SEMINARIUM Z CHŁODNICTWA Problem akumulacji chłodu w systemach klimatyzacji duŝych obiektów uŝyteczności publicznej, m. innymi z wykorzystaniem lodu binarnego ( zawiesinowego ), jako pośredniego nośnika ciepła. Przykłady zastosowania. CHEŁSTOWSKI Piotr FIEDOROWICZ Wojciech Sem. VIII SUCH i KL
Spis treści: 1. Wstęp 2. Sposoby akumulacji chłodu 3. Lód zawiesinowy charakterystyka 4. Wady i zalety stosowania lodu binarnego 5. Zastosowania lodu binarnego 6. Literatura
Wstęp Jedna z głównych przyczyn zainteresowania się akumulacją chłodu, jest przynoszenie wymiernych korzyści ekonomicznych i energetycznych. Zastosowanie zasobnika umoŝliwia zakumulowanie chłodu w okresie braku zapotrzebowania na moc chłodniczą i jego wykorzystywane w okresie maksymalnego zapotrzebowania (przewyŝszającego moc ziębniczą zainstalowanego agregatu) lub wtedy, gdy występującą niedobory zaopatrzenia w energię elektryczną (godziny szczytowe ). Oprócz atrakcyjnych wskaźników ekonomicznych większość systemów z akumulacją chłodu wykazuje oszczędności w zuŝywanej energii. Zmniejszenie wielkości agregatu redukuje równieŝ ilość zastosowanego czynnika ziębniczego, co jest waŝnym elementem strategii ograniczania ujemnego wpływu tych czynników na środowisko. System ziębniczy z akumulacją poprawia niezawodność i zapewnia bezpieczniejszy tryb pracy dla układów ziębienia w klimatyzacji i w przemyśle. Sposoby akumulacji chłodu Zasadniczo rozróŝniamy dwa sposoby magazynowania energii: jawny związany z przyrostem temperatury materiału akumulującego ciepło; utajony związany ze zmianą stanu skupienia materiału akumulującego ciepło przy stałej temperaturze. Najbardziej popularnymi substancjami akumulującymi energię na sposób jawny są woda oraz ciała stałe (skały, Ŝwirowiska itp.). Woda, jest łatwo dostępna zarówno cenowo jak i ilościowo oraz charakteryzuje się duŝą właściwą objętościową, pojemnością cieplną wynoszącą 1,16 kwh/m3/ o C, większą niŝ na przykład Ŝelazo lub inne minerały. Niestety, w zastosowaniach do celów chłodniczych występują duŝe ograniczenia w jej wykorzystaniu wynikające z niewielkiego moŝliwego przyrostu temperatur czynnika chłodzącego, nieprzekraczającego w praktyce kilku stopni. W tych warunkach rzeczywista maksymalna zdolność akumulacji dla wody wynosi tylko ok. 6 kwh/m3 (przy załoŝonym przyroście temperatury o 5 o C). Praktycznie eliminuje to wodę z tego typu zastosowań. Ciepłem utajonym nazywamy energię gromadzoną lub uwalnianą podczas przemian fazowych substancji (zmiany stanu skupienia) zachodzących w stałej temperaturze oraz przy niezmiennym ciśnieniu. Na przykład: zmiana lodu w wodę, wody w parę itp. Energia absorbowana lub uwalniana podczas tego procesu jest z reguły wielokrotnie większa niŝ energia niezbędna do zmiany temperatury substancji jak to ma miejsce w przypadku ciepła jawnego. Na przykład do stopienia 1 m 3 lodu w temperaturze 0 o C konieczne jest aŝ ok. 93 kwh energii cieplnej. Taka sama ilość ciepła zostaje uwolniona z materiału, kiedy przechodzi on w fazę stałą. RóŜne substancje charakteryzują się zróŝnicowanymi temperaturami punktów zmiany fazy. Stosując dodatkowo tak zwane mieszaniny eutektyczne moŝna uzyskiwać materiały akumulujące o podobnych własnościach cieplnych róŝniące się jedynie temperaturami zmiany stanu skupienia.
W dzisiejszych czasach na rynku produkcji i transportu ciepła moŝna zaobserwować kilka tendencji: wycofywanie lub przynajmniej ograniczanie stosowania szkodliwych freonów badania nad stosowaniem neutralnych dla środowiska naturalnego czynników, do których zaliczyć moŝna np. wodę, amoniak, propan, dwutlenek węgla. Ustępują one jednak starym czynnikom w takich cechach jak własności termodynamiczne a czasem takŝe toksyczność czy wybuchowość. wprowadzanie pośrednich układów chłodzenia, w których ilość freonów zredukowana jest do minimum koniecznego tylko do wytworzenia chłodu. Jego transport następuję juŝ za pomocą płynu pośredniczącego neutralnego dla odbiorcy i jego otoczenia. Wśród takich czynników pośredniczących znajdują się solanki, roztwory glikoli i alkoholi. Ponadto na tym właśnie gruncie powstał innowacyjny nośnik chłodu jakim jest lód zawiesinowy. Lód zawiesinowy Lodem zawiesinowym (lub inaczej: lodem binarnym), nazywa się mieszaninę kryształków lodu z wodą oraz ze środkiem obniŝającym temperaturę krzepnięcia wody (glikole, alkohole, sole) a takŝe z dodatkiem środka antykorozyjnego. Kryształki lodu wypełniają całą objętość cieczy w stęŝeniu zawierającym się w granicach od 20 do 40% i mają niewielkie rozmiary, które zazwyczaj nie przekraczają 0,5mm, dzięki czemu lód zawiesinowy moŝe być pompowany w przewodach podobnie jak ciecze. Jest on uznawany za najlepszy nośnik ciepła w zakresie temperatur pracy od -8 C do -2 C.
Charakterystyka Lód binarny, w porównaniu z innymi płynami pośredniczącymi, charakteryzuje się znacznie wyŝszymi wartościami współczynników wnikania ciepła. Współczynniki istotnie rosną wraz ze wzrostem stęŝenia. Na przykład dla kryształków lodu o rozmiarze 0,5-1 mm, dla stęŝenia 20% współczynnik wnikania ciepła jest 5 razy wyŝszy niŝ dla czystej wody a dla stęŝenia lodu wynoszącego 30% jest on wyŝszy aŝ 10-krotnie. Szczególnie wysokie wartości tego współczynnika uzyskuje się dla mieszaniny kryształków lodu z roztworem wodnym etanolu. DuŜa pojemność cieplna związana jest z ciepłem utajonym. Pozwala ona zredukować natęŝenie przepływu tego czynnika, co prowadzi do zmniejszenia wymaganej średnicy rur w instalacji. Oprócz wysokich wartości współczynników wnikania ciepła lód binarny posiada wiele innych zalet. Cechują go korzystne właściwości związane z oporami przepływu. MoŜe on być uznawany za tzw. płyn Binghama, w którym przepływ nie występuje w klasycznej laminarnej lub turbulentnej formie, gdyŝ niemal w całym przekroju prędkość przepływu jest jednakowa.
Przy niskich prędkościach opory przepływu dla lodu binarnego są znacznie wyŝsze niŝ dla wody, jednak po przekroczeniu prędkości powyŝej 2 m/s opory przepływu lodu zawiesinowego są znacznie mniejsze niŝ wody, zwłaszcza dla niŝszych stęŝeń lodu. Takie korzystne właściwości utrzymują się dla masowego udziału lodu do 20%. Gdy stęŝenie wzrasta do wartości w granicach od 20 do 40%, istotnie zwiększa się lepkość i czynnik nadaje się właściwie tylko do magazynowania zimna. PowyŜej stęŝenia 40% mieszanina przypomina mokry śnieg i dla takiej zawartości lodu nie jest stosowana. Pewien ciekawy wykres
Rutherford Appleton Laboratory przeprowadziło badania systemu chłodzonego lodem binarnym. Do badań uŝyto mieszaniny 80% wody i 20% metanolu. (brak informacji o stęŝeniu lodu). Doświadczenie polegało na przepływie o czynnika przez równomiernie ogrzewaną rurkę o średnicy 3mm, pomiarze temperatury rurki w pewnych odległościach od wlotu i porównaniu z temperaturą wlotową. NatęŜenie przepływu czynnika wynosiło 5,5 ml/s a całkowite obciąŝenie cieplne miało wartość 48.5W. Jak widać na wykresie róŝnica temperatur dla przepływu z lodem była znikoma, czego nie moŝna powiedzieć o przepływie tej samej mieszaniny ale bez lodu. Świadczy to o tym, Ŝe prawie całe ciepło przejmowane jest przez lód zawiesinowy w sposób utajony. Dzięki w przybliŝeniu stałej temperaturze czynnika na całej trasie odbioru ciepła moŝliwe jest znaczne zredukowanie wymiarów wymienników. Wady i zalety lodu binarnego Zalety: - obojętność dla środowiska naturalnego, - bardzo duŝa pojemność cieplna prowadząca do redukcji masy nośnika w systemie i do redukcji wymiarów instalacji, - moŝliwość akumulacji chłodu w samym nośniku, bez potrzeby instalowania samodzielnych zasobników. Wady: - wysoki koszt wytwornic, - konieczność zaprojektowania przewodów tak aby nie dochodziło do rozdziału lodu od cieczy, - innowacyjność rozwiązania, a przez to brak doświadczenia w projektowaniu i uŝytkowaniu. Przykłady zastosowania lodu binarnego Klimatyzacja Stosowanie akumulacji zimna w LB stwarza moŝliwość znacznego zmniejszenia mocy zainstalowanej w układzie klimatyzacyjnym. Przykładowo, klimatyzacja komfortowa obiektu o maksymalnym obciąŝeniu cieplnym 300 kw zezwala, dzięki akumulacji zimna, na zainstalowanie układu o mocy zaledwie 75 kw (25%) - przy pojemności akumulatora 25 m3. Zastosowanie LB w klimatyzacji pozwala zredukować średnice rurociągów i powierzchnie chłodnic powietrza nawet o 50%. Supermarkety W miejsce obiegów czynnikowych w supermarketach moŝna stosować LB do zasilania lad wystawowych, chłodziarek, zamraŝarek oraz komór chłodniczych i mroźniczych. Urządzenia chłodnicze zasilane są LB o temperaturze -40 o C. Chłodnice takich urządzeń o temperaturach około zerowych, najczęściej nie wymagają odtajania. Urządzenia
mroźnicze wymagają LB o temperaturze -20 do -30 C. Odtajanie odbywa się przy uŝyciu ciepłej wody - przetłaczanej przez chłodnicę podczas odtajania. Chłodzenie cieczy Tam gdzie zachodzi potrzeba szybkiego ochłodzenia wraŝliwych na wysoką temperaturę cieczy (np. mleka, soków owocowych, oleju itp.), LB staje się bardzo przydatny. Pojemniki wypełnione ochładzaną cieczą, np. konwie, butelki lub puszki, chłodzi się partiami w duŝych kontenerach siatkowych zanurzonych w zawiesinie na czas wychładzania. Zanurzeniowe wychładzanie produktów spoŝywczych Do zastosowań takich naleŝy chłodzenie ryb i krewetek zanurzonych w LB wytwarzanym z wody morskiej. Tą samą metodą chłodzi się owoce i warzywa. Produkt umieszczony w kontenerach aŝurowych (np. siatkowych) zanurza się w kadziach zawierających LB. Wychładzanie do temperatury 2 C trwa 10-20 minut. Produkt nie traci w tych warunkach swej masy wskutek braku ususzki. Inne zastosowania LB - Hotele, restauracje i bary. Chłodzenie komór, szaf, gablot wystawowych, ochładzaczy napojów i klimatyzatorów. - Kopalnie. LB stwarza duŝy zapas zimna. Chłodzenie LB kopalń zapewnia bezpieczeństwo i jest niezawodne pod względem eksploatacyjnym. Rurociągi przesyłowe LB odznaczają się małymi średnicami. - Chłodnie i rzeźnie. Chłodzenie komór składowych, zamraŝalni i wychładzalni tunelowych mięsa, drobiu i innych produktów.
Literatura: 1. Ł. Mika, W. Zalewski: Właściwości fizyczne i termodynamiczne lodu binarnego (zawiesinowego). Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna 2002 nr 3 str. 87 91 2. M. Kauffeld, K. Gardo Christensen: Dwutlenek węgla i papka lodowa. Chłodnictwo i Klimatyzacja 1997 nr 2 str. 23 27 3. Chłodnictwo okrętowe Zenon Bonca. Wydawnictwo WyŜszej Szkoły Morskiej w Gdyni, 1996.