NIZKO TEMPERATURNE ADSORPCIJSKE HLADILNE NAPRAVE

Bogdan Vodušek

NIZKO TEMPERATURNE ADSORPCIJSKE

HLADILNE NAPRAVE

Diplomsko delo

Maribor, februar 2014

I

Diplomsko delo univerzitetnega študijskega programa

NIZKO TEMPERATURNE ADSORPCIJSKE HLADILNE NAPRAVE

Študent: Bogdan Vodušek Študijski program: univerzitetni, kemijska tehnologija Smer: kemijska tehnologija Predvideni strokovni naslov: uni. dipl. inž. kem. tehnol. Mentor: izr. prof. dr. Darko Goričanec Somentorica: asist. dr. Danijela Doberšek IZJAVA Izjavljam, da sem diplomsko delo izdelal sam, prispevki drugih so posebej označeni. Pregledal sem literaturo s področja diplomskega dela, in sicer po naslednjih elementih: Vir: Chemical Abstracts Gesla: adsorption refrigeration system, simulation

in ASPEN, adsorber, Skupine gesel: Adsorption refrigeration Časovno obdobje: Od leta 1971 do leta 2013 Število referenc: 39 Število prebranih izvlečkov: 45 Število prebranih člankov: 30 Število pregledanih knjig: 2 Maribor, februar 2014 Podpis študenta

III

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju izr. prof. dr. Darku

Goričancu za pomoč in vodenje pri opravljanju

diplomskega dela. Prav tako se zahvaljujem

somentorici asist. dr. Danijeli Doberšek. Hvala

tudi Samotu Simoniču.

Posebna zahvala velja skrbnikom, ki so mi

omogočili študij in vsem ostalim, ki so mi skozi

leta mojega izobraževanja pomagali, me

podpirali ter verjeli vame.

IV

NIZKO TEMPERATURNE ADSORPCIJSKE HLADILNE NAPRAVE

Povzetek

Veliko energije se porabi za ogrevanje ter hlajenje prostorov. Ena izmed možnih rešitev

hlajenja ali ogrevanja je z adsorpcijsko hladilno napravo, ki lahko koristi odpadno toploto

ali sončno energijo, ker je ekonomsko učinkovitejše in okolju prijaznejše od uporabe

kompresorskih in drugih hladilnih naprav. Diplomska naloga vključuje teoretične osnove

različnih zasnov adsorpcijskih hladilnih naprav in simulacijo delovanja adsorpcijske

hladilne naprave s programom Aspen Plus. V diplomskem delu so bili ugotovljeni ključni

parametri pri katerih se dosega čim večja učinkovitost adsorpcijskih hladilnih naprav.

Ključne besede: hlajenje, adsorpcijska hladilna naprava, toplotna črpalka, delovne snovi, COP, simulacija – program ASPEN UDK: 66.045:621.577(043.2)

V

LOW TEMPERATURE ADSORPTION COOLING DEVICES Abstract A lot of energy is used for heating and cooling spaces. One of the possible solutions of cooling or heating is by adsorption refrigeration system, because they operated with waste heat or solar energy, which is economically more effective and environmentally friendlier compared to vapor compression and other refrigeration system. Diploma work presents various designs of adsorption refrigeration systems and simulation of adsorption refrigeration system with computer program Aspen Plus. In this work have been detected key parameters which maximized efficiency of adsorption refrigeration system.

Key words: cooling, adsorption refrigeration system, heat pump, working fluids, COP,

simulation – program ASPEN UDK: 66.045:621.577(043.2)

VI

UPORABLJENI SIMBOLI

OZNAKA VELIČINA ENOTA Akol površina kolektorja m2 COP koeficient učinkovitosti COPsistema koeficient učinkovitosti sistema COPsolar koeficient skupne učinkovitosti solarnega sistema C0 optimalna učinkovitost C1 linearni koeficient toplotnih izgub C2 kvadratni koeficient toplotnih izgub cpv specifična toplotna kapaciteta vode J/(kg K) cpz specifična toplotna kapaciteta zeolita J/(kg K) Eex učinkovitost prenosnika toplote % Fm faktor prenosa toplote FR faktor odvoda toplote H entalpija kJ/kg ∆h uparilna latentna toplota kJ/kg Ikol obsevanje kolektorja W/m2

i intenzivnost sončnega sevanja W/m2

j gostota električnega toka kW/m2

k(Θ) kot padanja svetlobe na kolektor ° mv masa vode kg mz masa zeolita kg p tlak kPa pA tlak adsorberja kPa pC tlak kondenzacije kPa pnizki tlak v adsorberju in uparjalniku kPa pU tlak uparjanja kPa pvisoki tlak v desorberju in kondenzatorju kPa QCC toplotna kapaciteta v adsorberju/kondenzatorju kJ Qref hladilni učinek kJ qm masni pretok kg/s T temperatura K T~

abs povprečna temperatura na površini absorberja °C TC temperatura celice °C Tkon temperatura kondenzacije °C Tok temperatura okolja °C TR referenčna temperatura °C Treg temperatura regeneracije °C T0 maksimalna adsorpcijska temperatura °C TU temperatura uparjanja °C t temperatura °C tA temperatura adsorberja °C tC temperatura kondenzatorja °C tD temperatura desorberja °C tS temperatura hladne vode °C tU temperatura uparjalnika °C U koeficient toplotne prehodnosti W/(m2 K) Uizg koeficient toplotnih izgub W/(m2K) W delo črpalke J

VII

UPORABLJENE GRŠKE ČRKE

OZNAKA VELIČINA ENOTA

α koeficient absorpcije absorberja β variacijski koeficient učinkovitosti sončnih celic ζ Carnotov izkoristek toplotnega stroja % ηkolektorja izkoristek sončnega kolektorja %

ηR referenčni izkoristek pri 0 °C

τ transmisija steklenih pokrovov Φ proizveden toplotni tok W ΦA toplotni tok v adsorberju W ΦC toplotni tok v kondenzatorju W ΦD toplotni tok v desorberja W Φe hladilni učinek W Φg vložena toplota W ΦU toplotni tok v uparjalniku W

VIII

UPORABLJENE KRATICE

A — adsorber AC — aktivno oglje Ad1 — adsorber 1 Ad2 — adsorber 2 C — kondenzator CaCl2 — kalcijev klorid CFC — klorofluoroogljiki D — desorber FV — fotovoltajika G — generator GWP — potencial globalnega segrevanja H2O — voda HCFC — klorofluorooglikovodiki K — kondenzator LiBr — litijev bromid LiCl — litijev klorid ODP — potencial tanjšanja ozonskega plašča ORC — organski rankinov cikel Pt1 — toplotni izmenjevalec 1 Pt2 — toplotni izmenjevalec 2 R23 — CHF3 trifluorometan R134a — C2H2F4 1,1,1,2-tetrafluoroetan SCP — specifična moč hlajenja SO2 — žveplov dioksid SrCl2 — stroncijev diklorid U — uparjalnik

IX

VSEBINA 1 UVOD ....................................................................................................................................... 1

2 HLAJENJE S SONČNO ENERGIJO ................................................................................... 2

2.1 HLADILNI PROCES ........................................................................................................ 2

2.2 MOŽNE POTI HLAJENJA NA SONČNO ENERGIJO ............................................... 2

2.3 UČINKOVITOST CIKLA ................................................................................................. 4

2.4 UČINKOVITOST SONČNIH KOLEKTORJEV ............................................................ 5

2.5 UČINKOVITOST FOTOVOLTAIKE .............................................................................. 7

2.6 UČINKOVITOST SISTEMA ........................................................................................... 7

2.7 TEHNOLOGIJE HLAJENJA NA SONČNO ENERGIJO ............................................ 8

2.7.1 Toplotno gnani sistemi ............................................................................................ 8

2.7.1.1 Absorpcijski hladilni sistem .............................................................................. 8

2.7.1.2 Platen – Muntersov sistem .............................................................................. 9

2.7.1.3 Adsorpcijski hladilni sistem ............................................................................ 10

2.7.1.4 Sušilno hladilni sistem .................................................................................... 12

2.7.1.5 Ejektorski hladilni sistem ................................................................................ 13

2.7.2 Električno gnani sistemi ........................................................................................ 14

2.7.2.1 Kompresorski hladilni sistemi ........................................................................ 14

3 ZGODOVINA ADSORPCIJSKIH HLADILNIH NAPRAV ................................................ 17

4 OPIS ADSORPCIJSKIH SISTEMOV................................................................................. 19

4.1 PRINCIP ADSORPCIJE ............................................................................................... 19

4.1.1 Kemija mejnih površin ........................................................................................... 20

5 IZBIRA DELOVNEGA PARA ADSORBENT – ADSORBAT .......................................... 22

6 DELOVANJE ADSORPCIJSKEGA SISTEMA ................................................................. 24

6.1 KOEFICIENT UČINKOVITOSTI .................................................................................. 26

6.2 Vplivi kolektorja in okolja na delovanje adsorpcijskih hladilnih naprav na sončno energijo ....................................................................................................................................... 27

6.2.1 Vpliv parametrov .................................................................................................... 28

6.2.1.1 Vpliv reber za prenos toplote ........................................................................ 28

6.2.1.2 Vpliv kontaktne toplotne upornosti ............................................................... 28

6.2.1.3 Vpliv toplotne prevodnosti adsorbenta ........................................................ 28

6.2.1.4 Vpliv števila zasteklitev in selektivnega nanosa ......................................... 28

6.2.2 Vpliv okolja .............................................................................................................. 29

6.2.2.1 Vpliv intenzivnosti sevanja sonca ................................................................. 29

6.2.2.2 Vpliv kondenzacijske temperature ............................................................... 30

6.2.2.3 Vpliv temperature uparjanja .......................................................................... 30

X

7 ADSORPCIJSKI HLADILNI SISTEMI NA SONČNO ENERGIJO ................................. 31

7.1 ADSORPCIJSKI HLADILNI SISTEM Z REKUPERACIJO TOPLOTE .................. 31

7.2 ADSORPCIJSKI HLADILNI SISTEMI Z REKUPERACIJO TOPLOTE ADSORPCIJSKE MASE .......................................................................................................... 33

7.3 HLADILNI SISTEM S PRENOSOM TOPLOTE ........................................................ 34

7.4 ADSORPCIJSKI HLADILNI IN OGREVALNI SISTEM NA SONČNO ENERGIJO ................................................................................................................................. 36

8 SIMULACIJA ADSORPCIJSKEGA HLADILNEGA SISTEMA S PROGRAMOM ASPEN ADSORPTION ................................................................................................................. 40

8.1 IZBIRA TERMODINAMIČNE METODE ..................................................................... 40

8.2 IZBIRA PROCESNIH ENOT ........................................................................................ 40

8.3 REZULTATI SIMULACIJE ............................................................................................ 42

8.3.1 Spreminjanje vlažnosti adsorbenta ..................................................................... 42

8.3.2 Spreminjanje temperature v desorberju - tD....................................................... 44

8.3.3 Spreminjanje tlaka v uparjalniku - pnizki ............................................................... 45

8.3.4 Spreminjanje tlaka v kondenzatorju .................................................................... 46

8.3.5 Spreminjanje časa cikla ........................................................................................ 48

8.3.6 Energijske bilance .................................................................................................. 48

8.3.7 Izračun hladilne vode iz stolpov in grelne iz obnovljivih virov ......................... 49

9 ZAKLJUČEK .......................................................................................................................... 50

10 VIRI IN LITERATURA ...................................................................................................... 52

11 PRILOGE ........................................................................................................................... 55

11.1 Priloga 1 ...................................................................................................................... 56

12 ŽIVLJENJEPIS .................................................................................................................. 57

XI

SEZNAM SLIK: Slika 2.1 : Shema postrojev hlajenja s pogonom na sončno energijo[3]. ........................... 3 Slika 2.2 : Toplotna bilanca za hladilni sistem ................................................................... 4 Slika 2.3 : Karakteristika sončnega kolektorja ................................................................... 6 Slika 2.4 : Opredelitev učinkovitosti Carnotovega sistema ................................................ 7 Slika 2.5 : Shema delovanja absorpcijskega hladilnega sistema [8]. ................................. 9 Slika 2.6 : Shema delovanja Platen – Muntersovega hladilnega sistema [3]. ...................10 Slika 2.7 : Desorpcijski (regeneracijski) proces ................................................................11 Slika 2.8 : Adsorpcijski (hladilni) proces ...........................................................................11 Slika 2.9 : Sušni hladilni sistem s trdno sušno snovjo.......................................................12 Slika 2.10 : Mollierov diagram za sušni hladilni sistem na sliki 2.9 ...................................13 Slika 2.11 : Ejektorski hladilni sistem ...............................................................................14 Slika 2.12 : Kompresorski hladilni sistem na sončno energijo [3]. ....................................15 Slika 2.13 : T – s diagram kompresorskega hladilnega cikla [3]. ......................................15 Slika 6.1 : Delovanje adsorpcijskega hladilnega sistema na sončno toploto. ....................24 Slika 6.2 : Clapeyronov diagram za idealen adsorpcijski cikel [17]. ..................................25 Slika 6.3 : Spreminjanje COP z intenzivnostjo sevanja sonca [25]. ..................................29 Slika 6.4 :COPsolar kolektorja pri različni intenzivnosti sevanja [27]. ..................................30 Slika 7.1 : Shema rekuperacije toplote dvostopenjskega adsorpcijskega hladilnega

sistema [28]. .................................................................................................32 Slika 7.2 : Diagram idealnega cikla rekuperacije toplote in toplote adsorpcijske mase .....33 Slika 7.3 : Shema delovanja prve faze hlajenja s prenosom toplote [1]. ...........................35 Slika 7.4 : Shema delovanja druge faze hlajenja s prenosom toplote [1]. .........................36 Slika 7.5 : Shema adsorpcijskega hladilnega in ogrevalnega (hibridnega) sistema [35] ...37 Slika 7.6 : Clapeyronov diagram idealnega hibridnega sistema .......................................38 Slika 7.7 : Prerez adsorberja [35] .....................................................................................39 Slika 8.1 : Shema adsorpcijske hladilne naprave z delovnim parom zeolit-voda modelirana

s programom Aspen. ....................................................................................41 Slika 8.2 : COP od vlažnosti adsorbenta. .........................................................................43 Slika 8.3 : Odvisnost kapacitete gretja in hlajenja od vlažnosti adsorbenta. .....................44 Slika 8.4 : Odvisnost COP od temperature desorberja. ....................................................45 Slika 8.5 : Odvisnost COP od temperature uparjalnika tU =70 °C. ....................................46 Slika 8.6 : Odvisnost COP od temperature adsorberja tA..................................................46 Slika 8.7 : Odvisnost COP od temperature kondenzacije. ................................................47 Slika 8.8 : Odvisnost COP od časa cikla ..........................................................................48

XII

SEZNAM PREGLEDNIC:

Preglednica 2.1 Vrednosti FR(τα)e in FRUizg za nekatere vrste sončnih kolektorjev ............. 6 Preglednica 2.2 : Prednosti in slabosti adsorpcijskih hladilnih sistemov ........................... 12 Preglednica 2.3 : Prednosti in slabosti kompresorskega hladilnega sistema. ................... 16 Preglednica 8.1 : Lastnosti zeolita 5X [28]. ...................................................................... 41 Preglednica 8.2 : Rezultati simulacije pri različnih vlažnostih adsorbenta ........................ 42 Preglednica 8.3 : rezultati simulacije – kapacitete. ........................................................... 43 Preglednica 8.4 : Rezultati simulacije pri pnizki = 0,876 kPa; pvisoki = 5,643 kPa................. 44 Preglednica 8.5 : Rezultati simulacije pri pvisoki = 5,643 kPa in tD = 70 °C. ........................ 45 Preglednica 8.6 : Rezultati spreminjanja tlaka v kondenzatorju (pvisoki). ........................... 47 Preglednica 8.7 : Rezultati spreminjanja časa cikla ......................................................... 48 Preglednica 11.1: Lastnosti nasičenih vodnih hlapov in vodne pare [39]. ........................ 56

Nizko temperaturne adsorpcijske hladilne naprave

1

1 UVOD Izmenjava toplote je eden najbolj razširjen pojavov v naravi, ki lahko poteka kot prevod, konvekcija ali sevanje. Človek je dolga leta toploto izkoriščal izključno samo za gretje. Z razvojem človeštva in tehnologije so se začele pojavljati zahteve po prostorskem ugodju in s tem se je začelo povpraševanje po hladilnih napravah. Vendar trenutna uporaba električnih hladilnih kompresorjev zahteva več električne energije in s tem se tudi povečujejo emisije toplogrednih plinov. Zaradi onesnaževanja okolja se razvijajo hladilni sistemi, ki delujejo na odvečno toploto ali sončno energijo in tako porabijo manj električne energije, zagotavljajo pa enako raven udobja. Sorpcijske hladilne naprave uporabljajo naravna hladiva, ki ne vplivajo na tanjšanje ozonske plasti in globalno segrevanje. Med sorpcijske toplotne sisteme, ki za pogon ne uporabljajo električne energije, temveč toploto, iz neobnovljivih ali obnovljivih virov energije kot je naprimer toplota dimnih plinov, sončna energija, geotermalna energija itd. , štejemo adsorpcijske toplotne naprave. Z adsorpcijsko napravo lahko hkrati pridobivamo grelno in hladilno toploto, enako kot pri ostalih toplotnih črpalkah. Zaradi te lastnosti se lahko adsorpcijska toplotna naprava uporablja za ogrevanje in klimatizacijo prostorov s sončno energijo. Namen uporabe procesa adsorpcije v hladilni tehniki je doseči višje izkoristke pretvorbe primarne v sekundarno energijo (grelna ali hladilna toplota). Intenzivni razvoj sorpcijskih toplotnih sistemov pogojujejo v največji meri tudi zahteve po zmanjšanju emisij toplogrednih plinov in tudi zmeraj manj zalog fosilnih goriv.


2

2 HLAJENJE S SONČNO ENERGIJO

2.1 HLADILNI PROCES Na splošno je hlajenje vsak proces pri katerem se odvaja toplota. Natančneje je hlajenje proces zmanjšanja ali ohranjevanja temperature prostora ali materiala pod temperaturo okolice. Da bi to dosegli, se mora toplota odvzeti iz telesa ali prostora, ki je hlajen in prenesti na drugo telo ali prostor. Zaradi II. zakona termodinamike potrebujemo za odvod toplote iz telesa z nižjo na telo z višjo temperaturo dodatno toploto oziroma energijo [2]. Ker toplota prehaja iz hlajenega telesa na drugo telo, je razvidno, da so naprave za hlajenje in ogrevanje dejansko na nasprotnih koncih istega procesa. Razlika med enim in drugim procesom je le želeni rezultat. Hlajenje se lahko razen kompresijskih hladilnih naprav izvede tudi z uporabo absorpcijskih ali adsorpcijskih hladilnih naprav. Te naprave potrebujejo vir toplote, ki se lahko pridobiva tudi z izrabo sončne energije. Pridobljena toplota se uporablja za pogon hladilnega sredstva, ki ima lastnost, da se sprosti (desorbira), ko se segreje in adsorbira, ko se ohladi. Z uporabo sončne energije se lahko proizvede dovolj toplote za delovanje adsorpcijskega ali absorpcijskega hladilnega sistema.

2.2 MOŽNE POTI HLAJENJA NA SONČNO ENERGIJO Hladilni sistem s pogonom na sončno energijo je sestavljen iz treh podsistemov:

• sistema za pretvorbo sončne energije, • hladilnega sistema in • hladilne obremenitve.

Primeren sistem za uporabo je odvisen od potrebe po hlajenju, moči in temperaturnega nivoja v hlajenemu prostoru kot tudi od okolja (slika 2.1). Začne se z zbiranjem sončne energije. Sončno energijo lahko zbiramo na dva načina:

• s sončnimi kolektorji v obliki toplote in • s fotovoltajičnimi (FV) celicami v obliki električne energije [3].

Različni tipi sončnih kolektorjev proizvedejo različne temperaturne nivoje. Kar pomeni, da lahko nivo temperature uravnavamo z izbiro kolektorja glede na potrebno pogonsko temperaturo, ki jo potrebujejo absorbcijski hladilni cikli za delovanje. Na primer Rankinov sistem potrebuje za delovanje precej višjo temperaturo od ejektorskega sistema, ki deluje na nizkem temperaturnem nivoju. Ker več sistemov deluje z vodo kot delovno snovjo, je nemogoče doseči temperature pod 0 °C. Za klimatizacijo oziroma hlajenje prostorov se lahko uporablja absorpcijski, adsorpcijski, Rankinov ali ejektorski sistem. Pri shranjevanju živil, kjer je potrebno imeti in vzdrževati temperaturo med 0 °C in -8 °C pa se uporabljajo kompresorski, termo - električni (Peltier), absorpcijski ali adsorpcijski sistemi. Aplikacije, ki


3

potrebujejo temperature dosti pod 0 °C (zamrzovanje) pa se uporabijo kompresorski in Sterlingov sistem, ki pogonsko elektriko dobijo preko fotovoltaičnih (FV) celic. Dvostopenjski absorpcijski sistem ter adsorpcijski sistem se lahko tudi uporabi za hlajenje velikih prostorov ali objektov [1].

Slika 2.1 : Shema postrojev hlajenja s pogonom na sončno energijo[3].

Značilnost za sisteme predstavljene na sliki 2.1 je ta, da je učinkovitost hladilnih sistemov, ki za delovanje potrebujejo elektriko precej večja. Vendar pa se za proizvodnjo elektrike uporabljajo fotovoltaične celice, kar je cenovno dražje od sončnih kolektorjev. Sistemi, ki delujejo na toploto so res manj učinkoviti, vendar sončni kolektorji dosežejo veliko večje pretvorbe sončne energije v toploto kot pa fotovoltaične celice v elektriko. Zato je težko sklepati katera hladilna naprava s pogonom na sončno energijo zagotavlja največjo učinkovitost. Sončni kolektorji imajo 80 % učinkovitost pretvarjanja sončne energije v toploto z učinkovitostjo sistemov s COP okoli 0,7 znaša skupna učinkovitost takšnega sistema COPsolar = 0,56. Kompresorski hladilni sistemi imajo COP 4,0 in s proizvodnjo električne energije s fotovoltaičnimi celicami, ki pretvarjajo sončno energijo z 15 % učinkovitostjo je skupna učinkovitost sistema COPsolar = 0,60.

56,08,07,0 =⋅=⋅= sistemakolektorjasolar COPCOP η

elektrika

sušilno hladilni sistem

ejektorski sistem

Rankinov sistem

absorpcija

adsorpcija

termo - električni

kompresorski

Stirlingov sistem

klimatizacija

shranjevanje živil

zamrzovanje

FV celice

sonči kolektorji

toplota

70°C

100°C

150°C

0°C

8°C

15°C

20°C


4

60,00,415,0 =⋅=⋅= sistemakolektorjasolar COPCOP η

Učinkovitost zbiranja sončne energije ηkolektorja sončnih kolektorjev in fotovoltaičnih celic je razmerje med toploto, ki zapušča kolektor in sončnim obsevanjem, ki pada na kolektor. Učinkovitost kolektorja se zapiše z enačbo:

kolkol

kolektorjaIA

Φ=η (2.1)

kjer so: Φ - proizveden toplotni tok (W), Akol- površina kolektorja (m2), Ikol - obsevanje, ki pade na kolektor (W/m2), COPsolar (koeficient učinkovitosti) je razmerje med hladilnim učinkom in dovedeno sončno energijo (I). COPsistema je razmerje med hladilnim učinkom in vloženo delo, ki je potrebno za delovanje hladilnega sistema.

2.3 UČINKOVITOST CIKLA Zmogljivost sistema je predstavljena s koeficientom učinkovitosti COP (Slika 2.2), ki opisuje koliko toplote (Φg) ali dela (W) potrebujemo, da odstranimo toploto iz hlajenega prostora (Φe). COP je odvisen od vrste pogonske energije in to je prikazano z enačbami [4]:

WCOP e

el

Φ= (2.2)

g

e

toplCOPΦ

Φ= (2.3)

Slika 2.2 : Toplotna bilanca za hladilni sistem

eΦ

gΦ ali črpalkeW

rkondenzatoΦ


5

Kjer so: Φe - hladilni učinek (želeni učinek) W - vloženo delo Φg- vložena toplota

2.4 UČINKOVITOST SONČNIH KOLEKTORJEV Veliko energije se pridobi v absorberju, ki je izveden v sončnem kolektorju, z neposredno absorpcijo vidne svetlobe od sonca z absorpcijo infrardečega sevanja iz segretega stekla. Energijske izgube, ki vplivajo na učinkovitost sončnih kolektorjev so:

• izgube emisij infrardečega sevanja, • izgube konvekcijske toplote, zaradi naravne konvekcije med steklom in

absorberjem, • izgube toplote, zaradi prevajanja toplote skozi ohišje kolektorja.

Učinkovitost podsistema sončnega kolektorja je razmerje med izhodno toploto in skupno intenzivnostjo sončnega sevanja. V nadaljni opredelitvi učinkovitosti se predpostavlja, da je sevanje na območje hemisferično (polkrožno) in vsi žarki dosežejo absorber, odsevi med pokrovom in absorberjem pa so zanemarljivi. Učinkovitost sončnega kolektorja se lahko določi z enačbo [5]:

−−=

i

TTUF

okabsizg

optm

)~

(ηη (2.4)

Kjer je: Fm - faktor prenosa toplote Ηopt - optimalni izkoristek Uizg - skupni koeficient toplotnih izgub (W/m2K)

absT~

- povprečna temperatura na površini absorberja Tok - temperatura okolja i - intenzivnost sončnega sevanja (W/m2). Vrednost Fm je odvisna od vrste sončnega kolektorja in pogojev delovanja. Vrednost Fm je med 0,8 in 0,9 za zračne kolektorje, med 0,9 in 0,95 za ploščate kolektorje ter 0,95 in 1,0 za vakuumske kolektorja [6]. V osnovi je lažje izmeriti temperaturo tekočine za prenos toplote kot pa temperaturo na površini absorberja. Zato se učinkovitost kolektorjev pogosto zapiše z enačbo glede na vstopno temperaturo (Tvh), izhodno temperaturo tekočine, ki je nosilec toplote (T0), ter enačbo za določitev povprečne temperature na površini absorberja:

2

~ 0TTT vh +

= (2.5)

Učinkovitost kolektorjev se lahko definira z enačbo (2.4) ali pa z enačbo:

i

TTUFF avh

izgReR

)()(

−−= ταη (2.6)

Kjer so: FR - faktor odvoda toplote τ - transmisija steklenih pokrovov α - absorbcija absorberja.


6

Tipične vrednosti faktorjev FR(τα)e in FRUizg, ki so podane v preglednici 2.1 so odvisne od vrste kolektorjev, števila zasteklitev in izbire materiala. Učinkovitost sončnih kolektorjev (η) in vrednosti (Tvh–Tα)/i so grafično prikazane kot karakteristika sončnega kolektorja [3] - slika 2.3.

Slika 2.3 : Karakteristika sončnega kolektorja

Občasno je izkoristek sončnega kolektorja podan v kvadratni obliki, kot je prikazano v enačbi (2.7). Ta enačba se pogosto uporablja za simulacije s sončnimi kolektorji [1].

i

TTC

i

TTCCk aabsabs

2

2

2

10

)~

()~

()(

−−

−−⋅Θ=η (2.7)

Kjer so: k(Θ) - kot pod katerim pada svetloba na kolektor C0 - optimalna učinkovitost C1 - linearni koeficient toplotnih izgub C2 - kvadratni koeficient toplotnih izgub

Preglednica 2.1 Vrednosti FR(τα)e in FRUizg za nekatere vrste sončnih kolektorjev

vrsta sončnega kolektorja FR(τα)e FRUizg [W/m2K]

ploščati kolektor z enojno zasteklitvijo 0,80 5,00

ploščati kolektor z dvojno zasteklitvijo 0,80 3,50

vakuumski kolektor 0,80 1 - 2 parabolični kolektor 0,70 2,5

Naklon = izgRUF

η

1

eRF )(τα

toplotne izgube

intenzivnost sončnega sevanja

Energija pri pogojih

vhT , aT in i

odbita energija

i

TT avh −


7

Optimalno učinkovitost ploščatega kolektorja lahko zapišemo kot produkt transmisije steklenih pokrovov (τ) in absorpcije absorberja (α):

ατη ⋅=opt (2.8)

2.5 UČINKOVITOST FOTOVOLTAIKE Učinkovitost fotovoltaičnih celic se lahko zapiše kot

[ ])(1 RCRFV TT −−= βηη (2.9)

Kjer je ηR - referenčni izkoristek pri 0 ºC (približno 0,12 za posamezno celico) β - variacijski koeficient učinkovitosti sončnih celic (okoli 0,04 K-1 za posamezno celico) TC - temperatura celice (ºC) TR - referenčna temperatura (ºC) Običajno ena celica proizvaja napetost (U) 0,5 V in gostoto električnega toka (j) 200 kW/m2 pri sončnem sevanju 1 kW/m2. Učinkovitost razpoložljivih fotovoltaičnih celic je od 10 % do 17 % in lahko proizvedejo od 1 do 1,5 kWh/m2 na dan. Proizvodnja je sorazmerna izpostavljenosti celice k svetlobi [7].

2.6 UČINKOVITOST SISTEMA Delovanje idealnega toplotnega stroja in hladilnega sistema se prikazuje s Carnotovim ciklom. Učinkovitost Carnotovega hladilnega sistema, ki ga poganja Carnotov toplotni sistem lahko prikažemo s shemo – slika 2.4, ki definira ta sistem. Temperature T2, T1 in Tg so: temperatura hlajenega prostora, temperatura okolja in temperatura vira toplote.

Slika 2.4 : Opredelitev učinkovitosti Carnotovega sistema

1T

1T gT

2T

W

g

g

CarnotT

TT 1−=ξ

21

2

TT

TCOPCarnot

−=

toplotni stroj hladilni sistem


8

g

g

toplotnicarnotT

TT 1

,

−=η (2.10)

21

2

TT

TCOPcarnot

−= (2.11)

carnotcarnotcarnot COP⋅= ξη (2.12)

oziroma

−⋅

−=

21

21

TT

T

T

TT

g

g

carnotη (2.13)

S fotovoltaičnimi celicami gnani sistemi Carnotov izkoristek toplotnega stroja (ζ) postane učinkovitost fotovoltaičnega sistema.

FVelelsistema COP ηη ⋅=, (2.14)

2.7 TEHNOLOGIJE HLAJENJA NA SONČNO ENERGIJO Hladilni sistemi, ki delujejo na sončno energijo se lahko razdelijo na dve skupini glede na vrsto pogonske energije. Prva skupina so toplotno gnani sistemi, druga skupina pa so električno (fotovoltaično) gnani sistemi. Vsaka skupina pa se še dodatno razdeli v naslednje hladilne sisteme:

1. Toplotno gnani sistemi: • absorpcijski hladilni sistem • adsorpcijski hladilni sistem • adiabatni hladilni sistem • ejektorski hladilni sistem • ekspanzijski sistem

2. Električno gnani sistemi:

• Sterlingov hladilni sistem • termo-električni sistem • kompresorski hladilni sistem

2.7.1 Toplotno gnani sistemi

2.7.1.1 Absorpcijski hladilni sistem Absorpcijski hladilni sistem je shematsko prikazan na sliki 2.5. Glavni sestavni deli absorpcijskega hladilnega sistema so: absorber, generator, kondenzator, ekspanzijski ventil, prenosnik toplote in črpalka. Za absorpcijski proces in hlajenje se uporabljata dve hladilni tekočini. V absorberju se para hladiva ob odvodu toplote absorbira v raztopino absorpcijskega sredstva. Ta raztopina je šibka in se z absorpcijo hladiva bogati. Bogati raztopini dvignemo tlak s črpalko in jo vodimo v generator. Z dovodom toplote se v generatorju iz raztopine uparja hladivo, katerega paro vodimo v kondenzator. Raztopino, iz katerega se je izparil del hladiva, po znižanju tlaka vračamo v absorber. Para hladiva v kondenzatorju ob odvodu toplote kondenzira. Kondenzatu z redukcijskim ventilom znižamo tlak in ga vodimo v uparjalnik, kjer se ob dovodu toplote pri nižji temperaturi od okolice upari. Pare hladiva nato vodimo v absorber. Postopek


9

regeneracije in hladilni proces deluje hkrati kot kontinuirni proces, ki kontinuirno proizvaja hladilni učinek. Ploščati sončni kolektor je zadosten za ohranjanje generacijske temperature med 70 ºC in 100 ºC [3].

Slika 2.5 : Shema delovanja absorpcijskega hladilnega sistema [8].

Delovne snovi, ki se uporabljajo v absorpcijskih hladilnih sistemih so:

• amoniak - voda, kjer je amoniak hladilno sredstvo in voda absorpcijsko sredstvo, • voda - litijev bromid (LiBr), kjer je voda hladilno sredstvo in litijev bromid

absorbent, • voda - litijev klorid (LiCl), kjer je voda hladilno sredstvo in litijev klorid absorbent.

2.7.1.2 Platen - Muntersov sistem Ta sistem je poseben primer absorpcijskega hladilnega sistema in dobro znan kot Electrolux hladilnik. Sistem se je razvil iz Carré absorpcijskega sistema, vendar deluje brez črpalk. Sistem nima premičnih delov in ne potrebuje dodatne oskrbe z energijo - slika 2.6. Za vzdrževanje kostantnega tlaka v celotnem sistemu in kot inertni plin se uporablja vodik. Kot hladilno sredstvo se uporablja amonijak in voda kot absorpcijsko sredstvo. Hladilni učinek se doseže, če je parcialni tlak hladilnega sredstva nižji od tlaka v uparjalniku. Princip delovanja sistema je podoben absorpcijskemu sistemu, razlikuje pa se v tem, da je tlak v celotnem sistemu konstanten.

uparjalnik

kondenzator

generator

absorber

črpalka

toplotni kompresor

ekspanzijski ventil

vhΦ

izhΦ

vhW

izhΦ

vhΦ


10

Slika 2.6 : Shema delovanja Platen - Muntersovega hladilnega sistema [3].

Vodik kroži med uparjalnikom in absorberjem in nadomesti tlačno razliko. V generatorju amoniak izhlapeva, pare pa se vodi v kondenzator, kjer kondenzirajo. Kondenzirane pare nato tečejo v uparjalnik. Šibka raztopina amoniaka se vrača iz uparjalnika v absorber na podlagi gravitacije. V uparjalniku je tekoči amoniak izpostavljen vodikovi atmosferi in prične izhlapevati, zaradi nižjega parcialnega tlaka. Zmes amoniaka in vodika gre skozi prenosnik toplote v absorber v katerem se amoniak absorbira v vodno raztopino. Vodik se vrača v uparjalnik preko prenosnika toplote, vodna raztopina amonijaka pa potuje v generator. Temperatura generatorja je med 120 in 180 ºC in je odvisna od pogonske temperature. Običajni viri energije so zemeljski plin, naftni derivati ter električna energija. COP takšnega sistema se giblje med 0,2 in 0,3 pri 25 W in 100 W hladilne kapacitete [8]. S Platem - Mortensovim hladilnim sistemom se težko dosežejo velike hladilne kapacitete.

2.7.1.3 Adsorpcijski hladilni sistem Adsorpcija, imenovana tudi kot trdni - sorpcijski sistem je vezava plinaste ali tekoče snovi na trdno podlago. Ta proces ločuje snovi iz ene faze in se koncentrira na površino druge snovi. Snov, ki adsorbira je adsorbent in snov, ki se adsorbira oziroma koncentrira na drugo snov je adsorbant. Proces adsorpcije ne spremeni makroskopske strukture adsorbenta, ampak spremeni le njegovo maso.

generator

absorber

uparjalnik

prenosnik toplote

kondenzator pare amoniaka tekoči amoniak

obogatena raztopina

šibka raztopina


11

Adsorpcija in absorpcija se lahko izrazi v trajanju sorpcijskega procesa. Proces adsorpcije je vezava molekul ali ionov adsorbata na površino adsorbenta z Van Der Vaalsovimi vezmi. Za adsorbent je značilna velika poroznost in s tem tudi velika površina. V adsorpcijskem hladilnem sistemu se pare hladilnega sredstva adsorbirajo na trdno snov, ki ima makroskopsko poroznost. Ta postopek za delovanje potrebuje samo toplotno energijo. Princip delovanja adsorpcijskeg hladilnega sistema je razdeljeno na dva glavna procesa. Prvi proces je adsorpcija ali hlajenje ter drugi je desorpcija ali regeneracija. V delovnem paru Zeolit - voda je hladilno sredstvo voda, ki izpareva z dovedeno toploto od hlajenega prostora in generator (adsorber) se ohladi z zrakom. Pare adsorbata se vodijo do generatorja kjer se adsorbirajo na adsorbent (zeolit). Preostanek vode se ohladi ali zamrzne. V regeneracijskem procesu se zeolit segreva dokler vodne pare ne desorbirajo iz zeolita in kondenzirajo v kondenzatorju. Pri nekontinuirnem procesu se lahko desorpcija izvaja čez dan - slika 2.7 in adsorpcijski proces čez noč -slika 2.8.

Slika 2.7 : Desorpcijski (regeneracijski) proces

Slika 2.8 : Adsorpcijski (hladilni) proces

Sončna energija se lahko integrira v generator (adsorber). Za osnovni sistem oziroma cikel je potreben samo en adsorber, vendar proces ni kontinuirni. Za kontinuirni sistem potrebujemo več adsorberjev s tem se tudi poveča učinkovitost sistema. Prednosti in slabosti takšnega sistema so zbrane v preglednici 2.2.

adsorber

adsorbent

toplota

Φ

uparjalnik

pare hladilnega sredstva

kondenzator adsorber

adsorbent

toplota

CΦ

pare hladilnega sredstva


12

Preglednica 2.2 : Prednosti in slabosti adsorpcijskih hladilnih sistemov

PREDNOSTI SLABOSTI potrebujejo malo vzdrževanja sproščanje visoke temperature v okolje COP je okoli 0,4 (pri Te = 0 ºC , TC = 40 ºC , Tad = 35 ºC

slaba toplotna prevodnost adsorbenta

deluje pri nizkih temperaturah ni kontinuirni sistem ni gibljivih delov velika teža adsorpcijske naprave uporablja se lahko sončni kolektor, kar je ceneje od fotovoltaičnih celic

nizek delovni tlak (6 mbar za zeolit – voda)

Adsorbenti, ki se uporabljajo v hladilni tehniki so:

• aktivno oglje, • silika gel in • zeoliti.

Adsorbati (hladilna tekočina) pa je lahko voda, amoniak ter metanol. Delovni par kot je zeolit - voda se uporablja pri temperaturah nad 0 ºC. Delovni pari kot so amoniak - SrCl2, voda - silika gel ter zrak - silika gel pa se uporabljajo v odprtih sistemih [1].

2.7.1.4 Sušilno hladilni sistem Sušilno hladilni sistem temelji na odprtem sistemu razvlaževalnega procesa. Za delovanje sistema je potrebna toplota in voda. Voda se pogosto uporablja, kot hladilno sredstvo, ker je poceni in okolju prijazna. Sušilna snov je lahko trdna ali tekoča. Delovanje tega sistema prikazanega na sliki 2.9 povezuje tri procese:

• sušilni proces, • proces prenosa toplote ter • vlažilnega procesa.

Sistem ima tri glavne komponente, ki delujejo pri atmosferskem tlaku. Te komponente so razvlaževalnik, uparjalnik ter regenerator. Kot dodatna komponenta se uporablja prenosnik toplote, ki poveča učinkovitost sistema. Sušilni proces se lahko izvaja s sušilnim kolesom v katerem je trdna sušilna snov (silika gel ali zeolit) ali v absorberju s tekočo sušilno snovjo (CaCl2 - H2O, LiBr - H2O ali LiCl - H2O) . V prenosniku toplote se izvrši proces prenosa toplote ter vlažilni proces v vlažilniku.

Slika 2.9 : Sušni hladilni sistem s trdno sušno snovjo

sušilno kolo

prenosnik toplote

vlažilnik

vlažilnik

grelec

1 2 3 4

5´

5 6 7 8 9


13

Zunanji zrak se razvlaži s tekočim ali trdnim sušilnim sredstvom v rotirajočem sušilnem kolesu. Nato se osušen zrak ohladi v prenosniku toplote ter navlaži v vlažilniku na želeno vlažnost. Temperatura svežega zraka se še dodatno zniža v vlažilniku pred vstopom v prostor. Povratni zrak iz hlajenega prostora se vodi v vlažilnik, kjer se navlaži pri nizki temperaturi in enaki entalpiji. Ohlajen ter navlažen zrak vstopa v rotacijski prenosnik toplote, kjer deluje kot hladilni medij svežega zraka. Temperatura tega zraka se zviša, ko potuje skozi rotacijski prenosnik toplote (ker absorbira toploto od svežega zraka). Zrak po izstopu iz prenosnika toplote se po potrebi dodatno segreje v grelcu ter vstopa v sušilno kolo, ki aktivira sušilno snov. Nato vlažni oziroma povratni zrak zapusti sušilno kolo in odvaja v okolico. Ta proces je prikazan v Mollierovem diagramu - slika 2.10. Segrevanje grelca s toplotnim virom je odvisno od temperature povratnega zraka, ki vstopa v sušilno kolo v osmi fazi procesa. Vir toplote grelca je lahko s ploščatimi sončnimi kolektorji, odpadno industrijsko toploto ali geotermalno energijo. Na količino potrebne toplote za oskrbo grelca vpliva vlažnost zraka in učinkovitost sušilnega kolesa.

Slika 2.10 : Mollierov diagram za sušni hladilni sistem na sliki 2.9

2.7.1.5 Ejektorski hladilni sistem Ejektorski hladilni sistem je eden od toplotno gnanih sistemov prikazanih na sliki 2.11. Sistem je zelo dober za klimatizacijo prostorov, ker za delovanje potrebuje nizko temperaturno pogonsko toploto. Pogonsko toploto lahko dobimo s sončno energijo ali odpadno toploto toplotnih procesov, kjer se odpadna toplota integrira v ejektorski hladilni sistem. Prednost takega sistema je v enostavnosti delovanja. Komponente, ki sestavljajo ejektorski hladilni sistem na sončno energijo ali odpadno toploto so:

• ejektor, • kondenzator, • generator, • uparjalnik, • ekspanzijska ventila in • črpalka.

1

2 3

4

5

5´

6 7 8

9

Temperatura suhega termometra

Delež vlage


14

V tem sistemu je edina mehansko gibljiva komponenta črpalka. Ejektor in črpalka se uporabljata za vzdrževanje talačne razlike v sistemu. V ejektorju se mešajo pare z visoko hitrostjo s parami hladiva iz uparjalnika. To mešanje se izvaja tako, da gredo pare hladiva z visoko hitrostjo skozi šobo v ejektorju, kjer poteka sesanje par iz nizko temperaturnega uparjalnika.

Slika 2.11 : Ejektorski hladilni sistem

Po mešanju skupnih tokov mora biti hitrost tokov dovolj velika, da se poveča tlak par hladilne snovi na parni tlak kondenzacije v kondenzatorju, kjer se kondenzira in toplota odvaja v okolje. Po kondenziranju se del hladilne snovi črpa v generator in preostali del pa se preko ekspanzijskega ventila vrača v uparjalnik, kjer se doseže tlak uparjanja. V ejektorskem hladilnem sistemu se lahko uporablja dosti hladilnih snovi, kot so voda, R23 (CHF3), R134a (CH2FCF3), in heksan.

2.7.2 Električno gnani sistemi

2.7.2.1 Kompresorski hladilni sistemi Kompresorski hladilni sistem je najpogosteje uporabljeni sistemi, zaradi visoke učinkovitosti in zanesljivosti sistema. Glavni vir energije je elektrika, ki se uporablja za pogonsko energijo kompresorskih hladilnih sistemov. Sončna energija se lahko integrira v sistem s fotovoltaičnimi celicami (FV) ali s sončnimi kolektorji preko Rankinovega motorja (slika 2.12) [1]. Kompresorske hladilne naprave so sestavljene iz naslednjih komponent:

• kompresorja, • kondenzatorja, • ekspanzijskega ventila in • uparjalnika.

generator

kondenzator

uparjalnik

ejektor

črpalka

varnostni ventil

0Φ

1Φ

2Φ

1 2 3

6 7

8 9

p

h

2Φ

1Φ

0Φ

1

2 3

4 5 9

8

6 7


15

Hladilno sredstvo kroži med komponentami v zaprtem sistemu. V kompresorju se vzdržuje ustrezen tlak (visok in nizek tlak) na dveh različnih temperaturnih nivojih. Tekoče hladilno sredstvo v uparjalniku pri nizki temperaturi in tlaku prične izhlapevati. Pri tem absorbira toploto iz okolice in ustvarja hladilni učinek. Para se s kompresorjem komprimira na višji temperaturni in tlačni nivo. Visokotlačna para hladilne snovi iz kompresorja se nato v kondenzatorju kondenzira, kjer se s kondenzacijo sprošča toplota v okolico. Tekoče hladilno sredstvo se nato vodi v uparjalnik preko ekspanzijskega ventila, kjer se tlak zniža na tlak uparjanja. Prednost in slabosti kompresorskega hladilnega sistema na sončno energijo so podane v preglednici 2.3.

Slika 2.12 : Kompresorski hladilni sistem na sončno energijo [3].

Električni pogon kompresorja zahteva proizvodnjo elektrike z organskim rankinovim ciklom (ORC) za pretvorbo toplote iz sončnega kolektorja v električno energijo ali uporabno delo za kompresor. V T – s diagramu (slika 2.13) je prikazan kompresorski hladilni cikel. Kompresorski hladilni sistem poganja enosmerni tok (DC, 12V ali 24V), ker fotovoltaične celice proizvajajo enosmeren tok. Lahko se uporabi tudi kompresor na izmenični tok, vendar se mora v sistem vgraditi pretvornik električnega toka, da pretvori enosmerni tok v izmeničnega [3].

Slika 2.13 : T – s diagram kompresorskega hladilnega cikla [3].

T

vT

nT

vp

np

s

1

2 3

4

ekspanzija

uparjanje

kondenzacija

kompresija

kondenzator

uparjalnik

ORC

elektrika

FV sistem

sončni kolektor

kompresor ekspanzijski

ventil

delo


16

V vseh sistemih na sončno energijo so baterije oziroma akumulatorji. Akumulatorji podaljšajo obdobje hlajenja, ko ni na razpolago dovolj sončne svetlobe. Zmogljivost akumulatorjev je 340 mAh [9]. Površina fotovoltaičnih celic je odvisna od intenzivnosti sončnega sevanja na območju, kjer so postavljene.

Preglednica 2.3 : Prednosti in slabosti kompresorskega hladilnega sistema.

PREDNOSTI SLABOSTI velika učinkovitost (COP) Veliki stroški za namestitev fotovoltaičnih celic in

akumulatorjev enostaven hladilni sistem Sistem je zelo glasen, zaradi kompresorja enostaven za vzdrževanje Potrebno je veliko tehnično znanja za

fotovoltaiko cenovno ugoden Iztekanje hladilnega sredstva zahteva malo vzdrževanja male toplotne izgube lahko se prilagodi za male ali velike sisteme


17

3 ZGODOVINA ADSORPCIJSKIH HLADILNIH NAPRAV V zadnjih letih prejšnjega stoletja se je sorpcijsko (adsorpcijsko) hlajenje pogosto uporabljalo. Kasneje je z razvojem zanesljivejših kompresorjev in električnih motorjev, izboljšanjem moči, učinkovitosti in uvedbo hladilnih sredstev CFC (leta 1930), tehnologija sorpcijskega hlajenja zamrla [10]. Sorpcijske hladilne naprave na toplotni pogon so obstajale v literaturi s patenti vsaj od leta 1909. Hladilnike na sorpcijsko hlajenje si lahko dobil na trgu že leta 1920. Leta 1929 je Miller [11] opisal več hladilnih sistemov, ki so delovali na delovni par silikagel kot adsorbent in žveplov dioksid (SO2) kot adsorbat. Vendar pa se je v zadnjih letih povečalo zanimanje za to tehnologijo, zaradi različnih razlogov. Glavni razlogi v prid hladilnim sistemom na sorpcijo so:

• tiho delovanje, • dolgotrajno delovanje, • sistemi so poceni za vzdrževanje in • okolju prijazni.

Hladilna tehnika se mora razvijati tako, da je zadovoljeno okoljskim predpisom. Prva uredba v zvezi s tanjšanjem ozonske plasti (Montrealski protokol, 1988) [12], ki določa, postopno opuščanje kloroflorooglikovih (CFC) in kloroflorooglikovodikovih (HCFC) hladilnih sredstev. Zato so bili adsorpcijski postopki za ogrevanje in hlajenje predlagani, za zamenjavo kompresorskih hladilnih sistemov. Ekološki problem v zvezi z emisijo CFC plinov iz hladilnih naprav so spodbudile številne teoretične in eksperimentalne študije o adsorpcijskih hladilnih sistemih. Vpliv florooglikov v ozračju na okolje je pokazal, da so CFC plini odgovorni za približno eno tretino svetovnega učinka tople grede [13]. Hladilni sistemi s trdno sorpcijo so zelo ekološki, ker za delovanje uporabljajo naravna hladilna sredstva (kot na primer zemeljski plin) in med drugim tudi sončno energijo kot primarno energijo. Sorpcijske naprave delujejo zelo tiho, ker nimajo gibljivih delov. Zato so lahko adsorpcijske hladilne in ogrevalne naprave dobra alternativa klasičnim kompresorskim napravam. Hladilne naprave na trdno sorpcijo lahko delujejo na nizkih temperaturnih nivojih, kjer tekoči absorpcijski sistemi ne morejo. Adsorpcijska toplota je običajno od 30 % do 100 % višja od tiste, ki kondenzira adsorbat. Torej, če sta sveži adsorbent in adsorbat v tekoči fazi sobivanja ločeno zaprta v posodi je prenos adsorbata iz tekoče faze v adsorbent v obliki pare, saj je adsorpcija močnejša od kondenziranja tekoče faze. V tem koraku je temperatura tekoče faze postala nižja, temperatura adsorbenta pa se dvigne, pojav pa se uporablja za klimatizacijo in hlajenje [14]. Sistemi trdno - plin imajo to prednost, da so neškodljivi za okolje; njihov ODP (potencial tanjšanja ozonskega plašča) je nič in pa tudi za ozračje; z nič GWP (potencial globalnega segrevanja). Vendar, da postanejo ti sistemi realna alternativa morajo imeti dovolj visoke zmogljivosti, da se prepreči dodatna poraba primarne energije. Vrednosti s katerimi se opredelijo zmogljivosti adsorbcijskih hladilnih sistemov so:


18

• koeficient učinkovitosti (COP), • specifična moč hlajenja (SCP) in • termodinamični izkoristek, ki je razmerje med COP in Carnotovim hladilnim

številom. Adsorpcija ločuje snov iz plinastega ali tekočega stanja z adsorbcijo na površini trdne snovi. Adsorpcija je uporabno orodje za čiščenje in ločevanje, kot je na primer aktivno oglje (AC), ki se je v prvi svetovni vojni uporabljalo celo za odstranjevanje živčnega plina iz bojišč [12].


19

4 OPIS ADSORPCIJSKIH SISTEMOV Eden od zelo učinkovitih oblik hlajenja je hlajenje z ledom, ker led akumulira veliko latentne toplote. Najbolj obetavna uporaba za proizvodnjo ledu z uporabo sončne energije je hlajenje s trdno sorpcijo, zaradi preprostega delovanja in sposobnostjo, da izkoristi nizko temperaturo toplotne energije. Čeprav obstajajo različni adsorpcijski delovni pari se za hlajenje najbolje obneseta delovna para aktivno oglje – metanol in zeolit – voda, ker za delovanje potrebujeta sorazmerno nizko pogonsko toploto [15, 16]. Adsorpcijski sistem v najpreprostejši obliki je zaprt sistem, ki je sestavljen iz posode za adsorbent in adsorbat (sorpcijsko mesto), ki služi kot sončni kolektor, kondenzator in uparjalnik. Cikel takega sistema je razdeljen na dve periodi:

• Prva perioda (podnevi) je segrevanje adsorbenta s sončno energijo, da se adsorbat desorbira iz adsorbenta, pare adsorbata pa se kondenzirajo v kondenzatorju.

• Druga perioda (ponoči) je uparjanje adsorbata, ki daje hladilni učinek. Pare iz uparjalnika pa se adsorbirajo na ohlajenem adsorbentu.

Ker je adsorpcija eksotermni proces je potrebno odvajati toploto. Pri desorpciji pa gre za endotermni proces in toploto dovajamo. Za učinkovito delovanje sistema je potrebna visoka stopnja prenosa toplote v in iz adsorbenta. Žal pa se pojavljajo nekatere težave, ki vplivajo na prenos toplote:

1. Prenos toplote na adsorbcijskem mestu je zelo slabo, zaradi nizkega konvekcijskega prenosa toplote v adsorberju in slaba toplotna prevodnost adsorbenta.

2. Material postroja je izpostavljen zelo visokim temperaturnim spremembam, ki vplivajo na izmenjavo ogrevanja in hlajenja.

3. Sistem mora zelo dobro tesniti, da zunanji zrak ne vdira skozi spoje in ventile, kar znižuje stopnjo hlajenja.

Razen tega so vsi solarni sistemi obremenjeni zaradi velikih temperaturnih sprememb med poletjem in zimo, zaradi česar so ti sistemi skoraj neučinkoviti v zimskem delu leta. V poletnih časih so adsorpcijski hladilni sistemi čez dan dobri za ogrevanje in omejeni na hlajenje glede na nočne zunanje temperature zraka. V zimskem času pa bo sistem dosegel dobro hlajenje ponoči, vendar bo sončno ogrevanje sistema čez dan nezadovoljivo. V zadnjih dveh desetletjih so se izvedle določene izboljšave prenosa toplote ogrevanja in hlajenja adsorpcijskega modula. Z uporabo kompozitnih adsorbentov se lahko poveča toplotna prevodnost in površina adsorpcijskega modula [17].

4.1 PRINCIP ADSORPCIJE Adsorpcija je vezava molekul ali ionov na površino trdnih snovi pretežno z molekulskimi vezmi (Van Der Vaalsovimi vezmi). Gre za eksotermni proces, zaradi spremembe agregatnega stanja (iz plinastega v tekoče stanje). Sproščena energija je odvisna od vrste adsorpcijskega delovnega para adsorbent - adsorbat.


20

Za opis termodinamičnega ravnotežja adsorpcije potrebujemo več enačb adsorbcijskih izoterm. Te funkcije v povezavi s temperaturo T, tlakom p in koncentracijo adsorbirane faze, tako da velja: f(T,p)=0 [18]. Glavne adsorpcijske izoterme so:

• Henrijev zakon, ki velja za male koncentracije. • Lagmuirijev pristop, ki upošteva adsorpcijo v monomolekularnih plasteh in obstoj

dinamičnega ravnovesja med fazami. • Gibbsova teorija, ki temelji na enačbah idealnega plina, v katerem se adsorbat

obravnava na mikroskopski in dvodimenzionalni obliki. • Teorija potenciala adsorpcije, ki temelji na modelu, ki ga je predlagal Polany do

konca leta 1920 in je povsem primeren za adsorpcijo v mikro poroznih materialih [19].

Vsi mikro porozni materiali so v splošnem adsorbenti. Za njih je značilna visoka stopnja poroznosti in velika specifična površina (m2/g). Njihove strukture imajo pore s premerom manjšim od 20 °A. Najpogosteje uporabljeni adsorbenti so:

• silikagel, • aktivno oglje in • zeoliti.

Delovna para zeolit - voda in aktivno oglje - metanol se najpogosteje uporabljata kot adsorbent - adsorbat v hladilni tehniki. Hladilna para oglje - metanol imata popolnoma drugačne fizikalne in kemijske lastnosti, ker se pri segrevanju metanol z lahkoto desorbira z aktivnega oglja. Medtem, ko se v zeolitu voda zadrži veliko dlje. Delovni par aktivno oglje - metanol potrebuje za delovanje cikla temperaturo 40 °C, za delovanje cikla s parom zeolit - voda pa potrebujemo temperaturo 70 °C ali več [20].

Za adsorpcijsko ravnotežje v mikro poroznih materialih kot je delovni par zeolit - voda in aktivno oglje - metanol se uporabi Dobinin – Astakhova enačba [21]:

( )eTWa nsP

pTD

10

]ln[ρ=

− (4.1)

Kjer so: a – adsorbirana masa na enoto mase adsorbenta W0 – maksimalna adsorpcijska kapaciteta (volumen adsorbata/ masa adsorbenta) ρ1 – gostota adsorbata v tekočem stanju D – koeficient afinitete n – karakteristični parameter za adsorpcijski delovni par Ta enačba ima široko področje uporabe, še posebej pa je primerna za mikro porozne materiale. Enačba je primerna tudi za razne aplikacije nizko temperaturnih hladilnih sistemov [18].

4.1.1 Kemija mejnih površin Atomi, ioni ali molekule so v notranjosti snovi vezani v vseh smereh s kemijskimi vezmi. Vse sile, ki delujejo med njimi so v ravnotežju. Navzven delujejo s privlačnimi silami in lahko tvorijo kemijske vezi z drugimi gradniki plinaste ali tekoče faze, ki obdajajo trdno fazo. Zato govorimo o aktivni površini trdnih snovi. Poznamo tri vrste interakcij gradnikov plinaste ali tekoče faze s površino trdnih snovi in sicer:

• adsorpcijo, • kapilarno kondenzacijo, • kemosorbcijo.


21

Adsorpcija je vezava molekul ali ionov na površino trdnih snovi pretežno z molekulskimi vezmi. Za razliko od adsorpcije je absorpcija prodiranje v notranjost druge faze in ni površinski pojav. Kapilarna kondenzacija je utekočinjenje plinaste faze v porah trdne snovi. Kemosorbcija pa je kemična reakcija med adsorbirano snovjo z gradniki na površini trdne snovi. Trdna snov, ki s svojo aktivno površino veže molekule iz sosednje faze, se imenuje adsorbent. Snov, ki se veže pa se imenuje adsorbat.


22

5 IZBIRA DELOVNEGA PARA ADSORBENT – ADSORBAT Za trdno adsorpcijo v hladilni tehniki se trenutno uporabljajo tri vrste delovnih parov adsorbent – adsorbat. Amoniak, metanol in voda kot adsorbat ter aktivno oglje, silikagel in zeoliti kot adsorbenti. Izbira delovnega para je odvisna od naslednjih lastnosti:

• sestave, • termodinamičnih lastnosti, • kemijskih lastnosti, • fizikalnih lastnosti in • njihove dostopnosti.

Za uporabo v hladilni tehniki mora imeti adsorbent visoko adsorpcijsko zmogljivost pri sobni temperaturi in nizkemu tlaku ter majhno adsorpcijsko sposobnost pri visoki temperaturi in tlaku. Hladilni učinek ali temperatura dosežena v uparjalniku je odvisna od adsorpcije pri nizkem tlaku, ki omogoča adsorbentu, da veže na sebe hlape iz tekočine pri nizkih temperaturah. Vendar čim bolj je intenzivna ta lastnost tem višja regeneracijska temperatura adsorbenta je potrebna, zato je izbira adsorbenta odvisna od naslednjih dejavnikov:

• temperature, pri kateri uparjalnik lahko še deluje in • temperature toplotnega vira potrebna za regeneracijo adsorbenta.

Pomemben vidik pri izbiri adsorbenta je lastnost, da lahko adsorbent pri preseženi določeni temperaturi in tlaku postane katalizator razkroja adsorbata. Na primer, metanol se lahko adsorbira v zeolitu pri najvišji temperaturi 100°C, če temperaturo presežemo, zeolit deluje kot katalizator razkroja metanola, nastala voda in dimetil eter pa ustavita adsorpcijski proces [10]. Fizikalno kemijske lastnosti, ki vplivajo na izbiro ustreznega adsorbenta so:

1. adsorbent mora biti porozni material, ki adsorbira velike količine adsorbata pri nizkih temperaturnih pogojih;

2. desorpcija večine adsorbata, pri izpostavljenosti višji temperaturi; 3. sorbcijske lastnosti se ne slabšajo z dolgo letno uporabo; 4. nestrupenost in nekorozivnost; 5. dostopnost z nizkimi proizvodnimi stroški; 6. velika sprememba adsorbcijskih lastnosti, pri majhnih temperaturnih spremembah in 7. dobra toplotna prevodnost.

Izbira adsorbata pa je odvisna od:

1. izparilne temperature, 2. velikega latentnega toplotnega izhlapevanja, 3. velikosti molekul, ki morajo biti dovolj majhne za adsorbiranje, 4. toplotne stabilnosti na temperaturnem območju, kjer deluje adsorbent in 5. nestrupenosti, nekorozivnosti in negorljivosti.


23

Amoniak, metanol in voda imajo relativno visoke vrednosti latentne toplote, in sicer: • amoniak 1368 kJ/kg, • metanol 1102 kJ/kg in • voda 2258 kJ/kg.

Vsi trije adsorbanti imajo tudi nizke specifične volumne, ki so od 3 do 10 m3/kg [22]. Ker je amoniak strupen in koruziven, medtem ko voda in metanol nista. Voda je z adsorbenti najbolj termično stabilna, problem alkoholov (metanola) pa je vnetljivost. Vendar pa se voda ne more uporabljati za namene zamrzovanja, zaradi temperatura ledišča pri 0 °C. Glede na fizikalno-kemijskih adsorpcijskih lastnosti so izbrani naslednji delovni pari adsorbent - adsorbat:

• aktivno oglje - metanol, • aktivno oglje - amoniak, • silikagel - voda in • zeolit - voda [23].


24

6 DELOVANJE ADSORPCIJSKEGA SISTEMA Sistem prikazan na sliki 6.1 je sestavljen iz posode z adsorbentom, ki služi kot sončni kolektor, kondenzatorja in uparjalnika, ki deluje kot uparjalnik. Kombinacija adsorbenta in adsorbata je omejena v zaprtem sistemu, kjer ni nosilnega plina. V kolektorju je zeolit adsorbiran z vodo. Podnevi se v kolektorju zaradi toplote sončnega sevanja zeolit z adsorbirano vodo segreva in pri tem se voda desorbira iz zeolita. Nastali vodni hlapi prehajajo v kondenzator, kjer kondenzirajo, nastali kondenzat pa se zbira v uparjalniku.

Slika 6.1 : Delovanje adsorpcijskega hladilnega sistema na sončno toploto.

V nočnem času se kolektor z zeolitom ohladi zaradi hladnejše okolice in prične se proces adsorbcije vodnih hlapov, ki nastajajo z v izhlapevanjem vode v uparjalniku. Toplota potrebna za uparjanje vode v uparjalniku se odvzame hladilni vodi, ki se pri tem ohladi blizu temperature zmrzišča in uporablja kot hladilni medij klimatizacijskega postroja. Delovanje hladilnega sistema s trdno adsorpcijo se lahko prikaže v Clapeyronovem

toplota para

hladilna voda

kondenzator

adsorpcija toplota

desorpcij

uparjalnik

A A

B

B

sončna toplota

C

C

(a) Podnevi (desorpcija/kondenzacija) (b) Ponoči (uparjanje/adsorpcija)


25

diagramu (slika 6.2), ki prikazuje idealen adsorpcijski cikel za delovni par zeolit - voda. Adsorbcijski cikel se začne na točki A, kjer ima adsorbent najnižjo temperaturo TA in nizki tlak pe (tlak v uparjalniku). Točki AB predstavljata segrevanje zeolita nasičenega z vodo. Pri nadaljnjem segrevanju z vodo nasičenega adsorbenta od točke B do točke D povzroča desorbcijo adsorbata - vode, katere pare se kondenzirajo v kondenzatorju pri kondenzacijskemu tlaku pC. Ko adsorbent doseže svojo maksimalno temperaturo TD se desorpcija prekine, voda pa prečrpa v uparjalnik. Ponoči se zaradi nižje temperature okolice temperatura vode od točke D do točke F zniža, kar povzroči znižanje parnega tlaka vode s pC na pe. Ko se tudi adsorbent ohladi od točke F do točke A, se prične proces adsorpcije in uparjanja adsorbata - vode zaradi česar se voda v uparjalniku ohlaja in odvzema toploto hladilni vodi, ki se uporablja kot hladilni medij klimatskih naprav [17].

Slika 6.2 : Clapeyronov diagram za idealen adsorpcijski cikel [17].

pln

ep

cp

DT AT CT eT

E

F

D C B

A

dm am

povečanje adsorpcijske mase

nasičenost

T1−


26

Iz Clapeyronovega diagrama - slika 6.2 je razvidna celotna toplotna bilanca hladilnega sistema. V fazi segrevanja je za dvig temperature zeolita nasičenega z vodo (premica A - B) potrebna toplota TQ , ki je vsota toplot ABQ . Za segrevanje z vodo nasičenega zeolita

ter desorpcijo vode je potrebna toplota BDQ (premica B - D):

BDABT QQQ += (6.1)

( )( )ABvvzzAB TTmCpCpmQ −+= (6.2)

( ) ( )HmmTTmm

CpCpmQDvAvBD

DvAv

vzzBD ++−

++=

2 (6.3)

Kjer je; mz - masa zeolita (kg), cpz - specifična toplota zeolita (kJ/kgK), mv - masa vode (kg) cpv - specifična toplota vode (kJ/kgK) H - desorpcijska toplota (kJ/kg). Bruto sproščena toplota med fazo hlajenja je toplota, ki se sprošča z uparjanjem vode

1Qe .

( ) hmmQe vDvA ∆−=1

(6.4)

Kjer je; ∆h - uparilna latentna toplota vode (kJ/kg).

Dejanska toplota, ki se uporabi za hlajenje vode:

21 QeQeQe −= (6.5)

2Qe je toplota potrebna za ohlajanje tekočega adsorbenta s temperature kondenzacije na

temperaturo uparjanja: premica D - F [17]:

)()(2 eCvvDvA TTCpmmQe −−= (6.6)

6.1 KOEFICIENT UČINKOVITOSTI Idealen cikel za sistem hlajenja z adsorpcijo hipotetično ustreza Carnotovem toplotnem stroju. Ta naprava je sestavljena tako, da sta skupaj sklopljena dva enaka stroja, ki delujeta na dveh različnih temperaturnih nivojih, brez mehanske pretvorbe energije. COP za te stroje lahko dobimo z enačbo: COP = želena izhodna toplota / potrebna vhodna toplota = Qe/Qgen. Maksimalni COP za adsorpcijske hladilne sisteme je določen ob predpostavki, da je celoten cikel popolnoma reverzibilen. Sistemi so reverzibilni, če se toplota iz vira prenese na Carnotov toplotni stroj, kjer proizvedeno delo toplotnega stroja (W=ηthQgen) prehaja v Carnotov hladilnik, ki služi za odvajanje toplote v okolico. Pri upoštevanju, da je: Qe=W·COPR,C=ηth,C·COPR,C, potem je skupni COP za adsorpcijske hladilne sisteme tak, kot pri pogoju, da je cikel popolnoma reverzibilen:


27

−

−===

ev

u

reg

konCRCth

gen

erevP

TT

T

T

TCOP

Q

QCOP

0

,,, 1η (6.7)

Kjer je Tu – temperatura uparjanja, Tkon – temperatura kondenzacije Treg – temperatura regeneracije

0T - maksimalna adsorpcijska temperatura [4, 18]. COP lahko približno zapišemo tudi z izrazom

reg

kon

T

TCOP ≈ (6.8)

Solarni koeficient učinkovitosti (COPsolar) je eden iz med parametrov, ki se trenutno uporablja za oceno učinkovitosti hladilnih sistemov s pogonom na sončno energijo. Definiran je kot razmerje med celotno toploto potrebno za desorbcijo vode iz desorpcijske

mase in celotnega sončnega globalnega segrevanja ( )∫ dtti od sončnega vzhoda do

sončnega zahoda:

∫

−=

dtti

QQCOP

CCref

solar

)( (6.9)

Kjer je: i(t) - intenzivnost sončnega sevanja W/m2 , Qref - hladilni učinek (kJ) QCC- toplota potrebna za ohlajanje sorbenta s kondenzacijske temperature TC do temperature izparevanja (kJ). Iz zgornjih enačb je razvidno, da je COPsolar odvisen od vremenskih razmer in učinkovitosti posameznih glavnih sestavnih delov sistema kot so: sončni kolektor, kondenzator in uparjalnik. Masa desorpcije mdes je razlika med koncentracijo adsorbata v adsorbentu na začetku in na koncu desorpcijske faze:

dilconcdes xxm −= (6.10)

Z dovolj sončne energije bo delež koncentracije dilx sorazmerno nižji, če se adsorbent

hkrati segreva in desorbirana vodna para kondenzira v kondenzatorju. Po drugi strani pa je delež adsorbirane vode v adsorbentu concx odvisen od primerno nizke temperature in je

premo sorazmerno večji, če se adsorbent ohlaja pri uparjanju v uparjalniku. COPsolar je pomemben dejavnik, ki ga je treba upoštevati pri primerjavah različnih adsorpcijskih hladilnih sistemih s pogonom na sončno energijo. Do sedaj dosežen COPsolar adsorpcijskih hladilnih sistemov na sončno energijo ni višji od 0,2, vendar to ni tako pomembno, ker je sončna energija brezplačna [24].

6.2 Vplivi kolektorja in okolja na delovanje adsorpcijskih hladilnih naprav na sončno energijo

Na lastnosti hladilnih naprav na sončno energijo vplivajo številni parametri. Na splošno lahko te parametre delimo na dve vrsti. Prva vrsta parametrov je: dimenzija, material in


28

karakteristike kolektorja, ki določajo fizikalne lastnost kolektorja. Druga vrsta parametrov pa so okoljski parametri kot so: intenzivnost sevanja sonca, temperatura okolice in hitrost vetra, ki vplivajo na kakovost delovanja hladilnega sistema.

6.2.1 Vpliv parametrov Kot je že omenjeno, karakteristike hladilnih naprav na sončno energijo v glavnem ne določa samo adsorber (kolektor), ampak tudi vsak sestavni del kolektorja določa obnašanje hladilnega sistema v praktični uporabi. Zato so pri načrtovanju solarnih kolektorjev pomembni parametri kot so: emisivnost materiala, iz katerega materiala je izdelana plošča, velikost ohišja za adsorbent, velikost reber za prenos toplote, število zasteklitev, toplotna prevodnost in gostota adsorbenta. Delovanje hladilnega sistema je odvisno tudi od količine hladilnega sredstva, hladilne vode, proizvodnje ledu ter koeficienta učinkovitosti. Na podlagi koeficienta učinkovitosti se lahko opredeli uporabnost hlajenja na sončno energijo. V procesu analize parametrov pa je potrebno predpostaviti, da pogoji okolja ostanejo nespremenjeni [25].

6.2.1.1 Vpliv reber za prenos toplote Ker je toplotna prevodnost adsorbenta nizka, uporaba reber v kolektorju zelo izboljša prenos toplote na adsorbent. Teoretično gledano, večje kot je število reber boljši je prenos toplote. Vendar pa lahko ima preveliko število reber tudi negativen učinek. Tako da je potrebno optimizirati število reber v kolektorju.

6.2.1.2 Vpliv kontaktne toplotne upornosti Kontaktna toplotna upornost je ključni parameter, ki vpliva na karakteristiko delovanja hladilnih naprav na sončno energijo. Adsorbent je nameščen oziroma nanesen na kovino. Kovina sprejme toploto, da segreje adsorbent in pri tem desorbira hladilno sredstvo. Zaradi kontaktne toplotne upornosti med adsorbentom in površino kovine lahko nastanejo velike temperaturne spremembe in s tem se zmanjša prenos toplote s kovine na adsorbent. Običajno večja kot je kontaktna toplotna upornosti med površino kovine in adsorbentom slabše so obratovalne karakteristike hladilnih naprav na sončno energijo. Kontaktna toplotna upornost bi se zmanjšala, če bi bila površina kovine gladka.

6.2.1.3 Vpliv toplotne prevodnosti adsorbenta Skoraj vsi adsorbenti so porozni materiali, ki lahko adsorbirajo velike količine hladilnega sredstva. Ker je toplotna prevodnost adsorbenta majhna, močno vpliva na učinkovitost delovanja hladilnih naprav. Za hladilne naprave se kot adsorbent uporablja aktivno oglje, silikagel in zeolit. Toplotne prevodnosti adsorbentov so ponavadi manjše od 1 W/mK [26].

6.2.1.4 Vpliv števila zasteklitev in selektivnega nanosa Poleg omenjenih parametrov obstajajo še številni drugi, ki vplivajo na delovanje hladilnih naprav in proizvodnjo hladu. Med temi parametri sta tudi selektivni nanos materiala in število zasteklitev. Običajno je število zasteklitev omejeno z dimenzijo in konstrukcijo kolektorja. V praksi je običajno število zasteklitev dvakratno ali trikratno. Če povzamemo našteta dejstva, zelo veliko parametrov vpliva na obratovalne karakteristike hladilnih


29

naprav. Iz vidika načrtovanja in optimizacije je potrebno izbrati najboljše in cenovno ugodnejše parametre pri izdelavi kolektorjev.

6.2.2 Vpliv okolja Hladilna naprava na sončno energijo sestoji iz kolektorja, kondenzatorja in uparjalnika. Vendar pa je učinkovitost hladilnih naprav in količina proizvedene hladilne vode odvisna od vpliva okolja kot je temperatura kondenzacije, temperatura uparjanja in intenzivnost sončnega sevanja. Zato je potrebno upoštevati vplive okolja, na karakteristične lastnosti delovanja hladilnih naprav.

6.2.2.1 Vpliv intenzivnosti sevanja sonca Intenzivnost sevanja sonca določa temperaturo vode in vrednost COP. COP hladilnih naprav se poveča z naraščanjem intenzivnosti sevanja. COP bo dosegel maksimalno vrednost, ko bo intenzivnost sončnega sevanja okoli 12 MJ/m2 - slika 6.3 [25]. Vendar se vrednost COP ne poveča istočasno s povečanjem intenzivnosti segrevanja sonca. COP hladilnih naprav se zmanjša, če se intenzivnost sončnega sevanja smiselno porabi za segrevanje adsorbenta in kovinske plošče. Pri povečani intenzivnosti sončnega sevanja se tudi adsorbentu poveča desorpcijska temperatura Tg2. Vendar, ko je desorbcijska temperatura Tg2 večja od optimalne desorpcijske temperature Tg2opt , se delež desorbirane mase zmanjša. Kar pomeni, da se večina toplote od intenzivnosti sončnega sevanja porabi za segrevanje kovinske plošče. Minimalna vrednost intenzivnosti sončnega sevanja je odvisna od spreminjanja lege sonca in temperature ozračja čez dan ter karakteristike kolektorja. Njena minimalna vrednost je približno 11 MJ/m2. COP

adsorpcijskih hladilnih naprav se poveča s povečanjem sončnega sevanja, kar je prikazano v diagramu - slika 6.4 [27].

0,11

0,12

0,13

0,14

0,15

0,16

0,17

6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

intenzivnost sevanja sonca

CO

P

Slika 6.3 : Spreminjanje COP z intenzivnostjo sevanja sonca [25].

][ 2mMJ


30

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

20 35 50 65 80 95 110 125 140 155 170 185 200 215 230 245

povprečna temperatura tekočine [°C]

CO

Pso

lar

1000 W/m2

800 W/m2

600 W/m2

400 W/m2

200 W/m2

Slika 6.4 :COPsolar kolektorja pri različni intenzivnosti sevanja [27].

6.2.2.2 Vpliv kondenzacijske temperature Kondenzacijska temperatura vpliva na delovanje hladilnih naprav. Učinkovit način za ohranitev nizke kondenzacijske temperature je hlajenje vode v kondenzatorju, namesto naravnega hlajenja s konvekcijo. Hlajenje vode s hladilnimi napravami na sončno energijo lahko deluje le, če so zunanji pogoji ustrezni. Z ustreznimi zunanjimi pogoji se lahko učinkovitost hladilnega sistema izboljša.

6.2.2.3 Vpliv temperature uparjanja Uporaba hladilnih sredstev razen vode omogoča, da je temperatura uparjanja pod 0 °C v območju med -10 °C in 0 °C. Vendar z nižanjem temperature uparjanja znižujemo tudi učinkovitost hladilnega sistema, zato ker je sevanje sončne energije odvisno od vremenskih pogojev. V primeru, da je temperatura uparjanja nad 0 °C, se uporablja delovni par zeolit - voda, ki daje dober hladilni učinek tudi zato, ker ima voda večjo latentno toploto kot metanol.

sevanje


31

7 ADSORPCIJSKI HLADILNI SISTEMI NA SONČNO ENERGIJO Da bi se izboljšalo delovanje in učinkovitost adsorpcijskega hladilnega sistema na sončno energijo, so se raziskali različni hladilni sistemi. Ti sistemi so:

• kontinuirni, z rekuperacijo toplote; • z rekuperacijo toplote adsorpcijske mase; • s prenosom toplote; • s konvekcijskim prenosom toplote; • več stopenjski sistem; • sistem za ogrevanje in hlajenje.

7.1 ADSORPCIJSKI HLADILNI SISTEM Z REKUPERACIJO TOPLOTE Kot je omenjeno ima osnovni adsorpcijski hladilni sistem štiri termodinamične faze, ki jih lahko opišemo s pomočjo Clapeyronovega diagrama - slika 6.2. Idealen sistem se prične v točki A, kjer je adsorbent izpostavljen nizki temperaturi in tlaku. Točka AB predstavlja segrevanje adsorbenta skupaj z adsorbatom. Adsorber je povezan z kondenzatorjem in postopno segrevanje adsorbenta od točke B do D povzroči, da se kondenzira v točki C. Ko adsorbent doseže svojo maksimalno temperaturo se desorpcija preneha. Potem se od točke C do E tekoči adsorbat prenese v uparjalnik in adsorber se ohladi. Padec temperature od točke D do F povzroči zmanšanje tlaka iz pC na pe. Do adsorpcije in uparjanja pride, medtem ko se adsorbent hladi od točke F do A. V tej fazi se toplota odvaja v okolico, da se zniža temperatura adsorbenta. Delno kontinuirni sistem z rekuperacijo toplote je sestavljen iz dveh adsorberjev. Adsorber, ki se ohlaja bo prinesel svojo toploto adsorberju, ki se segreva vključno z odvzeto toploto pri adsorpciji. To vračanje toplote pa poveča COP sistema. Večstopenjski sistem bi vračal še več rekuperacijske toplote in s tem še povečal COP, vendar je delovanje takšnega sistema zelo zapleteno. Raziskave skoraj kontinuirnega adsorpcijskega sistema z rekuperacijo toplote so podane v literaturi [28, 29]. Delovanje dvostopenjskega adsorpcijskega hladilnega sistema z rekuperacijo toplote je shematsko prikazano na sliki 7.1.


32

Medtem ko se adsorber 1 ohlaja ter je povezan z uparjalnikom, kjer se proizvaja hladilni učinek, je adsorber 2 povezan s kondenzatorjem, ki se segreva in pridobiva toploto za proces desorpcije ter kondenzacije. Kondenzirana hladilna tekočina izteka v uparjalnik preko regulatorskega ventila. Nato se fazi delovanja zamenjata. Med fazo zamenjave je čas za rekuperacijo toplote. Črpalki krožno poganjata toplo vodo med oba adsorberja. V tem procesu so vse povezave z grelcem in hladilnikom zaprte.

Slika 7.1 : Shema rekuperacije toplote dvostopenjskega adsorpcijskega hladilnega

sistema [28].


33

7.2 ADSORPCIJSKI HLADILNI SISTEMI Z REKUPERACIJO TOPLOTE ADSORPCIJSKE MASE

Poleg zgoraj navedenega sistema z rekuperacijo toplote se je za učinkovitega izkazal tudi sistem z rekuperacijo toplote adsorpcijske mase. Na koncu vsakega pol cikla v tem procesu je en adsorber hladen in drugi vroč. Pri tem je potrebno adsorberju, ki je pri nizkem tlaku, dvigniti tlak na tlak kondenzacije (pC) in adsorberju, ki je pod visokim tlakom, znižati tlak do tlaka uparjanja (pe). S prenosom pare iz enega adsorberja v drugega se doseže nastanek podtlaka. Ta prenos poveča toplotni tok hlajenja na enoto za več kot 10 %, ne da bi se pri tem zmanjšal COP. Zgoraj opisan primer vključuje samo prenos toplote adsorpcijske mase in s tem je postopek hlajenja hitrejši. Da se doseže dvojni učinek, mora po rekuperaciji adsorpcijske mase slediti rekuperacija toplote. Idealen cikel rekuperacije toplote in toplote adsorpcijske mase je prikazan v diagramu - slika 7.2, v katerem je prikazana rekuperacija toplote dvostopenjskega sistema od točke e do točke e'.

Slika 7.2 : Diagram idealnega cikla rekuperacije toplote in toplote adsorpcijske mase

Rekuperacija toplote adsorpcijske mase (a2–a3–g'1–g1–g2–g3–a'1–a1–a2) je razširjena oblika osnovnega cikla rekuperacije dvostopenjskega sistema (a2–g1–g2–a1–a2). In s tem ciklom se rekuperacijska toplota adsorpcijske mase poveča iz ∆x na ∆x + δx, kar posledično poveča hladilni učinek. Princip delovanja teh ciklov se lahko prikaže z diagramom prikazanim na sliki 7.2 [30]. Prvi del vsakega pol cikla je rekuperacija toplote adsorpcijske

x∆

T

1−

1g ′

e′ 1a′

e

3g

2g 1g

3a

2a 1a

pln

xx δ+∆


34

mase, ki poteka od točke g2 do točke g3 in od točke a2 do a3. Nato sledi rekuperacija toplote od točke g3 do točke e', kjer se toplota prenese iz vročega adsorberja na hladnega. Posledica tega je, da se v vročem adsorberju znižuje tlak od točke g3 do točke a'1 in nato adsorbcija pare iz uparjalnika od točke a'1 do točke e'. Medtem se hladnemu adsorberju zvišuje tlak od točke a3 do točke g'1 in desorbirana para se kopiči v kondenzatorju od točke g'1 do točke e. Teoretično lahko rekuperacijski cikel poteka tako dolgo, da adsorber doseže enako temperaturo, vendar pa še vedno obstaja temperaturna razlika med adsorberjema. Da se pol cikel zaključi je potrebno en adsorber priključiti na grelec od točke e do točke g2, drugi pa na hladilnik od točke e' do točke a2. Drugi del pol cikla deluje enako kot prvi z razliko, da se vlogi adsorberja zamenjata. Zaradi tega procesa se lahko rekuperira 35 % celotne toplote na vsak adsorber vključno z latentno toploto sorpcije.

7.3 HLADILNI SISTEM S PRENOSOM TOPLOTE Za nadaljnjo izboljšanje toplotne regeneracije je v literaturi [1] prikazan hladilni sistem s prenosom toplote, kjer je predpostavljeno, da v tem procesu prihaja do velikih temperaturnih razlik vzdolž adsorberja. Hladilni sistem s prenosom toplote je primeren za kontinuirne sisteme. Namesto enega adsorberja, kot pri osnovnem adsorpcijskem sistemu je ta sistem sestavljen iz dveh adsorberjev in dveh prenosnikov toplote, ki so povezani v zaporedju. Skozi takšen sistem v zaprtem krogu teče delovna tekočina (npr. visoko temperaturno obstojno olje) z nizkim pretokom. Predvideva se, da vzdolž adsorberjev prihaja do velikih temperaturnih razlik. Delovanje sistema je razdeljeno na dve fazi, kjer istočasno poteka adsorpcijski proces v enem adsorberju in desorpcijski proces v drugem [32, 33]. Po vsaki končani fazi se adsorpcijski in desorpcijski proces izamenjuje med adsorberjema. V prvi fazi se z zunanjim virom toplote segreva prenosnik toplote (Pt1). Adsorber (Ad2) adsorbira hladilno sredstvo iz uparjalnika pri čemer se prenese toplota iz adsorbenta v olje. To olje se črpa s črpalko v prenosnik toplote (Pt1), kjer se absorbira še več toplote in s kontinuirnim pretokom vodi v adsorber (Ad1). Adsorber (Ad1) se segreva preko segretega olja in pri tem se hladilno sredstvo desorbira ter teče v kondenzator. Proces poteka tako dolgo, da se doseže nasičenost adsorberja (Ad2). Na sliki 7.3 je shematsko prikazano delovanje prve faze hlajenja s prenosom toplote.


35

Slika 7.3 : Shema delovanja prve faze hlajenja s prenosom toplote [1].

V drugi fazi se črpalke in proces v obeh adsorberjih obrne. Adsorber (Ad1) adsorbira hladilno sredstvo iz uparjalnika in prenese toploto olju. Na olje se nato prenese toplota iz adsorberja (Ad1) in od prenosnika toplote (Pt1). Toplota iz olja se prenese v adsorberju (Ad2) in s tem desorbira hladilno sredstvo, ki se vodi v kondenzator, kjer se kondenzira. Delovanje druge faze hladilnega sistema s prenosom toplote je shematsko prikazano na sliki 7.4). Adsorpcija in desorpcija se ponavlja v obeh adsorberjih, kar pomeni, da hladilni sistem s prenosom toplote deluje kontinuirno [1].

KONDENZATOR

UPARJALNIK

Ad1

Ad2

Pt1

Pt2

vroče

hladno

ekspanzijski ventil


36

Slika 7.4 : Shema delovanja druge faze hlajenja s prenosom toplote [1].

Postopek je preprost in rekuperira veliko toplote. Boljša učinkovitost bi se lahko dosegla s kombinacijo z notranjimi prenosniki toplote in nizkim pretokom. Čeprav so mnogi raziskovalci preučevali ta sistem, do sedaj ni poročil o uspešni izdelavi prototipa. Prav tako je iz nekaterih eksperimentalnih poročil razvidno, da hladilni sistem s prenosom toplote ni dovolj učinkovit. Učinkovitost tega sistema je odvisna od velikega števila parametrov in različnih načinov prenosa toplote med tekočino, ki kroži v sistemu, obratovalnega časa, od konfiguracije adsorberja, itd.

7.4 ADSORPCIJSKI HLADILNI IN OGREVALNI SISTEM NA SONČNO ENERGIJO

Adsorpcijski hladilni sistem na sončno energijo je učinkovitejši in uporaben v praksi, če deluje kot hibridni sistem, ki lahko ogreva in hladi želeni objekt. Da se zagotovi dobro hlajenje in ogrevanje adsorberja, je ta potopljen v vodno kopel, ki ga poganja toplota iz sončnega kolektorja. V kolektorju se zbira toplota sončnega sevanja, ki se uporabi za gretje vode in adsorberja znotraj rezervoarja z vodo. Za optimalno zasnovo hibridnega sistema se morajo upoštevati parametri kot so površina kolektorja, količina vode in adsorberja v rezervoarju z vodo [34]. Hibridni - adsorbcijski hladilni in ogrevalni sistem na

KONDENZATOR

UPARJALNIK

Ad1

Ad2

Pt1

Pt2

vroče

hladno

ekspanzijski ventil


37

sončno energijo je shematsko prikazan na sliki 7.5. Sistem sestoji iz naslednjih komponent:

• rezervoarja za vodo, • sončnih kolektorjev, • adsorberjev, • rebrastega prenosnika toplote, • uparjalnika in • ventilov

Čez dan se sončna energija preko sončnih kolektorjev akumulira v rezervoarju za vodo. S tem temperatura vode in adsorberja narašča. V idealnih pogojih lahko temperatura v adsorberju doseže temperaturo vode v rezervoarju [35].

Slika 7.5 : Shema adsorpcijskega hladilnega in ogrevalnega (hibridnega) sistema [35]

Ko temperatura adsorbenta naraste do temperature TB se prične desorpcija in uparjanje hladilnega sredstva. S postopnim segrevanjem adsorbenta se hladilno sredstvo desorbira tako dolgo, dokler adsorbent ne doseže svoje maksimalne temperature TD. Pri tej temperaturi se desorpcija preneha in pare adsorbata se nato ohladijo v kondenzatorju. Iz kondenzatorja se tekoči adsorbat vodi in shrani v uparjalniku za dokončno regeneracijo adsorbenta. V nočnem času se segreta voda shranjuje v zalogovniku toplote ali pa se neposredno uporablja za ogrevanje objekta ali v sanitarne namene, hladna voda pa se v nočnem času shranjuje v zalogovniku hladu. Z dovodom hladne vode v adsorber se ta ohladi hitreje in s tem se hitreje prične hladilni - adsorpcijski - uparjalni proces. Toplota od adsorberja in adsorpcije predhodno segreje hladno vodo v rezervoarju za vodo. Ta rekuperacija toplote je zelo pomembna, ker lahko toploto pridobljeno iz kolektorjev učinkoviteje uporabimo. Temperatura adsorberja nato prične hitro padati iz TD na TF, tlak v


38

sistemu pa se zniža do tlaka uparjanja PE. V tej fazi adsorpcije se tekoče hladilno sredstvo v uparjalniku prične uparjati pri čemer odvzame toploto iz zalogovnika hladu in adsorbira na adsorbent, ki je v adsorberju. Med adsorpcijo se voda v zalogovniku hladu ohlaja in proizvaja hladilni učinek. V Clapeyronovem diagramu - slika 7.6, točke ABDFA predstavljajo idealen cikel in rekuperacijo toplote kombiniranega (hibridnega) sistema za ogrevanje in hlajenje. Točke ABCDFA predstavljajo aktiviranje adsorbenta (zeolita) in adsorpcijo adsorbata (voda). Cikel se prične v točki A, kjer je adsorbent pri temperaturi TA in tlaku pE (tlak uparjanja). Od točke A do B poteka segrevanje adsorbenta skupaj z adsorbatom, pri tem se poveča tlak na pC. Postopno segrevanje adsorbenta B do D povzroči da se adsorbat desorbira, njegove pare pa kondenzirajo. Ko adsorbent doseže maksimalno temperaturo TD , se desorpcija adsorbanta konča. Nato se tekoči adsorbant vodi v uparjalnik. Ponovno polnjenje hladne vode v rezervoar za vodo zniža temperaturo adsorberja iz TD na TF, kar povzroči znižanje tlaka v sistemu s pC na pE. Adsorbent se pri tem še naprej ohlaja s TF do TA, med ohlajanjem pa se prične uparjanje in adsorpcija adsorbata (vode). V fazi hlajenja se temperatura adsorbenta zniža in odvzame toploto od adsorpcije.

Slika 7.6 : Clapeyronov diagram idealnega hibridnega sistema

Adsorber je glavna komponenta adsorpcijskega hladilnega sistema. Njegove karakteristike so pomemben dejavnik za uspešno delovanje takšnih sistemov. Da se zagotovi dobra učinkovitost adsorpcijskega sistema je potrebno, da adsorber dobro sprejema in oddaja toploto, zato mora biti temperaturna razlika med adsorbentom in rebri prenosnika toplote majhna. To se zagotovi s primerno debelino nanosa adsorbenta na

Ep

Cp

DT AT CT ET

E F

D C B

A

pln

[ ]kPap

[ ]CT °

T1−


39

rebra prenosnika toplote. Pri optimalni debelini adsorbenta je proces adsorpcije in desorpcije enakomeren. Za večji prenos toplote v adsorberju se uporabljajo adsorberski razdelilniki - slika 7.7.

Slika 7.7 : Prerez adsorberja [35]

S takšnim adsorberjem se stik med adsorbentom (zeolitom) in adsorbantom (vodo) poveča in zagotovi enakomerno segrevanje in s tem enakomerna adsorpcija in desorpcija po celotnem adsorberju.


40

8 SIMULACIJA ADSORPCIJSKEGA HLADILNEGA SISTEMA S PROGRAMOM ASPEN ADSORPTION

Aspen Adsorption® 2006.5 [36] je prilagodljiv in relativno enostaven računalniški program za modeliranje naprednih energijskih sistemov. V širšem pomenu omogoča opis različnih fizikalno - kemijskih procesov, enostavno oblikovanje modelov, reševanje težav in analize občutljivosti, ker lahko pred integracijo ustvarimo in testiramo preprostejše podenote kompleksnejših sistemov. Program vključuje obširno zbirko fizikalno - kemijskih podatkov, in procesnih enot (kot npr. grelniki, črpalke, mešalniki tokov, uparjalniki, itd.), ki jih lahko uporabnik modificira [37].

8.1 IZBIRA TERMODINAMIČNE METODE Prvi zelo pomemben korak je izbrati primerno termodinamično metodo za izračun lastnosti delovne snovi zeolit - voda. Uporabnik mora v računalniškem programu ASPEN izbrati primerno metodo glede na obratovalne pogoje in karakteristike hladilnega sredstva, ki je v tem primeru voda. V literaturi [38] avtor Peng-Robinson predlaga metodo za delovni par zeolit - voda. Za enote, ki vsebujejo čisto vodo je bila izbrana STEAMNBS metoda, ker so na voljo tabele fizikalnih lastnosti pare.

8.2 IZBIRA PROCESNIH ENOT Za predstavljeni primer adsorbcijske hladilne naprave je potrebno podati parametre za tok 1: masni pretok (qm), tlak (p) in za tok 3 na vhodu v adsorber (A), da je nasičena para, ki izhaja iz uparjalnika (U). Med tokoma 11 in 11A se nahaja črpalka (P), kjer je potrebno podati samo en podatek za padec ali dvig tlaka. Lahko se tudi poda učinkovitost črpalke. Izbran je bil padec tlaka. V prenosniku toplote oziroma adsorberju se toplota prenaša iz toka 5 (vtok toplega fluida) na tok 3. Rezultat je tok 6 in tok 4. Če predpostavimo, da je padec tlaka v prenosniku enak nič, sta edini neznanki v toplotnem prenosniku temperaturi t6 in t4 na iztoku iz prenosnika. Temperatura t6 se izračuna iz enačbe za učinkovitosti prenosnika toplote [38]:

35

65

tt

ttEtp

−

−= (8.1)

Če se predpostavi učinkovitost prenosnika toplote Eex = 0,8, je edina neznanka temperatura hladnega fluida na iztoku (t4), ki jo izračuna program Aspen. Za kondenzator (K) je izbran hladilnik, v katerem je predpostavljeno, da je padec tlaka nič in da hladilna snov na iztoku zapušča kondenzator kot nasičena tekočina. Ker je hladilna snov čista voda, se je v tem delu izbrala termodinamična metoda STEAMNBS. Za uparjalnik (U) je izbrana podobna enota s predpostavko, da je padec tlaka enak nič in delež pare na iztoku tok 3 iz uparjalnika 1. Tudi v tem primeru se je izbrala termodinamična metoda STEAMNBS.


41

Za desorber D je bil enak hladilnik kot za adsorber, ki ima vtoka 10 in 8 in iztoka 7 in 9. Predpostavljeno je, da je na izhodu nasičena vodna para in padec tlaka nič. Pri nekaterih simulacijah je bila izbrana izhodna temperatura adsorberja (tD), ki je odvisna od temperature vira pogonske toplote. Zasnova enega cikla adsorbcijske hladilne naprave je prikazana na sliki 8.1. V prikazani simulaciji adsorbcijske hladilne naprave se je uporabil zeolit 5X. Njegove lastnosti so zbrane v preglednici 8.1.

Preglednica 8.1 : Lastnosti zeolita 5X [28].

gostota [kg/m3] 720 toplotna kapaciteta [J/kgK] 100 premer delcev [m] 0,001 premer makropor [m] 5·10-6

premer mikropor 1·10-7

3

6

A

5

4

D

K

7

8

9

U

1

2

B10

11

11A

10

Slika 8.1 : Shema adsorpcijske hladilne naprave z delovnim parom zeolit-voda modelirana s programom Aspen.

P


42

8.3 REZULTATI SIMULACIJE

8.3.1 Spreminjanje vlažnosti adsorbenta Simulacija adsorbcijske hladilne naprave je simulirana pri naslednjih pogojih:

• tlak v adsorberju in uparjalniku – pnizki= 0,876 kPa • tlak v desorberju in kondenzatorju – pvisoki = 5,643 kPa • masni pretok qm = 3 kg/s

Izračunana temperatura uparjalnika je bila v vseh primerih tU = 5 °C, ker je odvisna od tlaka pnizki. Od tega tlaka je tudi odvisna temperatura adsorberja, ker je adsorber nastavljen tako, da pri različnih vlažnostih adsorbenta iz njega izstopa vodna para. Temperatura vodne pare iz adsorberja tA = 30,36 °C. Temperatura v kondenzatorju tC = 35,04 °C, ki je odvisna od tlaka (pvisoki). Rezultati simulacije adsorbcijske hladilne naprave pri različnih vlažnostih adsorbenta so podani v preglednici 8.2. Iz rezultatov je razvidno, da je od vlažnosti adsorbenta odvisna učinkovitost COP, kar je prikazano na diagramu - slika 8.2.

Preglednica 8.2 : Rezultati simulacije pri različnih vlažnostih adsorbenta

Vlažnost adsorbenta / % COP

100 0,478

90 0,469

80 0,466

70 0,459

60 0,447

50 0,426

40 0,394

30 0,331

20 0,238

10 0,116


43

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

0 20 40 60 80 100

Vlažnost adsorbenta v %

CO

P

Slika 8.2 : COP od vlažnosti adsorbenta.

Glede na vlažnost adsorbenta se spreminja tudi grelna in hladilna kapaciteta, kar je prikazano na sliki 8.3. V preglednici 8.3 pa so podani rezultati simulacije.

Preglednica 8.3 : rezultati simulacije – kapacitete.

vlažnost topla voda hladilna voda voda za hlajenje

100 380,596 457,296 178,5

90 317,687 381,71 147,09

80 305,106 366,592 139,739

70 267,36 321,241 120,847

60 229,612 275,889 100,8

50 188,701 226,758 80,387

40 150,947 181,406 59,473

30 113,203 136,055 37,47

20 75,465 90,703 17,961

10 37,732 45,352 4,377


44

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Kapaciteta/ kW

vlaž

no

st a

dso

rben

ta/%

Grelna kapaciteta Hladilna kapaciteta (cooling) Kapaciteta hlajenja (chilling)

Slika 8.3 : Odvisnost kapacitete gretja in hlajenja od vlažnosti adsorbenta.

8.3.2 Spreminjanje temperature v desorberju - tD Simulacija adsorbcijske hladilne naprave je simulirana pri enakih pogojih kot so bili podani pri prejšnji simulaciji, vendar z razliko, da je sedaj zahtevana 60 % vlažnost adsorbenta. Rezultati simulacije adsorbcijske hladilne naprave pri različnih temperaturah so podani v preglednici 8.4.

Preglednica 8.4 : Rezultati simulacije pri pnizki = 0,876 kPa; pvisoki = 5,643 kPa.

tD/°C COP 60 0,4375

65 0,4551

70 0,4558

75 0,4547

80 0,4539

85 0,4526

90 0,4513

95 0,4506

Slika 8.4: Odvisnost COP, od temperature desorberja. Učinkovitost COP se določi z enačbo:

D

UCOPΦ

Φ= (8.2)


45

0,43

0,435

0,44

0,445

0,45

0,455

0,46

50 60 70 80 90 100

tD/°C

CO

P

Slika 8.4 : Odvisnost COP od temperature desorberja.

8.3.3 Spreminjanje tlaka v uparjalniku - pnizki V primeru simulacije se je opazovala spremba COP v odvisnosti od tlaka pnizki. Z naraščanjem tlaka narašča tudi temperatura tU, kar je osnovni princip delovanja hladilne naprave. Izbrana temperatura desorberja je znašala tD = 70 °C. Na izhodu adsorberja je vodna para, zato se tudi temperatura adsorberja tA povečuje s povečevanjem tlaka pnizki. Tlak v desorberju in kondenzatorju je enak, kot v prejšnjih primerih (pvisoki = 5,643 kPa), posledica tega je, da ostane temperatura kondenzacije enaka tC = 35,04 °C. V preglednici 8.5 so podani rezultati simulacije. Na sliki 8.5 je podana učinkovitost COP v odvisnosti od temperature uparjalnika tU. Učinkovitost COP v odvisnosti od temperature adsorberja tA, pa prikazana na sliki 8.6.

Preglednica 8.5 : Rezultati simulacije pri pvisoki = 5,643 kPa in tD = 70 °C.

pnizki/kPa tU/°C tA/°C COP

0,876 5 27,96 0,4558 0,9 5,41 28,43 0,4576 1 6,92 29,68 0,4635

1,1 8,32 30,56 0,4687 1,2 9,73 31,44 0,4731 1,3 11,15 32,26 0,4769 1,4 11,97 33,02 0,4794 1,5 12,96 33,84 0,4833 1,6 13,96 34,75 0,4871 1,7 14,95 35,41 0,4906 1,8 15,79 36,19 0,4937 1,9 16,63 37,01 0,498 2 17,47 37,84 0,5019


46

0,45

0,46

0,47

0,48

0,49

0,5

0,51

0 5 10 15 20

tu/°C

CO

P

Slika 8.5 : Odvisnost COP od temperature uparjalnika tU =70 °C.

0,45

0,46

0,47

0,48

0,49

0,5

0,51

25 27 29 31 33 35 37 39

tA/°C

CO

P

Slika 8.6 : Odvisnost COP od temperature adsorberja tA.

8.3.4 Spreminjanje tlaka v kondenzatorju V naslednjih simulacijah se je spremljala temperatura kondenzacije v odvisnosti od spreminjanjanja tlaka pvisoki. Na sliki 8.7 je prikazana odvisnost učinkovitosti COP od temperature kondenzacije tC pri vhodnih parametrih: tD = 70 °C; pnizki = 1,077 kPa (tU= 8 °C). Rezultati simulacije, v kateri se je spreminjal tlak v kondenzatorju, so podani v preglednici 8.6.


47

Preglednica 8.6 : Rezultati spreminjanja tlaka v kondenzatorju (pvisoki).

pC tC COP

4,6 31,35 0,4897 4,7 31,73 0,4878 4,8 32,11 0,4861 4,9 32,49 0,4836 5 32,87 0,4821

5,1 33,22 0,4806 5,2 33,54 0,4789 5,3 33,87 0,4765 5,4 34,2 0,4739 5,5 34,53 0,4712 5,6 34,86 0,4687 5,7 35,19 0,4665 5,8 35,52 0,4633 5,9 35,85 0,4606 6 36,14 0,4581

6,1 36,43 0,4556 6,2 36,7 0,4539 6,3 36,98 0,4523 6,4 37,26 0,4509 6,5 37,53 0,4494 6,6 37,82 0,4478

0,44

0,45

0,46

0,47

0,48

0,49

0,5

30 32 34 36 38 40

tC/°C

CO

P

Slika 8.7 : Odvisnost COP od temperature kondenzacije.


48

8.3.5 Spreminjanje časa cikla V naslednji simulaciji se je spreminjal čas cikla. S tem ko se je zmanjševal čas cikla se je sorazmerno nižala vlažnost adsorbenta v adsorberju in višala v desorberju. Iz slike 8.8 je razvidno naraščanje COP s časom cikla. Rezultati simulacije so podani v preglednici 8.7.

Preglednica 8.7 : Rezultati spreminjanja časa cikla

spreminjanje časa cikla t/s COP

650 0,578

600 0,569

550 0,566

500 0,559

450 0,547

400 0,526

350 0,494

300 0,431

250 0,338

200 0,116

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700

t/s

CO

P

Slika 8.8 : Odvisnost COP od časa cikla

8.3.6 Energijske bilance

Preverila se je tudi energijska bilanca z dokazom, da je skupna energija cikla enaka nič. Če se zanemari delo črpalke in prenos energije znotraj cikla se lahko zapiše energijska bilanca z enačbo:


49

Φprejet – Φoddan = 0 (8.3) Pri tem velja:

│ΦU – ΦD │ - │ΦA – ΦC │= 0

(705 + 838,89) – (807,67 + 735,6) = 0,62 ≈ 0

Temperatura uparjalnika tU= 8 °C in temperatura in temperatura adsorberja tA = 30,36 °C je pri tlaku pnizki = 1,077 kPa. Toplotni tok v uparjalniku znaša ΦU= 700 kW, v desorberju ΦD = 838,89 kW, v adsorberju ΦA = -807,67 kW, in toplotni tok v kondenzatorju ΦC=-735,6 kW. Pozitiven predznak pomeni, da se v sistem toplota dovaja, negativen predznak pa, da se iz sistema toplota odvaja. Koeficient učinkovitosti je znašal COP = 0,4675.

8.3.7 Izračun hladilne vode iz stolpov in grelne iz obnovljivih virov Pretok vode iz hladilnih stolpov v adsorberju se določi z enačbo:

Φ = (Hl, 1 - Hl, 2 ) qm,v (8.4)

Pri predpostavki, da ima hladilna voda na vtoku v adsorber temperaturo tS,1 = 25 °C, na iztoku pa ts,2 = 35 °C.

tS,1 = 25 °C Hl, 1 = 104,89 kJ/kg

ts,2 = 35°C Hl, 2 = 146,68 kJ/kg

qm,v = 14,34 kg/s = 51,63 t/h

Pri predpostavki, da ima grelna voda na vtoku v desorber temperaturo tS,1 = 70 °C, na iztoku pa ts,2 = 56 °C.

tS,1 = 70 °C Hl, 1 = 292,98 kJ/kg

ts,2 = 56 °C Hl, 2 = 234,45 kJ/kg

qm,g = 5,94 kg/s = 21,39 t/h

Za delovanje adsorbcijske hladilne naprave je potreben masni pretok grelne vode v desorberju qm,g = 21,39 t/h, in masni pretok hladilne vode iz hladilnih stolpov v adsorber qm,v = 51,63 t/h. Podatki o entalpijah so povzeti iz preglednice 11.1 podani v prilogi.


50

9 ZAKLJUČEK Namen diplomskega dela je opis delovanja in izvedba simulacije adsorpcijskega hladilnega sistema z delovnim parom zeolit – voda s programskim paketom Aspen plus. Kot energetski vir za pogon adsorpcijskega hladilnega sistema z delovnim parom zeolit – voda se je predvidela sončna energija. V prvi fazi simulacije se je variirala vlažnost adsorbenta in opazovala spreminjanje učinkovitost COP adsorbcijske hladilne naprave. Iz diagrama podanega na sliki 8.2 je razvidno, da učinkovitost COP narašča glede na vlažnost adsorbenta in iz diagrama podanega na sliki 8.3 je razvidno, da z naraščanjem vlažnosti adsorbenta narašča tudi kapaciteta gretja in hlajenja. V drugi fazi simulacije se je spreminjala temperatura v desorberju in opazovala sprememba učinkovitosti COP. Iz diagrama prikazanega na sliki 8.4 je razvidno, da učinkovitost COP močno narašča do temperature desorbcije tD = 70 °C. Od te temperature dalje pa se le malo spreminja oziroma celo malo pada. Ugotovljeno je bilo tudi, da je temperatura desorbcije in adsorpcije zelo odvisna od vlažnosti adsorbenta. Pri 60 % vlažnosti adsorbenta je glede na prikazane rezultate in časa cikla dosežena najbolj visoka učinkovitost COP adsorbcijske hladilne naprave, ki je bila dobljena s simulacijo s programskim paketom Aspen plus. V tretji fazi se je spreminjal tlak v uparjalniku z namenom opazovanja spreminjanja temperature uparjalnika – tU, adsorberja – tA in COP. Iz diagrama podanega na sliki 8.5 je razvidno, da se z naraščanjem temperature v uparjalniku, ki je posledica zviševanja tlaka v uparjalniku, narašča učinkovitost COP in temperatura v adsorberju tA. Zato je smiselno izbrati čim višjo temperaturo uparjalnika. Ker za hlajenje prostorov potrebujemo izhodno temperaturo približno 16 °C, da je v prostoru 25 °C, je bila določena temperatura adsorbenta tU = 8 °C. Izbira tako nizke temperature v uparjalniku je smiselna zaradi časa trajanja cikla. V četrti fazi se je izvedla simulacija s spreminjanjem tlaka v kondenzatorju – pvisoki. Iz diagrama podanega na sliki 8.7 je razvidno, da se z višanjem temperature kondenzatorja učinkovitost adsorpcijske hladilne naprave zmanjšuje. Zato je smiselno izbrati čim nižjo temperaturo kondenzacije, ki je pri simulaciji znašala tC = 35,04 °C. V zadnji fazi simulacij se je spreminjal čas trajanja cikla. Iz diagrama prikazanega na sliki 8.8 je razvidno, da z višanjem časa trajanja cikla narašča učinkovitost adsorbcijske hladilne naprave COP. S tem ko narašča učinkovitost COP in čas trajanja cikla, narašča tudi vlažnost adsorbenta v adsorberju in pada v desorberju. Dalj časa, ko cikel traja večja je vlažnost adsorbenta v adsorberju. Ker se učinkovitost s časom trajanja cikla ne spreminja zelo veliko, je smiselno izbrati čim krajši čas cikla. Eden od ciljev raziskave, predstavljene v diplomskem delu, je bil s simulacijo ugotoviti ključne parametre, pri katerih se doseže čim večja učinkovitost adsorpcijske hladilne naprave. Na podlagi spreminjanja parametrov simulacije adsorpcijskega hladilnega sistema z delovnim parom zeolit – voda je bilo ugotovljeno, da se pri najbolj optimalnem obratovanju, to je pri vlažnosti 60 % adsorbenta v adsorberju, doseže COP = 0,4675. To vlažnost adsorbenta se doseže, če je čas trajanja cikla 330 s, pri tem pa mora znašati temperatura v uparjalniku tU = 8 °C in tlak pnizeki = 0,1077 kPa. Pri tej temperaturi in tlaku v


51

uparjalniku poteka adsorbcija pri temperaturi tA = 30,36 °C. Proizvedena temperatura vode za hlajenje prostorov znaša 16,15 °C. Najnižja temperatura potrebna za desorbcijo znaša tD = 70 °C, katera se lahko brez problema doseže z nizkotemperaturnimi obnovljivimi viri energije - toplote, kar je bil osnovni namen raziskave predstavljene v diplomskem delu.


52

10 VIRI IN LITERATURA [1] W. Pridasawas, Solar – Driven Refrigeration Systems with Focus on Ejector Cycle,

Royal Institute of Tehnology, KTH, Danska, 2006. [2] A. Althous, C. Turnquist, A. Brancciano, Modern Refrigeration and Airconditioning,

Goodheart – Willcox, INC., ZDA, 1988. [3] W. Pridasawas, T. Nemariam, Solar cooling, Tehnical Universitiy of Denmark (DTU),

2003. [4] Y. Gengel, M. Boles, Thermodynamics and Engineering Approach, New York, ZDA

2006. [5] http://www.powerfromthesun.net/book.html [pridobljeno 10. 2. 2013]. [6] A. Rabl, Active Solar Collectors and Their Applications, Oxford University Press Inc,

ZDA, 1985. [7] J. Twidell, T. Weir, Renewable Energy Resources, E&FN Spon, Velika Britanija, 1998. [8] E. Granryd, Introduction to Refrigerating Engineering, department of Energy

Tehnology, KTH, Stokholem, 1988. [9] Foley, Gerald, Photovoltaics in Primary Care,Working Papers on Solar Energy and

Health for the World Solar Summit, Pariz, 1993. [10] F. Zigler, Recent developments and future prospects of sorption heat pump systems,

International Journal of Thermals, št. 38, 1999, stran: 191 – 208. [11] E. B. Miller, The Development of SilicaGel, Refrigeratin Engineering, The American

Society of Refrigerating Engineers, ZDA, 1929. [12] A. O. Dieng, R. Z. Wang, Literature review on solar adsorption technologies for ice –

making and air conditioning purposes and recent developments in solar tehnology, Renewable and Sustainabl Energy Reviews 5, 2001, stran: 313 – 342.

[13] K. Stephan, R. Krauss, Regulated CFCs and their alternatives, In: F. Meunier, editor, Proceedings: Solid Refrigeration Symposium, Ministere de la Recherche et de L'Espace, Pariz, 1992, stran: 32 – 43.

[14] M. Suzuki, Adsorption for enegy transport, Adsorption Engineering, Japonska, 1980. [15] M. Pons, J. J. Guilleminot, Design of an experimental solarpowered solid – adsorption

ice maker, Transactions of the ASME, Journal of Solar Energy Engineering 108 (november), 1986, stran: 332 – 337.

[16] F. Lemmini, J. B. Bahraoui, Performance of an adsorptive solar refrigerator using two types of activated carbon, svetovni kongres za obnovljivo energijo, Energy and Environment 2, 1990, stran: 774 – 779.

[17] N. M. Khattab, Anovel solar – powered adsorption refrigeration module, Applied Thermal Engineering 24, 2004, stran: 2747 – 2760.

[18] Leite, A. P. Ferreira, M. Daguenetb, Performance of a new solid adsorption ice maker with solar energy regeneration, Energy Conversion & Management 41, 2000, stran:1625 – 1647.

[19] Leite, A. P. Ferreira, Thermodynamic analysis and modeling of an adsorption – cycle system for refrigeration from low – grade energy sources, Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences, marec, 1998, stran: 301 – 324.


53

[20] F. Meunier, N. Douss, Performance of adsorption heat pumps: active carbon – methanol and zeolit – water pairs, Trans ASHRAE Meeting, Saint Louis, ZDA, 1990, p. 491 – 8.

[21] M. M. Dubinin, V. A. Astakhov, Development of the concept of volume filling of micropores in the adsorption of gases and vapors by microporous adsorbents, Washington, DC, ZDA, 1971.

[22] E. E. Anyanwu, Review of solid adsorption solar refrigeration II: An overview of the principles and theory, Enegy Convesion and Management 45, 2004, stran: 1279 – 1295

[23] R. E. Critoph, Activated carbon adsorption cycles for refrigeration and heat pumping, Engineering Department, University of Warwick, Conventry, CV4 7AL, Velika Britanija, 2011.

[24] A. Boubakri, Performance of an adsorptive solar ice maker operating with a single double function heat exchanger (evaporator/condenser),Renewable Enegy 31, 2006, stran: 1799 – 1812.

[25] M. Li, R. Z. Wang, A study of the effects of collector and environment parameters on the performance of solar powered solid adsorption refrigerator, Renewable Energy 27, 2002, stran: 369 – 382.

[26] G. Gacciolaa, G. Restuccia, Progress on adsorption heat pump, Heat Recovery System & CHP; 14(4), 1994, stran: 409 – 420.

[27] M. Pons, Experimental date on a solar – powered ice maker using activated carbon and methanol adsorption pair, Trans ASME, Journal of Solar Energy Engineering, 1987; 109 (4), stran: 303 – 310.

[28] R. Z. Wang, Adsorption refrigeration research ih Shanghai Jiao Tong University, Renewable Sustainable Energy Review; 5 (1), 2001, stran: 1 – 37.

[29] R. Z. Wang, Performance improvement of adsorption cooling by heat and mass recovery operation, International Journal of Refrigeration, 24, 2001, stran: 602 – 611.

[30] K. Sumathy, K. H. Yeung, Li Yong, Technology development in the solar adsorption refrigeration systems, Progress in Energy and Combustion Science 29, 2003, stran: 301 – 327.

[31] S. V. Shelton, W. J. Wepfer, Solid – vapor heat pump technology, Proceedings of the IEA Heat Pump Conference, Japonska, Tokijo, 1990, stran: 525 – 535.

[32] L. M. Sun, Y. Feng, M. Ponc, Numerical Investigation of adsorptive Heat Pump Systems under Uniform – Pressure Conditions, International Journal of Heat and Mass Transfer 40 (2), 1997, stran: 281 – 293.

[33] B. N. Amar, L. M. Sun, F Meunier, Numerical Analysis of adsorptive Temperature Wave Regenerative Heat Pump, Applied Thermal Engineering16 (5), 1996, stran: 405 – 418.

[34] R. Z. Wang, M. Li, Y. X. Xu, J. Y. Wu, An energy efficent hybrid system of solar powered water heater and adsorption ice maker, Solar Energy 68(2), 2000, stran: 189 – 195.

[35] K. H. Yeung, K. Sumathy, Thermodynamic analysis and optimization of a combined adsorption heating and cooling system, International Journal of Energy Research 27, 2003, stran: 1299 – 1315.

[36] Program Aspen Adsorption® 2006.5 [37] Darwish N. A., Al-Hashimi S. H., Al-Mansoori A.S., Performance analysis and

evaluation of a commercial absorption–refrigeration water–ammonia (ARWA) system, International Journal of Refrigeration 31 (2008) 1214-1223

[38] Somers C., SIMULATION OF ABSORPTION CYCLES FOR INTEGRATION INTO REFINING PROCESSES, Faculty of the Graduate School of the University of Maryland, College Park, in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science 2009


54

[39] Knez Ž., Škerget M., TERMODIFUZIJSKI SEPARACIJSKI PROCESI, Zbrano gradivo, Maribor: Univerza v Mariboru, Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo, 2003, str. 289.


55

11 PRILOGE


56

11.1 Priloga 1

Preglednica 11.1: Lastnosti nasičenih vodnih hlapov in vodne pare [39].


57

12 ŽIVLJENJEPIS

Europass življenjepis

Osebni podatki

Priimek / Ime Vodušek Bogdan

Naslov Podkraj pri Velenje 38a 3320 Velenje

Telefon 031/716-236

E-pošta [email protected]

Državljanstvo slovensko

Datum rojstva 12.10.1985

Spol Moški

Delovne izkušnje

Obdobje Februar 2011- junij 2011

Zaposlitev ali delovno mesto

Študentsko delo

Glavne naloge in pristojnosti

Delo v marketingu (pogodbe, ponudbe in izdaja naročil)

Naziv in naslov delodajalca

Komunalno podjetje Velenje d.o.o.,Koroška 37/b, 3320 Velenje

Obdobje Avgust 2010- januar 2011

Zaposlitev ali delovno mesto

Praktično usposabljanje

Glavne naloge in pristojnosti

Vzorčenje pitne in odpadne vode, analiziranje pitne vode (ugotavljanje vsebnosti prostega in vezanega klora, pH vrednost, karbonatno trdoto, skupno trdoto, vsebnost amonijevih, nitratnih, nitritnih in fosfatnih ionov), analiziranje odpadnih vod (ugotavljanje prisotnosti težkih kovin, organskih topil in cianida), določanje parametrov BPK in KPK, uvajanje nove analize za hlapne organske kisline


58

Naziv in naslov delodajalca

Komunalno podjetje Velenje d.o.o.,Koroška 37/b, 3320 Velenje

Izobraževanje in usposabljanje

Obdobje 2004-2014

Naziv izobrazbe in / ali nacionalne poklicne kvalifikacije

Univerzitetni diplomirani inženir kemijske tehnologije

Glavni predmeti / pridobljeno znanje in kompetence

Prenosni pojavi, prenos snovi, termodifuzijska tehnika, gradiva, matematika, reakcijska tehnika, bioreakcijska tehnika, procesna integracija, industrijska mikrobiologija, molekularna biologija z gensko tehnologijo.

Naziv in status ustanove, ki je podelila diplomo, spričevalo ali certifikat

Univerza v Mariboru, Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo, Smetanova ulica 17, 2000 Maribor

Stopnja izobrazbe po nacionalni ali mednarodni klasifikacijski lestvici

VII.

Znanja in kompetence

Materni jezik(i) Slovenščina

Drug(i) jezik(i)

Samovrednotenje Razumevanje Govorjenje Pisanje

Evropska raven Slušno razumevanje

Bralno razumevanje

Govorno sporazumevanje

Govorno sporočanje

Angleščina C1 B2 B2 B2 B2

Hrvaščina C1 C1 C1 C1 C1

Nemščina A2 A2 A2 A1 A1

(*) Skupni evropski referenčni okvir za jezike

Ostale veščine Komunikacijske veščine, organizacijske sposobnosti, sposobnost sodelovanja in delovanja v timu, samoiniciativnost in vzdržljivost ob naporu


59

Računalniška znanja in kompetence

Dobro poznavanje okolja Windows in programskih orodij Microsoft Office ter računalniškega programa Aspen

Druga znanja in kompetence

Gasilec NGČ (zaključen program usposabljanja za pridobivanje čina nižji gasilski častnik v PGD Velenje in izobraževalnem centru Ig) Opravljen izpit za delo z nevarnimi snovmi

Vozniško dovoljenje

AM, B1, B, F,G

Documents

NIZKO TEMPERATURNE ADSORPCIJSKE HLADILNE NAPRAVE