Sorpcyjne Systemy Energetyczne

Sorpcyjne Systemy Energetyczne Adsorpcyjne systemy chłodnicze cz.2 dr inż. Bartosz Zajączkowski bartosz.zajaczkowski@pwr.edu.pl, bud. D2, pok. 9b Wydział Mechaniczno-Energetyczny Katedra Termodynamiki, Teorii Maszyn i Urządzeń Cieplnych Wrocław, June 10, 2015

Plan zajęć System do pracy ciągłej z odzyskiem masy Układ podstawowy Układ wielostopniowy Układ resorpcyjny Modelowanie dwuadsorberowego systemu adsorpcyjnego

Rekuperacja masy System adsorpcyjny do pracy ciągłej z możliwościa odzysku masy

Podstawowy układ z odzyskiem masy Układ podstawowy odzysku masy realizuje się poprzez bezpośrednie połaczenie ze sobą dwóch lub wiecej 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 masy jest wzrost zdolności adsorpcyjnej, a tym samym wydajności chłodniczej urządzenia adsorpcyjnego.

Podstawowy układ z odzyskiem masy 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. Rys. Schemat podstawowego systemu z odzyskiem masy (adsorpcja fizyczna).

Podstawowy układ z odzyskiem masy Połaczenie 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 zamym efektywności COP całego systemu adsorpcyjnego. Rys. Schemat podstawowego systemu z odzyskiem masy (adsorpcja fizyczna).

Podstawowy układ z odzyskiem masy Zasada działania jest następująca: Kiedy kończy sie 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. 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 masy (adsorpcja fizyczna).

Podstawowy układ z odzyskiem masy Kiedy zakończy się proces regeneracji złoża 1, w środku panuje ciśnienie skraplania p k oraz temperatura T g2 (punkt g2). Jednocześnie kiedy zakończy się proced adsorpcji w złożu 2, w środku panuje ciśnienie parowania p 0 oraz temperatura T a2 (punkt a2). Celem przeprowadzenia procesu odzysku masy oba złoża zostaja połączone, a ciśnienie równowagowe pomiędzy nimi wynosi p m. Rys. Wykres p-t podstawowego systemu z odzyskiem masy (adsorpcja fizyczna).

Podstawowy układ z odzyskiem masy Wskutek tego połączenia temperatura i ciśnienie w złożu 1 spadną do tych w punkcie g3, natomiast w złożu 2 wzrosną do tych w punkcie a3. Jeśli odzysk masy połączony jest jednocześnie z odzyskiem ciepła, to po zakończeniu odzysku masy, rekuperacja będzie kontynuowana w złożu 1 w punktach g3-a1 -e, natomiast w złożu 2 w punktach a3-g1 -e. Rys. Wykres p-t podstawowego systemu z odzyskiem masy (adsorpcja fizyczna).

Podstawowy układ z odzyskiem masy Podstawową własnością odzysku masy jest wzrost zdolności adsorpcyjnej złoża o x, 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: a2-g1-e-g2-a1-e - a2, natomiast nowy: a2-a3- g1 -e-g2-g3-a1-e -a2. Rys. Wykres p-t podstawowego systemu z odzyskiem masy (adsorpcja fizyczna).

Podstawowy układ z odzyskiem masy W przypadku adsorpcji chemicznej problem jest bardziej skomplikowany. Odzysk masy może nastąpić tylko tam, gdzie mamy do czynienia z szeregiem konsekutywnych reakcji chemicznych, tak jak w przypadku chlorku wapnia. Rys. Wykres p-t podstawowego systemu z odzyskiem masy (adsorpcja chemiczna). CaCl + 2NH CaCl 2NH 2 3 2 3 CaCl 2NH + 2NH CaCl 4NH 2 3 3 2 3 CaCl 4NH + 4NH CaCl 8NH 2 3 3 2 3

Podstawowy układ z odzyskiem masy Skrajne izostery adsorpcji 1-2 oraz 5-6 znajdowac się poza cyklem, który jest tu zdefiniowany przez punkty: A 2 - G 1 -G 2 -A 1 -A 2. W tym cyklu możliwa recyrkulacja masy to 2 mol amoniaku na mol chlorku wapnia. Rys. Wykres p-t podstawowego systemu z odzyskiem masy (adsorpcja chemiczna). CaCl + 2NH CaCl 2NH 2 3 2 3 CaCl 2NH + 2NH CaCl 4NH 2 3 3 2 3 CaCl 4NH + 4NH CaCl 8NH 2 3 3 2 3

Podstawowy układ z odzyskiem masy W przypadku gdy po odzysku masy parametry złoża 2 będą takie jak w punkcie G3 będzie mogła zajść reakcja 5-6: CaCl + 2NH CaCl 2NH 2 3 2 3 Jeśli w tym samym czasie złoze 1 osiągnie parametry punktu A3, będzie mogła zajść reakcja 1-2: CaCl 4NH + 4NH CaCl 8NH 2 3 3 2 3 Rys. Wykres p-t podstawowego systemu z odzyskiem masy (adsorpcja chemiczna). Powstanie obieg: A2-A3-2-G1- G2-G3-5A1-A2 o zdolności adsorpcyjnej 8 mol/mol.

Podstawowy układ z odzyskiem masy Zakładając adsorpcję fizyczną oraz ignorując wszelkie straty (złoża termicznie izolowane od otoczenia) proces odzysku masy zajdzie pomiedzy punktami a2-a3 oraz g2- g3. 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. p = p g3 a3 δx = δx a2 a3 g2 g3

Podstawowy układ z odzyskiem masy Ze zględu na zachodząca desorpcję temperatura w złożu niskociśnieniowym oraz niskotemperaturowym wzrośnie, natomiast temperatura w złożu wysokociśnieniowym oraz wysokotemperaturowym spadnie wskutek adsorpcji czynnika. ( )( ) c + xc T T =Δhδ x a pl a3 a2 a2 a3 ( )( ) c + xc T T =Δhδ x a pl g3 g 2 g 2 g3 Gdzie: h ciepło adsorpcji/desorpcji c a ciepło właściwe adsorbentu c Lc ciepło właściwe ciekłego czynnika

Poprawa efektywności COP Na rysunku przedstawiono wzrost COP dla różnych typów obiegów adsorpcyjnych w funkcji temperatury desorpcji. 1. Układ podstawowy 2. Odzysk masy 3. Odzysk ciepła zakumulowanego w złożu 4. Odzysk ciepła zakumulowanego w złożu oraz ciepła adsorpcji 5. Odzysk masy oraz ciepła zakumulowanego w złożu. 6. Odzysk masy, ciepła zakumulowanego w złożu oraz ciepła adsorpcji Q Q COP = Q + Q 0 rliq Rys. Wartość COP dla różnych typów obiegów adsorpcyjnych T 0 =5 C, T k =T a =5 C. h d

Rekuperacja masy Wielostopniowy system adsorpcyjny

Układ wielostopniowy Wielostopniowy system adsorpcyjny wymaga dwóch lub więcej adsorberów i działa łacząc ze sobą procesy desorpcji w jednym złożu, z adsorpcją w drugim. Wielostopniowy system adsorpcyjny umozliwia dzieki takiemu działaniu wykorzystanie źródła ciepła o jeszcze niższej temperaturze rzędu 50 C i mniej.

Schemat systemu wielostopniowego Rys. Schemat wielostopniowego systemu adsorpcyjnego.

Zasada działania Rys. Schemat wielostopniowego systemu adsorpcyjnego. 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.

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. Parujacy czynnik generuje efekt chłodniczy. Złoże 4 (ochładzane) połączone jest ze złożem 5 (ogrzewanym) i pracuje jako skraplacz. Rys. Schemat wielostopniowego systemu adsorpcyjnego.

Zasada działania Użycie złoża 2 jako skraplacza dla złoża 3 oznacza niższe ciśnienie pośrednie p m dla złoża 3 ponieważ ciśnienie w złożu 2 jest dużo niższe niż ciśnienie w skraplaczu. Ze wzdlędu na zasadę równości zmiany zdolności adsorpcyjnej... δx = δx a2 a3 g2 g3 Rys. Schemat wielostopniowego systemu adsorpcyjnego. temperatura źródła używanego do regeneracji złoża 3 również będzie niższa.

Zasada działania Rys. Schemat wielostopniowego systemu adsorpcyjnego. Sytuacja wyglądałaby identycznie w przypadku złoża 1 oraz złoża 2. Tempeatura źródła ciepła, przy desorpcji złoża 2 również będzie niższa niż byłoby to wymagane w układzie jednostopniowym. Złoże 1 adsorbuje pary czynnika ze złoża 2, w którym panuje pwiększe ciśnienie niż w parowniku. Dlatego efektywna zdolność adsorpcyjna złoża 1 będzie większa.

Zasada działania Z tego samego powodu, tj. Równości zdolności adsorpcyjnej, temperatura regeneracji złoża 1 również będzie zmniejszona. Rys. Schemat wielostopniowego systemu adsorpcyjnego.

Wykres p-t dla układu wielostopniowego Złoża 4 i 1 Złoża 5 i 2 Złoża 6 i 3 Rys. Układ wielostopniowy na wykresie p-t.

Zasada działania Kiedy proces pokazany na rysunku się zakończy, złoże 3 zostanie poddane chłodzeniu i podłączone do parownika (zawór V 4 ), a złoże 4 zostanie poddane ogrzewaniu przez górne źródło oraz podłaczone do skraplacza (zawór V 5 ). Rys. Schemat wielostopniowego systemu adsorpcyjnego.

Zasada działania Podsumowując praktycznie wszystkie obiegi adsorpcyjne wymagają temepratury nie mniejszej niż 60 C (w praktyce rządu 80 C i więcej). Systemy wielostopniowe umożliwiaja wykorzystanie temperatury rzędu 50 C. Termodynamicznie i ekonomicznie nie jest uzasadnione stosowanie wiecej niż trzech stopni. Rys. Schemat wielostopniowego systemu adsorpcyjnego.

Temperatury w systemie wielostopniowym Rys. Minimalna temperatura zasilania systemu sorpcyjnego w układzie kaskadowym w funkcji ilości stopni.

Układ resorpcyjny Pompa ciepła i transformator ciepła

Układ resorpcyjny System resorpcyjny wykorzystuje zjawisko adsorpcji chemicznej i wymaga zastosowania dwóch lub więcej adsorberów, a przede wszystkim dwóch lub wiecej 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 Rys. Schemat układu resorpcyjnego w trybie pompy ciepła.

Układ resorpcyjny pompa 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 Q Hd pochodzi ze źródła ciepła wysokotemperaturowego, natomiast ciepło adsorpcji Q Hs jest ciepłem egzotermicznej reakcji chemicznej wysokotemperaturowej pary roboczej. Rys. Układ resorpcyjny na wykresie p-t.

Układ resorpcyjny pompa ciepła Ciepło desorpcji Q d pochodzi ze źródła ciepła niskotemperaturowego, natomiast ciepło adsorpcji Q 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 tempraturze T H2 i ciśnieniu p H, jednocześnie złoże 1 adsorbuje w temperaturze otoczenia T H1 =T L0 =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 połaczenia z pochłaniającym złożem 2 nastąpi w nim desorpcja. Rys. Układ resorpcyjny na wykresie p-t.

Układ resorpcyjny pompa ciepła W obu przypadkach ciepło adsorpcji wykorzystywane jest jako wyjściowe ciepło pompy ciepła. Współczynniki efektywności chłodniczej i grzewczej takiego systemu można zdefiniować następujaco: COP = Q Q d Hd Qs + Q COA = Q Hd Hs Rys. Układ resorpcyjny na wykresie p-t.

Układ resorpcyjny transformator ciepła Rys. Schemat układu resorpcyjnego w trybie transformatora ciepła.

Układ resorpcyjny transformator ciepła Aby układ resorpcyjny mógł pracować w trybie transformatora ciepła potrzebne są trzy źródła: Wysokotemperaturowe źródło ciepła Średniotemperaturowe źródło ciepła Zewnetrzne źródło chłodu Rys. Układ resorpcyjny w trybie transformatora ciepła na wykresie p-t.

Układ resorpcyjny transformator ciepła Rys. Układ resorpcyjny w trybie transformatora ciepła na wykresie p-t. Zasada działania takiego układu jest nastepująca: Złoże 2 jest ogrzewane przez źródło wysokotemperaturowe od temperatury początkowej T H0. W tym czasie złoże 1 desorbuje wskutek dostarczania ciepła Q d, a adsorbowany w złożu 2 czynnik powoduje wzrost temperatury do T H1 (pod ciśnieniem p H panującym w złożu 1).

Układ resorpcyjny transformator ciepła Złoże 1 adsorbuje czynnik w temperaturze otoczenia T m, jednocześnie złoże 2 desorbuje czynnik w tempraturze średniego źródła. Wskutek egzotermicznego ciepła adsorpcji temperatura w złożu 1 wzrasta do T L1. 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 niezbedne jest wykorzystanie temperatury wyższej niż temperatura dostępnego źródeła wysoko-temperaturowego. Pomijając straty cieplne oraz pojemność cieplną cieczy grzewczej, przyrost temperatury, który można w takim systemie uzyskać oblicza się wg zależności: Δ T = QHs M c + M c + M xc Ha Ha madb m Ha Lc

Układ resorpcyjny transformator ciepła Efektywność transformatora ciepła oblicza się następująco jako pozyskany efekt grzewczy do nakładu ciepła ze wszystkich źródeł: Q COP Hs = Q d + Q Q Hd + H

Modelowanie Modelowanie dynamiki dwuadsorberowego systemu adsorpcyjnego

Bilans energii złoża adsorpcyjnego Bilans energii dla złoża oblicza się następująco: d { Ma ( ca clc x) cmcummcu cmalmmal Ta} dt + + + = dx = MH + c M T T + mc T T dt Gdzie: M a masa adsorbentu, M mal M mcu masy 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 masy cieczy grzewczej ( 1 δ1 ) ( ), (,, ) a st Lv a e a w p water ads in ads out 1,desorpcja δ1 = 0,adsorpcja pary czynnika przedostające się z parowacza

Równanie kinetyczne adsorpcji Zmiana stężenia adsorbatu na adsorbencie opisana jest wzorem: Gdzie: D s0 współczynnik dyfuzji powierzchniowej dx 15D Ea = exp dt R RT s0 2 p E a energia aktywacji R p średnica ziarna adsorbentu x eq stężenie równowagowe w danej temperaturze i ciśnieniu ( xeq x) Stężenie równowagowe można obliczyć np. z równania Totha. (, ) xtp = K 0 ΔH exp RT 0 1 exp p t K ΔH + p x RT 1 t

Temperatura na wylocie w wymiennika Temperaturę cieczy grzewczej na wylocie z wymiennika można obliczyć wykorzystując liczbę jednostek przenikania ciepła NTU. Zakładając, że wymiennik spełnia równanie: Qwym = kaδt Ciecz grzewcza przepływająca przez wymiennik musi spełniać równanie: ( ) Q = mc T T g p in out Oraz: Q g = Q wym

Temperatura na wylocie w wymiennika Logarytmiczna różnica temperatur w wymienniku: Δ T = ΔT A ln ΔT ΔT ΔT A B B T in ΔT A T out ΔT B Co przekształca się do postaci: ( ) ( ) Tin T0 Tout T0 Tin Tout Δ T = = Tin T 0 Tin T 0 ln ln Tout T Tout T T 0

Temperatura na wylocie w wymiennika Po zestawieniu wszystkich wzorów: Tin Tout mcp ( Tin Tout ) = ka Tin T 0 ln Tout T Uproszczenie i uporządkowanie stronami prowadzi do: Tin T 0 ka ln = Tout T mc p Natomiast po pozbyciu się logartymu, do: Tin T 0 ka = exp Tout T mc p

Temperatura na wylocie w wymiennika Uporządkowanie po raz kolejny stronami pozwala na wyciągnięcie temperatury wylotowej cieczy grzewczej z wymiennika T out : 1 ka Tout T0 = ( T in T0) exp mc p Co daje ostateczną, uniwersalną postać równania: Tout = T0 + ( T in T0) exp ka mc p

Bilans energii skraplacza Bilans energii dla skraplacza oblicza się następująco: dtc dxdes dxdes dxdes cmcumm, con = δ 1 L Ma clvma ( Tc Ta ) clcma ( Te Tc ) dt + + dt dt dt ( ) + m c T T w, con p, water cool, in cool, out Gdzie: 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 T a temepratura złoża, T cool,in oraz T cool,out temperatury wlotowa i wylotowa cieczy chłodzącej L ciepło przemiany fazowej czynnika m w,con strumień masy wody chłodzącej skraplacz 1,desorpcja δ1 = 0,adsorpcja W skraplaczu nie gromadzi się skroplony czynnik. Wszystko natychmiast spływa do parownika.

Bilans energii parowacza Bilans energii dla skraplacza oblicza się następująco: d ( clcmew cmcumm, eva ) T e dt + = dxads ( 1 δ1 ) L Ma + mw, evacp, water ( Tchill, in Tchill, out ) dt + dxdes + δ1 clcma ( Te Tc ) dt Gdzie: 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 masy wody chłodzonej w parowaczu

Bilans masy czynnika w parowaczu Ilość skroplonego czynnika w parowniku: dm dx dx = M + dt dt dt ew ads des a

Wydajność i efektywność Wydajność chłodnicza: Q ref = t cycle 0 ( + ) c m T T dt water w, eva chill, in chill, out t cycle Nakład energii: Q h = t cycle 0 ( ) c m T T dt water w, h h, in h, out t cycle Współczynnik efektywności COP Q COP = Q ref h

Wyniki modelowania Rys. Zmienność temperatury złóż w czasie.

Wyniki modelowania Rys. Modelowany układ adsorpcyjny na wykresie p-t.

Wyniki modelowania Rys. Wpływ długości cyklu pracy oraz długości fazy pośredniej na efektywność COP.

Wyniki modelowania Rys. Wpływ długości cyklu pracy oraz długości fazy pośredniej na wydajność chłodniczą.