Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS Badania efektywności akumulacji ciepła w materiale o zmiennej fazie

Transkrypt

1 Wydział Mechaniczno-Energetyczny Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS Badania efektywności akumulacji ciepła w materiale o zmiennej fazie

2 SPIS TREŚCI 1. Wstęp 2. Stanowisko badawcze 3. Wyniki badań laboratoryjnych i ich analiza 3.1 Akumulator filtracyjny 3.2 Akumulator płaszczowo-rurowy 3.3 Akumulator wodny 4. Podsumowanie

3 1. WSTĘP Podstawowym celem badań był wybór konstrukcji akumulatora ciepła z wykorzystaniem materiału o zmiennej fazie (ang. PCM phase changing material) zapewniającym największe wykorzystanie dostępnego ciepła (np. ciepła odpadowego spalin za kotłem w elektrowni). Zbadano dwie konstrukcje płaszczowo rurową i filtracyjną. W akumulatorze płaszczowo rurowym materiał PCM znajdował się pomiędzy płaszczem i rurkami grzejnymi, w których płynęła woda podgrzewając PCM. A B W akumulatorze filtracyjnym PCM był umieszczony w kulach o średnicy 4 cm. Woda grzejna swobodnie przepływała pomiędzy kulami, w których następowała akumulacja ciepła z zajściem przemiany fazowej. W eksperymencie z pojedynczą kulą obserwowano przemianę fazową w funkcji czasu. Przestrzeń wokół kuli była wypełniona olejem ze względu na jego wyższą temperaturę wrzenia przy ciśnieniu atmosferycznym. Porównano wyniki eksperymentalne i teoretyczne.

4 2. STANOWISKO BADAWCZE Woda jest częściowo podgrzewana w wymienniku c.o. 1, regulowana pompa 2 wymusza obieg wody grzewczej do instalacji c.o. budynku oraz akumulatorów 9, 10. Brakująca część energii potrzebnej do ładowania akumulatora jest uzupełniana przez grzałki elektryczne 5 sterowane przez regulator 6 w funkcji temperatury wody 14. Pompa była regulaowana w funkcji strumienia wody ( p-v). W czasie ładowania akumulatora otwierany był zawór odcinający 16 ze względu na przejmowanie wahań objętości wody po jej podgrzaniu przez instalację c.o. budynku. Zawór odcinający 15 był wówczas zamknięty. W czasie rozładowania akumulatora otwierano zawory 15 i 16. Do pomiaru temperatury wewnątrz akumulatora wykorzystano moduły 7 (ADAM firmy Advantech) oraz rejestrator 8 (AR205 firmy Apar). Czujniki temperatury 13 były umieszczone w akumulatorze. Do układu hydraulicznego przyłączano akumulator ze złożem filtracyjnym i płaszczowo-rurowym. Rys.2.1 Schemat układu hydraulicznego z akumulatorem płaszczowo-rurowym, filtracyjnym i wodnym 1 wymiennik ciepła węzeł cieplny/instalacja c.o., 2 pompa z regulatorem prędkości obrotowej, 3 instalacja c.o. budynku, 4 filtr, 5 grzałki elektryczne, 6 - regulator temperatury wody (nazwa : ATR), 7 grupa modułów do rejestracji pomiarów temperatury (nazwa : Adam), 8 rejestrator pomiarów temperatury (nazwa: AR 205), 9 akumulator płaszczowo rurowy, 10 akumulator filtracyjny, 11 przepływomierz, 12 manometr, 13 czujnik temperatury, 14 czujnik temperatury, 15 zawór odcinający przewód zasilający instalacji c.o., 16 zawór odcinający przewód powrotny instalacji c.o.

5 2. STANOWISKO BADAWCZE Widok stanowiska badawczego

6 Wyniki badań laboratoryjnych

7 3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY Pojedyncza kula Celem eksperymentu była weryfikacja teoretycznego czasu topnienia pojedynczej kuli t qs melt. Mając eksperymentalnie zweryfikowany model teoretyczny można wyciągać wnioski dla złoża składającego się z kul. Eksperyment przeprowadzono następująco: - rozgrzano olej do średniej temperatury 157 C, regulator RE14 dwustanowo utrzymywał tę temperaturę, - następnie wrzucono kulę, której temperatura była równa temperaturze otoczenia 25 C Ze względu na różnicę gęstości pomiędzy fazą stałą i ciekłą S > L powodującą zmniejszenie się objętości fazy stałej V S < V L o 14% podczas przemiany fazowej na górze kuli pozostawiono wolną przestrzeń przejmującą objętość rozszerzającego się materiału Rys. 3.1 Przebieg topnienia PCM w kuli o średnicy 4 cm poziom wody Akumulator filtracyjny Eksperyment przeprowadzono w złożu stacjonarnym w akumulatorze z ramkami. W jego trakcie stosowano zmienne temperatury wody zasilającej ramkę kolejno 110 C, 100 C, 105 C, 95 C. Przed wrzuceniem kul do akumulatora rozgrzano znajdującą się w nim wodę do temperatury 90 C. Rys. 3.2 Widok kul po wrzuceniu do akumulatora

8 3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY Pojedyncza kula model teoretyczny Przy założeniu stałych własności PCM zagadnienie rozwiązano za pomocą równania przewodnictwa ciepła: z warunkiem Stefana wymiany ciepła na płaszczyźnie zmiany fazy: w przypadku stałej temperatury T L płynnego PCM: czas ładowania kuli t qs melt wynosi: gdzie: - gęstość stałego PCM, kg/m 3 c L - ciepło właściwe fazy ciekłej, J/kgK T t - pochodna temperatury po czasie, C/s k L - współczynnik przewodzenia ciepła fazy ciekłej, W/mK - pochodna temperatury po promieniu, C/m T r T m - temperatura przemiany fazowej, C L - ciepło przemiany fazowej, J/kg R - prędkość przesuwania się płaszczyzny zmiany fazy wzdłuż promienia R, m/s R(t) + - promień, m T L - temperatura fazy ciekłej, C Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej średnicy i temperatury ładowania od 90 C do 157 C dla badanego materiału PCM o temperaturze topnienia T m =82 C

9 3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY Pojedyncza kula pomiary Otrzymany z pomiarów czas topnienia wynoszący t qs melt = 13.5 minuty porównano z modelem teoretycznym. Waga PCM znajdującego się w kuli wynosiła 28,832 g, a średnica zastępczej kuli wypełnionej tylko PCM wynosi 20,76 mm. Po wstawieniu danych otrzymano czas ładowania qs t melt (157 82) 11.1 minut Różnica czasów minuty wynika z dwóch przyczyn: - PCM nie miał początkowej temperatury T m =82 C i był wymagany czas na jego podgrzanie do tej temperatury, - w kuli występowała pustka powietrzna utrudniająca wymianę ciepła pomiędzy olejem i materiałem PCM. Dobrą zgodność dla badanej kuli uzyskano dla promienia zastępczego R o = 23 mm. Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej średnicy i temperatury ładowania od 90 C do 157 C dla badanego materiału PCM o temperaturze topnienia T m =82 C

10 Czas topnienia, minuty 3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY Pojedyncza kula - mieszanina PCM-olej W celu poprawy konwekcji ciepła wewnątrz kul i przyspieszenia procesu roztapiania PCM - zmieszano go w różnych proporcjach z olejem, umieszczono w kulach plastikowych o średnicy 4 cm i poddano z zewnątrz procesowi ogrzewania olejem o różnych temperaturach. Zauważyć można, że: -dla kul z mniejszym udziałem PCM czas topnienia jest krótszy, (mniejsza ilość materiału PCM oraz lepsza konwekcja wewnętrzna) -im więcej oleju tym krótszy czas ładowania, ale gorsze własności akumulacyjne (pojemność cieplna PCM / olej) ⁰C 110⁰C -im wyższa temperatura ładowania, tym mniejszy wpływ efektu dodania oleju. Różnice w czasach ładowania (do 15%) w praktyce są pomijalne ⁰C 120⁰C 130⁰C Skład procentowy PCM - olej Rys. 3.4 Przebieg topnienia kul o średnicy 4 cm z mieszaniną PCM - olej

11 3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY Złoże filtracyjne z kul wypełnionych PCM Topnienie kul trwało 106 minut. Długi czas wynika z małej różnicy temperatur wody i przemiany fazowej T L -T m = 3 10 C. Eksperymentalnie otrzymany czas pokrywa się z obliczeniami teoretycznymi przeprowadzonymi dla pojedynczej kuli (rys. 3.3) dla T L =90 C. Warunkiem zakończenia ładowania był brak odbioru ciepła przez materiał PCM (punkt B, rys. 3.5). Bilans cieplny akumulatora: - maksymalna moc cieplna: 5,32 kw, - ciepło rozgrzewania: 1262 MJ, - ciepło ładowania kul: 472 MJ. - ciepło przemiany fazowej kul: 1,76 MJ. Akumulator nie był całkowicie zaizolowany, stąd do otoczenia stracono ponad 470 MJ. Rys. 3.5 Przebiegi temperatury T w czasie ładowania i rozładowania akumulatora ze złożem filtracyjnym w postaci kul, kolor fioletowy temperatura wody w akumulatorze T w, kolor żółty temperatura wody zasilającej ramkę T z, kolor brązowy temperatura wody powrotnej z ramki T p

12 3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY Materiał PCM PCM stopił się po czasie minut. Na długi czas ładowania miały wpływ niekorzystne czynniki opisane poniżej. Zjawiska zachodzące podczas ładowania: - PCM krzepł na ściankach akumulatora (temperatura mniejsza od temperatury topnienia T m ); - wokół rurek w wewnętrznej części ranki tworzą się kanały z płynnym materiałem PCM (łatwiejsze topnienie warstw znajdujących się dalej od rurki); - rurki w zewnętrznej części ramki są otoczone pustką powietrzną (PCM spłynął do pustych przestrzeni, trudniejsze topnienie PCM w obszarze rurek). Zjawiska zachodzące podczas rozładowywania: - pęknięcia i puste przestrzenie powietrzne (powstałe na skutek różnicy objętości fazy stałej V S < V L o 14% ); - materiał PCM pęka tworząc mniejsze bloki (ponowny proces ładowania utrudniony ze względu na niski współczynnik przewodzenia powietrza). Rys. 3.4 Widok akumulatora płaszczowo-rurowego (schemat, pusty, zasypany materiałem PCM) Rys. 3.5 Termiczna blokada ładowania akumulatora (puste przestrzenie w które wpływa roztapiany PCM)

13 3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY Mieszanina binarna PCM-woda W celu przyspieszenia procesu ładowania materiału PCM wprowadzano wodę do akumulatora. Opis ładowania akumulatora po zalaniu wodą: -woda wypełniła akumulator ponad powierzchnię PCM; -w ciągu 10 minut temperatura wzrosła przy ściance z 31 C na 49 C (znacznie polepszony rozpływ ciepła); -po rozpuszczeniu części PCM, widoczna granica międzyfazowa: woda / ciekły PCM / stały PCM; -ciekły PCM wypływa na powierzchnię i krzepnie (prądy konwekcyjne mieszaniny ciekły PCM / woda przemieszczają się z prędkością 1 3 cm/s, temperatury wewnątrz akumulatora: C, przy ściance: 46 C; -para wrzącej wody unosi się przez ciekły PCM i rozpuszcza stały PCM znajdujący się na powierzchni (temperatura przy ściance 61,7 C najszybsza zmiana fazy w materiale PCM). a c b PCM WODA Jeżeli na dole zasobnika jest materiał PCM, to woda dociera nad niego i roztapia go. Dzięki mniejszej gęstości fazy ciekłej materiał PCM wypływa na górę. Stąd, po pewnym czasie, woda znajdzie się na dnie, a PCM na górze. Woda powinna zalewać dolną kratownicę rurek, ponieważ wtedy szybciej ładuje się zasobnik ciepłem. Rys. 3.6 Akumulator a, b z PCM em, c z mieszaniną binarną PCM-woda

14 3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY Mieszanina binarna PCM-woda Na charakterystykach widoczne są temperatury wody zasilającej ramkę T z, wody powracającej z ramki T p, temperatury materiału PCM oraz temperatura otoczenia. W początkowej fazie temperatury wody zasilającej T z jak i powrotnej T p wzrastały liniowo. Następnie były utrzymywane ich stałe wartości: T z : 110 C, T p : C. W akumulatorze znajdowało się: - 44 kg materiału PCM (T m = C) - 14 kg wody. Czas ładowania: 233 minuty. Rozładowanie akumulatora trwało 19 godzin 4 minuty. Warunkiem zakończenia ładowania było wyrównanie temperatur wszystkich czujników rozmieszczonych w materiale PCM. Rys. 3.7 Przebieg procesu ładowania i rozładowania akumulatora płaszczoworurowego wypełnionego mieszaniną binarną PCM-woda w czasie

15 3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY Mieszanina binarna PCM-woda Rys Zależność temperatury topnienia PCM od ciepła dla danych z eksperymentu: 44 kg materiału PCM, ciepło przemiany fazowej 176 kj/kg. 44 kg = 7744 kj Różne frakcje parafin powodują pochylenie krzywej temperatury w obszarze przemiany fazowej. Ponadto widać, że ciepło właściwe PCM (styczna do krzywej temperatury) zmienia się w funkcji dostarczanego ciepła i aktualnej temperatury PCM. Rys Zależność mocy cieplnej czasu w fazie ładowania akumulatora filtracyjnego Początek przemiany fazowej jest widoczny jako wzrost pobieranej mocy lub wzrost różnicy temperatur. Nie pokrywa się on z deklarowanymi przez producenta materiału PCM temperaturą przemiany fazowej ze względu na spóźnioną reakcję czujnika temperatury. Średnica czujnika wynosiła około 3 mm. Stąd ciekły PCM potrzebował pewnego czasu, aby otoczyć czujnik w całości.

16 3.3 AKUMULATOR WODNY W celu porównania efektywności akumulatorów wypełnionych materiałem PCM przeprowadzono badania akumulacji z zasobnikiem wodnym. Na rys pokazano ładowanie i rozładowanie akumulatora wodnego o takiej samej objętości wody akumulującej ciepło jak łączna objętość wody i kul w akumulatorze filtracyjnym. Widoczna jest 2,5-krotnie większa zdolność do akumulacji ciepła w akumulatorze z kulami wypełnionymi PCM (rys. 3.11). WODA PCM Rys Rozładowanie akumulatora wodnego o takiej samej objętości jak akumulator z kulami Rys Rozładowanie akumulatora z kulami, oznaczenia jak na rys. 3.7, zależność temperatury T od czasu

17 PODSUMOWANIE

18 4. PODSUMOWANIE Eksperymentalnie zbadano własności dynamiczne akumulatora płaszczoworurowego i filtracyjnego. W celu przyspieszenia procesu ładowania i pokonania bariery niskiego współczynnika przewodzenia ciepła dla materiału PCM użyto medium pośredniczącego wody tworząc ciecz binarną. Określono czas ładowania, czas rozładowania oraz opisano zjawiska występujące podczas procesu ładowania i rozładowania akumulatora płaszczowo - rurowego. Przykładowo czas ładowania od temperatury 25 C do temperatury 99 C przy temperaturze wody zasilającej T w =110 C wynosił t qs melt = 3 godziny 53 minuty. Zbadano własności dynamiczne akumulatora filtracyjnego. Badano czas topnienia t qs melt pojedynczej kuli oraz akumulatora wypełnionego złożem w postaci kul. Model teoretyczny czasu topnienia t qs melt dla pojedynczej kuli pokrywa się z wynikami uzyskanymi z eksperymentu. Uzyskane czasy topnienia dla cylindrów i kuli wahają się od 5 minut do 68 minut w zależności od geometrii. Również w przypadku badania złoża składającego się z kul czas obliczony teoretycznie i zmierzony pokrywają się.

19 4. PODSUMOWANIE Ważnym wnioskiem praktycznym jest to, że zarówno w przypadku akumulatora płaszczowo rurowego jak i filtracyjnego temperatura ciepła odbieranego nie była stała w obszarze przejścia fazowego, pomimo, że jest stała na wykresie fazowym w tym obszarze. Jeżeli materiał PCM krzepnie, to od strony odbioru ciepła tworzy się warstwa stałego PCM, którego temperatura zaczyna spadać. Jeżeli topnieje, to średnia temperatura w akumulatorze rośnie. Ponadto przy odbiorze ciepła pojawiają się różnice w prędkości spadku temperatury PCM w akumulatorze. Najszybciej temperatura spada do temperatury przejścia fazowego T m, potem prędkość spadku zmniejsza się. Z obu konstrukcji autorzy wskazują akumulator filtracyjny ze złożem w postaci kul jako ten, który może być zastosowany w praktyce. Jest tak ze względu na krótki czas ładowania i prostotę budowy wiążącą się z jego niezawodnością. Im krótszy czas topnienia, tym więcej energii można odebrać od źródła ciepła odpadowego. Stąd krotność odbioru ciepła w ciągu doby decyduje o średnicy kul wypełnionych materiałem PCM.

20 pytania / komentarze / dyskusja Dziękujemy za uwagę Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS P R O G R A M S T R A T E G I C Z N Y Z A A W A N S O W A N E T E C H N O L O G I E P O Z Y S K I W A N I A E N E R G I I ZADANIE NR 1 Opracowanie technologii dla wysokosprawnych zero-emisyjnych bloków węglowych zintegrowanych z wychwytem CO2 ze spalin Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju zgodnie z umową nr SP/E/1/67484/10 z dnia 05 maja 2010r, numer projektu: SP/E/1/67484/10