ANALIZA EXPERIMENTALA A PERFORMANTELOR UNor INSTALATII CU ABSORPTIE UTILIZAND AGENT INCALZITOR CU TEMPERATURA SCAZUTA IN DIFERITE CONDITII DE LUCRU

Transcription

1 ANALIZA EXPERIMENTALA A PERFORMANTELOR UNor INSTALATII CU ABSORPTIE UTILIZAND AGENT INCALZITOR CU TEMPERATURA SCAZUTA IN DIFERITE CONDITII DE LUCRU Prof. dr. ing. DRAGOS HERA UTCB, heradragos@yahoo.com Sef lucr. drd. ing. ALINA GIRIP, UTCB, agirip4@yahoo.com Abstract Air-conditioning systems in use are most often built around a vapor compression systems (split and multisplit system) or indirect vaporization (the chilled water used in local or district cooling for treatment air). The disadvantages of the systems is the higher demand of energy in during the summertime and loading of the buildings front with the external units. Therefore is important to find the different alternative methods to resolve this problems (in finally to have a lower value of the demand energy and pleasant architectural appearance). Absorption refrigerantion system (ARS) rezolve this necessity using the thermal energy (hot water) can be waste product for electrical energy in thermo-electric power station (CTE). In the present work is presented the experimental research on absorption machine use to determine the minimal temperature of the heat source when the machine will work efficiency so that the chilled water temperature to have optimum value to use in air conditioning system. The coefficient of performance (COP) is examined at this condition (temperature heat source below 90C) for different evaporating temperature at evaporator and condensing temperature at condenser. Rezumat Climatizarea aerului este, de regula bazata pe instalatii frigorifice cu comprimare mecanica, cu vaporizare directa (sitem split si multisplit) sau indirecta (care prepara apa rece cu care aerul este tratat local sau centralizat). Dezavantajele acestor sisteme, legate de consumul mare de energie electrica, vara, si de incarcare a fatadelor cladirilor cu unitatile exterioare, impune gasirea unor alternative care sa nu consume energie electrica si care sa nu deranjeze arhitectura cladirii. Instalatiile frigorifice cu absorbtie pot rezolva aceasta cerinta, fiind alimentate cu energie termica (apa calda) care poate rezulta odata cu producerea energiei electrice intr-o CTE. In prezent in Romania, in sezonul cald, apa calda livrata de CTE la punctul termic cu temperatura de C serveste doar la producerea apei calde menajere pentru distributia centralizata. Utilizarea acestei ape calde pentru actionarea IFA poate constitui insa o problema, avand in vedere ca temperatura obisnuita pentru functionarea IFA este de cca C. In aceasta lucrare sunt prezentate rezultatele cercetarilor experimentale in vederea determinarii temperaturii minime a agentului incalzitor (incepand de la 90 C pana la o temperatura cat mai coborata), pastrand un interval de degazare de minim 5%, astfel incat instalatiile sa funtioneze continuu cu un COP convenabil, iar temperatura apei racite sa aiba valoarea suficienta introducerii in instalatiile de climatizare. 1. Introducere Instalatiile cu absorbtie de puteri mici existente comercializate sunt caracterizate de o dezvoltare lenta datorita competitiei intre sistemele frigorifice locale si centralizate cu comprimare mecanica. Totusi, IFA poate reprezenta cheia tehnologiei viitoare in Cogenerare sau

2 Trigenerare tinand cont de avantajele oferite de system (consum scazut de energie electrica de actionare, eliminarea unitatilor exterioare amplasate pe fatadele cladirilor, agent frigorific cu actiune nula asupra mediului). Primele echipamente care au aparut acum 150 de ani utilizau solutia amoniacala (NH 3 - H 2 O), agentul frigorific fiind amoniacul. Datorita toxicitatii amoniacului, aplicatiilor restrinse in care se poate utiliza acesta in domeniul tertiar, a determinat orientarea catre varianta in solutie LiBr- apa, dezvoltata in special dupa Aceasta instalatie a fost introdusa in aplicatiile pentru climatizarea cladirilor, birourilor etc datorita avantajelor multiple pe care le prezinta apa ca agent frigorific (transferul de caldura ridicat in procesul de vaporizare, nu este toxica sau cu exploziva, iar prin faptul ca nu necesita rectificarea vaporilor conduce la un COP mai mare). In ultimii ani, pe plan international, s-a observat crestere a interesului in utilizarea instalatiilor cu absorbtie, utilizand apa calda livrata de un CET cu temperaturi scazute. Cercetari referitoare la posibilitatea utilizarii acestor instalatii (limita minima a temperaturii de actionare, variatia puterilor termice ale aparatelor componente si a COP-ului in functie de aceasta temperatura) s-au desfasurat in cadrul UTCB - Laboratorul de Termotehnica, pe o instalatie pilot cu solutie bromura de Litiu-apa cu puterea frigorifica de 17.6 kw. Aparatura de masura amplasata a permis inregistrarea in timp real a parametrilor (temperatura si debit) circuitelor externe (apa calda, apa rece, apa de racire) conducand la determinarea puterilor termice ale aparatelor componente. 2. Descriere instalatie frigorifica Descriere stand experimental. Standul experimental cuprinde o instalatie cu absorbtie intr-o treapta functionand cu solutia LiBr-H 2 O, produsa de YAZAKI GROUP. Caracteristicile tehnice furnizate de producator sunt: puterea frigorifica a instalatiei: 17.6 kw, temperatura agent incalzitor la fierbator: 88/83 C, temperatura apa de racire la condensator si absorbitor: 31/35 C, temperatura apa racita la vaporizator: 12.5/7 C. Prin variatia temperaturii agentului incalzitor la intrarea in fierbator se urmareste evolutia temperaturiilor si debitelor pe circuitele externe ale sistemului (apa de racire, apa racita) Schema circuitelor externe. Instalatia cu absorbtie reprezinta partea centrala a schemei prezentata in figura 1, circuitele externe asigurand debite constant (atat pentru fluidul incalzitor cat si pentru apa rece sau de racier). Debitul de agent incalzitor la fierbator este de 40 l/min produs cu ajutorul unui circuit principal cu panouri solare si optional cu ajutorul unui cazn tip HOVAL ULTRA GAS 50. Circuitele de agent incalzitor sunt cuplate la un rezervor de stocare cu volumul de 4000 l. S-a adoptat schema unui sistem bivalent de preparare a apei calde, prin cuplarea sistemul solar (colectori cu sparafta de 66 m 2 )cu cazanul, astfel incat, in situatia in care temperatura apei din rezervor este mai mică decat cea necesara in fierbatorul maşinii cu absorbtie, intra in functiune cazanul de apa calda. Debitul apei de racire la abosrbitor are o valoare de 41.5 l/min si la condensator de 39.6 l/min, furnizata de un turn de racire cu capacitatea de 43 kw. Apa racita (debit de 25 l/min) obtinuta la vaporizator este livrata la consumatori (2 ventiloconvectoare fiecare de cca 9 kw).

3 Apa calda panou solar/ cazan tur Apa calda panou solar/ cazan retur Circuit apa rezervor de acumulare Apa calda pentru fierbator tur Apa calda pentru fierbator retur Apa de racire tur Apa de racire retur Apa rece pentru VC Apa rece de la VC Apa reziduala - Panou solar - Pompa agent intermediar - Vas de expansiune - Schimbator de caldura cu placi - Rezervor de acumulare apa calda - Cazan Ventiloconvector - Butelie de amestec - Instalatie frigorifica cu absorbtie - Turn de racire Fig. 1. Schema standului experimental Echipamentul de masura si achizitie de date. Sistemul de masura si de achizite a datelor este compus din: - debitmetru cu ultrasunete- utilizat pentru determinarea debitului de agent de incalzire la fierbator si a debitul de apa racita la vaporizator. Model SITRANS FUP 1010 Nema -1/IP40- SIEMENS. -debitmetru electronic pentru lichide cu USB pentru transmitere si stocare AHLBON tip FVA915VTH25 pe circuitele de apa de racire; termocuple cu teaca, montate pe conducte pentru masurarea temperaturii lichidelor, tip FT 0463 de la AHLBORN cu caracteristicile: clasa de toleranta: 1; -rezolutia: 0,1K; - acuratetea: ±0,05% din valoarea masurata; Toate marimile masurate sunt convertite intr-un semnal electric si elaborate in date de achizitii cu ajutorul unui data logger tip ALMEMO Version5, care ne permite sa vizualizam si sa memoram parametrii examinati. Datele pot fi vizualizate si pe un ecran LCD al

4 echipamentului in timpul functionarii instalatiei, apoi sunt inregistrate pe format coloane si importate in fisier excel pentru a fi interpretate. Lista paramaterilor inregistrati de data logger este prezentata in tabelul 1. Tabel 1. Parametrii achizitionati de sistem in timp real. t F,in ( C) t F,out ( C) t V,in ( C) t V,out ( C) t w1 ( C) t w2 ABS ( C) t w2 COND ( C) Q m, COND (l/min) Q m, ABS (l/min) Temperature tur agent incalzitor la fierbator Temperature retur agent incalzitor la fierbator Temperature tur agent racit la vaporizator Temperature retur agent racit la vaporizator Temperature tur agent de racire la condensator si absorbitor Temperature retur agent de racire la absorbitor Temperature retur agent de racire la condensator Debit apa de racire la condensator Debit apa de racire la absorbitor In timpul masuratorilor debitele din circuitele externe au fost mentinute constante si a fost variata doar temepratura tur agent incalzitor la fierbator Modul de masurare. Fiecare inregistrate a masuratorilor a fost facuta pe un interval mai mare de 6 h pentru a observa posibilele fluctuatii ale parametrilor termodinamici din timpul functionarii cu durata mai lunga de timp. Fiecare data a fost inregistrata la un interval de 1 min cu inregistrarea, stocarea si expunerea valorii intr-un fisier. Rezultatele masuratorilor au fost preluate pentru calcule dupa ce regimul de functionare a devenit stationar. 3. Rezultate 3.1. Analiza datelor In tabelul 2 se prezinta cateva date experimentale inregistrate. Odata cu cresterea temperaturii de intrare in fierbator, temperatura apei racite scade (figura 2). Tabel 2. Rezultatele masuratorilor. Temperatura ( C) Debite (l/min) t F,in t F,out t V,in t V,out t w1 t w2,cond t w2,abs Q m, F Q m, V Q m, ABS Q m, COND

5 Datele obtinute prin inregistrare arata ca temperatura de alimentare la condensator si absorbitor nu se modificata semnificativ odata cu variatia temperaturii agentului incalzitor. Rezultatele experimentale au aratat o functionare eficienta a instalatiei la temperaturi de C cu un COP acceptabil ca valoare ( ), in viitor putand implementa acest tip de instalatie intr-un punct termic astfel in sezonul cald sa obtinem si apa rece pentru climatizare, eliminand sistemle locale si centralizate (racitoare de lichid) existente deja pentru climatizare in cladirile din vecinatatea punctului termic. t_v_in ( C) Fig. 2. Temperatura tur agent racit vaporizator versus temepratura tur agent incalzitor Calculul performatei instalatiei frigorifice. Ecuatiile de bilant specifice fiecarui echipament din instalatie se prezinta mai jos: Q ABS+ QCOND = QV + QF (1) Q = Q ρ (t t ) (2) unde ρ reprezinta densitatea agentului. G m,g AI F,out F, in QV = Qm,V ρar (tv,in tv, out ) (3) QCOND = Qm,COND ρw (t w2,cond t w1) (4) QABS = Qm,ABS ρw (t w2,abs tw1) (5) Valorile masurate verifica relatia (1) cu erori ce nu depasesc valori 2.41%. Fluxurile termice la fierbator si vaporizator se modifica in sens descrescator odata cu scaderea temperaturii de alimentare fierbator de la C. La vaporizator avem o scadere de 22% a puterii frigorifice (de la la kw) si la fierbator o scadere de 40% (de la la kw), in aceste conditii, COP creste cu 23% (de la 0.52 la 0.68). In figurile 3 si 4 se prezinta variatiile puterii frigorifice, fluxului termic la fierbator si COP odata cu variatia temperaturii tur agent incalzitor.

6 Q_F_exp (kw) Q_V_exp (kw) (kw) Fig. 3. Variatia fluxurilor termice la vaporizator si fierbator versus temperature tur agent incalzitor. 0.8 COP COP(-) Fig. 4. Variatia COP cu temperatura tur agent incalzitor. 4. Modelarea matematica. Modelul a fost scris cu ajutorul programului EES (Engeneering Equation Solver). Cu ajutorul modelului putem detrmina parametrii termodinamici (presiune, concentratie, entalpie etc) pentru fiecare stare din sitem si pentru fiecare echipament component al instalatiei (fierbator, condensator, absorbitor, vaporizator) folosind ca date de intrare temperaturiile agentilor de lucru si debitele din circuitele externe. Pentru validarea modelului mathematic s-au determinat experimental fluxurile termice ale aparatelor. In tabelul 3 sunt prezentate datele obtinute in urma rularii modelului matematic: concentratiile solutiei diluate si concentrate, factorul de circulatie, fluxurile termice la fierbator si generator pentru cateva date experimentale inregistrate. Din tabelul 3 se observa diferente intre valorile obtinute in urma simularii si cele experimentale, diferente mici ce valideaza modelul matematic. COP experimental are valori mai scazute decat cele obtinute din simulare datorita eficientei scazute a vaporizatorului in timpul

7 procesului corespunzator, justificata prin absenta pompei de recirclare agent frigorific (apa). Astfel efectul frigorific este mai scazut avand in final o putere frigorifica mai mica. Tabel 3. Valorile concentratiilor solutiei, a factorul de circulatie si a fluxurilor termice la vaporizator si fierbator. Masurat Calculate cu modelul matematic Calculate din datele t F,in x dilute (%) x concentrated (%) experimentale f Q G (kw) Q V (kw) Q G (kw) Q V (kw) Q_F_sim (kw) Q_F_exp (kw) (kw) Fig. 5. Flux termic fierbator date experimentale versus modelare matematica. In figurile 5 si 6 se prezinta comparativ datele experimentale cu cele din simularea matematica pentru fluxul termic la fierbator si puterea frigorifica. Se observa ca eroarea este mai pronuntata la temperatura mai ridicata a agentului incalzitor. 5. Concluzii Instalatia experimentala a fost realizata pentru a studia functionarea unei instalatii cu absorbtie intr-o treapta cu solutie LiBr-H 2 O. Odata cu variatia temperaturii agentului incalzitor

8 Q_V_sim (kw) Q_V_exp (kw) (kw) Fig. 6. Puterea frigorifica date experimentale versus modelare matematica. ce alimenteaza fierbatorul s-a studiat modificarile ce apar pe partea temperaturiilor circuitelor externe (apa racita, apa de racire). Datele experimentale au aratat o buna functionare a instalatiei la temperaturi cuprinse intre C cu un COP de peste Temperatura minima a agentului incalzitor la fierbator obtinuta experimental in timpul unei functionare eficiente a sistemului a fost de 75.6 C. La scaderea temperaturii agentului incalzitor se remarca o crestere a temperaturii apei racite si o usoara reducere a puterii frigorifice realizate, conducand la o reducere a puterii fierbatorului si la cresterea in final a COP. Datele experimentale valideaza modelul matematic utilizat ata pentru fierbator cat si pentru vaporizator. O diferenta mai accentuata se inregistreaza la valori ridicate ale temperaturii agentului incalziotr (maxim 10%). Bibliografie [1]. Hera, Dr., Girip, A. Racirea centralizata a locuintelor urbane, (A 42-a conferinta nationala de instalatii Instalatii pentru mileniul trei, Sinaia, ctombrie 2007) p [2]. Shun-Fu Lee and S. A. Sherif Thermodynamic analysis of a lithium bromide/water absorption system for cooling and heating applications, Inter. J. Refrig. 2001, 25, [3]. ASHRAE handbook, Fundamentals, [4]. ***YAZAKI Specifications WFC SC5 Version 1. [5]. Hera, Dr., Girip, A. Instalatii frigorifice. Vol. 2. Scheme si cicluri frigorifice, Ed. Matrix Rom, Buc., ISBN , [6]. ***EES soft programs. [7]. Y. Kaita Thermodynamic properties of lithium-bromide-water solutions at high temperature, Intern. J. Refrig. 2001, 24, pg [8]. Khalid A. Joudi, Ali H. Lafta Simulation of a simple absorbtion refrigeration system, Energy Conversion and Management number 41, 2001, pg [9]. F. Asdrubali, S. Grignaffini Experimental evaluation of the performances of a H 2 O LiBr absorption refrigerator under different service conditions, Intern. J. Refrig. 2005, 28,