Analiza efektywności energetycznej krążkowej konstrukcji wymiennika ciepła

wykorzystany do przeprowadzenia symulacji pracy krążkowej konstrukcji. W trakcie analiz CFD wprowadzano modyfikacje w budowie zaprojektowanego wymiennika, których celem była poprawa warunków wymiany ciepła pomiędzy medium roboczym, a sorbentem zamkniętym w krążkach. Analizy numeryczne w pierwszym etapie były ukierunkowane na

99 ocenę wpływu konfiguracji krążków adsorpcyjnych w obszarze kolektora wlotowego/wylotowego na charakter przepływu medium chłodzącego/grzewczego po zewnętrznej stronie cylindrycznej powierzchni wymiany ciepła, czyli w przestrzeni płaszcza wodnego. Przeprowadzenie tych symulacji było konieczne w celu opracowania parametrów charakterystycznych budowanego prototypu. Analizy numeryczne pozwoliły przeprowadzić wstępne badania, ukierunkowane na optymalizację geometrii prototypu bez konieczności budowy wielu fizycznych modeli i przeprowadzania czasochłonnych i kosztochłonnych eksperymentalnych testów eliminacyjnych. Efektem analiz CFD było opracowanie zestawu wytycznych projektowych fizycznej konstrukcji, która została wykorzystana do kolejnego etapu optymalizacji krążkowej konstrukcji złoża adsorpcyjnego.

Analizom poddano różne warianty konstrukcji kolektorów wlotowych/wylotowych złoża, biorąc pod uwagę rozstaw krążków w tym obszarze wymiennika ciepła. Kąt rozwarcia obudowy w sąsiedztwie kanału wlotowego/wylotowego regulowany był przez rozstaw krążków. Sposób rozmieszczenia cylindrycznych powierzchni wymiany ciepła, szczególnie w obszarze wlotowym, ma kluczowy wpływ na równomierne rozprowadzenie medium grzewczego lub chłodzącego, co determinuje efektywność wymiany ciepła pomiędzy wodą, a sorbentem zamkniętym w cylindrycznych elementach. Na rysunku 47 przedstawiono wybrane konfiguracje kolektorów wlotowych/wylotowych poddane analizom.

Rys. 47. Analizowane konstrukcje przestrzeni wlotowej/wylotowej do krążkowej konstrukcji złoża adsorpcyjnego

Dla każdej konfiguracji zastosowano stałe wartości poszczególnych wymiarów charakterystycznych, aby precyzyjnie określić wpływ budowy kolektora wlotowego/wylotowego rozmieszczenia na charakter przepływu:

 średnica krążka: Dwew = 39 mm; Dzew = 42 mm;  wysokość krążka: H = 36 mm;

100 Na wlocie zdefiniowano warunek brzegowy mass-flow-inlet i ustalono strumień masy medium przepływowego o parametrach fizycznych wody, które zestawiono w tabeli 15. Na wylocie z wymiennika zdefiniowano warunek pressure-outlet. Poszukiwany był układ cylindrycznych powierzchni wymiany ciepła, który charakteryzował się najbardziej jednolitym profilem rozkładu prędkości, pozbawionym rozległych obszarów stagnacji medium przepływowego. Takie obszary wpływają negatywnie na proces przenikania ciepła przez cylindryczną przegrodę wypełnioną sorbentem. Analizy dokonano na podstawie prędkości znormalizowanej (relative velocity) (42), która wyraża stosunek lokalnej prędkości medium przepływowego od zadanej prędkości na wlocie:

𝑣

𝑣_𝐼𝑁 ^{= 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑒 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑡𝑦 (42)}

Na rysunku 48 przedstawiono otrzymane rozkłady prędkości dla trzech badanych konstrukcji złoża krążkowego. Konfiguracja krążków A spowodowała skierowanie głównego strumienia wody grzewczej/chłodzącej pomiędzy dwa pierwsze adsorpcyjne elementy krążkowe, umieszczone bezpośrednio w przestrzeni wlotowej. Jest to najbardziej niekorzystny układ, ponieważ woda gorąca nierównomiernie opływa cylindryczne ścianki wymiennika ciepła. W konsekwencji adsorpcyjne elementy krążkowe umieszczone po zewnętrznych stronach złoża znajdują się w obszarach stagnacji przepływu. Zatem w takiej konfiguracji procesy sorpcyjne w krążkach zachodzą niejednolicie, a ponadto istnieje ryzyko, że sorbent w krążkach zewnętrznych nie zostanie zregenerowany, co może prowadzić do utraty stabilnej wartości generowanej mocy chłodniczej CC urządzenia z zaimplementowaną cylindryczną konstrukcją złóż, a tym samym do pogorszenia efektywności energetycznej chłodziarki. Analiza konstrukcji A (rys. 48) wskazuje, że bezpośrednio w przestrzeni wlotowej należy umieścić krążkowy element adsorpcyjny, który poprawi rozprowadzenie medium w całej objętości płaszcza wodnego wymiennika. Taki pożądany profil prędkości znormalizowanej uzyskano dla konfiguracji B i C (rys. 48). Jednocześnie z analizy rys. 48 wynika, że konfiguracja C kolektora wlotowego/wylotowego, pozwala w znacznym stopniu usunąć nierównomierność w rozpływie medium roboczego. Ponadto ten układ zapewnia kompaktowość konstrukcji chłodziarki, ponieważ kształt rzutu tego układu jest zbliżony do prostokąta, co gwarantuje lepsze wypełnienie krążkowymi elementami adsorpcyjnymi zajmowanej przez sekcję sorpcyjną objętości. Wpłynie to pozytywnie na możliwości aplikacji tej konstrukcji do przemysłowego agregatu chłodniczego, którego podstawową wadą są duże gabaryty.

101

Rys. 48. Rozkład prędkości znormalizowanej do zadanej prędkości medium przepływowego na wlocie, dla trzech konfiguracji krążkowej konstrukcji złoża adsorpcyjnego

W efekcie przeprowadzonych symulacji numerycznych wskazano konfigurację C do kolejnego etapu badań wdrożeniowych, Zmodyfikowana konstrukcja złoża adsorpcyjnego o krążkowej budowie przedstawiona została na rysunku 49.

102

Rys. 49. Schemat zmodyfikowanej krążkowej konstrukcji złoża adsorpcyjnego.

Konfigurację krążkowych wymienników ciepła przedstawioną na rysunku 49 wykorzystano do budowy fizycznego prototypu opracowanego złoża adsorpcyjnego w skali laboratoryjnej. Zastosowanie modelowania CFD w pierwszym etapie prototypowania innowacyjnej konstrukcji pozwoliło wyselekcjonować jej podstawowe parametry oraz wskazać kierunki dalszych modyfikacji. Dzięki temu znacząco obniżono czasochłonność procesu wdrażania nowego projektu, którą charakteryzuje się etap budowy wielu fizycznych modeli. Prototypową konstrukcję złoża adsorpcyjnego w fazie budowy przedstawia rysunek 50.

Rys. 50. Konstrukcja fizycznego prototypu krążkowej konstrukcji złoża adsorpcyjnego

Wymiennik ciepła wykonany został z miedzi, gwarantującej bardzo dobre warunki wymiany ciepła. Prototyp krążkowej konstrukcji wyposażono w aparaturę pomiarową, która pozwala na analizę procesów transportu ciepła w jego objętości oraz ocenę wpływu poszczególnych warunków cyklu pracy, na efektywność energetyczną analizowanej

103 konstrukcji. Schemat przekroju zbudowanego prototypu eksperymentalnego przedstawiono na rysunku 51.

Rys. 51. Widok przekroju prototypu eksperymentalnego krążkowej konstrukcji złoża adsorpcyjnego z oznaczonymi czujnikami pomiarowymi oraz obiegami pary wodnej i wody chłodzącej/grzewczej złoże, gdzie: 1 – króciec dolotowy (obieg wody); 2,4 – czujniki temperatury wody zasilającej, odpowiednio w przekroju wlotowym i wylotowym; 3 – króciec wylotowy (obieg wody); 5,6 – króciec dolotowy i wylotowy (obieg pary wodnej); 7 – króciec przyłączeniowy do pompy

próżniowej w kolektorze wylotowym; 8 – czujnik temperatury wewnątrz krążka z sorbentem; 9 – czujnik temperatury wewnątrz płaszcza wodnego; 10 – kolektor zbiorczy pary (wylot); 11 – kolektor

zbiorczy pary (wlot); 12, 13 – siatka osłaniająca odpowiednio otwór wlotowy i wylotowy krążków z sorbentem; 14 – sorbent; 15 – płaszcz wodny wymiennika ciepła.

Prototyp złoża posiada czujniki do pomiaru temperatury PT-100 dwuprzewodowe, o zakresie pomiarowym od – 50°C do + 150°C i dokładności pomiarowej ± 0,1°C. Sondy pomiarowe zostały zainstalowane w krążkach z sorbentem oraz w przestrzeni, w której przepływa woda chłodząca/ogrzewająca ścianki zewnętrzne krążkowych elementów sorpcyjnych (w płaszczu wodnym wymiennika ciepła), jak również w kanale wlotowym i wylotowym wymiennika ciepła, przez który odpowiednio wpływa i wypływa woda zasilająca złoże krążkowe. Schemat rozmieszczenia sond do pomiaru temperatury przedstawia rysunek 52.

104

Rys. 52. Schemat rozmieszczenia czujników temperatury PT-100 w prototypie eksperymentalnym, kolorem czerwonym oznaczono czujniki zainstalowane w obiegu wody gorącej,

a niebieskim w obiegu wody zimnej.

Do akwizycji danych pomiarowych wykorzystano kartę pomiarową ADAM-4015 firmy Advantech. Wartości temperatur z poszczególnych punktów pomiarowych rejestrowane były z częstotliwością 1 Hz. Przepływ masowy wody gorącej przez wymiennik ciepła rejestrowany był za pomocą turbinowego przepływomierza wody o dokładności pomiarowej ± 2% i zakresach pomiarowych od 0,5 – 12 do 3 - 80 l/min. Zbudowany i opomiarowany prototyp przedstawiony na rysunku 53, wykorzystano w badaniach eksperymentalnych, celem weryfikacji sprawności konstrukcji krzyżowo-prądowego wymiennika ciepła. Analiza wartości ∆T po stronie wody grzewczej i chłodzącej oraz analiza rozkładu pola prędkości medium przepływowego w obszarze płaszcza wodnego, to podstawowe parametry oceny sprawności procesów cieplnoprzepływowych, która decyduje o możliwości efektywnej implementacji innowacyjnego złoża do przemysłowych agregatów.

105

Rys. 53. Prototyp eksperymentalny krążkowej konstrukcji złoża adsorpcyjnego z oznaczonymi obiegami wody gorącej i chłodzącej

Badania eksperymentalne efektywności procesów wymiany ciepła przeprowadzono w układzie krzyżowo-prądowym. Na rysunku 53 oznaczono kanały wlotowe i wylotowe dla zamkniętego obiegu wody gorącej HW i otwartego obiegu wody chłodzącej CW. Parametry wejściowe eksperymentu przedstawiono w tabeli 18.

Tab.18. Parametry wejściowe badań eksperymentalnych krążkowej konstrukcji złoża

Parametr Wartość

Temperatura wody gorącej, HW IN [°C] 65,0

Temperatura wody chłodzącej, CW IN [°C] 20,9

Strumień masy HW [kg/s] 0,0325

Strumień masy CW [kg/s] 0,0330

Otrzymane wyniki badań eksperymentalnych oraz analiz numerycznych prototypu krążkowej konstrukcji złoża zestawiono w tabeli 19.

106

Tab.19. Wyniki badań eksperymentalnych i analiz numerycznych konstrukcji krążkowej, gdzie CW to obieg wody chłodzącej, HW to obieg wody gorącej oznaczony kolorem czerwonym

Czujniki PT-100 CFD [°C] EKSPERYMENT [°C] Błąd względny [%]

CW IN 20,9 20,9 - CW OUT 35,4 34,8 1,72 HW IN 65,0 65,0 - HW OUT 50,3 51,1 1,57 1 37,8 36,1 4,71 2 39,1 41,4 5,56 3 61,8 61,1 1,15 4 37,4 38,6 3,11 5 60,3 61,1 1,31 6 55,4 54,1 2,40 7 55,8 54,4 2,57 8 34,0 33,3 2,10 9 33,8 34,4 1,74 10 52,7 53,9 2,23 11 34,8 35,5 1,97 12 50,6 52,1 2,88 13 35,5 36,1 1,66 14 34,8 36,3 4,13

Dla badanej krążkowej konstrukcji wymiennika ciepła w układzie krzyżowo-prądowym otrzymano następujące wartości ∆T:

 dla obiegu wody gorącej: 14,7°C  dla obiegu wody chłodzącej: 14,5°C

Na podstawie danych eksperymentalnych zawartych w tabeli 19, obliczono zgodnie z równaniem (26), wartość średniej logarytmicznej różnicy temperatur dla badanej konstrukcji, która wyniosła LMTD = 27,94°C. Dla analizowanego przypadku wymiennika krzyżowo-prądowego w obliczeniach LMTD należy uwzględnić odpowiedni współczynnik korekcyjny, który wyznaczono z zależności (43) i (44) [133]:

107 𝑃 = ^𝑇𝐻𝑊𝑂𝑈𝑇− 𝑇_{𝐻𝑊𝐼𝑁} 𝑇_{𝐶𝑊𝐼𝑁}− 𝑇_{𝐻𝑊𝐼𝑁} ^{= 0,32} 𝑅 = ^𝑇𝐶𝑊𝐼𝑁− 𝑇_{𝐶𝑊𝑂𝑈𝑇} 𝑇_{𝐻𝑊𝑂𝑈𝑇}− 𝑇_{𝐻𝑊𝐼𝑁} ^{= 1,0} (43) (44)

Współczynnik korekcyjny F przyjmuje wartości z zakresu ≤ 1 i odczytujemy go z wykresu 54.

Rys. 54. Tablica korekcyjna LMTD dla krzyżowo-prądowej konstrukcji wymiennika ciepła [133]

Dla innowacyjnej krążkowej konfiguracji, która jest przedmiotem niniejszej pracy, współczynnik korekcyjny odczytany z rysunku 54 wyniósł F = 0,97, a zatem efektywna wartość LMTD wynosi 27,10°C. Otrzymana wartość F zbliżona do wartości 1, potwierdza opracowanie wymiennika ciepła o wysokiej sprawności, który z powodzeniem może zostać wykorzystany do budowy adsorpcyjnych złóż. Istotną zaletą opracowanej konstrukcji jest możliwość regulowania rozmiarów pojedynczych elementów krążkowych oraz całych zespołów adsorpcyjnych umożliwiając manipulowanie pożądaną mocą chłodniczą urządzenia. Weryfikacja sprawności krążkowego wymiennika ciepła pozwoliła na opracowanie założeń do jego przemysłowej implementacji w adsorpcyjnym urządzeniu chłodniczym, co zaowocowało przygotowaniem zgłoszenia patentowego opisanego w dalszej części pracy.

Innowacyjna konstrukcja wymiennika ciepła zweryfikowana została w układzie woda-woda. Zgodnie z wytycznymi zawartymi w pracach [133, 134], wstępna ocena

108 sprawności konstrukcji wymiennika ciepła powinna opierać się na wyznaczeniu wartości parametru LMTD, który jest właściwy dla pracy wymiennika w stanie ustalonym oraz pozwala na obliczenie rzeczywistych wartości pozbawionych błędów tylko w przypadku braku generacji ciepła utajonego związanego z przemianą fazową przepływających czynników. W związku z powyższym, analizy numeryczne również przeprowadzone zostały dla standardowego modelu wymiany ciepła bez implementacji modelu sorpcji, który został już wcześniej zwalidowany i zaprezentowany przez autorkę w pracach [106, 115, 129]. Takie podejście umożliwiło uniknięcie wprowadzenia dodatkowych błędów związanych z jednoczesną implementacją modelu sorpcji.

Uzupełnieniem empirycznej weryfikacji krążkowej konstrukcji wymiennika ciepła jest przeprowadzona analiza numeryczna dla warunków eksperymentalnych z tabeli 18. Geometrię 3D modelu numerycznego adsorpcyjnej konstrukcji zbudowano w oparciu o parametry fizycznego prototypu przedstawionego na rysunku 52. Domena obliczeniowa składała się z trzech korespondujących subdomen reprezentujących odpowiednio metal, objętość wody gorącej i objętość wody chłodzącej. Warunki brzegowe zaimplementowane zostały z pierwszego etapu badań numerycznych, które opisano w rozdziale 11.3. Na rysunku 55 przedstawiono wyniki symulacji numerycznych w postaci pola temperatury dla obiegu wody gorącej i chłodzącej badanego wymiennika ciepła.

109 Różnice temperatur w pobliżu przestrzeni wlotowej i wylotowej wyraźnie wskazują na wysoką efektywność odbioru ciepła przez cylindryczne ścianki elementów adsorpcyjnych. Zestawienie wyników analiz numerycznych i badań eksperymentalnych w tabeli 19 wskazuje na bardzo dobrą zgodność przeprowadzonych obliczeń numerycznych w odniesieniu do testów eksperymentalnych. Maksymalna wartość błędu względnego nie przekraczała 5,56%. Nieznaczne różnice otrzymanych temperatur dla poszczególnych czujników PT-100 wynikają z pętli histerezy stabilizatora wody gorącej wykorzystywanego w badaniach fizycznego prototypu, której konsekwencją były wahania temperatury wody gorącej na wlocie w granicach ± 0,5°C. Natomiast po stronie symulacji numerycznych, błędy generowane są przez występowanie niestabilności numerycznych oraz zaokrągleń w algorytmie iteracyjnym programu Ansys Fluent.

Ponownie potwierdzono przydatność numerycznych narzędzi do projektowania i przeprowadzania wstępnych weryfikacji sprawności opracowanych innowacyjnych konstrukcji wymienników ciepła będących kluczowym elementem złóż adsorpcyjnych. W związku z tym, dzięki wykorzystaniu symulacji numerycznych CFD, czas potrzebny od opracowania projektu do przemysłowego wdrożenia nowej konstrukcji można znacząco zredukować, a ponadto obniżyć kosztochłonność całego procesu weryfikacji opracowanych innowacyjnych projektów.

Na podstawie przeprowadzonej analizy przedmiotowej literatury, przeglądu międzynarodowych baz patentowych oraz konsultacji z rzecznikami patentowymi stwierdzono, że opracowana konstrukcja złoża adsorpcyjnego jest nowym rozwiązaniem technicznym w skali światowej. W związku z tym przygotowane zostały założenia techniczne i technologiczne instalacji adsorpcyjnej wyposażonej w sekcję sorpcyjną o krążkowej budowie i stanowią one przedmiot zgłoszenia patentowego, które zarejestrowano w Urzędzie Patentowym RP w dniu 11.08.2017 r. pod nazwą „Adsorpcyjne Urządzenie Chłodnicze” wraz z nadaniem numeru P.422532. Pierwszy raport ze stanu techniki otrzymany z Urzędu Patentowego potwierdził innowacyjność opracowanego rozwiązania. Obecnie zgłoszony wynalazek jest już opublikowany w Biuletynie Informacji Urzędu Patentowego. Schemat chłodziarki adsorpcyjnej z zaimplementowaną krążkową konstrukcją złóż adsorpcyjnych, która jest przedmiotem zgłoszenia patentowego przedstawia rysunek 56.

110

Rys. 56. Schemat chłodziarki adsorpcyjnej z krążkową konstrukcją złóż; gdzie 1 – kolektor wody chłodzącej/grzewczej, 2 – krążkowy zespół adsorpcyjny, 3 – przestrzeń parowa

Podobnie jak w konwencjonalnym agregacie, tak i w adsorpcyjnym urządzeniu chłodniczym o krążkowej budowie złóż, podstawowym elementem roboczym jest sekcja sorpcyjna połączona ze skraplaczem i parownikiem poprzez zawory odcinające parę. Każda sekcja sorpcyjna składa się z krążkowych zespołów adsorpcyjnych, które wyposażone są w kanały do doprowadzenia i odprowadzenia medium roboczego. Kolejne zespoły adsorpcyjne oddzielono komorami parowymi, które służą do równomiernego rozprowadzenia pary do wszystkich krążków wypełnionych sorbentem. Wlot i wylot krążków adsorpcyjnych ograniczony jest siatką, zabezpieczającą przed ubytkiem sorbentu, a jednocześnie pozwalającą transportować parę wodną do kolejnych zespołów adsorpcyjnych. Rozwiązanie według wynalazku tworzy modułową konstrukcję sekcji sorpcyjnych, która umożliwia montaż w dowolnej konfiguracji (poziomej lub pionowej), kolejnych zespołów adsorpcyjnych w zależności od uwarunkowań i ograniczeń miejsca instalacji urządzenia oraz wymagań co do pożądanej mocy chłodniczej. Dzięki temu możliwe stało się umieszczenie sekcji sorpcyjnej urządzenia poza kubaturą użytkową obiektów, w których są wykorzystywane agregaty chłodnicze, tzn. w stropie lub w ścianach pomieszczeń. W konsekwencji powstało rozwiązanie pozwalające znacząco zmniejszyć przestrzeń potrzebną do montażu i prawidłowej eksploatacji urządzenia. Opracowana konstrukcja umożliwi rozszerzenie rynku potencjalnych nabywców adsorpcyjnego chłodu, a w konsekwencji pozwoli zmniejszyć zapotrzebowanie na energię elektryczną do celów klimatyzacyjnych, na korzyść utylizacji niskotemperaturowych źródeł energii cieplnej, których dostępność w Polsce potwierdzono w rozdziale 4.3.2.

111

Wnioski

Celem niniejszej pracy doktorskiej było przeprowadzenie analizy metod intensyfikacji transportu ciepła i masy w złożu sorbentu. Analiza ta stanowiła podstawę do opracowania innowacyjnych konstrukcji złóż adsorpcyjnych, pozwalających osiągnąć podwyższoną efektywność energetyczną chłodniczego agregatu adsorpcyjnego. Zrealizowane badania eksperymentalne i numeryczne potwierdziły stawiane w niniejszej pracy doktorskiej tezy.

Przeprowadzony przegląd eksploatowanych konstrukcji złóż adsorpcyjnych wykazał, że kluczowy wpływ na procesy transportu ciepła w złożu mają warunki przejmowania ciepła w bezpośrednim sąsiedztwie powierzchni wymiennika, cechujące się niskim współczynnikiem przewodności cieplnej usypanego sorbentu. Na podstawie powyższych wniosków wskazano efektywne metody podnoszenia sprawności cyklu roboczego chłodziarki adsorpcyjnej, które następnie zostały zbadane w części eksperymentalnej i stanowiły podstawę do wykonanych modyfikacji geometrii złóż.

Przeprowadzona analiza metod intensyfikacji transportu ciepła i masy oraz badania eksperymentalne pozwoliły na opracowanie unikatowego modelu numerycznego złoża adsorpcyjnego z wykorzystaniem metod CFD (Computational Fluid Dynamics). Zbudowany model umożliwił efektywne zaprojektowanie innowacyjnej konstrukcji złoża o podwyższonej efektywności energetycznej. Wykorzystane, unikatowe stanowisko badawcze stanowił trójzłożowy, chłodniczy agregat adsorpcyjny zintegrowany z funkcją odsalania wody, zlokalizowany w Centrum Energetyki Akademii Górniczo-Hutniczej im. Stanisława Staszica w Krakowie. W oparciu o przebiegi temperatur, zarejestrowane w cyklu roboczym złoża adsorpcyjnego, zdefiniowano matematyczną zależność intensywności procesów sorpcyjnych od lokalnej temperatury w złożu. Zaimplementowanie tej korelacji w komercyjnym oprogramowaniu do opisania termodynamicznych właściwości objętości sorpcyjnej, wymagało rozbudowania dostępnych w programie Ansys Fluent 19.2 modeli obliczeniowych. Powyższą modyfikację zestawu równań zachowania energii zrealizowano poprzez opracowanie autorskiej funkcji własnej użytkownika – UDF. Przeprowadzone symulacje numeryczne dla warunków eksperymentalnych pozwoliły na walidację zaproponowanego modelu. Opracowany model numeryczny pozwala na prowadzenie symulacji pracy złoża adsorpcyjnego oraz na realizację wstępnej weryfikacji sprawności modyfikowanych konstrukcji wymienników ciepła, bez konieczności wprowadzania wielu modyfikacji na fizycznych prototypach. Rozbudowane badania

112 eksperymentalne, bez wstępnej analizy CFD, znacznie wydłużają czas i zwiększają potrzebne nakłady finansowe na etapach od powstania koncepcji nowej konstrukcji złoża aż do jej przemysłowego wdrożenia. Tym samym potwierdzono, że modelowanie numeryczne może być użytecznym narzędziem stosowanym przez inżynierów do szybkiego prototypowania konstrukcji złóż adsorpcyjnych, ograniczając czas i koszty generowane przez zaawansowane badania eksperymentalne. Dzięki wstępnym analizom numerycznym możliwe jest wyselekcjonowanie do badań eksperymentalnych konstrukcji o obiecujących parametrach, ponieważ głównym celem wykorzystywania zaawansowanego oprogramowania do analiz CFD w przemyśle, jest przede wszystkim walidacja pomysłów inżynierów pracujących na co dzień w działach R&D (Research and Development).

W ramach realizacji niniejszej pracy doktorskiej zdefiniowano założenia konstrukcyjne krążkowego wymiennika ciepła, dedykowanego do budowy złóż adsorpcyjnych, który osiągnął wysoką sprawność. Zaproponowana, innowacyjna konstrukcja złoża adsorpcyjnego jest przedmiotem zgłoszenia patentowego „Adsorpcyjne urządzenie chłodnicze” o numerze P.422532, zarejestrowanego w Urzędzie Patentowym Rzeczypospolitej Polskiej w dniu 11.08.2017 r.

W pracy przedstawiono też analizę ekonomiczną eksploatacji agregatu adsorpcyjnego, przeznaczonego do celów klimatyzacyjnych, odniesioną do warunków klimatycznych panujących w Polsce. Analiza ta jednoznacznie wskazała na możliwość znaczącego ograniczenia zapotrzebowania na energię elektryczną w okresie letnim, wykorzystywaną w celach klimatyzacyjnych. Wynika to z zagospodarowania niskotemperaturowych źródeł energii cieplnej do zasilania chłodniczych agregatów adsorpcyjnych. W pracy omówiono również warunki eksploatacji chłodniczego agregatu adsorpcyjnego, konieczne do osiągnięcia rentowności tej instalacji. Ostateczny dobór odpowiedniego źródła energii cieplnej do zasilania planowanej instalacji adsorpcyjnej można przeprowadzić w oparciu o numeryczną analizę konstrukcji sekcji sorpcyjnej, która decyduje o całkowitej efektywności energetycznej sorpcyjnego agregatu chłodniczego.

Na podstawie analizy cyklu pracy chłodniczego agregatu adsorpcyjnego wskazano temperaturę wody zasilającej oraz konstrukcję wymienników ciepła jako kluczowe parametry wpływające na efektywność energetyczną tego urządzenia. Na bazie wykonanych badań eksperymentalnych zdefiniowano zależność mocy chłodniczej CC od temperatury wody gorącej wykorzystywanej do desorpcji złóż. Podwyższanie temperatury wody zasilającej agregat istotnie wpływa na wzrost generowanej mocy chłodniczej CC. Wyższa

113 temperatura wody gorącej pozwala lepiej zregenerować złoża adsorpcyjne, przed kolejnym cyklem adsorpcji. Jednocześnie zbyt duży wzrost temperatury wody gorącej bezpośrednio powoduje podniesienie mocy grzewczej HP agregatu, co wpływa negatywnie na ogólną sprawność urządzenia, opisaną współczynnikiem COP. W związku z tym dobór odpowiedniej temperatury wody gorącej należy skorelować z pożądaną znamionową mocą chłodniczą CC. Częściowo, spadek generowanej mocy chłodniczej CC podczas obniżania temperatury wody gorącej może zrekompensować regulacja strumienia masy wody lodowej oraz wody gorącej o niższych parametrach.

Sformułowane powyżej wnioski z przeprowadzonych badań eksperymentalnych oraz symulacji numerycznych potwierdzają realną możliwość przemysłowego wdrożenia na większą skalę niż dotychczas chłodniczych agregatów adsorpcyjnych. Urządzenia te w kontekście globalnej polityki zrównoważonego rozwoju stanowią ekologiczną alternatywę dla sprężarkowych urządzeń i wpisują się w propagowany obecnie, także w przemyśle energetycznym, trend „zero waste”, ponieważ technologia adsorpcyjna zakłada wykorzystanie do zasilania ciepła odpadowego oraz innych niskotemperaturowych źródeł energii.

114

Spis rysunków

Rys. 1. Źródła emisji gazów cieplarnianych i innych szkodliwych substancji (CO2, NOx, CH4, CFC) w Europie; źródło: opracowanie własne na podstawie raportów Eurostat [3, 4]

Rys. 2. Źródła emisji CO2 w Polsce; źródło: opracowanie własne na podstawie raportu Eurostat i GUS [3, 5]

Rys. 3. Udział energii z OZE w ostatecznym zużyciu energii brutto w wybranych krajach UE; opracowanie własne na podstawie raportów Eurostat i GUS [4, 5]

Rys. 4. Zapotrzebowanie na energię elektryczną i energię cieplną w ciągu roku dla budynku biurowego [5, 6]

Rys. 5. Schemat blokowy poszczególnych prac wykonanych w ramach badań Rys. 6. Schemat sprężarkowego urządzenia chłodniczego

Rys. 7. Schemat pracy chłodziarki absorpcyjnej

Rys. 8. Schemat dwuzłożowej chłodziarki adsorpcyjnej, gdzie: HW – obieg wody gorącej, CW – obieg wody chodzącej, ChW – obieg wody lodowej

Rys. 9. Schemat zmian ciśnienia i temperatury w cyklu pracy złoża

Rys. 10. Udział kogeneracji w ogólnej produkcji ciepła w poszczególnych województwach [66]

Rys. 11. Schemat procesu adsorpcji fizycznej

Rys. 12. Przebieg izotermy według równania stanu Tótha Rys. 13. Schemat struktury szkieletu żelu krzemionkowego [28]

Rys. 14. Schemat warstwy przyściennej wymiennika ciepła w złożu usypanym