AKUMULATORY CIEPŁA ZJAWISKO STRATYFIKACJI TERMICZNEJ

Transkrypt

1 akumulator ciepła, stratyfikacja termiczna Henryk G. SABINIAK, Paulina DROŻDŻ* AKUMULATORY CIEPŁA ZJAWISKO STRATYFIKACJI TERMICZNEJ Woda, jako czynnik termodynamiczny, będąca tanim i powszechnym medium, jest dobrym nośnikiem akumulującym energię cieplną. Najbardziej rozpowszechnionym i jednocześnie najprostszym sposobem magazynowania ciepła jest gromadzenia go w postaci gorącej wody w wyporowych zasobnikach ciepła akumulatorach ciepła. Budowa zasobników ciepła w systemie elektroenergetycznym jest szansą na uelastycznienie pracy systemu ciepłowniczego, który pozwala na oszczędności wynikające z ustabilizowanej pracy kotłów i turbin w systemie kogeneracji. Efektem tego jest zmniejszenie ilości spalanego paliwa, co wynika z pracy ze stałą w ciągu doby wydajnością i zmniejszonej liczby rozpaleń kotłów. Wpływa to także na redukcję ilości zanieczyszczeń emitowanych do atmosfery. Jednym z aspektów ekonomicznych budowy akumulatora ciepła w systemie produkcji energii cieplnej i elektrycznej w kogeneracji opiera się na fakcie, iż zasobniki ciepła ładowane są z taniej energii, a rozładowywane w czasie trwania szczytów energetycznych, czyli kiedy energia jest droższa. Koszt inwestycyjny budowy zasobnika ciepła zależy od założonych wariantów jego pracy w danym systemie ciepłowniczym. 1. AKUMULATORY CIEPŁA 1.1. KLASYFIKACJA Akumulatory ciepła to wodne wyporowe zasobniki ciepła stosowane w miejskich systemach ciepłowniczych. Są najbardziej rozpowszechnionym i najprostszym sposobem magazynowania energii cieplnej w postaci gorącej wody sieciowej. Służą do zrównoważenia rozbieżności w produkcji energii elektrycznej i cieplnej. Problem akumulacji medium wynika z niezgodności czasowej pomiędzy wytwarzaniem a zapotrzebowaniem na energię cieplną. Akumulacja ciepła często potrzebna jest także do pokrycia szczytowego (chwilowego) zapotrzebowania na nośnik energii cieplnej. * Politechnika Łódzka, Wydział Budownictwa, Architektury i Inżynierii Środowiska, paulina.piotrowska@p.lodz.pl

2 586 H.G. SABINIAK, P. DROŻDŻ Akumulatory ciepła to pionowe stalowe zbiorniki zazwyczaj o cylindrycznym kształcie, izolowane termicznie warstwą wełny mineralnej. Wysokość zasobników ciepła może sięgać kilkudziesięciu metrów, a ich pojemność kilkudziesięciu metrów sześciennych. Rys. 1 Akumulator ciepła w miejskiej sieci ciepłowniczej, zdjęcie - akumulator ciepła (fot. APS) w Elektrociepłowni Białystok [10] Wodne wyporowe zasobniki ciepła można podzielić w zależności od [8]: ciśnienia pracy: Akumulatory ciepła ciśnieniowe-rysunek 2, Akumulatory ciepła bezciśnieniowe: - włączone w system cieplny w sposób bezpośredni, - włączone w system cieplny w sposób pośredni (za pomocą wymienników ciepła). Rys. 2. Schemat systemu ciepłowniczego z ciśnieniowym, wyporowym zasobnikiem ciepła [9]

3 Akumulatory ciepła zjawisko stratyfikacji termicznej 587 wielkości, a więc i pojemności: Akumulatory ciepła o pojemności powyżej m 3 - duże, Akumulatory ciepła o pojemności od m 3 do m 3 - średnie, Akumulatory ciepła małe o pojemności poniżej m 3 - małe. parametrów pracy: Duże zasobniki bezciśnieniowe mogą pracować w temperaturze poniżej 100 C (typowe parametry pracy to 95/55 C), Średnie zasobniki ciepła: - bezciśnieniowe temperatura pracy poniżej 100 C, - ciśnieniowe temperatura pracy w zakresie C; Małe zasobniki ciepła: - bezciśnieniowe pracują w temperaturze poniżej 100 C, - ciśnieniowe pracujące w przedziale temperatur C ZASADA DZIAŁANIA WODNEGO WYPOROWEGO ZASOBNIKA CIEPŁA Akumulator ciepła w ciągu doby pracuje w dwóch cyklach: podczas jego ładowania podawana jest woda gorąca, a odbierana zimna. gdy jest rozładowywany podawana jest woda zimna, a odbierana gorąca. Strumienie wody dostarczane i odbierane ze zbiornika są sobie równe. Woda sieciowa jest podawana ze zmienną wielkością w zależności od zakładanej prędkości ładowania i rozładowywania akumulatora ciepła. Ładowanie akumulatora ciepła polega na wprowadzeniu gorącej wody do jego górnej części i jednoczesnym odprowadzeniu wody zimnej z jego dolnej części, rysunek 3. Rys.3. Ładowanie akumulatora ciepła

4 588 H.G. SABINIAK, P. DROŻDŻ Rozładowanie zasobnika ciepła następuje przez odprowadzenie wody gorącej z górnej części zbiornika przy jednoczesnym doprowadzeniu wody zimnej do jego dolnej części, rysunek 4. Rys. 4. Rozładowanie akumulatora ciepła W górnej części akumulatora ciepła znajduje się woda gorąca o temperaturze zasilania sieci ciepłowniczej, dolna część zbiornika wypełniona jest wodą o temperaturze powrotu z systemu ciepłowniczego. Pomiędzy nimi powstaje warstwa zmieszania się obu tych wód, zwana termokliną. Różnice temperatur wody w zbiornikach bezciśnieniowych mieszczą się w przedziale K, a w zbiornikach ciśnieniowych w przedziale K [7]. W zasobnikach ciepła dąży się do utworzenia zjawiska stratyfikacji termicznej wód znajdujących się w zbiorniku, co pozwala na wykorzystanie całej objętości zbiornika. W prawidłowo zaprojektowanych zbiornikach zjawisko to zachodzi samoistnie pod wpływem sił grawitacji. 2. ZJAWISKO STRATYFIKACJI TERMICZNEJ Stratyfikacja (uwarstwienie) ośrodka płynnego to lokalne zróżnicowanie ośrodka, jego własności fizykochemicznych oraz energetycznych. Zespół zjawisk występujących w tym ośrodku ma złożony, wieloskalowy i zróżnicowany w czasie przebieg. Złożoność procesu polega na tym, że wymiana ciepła zale-

5 Akumulatory ciepła zjawisko stratyfikacji termicznej 589 ży od intensywności i natężenia zachodzących procesów, tj. intensywności mieszania się wód o różnych temperaturach w trakcie napełniania/opróżniania zbiornika. Temperaturowe zróżnicowanie ośrodka, prowadzi do warstwowej struktury ośrodka, wynika to z gęstości wody gorącej i zimnej [3]. Uwarstwienie temperaturowe ośrodka może być źródłem stateczności struktury (stratyfikacja stateczna), także bezpośrednią przyczyną likwidacji struktury (stratyfikacja niestateczna). Gdy uwarstwienie ośrodka jest niewielkie, turbulentne efekty mogą nie wystąpić. Wówczas wyrównanie temperatur (transport ciepła) zachodzi jedynie na skutek przewodności cieplnej i wymiany molekuł (stratyfikacja obojętna), rysunek 5 [3]. Rys. 5 Schemat temperaturowego uwarstwienia płynu w czasie t=0. a) stratyfikacja stateczna, b) stratyfikacja niestateczna, c) stratyfikacja obojętna [4] Uwarstwienie niestateczne występuje wówczas, gdy warstwy płynu o niższej temperaturze będą zalegały nad warstwami o wyższej temperaturze. Stąd elementy płynu lżejsze znajdujące się na dole będą dążyły do wypływania ku górze zmieniając ciągle uwarstwienie, tj. tworząc uwarstwienie niestateczne, rysunek 5a.

6 590 H.G. SABINIAK, P. DROŻDŻ Zjawisko statecznego uwarstwienia będzie zachodziło w przypadku, gdy warstwy płynu o niższej temperaturze będą zalegały pod warstwami płynu o wyższej temperaturze, rysunek 5b. W przypadku jednakowej temperatury płynu w całej masie, uwarstwienie będzie obojętne, gdyż siły wyporu będą równoważone siłami ciążenia, rysunek 5c [4]. Projektowanie systemów magazynowania energii cieplnej wymaga znajomości termicznych i hydrodynamicznych procesów zachodzących w płynie znajdującym się w zbiorniku. Obejmuje one straty ciepła do otoczenia i proces mieszania, jaki to odbywa się w zbiorniku. Degradacja i niszczenie stratyfikacji wynika przede wszystkim z czynników takich jak mieszanie, konwekcja między warstwami gorącej i zimnej wody, z recyrkulacją przepływu spowodowaną przez przewodnictwo ciepła na pionowej ścianie oraz wymianie ciepła na drodze konwekcji wymuszonej w trakcie cykli ładowania i rozładowywania zbiornika. Wpływ tych czynników może być zminimalizowany poprzez izolację ścian akumulatora ciepła, właściwą konstrukcję dyfuzorów na wlocie i wylocie, przyczyniających się do zmniejszenia zakłóceń hydrodynamicznych bezpośrednio odpowiedzialnych za niszczenie warstw stratyfikacyjnych. Rozkład temperatur w zbiorniku zależny jest od jego objętości i kształtu, umiejscowienia króćców wlotowych (dyfuzorów) i wylotowych (konfuzorów) i ich właściwego rozmieszenia wewnątrz zbiornika. [7,8]. Ze względów eksploatacyjnych zbiornik powinien być smukły. Smukłością zbiornika określa się stosunek jego wysokości do średnicy H/D. Szerokość warstwy przejściowej pomiędzy wartswą wody gorącej i zimnej magazynowanej w zbiorniuku ma istotny wpływ na jego efektywność energetyczną, jako zasobnika ciepła. Efektywność ta wzrasta wraz ze wzrostem stosunku H/D, jednakże po osiągnieciu H/D=4 zaczyna spadać. Jako optymalny określono stosunek H/D w przedziale od 3 do 4. Za dążeniem do zmiejszenia stosunku H/D przemawiają względy konstrukcyjne związane z problemami wytrzymałości stosowanych materiałów i występujących w nich naprężeniach mechanicnzych i termicznych [2,8].Przykładowo w zbiornikach o stosunku wysokości do średnicy o wartości 1,5 grubość termokliny wynosi około 1 m. 3. AKUMULATORY CIEPŁA NA ŚWIECIE I W POLSCE W krajach skandynawskich magazynowanie energii cieplnej w postaci gorącej wody w akumulatorach ciepła jest bardzo rozpowszechnione. Na świecie zainstalowanych jest ponad 100 takich jednostek. Przykładowo [9]: Zbiornik akumulatora ciśnieniowego, Kopenhaga Płd., Dania Pojemność m3 Średnica 26 m Wysokość 36 m.

7 Akumulatory ciepła zjawisko stratyfikacji termicznej 591 Pojemność cieplna GJ przy różnicy temperatur 50 ºC Funen Power Station, Odense C, Dania Pojemność m 3 Średnica 49,5 m wysokość 37,6 m. Elektrownia Avedore, Kopenhaga, Dania Pojemność 2 x m 3 W Polsce pierwszą tego typu inwestycją był bezciśnieniowy akumulator ciepła w Elektrociepłowni Siekierki, zbudowany i uruchomiony w latach o następujących danych technicznych: Pojemność m 3 Wysokość zbiornika 47 m Średnica zbiornika 30 m Pojemność cieplna MWh Moc cieplna 300 MWt Temperatura wody sieciowej ºC Elektrociepłownia Kraków Budowany w latach Pojemność m 3 Wysokość zbiornika 48 m Średnica zbiornika 23 m Elektrociepłownia Białystok Budowany w latach Pojemność m 3 Wysokość zbiornika 37 m Średnica zbiornika 21 m Elektrociepłownia Bielsko - Biała Budowany w latach Pojemność m 3 Wysokość zbiornika 37 m Średnica zbiornika 21 m LITERATURA [1] AL.-NAJEM N.M, EL-REFAEE M.M. A numerical study for the prediction of turbulent mixing factor in thermal storage tanks, Applied Thermal Engineering Vol. 17, No. 12 Elsevier Science Ltd [2] HARIARAN K., BANDRINARAYANA K. Temperature stratification in hot-water storage tanks, Energy Vol 16 No.7, 1991, [3] PIEŃKOWSKI K. Wpływ stabilizacji stratyfikacji przepływu na wydajność użytkową ogrzewaczy wody, Zeszyty Naukowe Politechniki Białostockiej Nr 7, Nauki Techniczne Mechanika, Białystok 1976,

8 592 H.G. SABINIAK, P. DROŻDŻ [4] PIEŃKOWSKI K. Wymiana ciepła w płynach termicznie stratyfikowanych, ISSN 0208, Białystok [5] SABINIAK H.G., PIOTROWSKA P. Akumulatory ciepła w miejskim systemie ciepłowniczym, Instalacje, 2/2012. [6] WOJCIECHOWSKI H., MUNSTER H. Wodne wyporowe zasobniki ciepła w systemie ciepłowniczym, Gospodarka Paliwami i Energią, 9/1991, [7] WOJCIECHOWSKI H., Małe elektrociepłownie gazowe z zasobnikami ciepła i gazu, Instal 9/2009; [8] ZWIERZCHOWSKI R., KWESTARZ M. Rola centralnych zasobników ciepła w miejskich systemach ciepłowniczych, VIII Forum Ciepłowników Polskich, Międzyzdroje Września 2004, str [9] ZWIERZCHOWSKI R., Zastosowanie akumulatorów ciepła w miejskich systemach ciepłowniczych, Ciepłownictwo, ogrzewnictwo, wentylacja, 1/2007, str. 3-7; [10] SOŁBUT T., Budowa, automatyzacja i uruchomienie instalacji akumulatora ciepła w Elektrociepłowni Białystok, źródło internetowe: TEMPERATURE STRATIFICATION IN THERMAL STORAGE TANK The most wide-spread and concurrently the easiest method of heat energy accumulation is to store it in form of hot water in heat displacement tank (heat accumulator). Heat accumulators may be used to equalize the load of the energy produced by generators in situation of variable consumption demands. Accumulated energy may be also released during generators disconnection period. The most characteristic feature of heat accumulator is the periodicity in functioning, i.e. discharging and recharging of the tank, that is sometime separated by stoppage phase.