Zagadnienia wprowadzenia nowych technologii w chłodnictwie, klimatyzacji i pompach ciepła nabierają aktualnie szczególnego znaczenia. Urządzenia chłodnicze i klimatyzacyjne – z uwagi na powszechność ich wykorzystywania (z wyraźną tendencją wzrostową) – stały się istotnym obciążeniem nie tylko dla globalnego zużycia energii, ale i środowiska naturalnego. Nowe kierunki rozwoju technologii strumienicowej mogą być szansą na pokonanie obecnych problemów.

Stosowane techniki obniżania temperatury dotyczą co prawda urządzeń o znacznie mniejszej skali niż obiegi energetyczne, jednakże urządzenia te obciążają środowisko w stopniu porównywalnym. Wynika to przede wszystkim z wielkiej liczby pracujących urządzeń chłodniczych i klimatyzacyjnych. To sprawia, że ich udział w obciążeniu środowiska naturalnego nie może być pominięty. Osobną kwestię stanowią stosowane dotychczas czynniki robocze, których potencjał tworzenia efektu cieplarnianego jest od kilku, do nawet kilkudziesięciu tysięcy razy wyższy od dwutlenku węgla. Dodatkowo, obciążenie środowiska przez urządzenia chłodnicze i klimatyzacyjne wywołane jest również emisją dwutlenku węgla oraz innych zanieczyszczeń powstających przy produkcji energii elektrycznej do napędu tychże urządzeń. Nie dziwi więc, że nawet urządzenia o małej mocy w znaczący sposób mogą obciążać środowisko naturalne.

W kierunku obniżenia zużycia energii
Urządzenia chłodnicze, klimatyzacyjne czy pompy ciepła w zdecydowanej większości wykorzystują sprężarki mechaniczne o różnej konstrukcji w celu wytworzenia chłodu na pożądanym poziomie temperatury. Na przykład centrale klimatyzacyjne do obniżenia temperatury przepływającego przez nie powietrza wykorzystują chłodnice wodne lub chłodnice z bezpośrednim odparowaniem.
Na potrzeby wykorzystania chłodnicy wodnej, konieczne jest dostarczenie do chłodnicy wody lodowej, która w typowych warunkach roboczych ma temperaturę 6/12ºC. Jest ona produkowana w zewnętrznym urządzeniu sprężarkowym zasilanym energią elektryczną. Wytworzona woda lodowa krąży w obiegu pośrednim. Natomiast w chłodnicach z bezpośrednim odparowaniem nie występuje obieg pośredni, a czynnik chłodniczy odparowuje wewnątrz chłodnicy wskutek odbierania ciepła od ochładzanego powietrza. W takich układach stosuje się czynniki chłodnicze z grupy HFC charakteryzujące się wysokim wskaźnikiem GWP (Global Warming Potential – potencjał tworzenia efektu cieplarnianego). Czynniki te w najbliższej przyszłości zostaną wycofane z użycia i zastąpione czynnikami o niskim GWP.
Docelowo dopuszczone będą jedynie czynniki o GWP < 150 [1].
Cechą charakterystyczną rozwiązań standardowych jest zatem konieczność dostarczenia energii elektrycznej do prawidłowego działania urządzenia. Należy przy tym pamiętać, że w urządzeniach chłodniczych czy klimatyzacyjnych, zarówno małych jednostkach indywidualnych o niewielkiej mocy, jak również dużych jednostkach komercyjnych, nie tylko sprężarka jest odbiorcą energii elektrycznej, ale również układ sterowania, monitorowania, zasilanie dodatkowych pomp, wentylatorów itp. Zrozumiałe jest zatem, że należy poszukiwać rozwiązań technicznych, które w naturalny sposób przyczynią się do zmniejszenia zapotrzebowania na moc elektryczną. Prace badawcze w tym zakresie doskonale wpisują się w ramy racjonalnego wykorzystania energii oraz obowiązujących od 2015 r. regulacji dotyczących konieczności substytucji obecnie stosowanych czynników syntetycznych na rzecz ekologicznych czynników naturalnych lub syntetycznych o niskim wskaźniku GWP.

Zasadniczym hamulcem rozwoju techniki chłodniczej i klimatyzacyjnej w zastosowaniach komercyjnych jest konieczność dostarczenia energii innej niż elektryczna do zasilania tego typu urządzeń. Potencjalną alternatywą dla rozwiązań klasycznych są układy chłodnicze napędzane ciepłem. W tego typu układach rolę sprężarki mechanicznej przejmuje sprężarka termiczna.

Układy napędzane ciepłem – co oferuje rynek?
Jedynym typem układów chłodniczych funkcjonujących na rynku, w których energię napędową dostarcza się głównie w postaci ciepła – są układy sorpcyjne. Spośród nich największy udział mają układy chłodnicze absorpcyjne bromolitowe. Układy te należą do w pełni dojrzałych rozwiązań pod względem technicznym i są stosowane na świecie od wielu dziesięcioleci. Niestety, w warunkach krajowych wykorzystanie takich układów ma jak dotąd charakter niszowy. Zasadniczą cechą tychże układów – z punktu widzenia ich możliwości aplikacyjnych – jest najniższa dopuszczalna temperatura ciepła napędowego.
Temperatura ta związana jest ze spadkiem stopnia odgazowania w układach absorpcyjnych wraz ze spadkiem różnicy temperatury między generatorem (temperatura ciepła napędowego) a absorberem (najniższa możliwa temperatura odprowadzania bezwartościowego ciepła absorpcji do otoczenia). Poniżej pewnej progowej temperatury zanika różnica stężeń w układzie, co prowadzi do zaniku pracy układu. Na ogół przyjmuje się, że tą progową wartością jest temperatura wynosząca 80°C [2].
Kolejnym uwarunkowaniem zastosowania układów absorpcyjnych do produkcji chłodu jest bardzo wysoki koszt inwestycyjny oraz znaczne trudności w zakresie eksploatacji w warunkach zmiennych parametrów źródła ciepła oraz parametrów odbioru wydajności chłodniczej. Problemem eksploatacyjnym jest też utrzymanie szczelności układu, gdyż para wodna znajduje się w warunkach bardzo niskich ciśnień roboczych. W tych warunkach para wodna charakteryzuje się dużą objętością właściwą, co przekłada się na duże gabaryty urządzenia.

Powyższe ograniczenia sprawiają, że rozwiązania oparte na układach absorpcyjnych bromolitowych nie znalazły jak dotąd w warunkach krajowych szerszego zastosowania. Wynika z tego, że kluczowym problemem jest opracowanie technologii produkcji chłodu, która będzie w stanie wytworzyć chłód, konsumując ciepło napędowe o stosunkowo niskiej temperaturze – porównywalnej do temperatury wy maganej przez urządzenia absorpcyjne.

Przyjrzyjmy się chłodniczym układom strumienicowym
Ograniczeń ruchowych właściwych dla układów absorpcyjnych nie mają układy chłodnicze strumienicowe – w związku z tym stanowią atrakcyjną alternatywę w zakresie zagospodarowania ciepła odpadowego na cele produkcji chłodu. Potencjalna aplikacja tego typu rozwiązań wiąże się z możliwościami rozwoju układów chłodniczych strumienicowych, które – pomimo że co do zasady działania są znane od ponad stu lat – to w aktualnym stanie rozwoju techniki wciąż są rozwiązaniem o innowacyjnym charakterze. Co więcej – stwarzają one możliwości rozwoju technologii pozwalających na utylizację niskotemperaturowego ciepła jako źródła napędowego.
Należy wspomnieć, że jako źródło napędowe może być wykorzystane ciepło ze źródeł odnawialnych (energia słoneczna), niskotemperaturowe ciepło odpadowe z procesów produkcyjnych lub inne źródło ciepła, które charakteryzuje się w miarę stałą temperaturą na poziomie > 55°C [3]. Jednym z możliwych źródeł o takim potencjale jest np. sieciowe ciepło miejskie.

Prototypowe rozwiązanie na Politechnice Białostockiej. W warunkach krajowych – na Politechnice Białostockiej zbudowano i uruchomiono instalację laboratoryjną układu strumienicowego pracującego z ciepłem napędowym o temperaturze nieprzekraczającej 65°C (rys. 1). Uzyskane wyniki pracy urządzenia są bardzo obiecujące i wykazały, że układy chłodnicze strumienicowe są w stanie efektywnie pracować przy parametrach źródła cieplnego odpowiadającego parametrom cieplnym miejskiej sieci ciepłowniczej [4].

Obieg strumienicowy. W obiegu strumienicowym, którego schemat ideowy pokazano na rys. 2, można wyróżnić obieg chłodniczy i obieg napędowy. W idealnym układzie, w którym nie występują żadne straty, procesy przebiegają następująco (rys. 2):

• para napędowa o stanie 1 rozpręża się izentropowo w dyszy napędowej do stanu 2. Podczas tego rozprężania, na skutek spadku ciśnienia, wzrasta prędkość czynnika. Dysze napędowe projektowane są tak, aby na wylocie czynnik osiągał możliwie największą prędkość. Para o niskim ciśnieniu i dużej prędkości (stan 2) zasysa parę o stanie 7;
• na pewnym odcinku długości strumienicy następuje mieszanie się czynników. Jest to wynikiem wymiany pędu pomiędzy strumieniem pary napędowej i zasysanej. Efektem tego procesu jest utrata prędkości pary napędowej oraz wzrost prędkości pary zasysanej;
• spadek prędkości pary napędowej powoduje jednoczesny wzrost ciśnienia. Pomimo spadku prędkości można założyć, że po cał kowitym wymieszaniu (stan 3) prędkość mieszaniny jest nadkrytyczna. W pewnym przekroju strumienicy następuje zmiana przepływu z nadkrytycznego w podkrytyczny. Powoduje to powstanie fali uderzeniowej i gwałtowny wzrost ciśnienia. W zależności od konstrukcji i warunków pracy strumienicy – fala uderzeniowa może powstać w komorze mieszania lub przy zmianie parametrów pracy – w dyfuzorze. Dalszy wzrost ciśnienia następuje w dyfuzorze na skutek zwiększenia pola poprzecznego przekroju;
• mieszanina opuszczająca strumienicę (stan 4) ma ciśnienie równe ciśnieniu panującemu w skraplaczu. Po skropleniu, osiągając stan 5, zostaje rozdzielona;
• część ciekłego czynnika ulega zdławienia w elemencie dławiącym do ciśnienia p_e, a następnie odparowuje w parowniku. Czynnik osiąga stan 7 i ponownie ulega zassaniu w strumienicy;
• pozostała część czynnika, która trafiła do części napędowej obiegu, zostaje przepompowana do generatora pary. Podczas pompowania wzrasta ciśnienie czynnika od wartości p_c (stan 5) do wartości p_g (stan 6). Czynnik, odparowując w generatorze pary i pobierając odzyskane ciepło odpadowe, zmienia parametry od stanu 8 do stanu 1.

Urządzenia strumienicowe, podobnie jak inne układy wykorzystujące niskotemperaturowe ciepło napędowe, np. odnawialne źródła energii, charakteryzują się stosunkowo niską sprawnością. Jednakże istnieją proste, a zarazem efektywne sposoby poprawy współczynników wydajności chłodniczej (COP) poprzez zastosowanie wewnętrznej wymiany ciepła. Jest to jeden ze sposobów poprawy efektywności energetycznej układu [5].

(...)

Autorzy: dr inż. Kamil Śmierciew,
Politechnika Białostocka, Wydział
Mechaniczny, Zakład Techniki
Cieplnej i Chłodnictwa

prof. dr hab. inż. Dariusz
Butrymowicz, Politechnika
Białostocka, Wydział Mechaniczny,
Zakład Techniki Cieplnej
i Chłodnictwa

dr. inż. Jerzy Gagan,
Politechnika Białostocka, Wydział
Mechaniczny, Zakład Techniki
Cieplnej i Chłodnictwa

Jeśli chcesz przeczytać pełną treść artykułu zamów prenumeratę lub e-wydanie.