Sorpční chladicí zařízení a tepelná čerpadla
Jedním ze způsobů snižování emisí CO2, uhlíkové stopy, je využití absorpčních nebo adsopčních chladicích zařízení a tepelných čerpadel využívajících ke své činnosti tepelnou energii. Tato zařízení se prosazují nejen v průmyslu ale i pro vytápění a chlazení obytných, administrativních a dalších budov.
V tomto článku je popasán princip činnosti sorpčních chladicích zařízení, která jsou poháněna energií ve formě tepla. K jejich provozu se nejvíce využívá tepelná energie získaná z neobnovitelných zdrojů, například ze spalování fosilních paliv, nejčastěji zemního plynu, nebo vysokoteplotní toky odpadového tepla (80 až 120 °C pro absorpční zařízení, 180 až 350 °C pro adsorpční zařízení - například spaliny kogenerační jednotky), ale lze využít i tepelnou energii získanou z obnovitelných zdrojů, například z ORC procesu nebo vakuových tepelných soláních kolektorů. Cílem článku je poukázat na rozdíly v principech činnosti absorpčních a adsorpčních chladicích zařízení.
Aktualizační poznámka redaktora:
Původní název článku „Sorpční chladicí zařízení“ byl rozšířen na „Sorpční chladicí zařízení a tepelná čerpadla.“ Důvody k rozšíření názvu jsou uvedeny níže.
Chlazením se obecně myslí snižování teploty, například vzduchu, v určitém prostoru odnímáním tepelné energie. Odejmutá energie se však neztrácí, je souběžně předávána do jiného prostoru, ve kterém teplota, například vzduchu, roste. To nám při vhodných teplotních parametrech procesu umožňuje nepovažovat tuto energii za odpadní, ale za využitelnou. Pak se nehovoří o chladicím zařízení, ale tepelném čerpadle. V principu tak cílem může být:
- jen chlazení, při kterém z chlazeného prostoru odejmutá tepelná energie přestoupí nevyužita do venkovního prostředí,
- jen ohřívání, vytápění, tedy odnímání tepelné energie z venkovního prostředí, která je předávána do ohřívané látky, vytápěného prostoru
- a nebo souběžné chlazení jednoho prostoru a ohřívání jiného, kdy je tepelná energie odnímána z chlazeného prostoru a převáděna do ohřívaného.
Pro chlazení, případně vytápění, je v podstatě využitelný stejný princip. Rozdíl je v tom, co považujeme za primární cíl. Vzhledem k trendu snižovat využití neobnovitelných zdrojů energie jak pro chlazení, tak vytápění, je v současné době zásadním cílem vytvářet co nejméně tzv. odpadní, dále nevyužívané energie a propojovat funkci chlazení s ohřevem, s vytápěním.
Na trhu jsou nabízena tepelná čerpadla využívající sorpční princip a tak tento článek je vhodným základem i pro pochopení jejich funkce.
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 (COPCH) a pro oběh tepelného čerpadla (COPTČ):
q0 je chladicí výkon
qD - tepelný příkon potřebný na desorpci
qZ - teplo odváděné ze zeolitu po dokončení desorpce
qAD - adsorpční teplo, které se uvolní během adsorpce
qK - 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 COPCH = 0,33 a výkonovým číslem adsorpčního tepelného čerpadla COPTČ = 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.
In order to reduce CO2 emissions and the need for tighter legislation in the performance of the cooling it is currently necessary to look for effective ways to cool efficiently and ecologically. Due to the increasing demands on thermal comfort in residential and office spaces it is not issue for only industrial applications.
