sikorska baczek polski OK - Wydział Inżynierii Środowiska
advertisement
ZASTOSOWANIE ZIĘBIAREK ABSORPCYJNYCH Z SYSTEMEM AKUMULACJI ZIMNA W POSTACI ZAWIESINY LODOWEJ W KLIMATYZACJI APPLICATION OF AMMONIA ABSORPTION CHILLERS WITH SECONDARY COOLING SYSTEM WITH ICE SLURRY FOR AIR CONDITIONING Renata Sikorska – Bączek Politechnika Krakowska, Wydział InŜynierii Środowiska, Zakład Wentylacji, Klimatyzacji i Chłodnictwa, 31-155 Kraków, ul. Warszawska 24 e-mail: [email protected] ABSTRACT An alternative solution which should be more frequent in industrial air conditioning systems as well as comfort air conditioning are absorption ammonia chillers. It make possible to obtain negative temperature of evaporation, and therefore to accumulate cold in ice. Because of their excellent heat transfer properties ice slurries can be applied successfully as working fluid in the secondary cooling cycles combined with primary cooling system of absorption chillers. The main advantages of using ice slurry are its environmental neutrality and the possibility of using it not only as a working fluid but also as the medium of accumulating cold. Keywords: Ammonia absorption chillers, ice slurry, cold accumulation in ice slurry, comfort air conditioning 1. WSTĘP Z uwagi na zaostrzenie przepisów odnośnie ochrony środowiska a szczególnie atmosfery moŜna zaobserwować obecnie równoległe drogi rozwoju techniki chłodniczej: -badania nad zastosowaniem czynników całkowicie neutralnych dla środowiska naturalnego takich jak woda, amoniak propan czy dwutlenek węgla. Teoretycznie mogą być one uŜywane jako czynniki chłodnicze ale nie są szeroko stosowane przede wszystkim ze względu na ich własności termodynamiczne, ale takŜe toksyczność i wybuchowość( amoniak, propan) - stosowanie pośrednich układów chłodzenia, które umoŜliwiają zastosowanie dwóch róŜnych płynów roboczych jeden do produkcji a drugi do transportu zimna. W tym rozwiązaniu ogranicza się ilość szkodliwych freonów, które są uŜywane tylko do samego procesu produkcji zimna. Jest ono następnie przekazywane za pomocą płynu pośredniczącego neutralnego dla środowiska do odbiorcy. Do najczęściej stosowanych czynników pośredniczących (chłodziw) naleŜą: solanki (chlorki wapnia, sodu, magnezu), roztwory soli i alkoholi. Nowym obiecującym chłodziwem stosowanym w pośrednich układach chłodzenia jest lód zawiesinowy. Lód ten jest mieszaniną kryształków lodu z wodą i środkami obniŜającymi temperaturę krzepnięcia wody. Środkami tymi mogą być glikole alkohole lub sole. Rozmiary kryształów lodu w lodzie zawiesinowym są niewielkie i zazwyczaj nie przekraczają 0.5 mm. Dzięki temu lód zawiesinowy moŜe być przepompowywany przez układ przewodów tak samo jak faza ciekła. Jest on obecnie uznawany za najlepszy płyn pośredniczący dla zakresów temperatur od – 80C do -20C i stosowany jest w supermarketach, zakładach przetwórstwa spoŜywczego oraz klimatyzacji róŜnych obiektów (hoteli, kopalni, biurowców, samolotów). Ziębiarki absorpcyjne amoniakalne mogą współpracować z systemem akumulacji w lodzie zawiesinowym. 2. OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA LODU ZAWIESINOWEGO Lód zawiesinowy to mieszanina drobnych kryształków lodu z wodą i środkiem obniŜającym temperaturę krzepnięcia wody, najczęściej z glikolem, alkoholem, rzadziej solami. Niewielkie rozmiary kryształków lodu i 216 odpowiednio dobrane stęŜenie masowe lodu w roztworze powoduje, Ŝe zawiesina moŜe być przepompowywana przez układy przewodów podobnie jak faza ciekła, stając się nowym obiecującym nośnikiem zimna, stosowanym powszechnie w duŜych pośrednich systemach chłodzenia (systemach klimatyzacyjnych w zakresie od -80C do -20C). W porównaniu z innymi czynnikami pośredniczącymi lód zawiesinowy charakteryzuje się znacznie wyŜszymi wartościami współczynników wnikania ciepła. WyŜsze wartości współczynnika wnikania ciepła moŜna uzyskać stosując zawiesinę lodową w 8-12 % roztworze etanolu. Zawiesinę lodową cechuje teŜ bardzo korzystna własność pod względem oporów przepływu, poniewaŜ zachowuje się jak płyn Bininghama. Jej cechą charakterystyczną jest przepływ całym przekrojem rurociągu z jednakową prędkością i niewystępowanie klasycznych postaci przepływu laminarnego czy turbulentnego. Do innych zalet zawiesiny lodowej moŜna zaliczyć teŜ bardzo duŜą pojemność cieplną nośnika i tym samym moŜliwość redukcji ilości masy w układzie i redukcji średnic rurociągów. WaŜną cechą jest równieŜ moŜliwość akumulowania zimna w samym nośniku bez konieczności budowania zasobników zimna. Jest to teŜ nośnik w pełni ekologiczny i obojętny dla środowiska naturalnego. Stosowanie zawiesiny lodowej napotyka na trudności i problemy. Odczuwa się brak doświadczenia w projektowaniu wytwornic zawiesiny lodowej, systemu przewodów i instalacji, gdyŜ zawiesina lodowa okazuje się dosyć wraŜliwa na rozdzielenie kryształów lodu od cieczy. Wadą jest teŜ wysoki koszt wytworzenia. Tabela .1 Obszary zastosowań zawiesiny lodowej Zastosowanie Temperatury zawiesiny lodowej Supermarkety -6oC,….-2oC Magazynowanie -6oC,….-2oC Rybołówstwo -2oC Procesy przemysłowe -20oC,….-2oC Mleczarnie -2oC Przemysł chemiczny i farmaceutyczny -2oC Klimatyzacja kopalń -2oC Układy chłodzenia na statkach pasaŜerskich -6oC,….-2oC Klimatyzacja -2oC Chłodzenie Ŝywności przez bezpośredni kontakt -30oC,…-15oC Rolnictwo -6oC,….-2oC 3.WSPÓŁPRACA ZIĘBIAREK ABSORPCYJNYCH Z SYSTEMEM AKUMULACJI ZIMNA W POSTACI ZAWIESINY LODOWEJ 3.1 CECHY INSTALACJI Z ZAWIESINĄ LODOWĄ Podstawową cechą instalacji z zawiesiną lodową jest moŜliwość skojarzenia jej z systemem akumulacji zimna. Pozwala to na ograniczenie szczytowej mocy urządzenia ziębniczego o 50 do 80%, redukcję o 80% napełnienia instalacji czynnikiem ziębniczym oraz wykorzystanie taryf nocnych i zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych o 2550%.Wykorzystując zawiesiną lodową moŜna 2-10 krotnie zmniejszyć pojemność akumulacyjnego zbiornika wodnego. Średnio około ośmiokrotnie większa właściwa wydajność cieplna zawiesiny lodowej w stosunku do tradycyjnych czynników pośredniczących umoŜliwia redukcję średnic rur oraz prędkości przepływu. Wpływa to na zmniejszenie kosztów instalacji oraz ograniczenie średnio do 12.5 % zuŜycia energii związanej z transportem chłodziwa. 217 W odróŜnieniu od chłodziw konwencjonalnych, stała temperatura lodu zawiesinowego pozwala stosować mniejsze róŜnice temperatur czynników w wymiennikach oraz wymienniki o mniejszych powierzchniach wymiany ciepła. Dzięki prawie stałej temperaturze topnienia lodu osiągane są większe sprawności wymienników ciepła i moŜna uzyskać niŜszą temperaturę medium chłodzonego. Zastosowanie zawiesiny lodowej w klimatyzacji umoŜliwia zmniejszenie temperatury powietrza pierwotnego do 5.5K, co umoŜliwia redukcję strumienia powietrza pierwotnego o ponad 40%. Mniejsze przekroje kanałów wentylacyjnych zmniejszają koszty wykonania instalacji powietrza. Dodatkowym efektem związanym z niŜszą temperaturą powietrza pierwotnego (7.20C zamiast 130 C) są lepsze warunki komfortu cieplnego dzięki obniŜeniu wilgotności względnej z 60 do 35%. Te efekty mają wpływ na działanie układu regulacji, gdyŜ przy tym samym obciąŜeniu cieplnym obiektu moŜliwe są wyŜsze nastawy temperatury o około 1.50C.W klimatyzacji stosuje się zawiesinę lodową o temperaturze 20C. Stosowanie akumulacji zimna w lodzie zawiesinowym stwarza moŜliwość znacznego zmniejszenia mocy zainstalowanej w układzie klimatyzacyjnym. Na przykład klimatyzacja komfortowa obiektu o maksymalnym obciąŜeniu cieplnym 300kW zezwala dzięki akumulacji zimna na zainstalowanie układu o mocy zaledwie 75kW (25%) – przy pojemności akumulatora 25m3.Zastosowanie lodu zawiesinowego w klimatyzacji pozwala zredukować średnice rurociągów oraz powierzchnie chłodnic powietrza nawet o 50%. Schemat ziębiarki absorpcyjnej do uzyskiwania zawiesiny lodowej wykorzystywanej do uzdatniania powietrza w klimatyzacji przedstawiono na rys.1. skraplacz chłodzenie skraplacza deflegmator rekuperator ciepło pary warnik z upustu zawór dławiący roztworu absorber chłodzenie absorbera zawór dławiący czynnika ziębniczego parowacz oziębiacz cieczy do wymraŜania kryształków lodu dopływ powietrza zbiornik "ice slurry" półki rektyfikacyjne wytwornica zawiesiny lodowej ice slurry powietrze klimatyzowane odpływ powietrza chłodnica powietrza w centrali klmatyzacyjnej Rys.1 Schemat ideowy ziębiarki absorpcyjnej do uzyskiwania zawiesiny lodowej wykorzystywanej do uzdatniania powietrza w klimatyzacji 3.2 ROZWIĄZANIA UKŁADÓW CHŁODZENIA Z AKUMULACJĄ ZIMNA Obiekty wymagające klimatyzacji charakteryzują się niekiedy duŜymi wahaniami zysków ciepła lub innych obciąŜeń cieplnych w ciągu doby. Moc ziębienia określa się na podstawie maksimum obliczeniowych zysków ciepła (obciąŜenia cieplnego). Wykorzystanie zakumulowanego zimna w lodzie umoŜliwia zmniejszenie chwilowej wydajności ziębiarki. NadwyŜki zapotrzebowania zimna pokrywane są z zasobnika lodu gromadzonego w czasie dobowej eksploatacji ziębiarki ze średnią mocą ziębienia potrzebną do wytworzenia i zakumulowania odpowiedniej ilości lodu. W praktyce stosuje się trzy strategie współpracy zbiornika akumulacyjnego i generatora zawiesiny lodowej. 218 Pełna akumulacja W okresie maksymalnego obciąŜenia cieplnego całkowite zapotrzebowanie na zimno pokrywane jest ze zbiornika akumulacyjnego. Poza tym okresem generator zawiesiny lodowej ładuje zbiornik akumulacyjny oraz pokrywa ewentualne obciąŜenie cieplne obiektu. Ten system charakteryzuje się relatywnie duŜymi kosztami inwestycyjnymi w zakresie generatora zawiesiny lodowej i zbiornika akumulacyjnego. Układ ten pozwala jednak na większe obniŜenie kosztów energii elektrycznej w przypadku przesunięcia okresów maksymalnego obciąŜenia sieci elektrycznej. Pełna akumulacja jest szczególnie atrakcyjną strategią akumulacji, gdy okresy maksymalnych obciąŜeń są krótkie, a róŜnice w zapotrzebowaniu na zimno w okresie ładowania i rozładowania zbiornika akumulacyjnego są znaczne. Proces pełnej akumulacji przedstawiono na rys.2. WYDAJNOŚĆ [kW] OBCIĄŻENIE CIEPLNE POKRYWANE ZE ZBIORNIKA AKUMULACYJNEGO 175 140 AKUMULACJA ZIMNA AKUMULACJA ZIMNA 0 24 czas [h] Rys. 2. Idea pełnej akumulacji Częściowa akumulacja ze zrównowaŜonym obciąŜeniem zrównowaŜonym obciąŜeniem pokazano na rys.3. Generator zawiesiny lodowej pracuje przez cały czas trwania cyklu. W okresie maksymalnego obciąŜenia cieplnego, niedobór mocy chłodniczej generatora zawiesiny lodowej pokrywany jest z zasobnika. Ta strategia akumulacji minimalizuje koszty generatora oraz akumulatora przy mniejszych oszczędnościach w zakresie kosztów eksploatacyjnych w porównaniu z systemem pełnej akumulacji. Proces częściowej akumulacji ze Częściowa akumulacja z ograniczonym obciąŜeniem Ta strategia akumulacji łączy cechy dwóch poprzednich metod akumulacji ciepła, lokując koszty inwestycyjne i koszty zuŜycia energii elektrycznej pomiędzy wartościami granicznymi wyznaczonymi dla wyŜej opisanych systemów. Częściową akumulację z ograniczonym obciąŜeniem przedstawiono na rys. 4. 219 WYDAJNOŚĆ [KW] ZAPOTRZEBOWANIE NA ZIM NO POKRYW ANE PRZEZ ZASOBNIK LODU ZAWIESINOWEGO 175 140 ZAPOTRZEBOWANIE NA ZIMNO AKUM ULACJA ZIMNA POKRYWANE PRZEZ CHŁODNICĘ AKUMULACJA ZIM NA 0 24 CZAS [h] Rys. 3. Częściowa akumulacja ze zrównowaŜonym obciąŜeniem WYDAJNOŚĆ [KW] ZAPOTRZEBOWANIE NA ZIMNO POKRYWANE ZE ZBIORNIKA LODU ZAWIESINOWEGO 175 ZAPOTRZEBOWANIE NA ZIMNO POKRYWANE PRZEZ CHŁODNICĘ 140 AKUMULACJA ZIMNA AKUMULACJA ZIMNA 0 24 CZAS [h] Rys. 4. Częściowa akumulacja z ograniczonym obciąŜeniem 3.3 SPOSÓB OBLICZANIA ILOŚCI ZIMNA ZAKUMULOWANEGO W LODZIE ZAWIESINOWYM Q – ilość ciepła do zakumulowania [kWh] mlb- masa lodu zawiesinowego [kg] qlb- jednostkowa pojemność cieplna zawiesiny lodowej [kWh/m3] Analiza powyŜszego rozwiązania powinna opierać się na obliczeniu ilość zimna do zakumulowania w lodzie zawiesinowym w czasie szczytowego obciąŜenia budynku. Na tej podstawie moŜna obliczyć wymaganą ilość zawiesiny lodowej. W tym celu korzystamy z równania: mlb = Q = mlb qlb gdzie: (1) Q qlb (2) Jednostkową pojemność cieplną zawiesiny lodowej obliczamy z zaleŜności: qlb= qc + ql (3) ql – jednostkowa pojemność cieplna lodu [ kWh/m3] qc –jednostkowa pojemność cieplna roztworu glikolu [kWh/m3] 220 ql = y ⋅ r ⋅ ρ l [kJ/m3] q c = (1 − y ) ⋅ c gl ⋅ ∆t ⋅ ρ gl [kJ/m3] (4) (5) ρ l - gęstość objętościowa lodu [kg/m3] ρ gl - gęstość objętościowa roztworu glikolu 3 etylenowego[kg/m ] cgl- ciepło właściwe roztworu glikolu etylenowego [kJ/kgK] y – zawartość drobinek lodu w zawiesinie lodowej [%] ∆t – róŜnica temperatur zasilania i powrotu lodu zawiesinowego [K] W układzie naleŜy zastosować wymiennik płytowy oddzielający od siebie obieg wody oziębianej i obieg z zawiesiną lodową z powodu nieprzystosowania chłodnicy w centrali klimatyzacyjnej do pracy z zawiesiną lodową oraz problemów z jej transportem w przewodach pionowych. Wymagana ilość wody oziębionej jest obliczana z zaleŜności: V = Q c w ⋅ ∆t ⋅ ρ w (6) Określenie spadków ciśnienia w instalacji lodu zawiesinowego jest bardzo waŜne z uwagi na dobór pompy w celu zapewnienia odpowiedniego przepływu medium by nie dochodziło do zbrylania lodu i zatykania przewodów. Wyznaczenie oporów przepływu zawiesiny lodowej moŜna dokonać z zaleŜności: l ρ lb ⋅ wlb ∆p = c f ⋅ ⋅ dw 2 wlb – prędkość zawiesiny lodowej wynikająca z dobranej średnicy rurociągu [m/s] cf –współczynnik oporów Fanninga w przypadku lodu zawiesinowego zaleŜy od liczby Reynoldsa (Re ) oraz liczby Hedströma (He). Liczby kryterialne Re i He wyznaczmy z następujących zaleŜności: Q- zapotrzebowanie zimna [kW] cw- ciepło właściwe wody oziębionej [kJ/kgK] ∆t – róŜnica temperatur wody na zasilaniu i powrocie wymiennika[K] Helb = 3 Objętość zbiornika lodu wyznaczamy z równania: V zb = Q zb qlb zawiesinowego [m3] (7) Qzb- ilość zimna do zakumulowania (całkowita ilość zimna pomniejszona o ilość zimna dostarczoną przez agregat) [kWh] WaŜne jest aby zawiesina lodowa przebywająca w zbiorniku akumulacyjnym nie zbrylała się i zachowywała równomierne rozłoŜenie lodu. W celu homogenizacji naleŜy stosować skośnie ułoŜone mieszadła. Średnice rurociągów po stronie lodu zawiesinowego obliczamy z zaleŜności przedstawionej poniŜej: dw = 4 ⋅ Vlb Π ⋅ wlb (8) dw – średnica wewnętrzna rurociągu [m] Vlb- strumień objętościowy zawiesiny lodowej [ m3/s] wlb – prędkość przepływu zawiesiny lodowej [m/s] (9) gdzie: ∆p – opory przepływu zawiesiny lodowej na długości.[Pa] d- średnica wewnętrzna rurociągu [m] l – długość rurociągu[m] ρ lb – gęstość zawiesiny lodowej[ kg/m3] Re lb = ρ w - gęstość objętościowa wody [kg/m ] 2 w ⋅ ρ lb ⋅ d w µp d 2 ⋅ τ p ⋅ ρ lb µ p2 (10) (11) gdzie : τ p - graniczne napręŜenie styczne µp – dynamiczny współczynnik lepkości plastycznej Są one wyznaczone empirycznie dla danej zawartości drobinek lodu w zawiesinie. Współczynnik oporów przepływu cf określa równanie: 4 cf Helb Helb 1 = ⋅ + (12) Re lb 16 6 Re lb 2 3 ⋅ c f 3 ⋅ Re lb 8 4. PORÓWNANIE ZIĘBIARKI ABSORPCYJNEJ Z INSTALACJĘ DO WYTWARZANIA LODU ZAWIESINOWEGO Z ZIĘBIARKĄ ABSORPCYJNĄ WYKORZYSTUJĄCĄ GLIKOL JAKO CZYNNIK POŚREDNICZĄCY Systemy te róŜnią się pomiędzy sobą sposobem dostarczania zimna do chłodnicy centrali klimatyzacyjne. Pierwszy z nich to ziębiarka absorpcyjna współpracująca z wytwornicą lodu 221 zawiesinowego oraz drugi system ziębiarka absorpcyjna wykorzystująca glikol jako czynnik pośredniczący. Obydwie instalacje z uwagi na wykorzystywane medium w procesie transportu strumienia ciepła charakteryzują się róŜnymi cechami wynikającymi z właściwości cieplnych oraz hydraulicznych tychŜe substancji. Dzięki zastosowaniu ziębiarki absorpcyjnej z akumulacją zimna w postaci zawiesiny lodowej uzyskano zmniejszenie mocy urządzenia ziębniczego prawie o 25 %, co spowodowało zmniejszenie kosztów energii elektrycznej. Około ośmiokrotnie większa właściwa pojemność cieplna zawiesiny lodowej stosunku do glikolu umoŜliwiła redukcję średnic przewodów prawie dwukrotnie oraz zmniejszenie prędkość przepływu cieczy pośredniczącej w wymianie ciepła. Spowodowało to równieŜ zmniejszenie wymiarów pomp obiegowych po stronie lodu zawiesinowego. Stała temperatura zawiesiny lodowej pozwoliła stosować mniejsze róŜnice temperatur w wymiennikach ciepła a w związku z tym wymienniki o większych powierzchniach wymiany ciepła. Dzięki stałej temperaturze topnienia lodu osiągnięto większe sprawności wymienników i uzyskano niŜsze temperatury medium chłodzonego. 5. PODSUMOWANIE Systemy z akumulacją zimna w lodzie zawiesinowym mogą współdziałać z ziębiarkami absorpcyjnymi. Wykorzystanie układu z zawiesiną lodową z akumulacją zimna powoduje obniŜenie kosztów eksploatacyjnych w stosunku do klasycznych systemów absorpcyjnych. Zastosowanie zawiesiny lodowej w klimatyzacji umoŜliwia zmniejszenie temperatury powietrza pierwotnego co umoŜliwia redukcję jego strumienia. Mniejsze przekroje kanałów wentylacyjnych zmniejszają koszty wykonania instalacji powietrza. Dodatkowym efektem związanym z niŜszą temperaturą powietrza pierwotnego są lepsze warunki komfortu cieplnego dzięki obniŜeniu wilgotności względnej. Przewaga zawiesiny lodowej w stosunku do czynników chłodniczych oraz innych nośników ciepła wynika równieŜ z neutralności wobec środowiska naturalnego, zerowego potencjału niszczenia warstwy ozonowej (ODP), zerowego potencjału efektu cieplarnianego (GWP) oraz moŜliwości wykorzystania zawiesiny lodowej nie tylko jako nośnika ciepła ale takŜe jako medium akumulującego zimno. LITERATURA BELLAS I., TASSOU S.,2004, Present and future application of ice slurries, in: International Journal of Refrigeration, No 28,pp.115-121 EGOLF P.W., KITANOVSKI A.,ATACAESAR D.,STAMATIOU E., KAWAJI M.,BEDECARRATS J.P., STRUBF.,2005, Thermodynamics and heat transfer of ice slurries, in: International Journal of Refrigeration,No. 28,pp. 51-59 EGOLF P.W., KAUFFELDM., 2005,From physical properties of ice slurries to industrial ice slurry applications, in: International Journal of Refrigeration No.28,pp.4-12 GRANDUM S., NAKAGOMI K., 1997,Charactristics of ice slurry containing antifreeze protein for ice storage applications, in: Journal Thermophys. Heat Transfer, No. 11, pp.461-466 GULIPART J.,1999, Experimental study and calculation method of transport characteristics of ice slurries, in: First Workshop on Ice Slurries of the International Institute of Refrigeration , pp. 74-82 JENSEN E., CHRISTENSEN K., HANSEN T., SCHNEIDER P., KAUFFLED M.,2000, Pressure drop and heat transfer with ice slurry, in: Purdue University, IIF/IIR 2000, pp.521-529 KNODEL B.D., FRANCE D.M., 1988,Pressure drop in ice – water slurries for thermal storage application, in: Experimental Heat Transfer, No.1,pp. 265-275 NIEZGODA – śELASKO B., ZALEWSKI W., śELASKO J.,2007, Projektowanie pośrednich układów chłodzenia zasilanych zawiesiną lodową, in: Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Klimatyzacja, No 11,pp.66-74 MEEWISSE J.W.,FERREIRA C.A.,2000, Optimal properties of ice slurries in secondary cooling systems, in: Purdue University IIR/IIF, pp. 513-520 PRONK P., HANSEN T.M., INFANTE – FERREIRA C.A., WITKAMP G.J.,2005, Time – dependent behavior of different ice slurries during storage, in: International Journal of Refrigeration No.28,pp. 27-36 SIKORSKA–BĄCZEK R.;2006, Klimatyzacja za pomocą urządzeń absorpcyjnych, in: Chłodnictwo i Klimatyzacja,No.10,pp. 77-8
