Index of /rozprawy2/11661

Pełen tekst

(1)Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Wydział Energetyki i Paliw. Rozprawa doktorska Efektywność energetyczna adsorpcyjnego agregatu chłodniczego o modyfikowanej konstrukcji złóż Energetic efficiency of adsorption chiller with modified beds construction. Karolina Grabowska. Promotor: dr hab. inż. Jarosław Krzywański, prof. UJD Promotor pomocniczy: dr inż. Marcin Sosnowski. Kraków, 2019. 1.

(2) Uprzedzona o odpowiedzialności karnej na podstawie art. 115 ust. 1 i 2 ustawy z dnia 4 lutego 1994 r. o prawie autorskim i prawach pokrewnych (t.j. Dz.U. z 2006 r. Nr 90, poz. 631 z późn. zm.): „Kto przywłaszcza sobie autorstwo albo wprowadza w błąd co do autorstwa całości lub części cudzego utworu albo artystycznego wykonania, podlega grzywnie, karze ograniczenia wolności albo pozbawienia wolności do lat 3. Tej samej karze podlega, kto rozpowszechnia bez podania nazwiska lub pseudonimu twórcy cudzy utwór w wersji oryginalnej albo w postaci opracowania, artystyczne wykonanie albo publicznie zniekształca taki utwór, artystyczne wykonanie, fonogram, wideogram lub nadanie.”, a także uprzedzona o odpowiedzialności dyscyplinarnej na podstawie art. 322 ust. 1 ustawy z dnia 20 lipca 2018 r. Prawo o szkolnictwie wyższym i nauce (t.j. Dz.U. 2018 poz. 1668 z późn. zm.) „Doktorant podlega odpowiedzialności dyscyplinarnej za naruszenie przepisów obowiązujących w podmiocie prowadzącym szkołę doktorską oraz za czyn uchybiający godności doktoranta. Do odpowiedzialności dyscyplinarnej doktorantów stosuje się odpowiednio przepisy art. 307 ust. 2, art. 308–320 oraz przepisy wydane na podstawie art. 32,” oświadczam, że niniejszą rozprawę doktorską wykonałam osobiście i samodzielnie i że nie korzystałam ze źródeł innych niż wymienione w pracy.. ……………………………………………………. podpis autora pracy. 2.

(3) Podziękowania. Pragnę złożyć wyrazy wdzięczności i uznania dla promotorów: dr hab. inż. Jarosława Krzywańskiego, prof. UJD i dr inż. Marcina Sosnowskiego, którzy przyczynili się do powstania tej pracy. Dziękuję za poświęcony czas, naukowe wsparcie, życzliwą atmosferę oraz motywację do pracy i ciągłego rozwoju zawodowego.. Podziękowania i wyrazy uznania kieruję również do Dyrektora Centrum Energetyki Akademii Górniczo-Hutniczej im. Stanisława Staszica w Krakowie, Prof. dr hab. inż. Wojciecha Nowaka za umożliwienie realizacji badań eksperymentalnych na unikatowej, chłodniczej instalacji adsorpcyjnej z systemem odsalania wody.. Dziękuję rodzicom za cierpliwość i trud wychowania oraz przyjaciołom za wsparcie podczas pisania pracy doktorskiej.. Niniejsza praca doktorska powstała w ramach realizacji projektu „Badania metod intensyfikacji. procesów. sorpcyjnych. w. modyfikowanych. konstrukcjach. złóż. adsorpcyjnych” o numerze 2018/29/B/ST8/00442, który jest finansowany przez Narodowe Centrum Nauki oraz projektu "Opracowanie innowacyjnej technologii agregatu adsorpcyjnego NETI©, wykorzystującego specjalną, klejoną konstrukcje złóż" o numerze (POIR.01.01.01-00-1659/15) finansowanego ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju. Praca jest podziękowaniem za otrzymane wsparcie finansowe. 3.

(4) Spis treści Nomenklatura......................................................................................................................... 6 Streszczenie ........................................................................................................................... 8 Summary… .......................................................................................................................... 10 1. Wprowadzenie ................................................................................................................. 12 2. Uzasadnienie wyboru tematu ........................................................................................... 15 3. Cel i tezy pracy ................................................................................................................ 17 4. Technologie produkcji chłodu ......................................................................................... 19 4.1. Chłodziarka sprężarkowa .......................................................................................... 20 4.2. Chłodziarka absorpcyjna ........................................................................................... 21 4.3. Chłodziarka adsorpcyjna ........................................................................................... 24 4.3.1. Wady i zalety agregatów adsorpcyjnych ............................................................ 28 4.3.2. Analiza potencjalnych źródeł zasilania chłodziarek adsorpcyjnych w Polsce ... 29 5. Charakterystyka procesu adsorpcji fizycznej, analiza i dobór adsorbentu ..................... 32 5.1. Kinetyka sorpcji ........................................................................................................ 33 5. 2. Przegląd dostępnych sorbentów ............................................................................... 36 5.2.1. Węgle aktywne ................................................................................................... 37 5.2.2. Zeolity i silikażele .............................................................................................. 38 5.2.3. Metaloorganiczne struktury MOFs ..................................................................... 41 5.2.4. Sorbenty chemiczne i kompozytowe .................................................................. 42 5.3. Dobór pary roboczej adsorbent-adsorbat .................................................................. 42 6. Metody poprawy efektywności energetycznej złóż adsorpcyjnych ................................ 43 6.1. Modyfikacja struktury złoża ..................................................................................... 45 6.2. Modyfikacja konstrukcji powierzchni wymiennika ciepła ....................................... 46 6.3. Klejone konstrukcje złoża adsorpcyjnego ................................................................. 51 7. Analiza ekonomiczna eksploatacji agregatu adsorpcyjnego ........................................... 55 8. Bilans energetyczny dla cyklu pracy złoża adsorpcyjnego ............................................. 59 9. Stanowisko badawcze ...................................................................................................... 62 9.1. Parametry konstrukcyjne parownika ......................................................................... 63 9.2. Parametry konstrukcyjne sekcji sorpcyjnej ............................................................... 64 9.3. Parametry konstrukcyjne skraplacza ......................................................................... 67 10. Badania eksperymentalne .............................................................................................. 69 10.1 Metodyka pomiarowa.............................................................................................. 69 10.2. Badania eksperymentalne sorbentu ......................................................................... 72 10.3. Badania eksperymentalne cyklu pracy złoża adsorpcyjnego .................................. 73 4.

(5) 11. Model numeryczny złoża adsorpcyjnego ...................................................................... 82 11.1. Budowa geometrii ................................................................................................... 82 11.2. Dyskretyzacja domeny obliczeniowej..................................................................... 83 11.3. Implementacja warunków brzegowych i symulacja pracy złoża ............................ 86 11.4. Budowa autorskiej funkcji UDF ............................................................................. 89 11.5. Analiza wyników symulacji pracy złoża adsorpcyjnego ........................................ 92 12. Prototyp krążkowego złoża adsorpcyjnego ................................................................... 96 12.1. Parametry konstrukcyjne złoża ............................................................................... 96 12.2. Analiza efektywności energetycznej krążkowej konstrukcji wymiennika ciepła ... 98 Wnioski…. ......................................................................................................................... 111 Spis rysunków .................................................................................................................... 114 Spis tabel… ........................................................................................................................ 117 Bibliografia ........................................................................................................................ 118 Załącznik nr 1. Zestawienie materiałów adsorpcyjnych .................................................... 127 Załącznik nr 2. Schemat stanowiska eksperymentalnego .................................................. 129. 5.

(6) Nomenklatura 𝐴 𝐴1 CC COP. całkowita powierzchnia wymiany ciepła, m2 powierzchnia jednego żebra, m2 moc chłodnicza, kW współczynnik wydajności chłodniczej, -. 𝑐𝑝. ciepło właściwe, J/kg*K. CW dh. obieg wody zimnej średnica hydrauliczna, m entalpia właściwa, kJ/kg. ℎ 𝐻 HP HW KJ Le. wysokość żebra, m moc grzewcza, kW obieg wody gorącej jednostkowy koszt energii, zł/kWh utajone ciepło parowania, J/kg. 𝑀. masa, kg. 𝑚̇ n Nu. strumień masy, kg/s bezwymiarowa stała Tótha liczba Nusselta. O. obwód żebra, m. P. moc, kW. 𝑝. ciśnienie, Pa. 𝑝0 QA R Re S SCP 𝑇 t 𝑈 V w x xm. ciśnienie adsorbatu, Pa izosteryczne ciepło adsorpcji, kJ/kg uniwersalna stała gazowa, kJ/kgK Liczba Reynoldsa efektywna grubość warstwy sorbentu, m jednostkowa moc chłodnicza, W/kg temperatura, K czas, s współczynnik przenikania ciepła w złożu, kW/m2K objętość, m3 prędkość, m/s adsorpcja rzeczywista, masa adsorbatu zaadsorbowanego przez jednostkową masę adsorbentu, g/g pojemność sorpcyjna monowarstwy, mol/g. 6.

(7) symbole greckie αr αż λ ƞ. współczynnik wnikania ciepła od powierzchni rury do otoczenia, W/m2K współczynnik wnikania ciepła od powierzchni żeber do otoczenia, W/m2K współczynnik przewodzenia ciepła, W/mK sprawność żeber. 𝜌. gęstość, kg/m3. ф. funkcja dyssypacyjna. indeksy dolne/górne a ads Al bed Cu Ch C c des e H HE I O r SG v w ż. adsorbent adsorpcja aluminium złoże adsorpcyjne miedź woda lodowa woda chłodząca cykl pracy chłodziarki desorpcja parownik woda gorąca wymiennik ciepła inlet outlet rurowy wymiennik ciepła, silikażel para wodna woda ożebrowanie. 7.

(8) Streszczenie Obserwowane na świecie gwałtowne zmiany klimatyczne, które są konsekwencją postępującego globalnego ocieplenia wymuszają ograniczenie zużycia konwencjonalnych paliw na korzyść odnawialnych źródeł energii. Również w sektorze chłodnictwa podejmuje się inwestycje ukierunkowane na wdrożenie alternatywnych systemów chłodniczych, które mogą być zasilane przez niskotemperaturowe źródła energii cieplnej. W adsorpcyjnych i absorpcyjnych agregatach upatruje się możliwości znaczącego ograniczenia wykorzystania energii elektrycznej do zasilania urządzeń chłodniczych. Przeszkodą do upowszechnienia tych technologii jest zbyt niska sprawność obecnie dostępnych na rynku sorpcyjnych systemów chłodniczych. W związku z powyższym, głównym celem rozprawy jest analiza metod intensyfikacji transportu ciepła i masy w złożu sorbentu, będąca podstawą do opracowania innowacyjnych konstrukcji złóż adsorpcyjnych, które pozwolą osiągnąć podwyższoną efektywność energetyczną chłodniczego agregatu adsorpcyjnego. W pracy omówiono dostępne na rynku technologie chłodzenia wraz z uwzględnieniem budowy, zasady działania oraz głównych zalet i wad tych systemów. Dokonano również oceny możliwości rozwoju adsorpcyjnej technologii chłodzenia w Polsce na podstawie przeglądu dotychczas wdrożonych inwestycji w kraju oraz analizy dostępności potencjalnych źródeł zasilania tych urządzeń. Na podstawie przeprowadzonego przeglądu przedmiotowej literatury omówiono obecny stan wiedzy na temat adsorpcyjnej technologii chłodzenia. Rozpoznane problemy i ograniczenia, które występują w zakresie budowy i eksploatacji agregatów chłodniczych, jak również przeprowadzone badania wstępne stały się podstawą do sformułowania tez pracy doktorskiej oraz głównego celu. W kolejnych rozdziałach poddano szczegółowej analizie materiały porowate, które są wykorzystywane jako wypełnienia złóż adsorpcyjnych oraz scharakteryzowano procesy sorpcyjne zachodzące w cyklu pracy agregatu. W oparciu o zestawione parametry materiałów, silikażel stanowiący parę roboczą z wodą, został wybrany. jako. optymalny. adsorbent. do. chłodziarki. przeznaczonej. do. celów. klimatyzacyjnych. Kluczową część pracy stanowią przeprowadzone badania eksperymentalne z wykorzystaniem unikatowego stanowiska badawczego w postaci trójzłożowego chłodniczego agregatu adsorpcyjnego z systemem odsalania. Celem przeprowadzonych badań eksperymentalnych była analiza cyklu pracy agregatu adsorpcyjnego, ukierunkowana na wyselekcjonowanie kluczowych parametrów warunkujących sprawność całego systemu 8.

(9) oraz opracowanie możliwych do wdrożenia metod intensyfikacji transportu ciepła i masy. Zebrane charakterystyki zmian temperatury wody gorącej podczas etapu regeneracji złóż zostały poddane analizie w celu wyselekcjonowania reprezentatywnych cykli sorpcyjnych, które następnie wykorzystano do opracowania numerycznego modelu złoża adsorpcyjnego. Na podstawie tych badań zbudowano efektywne narzędzie inżynierskie pozwalające symulować pracę złoża adsorpcyjnego, m.in. w celu wstępnych weryfikacji sprawności innowacyjnych konstrukcji wymienników ciepła. Dzięki temu, do kosztochłonnych badań eksperymentalnych, które muszą poprzedzać przemysłowe wdrożenie nowych typów złóż, wytypowane zostają konstrukcje poddane wstępnej optymalizacji na etapie symulacji numerycznych. Przeprowadzone w ramach pracy badania eksperymentalne i analizy numeryczne pozwoliły potwierdzić sformułowane tezy. Opracowany w ramach pracy model umożliwił zaprojektowanie innowacyjnej krążkowej konstrukcji złoża adsorpcyjnego, która jest przedmiotem zgłoszenia patentowego nr 422532 w Urzędzie Patentowym Rzeczypospolitej Polskiej. Ponadto zrealizowane badania potwierdziły kluczowy wpływ geometrii powierzchni wymiany ciepła oraz parametrów cyklu pracy adsorpcyjnego agregatu chłodniczego na jego efektywność energetyczną. Opisana w pracy zależność pomiędzy generowaną mocą chłodniczą CC i pobieraną mocą grzewczą HP pozwala kształtować pożądaną efektywność energetyczną agregatu adsorpcyjnego przez zmianę temperatury wody gorącej zasilającej agregat, ponieważ są to parametry, które bezpośrednio kształtują całkowitą. sprawność. urządzenia. wyrażoną. współczynnikiem. COP. (Coefficient of Performance).. 9.

(10) Summary Rapid climate changes observed around the world, which are a consequence of the progressing global warming, forces the reduction of conventional energy fuels utilization in favour of renewable energy sources. Also in the refrigeration industry, investments to implement alternative cooling systems that can be powered by low grade thermal energy sources are being made. Sorption refrigeration technologies are seen as the possibility of significantly reducing the use of electricity to power air conditioning devices. The obstruction to the dissemination of these technologies is low efficiency of sorption refrigeration systems currently available on the market. Therefore, the main goal of the dissertation was the analysis of heat and mass transfer intensification methods in the adsorption bed. Such analysis is the basis for the development of innovative construction of adsorption beds which will allows to achieve increased energetic efficiency of the adsorption chiller. The cooling technologies available on the market, including construction, operating conditions, and the main advantages and disadvantages of these systems have been discussed in the dissertation. An assessment of the possibilities of developing adsorption cooling technology in Poland based on a review of investments implemented so far in the country and an analysis of the availability of potential power sources for these devices was also made. Based on the scientific literature review, the current state of knowledge on adsorption cooling technology was discussed. Recognized problems and limitations that occur in adsorption refrigeration devices and conducted preliminary research became the basis for formulating the theses and the main goal of the Ph.D. dissertation. The following chapters discuss in detail the types of porous media used as the filling of adsorption beds and characterize sorption processes occurring in the chiller working cycle. Based on the defined parameters, silica gel was selected as the optimal sorbent to an adsorption chiller intended for air-conditioning purposes. The crucial part of the work are experimental research, which were conducted using a test stand consisting of a three-bed adsorption chiller with a desalination system. The purpose of the experimental study was the analysis of water temperature changes during operation of adsorption bed focused on developing intensification methods of heat and mass transfer during the chiller working cycle. The collected profiles of the hot water temperature gradients were analyzed in order to select representative sorption cycles, which were used to build and validate the numerical adsorption bed model. Based on the carried out research, the effective engineering tool has been built to simulate the working cycle of the adsorption 10.

(11) bed for preliminary verification of the efficiency of innovative heat exchanger designs. Thanks to that, only pre-optimized configurations are selected for conducting high-cost experimental research, which must precede the industrial implementation of new types of adsorption beds. The experimental research and numerical analyses conducted in this work allowed to confirm the formulated theses. A validated model enabled to design an innovative multi-disk adsorption bed construction, which is the subject of a patent application No. 422532, submitted to the Polish Patent Office. Moreover, the conducted research confirmed the key impact of heat exchange surface geometry and the working cycle conditions of adsorption chiller on its energetic efficiency. The relationship between the generated cooling power and the consumed HP heating power described in the paper allows to control the desired energetic efficiency of the adsorption chiller by changing the temperature of hot water powering the chiller. These rated parameters directly form the overall efficiency of the device expressed by the COP (Coefficient of Performance).. 11.

(12) 1. Wprowadzenie W XXI wieku rozwój globalnej gospodarki został podporządkowany koncepcji zrównoważonego rozwoju, której kształt jest od kilkudziesięciu lat dyskutowany na arenie międzynarodowej. Istotnym elementem Agendy na Rzecz Zrównoważonego Rozwoju 2030, przyjętej jednogłośnie przez Organizację Narodów Zjednoczonych 25 września 2015 r. w Nowym Jorku, są zagadnienia dotyczące racjonalnej gospodarki zasobami naturalnymi oraz gospodarki energetycznej. Obserwowane zmiany klimatyczne oraz degradacja środowiska jest konsekwencją intensywnego postępu technologicznego i eksplozji demograficznej w czasie rewolucji przemysłowej, kiedy gospodarka charakteryzowała się bardzo wysoką energochłonnością. Wzrastające zapotrzebowanie na energię elektryczną oraz cieplną prowadziło do nadmiernej eksploatacji surowców naturalnych, która była argumentowana wzrostem wydajności produkcji. Współcześnie, w obliczu problemu globalnego ocieplenia, podejmowane są działania zmierzające do poprawy efektywności energetycznej przemysłu, a jednym z kluczowych zadań w tym zakresie jest dywersyfikacja źródeł pozyskiwania energii. Międzynarodowe rozmowy poświęcone kryzysowi klimatycznemu doprowadziły do wypracowania postanowień, które przedstawiono na konferencji klimatycznej w grudniu 2015 r. w Paryżu. „Klimatyczne porozumienie paryskie” to globalna strategia działania, której nadrzędnym, długoterminowym celem jest zahamowanie wzrostu średniej temperatury na świecie poniżej przewidywanej wartości 2°C. W grudniu 2018 r. w Katowicach, po raz kolejny negocjowano globalne działania na rzecz zrównoważonej polityki klimatycznej. Kluczowym efektem szczytu klimatycznego COP24 (Conference of the Parties) jest doprecyzowanie zasad wdrażania porozumienia paryskiego. Kluczowym wyzwaniem, przed którym stoją gospodarki światowe jest redukcja emisji gazów cieplarnianych, których akumulacja w atmosferze prowadzi do wzrostu średnich temperatur na świecie [1]. Jednocześnie rozpatrując zjawisko efektu cieplarnianego zapominamy, że istotnym źródłem emisji gazów cieplarnianych są procesy naturalnie zachodzące w przyrodzie jak np. aktywność wulkaniczna i biologiczna fauny i flory, której nie można kontrolować. Ponadto samo istnienie efektu cieplarnianego umożliwiło rozwój życia na Ziemi, ponieważ zdolność składników atmosfery do pochłaniania promieniowania podczerwonego utrzymuje dobowe amplitudy temperatur na stabilnym poziomie [2]. Jednak konieczność zaspokojenia energetycznych potrzeb intensywnie rozwijającego się przemysłu oraz miliardów ludzi na ziemi przyczyniła się do intensyfikacji efektu cieplarnianego, a jego 12.

(13) konsekwencją jest globalne ocieplenie klimatu. Analizę antropogenicznych źródeł emisji gazów cieplarnianych i innych substancji szkodliwych w Europie. przedstawiono na. rysunku 1. Zaprezentowany podział wskazuje, że podstawowym źródłem jest produkcja energii elektrycznej oraz energii cieplnej, która odpowiedzialna jest za 26% całkowitej emisji.. 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]. Jeżeli przeanalizujemy dane wyłącznie dla produkcji gazu CO2 w Polsce, który jest uznany jako główny czynnik potęgujący efekt cieplarniany widzimy, że prawie połowa emisji w 2017 r. była związana z wytwarzaniem energii.. 13.

(14) Drugim istotnym źródłem emisji CO2 w Polsce jest przemysł, który z jednej strony jest dużym odbiorcą energii, a z drugiej strony charakter procesów technologicznych w przemyśle ciężkim i chemicznym istotnie kształtuje produkcję dwutlenku węgla. Zatem polska gospodarka oparta na węglu kamiennym stoi przed bardzo ważnym wyzwaniem dywersyfikacji źródeł pozyskiwania energii bez zahamowania rozwoju gospodarczego. Tymczasem na przestrzeni ostatnich lat udział odnawialnych źródeł energii OZE w ogólnej produkcji energii wzrasta w naszym kraju bardzo powoli i w 2017 roku wyniósł około 12% (rys. 3) [3].. %. 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0. 2005. 2006 UE Estonia. Rys. 3.. 2007. 2008 Polska Łotwa. 2009. 2010 Niemcy Litwa. 2011. 2012. 2013. 2014. 2015. 2016. 2017. Austria Finlandia. Udział energii z OZE w ostatecznym zużyciu energii brutto w wybranych krajach UE; opracowanie własne na podstawie raportów Eurostat i GUS [4, 5]. Na podstawie unijnej dyrektywy dotyczącej wykorzystywania energii z odnawialnych źródeł Polska w 2020 roku powinna osiągnąć poziom 15% energii OZE w całkowitym zużyciu energii brutto. Energia wiatru i wody oraz biomasa stała to źródła odnawialnej energii o największym potencjale wytwórczym w Polsce. W perspektywę wykonania unijnego zobowiązania wpisują się również niskotemperaturowe źródła energii cieplnej w postaci energii słonecznej, odpadowego ciepła przemysłowego oraz energia geotermalna. Niestety te źródła są obecnie wykorzystywane w Polsce marginalnie, a ogromne ilości ciepła z procesów technologicznych trafiają do atmosfery, zamiast ogrzewać 14.

(15) obiekty budowlane i hale produkcyjne, pomimo tego, że stanowią one stabilne w ciągu roku źródło energii cieplnej.. 2. Uzasadnienie wyboru tematu Postępujące globalne ocieplenie oraz wzrost zainteresowania komfortem bytowym człowieka, zmienia strukturę konsumpcji energii elektrycznej. Istotny wzrost jej zużycia obserwowany jest w branży chłodniczej. Dynamiczne upowszechnianie systemów klimatyzacyjnych, częściowo wymuszone regulacjami prawnymi w zakresie jakości powietrza w budynkach użyteczności publicznej, jest źródłem poważnych problemów z systemami chłodniczymi doświadczanych w okresie letnim. W tym czasie intensywna praca konwencjonalnych. agregatów. sprężarkowych. doprowadza. do. przeciążeń. sieci. energetycznych. 800 750 700 650 600. MWh. 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0. zapotrzebowanie na energię cieplną. Rys. 4.. zapotrzebowanie na energię elektryczną do celów chłodzenia. zapotrzebowanie na energię cieplną do sorpcyjnych systemów chłodniczych. Zapotrzebowanie na energię elektryczną i energię cieplną w ciągu roku dla budynku biurowego [5, 6]. Maksimum zapotrzebowania na energię elektryczną, które zgodnie z rysunkiem 4 przypada w miesiącach letnich, przy niekorzystnych warunkach atmosferycznych oraz pogorszonych warunkach pracy elektrociepłowni może być źródłem zagrożenia bezpieczeństwa dostaw energii na globalną skalę. Spadek efektywności pracy 15.

(16) elektrociepłowni w okresie letnim spowodowany jest brakiem popytu na energię cieplną ze strony miejskich sieci, co widoczne jest na rysunku 4. Brak możliwości odprowadzenia wyprodukowanego w kogeneracji ciepła znacząco obniża sprawność termodynamiczną produkcji skojarzonej energii elektrycznej [7]. Natomiast oznaczone czerwoną linią zapotrzebowanie na energię cieplną do sorpcyjnych systemów chłodniczych odnotowuje wyraźny wzrost w okresie letnim. Zatem wdrożenie trigeneracji zapewni stały odbiór ciepła, co w konsekwencji pozwoli utrzymać stabilną i wysoką wydajność elektrociepłowni w ciągu całego roku. W sierpniu 2015 roku z uwagi na utrzymującą się falę upałów Polskie Sieci Elektroenergetyczne wprowadziły 20 stopień zasilania, czyli ograniczenia w dostarczaniu i poborze energii elektrycznej dla dużych ośrodków przemysłowych na mocy rozporządzenia wydanego przez Radę Ministrów (Dz.U. 2015 poz.1136). Zastosowane działania zapobiegły rozległej awarii zasilania, czyli blackout’owi, który groził znacznej części odbiorców w Polsce. Rozwiązaniem powyższych problemów w przyszłości może być dywersyfikacja technologii chłodzenia. W związku z tym, na całym świecie poszukiwane są obecnie alternatywne źródła pozyskiwania chłodu, które wpiszą się w politykę dekarbonizacji energetyki oraz koncepcję zrównoważonego rozwoju gospodarki światowej. Jednocześnie widoczna jest szansa na wykorzystanie kogeneracyjnego ciepła w okresie letnim do celów chłodniczych w układach trigeneracyjnych, które umożliwiają skojarzoną produkcję energii elektrycznej oraz cieplnej z produkcją chłodu w agregatach sorpcyjnych. Konwersja niskotemperaturowego ciepła na chłód w chłodziarkach adsorpcyjnych uzyskiwana. jest. przez. wykorzystanie. efektów. cieplnych,. które. towarzyszą. przeprowadzanym naprzemiennie cyklom adsorpcji i desorpcji w złożu sorbentu. Efektywna chłodziarka adsorpcyjna powinna mieć zdolność do wykorzystania w celu regeneracji złóż ciepła o możliwie niskiej temperaturze. Dlatego jest to dobry kierunek utylizacji niskotemperaturowych źródeł energii cieplnej, charakteryzujących się temperaturą poniżej 100°C [8]. Oprócz wymienionego już ciepła kogeneracyjnego, przemysłowe ciepło odpadowe, stanowi zasoby energii odnawialnej, w których upatruje się potencjalnego źródła zasilania przyjaznej środowisku technologii chłodzenia adsorpcyjnego. Ponadto energia słoneczna, której maksimum natężenia w Polsce przypada w okresie największego zapotrzebowania na chłód, bardzo dobrze wpisuje się jako źródło zasilania agregatu chłodniczego. Użycie energii słonecznej w tym celu jest szansą dla krajów znajdujących się w strefie międzyzwrotnikowej, która charakteryzuje się najsilniejszym nasłonecznieniem, z 16.

(17) czym wiąże się największe zapotrzebowanie na urządzenia klimatyzacyjne. Ponadto w krajach klimatu gorącego, które dodatkowo borykają się z niedoborem wody słodkiej, technologia adsorpcyjna może być wykorzystywana do odsalania wody morskiej [9]. Niestety obecnie urządzenia adsorpcyjne. osiągają zbyt. niskie. wartości. współczynnika wydajności chłodniczej COP (coefficient of performance), który opisany jest zależnością [10]: 𝐶𝑂𝑃 =. 𝐶𝐶 𝐻𝑃. (1). Podnoszenie sprawności urządzeń wiąże się ze wzrostem ich masy i rozmiarów co negatywnie wpływa na upowszechnienie tej technologii przy obecnie znanych rozwiązaniach konstrukcyjnych. Jednak wszystkie wymienione jej zalety posiadają najważniejszy wspólny mianownik, którym jest możliwość znaczącego ograniczenia wykorzystania energii elektrycznej do zasilania urządzeń chłodniczych. Przede wszystkim, z uwagi na efektywny odzysk niskotemperaturowych źródeł ciepła. Wymienione czynniki mają kluczowy wpływ na możliwość zwiększenia udziału OZE, który w Polsce jest nadal znacznie niższy niż w pozostałych krajach Unii Europejskiej. Jest to skuteczna motywacja do prowadzenia badań nad efektywnością energetyczną agregatów adsorpcyjnych, sprowadzająca się do poprawy parametrów znamionowych chłodziarki adsorpcyjnej tj. współczynnika COP i CC.. 3. Cel i tezy pracy Głównym celem pracy jest analiza metod intensyfikacji transportu ciepła i masy w złożu sorbentu, będąca podstawą do opracowania innowacyjnych konstrukcji złóż adsorpcyjnych, które pozwolą osiągnąć podwyższoną efektywność energetyczną chłodniczego agregatu adsorpcyjnego. Sformułowany powyżej cel pracy umożliwił przyjęcie przez autorkę następujących tez: . Kluczowy wpływ na transport ciepła w złożu adsorpcyjnym mają warunki przejmowania ciepła w warstwie przyściennej powierzchni wymiennika ciepła, gdzie źródłem największego oporu cieplnego jest porowatość usypanej warstwy sorbentu oraz niskie wartości współczynnika przewodności cieplnej sorbentu i gazu wypełniającego przestrzenie międzyziarnowe.. . Przeprowadzona analiza metod intensyfikacji transportu ciepła i masy oraz badania eksperymentalne cykli pracy chłodziarki adsorpcyjnej pozwolą na opracowanie 17.

(18) modelu numerycznego złoża z wykorzystaniem metod CFD (Computational Fluid Dynamics), który umożliwi efektywne projektowanie innowacyjnych konstrukcji złóż adsorpcyjnych o podwyższonej efektywności energetycznej. . Zastosowanie niskotemperaturowych źródeł energii cieplnej do zasilania agregatów adsorpcyjnych umożliwi zmniejszenie zapotrzebowania na energię elektryczną w okresie letnim, wykorzystywaną w celach klimatyzacyjnych.. . Kluczowy wpływ na efektywność energetyczną agregatu adsorpcyjnego ma konstrukcja wymiennika ciepła w złożu adsorpcyjnym oraz warunki cyklu pracy agregatu. Zweryfikowanie postawionych tez pracy wymagało opracowania autorskiego planu. badawczego, a określony cel pracy został osiągnięty poprzez wykorzystanie badań eksperymentalnych uzupełnionych o badania numeryczne. Badania eksperymentalne przeprowadzono na stanowisku badawczym dedykowanym do analizy przebiegu cykli roboczych. chłodziarki. charakterystyka. zmian. adsorpcyjnej. temperatur. w. Kluczowym złożu. badanym. adsorpcyjnym. parametrem podczas. była. procesów. adsorpcji/desorpcji. Materiałem porowatym wykorzystywanym do badań był silikażel. Z przeprowadzonych badań wstępnych oraz przeglądu specjalistycznej literatury wynika, że jego właściwości, w szczególności parametry sorpcyjne, brak negatywnego oddziaływania na środowisko, niska cena i szeroki zakres dostępnych granulacji, a także możliwe do zrealizowania we własnym zakresie modyfikacje uziarnienia, wykazują duży potencjał zastosowania tego materiału jako złoża adsorbentu w adsorpcyjnych układach chłodniczych. Ponadto silikażel tworzy efektywną parę roboczą z wodą, która jest w pełni proekologicznym czynnikiem chłodniczym. Przeprowadzone badania eksperymentalne wykorzystano. do. określenia. parametrów. wejściowych. oraz. walidacji. modeli. matematycznych, opisujących procesy fizyczne zachodzące z złożu adsorpcyjnym. Opracowany model złoża wykorzystano do przeprowadzenia analiz numerycznych z zastosowaniem metod CFD, ukierunkowanych na poprawę sprawności złoża adsorpcyjnego o innowacyjnej konstrukcji. W niniejszej pracy doktorskiej wykorzystano metody numeryczne CFD, ponieważ stanowią one obecnie zaawansowane narzędzie badawcze, wykorzystywane w procesie wdrażania innowacyjnych rozwiązań w wielu branżach [11-13]. Poszczególne prace zostały wykonane zgodnie ze schematem blokowym przedstawionym na rysunku 5.. 18.

(19) Rys. 5.. Schemat blokowy poszczególnych prac wykonanych w ramach badań. 4. Technologie produkcji chłodu Konieczność oszczędzania zasobów energetycznych i ochrony środowiska naturalnego to kluczowe problemy cywilizacyjne XXI wieku. Istotną częścią konsumpcji energii elektrycznej jest chłodzenie, a prognozy przewidują, że udział chłodzenia w ogólnym zużyciu energii będzie w kolejnych latach nadal wzrastał. Obecnie najczęściej stosowane są sprężarkowe urządzenia chłodnicze. Negatywny wpływ na środowisko konwencjonalnych chłodziarek skłania do pracy na rzecz rozwoju alternatywnych technologii. Zestawienie parametrów omawianych systemów chłodniczych przedstawia tabela 1 [14]. Tab.1. Zestawienie podstawowych parametrów wybranych technologii chłodzenia. Technologia Parametr sprężarkowa Efekt chłodzenia Źródło zasilania Czynnik chłodniczy COP. absorpcyjna. adsorpcyjna. Odparowanie czynnika chłodniczego Energia elektryczna. Energia cieplna. Energia cieplna. Freony i substancje z Amoniak, Woda z Woda, Metanol, grupy halogenków LiBr, Etanol (zależy od alkilowych zastosowanego adsorbentu) > 2 [15]. 0,6 – 1,2 [16, 17]. 0,3 – 0,6 [18]. Efekt chłodzenia we wszystkich rozpatrywanych technologiach uzyskiwany jest przez odparowanie czynników chłodniczych, a zasadnicza różnica między nimi dotyczy wydajności chłodniczej. Główną zaletą agregatów absorpcyjnych oraz adsorpcyjnych jest użycie ciepła, jako energii napędowej obiegu chłodniczego. Udział energii elektrycznej jest 19.

(20) w tych technologiach znacznie niższy i skoncentrowany na sterowaniu i zasilaniu pomp obiegowych. Ponadto agregaty sorpcyjne generują niskie koszty eksploatacji i napraw, a praca tych urządzeń odbywa się przy nieznacznym poziomie hałasu i jest pozbawiona wibracji. Dodatkową zaletą chłodziarek adsorpcyjnych jest możliwość utylizacji energii cieplnej o niższych temperaturach w porównaniu do chłodziarek absorpcyjnych. W adsorpcyjnym cyklu chłodzenia do regeneracji złoża sorbentu może być wykorzystywana woda gorąca już o temperaturze ok. 50 °C [19]. 4.1. Chłodziarka sprężarkowa Większość obecnie stosowanych agregatów chłodniczych to urządzenia zasilane energią elektryczną. Najczęściej są to sprężarki chłodnicze, realizujące lewobieżny obieg Lindego [20]. Schemat obiegu jednostopniowego sprężarkowego urządzenia chłodniczego przedstawia rysunek 6.. Rys. 6.. Schemat sprężarkowego urządzenia chłodniczego. Odparowany czynnik chłodniczy w postaci pary przegrzanej jest sprężany przy braku wymiany ciepła z otoczeniem (1-2 przemiana izentropowa, przy stałej entropii właściwej). Następnie sprężony gaz wtłaczany jest do skraplacza w warunkach wysokiej temperatury 20.

(21) i ciśnienia. W skraplaczu gaz jest chłodzony do temperatury skraplania, a następnie ulega kondensacji (2-3 izobaryczne i izotermiczne skraplanie gazu) przy stałym ciśnieniu i temperaturze. Skroplony czynnik chłodniczy kierowany jest do zaworu rozprężnego gdzie wysokie ciśnienie skraplania dławione jest do ciśnienia parowania (3-4 izentalpowe rozprężanie). W parowniku ciecz ponownie paruje przy stałym ciśnieniu, odbierając ciepło od dolnego źródła ciepła (4-1 izobaryczne parowanie) [20]. Współczynniki efektywności chłodniczej COP urządzeń sprężarkowych mieszczą się w granicach 3-5 [15]. To właśnie wysoka sprawność energetyczna oraz kompaktowe wymiary urządzeń odpowiadają za największą popularność tych systemów. Jednak eksploatacja sprężarkowych urządzeń chłodniczych wiąże się z dużym poborem energii elektrycznej, która w większości zużywana jest przez sprężarkę na wymuszenie cyrkulacji czynnika chłodniczego w obiegu agregatu. Ponadto istotną wadą konwencjonalnych chłodziarek jest stosowanie czynników chłodniczych, które mogą mieć negatywny wpływ na środowisko naturalne. Prowadzone wieloletnie badania udowodniły, że masowo stosowane w branży chłodniczej czynniki CFC (chlorofluorowęglowodory) i HFC (fluorowęglowodory) odpowiedzialne są za niszczenie warstwy ozonowej, i charakteryzują się wysokimi wartościami wskaźnika ODP (Ozone Depletion Potential) oraz GWP (Global Warming Potential), który określa wpływ danego medium na postępowanie efektu cieplarnianego [1]. Regulacje prawne wymusiły na branży chłodniczej poszukiwanie innych substancji o podobnych właściwościach termodynamicznych. Wprowadzenie nowego czynnika chłodniczego do przemysłowego stosowania wymaga przeprowadzenia kompleksowej oceny wpływu tej substancji na środowisko naturalne za pomocą znormalizowanych wskaźników. Zmiana czynnika chłodniczego może wpłynąć na obniżenie sprawności systemu, a często wymaga również modyfikacji obiegu agregatu chłodniczego,. co. podnosi. również. koszty. produkcji.. Zatem. egzekwowanie. proekologicznych działań w przemyśle za pośrednictwem międzynarodowych regulacji prawnych, wpływa na wzrost zainteresowania ekologicznymi metodami chłodzenia, do których należą technologie sorpcyjne. 4.2. Chłodziarka absorpcyjna Proces absorpcji polega na wnikaniu jednej substancji do innej substancji, która tworzy fazę ciągłą, tj. ciało stałe, ciecz lub gaz. Absorbent pochłania całą objętością absorbat, a stan równowagi dwóch faz w tym procesie opisany został prawem podziału Nernsta oraz prawem Henry’ego [21]: 21.

(22) 𝐾𝑋(12) =. [𝑋]1 , [𝑋]2. (2). gdzie 𝐾𝑋(12) to współczynnik podziału, tj. stała podziału substancji X pomiędzy fazy "1" i "2". Schemat chłodziarki absorpcyjnej przedstawiony jest na rysunku 7.. Rys. 7.. Schemat pracy chłodziarki absorpcyjnej. W tej technologii wykorzystywany jest proces absorpcji par przez ciecz [22]. Najczęściej stosowane chłodziarki absorpcyjne pracują w układach bromek litu – woda (LiBr-H2O) oraz woda-amoniak (H2O-NH3), gdzie odpowiednio bromek litu i woda stanowią substancje absorbujące (absorbenty) czynniki chłodnicze [17]. Cykl roboczy chłodziarki absorpcyjnej przebiega następująco. Czynnik chłodniczy (absorbat) podawany jest do parownika przez zawór rozprężny, gdzie zostaje zdławiony do ciśnienia parowania w danej temperaturze. Odparowany czynnik chłodniczy kierowany jest 22.

(23) do absorbera, gdzie rozpoczyna się proces absorpcji gazowej substancji przez ciecz. W tym czasie przez system wymienników ciepła przepływa woda chłodząca, która odbiera ciepło wywiązane podczas absorpcji, celem podtrzymania kinetyki tego zjawiska. Po określonym czasie stężenie absorbatu w roztworze wzrośnie do wartości, która spowoduje wyhamowanie procesu. Powstały w ten sposób tzw. „roztwór bogaty” o wysokim stężeniu absorbatu, podawany jest pod wysokim ciśnieniem do warnika (desorbera) zasilanego wodą gorącą. Wzrost ciśnienia wywołuje desorpcję czynnika chłodniczego, który w stanie gazowym przepływa do skraplacza. Skroplony czynnik chłodniczy kierowany jest ponownie do parownika, gdzie rozpoczyna się kolejny cykl roboczy, natomiast powstały „roztwór ubogi”, zawierający resztkowe ilości absorbatu, po zdławieniu w zaworze do ciśnienia parowania przepływa do absorbera [23, 24]. Zastosowanie w obiegu rekuperatora (wymiennik regeneracyjny) zapewnia zwiększenie sprawności agregatu absorpcyjnego, ponieważ zimny „roztwór bogaty” jest wstępnie podgrzewany, odbierając ciepło od powracającego do absorbera „roztworu ubogiego”. Zatem takie rozwiązanie jednocześnie pozwala zmniejszyć strumień wody gorącej zasilającej warnik oraz zmniejszyć strumień wody chłodzącej absorber, ponieważ roztwór ubogi zostaje wstępnie schłodzony w rekuperatorze [20]. Obecnie prowadzone są prace optymalizacyjne nad konstrukcją urządzeń absorpcyjnych. W pracy [25] wykazano poprawę COP agregatu absorpcyjnego o 46,7% przez zastosowanie wielostopniowego cyklu pracy. Z uwagi na toksyczność amoniaku, możliwość krystalizacji kryształów LiBr w wymiennikach ciepła oraz właściwości sprzyjające procesom korozji, badane są również nowe pary robocze czynnik chłodniczy – absorbent oparte na cieczach jonowych [26]. Chłodziarki absorpcyjne wykorzystywane są również w hybrydowych instalacjach chłodniczych, w których kombinacja wytwornic elektrycznych i cieplnych pozwala zoptymalizować koszty produkcji chłodu w budynku. Ustalenie cyklu pracy takiej instalacji, a w szczególności punktów przełączania wytwornic, wymaga przeprowadzenia kompleksowej analizy kosztów zużycia energii, w odniesieniu do całego obiektu budowlanego [27]. Zgodnie z tabelą 1 urządzenia absorpcyjne osiągają znacznie wyższą wydajność chłodniczą niż agregaty adsorpcyjne, jednak jest to ściśle powiązane z temperaturą wody zasilającej agregat. Chłodziarki absorpcyjne wymagają źródła energii cieplnej o temperaturze powyżej 80°C, ponieważ niższe temperatury powodują drastyczny spadek współczynnika COP [14]. Jest to istotna bariera w wykorzystaniu niskotemperaturowych źródeł energii cieplnej. W szczególności uniemożliwia to zastosowanie ciepłej wody 23.

(24) z miejskich sieci ciepłowniczych, która latem osiąga temperaturę maksymalną 65°C. Ograniczenia te nie dotyczą technologii adsorpcyjnej, pozwalającej na użycie wody gorącej o takich właśnie parametrach. Agregaty absorpcyjne są również bardzo wrażliwe na wahania temperatury wody zasilającej, a spadek poniżej 70°C generuje problem krystalizacji bromku litu (LiBr). 4.3. Chłodziarka adsorpcyjna Moc chłodnicza CC w adsorpcyjnym cyklu chłodzenia uzyskiwana jest przez wykorzystanie efektów cieplnych, które są konsekwencją prowadzonych cyklicznie procesów adsorpcji i desorpcji w stałym złożu materiału porowatego. Zatem technologia adsorpcyjna bazuje na powierzchniowych zjawiskach sorpcyjnych. Podczas parowania czynnika chłodniczego ciepło jest odbierane, a podczas skraplania oddawane. Warunki, w których przebiega proces roboczy zależą od doboru pary adsorbent-adsorbat. W agregatach chłodniczych, przeznaczonych do celów klimatyzacyjnych, jako adsorbat najczęściej wykorzystywana jest woda, która jest substancją stabilną chemicznie oraz bezpieczną dla środowiska. Zastosowanie wody jako adsorbatu wymusza utrzymanie w cyklu pracy agregatu bardzo niskich ciśnień w granicach 1001,26 – 1704,10 Pa, które odpowiadają ciśnieniu pary nasyconej przy temperaturze wody 7–15°C [28]. Jako adsorbenty stosuje się materiały porowate o silnie rozwiniętej powierzchni właściwej, na której zachodzą procesy adsorpcji fizycznej. Molekuły adsorbatu wiązane są na powierzchni adsorbentu przez słabe międzycząsteczkowe oddziaływania van der Waals’a. Ogrzewanie złoża powoduje rozrywanie tych słabych wiązań i wyzwala procesy desorpcji, która jednocześnie stanowi etap regeneracji złoża. Zregenerowane złoże sorbentu jest przygotowane do ponownego cyklu adsorpcji. W celu zapewnienia ciągłej produkcji chłodu, chłodziarki adsorpcyjne wyposaża się w przynajmniej dwa złoża. Wówczas równocześnie w jednym złożu czynnik chłodniczy jest adsorbowany, a w drugim jest desorbowany. W konsekwencji w parowniku nieprzerwanie produkowana jest woda lodowa. Schemat jednostopniowego, dwuzłożowego agregatu adsorpcyjnego przedstawiony jest na rysunku 8.. 24.

(25) Rys. 8.. Schemat dwuzłożowej chłodziarki adsorpcyjnej, gdzie: HW – obieg wody gorącej, CW – obieg wody chodzącej, ChW – obieg wody lodowej. Cykl pracy chłodziarki adsorpcyjnej rozpoczyna proces parowania czynnika chłodniczego. Odbiór ciepła od wody przepływającej przez system zabudowanych rur wymiennika w parowniku, pozwala na produkcję tzw. wody lodowej. W ten sposób generowana jest moc chłodnicza urządzenia CC (cooling capacity), którą można opisać równaniem: 𝐶𝐶 = 𝑚̇𝐶ℎ ∙ 𝑐𝑝,𝑤 ∙ (𝑇𝐶ℎ,𝐼 − 𝑇𝐶ℎ,𝑂 ). (3). Z uwagi na niskie ciśnienia i temperatury pracy, parowniki chłodziarek adsorpcyjnych. stanowią. jeden. z. podstawowych. elementów. konstrukcyjnych,. warunkujących prawidłową pracę tych urządzeń. Typowe parametry eksploatacyjne, tj. temperatura wody lodowej i ciśnienie pracy mieszczą się w granicach 3 – 20°C i 760 – 2340 kPa [29]. W literaturze przedmiotu przyjęły się trzy podstawowe rodzaje parowników [30-32]: . zalane (flooded),. . kapilarne (capillary-assisted).. . ociekowe (falling-film). 25.

(26) Zastosowanie parownika typu kapilarnego lub ociekowego stanowi skuteczną metodę obniżenia największej wady parowników zalanych, jaką jest negatywny wpływ ciśnienia. hydrostatycznego. słupa. wody. na. funkcjonowanie. parowników. niskociśnieniowych, w których ciśnienie bezwzględne wynosi ok. 900 Pa [29]. Inne metody poprawy sprawności parowników przez modyfikację zewnętrznej lub wewnętrznej powierzchni wymiany ciepła, w szczególności zastosowanie powierzchni żebrowanych lub porowatych oraz turbulizatorów przepływu przedstawiono w pracach [29, 33]. W trakcie procesu parowania parownik połączony jest ze złożem adsorpcyjnym, gdzie produkowana para ulega adsorpcji na powierzchni materiału porowatego. Proces ten został szczegółowo opisany w rozdziale 5.1. Egzotermiczny charakter adsorpcji wymaga stałego odbioru ciepła, aby utrzymać dynamikę procesu. Dlatego w trakcie adsorpcji przez zabudowany w objętości złoża system wymienników ciepła przepływa woda chłodząca. Ponadto w tym etapie przestrzeń złoża nie ma połączenia z komorą skraplacza. Kiedy złoże sorbentu zostanie nasycone, zawory łączące parownik ze złożem ulegają zamknięciu i rozpoczyna się proces wygrzewania złoża, prowadzący do desorpcji czynnika chłodniczego. Do wymiennika zabudowanego w złożu doprowadzany jest czynnik roboczy (zwykle woda) o podwyższonej temperaturze. W tym czasie komora złoża pozostaje odłączona zarówno od parownika jak i od skraplacza. Po pewnym czasie, określanym mianem czasu przełączenia (ang. switching time), podczas którego w obszarze złoża rośnie ciśnienie zdesorbowanej pary, następuje otwarcie zaworów doprowadzając do połączenia przestrzeni złoża ze skraplaczem. Od tej chwili kolejny etap zwany jest fazą desorpcji. Zdesorbowany czynnik chłodniczy kierowany jest do skraplacza, gdzie po skropleniu ponownie trafia do parownika, w którym rozpoczyna się kolejny cykl pracy chłodziarki. Przemiana fazowa skraplania występuje po spełnieniu ściśle określonych warunków, tj. istnienie gradientu temperatury na ściance kanału (temperatura powierzchni ścianki powinna być niższa od temperatury czynnika) oraz występowanie zarodków cieczy [34]. Skraplanie może przebiegać w całej objętości pary nasyconej przy jej ochładzaniu, na powierzchni ciała stałego, w objętości cieczy lub na warstwie cieczy. Proces skraplania rozpoczyna się wskutek przechłodzenia pary poniżej temperatury nasycenia Ts przy danym ciśnieniu. Sprzyja temu występowanie, tzw. zimnych powierzchni (ciał stałych lub cieczy) o temperaturze niższej od temperatury nasycenia Ts. Podczas wykraplania pary, w bezpośrednim sąsiedztwie ścianki następuje gwałtowne zmniejszanie jej objętości, co powoduje jednokierunkowy ruch cząstek ku ściance [35]. W aspekcie technicznym, 26.

(27) skraplacze są wymiennikami ciepła o wysokiej sprawności. Istnieje wiele odmian skraplaczy (m.in. płytowe, rurowe, palcowe, bębnowe), jednak zawsze ich działanie polega na efektywnym odbieraniu ciepła ze strumienia gazów za pomocą mediów chłodzących [36, 37]. Temperatura wody chłodzącej jest powiązana ściśle z ciśnieniem panującym w skraplaczu. Do skraplacza dopływa para mokra, czyli para z niewielką ilością wykroplonej wody. W skraplaczu następuje skroplenie pozostałej pary i minimalne przechłodzenie kondensatu, a ciepło skraplania odprowadzane jest do otoczenia za pomocą wody chłodzącej. Zmiany fazowe zachodzące w trakcie procesu roboczego przedstawiono na rysunku 9.. Rys. 9.. Schemat zmian ciśnienia i temperatury w cyklu pracy złoża. Powyższy wykres Clapeyrona (f(-1/T)= ln p) przedstawia termodynamiczny obieg jednostopniowej chłodziarki adsorpcyjnej, na który składają się procesy adsorpcji czynnika chłodniczego (AB), podczas, której należy odprowadzić ciepło Qa . Kolejnym etapem jest izosteryczne ogrzewanie złoża związane z koniecznością doprowadzenia ciepła Qo, zachodzące przy stałej ilości zaadsorbowanej masy czynnika chłodniczego (BC). Następnie rozpoczyna się desorpcja czynnika chłodniczego (CD), a po desorpcji następuje izosteryczne chłodzenie złoża (DA). Etapy ogrzewania i chłodzenia złoża to stany przejściowe, podczas których odpowiednio ciśnienie i temperatura rosną do punktu C (ciśnienie skraplania), w którym rozpoczyna się desorpcja, lub ciśnienie i temperatura w układzie maleją do punktu A (ciśnienie parowania), w którym rozpoczyna się adsorpcja. 27.

(28) 4.3.1. Wady i zalety agregatów adsorpcyjnych Intensywny rozwój adsorpcyjnej technologii chłodzenia w ostatnich latach związany jest ze wzrostem zainteresowania ze strony społeczeństwa ekologicznymi źródłami energii. Największą zaletą agregatów adsorpcyjnych jest możliwość wykorzystania do zasilania tych urządzeń energii cieplnej co pozwala znacząco ograniczyć zużycie energii elektrycznej, która w Polsce produkowana jest głównie ze źródeł nieodnawialnych [38]. Stałe zmniejszenie zapotrzebowania na energię elektryczną spowoduje ograniczenie emisji gazów cieplarnianych oraz innych zanieczyszczeń, które są skutkiem pracy konwencjonalnych elektrowni. Ponadto najczęściej stosowanym czynnikiem chłodniczym w adsorpcyjnych systemach klimatyzacyjnych jest woda, która jest substancją naturalną i w porównaniu do związków freonowych, wykorzystywanych w sprężarkach, w pełni bezpieczną i ekologiczną [18]. Możliwość zastosowania energii cieplnej w szerokim zakresie temperatur stwarza bardzo wiele możliwości w doborze odpowiedniego źródła zasilania, które może stanowić ciepło odpadowe z produkcji przemysłowych, energia słoneczna, energia geotermalna, czy ciepło produkowane w kogeneracji. Elastyczność w doborze niskotemperaturowego źródła zasilania chłodziarki sprawia, że są to systemy tanie w eksploatacji. Cykl roboczy oparty na pracy niskociśnieniowego parownika i procesach sorpcyjnych otwiera również perspektywę odsalania wody morskiej za pomocą tych urządzeń. Jest to istotne z uwagi na coraz częstsze susze, obniżenie poziomu wód gruntowych i niedobory spowodowane zmianami klimatu, które w wielu krajach powodują okresowe kryzysy dostępu do wody pitnej. Jednocześnie prosta konstrukcja chłodziarek adsorpcyjnych, pozbawiona ruchomych części i źródeł wibracji, czyni te urządzenia niezawodnymi, o bardzo długim czasie niezakłóconej eksploatacji, a przez to tanimi w utrzymaniu [39]. Głównym czynnikiem ograniczającym upowszechnienie tej technologii jest niska sprawność adsorpcyjnych chłodziarek wyrażona współczynnikiem COP, którego średnie wartości wskazane zostały w tabeli 1. Konwencjonalne działania zmierzające do poprawy ich efektywności wiążą się z drastycznym wzrostem masy i gabarytów urządzeń, co jest poważnym czynnikiem hamującym popularność systemów sorpcyjnych. Ponadto wysokie koszty zakupu oraz montażu instalacji adsorpcyjnej, jak również konieczność utrzymania szczelności z uwagi na pracę chłodziarki w warunkach niskiego ciśnienia, nie zachęcają inwestorów do wymiany konwencjonalnych agregatów sprężarkowych na ekologiczne sorpcyjne zamienniki [40]. 28.

(29) Jednak opisane powyżej zalety adsorpcyjnych agregatów chłodniczych, w tym przede wszystkim możliwość ograniczenia zużycia energii elektrycznej do celów klimatyzacyjnych oraz potencjał wykorzystania niskotemperaturowych źródeł energii cieplnej do zasilania tych urządzeń, motywują do prowadzenia badań wdrożeniowych, zmierzających do poprawy ich sprawności. 4.3.2. Analiza potencjalnych źródeł zasilania chłodziarek adsorpcyjnych w Polsce Dostępność stabilnego źródła ciepła o określonych parametrach jest ważnym kryterium wyboru pary roboczej adsorbent-adsorbat. Opisane w rozdziale 5 sorbenty charakteryzują się skrajnie różnymi temperaturami desorpcji, od około 50°C dla silikażelu do ponad 200 °C dla zeolitu. W zakresie tych temperatur dostępnych jest wiele źródeł ciepła, m.in. wody gorącej, które stanowią potencjalne zasoby energii niezbędnej do zasilania agregatów adsorpcyjnych. W Polsce w ostatnich latach obserwujemy zwiększenie zainteresowania technologiami sorpcyjnymi, a wprowadzona 20 maja 2016 r. Ustawa o efektywności energetycznej (Dz.U. 2016 poz. 831), nakładająca na przedsiębiorców obowiązek przeprowadzania audytów energetycznych, dodatkowo wymusza racjonalną gospodarkę i poszukiwanie metod redukcji zużycia konwencjonalnej energii elektrycznej. Polska znajduje się w czołówce państw europejskich o największej dystrybucji ciepła sieciowego. W 2017 r. przedsiębiorstwa ciepłownicze wytworzyły 431,7 tys. TJ ciepła razem z ciepłem odpadowym, z czego ponad 241 tys. TJ wyprodukowano w kogeneracji. Udział kogeneracji w ogólnej produkcji ciepła w poszczególnych województwach przedstawia rysunek 10. W odniesieniu do całego kraju 60% ciepła produkowane jest w technologii kogeneracyjnej, a wynik sześciu województw znajduje się powyżej średniej krajowej. W Polsce już ponad 15 milionów osób korzysta z ciepła systemowego, które przesyłane jest sieciami o łącznej długości 21084,8 km [41, 42]. Z roku na rok zwiększa się liczba odbiorców ciepła z sieci, co jest ważnym elementem redukcji niskiej emisji, istotnie wpływającej na powstawanie smogu. Jednak elektrociepłownie notują drastyczny spadek efektywności w okresie letnim, z uwagi na brak odbiorców ciepła systemowego. Zatem instalacja układów trigeneracyjnych, które zakładają produkcję w skojarzeniu energii elektrycznej, cieplnej oraz chłodu, może zapewnić stały odbiór ciepła w ciągu całego roku.. 29.

(30) Produkcja ciepła w kogeneracji 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0. Rys. 10. Udział kogeneracji w ogólnej produkcji ciepła w poszczególnych województwach [66]. Produkowana woda lodowa w agregatach sorpcyjnych, może być wykorzystywana do celów klimatyzacyjnych, szczególnie w obiektach wielkopowierzchniowych, takich jak: serwerownie, hale produkcyjne, magazyny, hale sportowe, centra handlowe [43]. Zgodnie z danymi. z. rysunku. 10. najwięcej. ciepła. kogeneracyjnego. produkowane. jest. w województwie lubuskim, co zaowocowało w 2015 r. uruchomieniem pierwszej, komercyjnej chłodziarki adsorpcyjnej w Centrum Przyrodniczym w Zielonej Górze. Jest to agregat trójzłożowy pracujący w układzie silikażel-woda, a produkowana woda lodowa jest wykorzystywana do celów klimatyzacji centrum. Chłodziarka zasilana jest ciepłem sieciowym o temperaturze oscylującej w granicach 63-68°C i pozwala zaoszczędzić 50% energii elektrycznej w stosunku do urządzeń sprężarkowych, działających w układach klasycznych systemów klimatyzacji [44]. W Polsce wdrożono jeszcze dwie instalacje trójgeneracyjne, które służą do celów badawczych. Trójzłożowy agregat adsorpcyjny we Wrocławskim Parku Technologicznym, o mocy chłodniczej 90 kW, jest przedmiotem badań optymalizacyjnych cyklu roboczego oraz dzięki instalacji dodatkowego parownika wysokociśnieniowego,. umożliwia. przeprowadzenie. badań. eksperymentalnych. dwustopniowego cyklu. Model matematyczny tej chłodziarki został przedstawiony w 30.

(31) pracach [45, 46]. Optymalizację tego agregatu za pomocą metod sztucznej inteligencji zaprezentowano w pracy [47], a jego model regresyjny, umożliwiający ocenę wpływu parametrów eksploatacyjnych na moc chłodniczą opracowano w pracy [48]. Kolejny układ badawczy to agregat adsorpcyjny zbudowany w elektrociepłowni Fortum w Częstochowie, który jest przedmiotem badań przeprowadzonych w ramach pracy [49]. Chłodziarka ta składa się z trzech złóż adsorpcyjnych wypełnionych silikażelem oraz dwóch parowników, które umożliwiają pracę agregatu w cyklu dwustopniowym. W strukturze przemysłu w Polsce, istotny udział mają przedsiębiorstwa branży chemicznej, hutniczej oraz motoryzacyjnej, w których efektem ubocznym produkcji są duże ilości ciepła odpadowego o stabilnych parametrach temperaturowych i stałej podaży. Jednocześnie te zakłady wykorzystują systemy klimatyzacyjne potrzebne do zapewnienia komfortu bytowego pracowników, czego wymagają przepisy bezpieczeństwa i higieny pracy. Zatem odzysk tej energii z procesów technologicznych z powodzeniem można wykorzystać jako źródło zasilania chłodniczych agregatów adsorpcyjnych. Niestety nadal duże ilości energii cieplnej pochodzące z hut, koksowni, cementowni i innych zakładów emitowane są do atmosfery, a instalowanie systemów odzysku ciepła do celów grzewczych i chłodniczych, dodatkowo znacznie poprawiłoby bilans efektywności energetycznej przemysłu. Ponadto z uwagi na duże gabaryty chłodziarek, wielkopowierzchniowe budynki przemysłowe będą dobrym odbiorcą adsorpcyjnego chłodu. Czynnikiem, który może zachęcić przedsiębiorców do inwestowania w ekologiczne instalacje do utylizacji ciepła odpadowego,. mogą. być. dotacje. dla. przedsiębiorców. wdrażających. działania. prośrodowiskowe lub ulgi podatkowe przyznawane z tego tytułu. Źródłem zasilania chłodziarek adsorpcyjnych może być także energia geotermalna, jednak budowa instalacji do wykorzystywania geotermii wiąże się z wysokimi kosztami inwestycji. Bardziej ekonomicznym źródłem ciepła jest natomiast energia słoneczna, która również może być wykorzystywana do produkcji adsorpcyjnego chłodu. Jednak w Polsce podaż energii słonecznej w okresie letnim cechuje duża niestabilność, a uzależnienie produkcji chłodu od warunków pogodowych może negatywnie wpłynąć na jej wydajność. Zatem w polskich warunkach energia słoneczna może być wykorzystywana przede wszystkim jako dodatkowe źródła zasilania chłodziarki, które uzupełni ciepło systemowe lub odpadowe. Badania eksperymentalne na chłodziarce z mieszanym źródłem zasilania zostały przeprowadzone w pracy [50]. Agregaty adsorpcyjne na bazie instalacji solarnych znajdują zastosowanie w Azji, gdzie są również wykorzystywane do celów odsalania wody. Przegląd kierunków rozwoju takich instalacji zaprezentowano w pracy [51]. 31.

(32) Branża oferująca agregaty adsorpcyjne w Polsce, z uwagi na obecnie niski popyt, nie zajmuje ważnej pozycji na rynku systemów klimatyzacyjnych. W Polsce systemami sorpcyjnymi zajmują się firmy NET S.A., Termster oraz Energycool. Produkcją wielkogabarytowych urządzeń adsorpcyjnych na świecie zajmuje się międzynarodowy koncern PPI WAY w Stanach Zjednoczonych. Na licencji PPI chłodziarki adsorpcyjne do celów klimatyzacyjnych produkowane są również w Indiach przez firmę Bry-Air. Na rynku azjatyckim technologia adsorpcyjna jest bardzo intensywnie rozwijana, z uwagi na możliwość jej wykorzystania do odsalania wody morskiej. Duży udział w sprzedaży agregatów adsorpcyjnych na rynku azjatyckim należy do japońskiej firmy Mayekawa. Natomiast na europejskim rynku działają tacy producenci jak niemiecka firma Fahrenheit i InvenSor.. 5. Charakterystyka procesu adsorpcji fizycznej, analiza i dobór adsorbentu Procesy sorpcji fizycznej, które są fundamentem działania adsorpcyjnych agregatów chłodniczych, zachodzą w układzie adsorbent-adsorbat, a w czasie tych procesów nie dochodzi do zmiany chemicznych właściwości adsorbatu. Zjawisko adsorpcji fizycznej występuje. na. granicy. faz. dwóch. substancji,. gdzie. w. wyniku. oddziaływań. międzycząsteczkowych van der Waalsa, następuje zmiana stężenia jednej z substancji. Zgodnie z prawem zachowania masy, stężenie tego składnika w fazie też ulega zmianie i jest on nazywany adsorbatem [28, 40]. Czynnik chłodniczy (adsorbat) zmienia jedynie stan skupienia, czyli ulega kondensacji na porowatej powierzchni sorbentu, co wiąże się z wydzielaniem izosterycznego ciepła adsorpcji, wyrażanego jako ilość energii uwalnianej na jednostkę masy zaadsorbowanej substancji. Schemat procesu sorpcji powierzchniowej został w uproszczeniu przedstawiony na rysunku 11.. Rys. 11. Schemat procesu adsorpcji fizycznej. 32.

(33) W wyniku oddziaływania międzycząsteczkowego na granicy dwóch faz, powierzchnia adsorbentu wysycana jest cząsteczkami adsorbatu, tworząc monowarstwę, która staje się podłożem do gromadzenia się kolejnych molekuł [40]. 5.1. Kinetyka sorpcji Układ oddziaływania adsorbent-adsorbat po pewnym czasie trwania procesu sorpcji t, osiągnie stan równowagi, w którym liczba cząstek adsorbowanego czynnika chłodniczego będzie funkcją temperatury i ciśnienia zgodnie z zależnością [28, 40]: 𝑥 = 𝑓(𝑝, 𝑇). (4). Model równowagi adsorpcyjnej ciało stałe-gaz można przedstawić za pomocą poniższych trzech równań parametrycznych. Stopień nasycenia adsorbentu przy stałej temperaturze w funkcji ciśnienia wyrażony jest za pomocą równania izotermy adsorpcji w ogólnej postaci: 𝑥 = 𝑓(𝑝) 𝑇. (5). Izotermy najczęściej wykorzystywane są do opisu badań eksperymentalnych przy małej masie sorbentu, ponieważ im większa masa tym większa produkcja ciepła adsorpcji, co bardzo utrudnia zachowanie warunków izotermicznych. Równowagę adsorpcyjną przy stałym ciśnieniu przedstawimy za pomocą równania izobary adsorpcji: 𝑥 = 𝑓(𝑇)𝑝 ,. (6). natomiast równanie izostery adsorpcji opisuje zależność ciśnienia od temperatury przy stałej ilości zaadsorbowanej masy czynnika chłodniczego: 𝑝 = 𝑓(𝑇)𝑥. (7). Najczęściej tą zależność wykorzystuje się do obliczania izosterycznego ciepła adsorpcji, co stanowi ważny czynnik przy doborze par roboczych. W zależności od przyjętych założeń, opracowanych zostało wiele równań izoterm adsorpcji. Langmuir zaproponował model monowarstwowy (8), w którym założył istnienie centrów aktywnych na powierzchni sorbentu, gdzie dochodzi do adsorpcji pojedynczych cząsteczek adsorbatu [52]. 𝑥=. 𝑥𝑚 𝐾𝑝 1 + 𝐾𝑝. (8). 33.

(34) Ten model zlokalizowanej, jednocząsteczkowej adsorpcji najczęściej znajduje zastosowanie przy opisie sorpcji chemicznej, ponieważ adsorpcja fizyczna związana jest z tworzeniem się warstw wielomolekularnych. Model opisujący adsorpcję wielowarstwową zaproponowany został przez Brunauera, Emmetta i Tellera (BET). Zgodnie z tą teorią pierwsza zaadsorbowana warstwa staje się podłożem, na którym adsorbowane są kolejne warstwy, a oddziaływania pomiędzy cząsteczkami adsorbatu nie istnieją. Na podstawie tych założeń zaproponowano równanie BET [28]:. 𝑥=. 𝑝 𝑥𝑚 𝐶 𝑝. 0 𝑝 𝑝 , (1 − 𝑝 ) (1 + (𝐶 − 1) 𝑝 ) 0 0. (9). które jest spełnione w zakresie niskich ciśnień i najczęściej wykorzystywane do określania powierzchni właściwej sorbentów. Stała adsorpcji C to funkcja temperatury, która jest określona przez różnicę pomiędzy ciepłem adsorpcji i ciepłem skraplania. Kolejną postać izotermy adsorpcji zaproponował w 1971 Tóth, który uzupełnił teorię Langmuira o parametr heterogeniczności adsorbentu n i zmodyfikował jego równanie do postaci [53]: 𝑥 = 𝑥𝑚. 𝐾𝑝 1. [1 + (𝐾𝑝)𝑛 ]𝑛. (10). Dla n = 1 równanie (10) przyjmuje postać izotermy Langmuira. W powyższych równaniach K to stała równowagi adsorpcji wyrażona zależnością: 𝐾 = 𝐾0 𝑒𝑥𝑝 (. 𝑄𝐴 ) 𝑅𝑇. (11). gdzie K0 to czynnik przedeksponencjalny związany z entropią adsorpcji. Izotermy adsorpcji wyznacza się na podstawie badań eksperymentalnych kinetyki sorpcji dla danego układu adsorbent-adsorbat. Występuje tu zależność kształtu izotermy od właściwości fizycznych materiału porowatego, szczególnie rozmiaru porów. Kolejnym istotnym czynnikiem, który ma wpływ na przebieg izotermy adsorpcji jest intensywność odziaływań cząsteczek adsorbatu z powierzchnią adsorbentu. Międzynarodowa Unia Chemii Czystej i Stosowanej (IUPAC) stworzyła klasyfikację sześciu typów izoterm, które przedstawiono na rysunku 12 [28, 40].. 34.

(35) Rys. 12. Przebieg izotermy według równania stanu Tótha. Izoterma typu I opisuje monomolekularną teorię adsorpcji, zaproponowaną przez Langmuira i jest charakterystyczna dla materiałów mikroporowatych. Typ I odwzorowuje również przebieg izotermy Tótha. Adsorpcję na adsorbentach makroporowatych opisują izotermy typu II i III, gdzie typ II jest znacznie częściej spotykany i opracowany został na podstawie modelu BET. Kształt izoterm IV i V odwzorowuje przebieg adsorpcji na materiałach mezoporowatych. Proces ten charakteryzuje występowanie pętli histerezy w procesach sorpcji, co oznacza, że przebieg krzywej adsorpcji będzie różny od przebiegu krzywej dla procesu desorpcji dla danego materiału. Histereza procesów adsorpcji występuje również z powodu zróżnicowanego kształtu porów w strukturze sorbentu. Izoterma typu VI przedstawia wielowarstwową adsorpcję etapową, która zachodzi na jednorodnych powierzchniach nieporowatych [28]. Analiza izoterm adsorpcji materiałów porowatych stanowi istotną metodę w ocenie i optymalizacji wydajności chłodziarek adsorpcyjnych oraz jest przydatnym narzędziem już na etapie projektowania tych urządzeń. Znajomość charakterystyki adsorpcji w danej konfiguracji złoża przy określonych warunkach, umożliwia wyznaczenie optymalnego czasu trwania poszczególnych etapów cyklu pracy agregatu. Takie badania eksperymentalne przeprowadzono w pracy [54]. Termodynamiczna charakterystyka pary roboczej silikażel – woda, wyznaczona dla trzech typów żelu krzemionkowego pozwoliła wyznaczyć optymalny 35.

(36) czas regeneracji złoża w każdym przypadku. W pracy [53] porównywano kinetykę procesu adsorpcji oraz właściwości dwóch typów silikażelu A i RD. Powierzchnie właściwe tych materiałów zostały określone za pomocą metody BET, natomiast izotermy adsorpcji wyznaczono na podstawie badań eksperymentalnych wykorzystując do korelacji wyników model Tótha. Analiza potwierdziła zgodność wyznaczonych izoterm z danymi odniesienia. Wyniki tych badań wykorzystano w pracy [55] do przeprowadzenia symulacji numerycznych wpływu liczby warstw silikażelu w złożu na parametry znamionowe chłodziarki. Kinetykę adsorpcji silikażelu na podstawie izoterm adsorpcji badano również w pracy [56]. Analizę izotermy adsorpcji dla węgli aktywnych przeprowadzono w pracy [57]. 5. 2. Przegląd dostępnych sorbentów Wybór pary roboczej adsorbent – czynnik chłodniczy jest kluczowym zagadnieniem przy projektowaniu chłodziarki adsorpcyjnej, ponieważ determinuje konieczność zapewnienia określonych warunków pracy agregatu. Podział sorbentów wykorzystywanych w adsorpcyjnej technologii chłodzenia zestawiono w tabeli 2. Tab.2. Podział materiałów porowatych stosowanych w technologii adsorpcyjnej [40, 58, 59]. ADSORBENT silikażele zeolity FIZYCZNE węgle aktywne metaloorganiczne struktury MOF’s tlenki metali chlorki metali CHEMICZNE sole i wodorotlenki metali higroskopijne kompozyty na bazie silikażelu KOMPOZYTOWE kompozyty na bazie chlorków. ADSORBAT (CZYNNIK CHŁODNICZY) woda woda wetanol, amoniak, etanol m.in. woda (zależy od struktury) tlen amoniak woda, wodór, woda zależy od zastosowanego bazowego sorbentu. Zastosowany rodzaj sorbentu ma decydujący wpływ na zakres ciśnienia roboczego w cyklu pracy oraz temperaturę wody gorącej, którą należy zapewnić do skutecznej regeneracji złoża wybranego materiału porowatego. Istnieje wiele par roboczych umożliwiających produkcję czynnika chłodniczego zapewniającego użyteczny efekt chłodzenia. Wybór skorelowany jest z przede wszystkim z przeznaczeniem agregatu. 36.

(37) chłodniczego, co bezpośrednio wynika z temperatury produkowanego chłodu oraz z dostępnym źródłem energii cieplnej zasilającym urządzenie. 5.2.1. Węgle aktywne Węgle aktywne tworzą parę roboczą z metanolem oraz amoniakiem, a stosowane są głównie w chłodziarkach adsorpcyjnych przeznaczonych do mrożenia. Wykorzystanie tego materiału porowatego do produkcji lodu badano eksperymentalnie i numerycznie w pracach [60-62]. Węgiel aktywny jest otrzymywany w procesie karbonizacji i aktywacji przez utlenianie surowców węglowych, np.: węgla kamiennego i brunatnego, torfu, drewna, pestek owoców i łupin orzechów. Wieloetapowy proces aktywacji węgli pozwala na otrzymanie materiału porowatego o powierzchni właściwej w zakresie 500-1500 m2/g [28, 58], a przez wprowadzenie nowych metod aktywacji wodorotlenkiem potasu KOH, wyprodukowano węgiel aktywny o ekstremalnie rozwiniętej powierzchni właściwej nawet do 3000 m2/g, wyznaczonej metodą BET (procedura określania powierzchni właściwej adsorbentów na podstawie analizy izotermy Brunauera, Emmetta i Tellera) [63]. Ponadto sorbent ten wyróżnia się na tle innych sorbentów fizycznych stosunkowo niskim ciepłem adsorpcji w granicach 1800-2000 kJ/kg, co pozwala na uzyskanie większej wydajności chłodniczej agregatów [18]. Węgle aktywne dostępne są w postaci granulatów, włókien oraz proszków. Aktywne włókna węglowe charakteryzują się nawet dwukrotnie wyższą adsorpcyjnością niż postać granularna, jednak anizotropowa przewodność cieplna, a także zwiększony opór cieplny na granicy włókno – powierzchnia wymiennika ciepła znacznie obniża ich korzystne właściwości [64]. W pracy [62] dokonano analizy 26 komercyjnie dostępnych węgli aktywnych o różnych parametrach fizykochemicznych w parze z amoniakiem. Badania przeprowadzono dla ustalonych warunków cyklu pracy chłodziarki adsorpcyjnej przeznaczonej do celów klimatyzacyjnych (Te = 10°C) oraz do produkcji lodu (Te = –5 °C). Wyniki symulacji pozwoliły na wytypowanie sorbentów, które umożliwiają osiągnięcie najwyższej wydajności cyklu, wyrażonej współczynnikiem COP. Wybór czynnika chłodniczego ma kluczowy wpływ na ciśnienie robocze. Układ węgiel aktywny – amoniak pracuje w warunkach wysokiego ciśnienia ok. 16 bar. Takie warunki pozwalają osiągnąć wyższą sprawność w porównaniu do układu węgiel aktywny – metanol, który wymaga zapewnienia próżni. Wybór czynnika chłodniczego wpływa również na temperaturę regeneracji węgla aktywnego. Zastosowanie amoniaku wymaga zasilania ciepłem o temperaturze. powyżej. 200°C,. co. wyklucza. wykorzystanie. w. tym. celu. niskotemperaturowych źródeł energii cieplnej. Nie bez znaczenia pozostaje też fakt, że 37.