KORSZERÛ ENERGETIKAI BERENDEZÉSEK 4.9 3.6 2.6
Egy új koncepció a napenergiával megvalósított adszorpciós jégkészítésben Tárgyszavak: adszorpció; adszorbens–adszorptív anyagpár; elpárologtató; jégkészítés; megújuló energia; napenergia.
Adszorpció esetén a szilárd test felületén fizikai (van der Waals) erőkkel megkötődnek az adszorbeálódó anyag molekulái. A folyamat reverzibilis (megfordítható) és exoterm (hőtermelő). Az adszorbeáló anyag lehet gáz (gőz), folyadék és szilárd halmazállapotú. Felsoroltak közül széles körben a gázok adszorpciójával foglalkoztak mind elméletileg, mind gyakorlatilag. Egyik gyakorlati alkalmazás – amellyel hosszabb ideje foglalkoznak – az adszorptív hűtés. Kutatók sora vizsgálta különböző adszorbens– adszorbeátum anyagpárokkal a hűtés feltételeit és az elérhető hűtésteljesítményt (COP – coefficient of performance). Az elmúlt évtizedekben háztartási hűtőberendezésként csendes (nem kompresszorral üzemelő) és jó hatásfokú berendezések kerültek forgalomba. Az adszorpciós hűtés, valamint a hőszivattyú ipari méretű alkalmazása azért került az érdeklődés középpontjába, mert környezetkímélő jellegük mellett lehetővé teszik ún. alacsony értékű hulladékhők, pl. ipari hulladékhő és megújuló energiaforrások hasznosítását. Az adszorpciós hűtés egyik alapvető teljesítménykorlátját jelenti az adszorbens–ágy alacsony hőátadási tényezője. Számos kísérletet, erőfeszítést tettek ennek növelésére, pl. hővezető csövek alkalmazása az adszorbensben keletkező hő elvezetésére, hővisszanyerő körfolyamat beiktatására. Ezek a technikai újítások növelték a folyamatosan működő adszorpciós hűtőberendezések teljesítményét, és csökkentették méreteit. A napenergiának mint megújuló energiaforrásnak hasznosítását célzó törekvések között jelentős a szerepe a napenergiával működő adszorpciós hűtésnek, mivel éppen a napfényben gazdag területeken és időszakokban a hűtés–klimatizáció energiaigénye igen jelentős. A nappal/éjszaka ciklusban napenergiával működő adszorpciós hűtőberendezések két alaptípusa alakult ki; a hűtőgéptípus és a jégkészítő típus. A két típus működési rendszere fő elemeiben hasonló: kollektor–adszorbens
egység, kondenzátor és elpárologtató. A hűtőgéptípusnál a folyadék közeg többnyire víz, amely a hűtőberendezés víztartályában fagy meg. A fagyasztott közeget védeni kell a hőhatástól, ezért a kondenzátort a hűtendő tértől távol helyezik el, és a kollektor–elpárologtató közti szelepet zárva tartják, ne érintkezzen a víztartály felületével, ezzel megakadályozzák a hőszivárgást az elpárologtatóba. A jégkészítő esetében minden reggel a képződő jeget a víztartályból el kell távolítani. Nincs szükség a szelepre a kollektor és elpárologtató között, nem okoz gondot, hogy az elpárologtatóban vagy egyéb helyen kondenzáció következik be, mert az összes kondenzált közeg visszaáramlik az elpárologtatóba, mielőtt az elpárologtatási fázis megkezdődik. Három kereskedelmi forgalomban kapható, napenergiával működő adszorpciós jégkészítő berendezéssel végeztek kísérleteket, aktív szén–metanol anyagpárral. A kísérletek eredményei és elméleti megfontolások alapján kialakítottak egy új koncepciót a berendezések konstrukciójára. Nevezetesen egy egyedülálló hőcserélővel működő berendezést terveztek, ahol a hőcserélő hol kondenzátorként, hol elpárologtatóként működik.
A napenergiával működő adszorpciós jégkészítő berendezés leírása A kísérletekhez alkalmazott berendezést az 1. ábra szemlélteti. A berendezés fő komponenseit: a kollektor–kondenzátort és az elpárologtatót flexibilis cső köti össze. – A kollektor-kondenzátort (1 m2, 90 mm vastagságú fémtok) két azonos minőségű rozsdamentes acéllemezből készítettek. A rács 20 kg aktív szénnel töltött (AC), és az alsó acéllemezen nyugszik. Ez tölti be a kollektor szerepét, felületét „Maxsorb” szelektív bevonatú egyrétegű üveg fedi. A síklemezkollektor hajlásszöge 20°. A belső szellőzőrácsok védenek az alsó acéllemez és az AC közötti hőátadás ellen. A hátsó lemez a külső hűtőbordákkal (7,5 m2 felület) a kondenzátor léghűtését biztosítja. – Az elpárologtató (0,3 m2) ugyancsak acélból készül, nagy hőszigetelőképességű réteggel körülvéve. Benne 5,2 liter térfogatú jégkészítő tartály. adszorpciós jégkészítő berendezés sematikus vázlata
Az adszorpciós körfolyamat Az adszorpció nem hoz létre a szilárd adszorbensben sem térfogatváltozást, sem kémiai reakciót. Tiszta gőz esetében az adszorptív anyag adszorbeált és gázfázis közötti megoszlásának egyensúlya csak a következő para-
méterektől függ: adszorpciós tömeg (m), nyomás (P) és a hőmérséklet (T); a rendszer állapotát ezek közül bármely kettő meghatározza. üveg
napkollektor aktív szénnel töltve
szelektív felület
hűtőrács kollektor–kondenzátor
kondenzátor
összekötő hajlékony cső
hőszigetelés
elpárologtató
adszorptív anyag (metanol)
jégkészítő tartály (víz)
1. ábra Kollektor–kondenzátor technológiával és napenergiával működő Az adszorpciós körfolyamatban az adszorbens váltakozva kapcsolódik hol a kondenzátorhoz, hol az elpárologtatóhoz. A körfolyamat két periódusból tevődik össze; (a) periódus: hőközlés–deszorpció–kondenzálás (A–B–C) nagy nyomáson, (b) periódus: hűtés–adszorpció–elpárologtatás (C–D–A) alacsony nyomáson. Mind a nagy nyomás, mind az alacsony nyomás értékei az adszorptív anyag telített koncentrációjához tartozó értékek a kondenzer, ill. az elpárologtató megfelelő hőmérséklete mellett. Előzők értelmében a napenergiával működő adszorpciós hűtés körfolyamatában az első periódus – nappal – során a napenergia hatására az adszorbens deszorpció révén regenerálódik, és éjszaka kondenzál az adszorptív anyag, majd az elpárologtatóból a párologtatás révén hűtés majd adszorpció következik. A 2. ábra egy ideális körfolyamatot szemléltet Clapeyron diagramban.
P
mA
telítődés
mB izoszter folyamat
Pcd
fűtés hűtés deszorpciókondenzálás Pev adszorpcióelpárologtatás
Tev
Tcd TA
TB
TD
TC
-1/T
Pcd: kondenzációs nyomás; Pev: elpárologtató nyomása; Tcd: kondenzáció hőmérséklete; Tev: elpárologtató hőmérséklete
2. ábra Ideális körfolyamat Clapeyron diagramban A körfolyamat négy termodinamikai szakaszból áll: 1. Izoszter (állandó koncentráció melletti) fűtés 2. Izobár (állandó nyomás melletti) deszorpció 3. Izoszter hűtés 4. Izobár adszorpció A jégkészítőben a lejátszódó valóságos körfolyamat ettől eltér, mivel nincs szükség a kollektor és a hőcserélő között szelepre, és a kondenzálás végbemehet akár az elpárologtatóban, akár a kondenzátorban. Továbbá a kondenzátor hőmérséklete meg kell haladja a mindenkori környezeti hőmérsékletet, és ennek következtében a valóságos rendszer nem követi az izoszter és izobár szakaszokat, egyedül az elpárologtató nyomásértéke közelít az állandó értékhez, amikor a víz megfagy.
Kísérleti tanulmány A kereskedelmi forgalomban kapható, napenergiával működő, aktív szén–metilalkohol anyagpárt alkalmazó adszorpciós jégkészítő berendezés 3 példányát vizsgálták, különböző feltételek mellett méréssorozatot végeztek a jellemző berendezés-összetevők hőmérsékletére.
1. sz. vizsgálat
kondenzátor hőmérséklete – környezet hőmérséklete, °c
A berendezést kondenzálás nélkül működtették, zárva tartották az elpárologtató és kondenzátor közötti szelepet. A mérési adatokat a 3. ábra szemlélteti. A diagram függőleges tengelyén a kondenzátor és a környezet közötti hőmérsékletkülönbség, a vízszintes tengelyen az adszorbens hőmérséklete szerepel. Ebben az esetben a kondenzátor csak hővezetés és sugárzás révén kap hőt. Jól láthatóan az adszorbens fűtése közel lineáris. 12
10
8
6
4
2
0
50
60
70
80
90
100
adszorbens hőmérséklete, °C
3. ábra A kondenzátor és a környezet hőmérséklet-különbsége az adszorbens hőmérsékletének függvényében az 1. sz. vizsgálatnál 2. sz. vizsgálat A berendezés már kondenzálással működik, de az elpárologtató és a kondenzátor közötti szelep még mindig zárva van. A mérési adatokat a 4. ábra szemlélteti. Ez esetben az adszorbens fűtésénél a kondenzálás látens hője is hozzáadódik. Összehasonlítva a hőmérséklet felfutását a 3. ábrával jól látható – amint ez a kondenzálás révén várható –, hogy az adszorbens 65 °C-os hőmérsékletén hirtelen meredeken emelkedik a kondenzátor hőmérséklete. A kondenzálás csúcsértékénél maximumot ér el, és annak csökkenésével párhuzamosan csökken. A kísérletek eddigi leírása alapján egyértelmű, hogy az 1. sz. és 2. sz. vizsgálatoknál az elpárologtató és kondenzátor között a szelep zárva van. Ezeknél a
kondenzátor hőmérséklete – környezet hőmérséklete, °C
vizsgálatoknál végzett méréseket és az azokból szerkesztett 3. és 4. ábrák görbéit referenciaadatoknak kell tekinteni, a következő 3. sz. és 4. sz. vizsgálatokhoz, amikor is az elpárologtató és kondenzátor között a szelep nyitva van. 12
10
8
6
4
2
0 50
60
70
80
90
100
adszorbens hőmérséklete, °C
4. ábra A kondenzátor és a környezet hőmérséklet-különbsége az adszorbens hőmérsékletének függvényében az 2. sz. vizsgálatnál 3. sz. vizsgálat A berendezés úgy működik, hogy az elpárologtató víz+jég keverékbe van süllyesztve, és az elpárologtató és kondenzátor között az összekötő szelep nyitva van. A mérési adatokat az 5. ábra szemlélteti. Ezt a vizsgálatot többször megismételték, ezért van annyi mérési érték. 4. sz. vizsgálat Az elpárologtató a környezettel érintkezik, az összekötő szelep nyitva. A 6. ábra az 1. sz., 2. sz. és 3. sz. vizsgálati adatok összehasonlítását mutatja, amelynek során megállapítható, hogy az 1. sz. és a 3. sz. vizsgálatok feltételei között a hőmérsékleti adatok közel azonosan alakulnak. Ebből arra a következtetésre lehet jutni, hogy a kondenzálás a kondenzátoron kívül történik; a rendszer leghidegebb pontján, és ez az elpárologtató. A kondenzálás révén keletkező látens hőt a víz+jég keverék olvadása használja fel, és így az elpárologtató az egész kondenzálás során megőrzi alacsony hőmérsékletét. A kondenzálás befejezésekor láthatóan mindhárom görbe egy pontban találkozik.
kondenzátor hőmérséklete – környezet hőmérséklete, °C
12
10
8
6
4
2
0 50
60
70
80
90
100
adszorbens hőmérséklete, °C
kondenzátor hőmérséklete – környezet hőmérséklete, °C
5. ábra A kondenzátor és a környezet hőmérséklet-különbsége az adszorbens hőmérsékletének függvényében a 3. sz. vizsgálatnál 12
10
8
6
4 1. sz. vizsgálat jele: (– –) 2
2. sz. vizsgálat jele: (––-) 3. sz. vizsgálat jele: (–·–)
0 50
60
70
80
90
100
adszorbens hőmérséklete, °C
6. ábra A mérési adatokat ábrázoló görbék összehasonlítása
kondenzátor hőmérséklete – környezet hőmérséklete, °C
A 4. sz. vizsgálatot több időpontban megismételték; április 24-én és 29én, valamint július 3-án és 6-án. Az áprilisi napokban a környezeti hőmérséklet 21 °C, a júliusi napokban 29 °C volt. Az adatokat a 7. ábra szemlélteti. A két időszak közül a meteorológiai előrejelzések szerint az áprilisi maximum kedvező volt a kondenzálás mennyiségére, a júliusi viszont kifejezetten kedvezőtlen. Utóbbi esetben a kondenzálás a kondenzátor területén lokalizálódott. 12
10
8 ● az április 24-én végzett vizsgálat mérései
6
○ az április 29-én végzett vizsgálat mérései
4
▽ a július 3-án végzett vizsgálat mérései
2
■ a július 6-án végzett vizsgálat mérései 0 50
60
70
80
90
100
adszorbens hőmérséklete, °C
7. ábra A kondenzátor és a környezet hőmérséklet-különbsége az adszorbens hőmérsékletének függvényében a 4. sz. vizsgálat során Végül a 8. ábra szemlélteti a kondenzátor viselkedésének változását az elpárologtató és kondenzátor közötti szelep állásának függvényében, amikor az elpárologtatót víz+jég keveréke veszi körül. Mielőtt a szelepet zárnák, az elpárologtatóban a gőz kondenzál az alacsony hőmérséklet folytán. Amikor a kondenzátort fűtik, mint ahogy ez a 3. sz. vizsgálatnál történt (AB-szakasz), majd a szelepet bezárják (B-pont), a kondenzálás áthelyeződik a kondenzátorba, aminek következtében emelkedik a hőmérséklete (BC-szakasz). Mikor a szelepet nyitják (C-pont), a kondenzátor hőmérséklete gyorsan csökken (CD-szakasz), és ekkor a kondenzálás ismét az elpárologtatóban fog bekövetkezni, mert ez lesz a rendszer leghidegebb területe. A vizsgálati eredmények fenti elemzése arra utal, hogy az elpárologtató részt vesz a gőz kondenzálásában, bár erre sem tervezve, sem méretezve nincs.
kondenzátor hőmérséklete – környezet hőmérséklete, °C
12
10
8
6
4
2
0
50
60
70
80
90
100
adszorbens hőmérséklete, °C
8. ábra A kondenzátor viselkedése különböző feltételek mellett; szelep zárva, ill. nyitva, az elpárologtató víz+jég keverékbe ágyazva Ilyen alapon jött létre az a koncepció, hogy lehetséges olyan jégkészítő berendezést szerkeszteni, amelyben egyetlen hőcserélőt alkalmaznak, amelynek váltakozóan lehet elpárologtató és kondenzátor szerepe. Utóbbi funkció során egyszerű természetes konvekció útján hűl le. A kondenzátor kollektorfelület felé eső hátsó oldalán léghűtő rács biztosítja az éjszakai intenzív hűtést, amely a kollektor-kondenzátor teljesítményt behatároló tényezője.
A javasolt hűtőgép leírása A javasolt hűtőgép sematikus elrendezését és működését a 9. ábra szemlélteti, amely a vizsgálatokhoz alkalmazott kereskedelmi típustól a következőkben tér el: • Az aktív szén perforált acéllemezzel elválasztott cellákban van, ez a változtatás a gőzáramlás könnyítését célozza. A kollektortok, amely az aktívszén-töltetet tartalmazza, üvegfedéllel fedett, és porvédő szűrő védi. Szellőző rács veszi körül az intenzív léghűtés érdekében. • Az elpárologtató felső része a szigetelőtől elválasztva léghűtő ráccsal ellátott kondenzátort alkot. A megelőző számítások azt igazolták, hogy az elpárologtató és a környezet közötti hőátadás érdekében 1,3 m2 felület elegendő. • A víztartály magasságát megnövelték a jobb szigetelés és a hűtőrács jobb elhelyezhetősége céljából.
a)
b)
szelektív felület
üveg
záró redőnylemez kollektor
aktív szén
perforált acéllemezek porvédő szűrő hőszigetelés
léghűtő rács kondenzátor/ elpárologtató
adszorptív anyag (metanol)
víz
9. ábra A javasolt, napenergiával működő adszorpciós jégkészítő berendezés sematikus ábrázolása Annak érdekében, hogy az új konstrukció mérési adatai és a vizsgálati berendezések mérési adatai összehasonlíthatók legyenek, a következő paraméterek változatlanok maradtak: kollektorfelület (1 m2), aktív szén tömege (20 kg), alkalmazott víz térfogata (5,2 l), az elpárologtató és a víz közötti hőátadási felület (0,3 m2), az adszorptív anyag térfogata (7 l) és végül a szigetelőréteg vastagsága (0,1 m). A konstrukciós változtatások azt eredményezték, hogy az alkalmazott fémtömeg csökkent; a kollektor 36 kg-mal, az elpárologtató 6 kg-mal. Ezzel a gyártási költségek is csökkentek. A berendezés kezelése változatlanul egyszerű maradt; a gyártott jég eltávolítása után a tartályt vissza kell helyezni, az elpárologtatót a környezettel kapcsolatot létesítve kinyitni. A kondenzálás végén (kb. 15 órakor) a tartályt vízzel kell megtölteni. (Szentpály Tibor) Boubarki, A.: A new conception of an adsorptive solar-powered ice-maker. = Renewable Energy, 28. k. 5. sz. 2003. ápr. p. 831–842. Field, K.; A chilling prospect. = Modern Power Systems, 23. k. 2. sz. 2003. p. 31–33. Atmaca, I.; Yigit, A.: Simulation of solar-powered absorpting cooling system. = Renewable Energy, 28. k. 8. sz. 2003. júl. p. 1277–1293.
Röviden… A geotermikus energia hasznosítása Trópusi gyümölcsök termelése a svájci hegyvidéken? Ez az utópia a Frutigen-ben létesített melegházfejlesztési program révén megvalósulhat. Az Alpokat átszelő közlekedési alagútból származó víz jelentős mennyiségű hőenergiával rendelkezik, ami hasznosítható. A Lötschberg alagútból levezetett víz felhasználásával egy nagy melegház fűtését lehetne környezetkímélő módon, gazdaságosan megoldani. Az északi kapuból, becslés szerint, másodpercenként mintegy 80–280 l, kb. 20 °C hőmérsékletű vizet lehet kinyerni. Ennek a víznek a közvetlen vagy hőszivattyúk segítségével történő lehűtése révén hő termelhető. A melegházfejlesztési program télen 80%-osan hasznosíthatná ezt a meleget, ugyanakkor a növényház nagy vízigényét is fedezni lehetne az alagútból elfolyó vízzel. Még a melegház nélkül sem kellene a vizet teljesen haszontalanul a közeli folyóba vezetni. A körzetben további hasznosítási lehetőségek is léteznek, azonban az igény korlátozott. A megvalósítás lehetőségeit megvizsgálták, a megoldás tervezetét kidolgozták és a Svájci Geotermikus Egyesület ülésén bemutatták. Hasonló tanulmányok vannak előkészületben a Gotthard alagút déli portáljából kilépő víz termikus hasznosításáról. Azt vizsgálják, hogy az alagútból származó víz hasznosítása műszakilag megvalósítható-e, és milyenek a gazdaságossági feltételek. A hegységben uralkodó geotermikus viszonyokra (kőzethőmérséklet, víz belépése, stb.) vonatkozó megbízható előrejelzések megkönnyítik az előzetes tervek kidolgozását. A Zürichi Műszaki Főiskola geofizikai tanszékén a 90es évek végén dolgozták ki az ehhez szükséges modelleket. Energiahasznosítás Az alagútvizet Svájcban már több helyen is hőforrásként hasznosítják. Így például Oberwaldban 177 lakást és egy sportcsarnokot fűtenek a vasúti alagútból származó vízzel, hőszivattyúk felhasználásával. Eddig az alagútvíz hasznosítását csak a létesítmény üzembe helyezése után kezdték meg. Ezentúl már az Alpokon áthaladó alagutak terveinek kidolgozásakor tekintettel lesznek az elfolyó víz hasznosítási feltételeire. Ez lehetővé teszi a meleg víz felhasználóinak előzetes felmérését és a költségek csökkentését, mivel többé nincs szükség az alagútból kilépő víznek a folyóba engedés előtti lehűtésére szolgáló medencék építésére. Becslés szerint a Lötschberg és a Gotthard alagutakból származó víz termikus potenciálja mintegy 29 MW. Ez 1800 teljes üzemóra esetében évi 50 GWh energiamennyiség kinyerését teszi lehetővé, ami mintegy 2%-a annak a 3000 GWh megújuló energiának, amelyet a svájci energetikai távlati terv értelmében 2010-ig hőtermelésre rendelkezésre kell bocsátani. (TEC 21, 51–52.sz. 2002. dec. 13. p. 7.)
