EKSPERIMENTINIS ADSORBCINIO ŠILUMOS TRANSFORMATORIAUS LIETUVOS KLIMATOLOGINĖMIS SĄLYGOMIS EFEKTYVUMO TYRIMAS

Transcription

1 18-osios Lietuvos jaunųjų mokslininkų konferencijos Mokslas Lietuvos ateitis teminė konferencija Proceedings of the 18 th Conference for Junior Researchers Science Future of Lithuania PASTATŲ INŽINERINĖS SISTEMOS / ENGINEERING SYSTEMS FOR BUILDING 2015 m. balandžio 16 d. Vilnius eissn April, Vilnius, Lithuania Article Number: pinzs EKSPERIMENTINIS ADSORBCINIO ŠILUMOS TRANSFORMATORIAUS LIETUVOS KLIMATOLOGINĖMIS SĄLYGOMIS EFEKTYVUMO TYRIMAS Tomas Puidokas 1, Darius Biekša 2 1 magistrantas, 2 docentas Vilniaus Gedimino technikos universiteta El. p.: 1 tomas_puidokas@yahoo.com; 2 darius.bieksa@vgtu.lt Anotacija. Šiame straipsnyje atliekamas eksperimentinis VGTU Pastato energetinių ir mikroklimato sistemų laboratorijoje (PEMS) įrengto SorTech AG gamintojo ACS 08 adsorbcinio šilumos tranformatoriaus, kurio vėsinimo galia 8 kw, efektyvumo tyrimas. Pristatomi teoriniai ACS 08 adsobcinio šilumos tranformatoriaus veikimo pagrindai, energijos balanso sudarymo ir efektyvumo skaičiavimo metodikos. Ištirta ACS 08 naudingumo koeficiento priklausomybė nuo aušyklėje ataušinto šilumnešio temperatūros ir pastovios aušinimo kontūro vandens ir etilenglikolio mišinio temperatūros, kai šilumos šaltinio temperatūra yra pastovi. Atliekama sukauptų duomenų statistinė analizė ir pateikiamos išvados. Reikšminiai žodžiai: adsorbcinis šilumos transformatorius, terminis naudingumo koeficientas (COP), adsorbcija, vėsa ir šiluma, saulės kolektorių sistemų panaudojimas. Įvadas Nuolatos mažėjant gamtiniams ištekliams ir brangstant kurui, tuo pačiu brangsta ir energijos gamyba, todėl tradiciniams energetiniams ištekliams, šiuo atveju šiluminės ir vėsos energijos gamybos būdams, ieškoma alternatyvų. Elektros energijos suvartojimo požiūriu dominuoja tradicinės garų suspaudimo mašinos (šilumos siurbliai ar kitos įvairios kompresorinės vėsinimo ir šildymo mašinos), todėl, mažėjant pirminei energijai ir brangstant iškastiniam kurui, brangsta tiek šiluma, tiek elektros energija, taigi svarbiu veiksniu tampa naujų sistemų, galinčių pakeisti įsitvirtinusias sistemas, paieška. Puikia alternatyva tradicinėms vėsinimo ir šildymo mašinoms šiuo atveju gali tapti tiekiamos vėsinimo ir šildymo sistemos, naudojančios atsinaujinančią energetiką bei siūlančios pasaulio energijos ir aplinkos taršos problemų sprendimo būdus. Saulės energija yra vienas iš pirmaujančių žaliosios energijos šaltinių. Diegiant saulės energijos technologijas praktikoje, dažniausiai gaminama žemesnės temperatūros (55 95 C) šiluma. Tokios temperatūros gali būti lengvai pasiekiamos vasarą plokščiaisiais ar vakuuminiais saulės kolektoriais net ir šaltose klimato zonose. Tokie temperatūros režimai tinkami adsorbciniams įrenginiams (Askalany et al. 2012). Pagrindinė sistema yra kombinuotas adsorbcijos šilumos transformatorius su saulės kolektoriais. Tokia sistema yra vertinga tuo, kad vartoja labai mažą kiekį elektros energijos ir į aplinką neišmeta CO 2. Be saulės energijos, adsorbciniam vėsinimui galima pritaikyti žemos (iki 90 C) temperatūros atliekinę šilumą (Saha et al. 2006). Tai nauja technologija, todėl jos efektyvumas didėja sparčiausiai. Pastaraisiais metais atliekami tyrimai rodo, kad adsorbcinės vėsinimo mašinos gali pasiekti energijos transformavimo koeficientą, aukštesnį nei 0,5 net tuo atveju, kai šilumos šaltinio temperatūra yra 65 C (Wang et al. 2005). Tačiau tokios sistemos panaudojimo galimybes ir efektyvumą Lietuvoje įvertinti pakankamai sunku, nes yra atlikta mažai tyrimų, padedančių mūsų klimatinėms sąlygoms tokią sistemą pritaikyti. Todėl šiuo atveju mūsų pasirinkta tema yra pakankamai aktuali, nes vienas iš pagrindinių šiuolaikinio pasaulio tikslų energetiniu atžvilgiu yra elektros energijos suvartojimo mažinimas ir ekologiniu atžvilgiu saulės, kaip atsinaujinančio energijos šaltinio išnaudojimas, siekiant tausoti gamtą. Tyrimo objektas (adsorbcinis šilumos transformatorius) Vėsos gamybai pastato energetinių ir mikroklimato sistemų (PEMS) laboratorijoje yra įrengtas adsorbcinis Tomas Puidokas, Darius Biekša,

2 vėsinimo įrenginys SorTech AG gamintojo ACS 08, kurio nominali vėsinimo galia yra 8 kw. Šiuo metu tai vienintelis veikiantis adsorbcinis šilumos tranformatorius Baltijos šalyse. ACS 08 gali veikti nuo minimalios 55 C šilumos šaltinio temperatūros. Tai leidžia panaudoti iš saulės kolektorių gaunamą šilumą net ir tada, kai saulės spinduliavimas yra neintensyvus arba apribotas. 1 lentelėje pateiktos ACS08 gamintojų rekomenduojamos nominalios charakteristikos. užbaigdamas grandinę. Du adsorberiai nuolat generuoja šaltį, t. y. siekiant nuolatinės šalčio gamybos kartu dirba du adsorberiai, kur vienas adsorberis desorbuoja, o kitas adsorberis generuoja šaltį, adsorbuojant tuo pat metu. Proceso ciklas vyksta per sandarią vakuumo kamerą. 1 paveiksle pateikiama adsorbcinio šilumos transfomatoriaus principinė schema su kontūrų veikimo temperatūromis ir pagrindinėmis galiomis. 1 lentelė. ACS 08 gamintojų rekomenduojamos charakteristikos (Koch et al. 2009) ACS 08 charakteristikos Nominali vėsinimo galia kw 8 Nominalus terminis COP 0,6 Rekomenduojamas nominalus režimas Atvėsinto vandens Temperatūra į/iš C 18/15 Debitas m 3 /h 2 Slėgio nuostoliai mbar 300 Aušinimo Šilumos šaltinio Temperatūra į/iš C 27/32 Debitas m 3 /h 3,7 Slėgio nuostoliai mbar 350 Temperatūra į/iš C 72/65 Debitas m 3 /h 1,6 Slėgio nuostoliai mbar 230 Adsorbcija vienas iš seniausių šalčio gamybos principų. Adsorbcijos technologija naudoja labai akytų kietųjų sorbcijos medžiagų (silikagelio ir ceolito) siurbimo šalčio gamybai iš šilumos be jokių kompresorių ar siurblių poveikį. Kaip ir įprastinėse oro kondicionavimo sistemose, šaltis yra generuojamas, garinant refrižerantą. Vandens garų adsorbcijai / desorbcijai vėsintuvo viduje naudojamas kietasis adsorbentas silikagelis. Vėsintuvas susideda iš dviejų kamerų su silikageliu t. y. adsorberio 1 ir adsorberio 2, garintuvo ir kondensatoriaus. Abi kameros gali atlikti adsorberio ir desorberio funkcijas. Jų tarpusavio perjungimui vėsintuvo viduje sumontuoti keturi trieigiai vožtuvai. Paties ACS 08 vėsintuvo elektrinė galia siekia tik 7 W. Vėsintuvo vidinis tūris yra visiškai hermetiškas, jame dirbtinai sukurtas gilusis vakuumas (analizuojamuoju atveju 19 mbar). Saulės kolektoriuje pašildytas šilumnesis keliauja į okumuliacinę talpą, iš kurios patenka į adsorbcinį šilumos transformatorių, kur adsorberiu sausa sorbcijos medžiaga, apimanti centrinį šilumokaitį (vadinamąjį adsorberį), adsorbuoja vandens garus per atvirą mažesnį atbulinį vožtuvą. Sorbcijos medžiagos yra sausinamos, naudojant šilumą. Vandens garai paleidžiami ir teka į kondensatorių bei yra suskystinami. Kondensatas grįžta į garintuvą, taip 1 pav. ACS 08 principinė schema su veikimo temperatūromis ir pagrindinėmis galiomis (Koch et al. 2009) 2 pav. ACS 08 hidrauliniai kontūrai (Koch et al. 2009) 43

3 Prie adsorbcinio šilumos transformatoriaus prijungti trys pagrindiniai hidrauliniai kontūrai: Aukštos temperatūros šilumos šaltinio (raudona spalva); Vidutinės temperatūros aušyklės (geltona spalva); Žemos temperatūros atvėsinto vandens (mėlyna spalva). Kiekviename kontūre cirkuliuoja atskiras šilumnešis. Tai yra vandens ir 35 % etilenglikolio tirpalas. Tyrimo metodika Sortech ACS 08 vėsos gamybai naudoja šilumos energiją, t. y. vietoje tradicinio kompresoriaus, kuris suvartoja elektros energiją, naudojamas terminis vėsos generatorius. PEMS laboratorijoje šita energija gaunama iš ant stogo sumontuotų saulės kolektorių. Vėsintuve suvartotos šilumos energijos kiekis žymimas Q ŠŠ, kwh. Nepertraukiamam adsorbciniam vėsinimo ciklui užtikrinti vėsintuvas nuolat turi būti aušinamas. Tam tikslui ant stogo įrengta Sortech RSC 08 aušyklė. Pro aušyklės radiatorių pratekantis šilumnešis perduoda šilumą aplinkai. Šilumos kiekis žymimas Q A, kwh. Atiduotos arba suvartotos vėsos kiekis žymimas Q V, kwh. Bendruoju atveju ACS 08 vėsintuvo šilumos energijos balansą galima užrašyti: Q ŠŠ + Q V = Q A (1) čia: Q ŠŠ vėsintuve suvartotos šilumos šaltinio energijos kiekis, kwh; Q V pagamintos vėsos kiekis, kwh; Q A aušyklėje pašalintas šilumos kiekis, kwh. Kiekvieno kontūro galia apskaičiuojama: Šilumos šaltinio galia: Q Š = M 1 c p (T 1 T 2), [kw] (2) Aušyklės galia: Q A = M 2 c p (T 4 T 3), [kw] (3) Vėsinimo galia: Q V = M 3 c p (T 5 T 6), [kw] (4) čia: c p vandens ir etilenglikolio mišinio savitoji šiluma, kj/kgk; M atitinkamo kontūro debitas, kg/s; T atitinkamo kontūro šilumnešio temperatūra, C. Gautieji dydžiai (Q V, Q Š) leido nustatyti adsorbcinio šilumos transformatoriaus energijos transformavimo (COP) ir elektrinį (EER) efektyvumo koeficientus. COP skaičiuojamas pagal formulę: COP = Q V/Q Š (5) Taigi visos tiriamos vėsinimo sistemos elektros galia: E sist = E ACS08 + E Cssum + E RCS08, [W] (6) čia: E ACS08 adsorbcinio šilumos transformatoriaus sunaudojamas elektros energijos kiekis, W; E Cssum cirkuliacinių siurblių sunaudojamas elektros energijos kiekis, W; E RCS08, aušyklės sunaudotas elektros energijos kiekis, W. Elektrinis sistemos efektyvumas EER: EER = Q V/E sist (7) čia: E sist visos tiriamos sistemos elektros galia, W; Adsorbcinio šilumos transformatoriaus tyrimo aprašymas ir gauti rezultatai Tyrimo tikslas yra įvertinti adsorbcinio šilumos transformatoriaus vėsinimo galią Q V ir COP kitimą, priklausomai nuo RCS 08 aušinimo našumo ir tiekiamo šilumnešio temperatūros bei vėsinimo kontūro temperatūros. Tai yra, iki kurios T 3 temperatūros aušyklėje turi būti ataušintas šilumnešis, kurio pastovi tiekiamoji temperatūra T 1 =75 ºC, kad pasiektų didžiausią COP ir optimalią vėsinimo galią Qv esant fiksuotai atvėsinto vandens ir etilenglikolio mišinio temperatūrai vėsinimo kontūre. Tyrimas atliekamas, keičiant temparatūras T 3 = 27; 30; 34 ºC ir T 6 = 7; 10; 12. Oro temperatūra prieš vėsinimo sekciją T 10 = 24 ºC (priklauso nuo lauko orų sąlygų). SCADA valdymo programoje nustatoma atitinkama T 6, T 1 =75 ºC, T 3 temperatūra ir aušyklės automatika reguliuoja ventiliatorių apsisukimo greitį, tokiu būdu palaikydama nustatytą reikšmę. Kiekvieno bandymo rezultatai pateikti 2 lentelėje. 2 lentelė. ACS 08 tyrimo rezultatai, esant skirtingoms T3 ir T6 temperatūroms Exp. T1, T3, T5, T6, Qv, C C C C kw COP EER 1 vid ,7 7 0,8 0,24 0,48 2 vid ,4 10 1,58 0,27 0,95 3 vid ,6 12 3,13 0,42 1,88 Pastaba: lentelėje pateiktos reikšmės yra vidutinės per visą tyrimo laikotarpį. Iš lentelės matyti, kad, mažinant T 3 ir T 6 temperatūras, vėsinimo galia Q V ir COP sparčiai mažėja taip pat ir EER, o didinant temperatūrų reikšmes, pasiekus tam tikrą ribą vėsinimo galios padidėjimas beveik tampa pastovus ir COP bei EER reikšmės nusistovi. Taip suran- 44

4 damas tinkamiausias ir pastoviausias sistemos veikimo režimas. Iš 5 grafiko matyti, kad, mažinant T 3 temperatūrą, vėsinimo galia Q V ir COP yra pakankamai mažas ir galia Q V = 0,8 kw o COP = 0,24. Pasiekus aukštesnių temperatūrų derinį vėsinimo galia Q V ir COP pradeda ženkliai didėti ir yra lygi Q V = 3,13 kw o COP = 0,42. Norint gauti tikslesnius skaičiavimo rezultatus ir surasti geriausią derinį, reikia kartoti bandymus su skirtingais deriniais, kad būtų galima pasiekti idealiausius rezultatus. Išvados 3 pav. ACS 08 šilumos energijos kitimo grafikas pav. COP priklausomybė nuo aplinkos temperatūros 3 ir 4 grafikųose matyti, kad adsorbcinis šilumos transformatorius veikia cikliškai ir ciklai vidutiniškai svyruoja kas 12 minučių. Naudingumo koeficientas COP nuo minimalios iki maksimalios reikšmės taip pat kinta ciklais. Norint ivertinti adsorbcinio šilumos transformatoriaus efektyvumą reikia imti vieno pilno ciklo vidurkį Analizuojant adsobcinį šilumos transformatorių patebėta, kad įrenginys veikia ciklais. Tuo metu cikliškai neženkliai kinta šilumos šaltinio galia o didžiausias kitimas pastebėtas aušinimo kontūre. Vėsinimo galios kitimas yra mažiausias. 2. Nustatyta, kad esant lauko oro temparatūrai virš 24 C ir T 3 temperatūros aušyklėje ataušintas šilumnešis, kurio pastovi tiekiamoji temperatūra T 1 = 75 C, tuomet ciklo trukmė trunka apie 12 minučių ir naudingumo koeficientas irgi svyruoja cikliškai nuo minimalios iki maksimalios vertės. 3. Optimali bandymo kombinacija, kai T 3 temperatūra yra apie 34 C, o T 6 apie 12 C. Tuomet gaunamas didžiausias naudingumo koeficientas COP = 0,42 ir palyginti didelė vėsinimo galia Q V = 3,13 kw. 4. Analizuojant elektrinį adsorbcinio šilumos transformatoriaus efektyvumo koeficientą (EER), pastebėta, kad, esant aukštesnei nei 10 C atšaldyto vandens temperatūrai, bei aušyklėje ataušinto šilumnešio temperatūrai 34 C, šis koeficientas didesnis už 1. Tokios šio rodiklio reikšmės rodo didesnį adsorbcinio šilumos tranformatoriaus elektrinį efektyvumą nei tradicinio kompresorinio įrenginio. Padėkos Autoriai dėkoja už pagalbą VGTU Civilinės inžinerijos mokslo centro Pastato energetikos ir mikroklimato sistemų laboratorijai. 5 pav. COP ir Qv priklausomybė nuo T3 45

5 Literatūra Askalany, A. A.; Saha, B. B.; Kariya, K.; Ismail, I. M.; Salem, M.; Ali, A. H. H.; Morsy, M. G Hybrid adsorption cooling systems: an overview, Renewable and Sustainable Energy Reviews 16(8): (žiūrėta ). Prieiga per internetą: article/pii/s Koch, L; Wiemken, E; Nienborg B SorTech package solution description (SorTech sprendimo paketų aprašymas) Freiburg: Fraunhofer ISE. (žiūrėta ). Prieiga per internetą: docs/d44_sortech_v02_english.pdf Saha, B. B., et al Evaluation of minimum desorption temperatures of thermal compressors in adsorption refrigeration cycles, International Journal of Refrigeration 29(7): (žiūrėta ). Prieiga per internetą: Wang, D. C., et al Study of a novel silica gel water adsorption chiller. Part I. Design and performance prediction, International Journal of Refrigeration 28(7): (žiūrėta ). Prieiga per internetą: AN EXPERIMENTAL EFFICIENCY STUDY OF ADSORPTION HEAT TRANSFORMER IN LITHUANIA S CLIMATICAL CONDITIONS T. Puidokas, D. Biekša Summary An experimental study of the effectiveness (eficiency) for SorTech AG manufacturers ACS 08 adsorption heat transformer, cooling capacity 8 k W, installed in VGTU s laboratory of building energy and microclimate systems is performed in this article. The theoretical operations basis of ACS 08 adsorption heat transformer, methodics of energy balancing and efficiency calculation are presented. ACS 08 dependence of efficiency coefficient from in cooling towers cooled temperature of coolant and constant temperature of coolant water and glycol mixture is investigated, when the heat source temperature is constant. Statistical analysis of the collected data are performed and conclusions are presented. Keywords: Adsorption heat transformer, efficiency coefficient (COP), adsorption, cool and heat, use of solar thermal system. 46