Plan zajęć. Sorpcyjne Systemy Energetyczne. Adsorpcyjne systemy chłodnicze. Klasyfikacja. Klasyfikacja adsorpcyjnych systemów chłodniczych

Transkrypt

1 Plan zajęć Sorpcyjne Systemy Energetyczne Adsorpcyjne systemy chłodnicze dr inż. Bartosz Zajączkowski Wydział Mechaniczno-Energetyczny Katedra Termodynamiki, Teorii Maszyn i Urządzeń Cieplnych kontakt: bartosz.zajaczkowski@pwr.edu.pl biuro: bud. D2, pok. 9b Wrocław, 2 marca 2017 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 Adsorpcyjne systemy chłodnicze Klasyfikacja Rodzaje systemów adsorpcyjnych Rys. Klasyfikacja adsorpcyjnych systemów chłodniczych.

2 Schemat systemu System okresowy Podstawowy system adsorpcyjny do pracy okresowej Rys. Schemat podstawowego systemu adsorpcyjnego do pracy okresowej. Obieg adsorpcyjny fizyczny: faza 1-2 Obieg adsorpcyjny fizyczny: faza 2-3 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). 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 a, gdzie natychmiast ulega kondensacji (punkt 5). Rys. Obieg adsorpcyjny (fizyczny).

3 Obieg adsorpcyjny fizyczny: faza 3-4 Obieg adsorpcyjny fizyczny: faza 4-1 W tej fazie procesy przebiegają podobnie jak w 1-2. Adsorber ma temperaturę T a1 i ciśnienie p 0. Zawór C 2 zostaje otwarty, co rozpoczyna proces adsorpcji. Po zakończeniu procesu desorpcji, adsorber zostaje odizolowany (zamknięte zawory C 1 i C 2, a zostaje ochłodzone do temperatury T a1. Stężenie pozostaje stałe x d, a ciśnienie spada do p 0 (punkt 4). Rys. Obieg adsorpcyjny (fizyczny). Stężenie wzrasta od x d do x a. Proces jest izobaryczny, a ciśnienie jest narzucane przez p 0. Po zakończeniu procesu adsorpcji, system wraca do punktu 1 i rozpoczyna się nowy cykl pracy. Rys. Obieg adsorpcyjny (fizyczny). Obieg adsorpcyjny Obieg adsorpcyjny chemiczny Ciśnienie p 0 i p k są określone przez parametry czynnika w parowniku i u (rodzaj czynnika oraz temperatury T 0 oraz T k). Adsorpcyjny system chłodniczy oparty na parze roboczej amoniak chlorek wapnia. 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. 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).

4 Obieg adsorpcyjny chemiczny: faza 3-4 Obieg adsorpcyjny chemiczny: punkt 4 Ogrzewanie adsorbera przy jednoczesnym zamknięciu zaworu C1 i C2 powoduje wzrost temperatury (od T3 do T4) oraz ciśnienia (od p0 do pk). Otwarcie zaworu C 1 przy jednoczesnym ciągłym ogrzewaniu złoża powoduje desorpcję czynnika. Ciśnienie oraz temperatura pozostają w trakcie tego procesu stałe, odpowiednio p k oraz T 4. Rys. Obieg adsorpcyjny (chemiczny). Jednocześnie w u następuje kondensacja czynnika chłodniczego, który następnie gromadzi się w u. Rys. Obieg adsorpcyjny (chemiczny). Obieg adsorpcyjny chemiczny: faza 4-3 Obieg adsorpcyjny chemiczny: punkt 3 Ochłodzenie reaktora przy jednoczesnym zamknięciu zaworów C1 i C2 powoduje spadek temperatury złoża do T3 i jednoczesny spadek ciśnienia do p0. Otwarcie zawodu C2 przy jednoczesnym dalszym ochładzaniu złoża powoduje odparowanie czynnika w u i produkcję efektu chłodniczego. Ciśnienie i temperatura w złożu utrzymują się stałe, odpowiednio p0 oraz T3. Rys. Obieg adsorpcyjny (chemiczny). Rys. Obieg adsorpcyjny (chemiczny).

5 Ilość adsorberów do pracy ciągłej System ciągły Podstawowy system adsorpcyjny do pracy ciągłej Chłodniczy system adsorpcyjny do pracy ciągłej składa się z dwóch lub więcej adsorberów, które pracują w taki sposób, że w danej chwili przynajmniej jedno połączone jest z em, co zapewnia ciągłość produkcji efektu chłodniczego. Zwykle czas adsorpcji jest taki sam jak czas desorpcji, co w połączeniu z czasem niezbędnym do przeprowadzenia fazy pośredniej (ogrzanie/ochłodzenie ) daje tzw. czas pół-cyklu. Jeśli czas adsorpcji 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. Schemat systemu adsorpcyjnego Obieg adsorpcyjny fizyczny: faza 2-3/ Rys. Schemat podstawowego systemu adsorpcyjnego do pracy ciągłej. 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 a gdzie następuje jego kondensacja. W tym samym czasie adsorber 2 jest chłodzony, otwarty jest zawór C 1 umożliwiając przepływ odparowanego czynnika z parownika. 1 2 Rys. Obieg adsorpcyjny (fizyczny). Schemat instalacji oraz wykres p-t.

6 Obieg adsorpcyjny fizyczny: faza 3-4/1-2 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 pk). W tym czasie stężenia adsorbatu na adsorbencie pozostają stałe, tj. x d w adsorberze 1 oraz x a w adsorberze Rys. Obieg adsorpcyjny (fizyczny). Schemat instalacji oraz wykres p-t. Obieg adsorpcyjny fizyczny: faza 4-1/2-3 W kolejnym kroku następuje przełączenie adsorberów. Adsorber 1, w którym panuje teraz ciśnienie p 0 zostaje podłączony do a, natomiast adsorber 2 z ciśnieniem p k do a. Rozpoczynają się procesy adsorpcji i desorpcji, które trwają do osiągnięcia warunków jak w punkcie 1 (adsorber 1) oraz jak w punkcie 3 (adsorber 2). 1 2 Rys. Obieg adsorpcyjny (fizyczny). Schemat instalacji oraz wykres p-t. 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). 1 2 Rys. Obieg adsorpcyjny (fizyczny). Schemat instalacji oraz wykres p-t. Analiza termodynamiczna Obliczenia termodynamiczne podstawowego cyklu pracy adsorpcyjnego systemu chłodniczego

7 Analiza termodynamiczna 1. Pojemność cieplna złoża W kontekście wymiany ciepła, w podstawowym systemie adsorpcyjnym, w różnych fazach cyklu pracy, mamy do czynienia z siedmioma strumieniami ciepła, które należy wziąć pod uwagę: 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 Pojemność cieplna złoża adsorbentu podczas ogrzewania: Tg Tg Tg ò ( ) ò ( ) ò ( ) Q = c T M dt + c T M x dt + c T M dt h a a Lc a a m madb Ta Ta Ta 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 2. Ciepło desorpcji 3. Pojemność cieplna złoża Ciepło desorpcji: Q d = c a T T g 2 T g1 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 T g 2 dx ( ) M a dt + c Lc ( T ) M a x(t )dt + c m ( T ) M madb dt M a T g1 T g 2 T g1 T g 2 T g1 dt h d dt Pojemność cieplna złoża adsorbentu podczas chłodzenia: Tg2 Tg2 Tg2 ò ( ) ò ( ) ò ( ) Q = c T M dt + c T M x dt + c T M dt c a a Lc a d m madb Ta1 Ta1 Ta1 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

8 3. Pojemność cieplna złoża 4. Ciepło adsorpcji Pojemność cieplna złoża adsorbentu podczas chłodzenia: Tg2 Tg2 Tg2 ò ( ) ò ( ) ò ( ) Q = c T M dt + c T M x dt + c T M dt c a a Lc a d m madb Ta1 Ta1 Ta1 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 Ciepło adsorpcji: 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 a1 T 0 temperatura parowania T a1 dx ( ) M a dt + c Lc ( T ) M a x(t )dt + c m ( T ) M madb dt + M a Q ad = c a T dt h dt + d T a1 T a 2 c pc T T a 2 ( ) M a dx T a 2 ( dt T T 0 )dt T a1 T a 2 T a1 T a 2 6. Ciepło skraplania 7. Ochładzanie skroplonego czynnika Ciepło skraplania czynnika: 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 Tg 2 dx Q = M D xl + c T M T -T dt ò ( ) ( ) k a pc a k dt Tg1 Ciepło ochładzania skroplonego czynnika od temperatury skraplania do temperatury parowania: M a masa adsorbentu T0 ò x zmiana stężenia adsorbatu na adsorbencie w adsorberze sprzężonym ze em c Lc ciepło właściwe ciekłego czynnika ( ) Q = c T M DxdT rliq Lc a Tk

9 Analiza termodynamiczna Wszystkie omówione formuły są równaniami teoretycznymi umozliwiajaqymi 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. Efektywność chłodnicza COP Podstawowym parametrem wykorzystywanym do ewaluacji adsorpcyjnego urządzenia chłodniczego 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 Odzysk ciepła (podstawowy) Rekuperacja ciepła System adsorpcyjny do pracy ciągłej z możliwością odzysku ciepła 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 łączy się cieplnie z adsorberem zimnym, do momentu zrównania temperatur w obu złożach.

10 Odzysk ciepła (podstawowy) Odzysk ciepła (podstawowy) 1 Tg1 T5 ( ) = + Q T Q Q 2 h T d a2 Tg1 Tg2 Ta1 ( ) = + Q T Q Q ( ) = ( ) Q T Q T 1 2 c T ad a1 T6 Rys. Odzysk ciepła w układzie z dwoma adsorberami. Rys. Praktyczna realizacji odzysku ciepła w układzie z dwoma adsorberami. 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 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.

11 Fala cieplna Odzysk ciepła i fala cieplna W systemie z falą cieplną oba złoża oraz oba źródła (ciepło na potrzeby desorpcji oraz chłodzenie na potrzeby adsorpcji) są ze sobą 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%. Rys. Różnica w budowie systemów z odzyskiem ciepła i z odzyskiem z falą cieplna. Odzysk ciepła i fala cieplna Odzysk ciepła i fala cieplna Rys. Zasada działania odzysku ciepła z wykorzystaniem fali cieplnej. 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.

12 Dziękuję za uwagę!