DIFÚZNY ABSORPČNÝ CHLADIČ S POUŽITÍM DOSKOVÉHO VÝMENNÍKA TEPLA AKO GENERÁTORA

ICR 23.-25.8.2023

Johannes Brunder

Institute for Building Energetics, Thermotechnology and Energy Storage (IGTE), University of Stuttgart, preložil Peter Tomlein

Difúzne absorpčné chladiče (DAC) sú poháňané výlučne teplom a nemajú žiadne mechanicky pohyblivé komponenty. Používajú prírodné chladivá, čpavok a vodu. Doteraz sa DAC používajú komerčne ako chladničky pre hotely a karavaning. Tento výskum sa sústreďuje na vývoj DAC pre klimatizáciu.

Prvýkrát je použitá kompaktná generátorová jednotka pozostávajúca z doskového výmenníka tepla (PHX) a vertikálnej zdvíhacej rúrky. Vykurovací okruh dodáva teplo do generátora, takže akýkoľvek zdroj tepla môže poháňať stroj. Vďaka veľkej ploche prenosu tepla a vysokým koeficientom prenosu tepla dosiahnutým použitím PHX postačujú na pohon DAC nižšie teploty.

Tento dokument pojednáva o predbežných výskumoch čerpacieho výkonu generátorovej jednotky. Analyzuje sa prestup tepla v generátore a našli sa vyhovujúce celkové koeficienty prestupu tepla do k=1171W/m2K. Maximálny chladiaci výkon dosiahnutý skúmaným DAC je 1038W.

Štúdia výkonu čerpania  zmesi do generátora

CATTANEO (Cattaneo, 1935) ako prvý komplexne skúmal čerpací výkon bublinkových čerpadiel. Výkon čerpania závisí od faktorov, ako je dĺžka zdvíhacej trubice, vnútorný priemer zdvíhacej trubice, termofyzikálne vlastnosti média, tlak v systéme a pomer ponorenia. Ponorný pomer je definovaný ako pomer hladiny naplnenia v nádrži k celkovej vertikálnej dĺžke bublinkového čerpadla. 

Ďalším kritériom, ktoré ovplyvňuje výkon čerpania, je relatívna dĺžka ohrevu. Relatívna dĺžka ohrevu je definovaná ako vertikálna dĺžka vstupu tepla k celkovej vertikálnej dĺžke bublinkového čerpadla. Čím nižšia je relatívna dĺžka ohrevu, tým vyšší je čerpací výkon bublinkového čerpadla (Bierling et al., 2017b). Preto pri generátore z doskového výmenníka tepla s pripojenou zdvíhacou rúrkou možno očakávať vyšší čerpací výkon ako pri celodĺžkových vyhrievaných bublinkových čerpadlách, ako pri plášťových a rúrkových výmenníkoch, a to z dôvodu nižšej relatívnej dĺžky ohrevu.

Cirkulácia okruhu roztoku 

Obrázok 1 znázorňuje schematický návrh difúzno-absorpčného chladiča. Chladič obsahuje tri zložky: Amoniak je chladivo, voda je rozpúšťadlo a hélium je inertný plyn alebo pomocný plyn.

Je založená na rozdiele hydrostatickej hustoty medzi kolónou naplnenou silným roztokom a kolónou naplnenou slabým roztokom a parami amoniaku. Tu sa kolóna naplnená silným roztokom dostáva od hladiny kvapaliny v zásobníku (1) cez vstup do výmenníka tepla roztoku (2) až po vstup generátorovej jednotky (3). Para vznikajúca v roztokovom výmenníku tepla sa oddeľuje pomocou bypassu. Generátorová jednotka pozostáva z doskového výmenníka tepla a vertikálnej zdvíhacej trubice. Zdvíhacia trubica je tiež známa ako bublinkové čerpadlo. 

Prevádzkové teplo sa dodáva v doskovom výmenníku tepla (4a). Prívod tepla spôsobí čiastočné odparenie a vytvorí sa dvojfázová zmes slabého roztoku a pár amoniaku. V dôsledku nižšej hustoty kolóny (4a - 4c) naplnenej slabým roztokom a parami amoniaku, ako aj vztlakových síl bublín pary sa dvojfázová zmes dostáva do separátora (4c), kde plynná a kvapalná fáza sú oddelené.

Oddelené pary chladiva nie sú čistým amoniakom v dôsledku jeho termodynamickej rovnováhy s vodou rozpúšťadla. Preto para stúpa do deflegmátora (5), kde dochádza k čiastočnej kondenzácii. V dôsledku nižšieho tlaku z pary nadmerne kondenzuje výkon narúšajúca voda. Kondenzát vytvorený v deflegmátore steká späť do separátora a spája sa so slabým roztokom. 

Para, ktorá vystupuje z deflegmátora, má veľmi vysoký hmotnostný zlomok amoniaku >0,985 a prúdi ďalej do kondenzátora (9), kde je para skvapalnená. Slabý roztok prúdi zo separátora do výmenníka tepla roztoku. Slabý roztok sa ochladí prenosom tepla do silného roztoku (6 - 7). Po prechode roztokovým výmenníkom sa slabý roztok dostáva do absorbéra - predchladiča, kde sa ďalej ochladzuje. V polohe (8) slabý roztok vstupuje do absorbéra.

Slabý a silný roztok

V polohe (11) sa slabý plyn dostane do kontaktu so skvapalneným chladivom. Pomocný plyn znižuje parciálny tlak chladiva v plynnej fáze, čo umožňuje, aby sa chladivo odparovalo do plynnej fázy. Pomocný plyn sa ďalej obohacuje vo výparníku plynným amoniakom, aby sa stal silným plynom. Teplo absorbované počas fázovej zmeny poskytuje chladiacu kapacitu.

Rozdiely v hustote 

poháňajú aj okruh pomocného plynu. Spôsobuje ich hlavne rozdiel v molárnom podiele chladiva v plyne. 

Slabý plyn medzi (8) a (11) obsahuje nízky mólový podiel amoniaku a vysoký mólový podiel hélia. Naproti tomu silný plyn pozostáva z vyššieho molárneho podielu amoniaku a nižšieho molárneho podielu hélia. Vzhľadom na vyššiu molekulovú hmotnosť chladiva ako inertný plyn, hustotu silného plynu je vyššia ako hustota slabého plynu. Silný plyn teda klesá do zásobníka a slabý plyn stúpa na vstup do výparníka (11). 

Silný plyn vstupuje do absorbéra zdola (14) a stúpa v absorbéri. Slabý roztok vstupuje do absorbéra zhora (8) a steká po absorbéri. V absorbéri prúdia plyn a roztok navzájom protiprúdne, pričom pary amoniaku sa absorbujú z plynu do roztoku a odvádzajú teplo. Z absorbéra vychádza slabý plyn a silný roztok.

Obrázok experimentálneho výskume čerpacieho výkonu bublinkového čerpadla. Výkon čerpania závisí od faktorov, ako je dĺžka zdvíhacej trubice, vnútorný priemer zdvíhacej trubice, termofyzikálne vlastnosti média, tlak v systéme a pomer ponorenia.

Generátorová jednotka je inštalovaná v prototype DAC. Obrázok zobrazuje model DAC bez externých obvodov. Výparník pozostáva z dvojrúrkových výmenníkov tepla. Chladiaci výkon sa prenáša na výparníku do vodného okruhu, ktorý prúdi na strane plášťa. Vodný okruh ohrieva elektrický ohrievač. 

Objemový prietok a vstupná a výstupná teplota určujú chladiaci výkon. Okruh odvodu tepla z vody ochladzuje komponenty uvoľňujúce teplo, kondenzátor, absorbér a predchladič absorbéra. T

rojcestný ventil riadi vstupnú teplotu okruhu na odvod tepla. Teplo sa odvádza do okolitého vzduchu cez rebrované rúrky na deflegmátore. 

Absorbér pozostáva z dvojrúrkových výmenníkov tepla s priečne vlnitou rúrkou ako jadrovou rúrou. Kondenzátor, predchladič absorbéra a roztokový výmenník tepla sú doskové výmenníky tepla. Všetky komponenty prichádzajúce do kontaktu s amoniakom pozostávajú z nehrdzavejúcej ocele.

Difúzny absorpčný chladič je poháňaný iba teplom

A môže tak zabezpečiť chladenie priaznivé pre klímu. Hnacie teplo sa dodáva do generátora, ktorým je bublinkové čerpadlo. 

Nový koncept generátora pre difúzne absorpčné chladiče

Táto práca skúmala pozostávajúce z doskového výmenníka tepla a pripojenej zdvíhacej trubice. 

Cieľom je zvýšiť hustotu výkonu vneseného tepla a znížiť potrebné teploty pohonu. Čerpací výkon nového generátora sa skúmal z hľadiska vykurovacej kapacity, hmotnostného podielu amoniaku v roztoku a tlaku v systéme. Generátor funguje lepšie ako generátory s vyhrievaným plášťom a rúrkami po celej dĺžke a ponúka spoľahlivé čerpanie. 

Nová generátorová jednotka bola integrovaná do DAC. Na preskúmanie prenosu tepla sa vypočítali teplotné profily vnútorného a vonkajšieho média rozdelením výmenníka tepla na 200 článkov s rovnakým celkovým koeficientom prenosu tepla a plochou prenosu tepla. Takže boli stanovené celkové koeficienty prestupu tepla. Sú zobrazené hodnoty medzi 𝑘𝑘=935 𝑊𝑊𝑚𝑚−2𝐾𝐾−1 a 𝑘𝑘=1171 𝑊𝑊𝑚𝑚−2𝐾𝐾−1 s tepelnou koreláciou a a Meral sa výkon DAC pre rôzne teploty výparníka a vonkajšie odvádzanie tepla.

Chladiaci výkon je silne závislý od nich. Čím vyššie sú teploty výparníka a čím nižšia je teplota vonkajšieho odvodu tepla, tým väčšia je chladiaca kapacita. Maximálny dosiahnutý chladiaci výkon je 1038 W. Koeficient výkonu (COP) dosahuje hodnoty medzi 0,125 a 0,516.

Chladiaci výkon difúzneho absorpčného chladiča v závislosti od výparnej a vonkajšej teploty

Obrázok zobrazuje 15 pracovných bodov DAC s doskovým výmenníkom tepla ako generátorom. Testujú sa tri rôzne teploty vonkajšieho odvodu tepla, každá s piatimi rôznymi teplotami výparníka. 

Uvedené hodnoty sú vonkajšie vstupné teploty

Symboly zobrazujú teplotu externého odvodu tepla. Farba ukazuje teplotu výparníka. Chladiaci výkon klesá s klesajúcou teplotou výparníka a zvyšujúcim sa teplotným nárastom. Najmä pri nízkych teplotách výparníka je chladiaci výkon nízky. Môže to vysvetliť krivka tlaku pár chladiaceho média amoniaku. 

Silný plyn môže absorbovať len nízky parciálny tlak amoniaku pri nízkych teplotách, takže na zvýšenie chladiacej kapacity je potrebný vysoký prietok pomocného plynu. Pre koeficient výkonu (COP), definovaný ako pomer chladiaceho výkonu k dodávanému vykurovaciemu výkonu, sa dosahujú hodnoty medzi 0,125 a 0,516.

Viac informácií nájdete v časopise Správy 3/2024.