Бєляновська Олена Анатоліївна
канд. техн. наук, доцент
ДВНЗ «Український державний хіміко-технологічний університет»
Дніпро
Литовченко Роман Дмитрович
аспірант
ДВНЗ «Український державний хіміко-технологічний університет»
Дніпро
Бузов Антон Євгенійович
студент, магістр
ДВНЗ «Український державний хіміко-технологічний університет»
Дніпро
Сухий Михайло Порфирович
канд. техн. наук, професор
ДВНЗ «Український державний хіміко-технологічний університет»
Дніпро
Анотація
Вивчені процеси експлуатації адсорбційного акумулятора теплової енергії відкритого типу в системах вентиляції. Доповнено алгоритм визначення експлуатаційних характеристик адсорбційного акумулятора теплової енергії відкритого типу. Показана доцільність використання ультразвукового зволожування повітря, як заходу з підвищення ефективності теплового акумулятора. Показана перспективність використання адсорбційних акумуляторів теплової енергії відкритого типу для підігрівання припливного повітря.
Ключеві слова: акумулятор теплової енергії, адсорбція, композитний сорбент.
Адсорбційні теплові акумулятори відкритого типу є перспективними пристроями для систем вентиляції та кондиціонування, зокрема, підігріву припливного повітря [1, 2]. В той же час, переходу від лабораторних прототипів стає на заваді відсутність математичної моделі, яка враховує всі стадії процесів експлуатації. Переважна кількість робіт з моделювання процесів експлуатації адсорбційних теплоакумулюючих пристроїв зосереджено переважно на одній зі стадій, наприклад, адсорбції [3, 4], що не дає можливості дати інтегральну характеристику енергоефективності адсорбційного перетворювача теплової енергії.
Мета роботи – дослідження процесів експлуатації адсорбційного теплового акумулятора відкритого типу та встановити його експлуатаційні характеристики.
Конструктивне виконання теплоакумулюючого пристрою відкритого типу наведено в [5].
Рис. 1. Тепловий акумулятор. 1 – теплоізольований корпус; 2 – теплоакумулюючий матеріал; 3 – компресор; 4 – зволожувач; 5 – резистивний нагрівальний елемент; 6 – терези [5].
В якості теплоакумулюючих матеріалів використано композитні сорбенти «силікагель – натрій сульфат», який синтезували згідно [9]
Експлуатація даного пристрою здійснюються в двофазному режимі: розряд – заряд. Розряд відповідає адсорбції води з повітря, що подається в теплоакумулюючий матеріал, яка є екзотермічним процесом. Заряд відповідає нагріванню адсорбента до температур не нижче 90ºС та до десорбції.
Враховуючи ці стадії, складено алгоритм розрахунку коефіцієнта корисної дії (ККД) представлений на рис. 2.
Зволожування потоку повітря може бути проведено декількома засобами. При паровому зволожуванні витрати можуть бути визначені як:
де Мв – маса води в баку, кг, ΔНвип. – теплота випаровування, кДж/кг.
Витрати на ультразвукове зволожування може бути визначена, як добуток потужності ультразвукового зволожувача N, кВт та часу його роботи, яка дорівнює тривалості стадії адсорбції. Масу води в баку приймали відповідною граничній адсорбції
Рис. 2– Блок-схема алгоритму розрахунку коефіцієнту корисної дії адсорбційного теплового акумулятора
де Amax – гранична адсорбція, кг/кг; Mкомп – маса композита, кг.
або, враховуючи швидкість потоку вологого повітря, як добуток об’єму повітря, що пройшов через теплокумулюючий матеріал, та концентрації вологи в повітря на вході в шар адсорбента.
Відповідно до структури теплових витрат максимальні витрати відповідають при паровому зволоженні потоку повітря відповідають витратам теплоти на десорбцію та випаровування води (рис. 3). За цих умов технічним рішенням мало б бути дотримання маси води відповідно до необхідної абсолютної вологості потоку повітря. Але це дало можливість лише розширити інтервал швидкостей, які відповідають максимальним значенням коефіцієнта корисної дії, а його величина залишається на рівні 40 %.
Рис.3 – Структура витрат теплоти на експлуатацію адсорбційного теплоакумулюючого пристрою відкритого типу при паровому зволожуванні потоку повітря
Більш перспективним відповідно до структури витрат є ультразвукове зволожування повітря. Найбільш істотною статтею витрат в цьому випадку є теплота десорбції (рис. 4), що має приводити до більш високих коефіцієнтів корисної дії.
Рис.4 – Структура витрат на експлуатацію теплоакумулюючого пристрою відкритого типу при ультразвуковому зволожуванні.
Так, ультразвукове зволожування потоку повітря дозволяє не лише підвищити коефіцієнт корисної дії теплоакумулюючого пристрою до не менш за 60 %, але й розширити інтервал швидкостей відповідних його максимальним значенням до 0,2 – 0,4 м/с (рис. 5). При цьому максимальні значення коефіцієнта корисної дії відповідають відносній вологості потоку повітря 50 – 60 %.
Рис. 5 – Залежність коефіцієнту корисної дії від швидкості пароповітряного потоку при відносній вологості 30 – 60 % та температурі 60ºС. Товщина шару адсорбента 0,5 м.
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. 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
4. 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
5. Sukhyy K., Belyanovskaya E., Kovalenko V., Kotok V., Sukhyy M., Kolomiyets E., Gubynskyi M., Yeromin O., Prokopenko O. The study of properties of composite adsorptive materials “silica gel – crystalline hydrate” for heat storage devices // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. – 2018. – Vol. 91, № 1. – Р. 52 – 58.
Представлена робота виконана при частковій підтримці Міністерства освіти і науки України (номер держреєстрації НДР 0119U002243).
