Na szczególną uwagę zasługuje ostatnia spośród ww. metod, wskazująca na możliwość modyfi kacji struktury złoża w obszarze bezpośrednio sąsiadującym z powierzchnią wymiennika ciepła. Obszar warstwy sąsiadującej ze złożem ma bowiem wyższy opór cieplny niż podobny obszar zlokalizowany wewnątrz złoża adsorbentu (rys. 1). Opór ten stanowi najwyższy opór cząstkowy ruchu ciepła pomiędzy złożem adsorbentu a płynem w wymienniku ciepła i jest czynnikiem determinującym wymianę ciepła pomiędzy ścianką wymiennika a złożem [12].

Uwzględniwszy znaną w teorii wymiany ciepła zasadę, zgodnie z którą intensyfi kacja ruchu ciepła przebiega najefektywniej podczas zmniejszania największego oporu cząstkowego, w obszarze omawianych zagadnień uwagę należy koncentrować na obniżeniu oporu wnikania ciepła od złoża adsorbentu do powierzchni wymiany ciepła [12]. Tu pojawiają się nowe koncepcje modyfi kacji konstrukcji złóż, pozwalające na zmniejszenie wymiarów chłodziarek adsorpcyjnych. Korzystając bowiem z wzoru Newtona:
 

zwiększenie współczynnika wnikania ciepła, przy zachowaniu stałego strumienia ciepła i różnicy temperatur, pomiędzy złożem i ścianką wymiennika ciepła, pozwoli na zmniejszenie powierzchni wymiany ciepła A, a więc zmniejszenie gabarytów wymiennika ciepła.

Dla celów bliższej analizy tego zagadnienia niezbędnym jest zdefi niowanie współczynników efektywności energetycznej COP i CC charakteryzujących pompy ciepła. Współczynnik wydajności chłodniczej chłodziarki możemy wyrazić następująco:
 

Moc grzewczą urządzenia możemy wyrazić równaniem opisującym przenikanie ciepła między czynnikiem grzewczym w wymienniku a materiałem złoża – adsorbentem:

Powyższa zależność określa minimalne gabaryty nieruchomych złóż adsorbentu chłodziarki adsorpcyjnej. Znając bowiem gęstość materiału adsorbentu ρs oraz biorąc pod uwagę skrajne wartości porowatości ε złóż ziaren kulistych, wynoszące odpowiednio 0.47 dla najluźniej i 0.256 dla najściślej upakowanego złoża [13], możliwe jest wyznaczenie minimalnej jego objętości Vs. Wielkość tę opisuje zależność (13):
 

która dla zadanej wysokości złoża Hs defi niuje powierzchnię jego przekroju As:

Z powyższego wynika, że z punktu widzenia wymiany ciepła dysponujemy dość użytecznymi metodami modyfi kacji gabarytów adsorpcyjnych pomp ciepła. Do metod tych należą wszelkie możliwe koncepcje modyfi kacji konstrukcji złóż adsorbentu, prowadzące do zwiększenia współczynnika wymiany ciepła między złożem a zabudowanym tam wymiennikiem.

Do podstawowych strategii należą:

• modyfi kacja struktury złoża w miejscu styku z powierzchnią wymiennika ciepła,

• wykorzystanie złóż polidyspersyjnych,

• zastosowanie fluidyzacji złóż adsorbentu.

Szczegółowe ich omówienie stanowi treść drugiej części artykułu, gdzie podjęto również zagadnienia intensyfikacji wymiany masy, wprowadzając do zagadnienia problematykę fluidyzacji.

***

Podstawową wadą adsorpcyjnych agregatów chłodniczych jest niski współczynnik wydajności chłodniczej COP jako rezultat własności złóż adsorbentu, a przede wszystkim ich słabego przewodnictwa cieplnego i słabej wymiany masy jako parametrów rzutujących na kinetykę sorpcji. W efekcie produkowane obecnie chłodziarki adsorpcyjne cechują duże gabaryty, ograniczające rynek potencjalnych odbiorców tych urządzeń. Największym więc obecnie wyzwaniem dla konstruktorów i producentów adsorpcyjnych pomp ciepła jest opracowanie nowych metod intensyfi kacji procesów wymiany ciepła oraz masy w obszarze złóż adsorbentu, prowadzących do zmniejszenia wymiarów tych urządzeń.
 

Literatura

[1] Chmielniak T., Technologie energetyczne, Wydawnictwo WNT, Warszawa 2013.

[2]  Lewandowski W.M., Proekologiczne odnawialne źródła energii, wydawnictwo WNT, Warszawa 2012.

[3] Wójs K., Odzysk i zagospodarowanie niskotemperaturowego ciepła odpadowego ze spalin wylotowych, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2015.

[4] Kotowicz, J., Job M., Brzęczek, M. The characteristics of ultramodern combined cycle power plants. Energy, 92, 197-211, 2015.

[5] Krzywanski J., Szyc M., Nowak W., Kolenda Z., Experience in modelling of a single-stage silica gel-water adsorption chiller, Technical Sciences, 19 (4) 2016 (w druku).

[6]  Tomaszewski M., Doświadczenia grupy EDF w produkcji chłodu z ciepła sieciowego na przykładzie instalacji Elektrociepłowni „Zielona Góra” S.A. Konferencja naukowo-techniczna „Chłód z ciepła sieciowego – perspektywy rozwoju w Polsce”, Ministerstwo Energii, 19.07.2016 r.

[7]  Chorowski M., Pyrka P. Modelling and experimental investigation of an adsorption chiller using low-temperature heat from cogeneration, Energy 2015, 92:221-29.

[8]  Szyc M., Nowak W. Operation of an adsorption chiller in diff erent cycle time conditions. Chemical and Process Engineering 2014; 35:109-19.

[9]  Chorowski M., Trigeneracja – zalety i ograniczenia, Nowa Energia, 4 (2014).

[10] Nowak W., Adsorpcyjna produkcja chłodu z ciepła odpadowego, Konferencja naukowo-techniczna: „Chłód z ciepła sieciowego – perspektywy rozwoju w Polsce”, Ministerstwo Energii, Warszawa, 19.07.2016 r.

[11] Kunii D., Levenspiel, O., Fluidization engineering, Butterworth-Heinemann, a division of Reed Publishing (USA) Inc. 1991.

[12] Zarzycki R., Wymiana ciepła i ruch masy w inżynierii środowiska, Wydawnictwo WNT, Warszawa 2010.

[13] Koch R., Noworyta A., Procesy mechaniczne w inżynierii chemicznej, WNT, Warszawa 1998.