Problem akumulacji chłodu w systemach klimatyzacji dużych

Problem akumulacji chłodu w systemach klimatyzacji dużych

SEMINARIUM Z
CHŁODNICTWA
Problem akumulacji chłodu w systemach klimatyzacji duŜych
obiektów uŜyteczności publicznej, m. innymi z
wykorzystaniem lodu binarnego ( zawiesinowego ), jako
pośredniego nośnika ciepła. Przykłady zastosowania.
CHEŁSTOWSKI Piotr
FIEDOROWICZ Wojciech
Sem. VIII
SUCH i KL
Spis treści:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Wstęp
Sposoby akumulacji chłodu
Lód zawiesinowy – charakterystyka
Wady i zalety stosowania lodu binarnego
Zastosowania lodu binarnego
Literatura
Wstęp
Jedna z głównych przyczyn zainteresowania się akumulacją chłodu, jest
przynoszenie wymiernych korzyści ekonomicznych i energetycznych. Zastosowanie
zasobnika umoŜliwia zakumulowanie chłodu w okresie braku zapotrzebowania na moc
chłodniczą i jego wykorzystywane w okresie maksymalnego zapotrzebowania
(przewyŜszającego moc ziębniczą zainstalowanego agregatu) lub wtedy, gdy występującą
niedobory zaopatrzenia w energię elektryczną (godziny „szczytowe”). Oprócz
atrakcyjnych wskaźników ekonomicznych większość systemów z akumulacją chłodu
wykazuje oszczędności w zuŜywanej energii. Zmniejszenie wielkości agregatu redukuje
równieŜ ilość zastosowanego czynnika ziębniczego, co jest waŜnym elementem strategii
ograniczania ujemnego wpływu tych czynników na środowisko. System ziębniczy z
akumulacją poprawia niezawodność i zapewnia bezpieczniejszy tryb pracy dla układów
ziębienia w klimatyzacji i w przemyśle.
Sposoby akumulacji chłodu
Zasadniczo rozróŜniamy dwa sposoby magazynowania energii:
• jawny – związany z przyrostem temperatury materiału akumulującego ciepło;
• utajony – związany ze zmianą stanu skupienia materiału akumulującego ciepło przy
stałej temperaturze.
Najbardziej popularnymi substancjami akumulującymi energię na sposób jawny
są woda oraz ciała stałe (skały, Ŝwirowiska itp.). Woda, jest łatwo dostępna zarówno
cenowo jak i ilościowo oraz charakteryzuje się duŜą właściwą objętościową, pojemnością
cieplną wynoszącą 1,16 kWh/m3/oC, większą niŜ na przykład Ŝelazo lub inne minerały.
Niestety, w zastosowaniach do celów chłodniczych występują duŜe ograniczenia w jej
wykorzystaniu wynikające z niewielkiego moŜliwego przyrostu temperatur czynnika
chłodzącego, nieprzekraczającego w praktyce kilku stopni. W tych warunkach
rzeczywista maksymalna zdolność akumulacji dla wody wynosi tylko ok. 6 kWh/m3
(przy załoŜonym przyroście temperatury o 5oC). Praktycznie eliminuje to wodę z tego
typu zastosowań.
Ciepłem utajonym nazywamy energię gromadzoną lub uwalnianą podczas
przemian fazowych substancji (zmiany stanu skupienia) zachodzących w stałej
temperaturze oraz przy niezmiennym ciśnieniu. Na przykład: zmiana lodu w wodę, wody
w parę itp. Energia absorbowana lub uwalniana podczas tego procesu jest z reguły
wielokrotnie większa niŜ energia niezbędna do zmiany temperatury substancji jak to ma
miejsce w przypadku ciepła jawnego. Na przykład do stopienia 1 m3 lodu w temperaturze
0oC konieczne jest aŜ ok. 93 kWh energii cieplnej. Taka sama ilość ciepła zostaje
uwolniona z materiału, kiedy przechodzi on w fazę stałą. RóŜne substancje
charakteryzują się zróŜnicowanymi temperaturami punktów zmiany fazy. Stosując
dodatkowo tak zwane mieszaniny eutektyczne moŜna uzyskiwać materiały akumulujące
o podobnych własnościach cieplnych róŜniące się jedynie temperaturami zmiany stanu
skupienia.
W dzisiejszych czasach na rynku produkcji i transportu ciepła moŜna
zaobserwować kilka tendencji:
•wycofywanie lub przynajmniej ograniczanie stosowania szkodliwych freonów
•badania nad stosowaniem neutralnych dla środowiska naturalnego czynników, do
których zaliczyć moŜna np. wodę, amoniak, propan, dwutlenek węgla. Ustępują one
jednak starym czynnikom w takich cechach jak własności termodynamiczne a czasem
takŜe toksyczność czy wybuchowość.
•wprowadzanie pośrednich układów chłodzenia, w których ilość freonów
zredukowana jest do minimum koniecznego tylko do wytworzenia chłodu. Jego transport
następuję juŜ za pomocą płynu pośredniczącego neutralnego dla odbiorcy i jego
otoczenia. Wśród takich czynników pośredniczących znajdują się solanki, roztwory
glikoli i alkoholi.
Ponadto na tym właśnie gruncie powstał innowacyjny nośnik chłodu jakim jest lód
zawiesinowy.
Lód zawiesinowy
Lodem zawiesinowym (lub inaczej: lodem binarnym), nazywa się mieszaninę
kryształków lodu z wodą oraz ze środkiem obniŜającym temperaturę krzepnięcia wody
(glikole, alkohole, sole) a takŜe z dodatkiem środka antykorozyjnego. Kryształki lodu
wypełniają całą objętość cieczy w stęŜeniu zawierającym się w granicach od 20 do 40% i
mają niewielkie rozmiary, które zazwyczaj nie przekraczają 0,5mm, dzięki czemu lód
zawiesinowy moŜe być pompowany w przewodach podobnie jak ciecze. Jest on
uznawany za najlepszy nośnik ciepła w zakresie temperatur pracy od -8°C do -2°C.
Charakterystyka
Lód binarny, w porównaniu z innymi płynami pośredniczącymi, charakteryzuje się
znacznie wyŜszymi wartościami współczynników wnikania ciepła. Współczynniki
istotnie rosną wraz ze wzrostem stęŜenia. Na przykład dla kryształków lodu o rozmiarze
0,5-1 mm, dla stęŜenia 20% współczynnik wnikania ciepła jest 5 razy wyŜszy niŜ dla
czystej wody a dla stęŜenia lodu wynoszącego 30% jest on wyŜszy aŜ 10-krotnie.
Szczególnie wysokie wartości tego współczynnika uzyskuje się dla mieszaniny
kryształków lodu z roztworem wodnym etanolu.
DuŜa pojemność cieplna związana jest z ciepłem utajonym. Pozwala ona zredukować
natęŜenie przepływu tego czynnika, co prowadzi do zmniejszenia wymaganej średnicy
rur w instalacji. Oprócz wysokich wartości współczynników wnikania ciepła lód binarny
posiada wiele innych zalet. Cechują go korzystne właściwości związane z oporami
przepływu. MoŜe on być uznawany za tzw. płyn Binghama, w którym przepływ nie
występuje w klasycznej laminarnej lub turbulentnej formie, gdyŜ niemal w całym
przekroju prędkość przepływu jest jednakowa.
Przy niskich prędkościach opory przepływu dla lodu binarnego są znacznie wyŜsze niŜ
dla wody, jednak po przekroczeniu prędkości powyŜej 2 m/s opory przepływu lodu
zawiesinowego są znacznie mniejsze niŜ wody, zwłaszcza dla niŜszych stęŜeń lodu.
Takie korzystne właściwości utrzymują się dla masowego udziału lodu do 20%. Gdy
stęŜenie wzrasta do wartości w granicach od 20 do 40%, istotnie zwiększa się lepkość i
czynnik nadaje się właściwie tylko do magazynowania zimna. PowyŜej stęŜenia 40%
mieszanina przypomina mokry śnieg i dla takiej zawartości lodu nie jest stosowana.
Pewien ciekawy wykres
Rutherford Appleton Laboratory przeprowadziło badania systemu chłodzonego lodem
binarnym. Do badań uŜyto mieszaniny 80% wody i 20% metanolu. (brak informacji o
stęŜeniu lodu). Doświadczenie polegało na przepływie o czynnika przez równomiernie
ogrzewaną rurkę o średnicy 3mm, pomiarze temperatury rurki w pewnych odległościach
od wlotu i porównaniu z temperaturą wlotową. NatęŜenie przepływu czynnika wynosiło
5,5 ml/s a całkowite obciąŜenie cieplne miało wartość 48.5W. Jak widać na wykresie
róŜnica temperatur dla przepływu z lodem była znikoma, czego nie moŜna powiedzieć o
przepływie tej samej mieszaniny ale bez lodu. Świadczy to o tym, Ŝe prawie całe ciepło
przejmowane jest przez lód zawiesinowy w sposób utajony. Dzięki w przybliŜeniu stałej
temperaturze czynnika na całej trasie odbioru ciepła moŜliwe jest znaczne zredukowanie
wymiarów wymienników.
Wady i zalety lodu binarnego
Zalety:
- obojętność dla środowiska naturalnego,
- bardzo duŜa pojemność cieplna prowadząca do redukcji masy nośnika w systemie i do
redukcji wymiarów instalacji,
- moŜliwość akumulacji chłodu w samym nośniku, bez potrzeby instalowania
samodzielnych zasobników.
Wady:
- wysoki koszt wytwornic,
- konieczność zaprojektowania przewodów tak aby nie dochodziło do rozdziału lodu od
cieczy,
- innowacyjność rozwiązania, a przez to brak doświadczenia w projektowaniu i
uŜytkowaniu.
Przykłady zastosowania lodu binarnego
Klimatyzacja
Stosowanie akumulacji zimna w LB stwarza moŜliwość znacznego zmniejszenia mocy
zainstalowanej w układzie klimatyzacyjnym. Przykładowo, klimatyzacja komfortowa
obiektu o maksymalnym obciąŜeniu cieplnym 300 kW zezwala, dzięki akumulacji zimna,
na zainstalowanie układu o mocy zaledwie 75 kW (25%) - przy pojemności akumulatora
25 m3. Zastosowanie LB w klimatyzacji pozwala zredukować średnice rurociągów i
powierzchnie chłodnic powietrza nawet o 50%.
Supermarkety
W miejsce obiegów czynnikowych w supermarketach moŜna stosować LB do zasilania
lad wystawowych, chłodziarek, zamraŜarek oraz komór chłodniczych i mroźniczych.
Urządzenia chłodnicze zasilane są LB o temperaturze -40oC. Chłodnice takich urządzeń o
temperaturach około zerowych, najczęściej nie wymagają odtajania. Urządzenia
mroźnicze wymagają LB o temperaturze -20 do -30°C. Odtajanie odbywa się przy uŜyciu
ciepłej wody - przetłaczanej przez chłodnicę podczas odtajania.
Chłodzenie cieczy
Tam gdzie zachodzi potrzeba szybkiego ochłodzenia wraŜliwych na wysoką temperaturę
cieczy (np. mleka, soków owocowych, oleju itp.), LB staje się bardzo przydatny.
Pojemniki wypełnione ochładzaną cieczą, np. konwie, butelki lub puszki, chłodzi się
partiami w duŜych kontenerach siatkowych zanurzonych w zawiesinie na czas
wychładzania.
Zanurzeniowe wychładzanie produktów spoŜywczych
Do zastosowań takich naleŜy chłodzenie ryb i krewetek zanurzonych w LB
wytwarzanym z wody morskiej. Tą samą metodą chłodzi się owoce i warzywa. Produkt
umieszczony w kontenerach aŜurowych (np. siatkowych) zanurza się w kadziach
zawierających LB. Wychładzanie do temperatury 2°C trwa 10-20 minut. Produkt nie traci
w tych warunkach swej masy wskutek braku ususzki.
Inne zastosowania LB
- Hotele, restauracje i bary. Chłodzenie komór, szaf, gablot wystawowych, ochładzaczy
napojów i klimatyzatorów.
- Kopalnie. LB stwarza duŜy zapas zimna. Chłodzenie LB kopalń zapewnia
bezpieczeństwo i jest niezawodne pod względem eksploatacyjnym. Rurociągi przesyłowe
LB odznaczają się małymi średnicami.
- Chłodnie i rzeźnie. Chłodzenie komór składowych, zamraŜalni i wychładzalni
tunelowych mięsa, drobiu i innych produktów.
Literatura:
1. Ł. Mika, W. Zalewski: Właściwości fizyczne i termodynamiczne lodu
binarnego (zawiesinowego). „Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna” 2002
nr 3 str. 87 – 91
2. M. Kauffeld, K. Gardo Christensen: Dwutlenek węgla i papka
lodowa. „Chłodnictwo i Klimatyzacja” 1997 nr 2 str. 23 – 27
3. „Chłodnictwo okrętowe” Zenon Bonca. Wydawnictwo WyŜszej Szkoły
Morskiej w Gdyni, 1996.