Energooszczędne rozwiązania dużych źródeł chłodu na potrzeby klimatyzacji – agregaty absorpcyjne

Od kilku lat widoczny jest ciągły wzrost cen surowców naturalnych oraz energii. Ze względu na kurczące się zasoby oraz z powodów politycznych i ekonomicznych, należy spodziewać się utrzymania i prawdopodobnego przyspieszenia tego trendu. Niekorzystne prognozy na przyszłość wymuszają opracowanie zrównoważonej i rozsądnej strategii energetycznej, która powinna uwzględniać wykorzystanie alternatywnych źródeł energii oraz ograniczenie strat, przez zagospodarowanie również energii odpadowej. Artykuł jest kontynuacją tematyki podjętej w wydaniu 10/2015.

Duże centrale chłodnicze znajdują zastosowanie w obiektach przemysłowych i wielkokubaturowych budynkach takich jak hotele czy galerie handlowe. Dobór urządzeń i parametry instalacji chłodniczej, a także rodzaj przyjętego czynnika chłodniczego zależą ściśle od przeznaczenia obiektu, dotyczy to w szczególności instalacji przemysłowych. Systemy chłodnicze i klimatyzacyjne w dużych obiektach mają zasadniczy wpływ zarówno na koszty inwestycyjne, jak i późniejsze koszty eksploatacyjne. Jednym z istotnych obiektów wyposażonych w duże centrale chłodnicze są obiekty przemysłowe. Ze względu na specyficzne cechy takich obiektów umożliwiają one zastosowanie mniej typowych rozwiązań chłodniczych w stosunku do obiektów mieszkalnych i publicznych.

Rys. 1. Wieże chłodnicze przy przemysłowej centrali chłodu

Agregaty absorpcyjne

Agregaty absorpcyjne (rys. 2.) to urządzenia wykorzystujące szeroko rozumianą energię cieplną do produkcji chłodu. Dzięki zastosowaniu agregatów absorpcyjnych można produkować chłód (wodę lodową), zagospodarowując niewykorzystane dotychczas ciepło technologiczne lub odpadowe.

Obszary zastosowań systemów absorpcyjnych:

  • przemysł metalurgiczny,
  • energo-ciepłownictwo,
  • górnictwo,
  • instalacje wykorzystujące energię odnawialną (np. biogazownie),
  • wszystkie instalacje chłodnicze w miejscach o ograniczonym dostępie do energii elektrycznej

Dotychczas agregaty absorpcyjne kojarzone były głównie z wielkogabarytowymi urządzeniami o dużej wydajności chłodniczej. Jednakże obecnie producenci wyszli naprzeciw oczekiwaniom klientów i na rynku dostępne są także małe agregaty do zastosowań w niewielkich instalacjach.

Wydajność chłodnicza agregatów absorpcyjnych

Wydajność chłodnicza agregatów absorpcyjnych zaczyna się od około 17 kW i sięga około 5,5 MW. Tak szeroki zakres wydajności oraz kompaktowa budowa umożliwiają wykorzystanie agregatów absorpcyjnych praktycznie w każdej sytuacji. Należy jednak zaznaczyć, że ze względu na koszty inwestycyjne najlepsze wyniki ekonomiczne przynosi zastosowanie agregatów absorpcyjnych w instalacjach o dużych wydajnościach.

Do czego najlepiej wykorzystywać agregaty absorpcyjne?

Zasadniczym problemem szerszej aplikacji tego typu urządzeń jest także ich niskie COP, wynikające z naturalnych ograniczeń fizycznych (zostanie to rozwinięte później). Z tego powodu agregaty absorpcyjne najlepiej sprawdzają się w takich miejscach gdzie występuje ciepło odpadowe, które można wykorzystać do praktycznie darmowej produkcji chłodu.

Rys. 2. Absorpcyjny agregat chłodniczy

Zasilanie agregatów absorpcyjnych

Energią zasilającą agregaty absorpcyjne jest ciepło pochodzące z dowolnego źródła, np. odpadowe ciepło technologiczne, ciepło z miejskiej sieci ciepłowniczej, ciepło ze spalania gazu lub biomasy, ciepło z kolektorów słonecznych, z modułu kogeneracyjnego, a nawet odzysk ciepła z silników spalinowych (ze spalin i z korpusów).

Osobną grupę stanowią agregaty absorpcyjne zasilane gazem ziemnym. W tym przypadku energia cieplna pochodzi bezpośrednio ze spalania gazu wewnątrz agregatu (energia pierwotna jest przetwarzana bezpośrednio na energię chłodniczą). Agregaty absorpcyjne wymagają również zasilania elektrycznego do podłączenia pomp oraz systemu sterowania, jednak pobierane moce są minimalne w porównaniu z osiąganą wydajnością chłodniczą (stosunek pobranej energii elektrycznej do uzyskanej mocy chłodniczej wynosi około 0,8%).

Ze względu na źródło i rodzaj energii zasilającej agregaty absorpcyjne można podzielić na trzy podstawowe grupy:

  • agregaty absorpcyjne zasilane gorącą wodą,
  • agregaty absorpcyjne zasilane parą,
  • agregaty absorpcyjne zasilane gazem.
    

Zasada działania agregatów absorpcyjnych [1-3]

Zasada działania agregatów absorpcyjnych opiera się na procesie wrzenia i odparowania czynnika chłodniczego oraz na zależności temperatury wrzenia od ciśnienia. Najczęściej wykorzystywanym czynnikiem chłodniczym w agregatach absorpcyjnych jest woda. W warunkach normalnego ciśnienia atmosferycznego woda wrze w temperaturze +100°C, ale przy niższym ciśnieniu, niższa staje się również temperatura wrzenia wody. Przy ciśnieniu rzędu 860 Pa woda wrze już w temperaturze +5°C. W warunkach bliskich próżni utrzymywanych w agregacie absorpcyjnym woda staje się zatem czynnikiem chłodniczym. Aby ciśnienie wewnątrz agregatu utrzymać na stałym, niskim poziomie, wykorzystuje się proces absorpcji pary czynnika chłodniczego.

Płynem roboczym – absorbentem jest zazwyczaj roztwór bromku litu – soli o bardzo wysokiej zdolności wchłaniania wody. W agregacie absorpcyjnym ciągłemu procesowi skraplania i parowania czynnika towarzyszy przekazywanie ciepła. Podstawowy układ absorpcyjny składa się z dwóch zbiorników o różnych ciśnieniach oraz czterech wymienników ciepła – parownika i absorbera w części o niższym ciśnieniu oraz skraplacza i desorbera w części o wyższym ciśnieniu.

Proces zachodzący w agregacie absorpcyjnym

Dostarczona do agregatu absorpcyjnego zasilająca energia cieplna (np. gorąca woda) powoduje odparowanie czynnika chłodniczego (wody) ze stężonego roztworu LiBr. Czynnik chłodniczy w postaci pary jest następnie podawany na skraplacz, skąd po skropleniu płynie do parownika jako woda chłodnicza. W parowniku następuje wrzenie i odparowanie wody. Dzięki stałemu, niskiemu ciśnieniu utrzymywanemu na poziomie około 860 Pa, odparowanie wody zachodzi już w temperaturze +5°C. W tym samym procesie zostaje wychłodzona woda obiegowa krążąca w instalacji (np. klimatyzacyjnej). Para wodna jest następnie absorbowana przez roztwór bromku litu. Nasycony parą wodną roztwór LiBr jest przetłaczany do desorbera. Tam ponownie zachodzi proces odparowania czynnika chłodniczego (wody) przy wkładzie dostarczonej z zewnątrz energii cieplnej. Stężony roztwór bromku litu powraca do absorbera. Cały proces zachodzi w sposób ciągły i płynny.

Autorzy: Demis PANDELIDIS, Sergey ANISIMOV

LITERATURA:

[1] Materiały pomocnicze i katalogi producentów dostępne w intrenecie.

[2] K. E. HEROLD, et al.: Absorption Heat Pumps and Chillers. Boca Raton. FL: CRC Press. 1996.

[3] MALICKI M.: Sprężarkowo czy adsorpcyjnie? Metody produkcji chłodu przy pomocy ciepła sieciowego. Energetyka cieplna i zawodowa. 5/2013.

[4] SMYK A., PIETRZYK Z.: Czy w Polsce istnieje realna szansa na chłód z central zasilanych ciepłem systemowym. Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja. 41/11, 2010.

Pełną treść artykułu znajdziesz w numerze 12-2015 miesięcznika Chłodnictwo&Klimatyzacja

http://e-czasopisma.net/13-chlodnictwo-klimatyzacja