Wykorzystanie procesów adsorpcji fizycznej i chemicznej umożliwia zaprojektowanie nowego typu systemów chłodniczych realizujących obiegi lewobieżne. Jako zespoły sorpcyjne mogą być wykorzystane silikażele i zeolity z wodą lub, w przypadku adsorpcji chemicznej, sole i metyloamina. Analizie poddano zaproponowane pary robocze pod kątem maksymalizacji wartości współczynnika efektywności ziębniczej. Zaproponowano konstrukcję i określono parametry eksploatacyjne urządzenia adsorpcyjnego o działaniu ciągłym napędzanego ciepłem spalin odlotowych. Zaproponowano konstrukcję adsorbera. Analiza istniejącego stanu wiedzy, w zakresie wykorzystania procesów adsorpcyjnych do obniżania temperatury, wskazuje na innowacyjność oraz szerokie możliwości aplikacyjne tej technologii.

System adsorpcyjny o działaniu ciągłym W systemie adsorpcyjnym efekt chłodniczy uzyskiwany jest w parowaczu przez odparowanie czynnika roboczego (adsorbatu), który pochłoniętą energię oddaje w egzotermicznym procesie adsorpcji w reaktorze sorpcyjnym zwanym desorberem [1].

W praktyce technicznej urządzenia chłodnicze adsorpcyjne budowane są jako systemy realizujące obieg lewobieżny poprzez kolejno następujące cykle adsorpcji i desorpcji [9] (rys. 1). W przypadku systemu z jednym adsorberem efektywny proces chłodzenia zachodzi jedynie podczas desorpcji czynnika. Co przy założeniu czasu desorpcji i adsorpcji na tym samym poziomie powoduje, że efekt chłodniczy uzyskuje się przez mniej, niż połowę czasu działania urządzenia. Wynika to z faktu, że początek cyklu dostarczania ciepła do adsorbera to przemiana wzdłuż izostery (linia stałej koncentracji kg adsorbatu/ kg adsorbentu) [1, 8], a wtedy czynnik chłodniczy nie przepływa przez skraplacz, zawór dławiący i parowacz. Tym samym brak jest efektu chłodniczego. W celu zagwarantowania pracy ciągłej urządzenia konieczne jest zaprojektowanie instalacji z minimum dwoma adsorberami.

Pracę takiego układu z dwoma adsorberami (rys. 1), a raczej stany termodynamiczne adsorberów można przedstawić na obiegu składającym się z dwóch izoster i dwóch izobar (rys. 2).

Rys. 1. Schemat obiegu lewobieżnego z wykorzystaniem dwóch adsorberów [8]

Rys. 2. Przykładowe stany termodynamiczne adsorberów w układzie chłodniczym dla pary: woda – Zeolit 4A

Pełny cykl adsorpcyjny składa się z dwóch pół-cykli. Na początku pierwszego półcyklu wszystkie cztery zawory są zamknięte. W adsorberze I – lewym, nasyconym czynnikiem ziębniczym do poziomu maksymalnej koncentracji adsorbatu w adsorberze, panuje niskie ciśnienie oraz niska temperatura – stan 1 na rysunku 2. W adsorberze II – prawym, wysycanym z czynnika ziębniczego do poziomu minimalnej koncentracji adsorbatu w adsorberze, panuje wysokie ciśnienie oraz wysoka temperatura – stan 3. Po rozpoczęciu ogrzewania adsorbera I temperatura zaczyna się podnosić, a ciśnienie wzrastać wzdłuż izostery 1-2. Następuje chłodzenie adsorbera II, przez co temperatura i ciśnienie zaczynają spadać wzdłuż izostery 3-4.

Gdy temperatura, a co za tym idzie i ciśnienie, w adsorberze I wzrośnie do temperatury desorpcji, a w adsorberze II temperatura spadnie do temperatury adsorpcji otwiera się zawór łączący adsorber I ze skraplaczem oraz zawór łączący adsorber II z parowaczem. W tym momencie system zaczyna generować efekt chłodniczy. Otwarcie tych zaworów powoduje przepływ czynnika ziębniczego z adsorbera I do adsorbera II. Czynnik desorbując w adsorberze I, wpływa do skraplacza, gdzie kondensuje się oddając ciepło. Następnie przepływa przez zawór rozprężny i wpływa do parowacza, gdzie odparowuje pobierając ciepło z otoczenia. Stany w adsorberach zmieniają się wzdłuż izobar 2-3 i 4-1. Następnie czynnik jest adsorbowany w adsorberze II, a ciepło adsorpcji odprowadzone jest na zewnątrz układu. Gdy czynnik ziębniczy zostanie zdesorbowany z adsorbera I, a adsorber osiągnie stan 3 i adsorber II osiągnie stan 1, wszystkie zawory zostają zamknięte ponownie oraz ogrzewanie i chłodzenie adsorberów wstrzymane. Na końcu pierwszego pół-cyklu adsorber I jest wysycony z czynnika ziębniczego oraz panuje w nim wysokie ciśnienie i temperatura. Adsorber II jest nasycony czynnikiem i panuje w nim niskie ciśnienie oraz temperatura. W drugim pół-cyklu następuje chłodzenie adsorbera I oraz ogrzewanie adsorbera II. Po osiągnięciu odpowiednich ciśnień i temperatur w adsorberach otwierają się dwa kolejne zawory, wskutek czego czynnik ziębniczy przepływa z adsorbera II do adsorbera I.

W przypadku dwóch adsorberów efektywny czas chłodzenia wzrasta dwukrotnie, ponieważ podczas gdy jeden adsorber desorbuje drugi adsorbuje. Jednak i w tym cyklu pracy istnieje pewien okres, w którym czynnik chłodniczy nie przepływa przez skraplacz i parowacz. Jest to czas przemian izosterycznych adsorberów.

Zapewnienie ciągłości pracy systemu chłodniczego wymaga budowy urządzenia z czterema adsorberami. Niestety znacznie komplikuje to system: podnosi koszty, zwiększa wagę i zapotrzebowanie miejsca na wymienniki oraz wymaga złożonej automatyki. Dlatego w pracy zaproponowano inne rozwiązanie – system z dwoma adsorberami i zbiornikiem akumulacyjnym (rys 4).

Czynniki robocze (adsorbaty) i adsorbenty

W systemach adsorpcyjnych możliwe jest zastosowanie szeregu substancji, które spełniają kryterium neutralności wobec środowiska oraz charakteryzują się odpowiednio wysokim ciepłem przemiany fazowej [3, 5]. Jednym z kryteriów doboru są warunki pracy urządzenia. Właściwości fizykochemiczne niektórych związków wykluczają ich zastosowanie w pewnych zakresach temperatury lub ciśnienia. Rodzaje substancji stosowanych jako adsorbenty zależą też od charakteru procesu (adsorpcja fizyczna lub chemiczna) [2].

Do najczęściej stosowanych adsorbatów w przypadku adsorpcji fizycznej należą: woda, alkohol oraz amoniak i jego pochodne np. metyloamina oraz wodór [3]. Podstawowe rodzaje adsorbentów stosowanych w adsorpcyjnych fizycznych metodach realizacji obiegów lewobieżnych to węgle aktywne, silikażele (wąskoporowate i szerokoporowate) oraz zeolity [5]. Zasadniczym parametrem warunkującym zastosowanie danego typu adsorbentu jest średnica porów oraz współczynnik przewodzenia ciepła [6]. Substancje adsorbowane przez poszczególne typy zeolitów [8] przedstawiono w tabeli 1. (...)



Efektywność systemów adsorpcyjnych (...)

Adsorpcyjny system klimatyzacyjny zasilany ciepłem spalin odlotowych (...)

Wymiennik do odzysku ciepła ze spalin – adsorber

Adsorber, w którym następuje wymiana ciepła pomiędzy spalinami, a materiałem adsorpcyjnym jest kluczowym elementem systemu adsorpcyjnego. Zaprojektowano wymiennik o konstrukcji stalowej zbliżonej do typu płaszczowo-rurowego (1,05 x 0,86 x 0,29 m) [8]. Adsorber składa się z dwunastu elementów: rury – płaszcza o średnicy 127 mm i grubości 4 mm, w której umieszczono 19 rurek o średnicach 16 mm i grubości 1 mm. Wewnątrz rurek przepływają spaliny, w płaszczach wewnętrznych woda. W przypadku systemu wykorzystującego adsorpcję fizyczną, na każdy z elementów naniesiono warstwę zeolitu. Jak wynika z danych literaturowych, dla zastosowanych rurek najodpowiedniejsza będzie warstwa zeolitu o grubości 2 mm [3].Wolne przestrzenie wewnątrz elementów wypełniono zeolitem. Przepływ spalin przez wymiennik jest przepływem wymuszonym burzliwym. W celu obliczenia współczynnika przejmowania ciepła zastosowano zależność Schacka [7], a dla przepływu wody zależność Nusselta [7] z uwzględnieniem warstwy zeolitu [3]. Wybór takiego typu wymiennika podyktowany jest wysokimi temperaturami przepływających gazów oraz możliwie jak największą efektywnością wymiany ciepła.

W przypadku reaktora chemicznego, celem poprawy współczynnika przewodzenia ciepła w adsorbencie (rzędu 0,1 W/mK) zastosowano konstrukcję umożliwiającą wypełnienie adsorbera specjalnie technologicznie przygotowanym wypełnieniem porowatym – grafit ekspandowany impregnowany chlorkiem [10]. Adsorber składa się również z dwunastu elementów: rury – płaszcza o średnicy 127 mm i grubości 4 mm, w których umieszczono specjalnie przygotowane „plastry grafitowe” z chlorkiem sodu. Wewnątrz elementów przepływa – adsorbuje i desorbuje metyloamina, a w płaszczu zewnętrznym spaliny. Taka konstrukcja złoża poprawiła wartość współczynnika przewodzenia do poziomu kilkudziesięciu W/mK [10]. Porowatość struktury grafitowej zapewniła dodatkowo korzystne warunki dyfuzji gazu[11].

Podsumowanie

Efektywność adsorpcyjnych systemów ziębniczych w dużej mierze zależy od odpowiedniego doboru pary roboczej, ilości i konstrukcji adsorberów, struktury i grubości złoża adsorbentu oraz sposobu rozprowadzania ciepła w złożu.

Przedstawiona analiza termodynamiczna jest użytecznym narzędziem umożliwiającym modelowanie efektywności systemów adsorpcyjnych. Zaprezentowany w referacie adsorpcyjny system ziębniczy, wykorzystujący ciepło spalin odlotowych silnika spalinowego, posiada niekwestionowane zalety nad innymi systemami, m.in. wykorzystuje przyjazne dla środowiska czynniki ziębnicze, oszczędza energię napędową, ogranicza emisję ciepła do otoczenia. W porównaniu z innymi rozwiązaniami ma też coraz większe uzasadnienie ekonomiczne.

Współczynnik efektywności dla analizowanego adsorpcyjnego systemu klimatyzacyjnego o działaniu ciągłym jest porównywalny do ziębiarki absorpcyjnej i cały czas dużo niższy od systemów sprężarkowych. Dlatego, przy podjęciu decyzji o wykorzystaniu adsorpcyjnego systemu klimatyzacyjnego należy zintensyfikować działania zmierzające przede wszystkim do poprawy efektywności tych systemów.