Zaawansowane wielostopniowe systemy sorpcyjne

Autor:

Zaawansowane wielostopniowe systemy sorpcyjne LiBr - H2O
Advanced multistage LiBr-H2O sorption systems

cz.2 - Grzegorz Brak, Piotr Cyklis

Układy trójefektowe

Wydajność dwuefektowych pomp ciepła i chłodziarek poprawiana jest od około 30 lat, czyli od czasu, gdy ukazały się na rynku i osiągnęły swój górny limit, którym jest współczynnik COP = 1,35. Chcąc poprawić wartość osiąganych współczynników COP poza ograniczenia urządzeń dwuefektowych, w kilku krajach rozpoczęto badania nad chillerami i pompami ciepła trzy i więcej efektowymi. Najbardziej zaawansowane są prace nad chillerami trójefektowymi. Obecnie w literaturze spotkać się można z wieloma cyklami, które wpadają w kategorie urządzeń „trójefektowych". Przykładowe cykle, to: 

  • zbudowany z trzech skraplaczy i trzech wymienników regeneracyjnych (układ szeregowy, rys. 11 i 12),
  • zawierający dwa skraplacze i parowniki oraz dwa absorbery i desorbery (rys. 13) ,
  • układ z cyklem jednostopniowym, który zasila cykl dwuefektowy. 


Rys. 11. Schemat trójefektowego chillera w układzie z trzema skraplaczami i warnikami


Rys. 12 Zmiany ciśnienia i stężenia zachodzące w chillerze trójefektowym w układzie szeregowym


Rys. 13. Schemat trójefektowego chillera w układzie z dwoma skraplaczami

Powyższy chiller zbudowany jest z trzech warników (wysoko, średnio i niskotemperaturowy) w układzie szeregowym. Warnik wysokotemperaturowy zasilany jest pośrednio (np.: wysoko temperaturową parą wodną o temperaturze do 350°C). Odparowana woda podgrzewa warnik średnio temperaturowy. Uzyskana w warniku średniotemperaturowym para wodna w połączeniu z parami przegrzanymi z warnika wysokotemperaturowego służą do zasilania warnika niskotemperaturowego. Z wirnika niskotemperaturowego para przegrzana i skroplona para przegrzana z warnika średniotemperaturowego przepływają do skraplacza. Tak więc ciepło wykorzystywane w warnikach średnio i niskotemperaturowym jest ciepłem odpadowym. Następstwem tego są większe wartości współczynnika COP w porównaniu do urządzeń dwustopniowych.

Drugie rozwiązanie cechuje się wykorzystaniem ciepła z procesu absorpcji i skraplania z cyklu jedno stopniowego do napędzania kolejnego cyklu jedno stopniowego. Z uwagi na cykl niskotemperaturowy, cykl wysokotemperaturowy działa jako grzejnik. Jak można się domyśleć, w układach takich temperatury i ciśnienia są wyższe niż w urządzeniach o mniejszej liczbie efektów. Wiąże się z tym poszukiwanie nowych rozwiązań technologicznych, materiałów odpornych na korozję, regulatorów ciśnienia, odpowiednich wymienników regeneracyjnych roztworu, osiągnięcie kompaktowej budowy, oraz zastosowanie odpowiednich dodatków do roztworu LiBr-H2O (inhibitory korozji, czynniki zmniejszające wartość napięcia powierzchniowe czy utrzymujące pH na odpowiednim poziomie). Prace prowadzone są także nad nowymi wymiennikami ciepła dla odzysku ciepła z czynnika chłodniczego oraz nad absorberami.

W krajach, gdzie systemy absorcyjne znalazły szersze zastosowanie, prowadzone są szerokie badania w tym zakresie. W stanach Zjednoczonych Departament Energii współpracuje z dwiema firmami TRANE i YORK INTERNATI ONAL, aby wprowadzić na rynek trójefektowe pompy ciepła ze współczynnikiem COP większym o 50 % i droższe o nie więcej niż 25% od układów dwuefektowych. W roku 1988 Trane Company rozpoczęła badania laboratoryjne nad opracowaniem projektu chillera trójefektowego (De Vault, 1988). W sierpniu 2000 roku TRANE rozpoczął produkcję 1320 kW chillera z COP = 1,6 co jest o około 30% więcej niż obecnie dostępne systemy dwuefektowe. Chiller zasilany jest źródłem ciepła o temperaturze 232°C. Budowane przez TRANE chillery trójefektowe oparte są na budowie układów dwuefektowych. Zasilane są zarówno bezpośrednio, jak i pośrednio. Firma TRANE wraz z rządowymi instytucjami USA prowadzi badania nad układami 4, 5, 6 i 7 stopniowymi.

Gdy w Trane prowadzono badania, firma YORK rozpoczęła własne badania (De Vault i Biermann, 1993) wraz z Amerykańskim Departamentem Energii nad urządzeniami trójefektowymi. Idea opierała się na działaniu chillera dwuefektowego dwuobiegowego z dodanym trzecim warnikiem oraz skraplaczem i specjalnym systemem łączącym czynnik chłodniczy z trzeciego skraplacza z czynnikiem chłodniczym z drugiego warnika. Prototyp firmy YORK działał ciągle przez 2400 godzin w 2000 roku bez widocznego gromadzenia się gazów nie skraplających się. W Japonii, JAPAN GAS ASSO-CIATION (JGA) i czterech producentów (Daikin, Kawasaki, Hitachi i Yaza-ki) rozpoczęli w 2001 projekt budowy trzystopniowej pompy ciepła wsparty dotacjami rządu japońskiego. Jest to projekt czteroletni mający na celu zbu¬dowanie pompy trzystopniowej z COP — 1,6. Projekt ma na celu otrzymanie urządzenia o gabarytach nie większych niż 120% pompy dwustopniowej i obniżenie zużycia gazu naturalnego o 20%.

Już od roku 1995 Grossman prowadzi badania nad systemami czterostopniowymi. System taki posiada cztery skraplacze oraz cztery warniki połączone równolegle. Układ został wybrany po przeprowadzeniu wielu testów z użyciem programu ABSIM. Symulacje opierały się na układzie jedno stopniowym zasilanym energią słoneczną. Wartość współczynnika COP z symulacji wyniosła 2,013. Do symulacji użyto równań opisujących wartości roztworu LiBr-H2O przedstawione w ASHRAE Handbook z 1985 roku. Równania te zostały ekstrapolowane do zakresów odpowiadających zakresom temperatur, ciśnień i stężeń występujących w urządzeniu czterostopniowym. Było to wynikiem braku odpowiednich równań do tak wysokich zakresów temperatur i ciśnień. Podobnie, jak w urządzeniach trzystopniowych, problemem jest opracowanie odpowiednich dodatków poprawiających wymianę ciepła i masy.

Poniżej przedstawiono zużycie energii dla chillerów wieloefektowych z wykorzystaniem ciepła odpadowego z warników wyżej temperaturowych. Zastosowanie wymienników regeneracyjnych (odzysk ciepła) powoduje zwiększenie współczynnika COP i mniejsze zużycie energii (rys. 14).


Rys. 14. Zużycie energii dla dużych

Najczęściej obecnie stosowane systemy absorpcyjne - chillery jednostopniowe posiadają największe zużycie energii przy najniższych możliwych do osiągnięcia wartościach współczynnika COP. Szczyt obecnej techniki
- systemy trójstopniowe spełniają wymagania projektantów. Przy wysokiej wartości współczynnika COP zużywają mniej energii, przez co są bardziej konkurencyjne dla urządzeń sprężarkowych. Urządzenia te jednak posiadają najwyższy koszt inwestycyjny (rys. 15). Wysoki koszt inwestycyjny urządzeń wielostopniowych równoważony jest ich niskim kosztem eksploatacyjnym.



Rys. 15. Porównanie kosztów

Powtórne zainteresowanie się urządzeniami absorpcyjnymi (zwłaszcza w systemach klimatyzacyjnych) jest rezultatem:

  • coraz szerszego stosowania układów skojarzonych,
  • ograniczeń w zakresie stosowania szkodliwych dla środowiska czynników syntetycznych tzw. freonów,
  • zainteresowania odnawialnymi źródłami ciepła i energii (zasilanie warnika energią słoneczną lub geotermalną),
  • coraz większego postępu technicznego, wprowadzaniem na rynek bardziej wydajnych systemów

Urządzania absorpcyjne posiadają szereg zalet w porównaniu z urządzeniami sprężarkowymi, a są to: 

  • możliwość zastosowania substancji nie będących freonami, 
  • prosta budowa i eksploatacja (produkowane obecnie urządzenia są praktycznie bezobsługowe),
  • niski poziom wibracji i hałasu,
  • brak części ruchomych,
  • pewność i niezawodność działania,
  • możliwość stopniowej regulacji,
  • małe zużycie energii elektrycznej - tabela 2. Jak widzimy zużycie energii elektrycznej w przypadku urządzeń małej mocy jest praktycznie zerowe,
  • dłuższa żywotność w porównaniu z systemami sprężarkowymi.




Systemy absorpcyjne są szczególnie opłacalne w przypadku dysponowania ciepłem odpadowym lub ze źródeł odnawialnych. Wysokie koszty inwestycyjne tych urządzeń (patrz rys. 14) uniemożliwiają na razie szersze ich wprowadzeniena rynek polski. Problemy i ograniczenia: 

  • wysoki koszt inwestycyjny (nawet do 100% w porównaniu do urządzeń sprężarkowych) urządzeń absorpcyjnych jest najważniejszym ograniczeniem w ich stosowaniu,
  • brak edukacji, informacji oraz dobrze wyszkolonych techników,
  • niski koszt energii elektrycznej (dostępnej),
  • zła „sława" niepoprawnie zainstalowanych oraz serwisowanych systemów,
  • problemy techniczne (powstawanie korozji oraz krystalizacji, które mogą stanowiæ poważny problem w przypadku ich pojawienia się),
  • systemy klimatyzacj i z zastosowaniem chillerów absorpcyjnych wymagają wież chłodniczych, które są drogie  i jeśli nie są odpowiednio serwisowane, mogą być siedliskiem Legionelli. Ponadto wieże chłodnicze urządzeń absorpcyjnych powinny być większe od tych stosowanych w systemach sprężarkowych, przez co podrażają koszt inwestycyjny całego systemu

Na zakończenie wspomnieć należy o systemach, które stanowią innowacje i odkrywają nowe horyzonty jeżeli chodzi o stosowanie systemów absorpcyjnych wykorzystujących roztwór LiBr-H2O. Systemy te są innowacyjne, stąd też wszelkie rozwiązania technologiczne stanowią tajemnicę. Pierwszym z nich jest chiller, który może pracować przy zasilaniu gorącą wodą o temperaturze tylko 45°C (rys. 16) 



Rys. 16. Chiller absorpcyjny firmy Climasol

Jest to produkt firmy CLIMASOL wykonany na zamówienie SOLE UAE. Wyposażony jest on w dwa warniki i skraplacze. Chiller działa w układzie równoległym. Całkowite zapotrzebowanie na energię elektryczną kształtuje się w nim na poziomie 8-14% (zależnie od rozmiaru) nominalnej wydajności chłodniczej urządzenia. Chiller pracuje przy zasilaniu gorącą wodą w zakresie temperatur od 45 do 95°C, w związku z czym idealnie nadaje się on do zastosowania z płaskimi kolektorami słonecznymi (Rys. 17). 



Rys. 17. Wartość współczynnika wydajności chłodniczej COP w zależności od temperatury czynnika grzewczego „tg" oraz wody ochładzanej w parowniku „to"

Dla porównania, standardowe temperatury czynnika grzewczego w układach dwuefektowych, to ok. 150°C. Kolektory płaskie są najmniej wydajne spośród dostępnych kolektorów słonecznych jednak najtańsze, przez co znacznie obniżony zostaje koszt instalacji. Obniżenie lub podwyższenie temperatury „t " ponad warunki nominale powoduje podwyższenie lub obniżenie współczynnika COP do 40%. Drugi z innowacyjnych projektów (rys. 18), to bromowolitowy chiller absorpcyjny, który pozwala uzyskać temperaturę czynnika ochłodzonego w parowniku na poziomie -5°C. Zmiany ciśnienia oraz stężeń przedstawiono na wykresie PTX (rys. 19).




Rys. 18. Chiller absorpcyjny Hitachi do zastosowania
w temperaturach poniżej 0°C


Jest to pierwszy tego typu system na świecie. Zaprojektowany został on przez firmę HITACHI na podstawie badań prowadzonych przez ECCJ (Energy Conservation Center, Japonia) oraz NEDO (the New Energy and Industrial Technology Development Organization). Efekt taki osiągnięto poprzez zastosowanie czynnika chłodniczego, który jest mieszaniną wody oraz bromku litu i nowego obiegu umożliwiającego zastosowanie takiej mieszaniny. Projektanci tego systemu mieli do rozwiązania kilka problemów, tj.: zapobiec przed zamarznięciem czynnika chłodniczego oraz zwiększyć różnicę temperatur pomiędzy powietrzem zewnętrznym, a czynnikiem ochładzanym w parowniku. Osiągnięto to poprzez:

  • ciągłe kontrolowanie stężenia mieszaniny czynnika chłodniczego w parowniku,
  • zastosowanie obiegu dwustopniowego (rys. 18).

Stężenie LiBr-H2O w parowniku niskotemperaturowym wynosi 15%. W związku z tym opracowano specjalny system ciągłego pomiaru stężenia, którego zmiany prowadzą do gwałtownej zmiany wydajności. Nowy chiller firmy Hitachi umożliwia zastosowanie urządzeń bromowo-litowych w obszarach dotąd zarezerwowanych dla urządzeń amoniakalnych. Możliwe jest już przechowywanie oraz chłodzenie żywności, gdzie wymagane są temperatury na poziomie -2/+8°C. Do tej pory chillery absorpcyjne bromowo-litowe wykorzystywane były tylko w systemach klimatyzacji z uwagi na niebezpieczeństwo zamarznięcia czynnika chłodniczego

Pomimo, że sam sposób produkowania chłodu z użyciem ciepła (systemy absorpcyjne) jest znany od bardzo dawna (1890 rok) i ciągłego rozwoju w tym kierunku (zapobieganie korozji, krystalizacji, uzyskiwanie ujemnych temperatur) systemy te nie cieszą się w naszym kraju szczególnym zainteresowaniem. Na pewno dużą winę ponosi za to koszt takich urządzeń, jednak zaangażowanie władz pozostawia także wiele do życzenia. Poprawieniu tej sytuacji mogłoby pomóc udzielanie przez rząd niskooprocentowanych kredytów oraz preferowanie stosowania systemów przyjaznych środowisku. Celem tego artykułu jest zaprezentowanie rozwiązań systemów absorpcyjnych bardziej złożonych od cykli jednostopniowych i jednoefektowych. Jak widzimy, możliwe jest już uzyskanie temperatury wody ochłodzonej w parowniku poniżej 0°C oraz zasilanie urządzenia czynnikiem o temperaturze tylko ok. 50°C. Wspomnieć można także o wielostopniowym i wieloefektowym systemie R1 opatentowanym przez Dao (1990 roku), który gwarantuje pracę w każdym zakresie temperatur. Pomimo, iż jest to system NH3-H2O pozwala on sadzić, że możliwe stanie się kiedyś opracowanie takich systemów dla układu LiBr-H2O (rozwiązanie konstrukcyjne i materiałowe komponentów).

Kolejnym celem inżynierów, nad którym trwają już intensywne badania, jest opracowanie systemów chłodzonych powietrzem. Jak wspomniano wcześniej, większą część kosztów w chillerach absorpcyjnych bromowo-litowych stanowi wieża chłodnicza. Zastosowanie chłodzenia absorbera i skraplacza powietrzem stwarza jednak przed inżynierami kolejny problem jakim jest zastosowanie innych materiałów na te komponenty. Wiąże się to z mniejszym współczynnikiem wnikania ciepła od powietrza niż od wody. Ewentualny wzrost kosztów energii w Polsce i niski koszt gazu mogą spowodować szersze zainteresowanie się technologią absorpcyjną i bliższe przyjrzenie się takim krajom jak Indie czy Chiny, gdzie systemy absorpcyjne są szeroko stosowane (do 50% rynku) i tanie.

25 latdoświadczenia
ok. 600zrealizowanych obiektów
ok. 800zadowolonych Klientów