Klejone konstrukcje złoża adsorpcyjnego

Często modyfikacja struktury wymiennika ciepła w złożu łączona jest wraz z zastosowaniem warstwy kleju o wysokim współczynniku przewodności cieplnej, tworząc klejoną konstrukcję złoża. Taki zabieg powoduje zwiększenie efektywnej przewodności cieplnej klejonej warstwy sorbentu, przez usunięcie przestrzeni gazowych z warstwy przyściennej wymiennika ciepła, które ze względu na bardzo niski współczynnik przewodności cieplnej gazu (dla powietrza λ= 0,025 W/mK) znacząco pogarszają transport ciepła w objętości złoża. Zastosowanie warstwy klejonej w sąsiedztwie powierzchni wymiany ciepła wynika z faktu, iż właśnie w tym obszarze występuje najwyższa porowatość warstwy sorbentu [104]. Koncepcję budowy klejonej konstrukcji złoża przedstawia rysunek 19.

52

Rys. 19. Schemat klejonej konstrukcji złoża adsorpcyjnego

Warstwa spoiwa zwiększa również powierzchnię styku sorbentu z wymiennikiem ciepła oraz wzajemnego kontaktu ziaren, co doprowadza do redukcji oporu kontaktowego [43]. Topografię obszaru kontaktu klejonych ziaren silikażelu przedstawiono na rysunku 20. Powiększony obraz sorbentu uzyskano przy zastosowaniu skaningowego mikroskopu elektronowego SEM [18].

Rys. 20. Obraz SEM ziaren silikażelu pokrytych klejem PVA

Przeprowadzone badania w ramach pracy [65] pozwoliły określić wymagane parametry klejów, które zagwarantują stabilne połączenie w zmiennych warunkach cyklu pracy złoża. Obiecujące właściwości w tym zakresie posiadają kleje PVA na bazie polimeru

53 alkoholu winylowego oraz żywice epoksydowe [65], które można dodatkowo modyfikować proszkami metali, uzyskując znacznie lepsze parametry cieplne. W pracy [105] ziarna mezoporowatego silikażelu zostały pokryte warstwą spoiwa poliwinylopirolidonu PVP, co pozwoliło zwiększyć przewodność cieplną sorbentu o 78%. W tych badaniach potwierdzono również spadek cieplnych oporów kontaktowych w porównaniu do usypanej warstwy czystego silikażelu o 26%. Zastosowanie kleju jako łącznika warstwy sorbentu z powierzchnią wymiennika ciepła stanowi podstawę do dalszej modyfikacji budowy złoża.

W pracy [106], w oparciu o wyniki badań eksperymentalnych przewodności cieplnej próbek sorbentów, zbudowano numeryczny model ożebrowanego złoża adsorpcyjnego. Przeprowadzone symulacje potwierdziły możliwość poprawy warunków transportu ciepła w klejonym złożu sorbentu. W pracy [107] analizowano wpływ domieszki ziaren metali oraz klejonej warstwy sorbentu na procesy transportu ciepła i masy w złożu o konstrukcji wymiennika ciepła w postaci prostych rur z prostokątnym ożebrowaniem. Konstrukcja aluminiowego ożebrowania przedstawiona została na rysunku 21.

Rys. 21. Konstrukcja wymiennika ciepła z prostokątnym ożebrowaniem, gdzie S – przestrzeń międzyżebrowa, H – wysokość żebra, L – długość żebra [107]

Ziarna sorbentu wypełniały przestrzenie międzyżebrowe, a cały system wymienników otoczony został metalową siatką, aby zachować pakietową strukturę złoża oraz zapobiec ubytkom sorbentu. Dodatkowym analizowanym parametrem była szerokość przestrzeni międzyżebrowej. Przeprowadzone badania wykazały, że przyklejenie warstwy sorbentu do powierzchni wymienników ciepła pozwala podnieść moc chłodniczą CC

54 o 8,9%, i wydajność COP o 4,6%. Dodatek ziaren różnych metali wpływał natomiast na poprawę efektywnej przewodności cieplnej złoża. Przeprowadzono badania eksperymentalne próbek sorbentu z domieszką miedzi, aluminium oraz mosiądzu o udziale masowym 5%, 10% i 15%. Największy wzrost efektywnej przewodności cieplnej, aż o 241%, uzyskano dla próbki złoża z domieszką 15% miedzi. Poprawa wskaźników efektywności energetycznej urządzenia była silnie zależna od zmiany wartości odstępu pomiędzy żebrami, który w analizowanym przypadku został zdefiniowany jako współczynnik FSR (fin spacing ratio), określający stosunek wartości odstępu między żebrami do założonej wartości bazowej tego parametru.

Zastosowanie razem dwóch metod poprawy transportu ciepła w postaci klejonej warstwy sorbentu oraz domieszki ziaren metali, wraz ze wzrostem współczynnika FSR wpłynęło na poprawę mocy chłodniczej o 25% oraz współczynnika COP o 10% przy FSR równym 2,0. Analogiczną konstrukcję wymienników ciepła analizowano w pracy [108] dla zmiennych warunków cyklu roboczego chłodziarki adsorpcyjnej. Najwyższy współczynnik COP otrzymano przy temperaturach wody gorącej i chłodzącej na wejściu, odpowiednio 79°C i 25,4°C. Zatem połączenie struktury klejonej złoża z jednoczesnym zastosowaniem systemu wymienników ciepła z prostokątnym ożebrowaniem jest bardzo obiecującym rozwiązaniem w kontekście poprawy parametrów znamionowych agregatów adsorpcyjnych. Przy analizie konstrukcji ożebrowanych należy wziąć pod uwagę przede wszystkim ich geometrię. Kluczowymi parametrami w tym zakresie jest wysokość żebra oraz przestrzeń międzyżebrowa (odległość między kolejnymi żebrami), która zostaje wypełniona sorbentem. Z analizy powyższych przypadków wynika, że wzrost kluczowych parametrów znamionowych chłodziarki (COP i SCP) otrzymuje się przy wysokości żeber w zakresie: 10-16 mm i przy odstępie międzyżebrowym w zakresie 0,5-1,5 mm. Przy ustalaniu optymalnej odległości pomiędzy lamelami należy również uwzględnić granulację stosowanego sorbentu oraz modyfikacje struktury warstwy usypanej za pomocą kleju lub drobnych ziaren metali. Natomiast ograniczeniem stosowania konstrukcji ożebrowanych może być duży przyrost masy agregatów.

Przeprowadzony przegląd eksploatowanych konstrukcji złóż adsorpcyjnych pozwolił wskazać skuteczne metody podnoszenia sprawności cyklu roboczego chłodziarki adsorpcyjnej, a tym samym wzrostu efektywności energetycznej całego systemu sorpcyjnego. Zdefiniowane metody zostały następnie zbadane w części eksperymentalnej. Istotną poprawę parametrów znamionowych urządzenia otrzymywano dzięki modyfikacjom

55 geometrii złóż. Analizowane konfiguracje ożebrowane potwierdzają konieczność rozwijania czynnej powierzchni wymiany ciepła, m.in. przez stosowanie żeber prostokątnych i pierścieniowych. Jednak projektując wymienniki lamelowe należy pamiętać, że nadmierny przyrost masy metalu w złożu w stosunku do masy sorbentu wpływa negatywnie na pojemność sorpcyjną oraz współczynnik SCP. W związku z tym innym, kluczowym parametrem konstrukcji ożebrowanych jest wartość odstępu pomiędzy żebrami. Wstępną weryfikację tego parametru można przeprowadzić wykorzystując modelowanie CFD sprzężonego transportu ciepła. Ponadto kluczowy wpływ na efektywność energetyczną agregatu chłodniczego ma temperatura wody gorącej zasilającej agregat, która odpowiada za dokładną regenerację złoża sorbentu i utrzymanie wysokiej sprawności procesów sorpcyjnych. Biorąc powyższe wnioski pod uwagę, badania przeprowadzone w ramach tej pracy skoncentrowano na eksperymentalnej analizie cykli sorpcyjnych i warunków pracy agregatu adsorpcyjnego. Wyniki tych analiz wykorzystano do opracowania modelu numerycznego złoża adsorpcyjnego, stanowiącego użyteczne narzędzie do projektowania innowacyjnych konstrukcji wymienników ciepła.