Wykorzystanie niskotemperaturowej energii odpadowej
W wielu zakładach przemysłowych wytwarzana jest w nadmiarze energia będąca ubocznym efektem procesów technologicznych. Energia ta występuje najczęściej w postaci tzw. ciepła odpadowego. Obecnie zwraca się coraz większą uwagę na zmniejszenie energooszczędności gospodarki m. in. poprzez wykorzystanie energii odpadowej. Można rozróżnić wewnętrzne i zewnętrzne wykorzystanie tej energii [1]. Wewnętrzne wykorzystanie energii odpadowej polega na jej spożytkowaniu w procesach wytwarzających tę energię. Zewnętrzne wykorzystanie energii odpadowej z kolei umożliwia wytworzenie takiego nośnika energii, który może być z powodzeniem zastosowany w innych odbiornikach, znajdujących się poza samym urządzeniem wytwarzającym energię. W niniejszym artykule omówiono sposoby zewnętrznego wykorzystania fizycznej niskotemperaturowej energii odpadowej do uzdatniania powietrza w systemie klimatyzacyjnym wyposażonym w rotor sorpcyjny.
Wprowadzenie
W technice wentylacyjnej i klimatyzacyjnej energię odpadową w postaci ciepła korzystnie jest wykorzystać do ogrzewania powietrza wentylacyjnego. W przypadku, gdy temperatura i jakość nośnika energii odpadowej pozwala na bezpośrednie zastosowanie, możliwe jest doprowadzenie go do wymienników ciepła (nagrzewnic, rekuperatorów), w których nośnik ten przekazuje część swojej energii do powietrza wentylującego. Jeżeli jakość nośnika jest nieodpowiednia, np. z powodu zbyt dużego zanieczyszczenia lub też agresywności chemicznej, konieczne jest zastosowanie układów pośrednich lub też dodatkowych urządzeń oczyszczających. Gdy natomiast nośnik energii charakteryzuje się zbyt niską temperaturą, to można wykorzystać go jako dolne źródło ciepła dla pompy ciepła. Takie sposoby wykorzystania energii odpadowej mają jednak miejsce głównie w okresie zimowym, gdy temperatura powietrza zewnętrznego jest niższa od wymaganej temperatury powietrza dostarczanego do pomieszczeń.
W okresie letnim zachodzi jednak często konieczność utrzymania w pomieszczeniach odpowiednio niskiej temperatury jak i wilgotności względnej powietrza, i to zarówno z uwagi na zachodzący w pomieszczeniu proces technologiczny, jak i potrzebę zapewnienia pracownikom dobrych parametrów mikroklimatu. W niektórych zakładach przemysłowych istnieje w okresie letnim znaczna produkcja niewykorzystywanej energii odpadowej, której nie można w tym okresie wykorzystać w systemach grzewczych, z powodu braku większego zapotrzebowania na ciepło. Należy wówczas rozpatrzyć możliwość wykorzystania odpadowej energii cieplnej do celów ziębniczych w klimatyzacji pomieszczeń produkcyjnych bądź biurowych.
W systemach klimatyzacyjnych energia odpadowa jest wykorzystywana najczęściej do zasilania absorpcyjnych agregatów chłodniczych. W agregatach tych zamiast drogiej energii elektrycznej wykorzystuje się tańszą energię cieplną w postaci gorącej wody lub pary. Dostarczana do agregatu gorąca woda lub para potrzebna jest do odparowania czynnika chłodniczego w warniku (desorberze), dzięki czemu możliwe jest zaistnienie obiegu termodynamicznego. Zasadę działania agregatów chłodniczych absorpcyjnych można znaleźć w ogólnie dostępnej literaturze fachowej [2, 3, 4].
Jednym z podstawowych ograniczeń stosowania agregatów absorpcyjnych jest konieczność dostarczenia czynnika grzewczego o odpowiednio wysokiej temperaturze. Agregaty te mogą być eksploatowane w przypadku, gdy zasilane są czynnikiem grzewczym o temperaturze nie mniejszej niż +90oC. Natomiast maksymalna temperatura czynnika grzewczego nie powinna przekraczać +150oC. Należy zaznaczyć, że współczynnik wydajności ziębniczej agregatu absorpcyjnego jest niższy niż agregatu sprężarkowego i w dużej mierze zależy od temperatury czynnika grzewczego, przy czym wraz ze spadkiem temperatury tego czynnika spada także wydajność ziębnicza urządzenia. W przypadku zasilania agregatu czynnikiem o niskich parametrach (+90÷+100oC) wydajność ziębnicza urządzenia może być nawet dwukrotnie mniejsza od wydajności urządzenia zasilanego czynnikiem o wyższej temperaturze [5]. Poza tym, pomimo niższych kosztów eksploatacyjnych, wysokie nakłady inwestycyjne powodują, iż urządzenia te stosowane są z reguły przy dużym zapotrzebowaniu na chłód (o mocy powyżej kilkuset kW). Na rys. 1 przedstawiono schemat przykładowego konwencjonalnego systemu klimatyzacyjnego współpracującego z chłodniczym agregatem absorpcyjnym.
1-filtr powietrza nawiewanego, 2-obrotowy wymiennik ciepła, 3-nagrzewnica, 4-chłodnica, 5-nawilżacz adiabatyczny, 6-wentylator nawiewny, 7-filtr powietrza usuwanego, 8-wentylator wywiewny.
Energię odpadową można także wykorzystać w przypadku zastosowania chłodniczych agregatów sprężarkowych. Energię elektryczną, niezbędną do zasilania tych agregatów, wytwarza się wówczas przy wykorzystaniu niskowrzących substancji organicznych w tzw. obiegach Rankina. Nośnikiem energii odpadowej o temperaturze od ok. +80 oC do ok. +350÷+400oC może być para, gorące ciecze lub gazy odlotowe. Siłownie tego typu są jednak stosowane zazwyczaj w przypadku znacznego zapotrzebowania na energię elektryczną (powyżej kilkuset kW) i w mniejszych jednostkach nie mają praktycznego zastosowania [1, 6].
Wynika stąd wniosek, iż bezpośrednie wykorzystanie energii odpadowej do zasilania agregatów chłodniczych o temperaturze nie przekraczającej +80oC jest praktycznie niemożliwie, zaś wykorzystanie energii odpadowej o temperaturze nie przekraczającej +100oC może stać się nieopłacalne i w efekcie niecelowe.
Energia odpadowa o niskim potencjale energetycznym, której nie można wykorzystać do zasilania agregatów absorpcyjnych, może znaleźć zastosowanie w alternatywnych systemach klimatyzacyjnych z zastosowaniem rotorów sorpcyjnych. Większość rotorów sorpcyjnych wykorzystywana jest w urządzeniach do osuszania powietrza w pomieszczeniach, w których istnieją problemy z utrzymaniem właściwej wilgotności względnej powietrza, które spowodowane są zazwyczaj zbyt dużą emisją pary wodnej. Do regeneracji środka sorpcyjnego, który charakteryzuje się bardzo dużą zdolnością wchłaniania wilgoci (najczęściej stosuje się żele krzemionkowe lub chlorek litu), wykorzystuje się zwykle powietrze podgrzane do stosunkowo wysokiej temperatury (+130÷+150oC). Istnieją jednak rozwiązania osuszaczy sorpcyjnych, które pracują przy zdecydowanie niższych temperaturach regeneracji (np. urządzenie typu CONSORB firmy DST). Takie rozwiązania mogą być z powodzeniem stosowane już przy temperaturach powietrza nieprzekraczających +50÷+90oC [7].
Alternatywny system klimatyzacyjny wykorzystujący niskotemperaturową energię odpadową
Zasada działania systemu klimatyzacji wyposażonego w rotor sorpcyjny oparta jest na osuszaniu sorpcyjnym oraz chłodzeniu adiabatycznym powietrza klimatyzacyjnego. Podobne systemy klimatyzacyjne (ang.: Desiccative and Evaporative Cooling System, niem.: Sorptionsgestützte Klimatiesierungssystem) od pewnego czasu testowane są za granicą, przy czym do regeneracji środka absorbującego wilgoć wykorzystywana jest konwencjonalna energia cieplna lub energia słoneczna [8, 9].
Zasadniczymi elementami składowymi alternatywnego systemu klimatyzacyjnego (rys. 2), są:
· od strony powietrza nawiewanego do pomieszczenia: filtr (1), rotor obrotowy ze środkiem sorpcyjnym (2), obrotowy wymiennik ciepła (3), nagrzewnica (4), nawilżacz adiabatyczny (5) i wentylator nawiewny (6),
· od strony powietrza usuwanego z pomieszczenia: filtr (7), nawilżacz adiabatyczny (8), wymiennik obrotowy (3), nagrzewnica regeneracyjna (9) i wentylator wywiewny (10).
Rys. 2. Schemat alternatywnego systemu klimatyzacyjnego z rotorem sorpcyjnym (bezpośrednie wykorzystanie energii odpadowej w nagrzewnicy regeneracyjnej): 1-filtr powietrza nawiewanego, 2-rotor sorpcyjny, 3-obrotowy wymiennik ciepła, 4-nagrzewnica, 5-nawilżacz adiabatyczny powietrza nawiewanego, 6-wentylator nawiewny, 7-filtr powietrza usuwanego, 8-nawilżacz adiabatyczny powietrza usuwanego, 9-nagrzewnica regeneracyjna, 10-wentylator wywiewny.
W zależności od temperatury, rodzaju oraz jakości nośnika energii odpadowej można wyróżnić dwa sposoby jej wykorzystania: bezpośredni oraz pośredni. W układzie bezpośrednim nośnikiem energii odpadowej mogą być gazy i ciecze nietoksyczne, obojętne chemicznie lub para wodna
W przypadku gdy nośnikiem energii odpadowej jest ciecz lub para wodna, w układzie bezpośrednim stosuje się wymiennik przeponowy (nagrzewnicę), w której do powietrza regeneracyjnego przekazywana jest część energii cieplnej (rys. 2). Jeżeli zaś nośnikiem energii odpadowej jest niezanieczyszczone powietrze o odpowiedniej temperaturze, to jest ono kierowane bezpośrednio do rotora sorpcyjnego, w którym wykorzystywane jest ono do regeneracji środka sorpcyjnego (rys. 3).
Rys. 3. Schemat alternatywnego systemu klimatyzacyjnego z rotorem sorpcyjnym (bezpośrednie wykorzystanie energii odpadowej w postaci powietrza): 1÷8-oznaczenia jak na rys. 2, 9-wentylator wywiewny powietrza regeneracyjnego (odpadowego), 10-wentylator wywiewny powietrza usuwanego z pomieszczenia.
Rys. 4. Schemat alternatywnego systemu klimatyzacyjnego z rotorem sorpcyjnym (pośrednie wykorzystanie energii odpadowej w rekuperatorze): 1÷8-oznaczenia jak na rys. 3, 9-rekuperator, 10-wentylator wywiewny.
Układ pośredni należy stosować, gdy nośnik energii odpadowej jest toksyczny lub agresywny chemicznie, albo też charakteryzuje się zbyt wysoką temperaturą. W przypadku wykorzystania gazów energia cieplna może być przekazywana do powietrza np. w rekuperatorach płytowych i lamelowych (rys. 4), W przypadku mediów toksycznych lub agresywnych chemicznie, koniecznym może się okazać zastosowanie oddzielnego wymiennika ciepła, w którym energia cieplna jest przekazywana do czynnika pośredniczącego, który zasila nagrzewnicę regeneracyjną w systemie klimatyzacyjnym (rys. 5).
Rys. 5. Schemat alternatywnego systemu klimatyzacyjnego z rotorem sorpcyjnym (pośrednie wykorzystanie energii odpadowej w układzie z medium pośredniczącym): 1÷8-oznaczenia jak na rys. 4, 9-nagrzewnica regeneracyjna zasilana z układu pośredniego, 10-wentylator wywiewny., 11-wymiennik ciepła pełniący funkcję chłodnicy w układzie pośrednim.
Na wykresie h-x (rys. 6) przedstawiono przykładowy cykl przemian powietrza w warunkach obliczeniowych okresu ciepłego dla systemu klimatyzacyjnego (z rys. 2), obsługującego pomieszczenie, w którym należy zapewnić odpowiednie parametry mikroklimatu odpowiadające warunkom komfortu (dopuszczalny zakres zmienności temperatury powietrza w pomieszczeniu: +20÷+25oC i wilgotności względnej: 30÷60%). Powietrze czerpane z zewnątrz, po oczyszczeniu na filtrze (1), kierowane jest do rotora sorpcyjnego (2), w którym wilgoć zostaje wchłonięta przez sorbent. W wyniku przemiany (A-B) powietrze zostaje podgrzane i osuszone do stanu B. W obrotowym wymienniku ciepła (3) powietrze klimatyzacyjne zostaje wstępnie ochłodzone (przemiana B-C), dzięki wymianie ciepła między powietrzem klimatyzacyjnym a chłodniejszym powietrzem wywiewanym z pomieszczenia. Następnie, po przejściu przez nieczynną w lecie nagrzewnicę (4), powietrze jest w komorze zraszania (5) adiabatycznie ochłodzone i nawilżone (przemiana C,D-E) do stanu powietrza nawiewanego (E). Przemianę powietrza w pomieszczeniu klimatyzowanym przedstawia odcinek E-F. Powietrze usuwane z pomieszczenia, które wykorzystywane jest do obniżenia temperatury powietrza klimatyzacyjnego opuszczającego rotor sorpcyjny w obrotowym wymienniku ciepła (2), zostaje adiabatycznie nawilżone i ochłodzone do możliwie niskiej temperatury, tzn. do stanu bliskiego nasyceniu parą wodną (przemiana F-G). Proces ten odbywa się w komorze zraszania lub innym nawilżaczu adiabatycznym (8). W wymienniku obrotowym (3) powietrze usuwane pobiera ciepło z powietrza klimatyzacyjnego i zostaje podgrzane do stanu w punkcie H. Przemiana powietrza usuwanego z pomieszczenia (G-H) odpowiada zatem przemianie powietrza klimatyzacyjnego (B-C). Część powietrza usuwanego z pomieszczenia (zwykle 40÷60% strumienia całkowitego) wykorzystywana jest następnie do regeneracji środka sorpcyjnego. Z uwagi na zbyt niską temperaturę tego powietrza (stan powietrza w punkcie H) musi być ono w warunkach obliczeniowych okresu ciepłego jeszcze ogrzane do temperatury +60÷+70oC. Odbywa się to kosztem energii odpadowej, np. w nagrzewnicy regeneracyjnej (przemiana H-I). Następnie powietrze po zaabsorbowaniu wilgoci i oddaniu ciepła w rotorze sorpcyjnym (przemiana I-J) usuwane jest do atmosfery.
W okresie zimowym przemiany powietrza w wyżej opisanym systemie klimatyzacyjnym są analogiczne jak w konwencjonalnym systemie klimatyzacyjnym, umożliwiającym odzysk ciepła z powietrza usuwanego w obrotowym wymienniku ciepła.
Korzyści energetyczne
W alternatywnym systemie klimatyzacyjnym do oziębiania powietrza w okresie letnim, tzn. do obniżania jego temperatury i zawartości wilgoci, wykorzystywana jest jedynie energia cieplna (np. odpadowa z procesów technologicznych) oraz woda zastosowana w procesie adiabatycznego nawilżania powietrza. Dzięki temu rezygnuje się z urządzenia chłodniczego (np. agregatu sprężarkowego lub absorpcyjnego wraz z chłodnicą i instalacją wody chłodniczej) i co za tym idzie również z wytwarzania drogiej energii ziębniczej. Przemiany powietrza klimatyzacyjnego oraz regeneracyjnego przedstawiono na omówionym wcześniej wykresie h-x (rys. 6). Przemiany te sporządzono dla typowego obiektu, w którym zyski ciepła jawnego w warunkach obliczeniowych okresu ciepłego (przy temperaturze powietrza zewnętrznego tz = +30oC) wynoszą 20 kW, zaś warunkach obliczeniowych okresu zimnego występują straty ciepła wynoszące 10 kW. W klimatyzowanym pomieszczeniu uzyskuje się przy tym stan powietrza odpowiadający parametrom komfortu:
- temperaturę powietrza: tp = 25oC,
- wilgotność względna powietrza: φp ≤ 60%,
- różnicę między temperaturą powietrza w pomieszczeniu a temperaturą powietrza nawiewanego: Dt = 6 K.
Powyższe wartości można odnieść do strumienia powietrza klimatyzującego V=10 000 m3/h.
Na podstawie sporządzonego wykresu h-tz (rys. 7), który przedstawia przebieg zmian entalpii powietrza w cyklu całorocznym oraz zamieszczonego w rys. 8 wykresu przedstawiającego przeciętny czas trwania temperatury powietrza zewnętrznego w zależności od czasu pracy urządzenia wentylacyjnego w ciągu doby, można obliczyć sezonowe zapotrzebowanie ciepła oraz chłodu potrzebnego do uzdatniania powietrza klimatyzacyjnego. Tutaj ograniczono się jedynie do obliczeń dla okresu ciepłego (w okresie zimowym koszty uzdatniania powietrza w systemie konwencjonalnym i alternatywnym są takie same).
Korzystając z wykresu na rys. 8 wyznacza się czas występowania poszczególnych temperatur powietrza zewnętrznego τi. Następnie oblicza się sezonowe zapotrzebowanie ciepła i chłodu z zależności:
EN=∑[VR ∙ p ∙ (hR2 - hR1)χ ∙ rχ]
ECH=∑[V ∙ p ∙ (hZ - hN)χ ∙ rχ]
gdzie w równaniach powyższych:
QNi – moc cieplna nagrzewnicy regeneracyjnej przy i-tej temperaturze zew., kW,
VR – strumień objętościowy powietrza regeneracyjnego (VR=0,4 V), m3/s,
r - gęstość powietrza, kg/m3,
hR1 – entalpia powietrza regeneracyjnego w punkcie H (wykres h-x), kJ/(kgK),
hR2 – entalpia powietrza regeneracyjnego w punkcie I (wykres h-x), kJ/(kgK),
QCHi – moc ziębnicza chłodnicy powietrza klimatyzacyjnego przy i-tej temperaturze zew., kW,
V – strumień objętościowy powietrza klimatyzacyjnego, m3/s,
hN – entalpia powietrza nawiewanego do pomieszczenia, kJ/(kg K),
hZ’ – entalpia powietrza zewnętrznego po przejściu przez wymiennik do odzysku ciepła, J/(kg K),
ti – czas występowania i-tej temperatury powietrza zewnętrznego, s lub h,
EN – sezonowe (w okresie ciepłym) zapotrzebowanie ciepła dla nagrzewnicy regeneracyjnej, kJ lub kWh,
EN – sezonowe (w okresie ciepłym) zapotrzebowanie chłodu dla chłodnicy powietrza klimatyzacyjnego, kJ lub kWh.
W tabeli 1 podano wartości zapotrzebowania na chłód w systemie konwencjonalnym oraz na ciepło, dodatkową energię elektryczną potrzebną do napędu silnika rotora sorpcyjnego i pompy obiegowej w komorze zraszania, a także do napędu silnika wentylatora dla pokonania dodatkowych oporów przepływu powietrza przez rotor sorpcyjny w systemie alternatywnym. W obliczeniach założono, iż urządzenie klimatyzacyjne jest eksploatowane przez 16 godzin w ciągu dnia (praca na dwie zmiany).
System knwencjonalnySystem alternatywnyEnergia chłodnicza, kWh33 750-Energia cieplna (regeneracyjna), kWh-55 100Dodatkowa energia elektryczna do napędu silników wentylatorów, rotora i pompy w komorze zraszania, kWh-1 150Dodatkowe zużycie wody potrzebnej na odparowanie w komorze zraszania, m3-35
Na podstawie przeprowadzonych obliczeń można stwierdzić, iż na każdy 1 kW zużytej energii ziębniczej w konwencjonalnym systemie klimatyzacyjnej przypada ok. 1,60 ÷ 1,65 kW energii cieplnej wykorzystywanej w alternatywnym systemie klimatyzacyjnym do regeneracji środka sorpcyjnego. Jednocześnie dodatkowe zużycie energii elektrycznej w systemie alternatywnym nie gra istotnej roli w bilansie energetycznym urządzenia (tab. 1). Trzeba zaznaczyć, iż jednostkowe koszty chłodzenia powietrza (odniesione do 1 kW mocy urządzenia) są znacznie, bo ok. 2,5÷3 razy droższe aniżeli jednostkowe koszty ogrzewania. Dlatego też nawet przy wykorzystaniu energii cieplnej ze źródeł konwencjonalnych, należy się spodziewać w okresie letnim ok. 35÷50% oszczędności w kosztach uzdatniania powietrza w systemie alternatywnym w porównaniu z systemem konwencjonalnym. Na ogół jednak koszt energii odpadowej jest znacznie niższy od kosztów zakupu ciepła ze źródeł konwencjonalnych, stąd też wykorzystanie tańszej energii odpadowej w systemie alternatywnym może być nie tylko możliwe, lecz także opłacalne pod względem ekonomicznym i celowe pod względem ekologicznym.
Podsumowanie
System klimatyzacyjny wyposażony w rotor sorpcyjny może stanowić interesującą alternatywę w stosunku do systemu konwencjonalnego współpracującego z absorpcyjnym agregatem chłodniczym, szczególnie wówczas gdy:
- temperatura nośnika energii odpadowej (+60÷90°C) uniemożliwia bezpośrednie zastosowanie agregatów absorpcyjnych,
- zapotrzebowanie na moc chłodniczą nie przekracza 300÷400 kW, gdyż na rynku brak jest agregatów absorpcyjnych o mniejszej mocy.
Koszty inwestycyjne związane z zakupem rotora sorpcyjnego wraz z nagrzewnicą regeneracyjną i nawilżaczem adiabatycznym w systemie alternatywnym są porównywalne z kosztami zakupu agregatu absorpcyjnego wraz z chłodnicą i instalacją wody chłodniczej w systemie konwencjonalnym. Jednakże przy mniejszym zapotrzebowaniu na chłód, relacje tych kosztów powinny przemawiać na korzyść systemu alternatywnego.
W alternatywnym systemie klimatyzacyjnym z rotorem sorpcyjnym może być również efektywnie wykorzystana energia ze źródeł odnawialnych, np. energia słoneczna [8, 9, 10] lub geotermalna. Należy zaznaczyć, że w dobie rosnącego zapotrzebowania na energię we wszystkich krajach świata, ciągłego kurczenia się nieodwracalnych źródeł energii oraz rosnącej degradacji środowiska naturalnego, każdy racjonalnie uzasadniony sposób oszczędzania energii, w tym także poprzez wykorzystanie energii odpadowej bądź pozyskiwanej ze źródeł odnawialnych, prowadzi do wymiernych korzyści ekonomicznych i ekologicznych.
