Modyfikacja konstrukcji powierzchni wymiennika ciepła

Kolejnym sposobem poprawy wydajności złoża jest koncepcja modyfikacji zespołu wymienników ciepła w złożu sorbentu. W pracy [92] zastosowano jako wymiennik ciepła system ożebrowanych rur typu flat tube, który utworzył złoże adsorpcyjne przedstawione na rysunku 16. Pomiędzy poziomo ułożonymi rurami wykonanymi z miedzi wprowadzono aluminiowe żebra. Jako sorbent wykorzystano silikażel o średnicy 0,3 mm, który wypełniał przestrzenie międzyżebrowe. W opracowaniu optymalizowano odstępy pomiędzy żebrami

47 S oraz wysokość żeber H, biorąc pod uwagę wartości SCP i COP oraz temperaturę wody gorącej, chłodzącej i lodowej. Zgodnie z rysunkiem 16 wymiar H stanowi również dystans pomiędzy kolejnymi rurami przedstawionymi na przekroju A-A. W oparciu o badania modelowe wyznaczono maksymalne wartości SCP – 750 kW/kg i COP – 0,6, które są możliwe do osiągnięcia przy zastosowaniu wymienników ciepła typu flat tube w adsorpcyjnym agregacie chłodniczym.

Rys. 16. Schemat ożebrowanego systemu wymienników ciepła typu flat tube; gdzie: S fin – szerokość odstępu pomiędzy kolejnymi żebrami, H fin – wysokość żeber, A – kolektor wlotowy, B –

kolektor wylotowy, A-A – przekrój poprzeczny wymiennika ciepła typu flat tube, [92]

Agregat o tej budowie wymienników nie działał jednak skutecznie przy temperaturze wody gorącej poniżej 65°C i wody chłodzącej powyżej 30°C [92]. W pracy podkreślono, że nie istnieje jedna uniwersalna geometria ożebrowania wymienników ciepła pozwalająca osiągnąć maksymalne wartości COP oraz SCP, ponieważ te wskaźniki są zależne od parametrów pracy agregatu oraz zastosowanego sorbentu. Wyniki optymalizacji geometrii dla różnych warunków roboczych zestawiono w tabeli nr 3. Zgodnie z zebranymi pomiarami cykli pracy złoża trwających 420 s, wzrost parametrów SCP i COP zanotowano

48 dla konstrukcji o wysokości żeber w przedziale 10 - 17 mm i odstępie międzyżebrowym w granicach 0,5 m - 0,7 mm.

Tab.3. Podsumowanie optymalizacji wymiarów ożebrowania wymienników ciepła [92].

Warunki cyklu Optymalizacja COP Optymalizacja SCP

TH (°C) TC (°C) TCh (°C) Czas cyklu (s) poprawa (%) wysokość żebra (mm) rozstaw żeber (mm) poprawa (%) wysokość żebra (mm) rozstaw żeber (mm) 90 30 10 420 3,6 11 0,6 5,5 17 0,7 80 27 10 420 3,7 10 0,5 5,6 17 0,6 70 27 15 420 3,7 10 0,5 6,3 16 0,6

Konfigurację ożebrowanych wymienników ciepła typu flat tube w zestawieniu z płaskim złożem adsorpcyjnym (luźno usypany sorbent na metalowej powierzchni) analizowano również w pracy [101] dla pary roboczej węgiel aktywny – etanol. Dla rozpatrywanych konstrukcji określono silną zależność efektywności procesów sorpcyjnych od współczynnika S/m [m2/kg], który określa stosunek powierzchni wymiany ciepła do masy adsorbentu. Metody intensyfikacji transportu ciepła w złożu, związane z rozwijaniem powierzchni wymiany ciepła i aplikacją ziaren metali powodują wzrost udziału metalu w złożu. Z jednej strony pozwala to zwiększyć współczynnik SCP, ale duży udział metalu w złożu powoduje, że podczas desorpcji większość ciepła zostanie pochłonięte przez metal. Zatem sorbent nie zostanie dobrze zregenerowany, złoże będzie cechować niższa pojemność sorpcyjna w kolejnych cyklach pracy chłodziarki, a w konsekwencji COP takiego układu zostanie obniżone. Dlatego określenie optymalnej proporcji S/m jest konieczne do zapewnienia wysokiej wartości współczynnika SCP dla złoża przy zachowaniu pożądanej wartości COP [58]. W pracy [102] dokonano przeglądu badanych w literaturze prototypów złóż adsorpcyjnych o parametrach zawartych w tabeli 4. Konstrukcja oznaczona literą „A” przedstawia model złoża o płytowych wymiennikach ciepła ze stali nierdzewnej osadzonych w odstępach 4 mm. Układ „B” zbudowany jest z rur o długości 1230 mm z żebrami w postaci pierścieni o grubości 0,3 mm i wysokości 23 mm. Odstępy pomiędzy żebrami wynosiły 2,5 mm i zostały wypełnione luźno usypanym sorbentem o średnicy 0,5 – 1,0 mm. W tabeli 4 podane są wymiary tej konstrukcji złoża w skali przemysłowej. Konfiguracja „C” to układ ożebrowanych rur typu flat tube. Układ „D” zbudowany jest tak samo jak złoże „B”, jednak w tym przypadku sorbent został przyklejony do powierzchni wymiennika ciepła klejem na bazie glinki bentonitowej.

49

Tab.4. Parametry złóż adsorpcyjnych o modyfikowanej strukturze wymienników ciepła

Typ złoża A B C D wymiary [mm] ^{150x150x150 - 257x170x27 -} Masa metalu, M [kg] ^{9 - 0,636 6,08} Objętość całkowita, [dm3] ^{3,37 33,3 1,1 8,6} Masa adsorbentu, m [kg] ^{0,75 22 0,4 1,75} M/m ^{12 - 1,81 3,5} Powierzchnia wymiany ciepła, S [m2] ^{1,35 35,4 1,66 35,4} S/m ^{4 1,61 1,8 0,97} SCP [W/kg] ^{0,4 0,55 1,3 1,2}

Analizowane konstrukcje przedstawia rysunek 17.

Rys. 17. Analizowane konstrukcje wymienników ciepła [102]

Dla tych rozwiązań zdefiniowano w tabeli 4 parametry związane ze stosunkiem udziału metalu w złożu do masy sorbentu M/m oraz S/m. Otrzymane wartości wskazują, że przyrost masy metalu w złożu związany z konstrukcją systemu wymienników ciepła wpływa negatywnie na poziom właściwej mocy chłodniczej SCP. Najniższą wartość SCP zanotowano dla płytowego wymiennika ciepła oznaczonego literą A. Powodem niskiej

50 sprawności tego układu jest zwiększona masa złóż adsorpcyjnych, przy jednocześnie małej czynnej powierzchni wymiany ciepła, która wynosiła zaledwie 1,35 m2. Pozostałe konstrukcje zbudowane z ożebrowanych systemów rur osiągnęły wyższe wartości SCP i charakteryzowały się bardziej rozwiniętą czynną powierzchnią wymiany ciepła oraz mniejsza masą.

W pracy [103] omówiono modułową budowę adsorbera. Jedno złoże adsorpcyjne zbudowane jest z 19 podzespołów przedstawionych na rysunku 18. Każdy podzespół stanowi system ożebrowanych rur. Przestrzenie międzyżebrowe wypełnione są ziarnami silikażelu o średnicy 0,5 – 1,5 mm i masie całkowitej 18 kg. Jako ochrona przed wysypaniem sorbentu służy metalowa siatka. Kanały doprowadzające parę znajdują się pomiędzy dwoma podzespołami [103]. Dzięki modułowej budowie złoża można modyfikować wielkość chłodziarki oraz moc chłodniczą, zgodnie z zapotrzebowaniem.

Rys. 18. Budowa modułowej konstrukcji złoża adsorpcyjnego [103]

Analizowany agregat składa się z dwóch niezależnych komór sorpcyjnych. Każda komora sorpcyjna posiada jednomodułowe złoże adsorpcyjne oraz parownik i skraplacz. Otrzymane wartości mocy chłodniczej, COP i SCP dla różnych warunków cyklu zestawiono w tabeli 5. Największe wartości COP zanotowano przy wykorzystaniu wody gorącej o najwyższych temperaturach. Obniżenie temperatury wykorzystywanej do regeneracji złóż powodowało spadek kluczowych parametrów znamionowych agregatu adsorpcyjnego.

51 Najniższą moc chłodniczą CC, która wynosiła 17,1 kW wygenerowano przy zastosowaniu źródła wody gorącej o temperaturze 61,8°C.

Tab.5. Wartości CP, COP, SCP dla różnych warunków cyklu roboczego

Nr ^{TH inlet}

[°C] ^{TCinlet [°C] TCh inlet [°C] TCh outlet [°C] CC [kW] COP}

SCP [kW/kg] 1 61,8 29,4 14,7 13,2 17,1 0,36 50,1 2 75,8 30,3 15,0 11,9 33,3 0,47 97,3 3 85,5 29,5 15,0 11,1 42,8 0,51 125,0 4 85,4 30,3 11,8 9,1 29,6 0,34 86,4 5 82,2 32,1 19,5 14,7 52,0 0,65 146,4

Ponadto obniżenie temperatury wody lodowej na wlocie parownika również wpłynęło na spadek sprawności systemu chłodniczego. Jest to efekt obniżania ciśnienia pracy parownika w przypadku konieczności produkcji wody lodowej o niższej temperaturze. Niskie reżimy ciśnień w cyklu roboczym złóż adsorpcyjnych powodują pogorszenie właściwości sorpcyjnych silikażelu. Zatem analiza przeprowadzona w pracy [103] potwierdza, że warunki cyklu pracy agregatu mają również istotny wpływ na sprawność chłodniczych agregatów adsorpcyjnych, podobnie jak zastosowana konstrukcja wymiennika ciepła.