W celu określenia rodzaju przepływu w kanałach analizowanego wypełnienia dokonano sprawdzenia kryterium Reynoldsa.
Postać liczby kryterialnej Reynoldsa przedstawiają poniższe równanie [71]:
̇ (2-8)
Dla struktury wypełnienia przedmiotu badań ( m) liczby Reynoldsa nie przekraczają 250 przy prędkości w kanale wypełnienia m/s. Przyjmując jako wartość graniczną liczby Reynoldsa, do której występuje przepływ laminarny Re = 2320 [78], można stwierdzić, że w kanałach wypełnienia osuszacza przepływ powietrza ma charakter laminar-ny. Powyższe obliczenia potwierdzają także dane literaturowe mówiące o laminarnym charak-terze ruchu płynu w kanale struktury wypełnienia [27].
2.5. ADSORPCJA
Przy opisie wymiany ciepła i masy w obrotowym osuszaczu powietrza występują procesy i zależności związane ze zjawiskiem adsorpcji (pkt. 2.1.4 i 2.3). Poznanie natury tego zjawi-ska jest niezbędne do prawidłowej interpretacji wyników modelowania, a określenie wielko-ści ją charakteryzujących (ciepła adsorpcji, izotermy sorpcji) jest konieczne do rozwiązania układu równań modelu.
Adsorpcja jest zjawiskiem, w którym zachodzi zmiana stężenia substancji na powierzchni graniczących ze sobą faz [1]. Analizowany przypadek obejmuje adsorpcję układu adsorbent
44
stały – gaz. Adsorbenty – tworzące materiał wypełnienia osuszacza zostaną omówione w pkt. 2.5.1, natomiast rozpatrywanym gazem jest powietrze wilgotne.
Rodzaj adsorpcji gazu na ciałach stałych uzależniony jest od typu połączenia cząsteczek ze strukturą powierzchni adsorbatu. Wyróżnia się dwa rodzaje adsorpcji: fizyczną (van der Walls’a) oraz chemiczną (chemisorpcję).
Przy adsorpcji fizycznej cząsteczki nie wiążą się trwale z powierzchnią adsorbera, lecz dy-fundują wzdłuż jego powierzchni. Wiązania, które tworzą są słabe (powiązane tylko siłami van der Walls’a). Dlatego stosunkowo łatwo następuje związanie cząsteczek adsorbtywu z adsorbentem, jak również ich uwolnienie [79]. Można tego dokonać poprzez obniżenie ci-śnienia gazu lub wzrost temperatury.
Przy wzroście temperatury zwiększa się energia kinetyczna cząsteczek, co powoduje, że łatwiej uwalniają się ze struktury adsorbentu, przy spadku temperatury natomiast zmniejsza się ich ruchliwość (obniża się poziom energii kinetycznej), co powoduje większą stabilność cząsteczek w strukturze adsorbentu [79]. Regenerację temperaturową przeprowadza się dzięki zjawisku zmniejszenia pojemności adsorpcyjnej przy wzroście temperatury [1].
Przy adsorpcji chemicznej wiązania łączące cząsteczki gazu ze strukturą powierzchni ciała stałego są silne i stabilne. Powoduje to, że znacznie trudniej, w porównaniu do adsorpcji fi-zycznej, jest przeprowadzić proces desorpcji (nawet przy wysokiej temperaturze oraz niskim ciśnieniu), dodatkowo często towarzyszą mu reakcje chemiczne na powierzchni adsorbera [79]. Chemisorpcja jest o wiele bardziej selektywna tzn. zachodzi pomiędzy określonymi pa-rami adsorbtyw – adsorbent. Procesy adsorpcji fizycznej oraz chemisorpcji mogą zachodzić również jednocześnie np. monowarstwa jest wiązana na drodze chemisorpcji, a kolejne war-stwy poprzez adsorpcję fizyczną lub odwrotnie. Typ adsorpcji oraz jej przebieg określa rodzaj adsorptywu oraz adsorbentu oraz warunki ciśnieniowo-temperaturowe, w których przebiega proces.
W trakcie procesu adsorpcji materiał sorpcyjny – adsorbent, kontaktuje się z cząsteczkami gazu (adsorptywu), które zostają pochłonięte przez adsorber stając się adsorbatem. Proces ten – adsorpcja, zachodzi z różną szybkością. W początkowym stadium, kiedy dostępnych jest dużo wolnych przestrzeni w strukturze materiału sorpcyjnego, zachodzi on szybko. W miarę jego trwania coraz więcej cząsteczek zostaje odbitych i nie ulega adsorpcji tylko desorpcji. Po pewnym czasie osiągany jest stan równowagi między adsorpcją i desorpcją. Oznacza to, że liczba cząsteczek, które zostają zaadsorbowane jest taka sama jak tych, które ulegają desorp-cji [80]. Proces adsorpdesorp-cji lub desorpdesorp-cji zachodzi zatem wtedy, kiedy istnieje różnica między ciśnieniami cząstkowymi pary we wnętrzu porów oraz w otaczającym powietrzu [81].
45 Ogólnie przebieg procesu adsorpcji można zatem podzielić na [79] poniższe etapy.
1. Zapełnianie cząsteczkami (lub atomami) gazu pierwszej warstwy na powierzchni ad-sorbera – tworzenie monowarstwy.
2. Zapełnianie cząsteczkami (lub atomami) gazu kolejnych warstw na powierzchni ad-sorbera – tworzenie multiwarstw.
3. Kondensację kapilarną w strukturach porowatych zachodząca równocześnie z formo-waniem się multiwarstwy.
Przebieg procesu adsorpcji odzwierciedlony jest za pomocą izoterm sorpcji (pkt. 2.5.3). W każdym momencie procesu adsorpcji zachodzi równocześnie proces desorpcji. Czynnikami decydującymi, który proces dominuje są aktualne warunki ciśnieniowo-temperaturowe.
2.5.1. Adsorbenty
Teoretycznie możliwości adsorpcyjne powinno posiadać każde ciało stałe. Praktycznie, wykorzystuje się jako adsorbery, odpowiednio wyselekcjonowane i przygotowane materiały o rozwiniętej strukturze porowatej, które charakteryzuje zdolność do pochłaniania wilgoci z powietrza. Pochłaniana wilgoć wypełniająca kanaliki oraz pory materiałów porowatych sta-nowi wilgoć kapilarną. Przy czym, żeby uznać materiał porowaty jako higroskopijny musi charakteryzować się dostatecznie małymi wymiarami porów (promień mniejszy od 1·10-7
m). Związane jest to z obniżeniem ciśnienia cząstkowego pary nad zwierciadłem cieczy w porach o małych wymiarach [81]. Dlatego także od wielkości porów zależą właściwości adsorben-tów. Wyróżnia się adsorbenty mikroporowate, mezoporowate oraz makroporowate. Przy czym adsorbenty mogą mieć mniej lub bardziej jednolitą strukturę por.
W mikroporach promienie efektywne por są porównywalne z adsorbowanymi cząsteczka-mi, które je zapełniają, i są mniejsze niż 1,5·10-9
m. Powierzchnia właściwa ok. 1200 m2/g [1].
W mezoporach promienie efektywne por są większe od adsorbowanych cząsteczek i wy-noszą 1,5·10-9−2·10-7
m, zachodzi monomolekularna i polimolekularna adsorpcja, a także możliwa jest kondensacja kapilarna. Powierzchnia właściwa wynosi 40−400 m2
/g [1]. W makroporach promienie efektywne por są większe od 2·10-7
m. Powierzchnia właściwa wynosi 0,5−2 m2
/g. Wielkość adsorpcji jest mała w stosunku do mikroporów oraz mezoporów [1].
Cechą charakterystyczną materiałów porowatych jest to, że posiadają w swej strukturze mocno rozwiniętą powierzchnię z bardzo dużą liczbą porów, a tym samym dysponują
stosun-46
kowo dużą pojemnością adsorpcyjną. To właśnie duża pojemność adsorpcyjna jest jedną z pożądanych właściwości dla materiałów adsorpcyjnych. Powinny się one także charaktery-zować dużą szybkością (kinetyką) procesu adsorpcji. Te dwie cechy pozwolą na, w pierw-szym przypadku ograniczenie ilości potrzebnego materiału sorpcyjnego, a przy wysokiej ki-netyce procesu osiągnięcie dużych wydajności [82]. Tak dobrany absorber pozwoli przepro-wadzać proces adsorpcji szybko, z dużą wydajnością w urządzeniu o stosunkowo małych wymiarach.
Materiał sorpcyjny powinien charakteryzować się takimi właściwościami jak [18]:
dużą zdolnością (wydajnością) adsorpcyjną oraz desorpcyjną w celu uzyskania dużego efektu chłodniczego,
dobrą przewodnością cieplną w celu skrócenia czasu obrotu (cyklu), niską właściwą pojemnością cieplną [83],
chemiczną zgodnością z czynnikiem chłodniczym (dla układów SDEC parą wodną, wodą – dop. Autora),
niskim kosztem oraz szeroką dostępnością,
wysokim ciepłem utajonym w odniesieniu do jednostki objętości,
wystarczająco małymi rozmiarami molekularnymi (cząsteczkowymi), tak aby łatwo zachodził proces adsorpcji,
stabilnością termiczną,
niską lepkością (tarciem wewnętrznym), niskim ciepłem właściwym,
nietoksycznością, niepalnością, niepodatnością na korozję, stabilnością chemiczną w zakresie temperatur operacyjnych. Oraz za pracą [84] cytowaną w [85]:
mechaniczną oraz chemiczną stabilnością, dużą maksymalną pojemnością wilgoci,
dobrymi właściwościami sorpcyjnymi (duża szybkość, poziom) przy niskim ciśnieniu, niskim ciepłem adsorpcji [83],
idealnym kształtem izotermy.
Kluczowe wydaje się, zatem stosowane wypełnienie sorpcyjne, ze względu na przeważają-cą rolę procesów wymiany masy nad ciepła w osuszaczu, materiał sorpcyjny powinien
cha-47 rakteryzować się dużą pojemnością sorpcyjną przy niskiej pojemności cieplnej (w celu zapo-bieżenia przenoszeniu ciepła z części regeneracyjnego do procesowej).
Jednymi z materiałów powszechnie stosowanych jako materiały sorpcyjne, w technice klimatyzacyjnej, a także w osuszaczach stosowanych w systemach SDEC, spełniających większość ww. wymogów są silikażele.
Zalety żeli kwasu krzemowego:
silne powinowactwo do wody i duża pojemność adsorpcyjna [1], niska temperatura regeneracji [86],
duża wytrzymałość mechaniczna na ścieranie i kruszenie [86], niski koszt własny przy masowej produkcji przemysłowej [86],
możliwość syntezy żeli kwasu krzemowego w szerokim zakresie charakterystyk struk-turalnych przy korzystaniu z dość prostych zabiegów technologicznych [86],
wysoka wydajność [49],
powszechnie używany do rozpatrywanych zastosowań [49]. Wady żeli kwasu krzemowego:
mogą ulec zniszczeniu przy częstym i gwałtownym nasiąkaniu wodą [49], nie jest to materiał trudno przewodzący ciepło [49].
Temperatura regeneracji przemysłowych żeli krzemowego wynosi: (110–200) ºC [86], więcej niż 150 ºC [1], gdy np. w pracy [54] minimalna temperatura dla silikażelu zastała przy-jęta 55 ºC, natomiast w pracy [9] stwierdzono, że dla temperatur powietrza (60–70) ºC proces regeneracji przebiega w sposób efektywny. Interesujące wydaje się, zatem określenie zasad-ności regeneracji wypełnienia powietrzem o stosunkowo niskiej temperaturze uzyskiwanej z instalacji słonecznych w układach SDEC.
Prowadzone są również prace zmierzające do opracowania nowego typu materiału sorp-cyjnego w zastosowaniach do systemów SDEC tzn. materiału, który charakteryzowałby się dobrymi właściwościami sorpcyjnymi przy niskiej temperaturze regeneracji. Materiały te to m.in. polimery [85] lub kompozyty np. silikażelu oraz chlorku litu [87].