Dr in. JANUSZ LICHOTA PODSTAWY AUTOMATYKI krtka historia ukadw regulacji

Janusz LICHOTA, Micha LEPSZY, Kazimierz WJSWydzia Mechaniczno-EnergetycznyBadania efektywnoci akumulacji ciepa w materiale o zmiennej fazie11. Wstp2. Stanowisko badawcze3. Wyniki bada laboratoryjnych i ich analiza

3.1 Akumulator filtracyjny 3.2 Akumulator paszczowo-rurowy 3.3 Akumulator wodny

4. PodsumowanieSPIS TRECI

1. WSTPPodstawowym celem bada by wybr konstrukcji akumulatora ciepa z wykorzystaniem materiau o zmiennej fazie (ang. PCM phase changing material) zapewniajcym najwiksze wykorzystanie dostpnego ciepa (np. ciepa odpadowego spalin za kotem w elektrowni).

Zbadano dwie konstrukcje paszczowo rurow i filtracyjn.

W akumulatorze paszczowo rurowym materia PCM znajdowa si pomidzy paszczem i rurkami grzejnymi, w ktrych pyna woda podgrzewajc PCM.

W akumulatorze filtracyjnym PCM by umieszczony w kulach o rednicy 4 cm. Woda grzejna swobodnie przepywaa pomidzy kulami, w ktrych nastpowaa akumulacja ciepa z zajciem przemiany fazowej.

W eksperymencie z pojedyncz kul obserwowano przemian fazow w funkcji czasu. Przestrze wok kuli bya wypeniona olejem ze wzgldu na jego wysz temperatur wrzenia przy cinieniu atmosferycznym.

Porwnano wyniki eksperymentalne i teoretyczne.

AB3wy2. STANOWISKO BADAWCZE

Rys.2.1 Schemat ukadu hydraulicznego z akumulatorem paszczowo-rurowym, filtracyjnym i wodnym1 wymiennik ciepa wze cieplny/instalacja c.o., 2 pompa z regulatorem prdkoci obrotowej, 3 instalacja c.o. budynku, 4 filtr, 5 grzaki elektryczne, 6 - regulator temperatury wody (nazwa : ATR), 7 grupa moduw do rejestracji pomiarw temperatury (nazwa : Adam), 8 rejestrator pomiarw temperatury (nazwa: AR 205), 9 akumulator paszczowo rurowy, 10 akumulator filtracyjny, 11 przepywomierz, 12 manometr, 13 czujnik temperatury, 14 czujnik temperatury, 15 zawr odcinajcy przewd zasilajcy instalacji c.o., 16 zawr odcinajcy przewd powrotny instalacji c.o.Woda jest czciowo podgrzewana w wymienniku c.o. 1, regulowana pompa 2 wymusza obieg wody grzewczej do instalacji c.o. budynku oraz akumulatorw 9, 10. Brakujca cz energii potrzebnej do adowania akumulatora jest uzupeniana przez grzaki elektryczne 5 sterowane przez regulator 6 w funkcji temperatury wody 14. Pompa bya regulaowana w funkcji strumienia wody (p-v). W czasie adowania akumulatora otwierany by zawr odcinajcy 16 ze wzgldu na przejmowanie waha objtoci wody po jej podgrzaniu przez instalacj c.o. budynku. Zawr odcinajcy 15 by wwczas zamknity. W czasie rozadowania akumulatora otwierano zawory 15 i 16. Do pomiaru temperatury wewntrz akumulatora wykorzystano moduy 7 (ADAM firmy Advantech) oraz rejestrator 8 (AR205 firmy Apar). Czujniki temperatury 13 byy umieszczone w akumulatorze.Do ukadu hydraulicznego przyczano akumulator ze zoem filtracyjnym i paszczowo-rurowym.

2. STANOWISKO BADAWCZEWidok stanowiska badawczego

Wyniki bada laboratoryjnych3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNYRys. 3.1 Przebieg topnienia PCM w kuli o rednicy 4 cm Pojedyncza kula

Celem eksperymentu bya weryfikacja teoretycznego czasu topnienia pojedynczej kuli tqsmelt. Majc eksperymentalnie zweryfikowany model teoretyczny mona wyciga wnioski dla zoa skadajcego si z kul.

Eksperyment przeprowadzono nastpujco:- rozgrzano olej do redniej temperatury 157 C, regulator RE14 dwustanowo utrzymywa t temperatur,-nastpnie wrzucono kul, ktrej temperatura bya rwna temperaturze otoczenia 25 C

Ze wzgldu na rnic gstoci pomidzy faz sta i ciek S >L powodujc zmniejszenie si objtoci fazy staej VS < VL o 14% podczas przemiany fazowej na grze kuli pozostawiono woln przestrze przejmujc objto rozszerzajcego si materiau

Akumulator filtracyjny

Eksperyment przeprowadzono w zou stacjonarnym w akumulatorze z ramkami. W jego trakcie stosowano zmienne temperatury wody zasilajcej ramk kolejno 110 C, 100 C, 105 C, 95 C. Przed wrzuceniem kul do akumulatora rozgrzano znajdujc si w nim wod do temperatury 90 C.

poziom wody

Rys. 3.2 Widok kul po wrzuceniu do akumulatora3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNYPojedyncza kula model teoretycznyz warunkiem Stefana wymiany ciepa na paszczynie zmiany fazy:

gdzie: - gsto staego PCM, kg/m3cL - ciepo waciwe fazy ciekej, J/kgKTt - pochodna temperatury po czasie, C/skL - wspczynnik przewodzenia ciepa fazy ciekej, W/mKTr - pochodna temperatury po promieniu, C/mw przypadku staej temperatury TL pynnego PCM:

czas adowania kuli tqsmelt wynosi:

Przy zaoeniu staych wasnoci PCM zagadnienie rozwizano za pomoc rwnania przewodnictwa ciepa:

Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej rednicy i temperatury adowania od 90 C do 157 C dla badanego materiau PCM o temperaturze topnienia Tm=82 CTm - temperatura przemiany fazowej, CL - ciepo przemiany fazowej, J/kgR - prdko przesuwania si paszczyzny zmiany fazy wzdu promienia R, m/sR(t)+ - promie, m

TL - temperatura fazy ciekej, CKrzywa teoretyczna

3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNYPojedyncza kula pomiaryOtrzymany z pomiarw czas topnienia wynoszcy tqsmelt = 13.5 minuty porwnano z modelem teoretycznym.

Waga PCM znajdujcego si w kuli wynosia 28,832 g, a rednica zastpczej kuli wypenionej tylko PCM wynosi 20,76 mm. Po wstawieniu danych otrzymano czas adowania

Rnica czasw 13.5 - 11.1 minuty wynika z dwch przyczyn: - PCM nie mia pocztkowej temperatury Tm=82 C i by wymagany czas na jego podgrzanie do tej temperatury,- w kuli wystpowaa pustka powietrzna utrudniajca wymian ciepa pomidzy olejem i materiaem PCM.

Dobr zgodno dla badanej kuli uzyskano dla promienia zastpczego Ro = 23 mm. minutRys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej rednicy i temperatury adowania od 90 C do 157 C dla badanego materiau PCM o temperaturze topnienia Tm=82 C

3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNYPojedyncza kula - mieszanina PCM-olejRys. 3.4 Przebieg topnienia kul o rednicy 4 cm z mieszanin PCM - olej W celu poprawy konwekcji ciepa wewntrz kul i przyspieszenia procesu roztapiania PCM - zmieszano go w rnych proporcjach z olejem, umieszczono w kulach plastikowych o rednicy 4 cm i poddano z zewntrz procesowi ogrzewania olejem o rnych temperaturach.

Zauway mona, e:dla kul z mniejszym udziaem PCM czas topnienia jest krtszy, (mniejsza ilo materiau PCM oraz lepsza konwekcja wewntrzna)

im wicej oleju tym krtszy czas adowania, ale gorsze wasnoci akumulacyjne (pojemno cieplna PCM / olej).

im wysza temperatura adowania, tym mniejszy wpyw efektu dodania oleju. Rnice w czasach adowania (do 15%) w praktyce s pomijalne.

150C130C120C110C100C

3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNYZoe filtracyjne z kul wypenionych PCMRys. 3.5 Przebiegi temperatury T w czasie adowania i rozadowania akumulatora ze zoem filtracyjnym w postaci kul,

kolor fioletowy temperatura wody w akumulatorze Tw, kolor ty temperatura wody zasilajcej ramk Tz, kolor brzowy temperatura wody powrotnej z ramki TpTopnienie kul trwao 106 minut.

Dugi czas wynika z maej rnicy temperatur wody i przemiany fazowej TL-Tm = 3 10 C.

Eksperymentalnie otrzymany czas pokrywa si z obliczeniami teoretycznymi przeprowadzonymi dla pojedynczej kuli (rys. 3.3) dla TL=90 C.

Warunkiem zakoczenia adowania by brak odbioru ciepa przez materia PCM (punkt B, rys. 3.5).

Bilans cieplny akumulatora:maksymalna moc cieplna: 5,32 kW,ciepo rozgrzewania: 1262 MJ,ciepo adowania kul: 472 MJ.ciepo przemiany fazowej kul: 1,76 MJ.

Akumulator nie by cakowicie zaizolowany, std do otoczenia stracono ponad 470 MJ.

3.2 AKUMULATOR PASZCZOWO-RUROWYMateria PCMRys. 3.4 Widok akumulatora paszczowo-rurowego (schemat, pusty, zasypany materiaem PCM) PCM stopi si po czasie 240-300 minut.

Na dugi czas adowania miay wpyw niekorzystne czynniki opisane poniej.

Zjawiska zachodzce podczas adowania:PCM krzep na ciankach akumulatora (temperatura mniejsza od temperatury topnienia Tm); wok rurek w wewntrznej czci ranki tworz si kanay z pynnym materiaem PCM (atwiejsze topnienie warstw znajdujcych si dalej od rurki);rurki w zewntrznej czci ramki s otoczone pustk powietrzn (PCM spyn do pustych przestrzeni, trudniejsze topnienie PCM w obszarze rurek).

Zjawiska zachodzce podczas rozadowywania:pknicia i puste przestrzenie powietrzne (powstae na skutek rnicy objtoci fazy staej VS < VL o 14% );materia PCM pka tworzc mniejsze bloki (ponowny proces adowania utrudniony ze wzgldu na niski wspczynnik przewodzenia powietrza).

Rys. 3.5 Termiczna blokada adowania akumulatora (puste przestrzenie w ktre wpywa roztapiany PCM)3.2 AKUMULATOR PASZCZOWO-RUROWYMieszanina binarna PCM-woda

Rys. 3.6 Akumulator a, b z PCMem, c z mieszanin binarn PCM-wodaPCMWODAW celu przyspieszenia procesu adowania materiau PCM wprowadzano wod do akumulatora.abc

Opis adowania akumulatora po zalaniu wod:woda wypenia akumulator ponad powierzchni PCM;

w cigu 10 minut temperatura wzrosa przy ciance z 31 C na 49 C (znacznie polepszony rozpyw ciepa);

po rozpuszczeniu czci PCM, widoczna granica midzyfazowa: woda / cieky PCM / stay PCM;

cieky PCM wypywa na powierzchni i krzepnie (prdy konwekcyjne mieszaniny cieky PCM / woda przemieszczaj si z prdkoci 13 cm/s, temperatury wewntrz akumulatora: 8188 C, przy ciance: 46 C;

para wrzcej wody unosi si przez cieky PCM i rozpuszcza stay PCM znajdujcy si na powierzchni (temperatura przy ciance 61,7 C najszybsza zmiana fazy w materiale PCM).Jeeli na dole zasobnika jest materia PCM, to woda dociera nad niego i roztapia go. Dziki mniejszej gstoci fazy ciekej materia PCM wypywa na gr. Std, po pewnym czasie, woda znajdzie si na dnie, a PCM na grze. Woda powinna zalewa doln kratownic rurek, poniewa wtedy szybciej aduje si zasobnik ciepem.3.2 AKUMULATOR PASZCZOWO-RUROWYMieszanina binarna PCM-wodaRys. 3.7 Przebieg procesu adowania i rozadowania akumulatora paszczowo-rurowego wypenionego mieszanin binarn PCM-woda w czasieNa charakterystykach widoczne s temperatury wody zasilajcej ramk Tz, wody powracajcej z ramki Tp, temperatury materiau PCM oraz temperatura otoczenia.

W pocztkowej fazie temperatury wody zasilajcej Tz jak i powrotnej Tp wzrastay liniowo. Nastpnie byy utrzymywane ich stae wartoci: Tz: 110 C, Tp: 104-105 C.

W akumulatorze znajdowao si:44 kg materiau PCM (Tm = 77-82 C)14 kg wody.

Czas adowania: 233 minuty.

Rozadowanie akumulatora trwao 19 godzin 4 minuty.

Warunkiem zakoczenia adowania byo wyrwnanie temperatur wszystkich czujnikw rozmieszczonych w materiale PCM.

3.2 AKUMULATOR PASZCZOWO-RUROWYMieszanina binarna PCM-wodaRne frakcje parafin powoduj pochylenie krzywej temperatury w obszarze przemiany fazowej.

Ponadto wida, e ciepo waciwe PCM (styczna do krzywej temperatury) zmienia si w funkcji dostarczanego ciepa i aktualnej temperatury PCM.

Rys. 3.9. Zaleno mocy cieplnej czasu w fazie adowania akumulatora filtracyjnego

Rys. 3.8. Zaleno temperatury topnienia PCM od ciepa dla danych z eksperymentu: 44 kg materiau PCM, ciepo przemiany fazowej 176 kJ/kg . 44 kg = 7744 kJPocztek przemiany fazowej jest widoczny jako wzrost pobieranej mocy lub wzrost rnicy temperatur.

Nie pokrywa si on z deklarowanymi przez producenta materiau PCM temperatur przemiany fazowej ze wzgldu na spnion reakcj czujnika temperatury. rednica czujnika wynosia okoo 3 mm. Std cieky PCM potrzebowa pewnego czasu, aby otoczy czujnik w caoci.3.3 AKUMULATOR WODNY

W celu porwnania efektywnoci akumulatorw wypenionych materiaem PCM przeprowadzono badania akumulacji z zasobnikiem wodnym. Na rys. 3.10 pokazano adowanie i rozadowanie akumulatora wodnego o takiej samej objtoci wody akumulujcej ciepo jak czna objto wody i kul w akumulatorze filtracyjnym. Widoczna jest 2,5-krotnie wiksza zdolno do akumulacji ciepa w akumulatorze z kulami wypenionymi PCM (rys. 3.11).

Rys. 3.10. Rozadowanie akumulatora wodnego o takiej samej objtoci jak akumulator z kulami

Rys. 3.11. Rozadowanie akumulatora z kulami, oznaczenia jak na rys. 3.7, zaleno temperatury T od czasu

PCMWODAPODSUMOWANIEEksperymentalnie zbadano wasnoci dynamiczne akumulatora paszczowo-rurowego i filtracyjnego. W celu przyspieszenia procesu adowania i pokonania bariery niskiego wspczynnika przewodzenia ciepa dla materiau PCM uyto medium poredniczcego wody tworzc ciecz binarn.

Okrelono czas adowania, czas rozadowania oraz opisano zjawiska wystpujce podczas procesu adowania i rozadowania akumulatora paszczowo - rurowego. Przykadowo czas adowania od temperatury 25 C do temperatury 99 C przy temperaturze wody zasilajcej Tw=110 C wynosi tqsmelt = 3 godziny 53 minuty.

Zbadano wasnoci dynamiczne akumulatora filtracyjnego. Badano czas topnienia tqsmelt pojedynczej kuli oraz akumulatora wypenionego zoem w postaci kul. Model teoretyczny czasu topnienia tqsmelt dla pojedynczej kuli pokrywa si z wynikami uzyskanymi z eksperymentu. Uzyskane czasy topnienia dla cylindrw i kuli wahaj si od 5 minut do 68 minut w zalenoci od geometrii. Rwnie w przypadku badania zoa skadajcego si z kul czas obliczony teoretycznie i zmierzony pokrywaj si. 4. PODSUMOWANIEWanym wnioskiem praktycznym jest to, e zarwno w przypadku akumulatora paszczowo rurowego jak i filtracyjnego temperatura ciepa odbieranego nie bya staa w obszarze przejcia fazowego, pomimo, e jest staa na wykresie fazowym w tym obszarze. Jeeli materia PCM krzepnie, to od strony odbioru ciepa tworzy si warstwa staego PCM, ktrego temperatura zaczyna spada. Jeeli topnieje, to rednia temperatura w akumulatorze ronie. Ponadto przy odbiorze ciepa pojawiaj si rnice w prdkoci spadku temperatury PCM w akumulatorze. Najszybciej temperatura spada do temperatury przejcia fazowego Tm, potem prdko spadku zmniejsza si.

Z obu konstrukcji autorzy wskazuj akumulator filtracyjny ze zoem w postaci kul jako ten, ktry moe by zastosowany w praktyce. Jest tak ze wzgldu na krtki czas adowania i prostot budowy wic si z jego niezawodnoci. Im krtszy czas topnienia, tym wicej energii mona odebra od rda ciepa odpadowego. Std krotno odbioru ciepa w cigu doby decyduje o rednicy kul wypenionych materiaem PCM.4. PODSUMOWANIEpytania / komentarze / dyskusjaDzikujemy za uwag

Janusz LICHOTA, Micha LEPSZY, Kazimierz WJSP R O G R A M S T R A T E G I C Z N Y Z A A W A N S O W A N E T E C H N O L O G I E P O Z Y S K I W A N I A E N E R G I IZADANIE NR 1 Opracowanie technologii dla wysokosprawnych zero-emisyjnych blokw wglowych zintegrowanych z wychwytem CO2 ze spalinProjekt finansowany przez Narodowe Centrum Bada i Rozwoju zgodnie z umow nr SP/E/1/67484/10 z dnia 05 maja 2010r, numer projektu: SP/E/1/67484/10