Wydział Mechaniczno-Energetyczny Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS Badania efektywności akumulacji ciepła w materiale o zmiennej fazie
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
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.
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.
2. STANOWISKO BADAWCZE Widok stanowiska badawczego
Wyniki badań laboratoryjnych
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
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
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 6 770 176000 2 0.021 0.2 (157 82) 11.1 minut Różnica czasów 13.5-11.1 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
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). 80 70 60 50 100⁰C 110⁰C -im wyższa temperatura ładowania, tym mniejszy wpływ efektu dodania oleju. Różnice w czasach ładowania (do 15%) w praktyce są pomijalne. 40 30 20 150⁰C 120⁰C 130⁰C 10 0 50-50 60-40 70-30 80-20 85-15 90-10 95-05 98-02 Skład procentowy PCM - olej Rys. 3.4 Przebieg topnienia kul o średnicy 4 cm z mieszaniną PCM - olej
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
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY Materiał PCM PCM stopił się po czasie 240-300 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)
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: 81 88 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
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 : 104-105 C. W akumulatorze znajdowało się: - 44 kg materiału PCM (T m = 77-82 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
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY Mieszanina binarna PCM-woda Rys. 3.8. 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. 3.9. 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.
3.3 AKUMULATOR WODNY W celu porównania efektywności akumulatorów wypełnionych materiałem PCM przeprowadzono badania akumulacji z zasobnikiem wodnym. Na rys. 3.10 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. 3.10. Rozładowanie akumulatora wodnego o takiej samej objętości jak akumulator z kulami Rys. 3.11. Rozładowanie akumulatora z kulami, oznaczenia jak na rys. 3.7, zależność temperatury T od czasu
PODSUMOWANIE
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.
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.
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