Sorpční chladicí zařízení

V tomto článku přiblížíme sorpční chladicí zařízení, která jsou poháněna energií ve formě tepla. K jejich provozu se využívá především primární energie (tepelná energie ze spalování fosilních paliv) nebo vysokoteplotní toky odpadového tepla (80 až 120 °C pro absorpční zařízení, 180 až 350 °C pro adsorpční zařízení - například spaliny kogenerační jednotky). Cílem je poukázat na rozdíly v principech práce absorpčních a adsorpčních chladicích zařízení.

Absorpce, absorpční oběh

Absorpce je fyzikální děj, při němž se rozpouští plynná fáze v kapalině. Kapalina se nazývá absorbent a plyn absorbát. Jako pracovní dvojice se používají nejčastěji amoniak (NH₃) - voda, voda - vodný roztok bromidu litného (LiBr). Vzhledem k tomu, že pro dvojici amoniak - voda je chladivem (absorbátem) amoniak, lze dosáhnout teplot chlazené látky, které jsou pod nulou. Zařízení s roztokem LiBr pracují při teplotách vyšších než nula (chladivem je voda), jsou proto vhodné pro klimatizační systémy.

Obr. 1 Schéma jednostupňového kontinuálního absorpčního chladicího zařízení

Princip absorpčního chlazení (schematické znázornění je na obr. 1) je založen na dobré rozpustnosti plynu v absorbentu, přičemž výrazný vliv na dynamiku tohoto děje mají teplotní úrovně v absorbéru a generátoru systému.

Na vypuzení absorbátu se roztok z absorbéru přečerpá do generátoru, kde se mu dodá teplo potřebné k jeho vypaření. Z generátoru proudí chladivo do kondenzátoru a odtud zpět do výparníku. Roztok absorbentu ochuzený o chladivo se po ochlazení vrátí do absorbéru. Na desorpci je třeba přivést tepelný tok s relativně vysokou teplotní úrovní (80 až 120 °C).

Při zanedbání příkonu čerpadla na dopravu bohatého roztoku absorbentu a chladiva z absorbéru do generátoru můžeme základní energetickou bilanci jednostupňového absorpčního oběhu napsat ve tvaru [1]:

Energetická efektivnost absorpčního chladicího systému je potom dána jeho výkonovým číslem, které se určí ze vztahu:

Adsorpce, adsorpční oběh

V adsorpčních chladicích zařízeních (ADCHZ) se využívá princip fyzikální adsorpce. Je to proces na fázovém rozhraní tuhé látky a páry, přičemž molekuly páry se na povrch tuhé fáze vážou silami podobnými Van der Waalsovým. Tuhá fáze se nazývá adsorbent, pára se nazývá adsorbát [2].

Jako adsorbenty se používají látky s vysokou pórovitostí, což zabezpečí jejich potřebný velký povrch. Mohou být přírodní, jako například aktivní uhlí, nebo průmyslově vyráběné - silikagel či syntetické zeolity. Jako adsorbát se s výhodou používá vodní pára, ADCHZ tedy splňují požadavek na ekologicky neškodné pracovní látky.

Princip chlazení adsorpcií je založen na snížení tlaku nad hladinou vody, čímž se voda začne vypařovat při nízkých teplotách. Vodní pára má snahu vyplnit prostor nad hladinou, aby se tlak par vyrovnal parciálnímu tlaku za daných podmínek. Molekuly páry se přitom zachytávají v pórech adsorbentu, čímž přestávají být součástí páry, což zabezpečí vypařování vody, dokud nebude dosažena adsorpční rovnováha [3].

Adsorpční oběh pracuje cyklicky. Když se na povrchu adsorbátu obsadí všechna volná místa molekulami adsorbentu, proces se navenek zastaví. V této fázi je třeba adsorbát z pórů vypudit, a to dodáním energie ve formě tepla, která postačuje na porušení fyzikálních sil vzniklých při adsorpci. Tento proces nazýváme desorpce.

ADCHZ lze konstruovat i jako zařízení na kombinovanou výrobu tepla a chladu s kontinuálním provozem. V tomto případě se na předohřev teplé vody použije adsorpční teplo a teplo, které je potřebné odvést po desorpci.

Na obr. 2 je schéma ADCHZ s pracovní dvojicí voda - zeolit. Na takto sestaveném zařízení byla naměřena tato výkonová čísla pro chladicí oběh (COP_CH) a pro oběh tepelného čerpadla (COP_TČ):

q₀ je chladicí výkon
q_D - tepelný příkon potřebný na desorpci

q_Z - teplo odváděné ze zeolitu po dokončení desorpce
q_AD - adsorpční teplo, které se uvolní během adsorpce
q_K - kondenzační teplo vodní páry, která se ze zeolitu vypudí při desorpci

Obr. 2 Tepelné toky v jednom cyklu adsorpčního zařízení [4]

Při procesu podle obr. 2 je tedy teoretická energetická efektivnost dána výkonovým číslem adsorpčního chladicího zařízení COP_CH = 0,33 a výkonovým číslem adsorpčního tepelného čerpadla COP_TČ = 1,33.

V současnosti se pracuje na dalším vývoji konstrukce těchto zařízení s cílem zvýšit jejich energetickou efektivnost.

Závěr

V současnosti se absorpční zařízení používají především pro velké chladicí výkony. Vhodné jsou na výrobu chladu v občanské vybavenosti pro potřeby klimatizace, kde na jejich provoz lze použít teplo z primárního energetického zdroje. Pro průmyslové aplikace jsou absorpční chladicí zařízení s vysokými výkony energeticky i ekonomicky efektivní a mohou se k jejich provozu použít i vysokoteplotní toky odpadového tepla. Adsorpční zařízení dosahují nižší hodnoty energetické efektivnosti a jejich použití je zatím výhodné jen pro menší výkony.

Vzhledem k ekologickému provozu zařízení by sorpční zařízení měla mít prostor na uplatnění mezi progresivními metodami technických zařízení budov. Kromě použití environmentálně vhodných látek a materiálů zabezpečí i možnost snížení energetické náročnosti moderních staveb.

Obrázky: archiv autorky

Literatura

1. Havelský, V., Füri, B.: Chladiaca technika (Základy techniky chladenia a tepelných čerpadiel). Skriptum Strojnické fakulty STU, STU, 2006.
2. Dojčanský, J., Longauer, J.: Chemické inžinierstvo II. Malé Centrum, 2000.
3. Čurka, D.: Kontinuálna prevádzka adsorpčného zariadenia pre kombinovanú výrobu tepla a chladu.: Setkání kateder hydromechaniky a termomechaniky. In: Seznam abstraktů a článků: Blansko (ČR), 15. až 17. 6. 2005, VUT, Brno, 2005.
4. Čurka, D.: Kombinácia plynového kotla a adsorbčného zariadenia na báze zeolit/voda. XXII. mezinárodní vědecká konference kateder a pracovišť mechaniky tekutin a termomechaniky. In: Sborník z mezinárodní vědecké konference, Liberec, Technická univerzita v Liberci, 2003.

Článek je převzat z časopisu TZB-Haustechnik.

English Synopsis