Бєляновська Олена Анатоліївна
канд. техн. наук, доцент
ДВНЗ «Український державний хіміко-технологічний університет»
Дніпро
Литовченко Роман Дмитрович
студент, магістр
ДВНЗ «Український державний хіміко-технологічний університет»
Дніпро
Сікарьов Дмитро Юрійович
студент, магістр
ДВНЗ «Український державний хіміко-технологічний університет»
Дніпро
Сухий Костянтин Михайлович
д-р техн. наук, професор
ДВНЗ «Український державний хіміко-технологічний університет»
Дніпро
Сухий Михайло Порфирович
канд. техн. наук, професор
ДВНЗ «Український державний хіміко-технологічний університет»
Дніпро
Суха Ірина Валеріївна
канд. техн. наук, доцент
ДВНЗ «Український державний хіміко-технологічний університет»
Дніпро
Анотація
Проведено дослідження процесів експлуатації сорбційного пристрою відкритого типу в системах теплопостачання. Запропонований алгоритм визначення експлуатаційних характеристик сорбційного теплоакумулюючого пристрою в системах теплопостачання. Показана перспективність використання сорбційних акумуляторів теплової енергії для підігрівання приточного повітря.
Ключеві слова: акумулятор теплової енергії, адсорбція, композитний сорбент.
Монотонне зростання вартості первинного палива та, як наслідок, тарифів на енергоносії та електричну енергію вимагає більш широкого застосування нетрадиційних джерел енергії, зокрема, сонячної. Але збільшення масштабів застосування подібних пристроїв в системах теплопостачання ускладнює мінливість сонячної радіації (погодна, добова, сезонна). Одним з технічних рішень можуть слугувати сорбційні теплові акумулятори [1, 2], які доцільно використовувати для підігріва води в системах теплопостачання або приточного повітря в системах вентиляції. Незважаючи на значну кількість робіт, присвячену синтезу сорбційних теплоакумулюючих матеріалів [3 – 5], процеси експлуатації даних пристроїв залишаються недослідженими. Базові принципи моделювання сорбційних процесів розвинуті Лукіним [6]. Роботи з моделювання процесів експлуатації сорбційних акумуляторів теплової енергії зосереджені переважно на одній зі стадій, наприклад, адсорбції [7, 8], що не дає можливості дати інтегральну характеристику ефективності пристрою.
Мета роботи – розробити алгоритм розрахунку теплового акумулятора для систем теплопостачання і визначити його експлуатаційні характеристики.
Конструктивне виконання теплоакумулюючого пристрою відкритого типу наведено в [9].
Рис. 1. Тепловий акумулятор. 1 – теплоізольований корпус; 2 – теплоакумулюючий матеріал; 3 – компресор; 4 – зволожувач; 5 – резистивний нагрівальний елемент; 5 – терези.
В якості теплоакумулюючих матеріалів використано композитні сорбенти «силікагель/натрій сульфат», який синтезували з тетраетоксисилану, гідролізованого у водно-спиртовому середовищі в присутності полііоненів [9]
Діаметри гранул композитних сорбентів складають 0.5 — 1.5 мм.
Експлуатацію здійснюють в два етапи. На першому етапі повітря з навколишнього середовища за допомогою компресора 3 подають в зволожувач 4, де його відносна вогкість зростає до 60 – 80 %. Далі зволожене повітря нагрівають в електричному резистивному нагрівальному елементі 5 до 30 – 40°С, оскільки при більш низьких температурах процес сорбції не відбувається. Потім зволожене повітря подають в теплоакумулюючий матеріал. Після нетривалого прогрівання теплоакумулюючого матеріалу (15 хв.) відбувається сорбція води з повітря що подається в теплоакумулюючий матеріал, яка є екзотермічним процесом. Це приводить до зростання температури як теплоакумулюючого матеріалу, так і повітря. При цьому температура повітря на виході з теплоакумулюючого пристрою складає 90 – 115 ºС. На другому етапі (регенерація) здійснюється подача гарячого повітря до шару сорбенту, що приводить до нагрівання сорбенту до температур не нижче 90º до десорбції .
Враховуючи ці стадії, коефіцієнт корисної дії (ККД) розраховували, як, %:
де 
– корисна теплота (теплота сорбції), кДж:
- масса сорбента, кг; 
- теплота сорбції, кДж/кг
- витрати теплоти, кДж:
де 
– відповідно, на кожній стадії, витрати теплоти для нагріву композиту, корпусу установки, десорбцію, нагрівання води в баку, випаровування води в баку, нагрівання адсорбованої води, кДж.
Кількість теплоти, необхідне для нагрівання матеріалу і деталей пристрою розраховували за загальновідомою формулою:
Вплив швидкості руху пароповітряної суміші на коефіцієнт корисної дії врахований введенням в розрахунок коефіцієнт А, який показує величину адсорбції, кг / кг. Цей коефіцієнт використовували при розрахунку витрат теплоти на десорбцію:
и на нагрівання адсорбованої води:
= 2850 - теплота десорбції, кДж/кг.
де Vпов. – объем повітря: 
, м3; w – швидкість пароповітряної суміші смеси, м/с; Fадс – площа перерізу теплового акумулятора, м2. С – концентрація пароповітряної суміші на виході з теплового акумулятора [10]:
де 
– тривалість адсорбції, с; C0 – концентрація пароповітряної суміші на входе в тепловой акумулятор, кг/м3; Н – висота теплового акумулятора, м; а – сорбційна ємність матеріалу, кг/кг; β – коефіцієнт масопередачі, с-1, який визначено згідно залежності [5]:
βy, βп и βпр – коефіцієнти масовіддачі в газовой фазі, в порах та повздовжнього перемішування [11].
Згідно результатів проведених розрахунків швидкість сорбційного процесу визначає переважно швидкість дифузії водяної пари в порах композитного адсорбенту, що підтверджують результати досліджень кінетики сорбції водяної пари [9].
Результати проведених розрахунків підтверджують, що ККД теплоакумулюючого пристрою зростає зі збільшенням відносної вологості пароповітряного потоку від 40 до 60 % та його швидкості (рис. 2). Визначені оптимальні умови експлуатації теплоакумулюючого пристрою: швидкість пароповітряної суміші 0,5 – 0,7 м/с та її відносна вологість 40 – 60 %, які дозволяють експлуатувати теплоакумулюючий пристрій з максимальними значеннями коефіцієнта корисної дії 55 – 60 %. Зростання температури регенерації сорбента від 90 до 120ºС практично не впливає на коефіцієнт корисної дії. Встановлено, що збільшення маси води в баку акумулятора істотно знижує коефіцієнт корисної дії (рис. 3).
Щоб встановити доцільність використання адсорбційних теплових акумуляторів для опалення приміщення площею 100 м2 з тепловим навантаженням на опалення 339,5 МДж/доба було здійснено порівняння енергоспоживання електричного, газового та твердопаливного котлів.
Рис. 2. Коефіцієнти корисної дії сорбційного акумулятора теплової енергії. Маса води в баку відповідає граничній адсорбції Аmax (1), 1,25Аmax (2) та 1,5Аmax (3)
Встановлено можливість скорочення енергоспоживання теплоакумулюючого пристрою в 2,4 – 90 разів в порівнянні системами децентралізованого теплопостачання на основі твердопаливного (PROTECH TT), газового (ПРОСКУРІВ АОГВ-16В) та електричних (Дніпро міні) котлів.
Таким чино, згідно результатам проведених досліджень показана перспективність використання сорбційних акумуляторів відкритого типу в системах теплопостачання. Розроблено алгоритм розрахунку експлуатаційних характеристик теплоакумулюючого пристрою. Показана його економічність в порівнянні з традиційно використовуваними електричними, твердопаливними газовими котлами в системах децентралізованого опалювання.
Література
1. A review on long/term sorption solar energy storage / K. Edem N‘Tsoukpoe, Hui Liu, Nolwenn Le Pierres, Lingai Luo // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2009. – V. 13. – P. 2385 – 2396.
2. Bertsch F., Dagmar J., Asenbeck S., Kerskes H., Druecka H., Wagner W., Weiss W. Comparison of the thermal performance of a solar heating system with open and closed solid sorption storage // Energy Procedia. – 2014. – Vol. 48. – P. 280 – 289
3. Water vapor adsorption of CaCl2/impregnated activated carbon / K. Okada, Nakanome M, Kameshima Y. [et al.] // Mater Res Bull. – 2010. – № 45. – Р. 1549 – 1553.
4. Impact of phase composition on water adsorption on inorganic hybrids ― salt/silica / L.G. Gordeeva, I.S. Glaznev, E.V.Savchenko [ et al.] // J. Colloid Interface Sci. – 2006. – № 301. – Р. 685 – 91.
5. Dynamics and isotherms of water vapor sorption on mesoporous silica gels modified by different salts / L. Xin, L. Huiling, H. Siqi [et al.] // Kin Catal.– 2010. – № 51. – Р. 754 – 61.
6. Лукин В.Д. Циклические адсорбционные процессы: Теория и расчет / В.Д. Лукин, А.В. Новосельский . – Л.: Химия, 1989. – 256 с.
7. Gaeini M., Zondag H.A., Rindt C.C.M. Effect of kinetics on the thermal performance of a sorption heat storage reactor // Appl. Thermal Eng. – 2016. – Vol. 102. – P. 520 – 531
8. Nagel T., Beckert S., Böttcher N., Gläser R., Kolditz O. The impact of adsorbate density models on the simulation of water sorption on nanoporous materials for heat storage // Energy Procedia. – 2015. – Vol.75. – P. 2106 – 2112
9. Sukhyy, K.M. Structure and adsorption properties of the composites ‘silica gel – sodium sulphate’, obtained by sol – gel method/ K.M. Sukhyy, E.A. Belyanovskaya, Ya.N. Kozlov, E.V. Kolomiyets, M.P. Sukhyy // Applied Thermal Engineering. – 2014. –V. 64. – P. 408 – 412.
10. Павлов К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов / под ред. чл.-кор. АН СССР П.Г. Романкова. – 10-е изд., перераб. и доп. – Л: Химия, 1987. – 576 с.
11. Матвейкин, В.Г. Математическое моделирование и управление процессом короткоцикловой безнагревной адсорбции / В.Г. Матвейкин, В.А. Погонин, С.Б. Путин, С.А. Скворцов. – М. : «Издательство Машиностроение-1», 2007. – 140 с.
Робота виконана при підтримці Державного Фонду фундаментальних досліджень України (0116U001489).
