Бєляновська Олена Анатоліївна

канд. техн. наук, доцент

ДВНЗ «Український державний хіміко-технологічний університет»

Дніпро

 

Михайлов Андрій Георгійович

студент, магістр 

ДВНЗ «Український державний хіміко-технологічний університет»

Дніпро

 

Плахтієв Костянтин Юрійович

студент, магістр 

ДВНЗ «Український державний хіміко-технологічний університет»

Дніпро

 

Губинський Михайло Володимирович

д-р техн. наук, професор

Національна металургійна академія України 

Дніпро

 

Прокопенко Олена Михайлівна 

канд. хім. наук, доцент

Національна металургійна академія України 

Дніпро

 Анотація

 Проведено дослідження процесів експлуатації адсорбційного пристрою відкритого типу в системах теплопостачання. Отримав подальший розвиток алгоритм визначення експлуатаційних характеристик адсорбційного акумулятора теплової енергії відкритого типу. Показана  перспективність використання адсорбційних акумуляторів теплової енергії для підігрівання припливного повітря.

 Ключеві слова: акумулятор теплової енергії, адсорбція, композитний сорбент.

 

 Адсорбційні теплові акумулятори є перспективними пристроями для систем теплопостачання та вентиляції, зокрема, підігріву припливного повітря [1, 2]. В той же час, незважаючи на значну кількість робіт, присвячену синтезу адсорбційних теплоакумулюючих матеріалів [3 – 5], процеси експлуатації подібних пристроїв залишаються недослідженими. Базові принципи моделювання сорбційних процесів розвинуті Лукіним [6]. Більшість робіт з моделювання процесів експлуатації адсорбційних теплоакумулюючих пристроїв 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 підігріву припливного повітря 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; 6 – 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. 

 Експлуатація даного пристрою здійснюються 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, та подають в теплоакумулюючий матеріал – композитний адсорбент. Після нетривалого прогрівання адсорбента протягом 15 хв. відбувається адсорбція води з повітря, що подається в теплоакумулюючий матеріал, яка є екзотермічним процесом. Це сприяє підвищенню температури як теплоакумулюючого матеріалу, так і повітря на виході з теплоакумулюючого пристрою до 90 – 115 ºС.  На другому етапі (регенерація) гаряче повітря подають до шару адсорбенту, що приводить до його нагрівання до температур не нижче 90ºС та до десорбції. 

 Враховуючи ці стадії, коефіцієнт корисної дії (ККД) розраховували, як, %:    

   

 де  – корисна теплота (теплота сорбції), кДж:   

 - маса адсорбента, кг;  - теплота адсорбції, 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 теплового акумулятора розраховували за загальновідомою формулою:

 Вплив швидкості руху пароповітряної суміші на коефіцієнт корисної дії врахований введенням в розрахунок величини адсорбції А, кг/кг, яку визначали згідно [10]:

 де  – об’єм повітря:  , м³;  – швидкість пароповітряної суміші, м/с;   – площа перерізу теплового акумулятора, м². С – концентрація пароповітряної суміші на виході з теплового акумулятора [11]:

 де  – тривалість адсорбції, с;  – концентрація пароповітряної суміші на вході в тепловий акумулятор, кг/м³; Н – товщина шару адсорбента, м;  – адсорбційна 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 [10].

 Витрати теплоти на десорбцію розраховували згідно:      

  Витрати теплоти на нагрівання адсорбованої води визначали, як:

  = 2850 - теплота десорбції, кДж/кг.

 Відповідно до результатів проведених розрахунків швидкість адсорбційного процесу визначає переважно швидкість дифузії водяної пари в порах композитного адсорбенту, що підтверджують результати досліджень кінетики сорбції водяної пари [9]. 

 Масу води в баку приймали відповідною граничній адсорбції або, враховуючи швидкість потоку вологого повітря, як добуток об’єму повітря, що пройшов через теплоакумулюючий матеріал, та концентрації вологи в повітрі на вході в шар адсорбента: 

 Результати проведених розрахунків підтверджують, що ККД теплового акумулятора зростає зі збільшенням абсолютної вологості пароповітряного потоку від 0,040 до 0,080 кг/м³ та його швидкості w (рис. 2). Встановлено, що при підвищенні абсолютної вологості максимальні значення коефіцієнта корисної дії спостерігаються при менших швидкостях пароповітряного потоку. Показано, що форма залежності ККД – швидкість пароповітряного потоку якісно залежить від величини маси води в баку. Так, якщо маса води прийнято відповідною граничній адсорбції, то максимальні значення ККД спостерігаються в доволі вузькому діапазоні швидкостей (рис. 2, криві 1). В той же час, якщо маса води прийнята відповідною об’єму та абсолютній вологості повітря згідно формули (10), графік  ККД – w виходить на плато при w = 0,1 м/с (рис. 2, криві 2). Визначені оптимальні умови експлуатації теплоакумулюючого пристрою: швидкість пароповітряної суміші 0,1 – 0,7 м/с та  її абсолютна вологість 0,04 – 0,08 кг/м³, які дозволяють експлуатувати теплоакумулюючий пристрій з максимальними значеннями коефіцієнта корисної дії.  

 Використання подібних пристроїв сприяє скороченню 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 [12].

Таким чином, згідно результатам проведених досліджень показана доцільність використання сорбційних акумуляторів відкритого типу в системах теплопостачання. Розроблено алгоритм розрахунку експлуатаційних характеристик теплоакумулюючого пристрою та оцінені оптимальні параметри процесів його експлуатації. 

 

Рис. 2. Вплив швидкості пароповітряного потоку (абсолютна вологість: а – 0,04; б – 0,06; в – 0,08 г/м³) на коефіцієнт корисної дії адсорбційного теплового акумулятора відкритого типу: 1 – маса води відповідає граничній адсорбції, 2 – маса води, яка подана з вологим повітрям до шару адсорбента.

 

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. 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.

11. 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. 

12. Belyanovskaya E. A., Sukhyy K.M., Kolomiyets O.V., Sukhyy M.P. Operating processes parameters of open-type heat storage devices in heat supply systems //   Наукові праці ОНАХТ. – 2017. – Т. 81, вип. 1. –  С. 4 – 9.  

 

Представлена робота виконана при частковому держбюджетному фінансуванні (номер держреєстрації НДР 0118U003343).