osiągnie parametry punktu A 3, będzie mogła zajść reakcja 1-2: Zakładając adsorpcję fizyczną oraz ignorując wszelkie straty (złoża termicznie izolowane od otoczenia) proces odzysku zajdzie pomiędzy punktami a 2 -a 3 oraz g 2 -g 3. Para czynnika przepłynie pomiędzy adsorberami wskutek różnicy ciśnień. Spadek ciśnienia w złożu 2 odpowiada wzrostowi ciśnienia w złożu 1. Jednocześnie przyrost zdolności adsorpcyjnej jest w obu przypadkach taki sam. CaCl 4NH + 4NH «CaCl 8NH Powstanie obieg: A 2 -A 3-2-G 1 -G 2 -G 3-5-A 1 -A 2 o zdolności adsorpcyjnej 8 mol/mol. Rys. Wykres p-t podstawowego systemu z odzyskiem (adsorpcja chemiczna). dx p = p g3 a3 = dx a2-a3 g2-g3 Ze względu na zachodząca desorpcję temperatura w złożu niskociśnieniowym oraz niskotemperaturowym wzrośnie, natomiast temperatura w złożu wysokociśnieniowym oraz wysokotemperaturowym spadnie wskutek adsorpcji czynnika. ( )( ) Gdzie: c xc T T h x a + pl a3- a2 = D d a2-a3 ( )( ) c xc T T h x a + pl g3- g 2 = D d g 2-g3 h ciepło adsorpcji/desorpcji c a ciepło właściwe adsorbentu c Lc ciepło właściwe ciekłego czynnika Na rysunku przedstawiono wzrost COP dla różnych typów obiegów adsorpcyjnych w funkcji temperatury desorpcji. 1. Układ podstawowy 2. Odzysk 3. Odzysk ciepła zakumulowanego w złożu 4. Odzysk ciepła zakumulowanego w złożu oraz ciepła adsorpcji 5. Odzysk oraz ciepła zakumulowanego w złożu. 6. Odzysk, ciepła zakumulowanego w złożu oraz ciepła adsorpcji - COP = + rliq Rys. Wartość COP dla różnych typów obiegów adsorpcyjnych T =5 C, T k =T a =5 C. h d

5 Układ wielostopniowy Rekuperacja Wielostopniowy system adsorpcyjny Wielostopniowy system adsorpcyjny wymaga dwóch lub więcej adsorberów i działa łącząc ze sobą procesy desorpcji w jednym złożu, z adsorpcją w drugim. Wielostopniowy system adsorpcyjny umożliwia dzięki takiemu działaniu wykorzystanie źródła ciepła o jeszcze niższej temperaturze rzędu 5 C i mniej. Schemat systemu wielostopniowego Zasada działania Rys. Schemat wielostopniowego systemu W przykładowym układzie zbudowanym z sześciu złóż można zrealizować trójstopniowy system adsorpcyjny. Efekt chłodniczy jest produkowany jedynie podczas pracy adsorberów 3 oraz 6 (na rysunku). Adsorbery 1, 2, 4 oraz 5 pełnią funkcję swego rodzaju skraplaczy złoże 2 jest skraplaczem dla złoża 3, złoże 1 dla złoża 2, itd. Rys. Schemat wielostopniowego systemu

6 Zasada działania Zasada działania Złoże 6 w przedstawionym przykładzie połączone jest z parowaczem, chłodzone za pomocą zewnętrznego źródła (np. wieży chłodniczej) i adsorbuje pary czynnika z parownika zawór V8 jest otwarty. Parujący czynnik generuje efekt chłodniczy. Złoże 4 (ochładzane) połączone jest ze złożem 5 (ogrzewanym) i pracuje jako skraplacz. Rys. Schemat wielostopniowego systemu Użycie złoża 2 jako skraplacza dla złoża 3 oznacza niższe ciśnienie pośrednie pm dla złoża 3 ponieważ ciśnienie w złożu 2 jest dużo niższe niż ciśnienie w skraplaczu. Ze względu na zasadę równości zmiany zdolności adsorpcyjnej... dx = dx a2-a3 g2-g3 temperatura źródła używanego do regeneracji złoża 3 również będzie niższa. Rys. Schemat wielostopniowego systemu Zasada działania Zasada działania Sytuacja wyglądałaby identycznie w przypadku złoża 1 oraz złoża 2. Temperatura źródła ciepła, przy desorpcji złoża 2 również będzie niższa niż byłoby to wymagane w układzie jednostopniowym. Z tego samego powodu, tj. równości zdolności adsorpcyjnej, temperatura regeneracji złoża 1 również będzie zmniejszona. Złoże 1 adsorbuje pary czynnika ze złoża 2, w którym panuje większe ciśnienie niż w parowniku. Dlatego efektywna zdolność adsorpcyjna złoża 1 będzie większa. Rys. Schemat wielostopniowego systemu Rys. Schemat wielostopniowego systemu

7 Wykres p-t dla układu wielostopniowego Złoża 4 i 1 Złoża 5 i 2 Złoża 6 i 3 Zasada działania Kiedy proces pokazany na rysunku się zakończy, złoże 3 zostanie poddane chłodzeniu i podłączone do parownika (zawór V4), a złoże 4 zostanie poddane ogrzewaniu przez górne źródło oraz podłączone do skraplacza (zawór V5). Rys. Układ wielostopniowy na wykresie p-t. Rys. Schemat wielostopniowego systemu Zasada działania Podsumowując praktycznie wszystkie obiegi adsorpcyjne wymagają temperatury nie mniejszej niż 6 C (w praktyce rządu 8 C i więcej). Systemy wielostopniowe umożliwiają wykorzystanie temperatury rzędu 5 C. Temperatury w systemie wielostopniowym Termodynamicznie i ekonomicznie nie jest uzasadnione stosowanie więcej niż trzech stopni. Rys. Schemat wielostopniowego systemu Rys. Minimalna temperatura zasilania systemu sorpcyjnego w układzie kaskadowym w funkcji ilości stopni.

8 Układ resorpcyjny Układ resorpcyjny Pompa ciepła i transformator ciepła System resorpcyjny wykorzystuje zjawisko adsorpcji chemicznej i wymaga zastosowania dwóch lub więcej adsorberów, a przede wszystkim dwóch lub więcej par roboczych. Pojedynczy system resorpcyjny wykorzystuje dwie pary robocze, najczęściej jest to amoniak z chlorkiem(chlorkami) metalu (np. chlorkiem wapnia i/ lub magnezu) Urządzenie takie może być wykorzystywane w charakterze pompy ciepła lub transformatora ciepła. Układ resorpcyjny pompa ciepła Układ resorpcyjny pompa ciepła Rys. Schemat układu resorpcyjnego w trybie pompy ciepła. W przykładowym obiegu resorpcyjnym wykorzystane są dwie pary robocze: Niskotemperaturowa para robocza (linia L 1 -L 2 ). Wysokotemperaturowa para robocza (linia H 1 -H 2 ). Ciepło desorpcji Hd pochodzi ze źródła ciepła wysokotemperaturowego, natomiast ciepło adsorpcji Hs jest ciepłem egzotermicznej reakcji chemicznej wysoko-temperaturowej pary roboczej. Rys. Układ resorpcyjny na wykresie p-t.

9 Układ resorpcyjny pompa ciepła Ciepło desorpcji d pochodzi ze źródła ciepła nisko-temperaturowego, natomiast ciepło adsorpcji s pochodzi z egzotermiczne reakcji chemicznej niskotemperaturowej pary roboczej. Rys. Układ resorpcyjny na wykresie p-t. Układ resorpcyjny pompa ciepła Zasada działania układu: Złoże 2 desorbuje w wysokiej temperaturze T H2 i ciśnieniu p H, jednocześnie złoże 1 adsorbuje w temperaturze otoczenia T H1 =T L =T m. Prowadzi to do wzrostu temperatury złoża 1 do temperatury T L1. Złoże 2 jest chłodzone i adsorbuje w temperaturze otoczenia T L2, jednocześnie złoże 1 jest ochładzane i w skutek połączenia z pochłaniającym złożem 2 nastąpi w nim desorpcja. Rys. Układ resorpcyjny na wykresie p-t. Układ resorpcyjny pompa ciepła Układ resorpcyjny transformator ciepła W obu przypadkach ciepło adsorpcji wykorzystywane jest jako wyjściowe ciepło pompy ciepła. Współczynniki efektywności chłodniczej i grzewczej takiego systemu można zdefiniować następująco: COP = d Hd s + COA = Hd Hs Rys. Układ resorpcyjny na wykresie p-t. Rys. Schemat układu resorpcyjnego w trybie transformatora ciepła.

10 Układ resorpcyjny transformator ciepła Aby układ resorpcyjny mógł pracować w trybie transformatora ciepła potrzebne są trzy źródła: Wysokotemperaturowe źródło ciepła Średniotemperaturowe źródło ciepła Zewnętrzne źródło chłodu Rys. Układ resorpcyjny w trybie transformatora ciepła na wykresie p-t. Układ resorpcyjny transformator ciepła Zasada działania takiego układu jest nastepująca: Złoże 2 jest ogrzewane przez źródło wysokotemperaturowe od temperatury początkowej T H. W tym czasie złoże 1 desorbuje wskutek dostarczania ciepła d, a adsorbowany w złożu 2 czynnik powoduje wzrost temperatury do T H1 (pod ciśnieniem p H panującym w złożu 1). Rys. Układ resorpcyjny w trybie transformatora ciepła na wykresie p-t. Układ resorpcyjny transformator ciepła Złoże 1 adsorbuje czynnik w temperaturze otoczenia Tm, jednocześnie złoże 2 desorbuje czynnik w temperaturze średniego źródła. Wskutek egzotermicznego ciepła adsorpcji temperatura w złożu 1 wzrasta do TL1. Rys. Układ resorpcyjny w trybie transformatora ciepła na wykresie p-t. Układ resorpcyjny transformator ciepła Układ resorpcyjny w trybie transformatora ciepła wykorzystywany jest tak, gdzie niezbędne jest wykorzystanie temperatury wyższej niż temperatura dostępnego źródła wysoko-temperaturowego. Pomijając straty cieplne oraz pojemność cieplną cieczy grzewczej, przyrost temperatury, który można w takim systemie uzyskać oblicza się wg zależności: Hs D T = M c + M c + M xc Ha Ha madb m Ha Lc

11 Układ resorpcyjny transformator ciepła Efektywność transformatora ciepła oblicza się następująco jako pozyskany efekt grzewczy do nakładu ciepła ze wszystkich źródeł: COP Hs = d + Hd + H Modelowanie Modelowanie dynamiki dwuadsorberowego systemu adsorpcyjnego Bilans energii złoża adsorpcyjnego Równanie kinetyczne adsorpcji Bilans energii dla złoża oblicza się następująco: d { éma ( ca clc x) cmcummcu cmalmmal Ta } dt ë ùû = dx = MH + - c M T- T + mc T -T dt ( 1 d1 ) ( ), (,, ) a st Lv a e a w p water ads in ads out Gdzie: M a masa adsorbentu, M mal M mcu elementów konstrukcyjnych c a ciepło właściwe adsorbentu, c lv adsorbatu parowego, c Lc adsorbatu ciekłego, c p,water cieczy grzewczej T e temperatura parowania T ads temepratura złoża, T ads,in oraz T ads,out temperatury wlotowa i wylotowa cieczy grzewczej H st ciepło adsorpcji m w strumień cieczy grzewczej ì1 d,desorpcja 1 = í î,adsorpcja pary czynnika przedostające się z parowacza Zmiana stężenia adsorbatu na adsorbencie opisana jest wzorem: Gdzie: D s współczynnik dyfuzji powierzchniowej E a energia aktywacji R p średnica ziarna adsorbentu dx 15D æ-ea ö = expç - dt R è RT ø s 2 p x eq stężenie równowagowe w danej temperaturze i ciśnieniu Stężenie równowagowe można obliczyć np. z równania Totha. (, ) xtp ( xeq x) ædh ö K expç p RT = è ø é æk ædh ö ö ù ê1 + ç expç p ú ê x è RT ë è ø ø úû 1 t t

12 Temperatura na wylocie w wymiennika Temperatura na wylocie z wymiennika Temperaturę cieczy grzewczej na wylocie z wymiennika można obliczyć wykorzystując liczbę jednostek przenikania ciepła NTU. Zakładając, że wymiennik spełnia równanie: wym = kadt Ciecz grzewcza przepływająca przez wymiennik musi spełniać równanie: Logarytmiczna różnica temperatur w wymienniku: DTA -DTB D T = ædt ö A ln ç èdtb ø T in DT A T T out DT B Oraz: ( ) = mc T -T g p in out g = wym Co przekształca się do postaci: ( ) ( ) Tin -T - Tout -T Tin -Tout D T = = ætin -T ö æ Tin -T ö ln ç ln ç ètout -T ø ètout -T ø Temperatura na wylocie z wymiennika Po zestawieniu wszystkich wzorów: Tin -Tout mcp ( Tin - Tout ) = ka ætin -T ö ln ç ètout -T ø Uproszczenie i uporządkowanie stronami prowadzi do: ætin -T ö ka ln ç = ètout -T ø mcp Natomiast po pozbyciu się logarytmu, do: Tin -T æ ka ö = exp Tout -T ç mc è p ø Temperatura na wylocie z wymiennika Uporządkowanie po raz kolejny stronami pozwala na wyciągnięcie temperatury wylotowej cieczy grzewczej z wymiennika T out: -1 ka Tout - T = ( T in -T) exp æ ö ç mc è p ø Co daje ostateczną, uniwersalną postać równania: æ ka ö Tout = T + ( T in -T) exp - ç mc è p ø

13 Bilans energii skraplacza Bilans energii parowacza Bilans energii dla skraplacza oblicza się następująco: Gdzie: dtc dxdes dxdes dxdes cmcumm, con = d é 1 L Ma clvma ( Tc Ta ) clcma ( Te Tc ) dt ê ù + dt dt dt ú ë û M a masa adsorbentu, M m,con masa skraplacza c a ciepło właściwe adsorbentu, c lv adsorbatu parowego, c Lc adsorbatu ciekłego, c p,water cieczy grzewczej T c temperatura skraplania ( ) W skraplaczu nie gromadzi się skroplony + m c T -T w, con p, water cool, in cool, out T a temperatura złoża, T cool,in oraz T cool,out temperatury wlotowa i wylotowa cieczy chłodzącej L ciepło przemiany fazowej czynnika m w,con strumień wody chłodzącej skraplacz czynnik. Wszystko natychmiast spływa do parownika. ì1,desorpcja d1 = í î,adsorpcja Bilans energii dla skraplacza oblicza się następująco: Gdzie: d é( clcmew cmcumm, eva ) T ù e dt ë + û = é dx ù - ê- + - dt ú+ ë û dxdes + d1 clcma ( Te -Tc ) dt ads ( 1 d1 ) L Ma mw, evacp, water ( Tchill, in Tchill, out ) M a masa adsorbentu, M m,eva masa skraplacza c Lc ciekłego czynnika chłodniczego, c p,water cieczy chłodzonej, c mcu ciepło właściwe elementów konstrukcyjnych (miedź) T c temperatura skraplania, T e temepratura parowania, T chill,in oraz T chill,out temperatury wlotowa i wylotowa wody chłodzonej L ciepło przemiany fazowej czynnika m w,eva strumień wody chłodzonej w parowaczu Bilans czynnika w parowaczu Ilość skroplonego czynnika w parowniku: Wydajność i efektywność Wydajność chłodnicza: dm ew dxads dxdes M æ ö = - a ç + dt è dt dt ø ref = ò t cycle ( + ) c m T T dt water w, eva chill, in chill, out t cycle Nakład energii: h = ò t cycle ( - ) c m T T dt water w, h h, in h, out t cycle Współczynnik efektywności COP COP = ref h

14 Wyniki modelowania Wyniki modelowania Rys. Zmienność temperatury złóż w czasie. Rys. Modelowany układ adsorpcyjny na wykresie p-t. Wyniki modelowania Wyniki modelowania Rys. Wpływ długości cyklu pracy oraz długości fazy pośredniej na efektywność COP. Rys. Wpływ długości cyklu pracy oraz długości fazy pośredniej na wydajność chłodniczą.

15 Dziękuję za uwagę!