Wydział Mechaniczno-Energetyczny Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS Badania efektywności akumulacji ciepła w materiale o zmiennej fazie SPIS TREŚCI 1.
Download ReportTranscript Wydział Mechaniczno-Energetyczny Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS Badania efektywności akumulacji ciepła w materiale o zmiennej fazie SPIS TREŚCI 1.
Slide 1
Wydział Mechaniczno-Energetyczny
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
Badania
efektywności akumulacji ciepła
w materiale o zmiennej fazie
SPIS TREŚCI
1. Wstęp
2. Stanowisko badawcze
3. Wyniki badań laboratoryjnych i ich analiza
3.1 Akumulator filtracyjny
3.2 Akumulator płaszczowo-rurowy
3.3 Akumulator wodny
4. Podsumowanie
1. WSTĘP
Podstawowym celem badań był wybór konstrukcji
akumulatora ciepła z wykorzystaniem materiału o
zmiennej fazie (ang. PCM – phase changing material)
zapewniającym największe wykorzystanie dostępnego
ciepła (np. ciepła odpadowego spalin za kotłem w
elektrowni).
Zbadano dwie konstrukcje – płaszczowo – rurową i
filtracyjną.
W akumulatorze płaszczowo – rurowym materiał PCM
znajdował się pomiędzy płaszczem i rurkami grzejnymi,
w których płynęła woda podgrzewając PCM.
W akumulatorze filtracyjnym PCM był umieszczony w
kulach o średnicy 4 cm. Woda grzejna swobodnie
przepływała pomiędzy kulami, w których następowała
akumulacja ciepła z zajściem przemiany fazowej.
W eksperymencie z pojedynczą kulą obserwowano
przemianę fazową w funkcji czasu. Przestrzeń wokół
kuli była wypełniona olejem ze względu na jego wyższą
temperaturę wrzenia przy ciśnieniu atmosferycznym.
Porównano wyniki eksperymentalne i teoretyczne.
A
B
2. STANOWISKO BADAWCZE
Woda jest częściowo podgrzewana
w wymienniku c.o. 1, regulowana pompa
2 wymusza obieg wody grzewczej do
instalacji
c.o.
budynku
oraz
akumulatorów 9, 10. Brakująca część
energii
potrzebnej
do
ładowania
akumulatora jest uzupełniana przez
grzałki elektryczne 5 sterowane przez
regulator 6 w funkcji temperatury wody
14. Pompa była regulaowana w funkcji
strumienia wody (p-v). W czasie
ładowania akumulatora otwierany był
zawór odcinający 16 ze względu na
przejmowanie wahań objętości wody po
jej podgrzaniu przez instalację c.o.
budynku. Zawór odcinający 15 był
wówczas
zamknięty.
W
czasie
rozładowania akumulatora otwierano
zawory 15 i 16. Do pomiaru temperatury
wewnątrz akumulatora wykorzystano
moduły 7 (ADAM firmy Advantech) oraz
rejestrator 8 (AR205 firmy Apar). Czujniki
temperatury 13 były umieszczone w
akumulatorze.
Do
układu
hydraulicznego
przyłączano akumulator ze złożem
filtracyjnym i płaszczowo-rurowym.
Rys.2.1 Schemat układu hydraulicznego z
akumulatorem płaszczowo-rurowym, filtracyjnym
i wodnym
1 – wymiennik ciepła węzeł cieplny/instalacja c.o., 2 – pompa z regulatorem prędkości
obrotowej, 3 – instalacja c.o. budynku, 4 – filtr, 5 – grzałki elektryczne, 6 - regulator
temperatury wody (nazwa : ATR), 7 – grupa modułów do rejestracji pomiarów temperatury
(nazwa : Adam), 8 – rejestrator pomiarów temperatury (nazwa: AR 205), 9 – akumulator
płaszczowo – rurowy, 10 – akumulator filtracyjny, 11 – przepływomierz, 12 – manometr, 13 –
czujnik temperatury, 14 – czujnik temperatury, 15 – zawór odcinający przewód zasilający
instalacji c.o., 16 – zawór odcinający przewód powrotny instalacji c.o.
2. STANOWISKO BADAWCZE
Widok stanowiska badawczego
Wyniki badań laboratoryjnych
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula
Celem eksperymentu była weryfikacja teoretycznego czasu
topnienia pojedynczej kuli tqsmelt. Mając eksperymentalnie
zweryfikowany model teoretyczny można wyciągać wnioski dla
złoża składającego się z kul.
Eksperyment przeprowadzono następująco:
- rozgrzano olej do średniej temperatury 157 C, regulator
RE14 dwustanowo utrzymywał tę temperaturę,
- następnie wrzucono kulę, której temperatura była równa
temperaturze otoczenia 25 C
Ze względu na różnicę gęstości pomiędzy fazą stałą i ciekłą S
>L powodującą zmniejszenie się objętości fazy stałej VS < VL o
14% podczas przemiany fazowej na górze kuli pozostawiono
wolną przestrzeń przejmującą objętość rozszerzającego się
materiału
Rys. 3.1 Przebieg topnienia PCM w kuli o średnicy 4 cm
poziom wody
Akumulator filtracyjny
Eksperyment przeprowadzono w złożu stacjonarnym w
akumulatorze z ramkami. W jego trakcie stosowano zmienne
temperatury wody zasilającej ramkę kolejno 110 C, 100 C,
105 C, 95 C. Przed wrzuceniem kul do akumulatora rozgrzano
znajdującą się w nim wodę do temperatury 90 C.
Rys. 3.2 Widok kul po wrzuceniu do akumulatora
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – model teoretyczny
Przy założeniu stałych własności PCM zagadnienie rozwiązano za
pomocą równania przewodnictwa ciepła:
z warunkiem Stefana wymiany ciepła na płaszczyźnie zmiany fazy:
w przypadku stałej temperatury TL płynnego PCM:
czas ładowania kuli tqsmelt wynosi:
gdzie:
- gęstość stałego PCM, kg/m3
cL
- ciepło właściwe fazy ciekłej, J/kgK
Tt
- pochodna temperatury po czasie, C/s
kL
- współczynnik przewodzenia ciepła fazy
ciekłej, W/mK
Tr
- pochodna temperatury po promieniu, C/m
- temperatura przemiany fazowej, C
- ciepło przemiany fazowej, J/kg
- prędkość przesuwania się płaszczyzny
zmiany fazy wzdłuż promienia R, m/s
R(t)+ - promień, m
Tm
L
R’
TL
- temperatura fazy ciekłej, C
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – pomiary
Otrzymany z pomiarów czas topnienia wynoszący tqsmelt = 13.5
minuty porównano z modelem teoretycznym.
Waga PCM znajdującego się w kuli wynosiła 28,832 g, a
średnica zastępczej kuli wypełnionej tylko PCM wynosi 20,76
mm. Po wstawieniu danych otrzymano czas ładowania
t melt
qs
770 176000
6 0 . 2 (157 82 )
0 . 021
2
11 . 1 minut
Różnica czasów 13.5 - 11.1 minuty wynika z dwóch przyczyn:
- PCM nie miał początkowej temperatury Tm=82 C i był
wymagany czas na jego podgrzanie do tej temperatury,
- w kuli występowała pustka powietrzna utrudniająca
wymianę ciepła pomiędzy olejem i materiałem PCM.
Dobrą zgodność dla badanej kuli uzyskano dla promienia
zastępczego Ro = 23 mm.
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula - mieszanina PCM-olej
W celu poprawy konwekcji ciepła wewnątrz kul i przyspieszenia
procesu roztapiania PCM - zmieszano go w różnych proporcjach z
olejem, umieszczono w kulach plastikowych o średnicy 4 cm i
poddano z zewnątrz procesowi ogrzewania olejem o różnych
temperaturach.
Zauważyć można, że:
-dla kul z mniejszym udziałem PCM czas topnienia jest krótszy,
(mniejsza ilość materiału PCM oraz lepsza konwekcja
wewnętrzna)
80
70
100⁰C
-im więcej oleju tym krótszy czas ładowania, ale gorsze własności
akumulacyjne (pojemność cieplna PCM / olej).
-im wyższa temperatura ładowania, tym mniejszy wpływ efektu
dodania oleju. Różnice w czasach ładowania (do 15%) w praktyce
są pomijalne.
C z a s to p n i e n ia , m in u ty
60
50
110⁰C
40
120⁰C
30
130⁰C
20
150⁰C
10
0
50-50
60-40
70-30
80-20
85-15
90-10
95-05
98-02
Skład procentow y P C M - olej
Rys. 3.4 Przebieg topnienia kul o średnicy 4 cm
z mieszaniną PCM - olej
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Złoże filtracyjne z kul wypełnionych PCM
Topnienie kul trwało 106 minut.
Długi czas wynika z małej różnicy
temperatur wody i przemiany fazowej
TL-Tm = 3 10 C.
Eksperymentalnie otrzymany czas pokrywa
się
z
obliczeniami
teoretycznymi
przeprowadzonymi dla pojedynczej kuli
(rys. 3.3) dla TL=90 C.
Warunkiem zakończenia ładowania był brak
odbioru ciepła przez materiał PCM
(punkt B, rys. 3.5).
Bilans cieplny akumulatora:
- maksymalna moc cieplna: 5,32 kW,
- ciepło rozgrzewania: 1262 MJ,
- ciepło ładowania kul: 472 MJ.
- ciepło przemiany fazowej kul: 1,76 MJ.
Akumulator nie był całkowicie zaizolowany,
stąd do otoczenia stracono ponad 470 MJ.
Rys. 3.5 Przebiegi temperatury T w czasie ładowania i rozładowania
akumulatora ze złożem filtracyjnym w postaci kul,
kolor fioletowy – temperatura wody w akumulatorze Tw,
kolor żółty – temperatura wody zasilającej ramkę Tz,
kolor brązowy – temperatura wody powrotnej z ramki Tp
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Materiał PCM
PCM stopił się po czasie 240-300 minut.
Na długi czas ładowania miały wpływ niekorzystne czynniki
opisane poniżej.
Zjawiska zachodzące podczas ładowania:
- PCM krzepł na ściankach akumulatora (temperatura
mniejsza od temperatury topnienia Tm);
- wokół rurek w wewnętrznej części ranki tworzą się kanały
z płynnym materiałem PCM (łatwiejsze topnienie warstw
znajdujących się dalej od rurki);
- rurki w zewnętrznej części ramki są otoczone pustką
powietrzną (PCM spłynął do pustych przestrzeni,
trudniejsze topnienie PCM w obszarze rurek).
Rys. 3.4 Widok akumulatora płaszczowo-rurowego
(schemat, pusty, zasypany materiałem PCM)
Zjawiska zachodzące podczas rozładowywania:
- pęknięcia i puste przestrzenie powietrzne (powstałe na
skutek różnicy objętości fazy stałej VS < VL o 14% );
- materiał PCM pęka tworząc mniejsze bloki (ponowny
proces ładowania utrudniony ze względu na niski
współczynnik przewodzenia powietrza).
Rys.
3.5
Termiczna
blokada
ładowania
akumulatora (puste przestrzenie w które wpływa
roztapiany PCM)
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
W celu przyspieszenia procesu ładowania materiału PCM
wprowadzano wodę do akumulatora.
a
b
Opis ładowania akumulatora po zalaniu wodą:
-woda wypełniła akumulator ponad powierzchnię PCM;
-w ciągu 10 minut temperatura wzrosła przy ściance z 31 C na 49 C
(znacznie polepszony rozpływ ciepła);
-po rozpuszczeniu części PCM, widoczna granica międzyfazowa: woda /
ciekły PCM / stały PCM;
-ciekły PCM wypływa na powierzchnię i krzepnie (prądy konwekcyjne
mieszaniny ciekły PCM / woda przemieszczają się z prędkością 13 cm/s,
temperatury wewnątrz akumulatora: 8188 C, przy ściance: 46 C;
-para wrzącej wody unosi się przez ciekły PCM i rozpuszcza stały PCM
znajdujący się na powierzchni (temperatura przy ściance 61,7 C –
najszybsza zmiana fazy w materiale PCM).
Jeżeli na dole zasobnika jest materiał PCM, to woda dociera
nad niego i roztapia go. Dzięki mniejszej gęstości fazy ciekłej
materiał PCM wypływa na górę. Stąd, po pewnym czasie,
woda znajdzie się na dnie, a PCM na górze. Woda powinna
zalewać dolną kratownicę rurek, ponieważ wtedy szybciej
ładuje się zasobnik ciepłem.
c
PCM
WODA
Rys. 3.6 Akumulator a, b – z PCM’em,
c – z mieszaniną binarną PCM-woda
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Na charakterystykach widoczne są
temperatury wody zasilającej ramkę
Tz, wody powracającej z ramki Tp,
temperatury materiału PCM oraz
temperatura otoczenia.
W początkowej fazie temperatury
wody zasilającej Tz jak i powrotnej Tp
wzrastały liniowo. Następnie były
utrzymywane ich stałe wartości:
Tz: 110 C, Tp: 104-105 C.
W akumulatorze znajdowało się:
- 44 kg materiału PCM (Tm = 77-82 C)
- 14 kg wody.
Czas ładowania: 233 minuty.
Rozładowanie akumulatora trwało 19
godzin 4 minuty.
Warunkiem zakończenia ładowania
było
wyrównanie
temperatur
wszystkich czujników rozmieszczonych
w materiale PCM.
Rys. 3.7 Przebieg procesu ładowania i rozładowania akumulatora płaszczoworurowego wypełnionego mieszaniną binarną PCM-woda w czasie
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Rys. 3.9. Zależność mocy cieplnej czasu w fazie ładowania
akumulatora filtracyjnego
Rys. 3.8. Zależność temperatury topnienia PCM od ciepła dla
danych z eksperymentu: 44 kg materiału PCM, ciepło
przemiany fazowej 176 kJ/kg . 44 kg = 7744 kJ
Różne frakcje parafin powodują pochylenie krzywej
temperatury w obszarze przemiany fazowej.
Ponadto widać, że ciepło właściwe PCM (styczna do
krzywej temperatury) zmienia się w funkcji
dostarczanego ciepła i aktualnej temperatury PCM.
Początek przemiany fazowej jest widoczny jako
wzrost pobieranej mocy lub wzrost różnicy
temperatur.
Nie pokrywa się on z deklarowanymi przez
producenta materiału PCM temperaturą przemiany
fazowej ze względu na spóźnioną reakcję czujnika
temperatury. Średnica czujnika wynosiła około 3 mm.
Stąd ciekły PCM potrzebował pewnego czasu, aby
otoczyć czujnik w całości.
3.3 AKUMULATOR WODNY
W celu porównania efektywności akumulatorów wypełnionych materiałem PCM przeprowadzono badania akumulacji z
zasobnikiem wodnym. Na rys. 3.10 pokazano ładowanie i rozładowanie akumulatora wodnego o takiej samej objętości
wody akumulującej ciepło jak łączna objętość wody i kul w akumulatorze filtracyjnym. Widoczna jest 2,5-krotnie
większa zdolność do akumulacji ciepła w akumulatorze z kulami wypełnionymi PCM (rys. 3.11).
WODA
Rys. 3.10. Rozładowanie akumulatora wodnego o takiej
samej objętości jak akumulator z kulami
PCM
Rys. 3.11. Rozładowanie akumulatora z kulami, oznaczenia
jak na rys. 3.7, zależność temperatury T od czasu
PODSUMOWANIE
4. PODSUMOWANIE
Eksperymentalnie zbadano własności dynamiczne akumulatora płaszczoworurowego i filtracyjnego. W celu przyspieszenia procesu ładowania i
pokonania bariery niskiego współczynnika przewodzenia ciepła dla materiału
PCM użyto medium pośredniczącego – wody – tworząc ciecz binarną.
Określono czas ładowania, czas rozładowania oraz opisano zjawiska
występujące podczas procesu ładowania i rozładowania akumulatora
płaszczowo - rurowego. Przykładowo czas ładowania od temperatury 25 C do
temperatury 99 C przy temperaturze wody zasilającej Tw=110 C wynosił
tqsmelt = 3 godziny 53 minuty.
Zbadano własności dynamiczne akumulatora filtracyjnego. Badano czas
topnienia tqsmelt pojedynczej kuli oraz akumulatora wypełnionego złożem w
postaci kul. Model teoretyczny czasu topnienia tqsmelt dla pojedynczej kuli
pokrywa się z wynikami uzyskanymi z eksperymentu. Uzyskane czasy
topnienia dla cylindrów i kuli wahają się od 5 minut do 68 minut w zależności
od geometrii. Również w przypadku badania złoża składającego się z kul czas
obliczony teoretycznie i zmierzony pokrywają się.
4. PODSUMOWANIE
Ważnym wnioskiem praktycznym jest to, że zarówno w przypadku akumulatora
płaszczowo – rurowego jak i filtracyjnego temperatura ciepła odbieranego nie była
stała w obszarze przejścia fazowego, pomimo, że jest stała na wykresie fazowym w tym
obszarze. Jeżeli materiał PCM krzepnie, to od strony odbioru ciepła tworzy się warstwa
stałego PCM, którego temperatura zaczyna spadać. Jeżeli topnieje, to średnia
temperatura w akumulatorze rośnie. Ponadto przy odbiorze ciepła pojawiają się
różnice w prędkości spadku temperatury PCM w akumulatorze. Najszybciej temperatura
spada do temperatury przejścia fazowego Tm, potem prędkość spadku zmniejsza się.
Z obu konstrukcji autorzy wskazują akumulator filtracyjny ze złożem w postaci kul jako
ten, który może być zastosowany w praktyce. Jest tak ze względu na krótki czas
ładowania i prostotę budowy wiążącą się z jego niezawodnością. Im krótszy czas
topnienia, tym więcej energii można odebrać od źródła ciepła odpadowego. Stąd
krotność odbioru ciepła w ciągu doby decyduje o średnicy kul wypełnionych materiałem
PCM.
pytania / komentarze / dyskusja
Dziękujemy za uwagę
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
PROGRAM STRATEGICZNY – ZAAWANSOWANE TECHNOLO
GIE POZYSKIWANIA ENERGII
ZADANIE NR 1 – „Opracowanie technologii dla wysokosprawnych „zero-emisyjnych”
bloków węglowych zintegrowanych z wychwytem CO ze spalin”
Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju zgodnie z umową
nr SP/E/1/67484/10 z dnia 05 maja 2010r, numer projektu: SP/E/1/67484/10
2
Slide 2
Wydział Mechaniczno-Energetyczny
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
Badania
efektywności akumulacji ciepła
w materiale o zmiennej fazie
SPIS TREŚCI
1. Wstęp
2. Stanowisko badawcze
3. Wyniki badań laboratoryjnych i ich analiza
3.1 Akumulator filtracyjny
3.2 Akumulator płaszczowo-rurowy
3.3 Akumulator wodny
4. Podsumowanie
1. WSTĘP
Podstawowym celem badań był wybór konstrukcji
akumulatora ciepła z wykorzystaniem materiału o
zmiennej fazie (ang. PCM – phase changing material)
zapewniającym największe wykorzystanie dostępnego
ciepła (np. ciepła odpadowego spalin za kotłem w
elektrowni).
Zbadano dwie konstrukcje – płaszczowo – rurową i
filtracyjną.
W akumulatorze płaszczowo – rurowym materiał PCM
znajdował się pomiędzy płaszczem i rurkami grzejnymi,
w których płynęła woda podgrzewając PCM.
W akumulatorze filtracyjnym PCM był umieszczony w
kulach o średnicy 4 cm. Woda grzejna swobodnie
przepływała pomiędzy kulami, w których następowała
akumulacja ciepła z zajściem przemiany fazowej.
W eksperymencie z pojedynczą kulą obserwowano
przemianę fazową w funkcji czasu. Przestrzeń wokół
kuli była wypełniona olejem ze względu na jego wyższą
temperaturę wrzenia przy ciśnieniu atmosferycznym.
Porównano wyniki eksperymentalne i teoretyczne.
A
B
2. STANOWISKO BADAWCZE
Woda jest częściowo podgrzewana
w wymienniku c.o. 1, regulowana pompa
2 wymusza obieg wody grzewczej do
instalacji
c.o.
budynku
oraz
akumulatorów 9, 10. Brakująca część
energii
potrzebnej
do
ładowania
akumulatora jest uzupełniana przez
grzałki elektryczne 5 sterowane przez
regulator 6 w funkcji temperatury wody
14. Pompa była regulaowana w funkcji
strumienia wody (p-v). W czasie
ładowania akumulatora otwierany był
zawór odcinający 16 ze względu na
przejmowanie wahań objętości wody po
jej podgrzaniu przez instalację c.o.
budynku. Zawór odcinający 15 był
wówczas
zamknięty.
W
czasie
rozładowania akumulatora otwierano
zawory 15 i 16. Do pomiaru temperatury
wewnątrz akumulatora wykorzystano
moduły 7 (ADAM firmy Advantech) oraz
rejestrator 8 (AR205 firmy Apar). Czujniki
temperatury 13 były umieszczone w
akumulatorze.
Do
układu
hydraulicznego
przyłączano akumulator ze złożem
filtracyjnym i płaszczowo-rurowym.
Rys.2.1 Schemat układu hydraulicznego z
akumulatorem płaszczowo-rurowym, filtracyjnym
i wodnym
1 – wymiennik ciepła węzeł cieplny/instalacja c.o., 2 – pompa z regulatorem prędkości
obrotowej, 3 – instalacja c.o. budynku, 4 – filtr, 5 – grzałki elektryczne, 6 - regulator
temperatury wody (nazwa : ATR), 7 – grupa modułów do rejestracji pomiarów temperatury
(nazwa : Adam), 8 – rejestrator pomiarów temperatury (nazwa: AR 205), 9 – akumulator
płaszczowo – rurowy, 10 – akumulator filtracyjny, 11 – przepływomierz, 12 – manometr, 13 –
czujnik temperatury, 14 – czujnik temperatury, 15 – zawór odcinający przewód zasilający
instalacji c.o., 16 – zawór odcinający przewód powrotny instalacji c.o.
2. STANOWISKO BADAWCZE
Widok stanowiska badawczego
Wyniki badań laboratoryjnych
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula
Celem eksperymentu była weryfikacja teoretycznego czasu
topnienia pojedynczej kuli tqsmelt. Mając eksperymentalnie
zweryfikowany model teoretyczny można wyciągać wnioski dla
złoża składającego się z kul.
Eksperyment przeprowadzono następująco:
- rozgrzano olej do średniej temperatury 157 C, regulator
RE14 dwustanowo utrzymywał tę temperaturę,
- następnie wrzucono kulę, której temperatura była równa
temperaturze otoczenia 25 C
Ze względu na różnicę gęstości pomiędzy fazą stałą i ciekłą S
>L powodującą zmniejszenie się objętości fazy stałej VS < VL o
14% podczas przemiany fazowej na górze kuli pozostawiono
wolną przestrzeń przejmującą objętość rozszerzającego się
materiału
Rys. 3.1 Przebieg topnienia PCM w kuli o średnicy 4 cm
poziom wody
Akumulator filtracyjny
Eksperyment przeprowadzono w złożu stacjonarnym w
akumulatorze z ramkami. W jego trakcie stosowano zmienne
temperatury wody zasilającej ramkę kolejno 110 C, 100 C,
105 C, 95 C. Przed wrzuceniem kul do akumulatora rozgrzano
znajdującą się w nim wodę do temperatury 90 C.
Rys. 3.2 Widok kul po wrzuceniu do akumulatora
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – model teoretyczny
Przy założeniu stałych własności PCM zagadnienie rozwiązano za
pomocą równania przewodnictwa ciepła:
z warunkiem Stefana wymiany ciepła na płaszczyźnie zmiany fazy:
w przypadku stałej temperatury TL płynnego PCM:
czas ładowania kuli tqsmelt wynosi:
gdzie:
- gęstość stałego PCM, kg/m3
cL
- ciepło właściwe fazy ciekłej, J/kgK
Tt
- pochodna temperatury po czasie, C/s
kL
- współczynnik przewodzenia ciepła fazy
ciekłej, W/mK
Tr
- pochodna temperatury po promieniu, C/m
- temperatura przemiany fazowej, C
- ciepło przemiany fazowej, J/kg
- prędkość przesuwania się płaszczyzny
zmiany fazy wzdłuż promienia R, m/s
R(t)+ - promień, m
Tm
L
R’
TL
- temperatura fazy ciekłej, C
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – pomiary
Otrzymany z pomiarów czas topnienia wynoszący tqsmelt = 13.5
minuty porównano z modelem teoretycznym.
Waga PCM znajdującego się w kuli wynosiła 28,832 g, a
średnica zastępczej kuli wypełnionej tylko PCM wynosi 20,76
mm. Po wstawieniu danych otrzymano czas ładowania
t melt
qs
770 176000
6 0 . 2 (157 82 )
0 . 021
2
11 . 1 minut
Różnica czasów 13.5 - 11.1 minuty wynika z dwóch przyczyn:
- PCM nie miał początkowej temperatury Tm=82 C i był
wymagany czas na jego podgrzanie do tej temperatury,
- w kuli występowała pustka powietrzna utrudniająca
wymianę ciepła pomiędzy olejem i materiałem PCM.
Dobrą zgodność dla badanej kuli uzyskano dla promienia
zastępczego Ro = 23 mm.
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula - mieszanina PCM-olej
W celu poprawy konwekcji ciepła wewnątrz kul i przyspieszenia
procesu roztapiania PCM - zmieszano go w różnych proporcjach z
olejem, umieszczono w kulach plastikowych o średnicy 4 cm i
poddano z zewnątrz procesowi ogrzewania olejem o różnych
temperaturach.
Zauważyć można, że:
-dla kul z mniejszym udziałem PCM czas topnienia jest krótszy,
(mniejsza ilość materiału PCM oraz lepsza konwekcja
wewnętrzna)
80
70
100⁰C
-im więcej oleju tym krótszy czas ładowania, ale gorsze własności
akumulacyjne (pojemność cieplna PCM / olej).
-im wyższa temperatura ładowania, tym mniejszy wpływ efektu
dodania oleju. Różnice w czasach ładowania (do 15%) w praktyce
są pomijalne.
C z a s to p n i e n ia , m in u ty
60
50
110⁰C
40
120⁰C
30
130⁰C
20
150⁰C
10
0
50-50
60-40
70-30
80-20
85-15
90-10
95-05
98-02
Skład procentow y P C M - olej
Rys. 3.4 Przebieg topnienia kul o średnicy 4 cm
z mieszaniną PCM - olej
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Złoże filtracyjne z kul wypełnionych PCM
Topnienie kul trwało 106 minut.
Długi czas wynika z małej różnicy
temperatur wody i przemiany fazowej
TL-Tm = 3 10 C.
Eksperymentalnie otrzymany czas pokrywa
się
z
obliczeniami
teoretycznymi
przeprowadzonymi dla pojedynczej kuli
(rys. 3.3) dla TL=90 C.
Warunkiem zakończenia ładowania był brak
odbioru ciepła przez materiał PCM
(punkt B, rys. 3.5).
Bilans cieplny akumulatora:
- maksymalna moc cieplna: 5,32 kW,
- ciepło rozgrzewania: 1262 MJ,
- ciepło ładowania kul: 472 MJ.
- ciepło przemiany fazowej kul: 1,76 MJ.
Akumulator nie był całkowicie zaizolowany,
stąd do otoczenia stracono ponad 470 MJ.
Rys. 3.5 Przebiegi temperatury T w czasie ładowania i rozładowania
akumulatora ze złożem filtracyjnym w postaci kul,
kolor fioletowy – temperatura wody w akumulatorze Tw,
kolor żółty – temperatura wody zasilającej ramkę Tz,
kolor brązowy – temperatura wody powrotnej z ramki Tp
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Materiał PCM
PCM stopił się po czasie 240-300 minut.
Na długi czas ładowania miały wpływ niekorzystne czynniki
opisane poniżej.
Zjawiska zachodzące podczas ładowania:
- PCM krzepł na ściankach akumulatora (temperatura
mniejsza od temperatury topnienia Tm);
- wokół rurek w wewnętrznej części ranki tworzą się kanały
z płynnym materiałem PCM (łatwiejsze topnienie warstw
znajdujących się dalej od rurki);
- rurki w zewnętrznej części ramki są otoczone pustką
powietrzną (PCM spłynął do pustych przestrzeni,
trudniejsze topnienie PCM w obszarze rurek).
Rys. 3.4 Widok akumulatora płaszczowo-rurowego
(schemat, pusty, zasypany materiałem PCM)
Zjawiska zachodzące podczas rozładowywania:
- pęknięcia i puste przestrzenie powietrzne (powstałe na
skutek różnicy objętości fazy stałej VS < VL o 14% );
- materiał PCM pęka tworząc mniejsze bloki (ponowny
proces ładowania utrudniony ze względu na niski
współczynnik przewodzenia powietrza).
Rys.
3.5
Termiczna
blokada
ładowania
akumulatora (puste przestrzenie w które wpływa
roztapiany PCM)
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
W celu przyspieszenia procesu ładowania materiału PCM
wprowadzano wodę do akumulatora.
a
b
Opis ładowania akumulatora po zalaniu wodą:
-woda wypełniła akumulator ponad powierzchnię PCM;
-w ciągu 10 minut temperatura wzrosła przy ściance z 31 C na 49 C
(znacznie polepszony rozpływ ciepła);
-po rozpuszczeniu części PCM, widoczna granica międzyfazowa: woda /
ciekły PCM / stały PCM;
-ciekły PCM wypływa na powierzchnię i krzepnie (prądy konwekcyjne
mieszaniny ciekły PCM / woda przemieszczają się z prędkością 13 cm/s,
temperatury wewnątrz akumulatora: 8188 C, przy ściance: 46 C;
-para wrzącej wody unosi się przez ciekły PCM i rozpuszcza stały PCM
znajdujący się na powierzchni (temperatura przy ściance 61,7 C –
najszybsza zmiana fazy w materiale PCM).
Jeżeli na dole zasobnika jest materiał PCM, to woda dociera
nad niego i roztapia go. Dzięki mniejszej gęstości fazy ciekłej
materiał PCM wypływa na górę. Stąd, po pewnym czasie,
woda znajdzie się na dnie, a PCM na górze. Woda powinna
zalewać dolną kratownicę rurek, ponieważ wtedy szybciej
ładuje się zasobnik ciepłem.
c
PCM
WODA
Rys. 3.6 Akumulator a, b – z PCM’em,
c – z mieszaniną binarną PCM-woda
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Na charakterystykach widoczne są
temperatury wody zasilającej ramkę
Tz, wody powracającej z ramki Tp,
temperatury materiału PCM oraz
temperatura otoczenia.
W początkowej fazie temperatury
wody zasilającej Tz jak i powrotnej Tp
wzrastały liniowo. Następnie były
utrzymywane ich stałe wartości:
Tz: 110 C, Tp: 104-105 C.
W akumulatorze znajdowało się:
- 44 kg materiału PCM (Tm = 77-82 C)
- 14 kg wody.
Czas ładowania: 233 minuty.
Rozładowanie akumulatora trwało 19
godzin 4 minuty.
Warunkiem zakończenia ładowania
było
wyrównanie
temperatur
wszystkich czujników rozmieszczonych
w materiale PCM.
Rys. 3.7 Przebieg procesu ładowania i rozładowania akumulatora płaszczoworurowego wypełnionego mieszaniną binarną PCM-woda w czasie
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Rys. 3.9. Zależność mocy cieplnej czasu w fazie ładowania
akumulatora filtracyjnego
Rys. 3.8. Zależność temperatury topnienia PCM od ciepła dla
danych z eksperymentu: 44 kg materiału PCM, ciepło
przemiany fazowej 176 kJ/kg . 44 kg = 7744 kJ
Różne frakcje parafin powodują pochylenie krzywej
temperatury w obszarze przemiany fazowej.
Ponadto widać, że ciepło właściwe PCM (styczna do
krzywej temperatury) zmienia się w funkcji
dostarczanego ciepła i aktualnej temperatury PCM.
Początek przemiany fazowej jest widoczny jako
wzrost pobieranej mocy lub wzrost różnicy
temperatur.
Nie pokrywa się on z deklarowanymi przez
producenta materiału PCM temperaturą przemiany
fazowej ze względu na spóźnioną reakcję czujnika
temperatury. Średnica czujnika wynosiła około 3 mm.
Stąd ciekły PCM potrzebował pewnego czasu, aby
otoczyć czujnik w całości.
3.3 AKUMULATOR WODNY
W celu porównania efektywności akumulatorów wypełnionych materiałem PCM przeprowadzono badania akumulacji z
zasobnikiem wodnym. Na rys. 3.10 pokazano ładowanie i rozładowanie akumulatora wodnego o takiej samej objętości
wody akumulującej ciepło jak łączna objętość wody i kul w akumulatorze filtracyjnym. Widoczna jest 2,5-krotnie
większa zdolność do akumulacji ciepła w akumulatorze z kulami wypełnionymi PCM (rys. 3.11).
WODA
Rys. 3.10. Rozładowanie akumulatora wodnego o takiej
samej objętości jak akumulator z kulami
PCM
Rys. 3.11. Rozładowanie akumulatora z kulami, oznaczenia
jak na rys. 3.7, zależność temperatury T od czasu
PODSUMOWANIE
4. PODSUMOWANIE
Eksperymentalnie zbadano własności dynamiczne akumulatora płaszczoworurowego i filtracyjnego. W celu przyspieszenia procesu ładowania i
pokonania bariery niskiego współczynnika przewodzenia ciepła dla materiału
PCM użyto medium pośredniczącego – wody – tworząc ciecz binarną.
Określono czas ładowania, czas rozładowania oraz opisano zjawiska
występujące podczas procesu ładowania i rozładowania akumulatora
płaszczowo - rurowego. Przykładowo czas ładowania od temperatury 25 C do
temperatury 99 C przy temperaturze wody zasilającej Tw=110 C wynosił
tqsmelt = 3 godziny 53 minuty.
Zbadano własności dynamiczne akumulatora filtracyjnego. Badano czas
topnienia tqsmelt pojedynczej kuli oraz akumulatora wypełnionego złożem w
postaci kul. Model teoretyczny czasu topnienia tqsmelt dla pojedynczej kuli
pokrywa się z wynikami uzyskanymi z eksperymentu. Uzyskane czasy
topnienia dla cylindrów i kuli wahają się od 5 minut do 68 minut w zależności
od geometrii. Również w przypadku badania złoża składającego się z kul czas
obliczony teoretycznie i zmierzony pokrywają się.
4. PODSUMOWANIE
Ważnym wnioskiem praktycznym jest to, że zarówno w przypadku akumulatora
płaszczowo – rurowego jak i filtracyjnego temperatura ciepła odbieranego nie była
stała w obszarze przejścia fazowego, pomimo, że jest stała na wykresie fazowym w tym
obszarze. Jeżeli materiał PCM krzepnie, to od strony odbioru ciepła tworzy się warstwa
stałego PCM, którego temperatura zaczyna spadać. Jeżeli topnieje, to średnia
temperatura w akumulatorze rośnie. Ponadto przy odbiorze ciepła pojawiają się
różnice w prędkości spadku temperatury PCM w akumulatorze. Najszybciej temperatura
spada do temperatury przejścia fazowego Tm, potem prędkość spadku zmniejsza się.
Z obu konstrukcji autorzy wskazują akumulator filtracyjny ze złożem w postaci kul jako
ten, który może być zastosowany w praktyce. Jest tak ze względu na krótki czas
ładowania i prostotę budowy wiążącą się z jego niezawodnością. Im krótszy czas
topnienia, tym więcej energii można odebrać od źródła ciepła odpadowego. Stąd
krotność odbioru ciepła w ciągu doby decyduje o średnicy kul wypełnionych materiałem
PCM.
pytania / komentarze / dyskusja
Dziękujemy za uwagę
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
PROGRAM STRATEGICZNY – ZAAWANSOWANE TECHNOLO
GIE POZYSKIWANIA ENERGII
ZADANIE NR 1 – „Opracowanie technologii dla wysokosprawnych „zero-emisyjnych”
bloków węglowych zintegrowanych z wychwytem CO ze spalin”
Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju zgodnie z umową
nr SP/E/1/67484/10 z dnia 05 maja 2010r, numer projektu: SP/E/1/67484/10
2
Slide 3
Wydział Mechaniczno-Energetyczny
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
Badania
efektywności akumulacji ciepła
w materiale o zmiennej fazie
SPIS TREŚCI
1. Wstęp
2. Stanowisko badawcze
3. Wyniki badań laboratoryjnych i ich analiza
3.1 Akumulator filtracyjny
3.2 Akumulator płaszczowo-rurowy
3.3 Akumulator wodny
4. Podsumowanie
1. WSTĘP
Podstawowym celem badań był wybór konstrukcji
akumulatora ciepła z wykorzystaniem materiału o
zmiennej fazie (ang. PCM – phase changing material)
zapewniającym największe wykorzystanie dostępnego
ciepła (np. ciepła odpadowego spalin za kotłem w
elektrowni).
Zbadano dwie konstrukcje – płaszczowo – rurową i
filtracyjną.
W akumulatorze płaszczowo – rurowym materiał PCM
znajdował się pomiędzy płaszczem i rurkami grzejnymi,
w których płynęła woda podgrzewając PCM.
W akumulatorze filtracyjnym PCM był umieszczony w
kulach o średnicy 4 cm. Woda grzejna swobodnie
przepływała pomiędzy kulami, w których następowała
akumulacja ciepła z zajściem przemiany fazowej.
W eksperymencie z pojedynczą kulą obserwowano
przemianę fazową w funkcji czasu. Przestrzeń wokół
kuli była wypełniona olejem ze względu na jego wyższą
temperaturę wrzenia przy ciśnieniu atmosferycznym.
Porównano wyniki eksperymentalne i teoretyczne.
A
B
2. STANOWISKO BADAWCZE
Woda jest częściowo podgrzewana
w wymienniku c.o. 1, regulowana pompa
2 wymusza obieg wody grzewczej do
instalacji
c.o.
budynku
oraz
akumulatorów 9, 10. Brakująca część
energii
potrzebnej
do
ładowania
akumulatora jest uzupełniana przez
grzałki elektryczne 5 sterowane przez
regulator 6 w funkcji temperatury wody
14. Pompa była regulaowana w funkcji
strumienia wody (p-v). W czasie
ładowania akumulatora otwierany był
zawór odcinający 16 ze względu na
przejmowanie wahań objętości wody po
jej podgrzaniu przez instalację c.o.
budynku. Zawór odcinający 15 był
wówczas
zamknięty.
W
czasie
rozładowania akumulatora otwierano
zawory 15 i 16. Do pomiaru temperatury
wewnątrz akumulatora wykorzystano
moduły 7 (ADAM firmy Advantech) oraz
rejestrator 8 (AR205 firmy Apar). Czujniki
temperatury 13 były umieszczone w
akumulatorze.
Do
układu
hydraulicznego
przyłączano akumulator ze złożem
filtracyjnym i płaszczowo-rurowym.
Rys.2.1 Schemat układu hydraulicznego z
akumulatorem płaszczowo-rurowym, filtracyjnym
i wodnym
1 – wymiennik ciepła węzeł cieplny/instalacja c.o., 2 – pompa z regulatorem prędkości
obrotowej, 3 – instalacja c.o. budynku, 4 – filtr, 5 – grzałki elektryczne, 6 - regulator
temperatury wody (nazwa : ATR), 7 – grupa modułów do rejestracji pomiarów temperatury
(nazwa : Adam), 8 – rejestrator pomiarów temperatury (nazwa: AR 205), 9 – akumulator
płaszczowo – rurowy, 10 – akumulator filtracyjny, 11 – przepływomierz, 12 – manometr, 13 –
czujnik temperatury, 14 – czujnik temperatury, 15 – zawór odcinający przewód zasilający
instalacji c.o., 16 – zawór odcinający przewód powrotny instalacji c.o.
2. STANOWISKO BADAWCZE
Widok stanowiska badawczego
Wyniki badań laboratoryjnych
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula
Celem eksperymentu była weryfikacja teoretycznego czasu
topnienia pojedynczej kuli tqsmelt. Mając eksperymentalnie
zweryfikowany model teoretyczny można wyciągać wnioski dla
złoża składającego się z kul.
Eksperyment przeprowadzono następująco:
- rozgrzano olej do średniej temperatury 157 C, regulator
RE14 dwustanowo utrzymywał tę temperaturę,
- następnie wrzucono kulę, której temperatura była równa
temperaturze otoczenia 25 C
Ze względu na różnicę gęstości pomiędzy fazą stałą i ciekłą S
>L powodującą zmniejszenie się objętości fazy stałej VS < VL o
14% podczas przemiany fazowej na górze kuli pozostawiono
wolną przestrzeń przejmującą objętość rozszerzającego się
materiału
Rys. 3.1 Przebieg topnienia PCM w kuli o średnicy 4 cm
poziom wody
Akumulator filtracyjny
Eksperyment przeprowadzono w złożu stacjonarnym w
akumulatorze z ramkami. W jego trakcie stosowano zmienne
temperatury wody zasilającej ramkę kolejno 110 C, 100 C,
105 C, 95 C. Przed wrzuceniem kul do akumulatora rozgrzano
znajdującą się w nim wodę do temperatury 90 C.
Rys. 3.2 Widok kul po wrzuceniu do akumulatora
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – model teoretyczny
Przy założeniu stałych własności PCM zagadnienie rozwiązano za
pomocą równania przewodnictwa ciepła:
z warunkiem Stefana wymiany ciepła na płaszczyźnie zmiany fazy:
w przypadku stałej temperatury TL płynnego PCM:
czas ładowania kuli tqsmelt wynosi:
gdzie:
- gęstość stałego PCM, kg/m3
cL
- ciepło właściwe fazy ciekłej, J/kgK
Tt
- pochodna temperatury po czasie, C/s
kL
- współczynnik przewodzenia ciepła fazy
ciekłej, W/mK
Tr
- pochodna temperatury po promieniu, C/m
- temperatura przemiany fazowej, C
- ciepło przemiany fazowej, J/kg
- prędkość przesuwania się płaszczyzny
zmiany fazy wzdłuż promienia R, m/s
R(t)+ - promień, m
Tm
L
R’
TL
- temperatura fazy ciekłej, C
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – pomiary
Otrzymany z pomiarów czas topnienia wynoszący tqsmelt = 13.5
minuty porównano z modelem teoretycznym.
Waga PCM znajdującego się w kuli wynosiła 28,832 g, a
średnica zastępczej kuli wypełnionej tylko PCM wynosi 20,76
mm. Po wstawieniu danych otrzymano czas ładowania
t melt
qs
770 176000
6 0 . 2 (157 82 )
0 . 021
2
11 . 1 minut
Różnica czasów 13.5 - 11.1 minuty wynika z dwóch przyczyn:
- PCM nie miał początkowej temperatury Tm=82 C i był
wymagany czas na jego podgrzanie do tej temperatury,
- w kuli występowała pustka powietrzna utrudniająca
wymianę ciepła pomiędzy olejem i materiałem PCM.
Dobrą zgodność dla badanej kuli uzyskano dla promienia
zastępczego Ro = 23 mm.
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula - mieszanina PCM-olej
W celu poprawy konwekcji ciepła wewnątrz kul i przyspieszenia
procesu roztapiania PCM - zmieszano go w różnych proporcjach z
olejem, umieszczono w kulach plastikowych o średnicy 4 cm i
poddano z zewnątrz procesowi ogrzewania olejem o różnych
temperaturach.
Zauważyć można, że:
-dla kul z mniejszym udziałem PCM czas topnienia jest krótszy,
(mniejsza ilość materiału PCM oraz lepsza konwekcja
wewnętrzna)
80
70
100⁰C
-im więcej oleju tym krótszy czas ładowania, ale gorsze własności
akumulacyjne (pojemność cieplna PCM / olej).
-im wyższa temperatura ładowania, tym mniejszy wpływ efektu
dodania oleju. Różnice w czasach ładowania (do 15%) w praktyce
są pomijalne.
C z a s to p n i e n ia , m in u ty
60
50
110⁰C
40
120⁰C
30
130⁰C
20
150⁰C
10
0
50-50
60-40
70-30
80-20
85-15
90-10
95-05
98-02
Skład procentow y P C M - olej
Rys. 3.4 Przebieg topnienia kul o średnicy 4 cm
z mieszaniną PCM - olej
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Złoże filtracyjne z kul wypełnionych PCM
Topnienie kul trwało 106 minut.
Długi czas wynika z małej różnicy
temperatur wody i przemiany fazowej
TL-Tm = 3 10 C.
Eksperymentalnie otrzymany czas pokrywa
się
z
obliczeniami
teoretycznymi
przeprowadzonymi dla pojedynczej kuli
(rys. 3.3) dla TL=90 C.
Warunkiem zakończenia ładowania był brak
odbioru ciepła przez materiał PCM
(punkt B, rys. 3.5).
Bilans cieplny akumulatora:
- maksymalna moc cieplna: 5,32 kW,
- ciepło rozgrzewania: 1262 MJ,
- ciepło ładowania kul: 472 MJ.
- ciepło przemiany fazowej kul: 1,76 MJ.
Akumulator nie był całkowicie zaizolowany,
stąd do otoczenia stracono ponad 470 MJ.
Rys. 3.5 Przebiegi temperatury T w czasie ładowania i rozładowania
akumulatora ze złożem filtracyjnym w postaci kul,
kolor fioletowy – temperatura wody w akumulatorze Tw,
kolor żółty – temperatura wody zasilającej ramkę Tz,
kolor brązowy – temperatura wody powrotnej z ramki Tp
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Materiał PCM
PCM stopił się po czasie 240-300 minut.
Na długi czas ładowania miały wpływ niekorzystne czynniki
opisane poniżej.
Zjawiska zachodzące podczas ładowania:
- PCM krzepł na ściankach akumulatora (temperatura
mniejsza od temperatury topnienia Tm);
- wokół rurek w wewnętrznej części ranki tworzą się kanały
z płynnym materiałem PCM (łatwiejsze topnienie warstw
znajdujących się dalej od rurki);
- rurki w zewnętrznej części ramki są otoczone pustką
powietrzną (PCM spłynął do pustych przestrzeni,
trudniejsze topnienie PCM w obszarze rurek).
Rys. 3.4 Widok akumulatora płaszczowo-rurowego
(schemat, pusty, zasypany materiałem PCM)
Zjawiska zachodzące podczas rozładowywania:
- pęknięcia i puste przestrzenie powietrzne (powstałe na
skutek różnicy objętości fazy stałej VS < VL o 14% );
- materiał PCM pęka tworząc mniejsze bloki (ponowny
proces ładowania utrudniony ze względu na niski
współczynnik przewodzenia powietrza).
Rys.
3.5
Termiczna
blokada
ładowania
akumulatora (puste przestrzenie w które wpływa
roztapiany PCM)
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
W celu przyspieszenia procesu ładowania materiału PCM
wprowadzano wodę do akumulatora.
a
b
Opis ładowania akumulatora po zalaniu wodą:
-woda wypełniła akumulator ponad powierzchnię PCM;
-w ciągu 10 minut temperatura wzrosła przy ściance z 31 C na 49 C
(znacznie polepszony rozpływ ciepła);
-po rozpuszczeniu części PCM, widoczna granica międzyfazowa: woda /
ciekły PCM / stały PCM;
-ciekły PCM wypływa na powierzchnię i krzepnie (prądy konwekcyjne
mieszaniny ciekły PCM / woda przemieszczają się z prędkością 13 cm/s,
temperatury wewnątrz akumulatora: 8188 C, przy ściance: 46 C;
-para wrzącej wody unosi się przez ciekły PCM i rozpuszcza stały PCM
znajdujący się na powierzchni (temperatura przy ściance 61,7 C –
najszybsza zmiana fazy w materiale PCM).
Jeżeli na dole zasobnika jest materiał PCM, to woda dociera
nad niego i roztapia go. Dzięki mniejszej gęstości fazy ciekłej
materiał PCM wypływa na górę. Stąd, po pewnym czasie,
woda znajdzie się na dnie, a PCM na górze. Woda powinna
zalewać dolną kratownicę rurek, ponieważ wtedy szybciej
ładuje się zasobnik ciepłem.
c
PCM
WODA
Rys. 3.6 Akumulator a, b – z PCM’em,
c – z mieszaniną binarną PCM-woda
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Na charakterystykach widoczne są
temperatury wody zasilającej ramkę
Tz, wody powracającej z ramki Tp,
temperatury materiału PCM oraz
temperatura otoczenia.
W początkowej fazie temperatury
wody zasilającej Tz jak i powrotnej Tp
wzrastały liniowo. Następnie były
utrzymywane ich stałe wartości:
Tz: 110 C, Tp: 104-105 C.
W akumulatorze znajdowało się:
- 44 kg materiału PCM (Tm = 77-82 C)
- 14 kg wody.
Czas ładowania: 233 minuty.
Rozładowanie akumulatora trwało 19
godzin 4 minuty.
Warunkiem zakończenia ładowania
było
wyrównanie
temperatur
wszystkich czujników rozmieszczonych
w materiale PCM.
Rys. 3.7 Przebieg procesu ładowania i rozładowania akumulatora płaszczoworurowego wypełnionego mieszaniną binarną PCM-woda w czasie
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Rys. 3.9. Zależność mocy cieplnej czasu w fazie ładowania
akumulatora filtracyjnego
Rys. 3.8. Zależność temperatury topnienia PCM od ciepła dla
danych z eksperymentu: 44 kg materiału PCM, ciepło
przemiany fazowej 176 kJ/kg . 44 kg = 7744 kJ
Różne frakcje parafin powodują pochylenie krzywej
temperatury w obszarze przemiany fazowej.
Ponadto widać, że ciepło właściwe PCM (styczna do
krzywej temperatury) zmienia się w funkcji
dostarczanego ciepła i aktualnej temperatury PCM.
Początek przemiany fazowej jest widoczny jako
wzrost pobieranej mocy lub wzrost różnicy
temperatur.
Nie pokrywa się on z deklarowanymi przez
producenta materiału PCM temperaturą przemiany
fazowej ze względu na spóźnioną reakcję czujnika
temperatury. Średnica czujnika wynosiła około 3 mm.
Stąd ciekły PCM potrzebował pewnego czasu, aby
otoczyć czujnik w całości.
3.3 AKUMULATOR WODNY
W celu porównania efektywności akumulatorów wypełnionych materiałem PCM przeprowadzono badania akumulacji z
zasobnikiem wodnym. Na rys. 3.10 pokazano ładowanie i rozładowanie akumulatora wodnego o takiej samej objętości
wody akumulującej ciepło jak łączna objętość wody i kul w akumulatorze filtracyjnym. Widoczna jest 2,5-krotnie
większa zdolność do akumulacji ciepła w akumulatorze z kulami wypełnionymi PCM (rys. 3.11).
WODA
Rys. 3.10. Rozładowanie akumulatora wodnego o takiej
samej objętości jak akumulator z kulami
PCM
Rys. 3.11. Rozładowanie akumulatora z kulami, oznaczenia
jak na rys. 3.7, zależność temperatury T od czasu
PODSUMOWANIE
4. PODSUMOWANIE
Eksperymentalnie zbadano własności dynamiczne akumulatora płaszczoworurowego i filtracyjnego. W celu przyspieszenia procesu ładowania i
pokonania bariery niskiego współczynnika przewodzenia ciepła dla materiału
PCM użyto medium pośredniczącego – wody – tworząc ciecz binarną.
Określono czas ładowania, czas rozładowania oraz opisano zjawiska
występujące podczas procesu ładowania i rozładowania akumulatora
płaszczowo - rurowego. Przykładowo czas ładowania od temperatury 25 C do
temperatury 99 C przy temperaturze wody zasilającej Tw=110 C wynosił
tqsmelt = 3 godziny 53 minuty.
Zbadano własności dynamiczne akumulatora filtracyjnego. Badano czas
topnienia tqsmelt pojedynczej kuli oraz akumulatora wypełnionego złożem w
postaci kul. Model teoretyczny czasu topnienia tqsmelt dla pojedynczej kuli
pokrywa się z wynikami uzyskanymi z eksperymentu. Uzyskane czasy
topnienia dla cylindrów i kuli wahają się od 5 minut do 68 minut w zależności
od geometrii. Również w przypadku badania złoża składającego się z kul czas
obliczony teoretycznie i zmierzony pokrywają się.
4. PODSUMOWANIE
Ważnym wnioskiem praktycznym jest to, że zarówno w przypadku akumulatora
płaszczowo – rurowego jak i filtracyjnego temperatura ciepła odbieranego nie była
stała w obszarze przejścia fazowego, pomimo, że jest stała na wykresie fazowym w tym
obszarze. Jeżeli materiał PCM krzepnie, to od strony odbioru ciepła tworzy się warstwa
stałego PCM, którego temperatura zaczyna spadać. Jeżeli topnieje, to średnia
temperatura w akumulatorze rośnie. Ponadto przy odbiorze ciepła pojawiają się
różnice w prędkości spadku temperatury PCM w akumulatorze. Najszybciej temperatura
spada do temperatury przejścia fazowego Tm, potem prędkość spadku zmniejsza się.
Z obu konstrukcji autorzy wskazują akumulator filtracyjny ze złożem w postaci kul jako
ten, który może być zastosowany w praktyce. Jest tak ze względu na krótki czas
ładowania i prostotę budowy wiążącą się z jego niezawodnością. Im krótszy czas
topnienia, tym więcej energii można odebrać od źródła ciepła odpadowego. Stąd
krotność odbioru ciepła w ciągu doby decyduje o średnicy kul wypełnionych materiałem
PCM.
pytania / komentarze / dyskusja
Dziękujemy za uwagę
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
PROGRAM STRATEGICZNY – ZAAWANSOWANE TECHNOLO
GIE POZYSKIWANIA ENERGII
ZADANIE NR 1 – „Opracowanie technologii dla wysokosprawnych „zero-emisyjnych”
bloków węglowych zintegrowanych z wychwytem CO ze spalin”
Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju zgodnie z umową
nr SP/E/1/67484/10 z dnia 05 maja 2010r, numer projektu: SP/E/1/67484/10
2
Slide 4
Wydział Mechaniczno-Energetyczny
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
Badania
efektywności akumulacji ciepła
w materiale o zmiennej fazie
SPIS TREŚCI
1. Wstęp
2. Stanowisko badawcze
3. Wyniki badań laboratoryjnych i ich analiza
3.1 Akumulator filtracyjny
3.2 Akumulator płaszczowo-rurowy
3.3 Akumulator wodny
4. Podsumowanie
1. WSTĘP
Podstawowym celem badań był wybór konstrukcji
akumulatora ciepła z wykorzystaniem materiału o
zmiennej fazie (ang. PCM – phase changing material)
zapewniającym największe wykorzystanie dostępnego
ciepła (np. ciepła odpadowego spalin za kotłem w
elektrowni).
Zbadano dwie konstrukcje – płaszczowo – rurową i
filtracyjną.
W akumulatorze płaszczowo – rurowym materiał PCM
znajdował się pomiędzy płaszczem i rurkami grzejnymi,
w których płynęła woda podgrzewając PCM.
W akumulatorze filtracyjnym PCM był umieszczony w
kulach o średnicy 4 cm. Woda grzejna swobodnie
przepływała pomiędzy kulami, w których następowała
akumulacja ciepła z zajściem przemiany fazowej.
W eksperymencie z pojedynczą kulą obserwowano
przemianę fazową w funkcji czasu. Przestrzeń wokół
kuli była wypełniona olejem ze względu na jego wyższą
temperaturę wrzenia przy ciśnieniu atmosferycznym.
Porównano wyniki eksperymentalne i teoretyczne.
A
B
2. STANOWISKO BADAWCZE
Woda jest częściowo podgrzewana
w wymienniku c.o. 1, regulowana pompa
2 wymusza obieg wody grzewczej do
instalacji
c.o.
budynku
oraz
akumulatorów 9, 10. Brakująca część
energii
potrzebnej
do
ładowania
akumulatora jest uzupełniana przez
grzałki elektryczne 5 sterowane przez
regulator 6 w funkcji temperatury wody
14. Pompa była regulaowana w funkcji
strumienia wody (p-v). W czasie
ładowania akumulatora otwierany był
zawór odcinający 16 ze względu na
przejmowanie wahań objętości wody po
jej podgrzaniu przez instalację c.o.
budynku. Zawór odcinający 15 był
wówczas
zamknięty.
W
czasie
rozładowania akumulatora otwierano
zawory 15 i 16. Do pomiaru temperatury
wewnątrz akumulatora wykorzystano
moduły 7 (ADAM firmy Advantech) oraz
rejestrator 8 (AR205 firmy Apar). Czujniki
temperatury 13 były umieszczone w
akumulatorze.
Do
układu
hydraulicznego
przyłączano akumulator ze złożem
filtracyjnym i płaszczowo-rurowym.
Rys.2.1 Schemat układu hydraulicznego z
akumulatorem płaszczowo-rurowym, filtracyjnym
i wodnym
1 – wymiennik ciepła węzeł cieplny/instalacja c.o., 2 – pompa z regulatorem prędkości
obrotowej, 3 – instalacja c.o. budynku, 4 – filtr, 5 – grzałki elektryczne, 6 - regulator
temperatury wody (nazwa : ATR), 7 – grupa modułów do rejestracji pomiarów temperatury
(nazwa : Adam), 8 – rejestrator pomiarów temperatury (nazwa: AR 205), 9 – akumulator
płaszczowo – rurowy, 10 – akumulator filtracyjny, 11 – przepływomierz, 12 – manometr, 13 –
czujnik temperatury, 14 – czujnik temperatury, 15 – zawór odcinający przewód zasilający
instalacji c.o., 16 – zawór odcinający przewód powrotny instalacji c.o.
2. STANOWISKO BADAWCZE
Widok stanowiska badawczego
Wyniki badań laboratoryjnych
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula
Celem eksperymentu była weryfikacja teoretycznego czasu
topnienia pojedynczej kuli tqsmelt. Mając eksperymentalnie
zweryfikowany model teoretyczny można wyciągać wnioski dla
złoża składającego się z kul.
Eksperyment przeprowadzono następująco:
- rozgrzano olej do średniej temperatury 157 C, regulator
RE14 dwustanowo utrzymywał tę temperaturę,
- następnie wrzucono kulę, której temperatura była równa
temperaturze otoczenia 25 C
Ze względu na różnicę gęstości pomiędzy fazą stałą i ciekłą S
>L powodującą zmniejszenie się objętości fazy stałej VS < VL o
14% podczas przemiany fazowej na górze kuli pozostawiono
wolną przestrzeń przejmującą objętość rozszerzającego się
materiału
Rys. 3.1 Przebieg topnienia PCM w kuli o średnicy 4 cm
poziom wody
Akumulator filtracyjny
Eksperyment przeprowadzono w złożu stacjonarnym w
akumulatorze z ramkami. W jego trakcie stosowano zmienne
temperatury wody zasilającej ramkę kolejno 110 C, 100 C,
105 C, 95 C. Przed wrzuceniem kul do akumulatora rozgrzano
znajdującą się w nim wodę do temperatury 90 C.
Rys. 3.2 Widok kul po wrzuceniu do akumulatora
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – model teoretyczny
Przy założeniu stałych własności PCM zagadnienie rozwiązano za
pomocą równania przewodnictwa ciepła:
z warunkiem Stefana wymiany ciepła na płaszczyźnie zmiany fazy:
w przypadku stałej temperatury TL płynnego PCM:
czas ładowania kuli tqsmelt wynosi:
gdzie:
- gęstość stałego PCM, kg/m3
cL
- ciepło właściwe fazy ciekłej, J/kgK
Tt
- pochodna temperatury po czasie, C/s
kL
- współczynnik przewodzenia ciepła fazy
ciekłej, W/mK
Tr
- pochodna temperatury po promieniu, C/m
- temperatura przemiany fazowej, C
- ciepło przemiany fazowej, J/kg
- prędkość przesuwania się płaszczyzny
zmiany fazy wzdłuż promienia R, m/s
R(t)+ - promień, m
Tm
L
R’
TL
- temperatura fazy ciekłej, C
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – pomiary
Otrzymany z pomiarów czas topnienia wynoszący tqsmelt = 13.5
minuty porównano z modelem teoretycznym.
Waga PCM znajdującego się w kuli wynosiła 28,832 g, a
średnica zastępczej kuli wypełnionej tylko PCM wynosi 20,76
mm. Po wstawieniu danych otrzymano czas ładowania
t melt
qs
770 176000
6 0 . 2 (157 82 )
0 . 021
2
11 . 1 minut
Różnica czasów 13.5 - 11.1 minuty wynika z dwóch przyczyn:
- PCM nie miał początkowej temperatury Tm=82 C i był
wymagany czas na jego podgrzanie do tej temperatury,
- w kuli występowała pustka powietrzna utrudniająca
wymianę ciepła pomiędzy olejem i materiałem PCM.
Dobrą zgodność dla badanej kuli uzyskano dla promienia
zastępczego Ro = 23 mm.
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula - mieszanina PCM-olej
W celu poprawy konwekcji ciepła wewnątrz kul i przyspieszenia
procesu roztapiania PCM - zmieszano go w różnych proporcjach z
olejem, umieszczono w kulach plastikowych o średnicy 4 cm i
poddano z zewnątrz procesowi ogrzewania olejem o różnych
temperaturach.
Zauważyć można, że:
-dla kul z mniejszym udziałem PCM czas topnienia jest krótszy,
(mniejsza ilość materiału PCM oraz lepsza konwekcja
wewnętrzna)
80
70
100⁰C
-im więcej oleju tym krótszy czas ładowania, ale gorsze własności
akumulacyjne (pojemność cieplna PCM / olej).
-im wyższa temperatura ładowania, tym mniejszy wpływ efektu
dodania oleju. Różnice w czasach ładowania (do 15%) w praktyce
są pomijalne.
C z a s to p n i e n ia , m in u ty
60
50
110⁰C
40
120⁰C
30
130⁰C
20
150⁰C
10
0
50-50
60-40
70-30
80-20
85-15
90-10
95-05
98-02
Skład procentow y P C M - olej
Rys. 3.4 Przebieg topnienia kul o średnicy 4 cm
z mieszaniną PCM - olej
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Złoże filtracyjne z kul wypełnionych PCM
Topnienie kul trwało 106 minut.
Długi czas wynika z małej różnicy
temperatur wody i przemiany fazowej
TL-Tm = 3 10 C.
Eksperymentalnie otrzymany czas pokrywa
się
z
obliczeniami
teoretycznymi
przeprowadzonymi dla pojedynczej kuli
(rys. 3.3) dla TL=90 C.
Warunkiem zakończenia ładowania był brak
odbioru ciepła przez materiał PCM
(punkt B, rys. 3.5).
Bilans cieplny akumulatora:
- maksymalna moc cieplna: 5,32 kW,
- ciepło rozgrzewania: 1262 MJ,
- ciepło ładowania kul: 472 MJ.
- ciepło przemiany fazowej kul: 1,76 MJ.
Akumulator nie był całkowicie zaizolowany,
stąd do otoczenia stracono ponad 470 MJ.
Rys. 3.5 Przebiegi temperatury T w czasie ładowania i rozładowania
akumulatora ze złożem filtracyjnym w postaci kul,
kolor fioletowy – temperatura wody w akumulatorze Tw,
kolor żółty – temperatura wody zasilającej ramkę Tz,
kolor brązowy – temperatura wody powrotnej z ramki Tp
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Materiał PCM
PCM stopił się po czasie 240-300 minut.
Na długi czas ładowania miały wpływ niekorzystne czynniki
opisane poniżej.
Zjawiska zachodzące podczas ładowania:
- PCM krzepł na ściankach akumulatora (temperatura
mniejsza od temperatury topnienia Tm);
- wokół rurek w wewnętrznej części ranki tworzą się kanały
z płynnym materiałem PCM (łatwiejsze topnienie warstw
znajdujących się dalej od rurki);
- rurki w zewnętrznej części ramki są otoczone pustką
powietrzną (PCM spłynął do pustych przestrzeni,
trudniejsze topnienie PCM w obszarze rurek).
Rys. 3.4 Widok akumulatora płaszczowo-rurowego
(schemat, pusty, zasypany materiałem PCM)
Zjawiska zachodzące podczas rozładowywania:
- pęknięcia i puste przestrzenie powietrzne (powstałe na
skutek różnicy objętości fazy stałej VS < VL o 14% );
- materiał PCM pęka tworząc mniejsze bloki (ponowny
proces ładowania utrudniony ze względu na niski
współczynnik przewodzenia powietrza).
Rys.
3.5
Termiczna
blokada
ładowania
akumulatora (puste przestrzenie w które wpływa
roztapiany PCM)
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
W celu przyspieszenia procesu ładowania materiału PCM
wprowadzano wodę do akumulatora.
a
b
Opis ładowania akumulatora po zalaniu wodą:
-woda wypełniła akumulator ponad powierzchnię PCM;
-w ciągu 10 minut temperatura wzrosła przy ściance z 31 C na 49 C
(znacznie polepszony rozpływ ciepła);
-po rozpuszczeniu części PCM, widoczna granica międzyfazowa: woda /
ciekły PCM / stały PCM;
-ciekły PCM wypływa na powierzchnię i krzepnie (prądy konwekcyjne
mieszaniny ciekły PCM / woda przemieszczają się z prędkością 13 cm/s,
temperatury wewnątrz akumulatora: 8188 C, przy ściance: 46 C;
-para wrzącej wody unosi się przez ciekły PCM i rozpuszcza stały PCM
znajdujący się na powierzchni (temperatura przy ściance 61,7 C –
najszybsza zmiana fazy w materiale PCM).
Jeżeli na dole zasobnika jest materiał PCM, to woda dociera
nad niego i roztapia go. Dzięki mniejszej gęstości fazy ciekłej
materiał PCM wypływa na górę. Stąd, po pewnym czasie,
woda znajdzie się na dnie, a PCM na górze. Woda powinna
zalewać dolną kratownicę rurek, ponieważ wtedy szybciej
ładuje się zasobnik ciepłem.
c
PCM
WODA
Rys. 3.6 Akumulator a, b – z PCM’em,
c – z mieszaniną binarną PCM-woda
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Na charakterystykach widoczne są
temperatury wody zasilającej ramkę
Tz, wody powracającej z ramki Tp,
temperatury materiału PCM oraz
temperatura otoczenia.
W początkowej fazie temperatury
wody zasilającej Tz jak i powrotnej Tp
wzrastały liniowo. Następnie były
utrzymywane ich stałe wartości:
Tz: 110 C, Tp: 104-105 C.
W akumulatorze znajdowało się:
- 44 kg materiału PCM (Tm = 77-82 C)
- 14 kg wody.
Czas ładowania: 233 minuty.
Rozładowanie akumulatora trwało 19
godzin 4 minuty.
Warunkiem zakończenia ładowania
było
wyrównanie
temperatur
wszystkich czujników rozmieszczonych
w materiale PCM.
Rys. 3.7 Przebieg procesu ładowania i rozładowania akumulatora płaszczoworurowego wypełnionego mieszaniną binarną PCM-woda w czasie
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Rys. 3.9. Zależność mocy cieplnej czasu w fazie ładowania
akumulatora filtracyjnego
Rys. 3.8. Zależność temperatury topnienia PCM od ciepła dla
danych z eksperymentu: 44 kg materiału PCM, ciepło
przemiany fazowej 176 kJ/kg . 44 kg = 7744 kJ
Różne frakcje parafin powodują pochylenie krzywej
temperatury w obszarze przemiany fazowej.
Ponadto widać, że ciepło właściwe PCM (styczna do
krzywej temperatury) zmienia się w funkcji
dostarczanego ciepła i aktualnej temperatury PCM.
Początek przemiany fazowej jest widoczny jako
wzrost pobieranej mocy lub wzrost różnicy
temperatur.
Nie pokrywa się on z deklarowanymi przez
producenta materiału PCM temperaturą przemiany
fazowej ze względu na spóźnioną reakcję czujnika
temperatury. Średnica czujnika wynosiła około 3 mm.
Stąd ciekły PCM potrzebował pewnego czasu, aby
otoczyć czujnik w całości.
3.3 AKUMULATOR WODNY
W celu porównania efektywności akumulatorów wypełnionych materiałem PCM przeprowadzono badania akumulacji z
zasobnikiem wodnym. Na rys. 3.10 pokazano ładowanie i rozładowanie akumulatora wodnego o takiej samej objętości
wody akumulującej ciepło jak łączna objętość wody i kul w akumulatorze filtracyjnym. Widoczna jest 2,5-krotnie
większa zdolność do akumulacji ciepła w akumulatorze z kulami wypełnionymi PCM (rys. 3.11).
WODA
Rys. 3.10. Rozładowanie akumulatora wodnego o takiej
samej objętości jak akumulator z kulami
PCM
Rys. 3.11. Rozładowanie akumulatora z kulami, oznaczenia
jak na rys. 3.7, zależność temperatury T od czasu
PODSUMOWANIE
4. PODSUMOWANIE
Eksperymentalnie zbadano własności dynamiczne akumulatora płaszczoworurowego i filtracyjnego. W celu przyspieszenia procesu ładowania i
pokonania bariery niskiego współczynnika przewodzenia ciepła dla materiału
PCM użyto medium pośredniczącego – wody – tworząc ciecz binarną.
Określono czas ładowania, czas rozładowania oraz opisano zjawiska
występujące podczas procesu ładowania i rozładowania akumulatora
płaszczowo - rurowego. Przykładowo czas ładowania od temperatury 25 C do
temperatury 99 C przy temperaturze wody zasilającej Tw=110 C wynosił
tqsmelt = 3 godziny 53 minuty.
Zbadano własności dynamiczne akumulatora filtracyjnego. Badano czas
topnienia tqsmelt pojedynczej kuli oraz akumulatora wypełnionego złożem w
postaci kul. Model teoretyczny czasu topnienia tqsmelt dla pojedynczej kuli
pokrywa się z wynikami uzyskanymi z eksperymentu. Uzyskane czasy
topnienia dla cylindrów i kuli wahają się od 5 minut do 68 minut w zależności
od geometrii. Również w przypadku badania złoża składającego się z kul czas
obliczony teoretycznie i zmierzony pokrywają się.
4. PODSUMOWANIE
Ważnym wnioskiem praktycznym jest to, że zarówno w przypadku akumulatora
płaszczowo – rurowego jak i filtracyjnego temperatura ciepła odbieranego nie była
stała w obszarze przejścia fazowego, pomimo, że jest stała na wykresie fazowym w tym
obszarze. Jeżeli materiał PCM krzepnie, to od strony odbioru ciepła tworzy się warstwa
stałego PCM, którego temperatura zaczyna spadać. Jeżeli topnieje, to średnia
temperatura w akumulatorze rośnie. Ponadto przy odbiorze ciepła pojawiają się
różnice w prędkości spadku temperatury PCM w akumulatorze. Najszybciej temperatura
spada do temperatury przejścia fazowego Tm, potem prędkość spadku zmniejsza się.
Z obu konstrukcji autorzy wskazują akumulator filtracyjny ze złożem w postaci kul jako
ten, który może być zastosowany w praktyce. Jest tak ze względu na krótki czas
ładowania i prostotę budowy wiążącą się z jego niezawodnością. Im krótszy czas
topnienia, tym więcej energii można odebrać od źródła ciepła odpadowego. Stąd
krotność odbioru ciepła w ciągu doby decyduje o średnicy kul wypełnionych materiałem
PCM.
pytania / komentarze / dyskusja
Dziękujemy za uwagę
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
PROGRAM STRATEGICZNY – ZAAWANSOWANE TECHNOLO
GIE POZYSKIWANIA ENERGII
ZADANIE NR 1 – „Opracowanie technologii dla wysokosprawnych „zero-emisyjnych”
bloków węglowych zintegrowanych z wychwytem CO ze spalin”
Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju zgodnie z umową
nr SP/E/1/67484/10 z dnia 05 maja 2010r, numer projektu: SP/E/1/67484/10
2
Slide 5
Wydział Mechaniczno-Energetyczny
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
Badania
efektywności akumulacji ciepła
w materiale o zmiennej fazie
SPIS TREŚCI
1. Wstęp
2. Stanowisko badawcze
3. Wyniki badań laboratoryjnych i ich analiza
3.1 Akumulator filtracyjny
3.2 Akumulator płaszczowo-rurowy
3.3 Akumulator wodny
4. Podsumowanie
1. WSTĘP
Podstawowym celem badań był wybór konstrukcji
akumulatora ciepła z wykorzystaniem materiału o
zmiennej fazie (ang. PCM – phase changing material)
zapewniającym największe wykorzystanie dostępnego
ciepła (np. ciepła odpadowego spalin za kotłem w
elektrowni).
Zbadano dwie konstrukcje – płaszczowo – rurową i
filtracyjną.
W akumulatorze płaszczowo – rurowym materiał PCM
znajdował się pomiędzy płaszczem i rurkami grzejnymi,
w których płynęła woda podgrzewając PCM.
W akumulatorze filtracyjnym PCM był umieszczony w
kulach o średnicy 4 cm. Woda grzejna swobodnie
przepływała pomiędzy kulami, w których następowała
akumulacja ciepła z zajściem przemiany fazowej.
W eksperymencie z pojedynczą kulą obserwowano
przemianę fazową w funkcji czasu. Przestrzeń wokół
kuli była wypełniona olejem ze względu na jego wyższą
temperaturę wrzenia przy ciśnieniu atmosferycznym.
Porównano wyniki eksperymentalne i teoretyczne.
A
B
2. STANOWISKO BADAWCZE
Woda jest częściowo podgrzewana
w wymienniku c.o. 1, regulowana pompa
2 wymusza obieg wody grzewczej do
instalacji
c.o.
budynku
oraz
akumulatorów 9, 10. Brakująca część
energii
potrzebnej
do
ładowania
akumulatora jest uzupełniana przez
grzałki elektryczne 5 sterowane przez
regulator 6 w funkcji temperatury wody
14. Pompa była regulaowana w funkcji
strumienia wody (p-v). W czasie
ładowania akumulatora otwierany był
zawór odcinający 16 ze względu na
przejmowanie wahań objętości wody po
jej podgrzaniu przez instalację c.o.
budynku. Zawór odcinający 15 był
wówczas
zamknięty.
W
czasie
rozładowania akumulatora otwierano
zawory 15 i 16. Do pomiaru temperatury
wewnątrz akumulatora wykorzystano
moduły 7 (ADAM firmy Advantech) oraz
rejestrator 8 (AR205 firmy Apar). Czujniki
temperatury 13 były umieszczone w
akumulatorze.
Do
układu
hydraulicznego
przyłączano akumulator ze złożem
filtracyjnym i płaszczowo-rurowym.
Rys.2.1 Schemat układu hydraulicznego z
akumulatorem płaszczowo-rurowym, filtracyjnym
i wodnym
1 – wymiennik ciepła węzeł cieplny/instalacja c.o., 2 – pompa z regulatorem prędkości
obrotowej, 3 – instalacja c.o. budynku, 4 – filtr, 5 – grzałki elektryczne, 6 - regulator
temperatury wody (nazwa : ATR), 7 – grupa modułów do rejestracji pomiarów temperatury
(nazwa : Adam), 8 – rejestrator pomiarów temperatury (nazwa: AR 205), 9 – akumulator
płaszczowo – rurowy, 10 – akumulator filtracyjny, 11 – przepływomierz, 12 – manometr, 13 –
czujnik temperatury, 14 – czujnik temperatury, 15 – zawór odcinający przewód zasilający
instalacji c.o., 16 – zawór odcinający przewód powrotny instalacji c.o.
2. STANOWISKO BADAWCZE
Widok stanowiska badawczego
Wyniki badań laboratoryjnych
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula
Celem eksperymentu była weryfikacja teoretycznego czasu
topnienia pojedynczej kuli tqsmelt. Mając eksperymentalnie
zweryfikowany model teoretyczny można wyciągać wnioski dla
złoża składającego się z kul.
Eksperyment przeprowadzono następująco:
- rozgrzano olej do średniej temperatury 157 C, regulator
RE14 dwustanowo utrzymywał tę temperaturę,
- następnie wrzucono kulę, której temperatura była równa
temperaturze otoczenia 25 C
Ze względu na różnicę gęstości pomiędzy fazą stałą i ciekłą S
>L powodującą zmniejszenie się objętości fazy stałej VS < VL o
14% podczas przemiany fazowej na górze kuli pozostawiono
wolną przestrzeń przejmującą objętość rozszerzającego się
materiału
Rys. 3.1 Przebieg topnienia PCM w kuli o średnicy 4 cm
poziom wody
Akumulator filtracyjny
Eksperyment przeprowadzono w złożu stacjonarnym w
akumulatorze z ramkami. W jego trakcie stosowano zmienne
temperatury wody zasilającej ramkę kolejno 110 C, 100 C,
105 C, 95 C. Przed wrzuceniem kul do akumulatora rozgrzano
znajdującą się w nim wodę do temperatury 90 C.
Rys. 3.2 Widok kul po wrzuceniu do akumulatora
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – model teoretyczny
Przy założeniu stałych własności PCM zagadnienie rozwiązano za
pomocą równania przewodnictwa ciepła:
z warunkiem Stefana wymiany ciepła na płaszczyźnie zmiany fazy:
w przypadku stałej temperatury TL płynnego PCM:
czas ładowania kuli tqsmelt wynosi:
gdzie:
- gęstość stałego PCM, kg/m3
cL
- ciepło właściwe fazy ciekłej, J/kgK
Tt
- pochodna temperatury po czasie, C/s
kL
- współczynnik przewodzenia ciepła fazy
ciekłej, W/mK
Tr
- pochodna temperatury po promieniu, C/m
- temperatura przemiany fazowej, C
- ciepło przemiany fazowej, J/kg
- prędkość przesuwania się płaszczyzny
zmiany fazy wzdłuż promienia R, m/s
R(t)+ - promień, m
Tm
L
R’
TL
- temperatura fazy ciekłej, C
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – pomiary
Otrzymany z pomiarów czas topnienia wynoszący tqsmelt = 13.5
minuty porównano z modelem teoretycznym.
Waga PCM znajdującego się w kuli wynosiła 28,832 g, a
średnica zastępczej kuli wypełnionej tylko PCM wynosi 20,76
mm. Po wstawieniu danych otrzymano czas ładowania
t melt
qs
770 176000
6 0 . 2 (157 82 )
0 . 021
2
11 . 1 minut
Różnica czasów 13.5 - 11.1 minuty wynika z dwóch przyczyn:
- PCM nie miał początkowej temperatury Tm=82 C i był
wymagany czas na jego podgrzanie do tej temperatury,
- w kuli występowała pustka powietrzna utrudniająca
wymianę ciepła pomiędzy olejem i materiałem PCM.
Dobrą zgodność dla badanej kuli uzyskano dla promienia
zastępczego Ro = 23 mm.
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula - mieszanina PCM-olej
W celu poprawy konwekcji ciepła wewnątrz kul i przyspieszenia
procesu roztapiania PCM - zmieszano go w różnych proporcjach z
olejem, umieszczono w kulach plastikowych o średnicy 4 cm i
poddano z zewnątrz procesowi ogrzewania olejem o różnych
temperaturach.
Zauważyć można, że:
-dla kul z mniejszym udziałem PCM czas topnienia jest krótszy,
(mniejsza ilość materiału PCM oraz lepsza konwekcja
wewnętrzna)
80
70
100⁰C
-im więcej oleju tym krótszy czas ładowania, ale gorsze własności
akumulacyjne (pojemność cieplna PCM / olej).
-im wyższa temperatura ładowania, tym mniejszy wpływ efektu
dodania oleju. Różnice w czasach ładowania (do 15%) w praktyce
są pomijalne.
C z a s to p n i e n ia , m in u ty
60
50
110⁰C
40
120⁰C
30
130⁰C
20
150⁰C
10
0
50-50
60-40
70-30
80-20
85-15
90-10
95-05
98-02
Skład procentow y P C M - olej
Rys. 3.4 Przebieg topnienia kul o średnicy 4 cm
z mieszaniną PCM - olej
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Złoże filtracyjne z kul wypełnionych PCM
Topnienie kul trwało 106 minut.
Długi czas wynika z małej różnicy
temperatur wody i przemiany fazowej
TL-Tm = 3 10 C.
Eksperymentalnie otrzymany czas pokrywa
się
z
obliczeniami
teoretycznymi
przeprowadzonymi dla pojedynczej kuli
(rys. 3.3) dla TL=90 C.
Warunkiem zakończenia ładowania był brak
odbioru ciepła przez materiał PCM
(punkt B, rys. 3.5).
Bilans cieplny akumulatora:
- maksymalna moc cieplna: 5,32 kW,
- ciepło rozgrzewania: 1262 MJ,
- ciepło ładowania kul: 472 MJ.
- ciepło przemiany fazowej kul: 1,76 MJ.
Akumulator nie był całkowicie zaizolowany,
stąd do otoczenia stracono ponad 470 MJ.
Rys. 3.5 Przebiegi temperatury T w czasie ładowania i rozładowania
akumulatora ze złożem filtracyjnym w postaci kul,
kolor fioletowy – temperatura wody w akumulatorze Tw,
kolor żółty – temperatura wody zasilającej ramkę Tz,
kolor brązowy – temperatura wody powrotnej z ramki Tp
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Materiał PCM
PCM stopił się po czasie 240-300 minut.
Na długi czas ładowania miały wpływ niekorzystne czynniki
opisane poniżej.
Zjawiska zachodzące podczas ładowania:
- PCM krzepł na ściankach akumulatora (temperatura
mniejsza od temperatury topnienia Tm);
- wokół rurek w wewnętrznej części ranki tworzą się kanały
z płynnym materiałem PCM (łatwiejsze topnienie warstw
znajdujących się dalej od rurki);
- rurki w zewnętrznej części ramki są otoczone pustką
powietrzną (PCM spłynął do pustych przestrzeni,
trudniejsze topnienie PCM w obszarze rurek).
Rys. 3.4 Widok akumulatora płaszczowo-rurowego
(schemat, pusty, zasypany materiałem PCM)
Zjawiska zachodzące podczas rozładowywania:
- pęknięcia i puste przestrzenie powietrzne (powstałe na
skutek różnicy objętości fazy stałej VS < VL o 14% );
- materiał PCM pęka tworząc mniejsze bloki (ponowny
proces ładowania utrudniony ze względu na niski
współczynnik przewodzenia powietrza).
Rys.
3.5
Termiczna
blokada
ładowania
akumulatora (puste przestrzenie w które wpływa
roztapiany PCM)
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
W celu przyspieszenia procesu ładowania materiału PCM
wprowadzano wodę do akumulatora.
a
b
Opis ładowania akumulatora po zalaniu wodą:
-woda wypełniła akumulator ponad powierzchnię PCM;
-w ciągu 10 minut temperatura wzrosła przy ściance z 31 C na 49 C
(znacznie polepszony rozpływ ciepła);
-po rozpuszczeniu części PCM, widoczna granica międzyfazowa: woda /
ciekły PCM / stały PCM;
-ciekły PCM wypływa na powierzchnię i krzepnie (prądy konwekcyjne
mieszaniny ciekły PCM / woda przemieszczają się z prędkością 13 cm/s,
temperatury wewnątrz akumulatora: 8188 C, przy ściance: 46 C;
-para wrzącej wody unosi się przez ciekły PCM i rozpuszcza stały PCM
znajdujący się na powierzchni (temperatura przy ściance 61,7 C –
najszybsza zmiana fazy w materiale PCM).
Jeżeli na dole zasobnika jest materiał PCM, to woda dociera
nad niego i roztapia go. Dzięki mniejszej gęstości fazy ciekłej
materiał PCM wypływa na górę. Stąd, po pewnym czasie,
woda znajdzie się na dnie, a PCM na górze. Woda powinna
zalewać dolną kratownicę rurek, ponieważ wtedy szybciej
ładuje się zasobnik ciepłem.
c
PCM
WODA
Rys. 3.6 Akumulator a, b – z PCM’em,
c – z mieszaniną binarną PCM-woda
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Na charakterystykach widoczne są
temperatury wody zasilającej ramkę
Tz, wody powracającej z ramki Tp,
temperatury materiału PCM oraz
temperatura otoczenia.
W początkowej fazie temperatury
wody zasilającej Tz jak i powrotnej Tp
wzrastały liniowo. Następnie były
utrzymywane ich stałe wartości:
Tz: 110 C, Tp: 104-105 C.
W akumulatorze znajdowało się:
- 44 kg materiału PCM (Tm = 77-82 C)
- 14 kg wody.
Czas ładowania: 233 minuty.
Rozładowanie akumulatora trwało 19
godzin 4 minuty.
Warunkiem zakończenia ładowania
było
wyrównanie
temperatur
wszystkich czujników rozmieszczonych
w materiale PCM.
Rys. 3.7 Przebieg procesu ładowania i rozładowania akumulatora płaszczoworurowego wypełnionego mieszaniną binarną PCM-woda w czasie
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Rys. 3.9. Zależność mocy cieplnej czasu w fazie ładowania
akumulatora filtracyjnego
Rys. 3.8. Zależność temperatury topnienia PCM od ciepła dla
danych z eksperymentu: 44 kg materiału PCM, ciepło
przemiany fazowej 176 kJ/kg . 44 kg = 7744 kJ
Różne frakcje parafin powodują pochylenie krzywej
temperatury w obszarze przemiany fazowej.
Ponadto widać, że ciepło właściwe PCM (styczna do
krzywej temperatury) zmienia się w funkcji
dostarczanego ciepła i aktualnej temperatury PCM.
Początek przemiany fazowej jest widoczny jako
wzrost pobieranej mocy lub wzrost różnicy
temperatur.
Nie pokrywa się on z deklarowanymi przez
producenta materiału PCM temperaturą przemiany
fazowej ze względu na spóźnioną reakcję czujnika
temperatury. Średnica czujnika wynosiła około 3 mm.
Stąd ciekły PCM potrzebował pewnego czasu, aby
otoczyć czujnik w całości.
3.3 AKUMULATOR WODNY
W celu porównania efektywności akumulatorów wypełnionych materiałem PCM przeprowadzono badania akumulacji z
zasobnikiem wodnym. Na rys. 3.10 pokazano ładowanie i rozładowanie akumulatora wodnego o takiej samej objętości
wody akumulującej ciepło jak łączna objętość wody i kul w akumulatorze filtracyjnym. Widoczna jest 2,5-krotnie
większa zdolność do akumulacji ciepła w akumulatorze z kulami wypełnionymi PCM (rys. 3.11).
WODA
Rys. 3.10. Rozładowanie akumulatora wodnego o takiej
samej objętości jak akumulator z kulami
PCM
Rys. 3.11. Rozładowanie akumulatora z kulami, oznaczenia
jak na rys. 3.7, zależność temperatury T od czasu
PODSUMOWANIE
4. PODSUMOWANIE
Eksperymentalnie zbadano własności dynamiczne akumulatora płaszczoworurowego i filtracyjnego. W celu przyspieszenia procesu ładowania i
pokonania bariery niskiego współczynnika przewodzenia ciepła dla materiału
PCM użyto medium pośredniczącego – wody – tworząc ciecz binarną.
Określono czas ładowania, czas rozładowania oraz opisano zjawiska
występujące podczas procesu ładowania i rozładowania akumulatora
płaszczowo - rurowego. Przykładowo czas ładowania od temperatury 25 C do
temperatury 99 C przy temperaturze wody zasilającej Tw=110 C wynosił
tqsmelt = 3 godziny 53 minuty.
Zbadano własności dynamiczne akumulatora filtracyjnego. Badano czas
topnienia tqsmelt pojedynczej kuli oraz akumulatora wypełnionego złożem w
postaci kul. Model teoretyczny czasu topnienia tqsmelt dla pojedynczej kuli
pokrywa się z wynikami uzyskanymi z eksperymentu. Uzyskane czasy
topnienia dla cylindrów i kuli wahają się od 5 minut do 68 minut w zależności
od geometrii. Również w przypadku badania złoża składającego się z kul czas
obliczony teoretycznie i zmierzony pokrywają się.
4. PODSUMOWANIE
Ważnym wnioskiem praktycznym jest to, że zarówno w przypadku akumulatora
płaszczowo – rurowego jak i filtracyjnego temperatura ciepła odbieranego nie była
stała w obszarze przejścia fazowego, pomimo, że jest stała na wykresie fazowym w tym
obszarze. Jeżeli materiał PCM krzepnie, to od strony odbioru ciepła tworzy się warstwa
stałego PCM, którego temperatura zaczyna spadać. Jeżeli topnieje, to średnia
temperatura w akumulatorze rośnie. Ponadto przy odbiorze ciepła pojawiają się
różnice w prędkości spadku temperatury PCM w akumulatorze. Najszybciej temperatura
spada do temperatury przejścia fazowego Tm, potem prędkość spadku zmniejsza się.
Z obu konstrukcji autorzy wskazują akumulator filtracyjny ze złożem w postaci kul jako
ten, który może być zastosowany w praktyce. Jest tak ze względu na krótki czas
ładowania i prostotę budowy wiążącą się z jego niezawodnością. Im krótszy czas
topnienia, tym więcej energii można odebrać od źródła ciepła odpadowego. Stąd
krotność odbioru ciepła w ciągu doby decyduje o średnicy kul wypełnionych materiałem
PCM.
pytania / komentarze / dyskusja
Dziękujemy za uwagę
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
PROGRAM STRATEGICZNY – ZAAWANSOWANE TECHNOLO
GIE POZYSKIWANIA ENERGII
ZADANIE NR 1 – „Opracowanie technologii dla wysokosprawnych „zero-emisyjnych”
bloków węglowych zintegrowanych z wychwytem CO ze spalin”
Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju zgodnie z umową
nr SP/E/1/67484/10 z dnia 05 maja 2010r, numer projektu: SP/E/1/67484/10
2
Slide 6
Wydział Mechaniczno-Energetyczny
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
Badania
efektywności akumulacji ciepła
w materiale o zmiennej fazie
SPIS TREŚCI
1. Wstęp
2. Stanowisko badawcze
3. Wyniki badań laboratoryjnych i ich analiza
3.1 Akumulator filtracyjny
3.2 Akumulator płaszczowo-rurowy
3.3 Akumulator wodny
4. Podsumowanie
1. WSTĘP
Podstawowym celem badań był wybór konstrukcji
akumulatora ciepła z wykorzystaniem materiału o
zmiennej fazie (ang. PCM – phase changing material)
zapewniającym największe wykorzystanie dostępnego
ciepła (np. ciepła odpadowego spalin za kotłem w
elektrowni).
Zbadano dwie konstrukcje – płaszczowo – rurową i
filtracyjną.
W akumulatorze płaszczowo – rurowym materiał PCM
znajdował się pomiędzy płaszczem i rurkami grzejnymi,
w których płynęła woda podgrzewając PCM.
W akumulatorze filtracyjnym PCM był umieszczony w
kulach o średnicy 4 cm. Woda grzejna swobodnie
przepływała pomiędzy kulami, w których następowała
akumulacja ciepła z zajściem przemiany fazowej.
W eksperymencie z pojedynczą kulą obserwowano
przemianę fazową w funkcji czasu. Przestrzeń wokół
kuli była wypełniona olejem ze względu na jego wyższą
temperaturę wrzenia przy ciśnieniu atmosferycznym.
Porównano wyniki eksperymentalne i teoretyczne.
A
B
2. STANOWISKO BADAWCZE
Woda jest częściowo podgrzewana
w wymienniku c.o. 1, regulowana pompa
2 wymusza obieg wody grzewczej do
instalacji
c.o.
budynku
oraz
akumulatorów 9, 10. Brakująca część
energii
potrzebnej
do
ładowania
akumulatora jest uzupełniana przez
grzałki elektryczne 5 sterowane przez
regulator 6 w funkcji temperatury wody
14. Pompa była regulaowana w funkcji
strumienia wody (p-v). W czasie
ładowania akumulatora otwierany był
zawór odcinający 16 ze względu na
przejmowanie wahań objętości wody po
jej podgrzaniu przez instalację c.o.
budynku. Zawór odcinający 15 był
wówczas
zamknięty.
W
czasie
rozładowania akumulatora otwierano
zawory 15 i 16. Do pomiaru temperatury
wewnątrz akumulatora wykorzystano
moduły 7 (ADAM firmy Advantech) oraz
rejestrator 8 (AR205 firmy Apar). Czujniki
temperatury 13 były umieszczone w
akumulatorze.
Do
układu
hydraulicznego
przyłączano akumulator ze złożem
filtracyjnym i płaszczowo-rurowym.
Rys.2.1 Schemat układu hydraulicznego z
akumulatorem płaszczowo-rurowym, filtracyjnym
i wodnym
1 – wymiennik ciepła węzeł cieplny/instalacja c.o., 2 – pompa z regulatorem prędkości
obrotowej, 3 – instalacja c.o. budynku, 4 – filtr, 5 – grzałki elektryczne, 6 - regulator
temperatury wody (nazwa : ATR), 7 – grupa modułów do rejestracji pomiarów temperatury
(nazwa : Adam), 8 – rejestrator pomiarów temperatury (nazwa: AR 205), 9 – akumulator
płaszczowo – rurowy, 10 – akumulator filtracyjny, 11 – przepływomierz, 12 – manometr, 13 –
czujnik temperatury, 14 – czujnik temperatury, 15 – zawór odcinający przewód zasilający
instalacji c.o., 16 – zawór odcinający przewód powrotny instalacji c.o.
2. STANOWISKO BADAWCZE
Widok stanowiska badawczego
Wyniki badań laboratoryjnych
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula
Celem eksperymentu była weryfikacja teoretycznego czasu
topnienia pojedynczej kuli tqsmelt. Mając eksperymentalnie
zweryfikowany model teoretyczny można wyciągać wnioski dla
złoża składającego się z kul.
Eksperyment przeprowadzono następująco:
- rozgrzano olej do średniej temperatury 157 C, regulator
RE14 dwustanowo utrzymywał tę temperaturę,
- następnie wrzucono kulę, której temperatura była równa
temperaturze otoczenia 25 C
Ze względu na różnicę gęstości pomiędzy fazą stałą i ciekłą S
>L powodującą zmniejszenie się objętości fazy stałej VS < VL o
14% podczas przemiany fazowej na górze kuli pozostawiono
wolną przestrzeń przejmującą objętość rozszerzającego się
materiału
Rys. 3.1 Przebieg topnienia PCM w kuli o średnicy 4 cm
poziom wody
Akumulator filtracyjny
Eksperyment przeprowadzono w złożu stacjonarnym w
akumulatorze z ramkami. W jego trakcie stosowano zmienne
temperatury wody zasilającej ramkę kolejno 110 C, 100 C,
105 C, 95 C. Przed wrzuceniem kul do akumulatora rozgrzano
znajdującą się w nim wodę do temperatury 90 C.
Rys. 3.2 Widok kul po wrzuceniu do akumulatora
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – model teoretyczny
Przy założeniu stałych własności PCM zagadnienie rozwiązano za
pomocą równania przewodnictwa ciepła:
z warunkiem Stefana wymiany ciepła na płaszczyźnie zmiany fazy:
w przypadku stałej temperatury TL płynnego PCM:
czas ładowania kuli tqsmelt wynosi:
gdzie:
- gęstość stałego PCM, kg/m3
cL
- ciepło właściwe fazy ciekłej, J/kgK
Tt
- pochodna temperatury po czasie, C/s
kL
- współczynnik przewodzenia ciepła fazy
ciekłej, W/mK
Tr
- pochodna temperatury po promieniu, C/m
- temperatura przemiany fazowej, C
- ciepło przemiany fazowej, J/kg
- prędkość przesuwania się płaszczyzny
zmiany fazy wzdłuż promienia R, m/s
R(t)+ - promień, m
Tm
L
R’
TL
- temperatura fazy ciekłej, C
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – pomiary
Otrzymany z pomiarów czas topnienia wynoszący tqsmelt = 13.5
minuty porównano z modelem teoretycznym.
Waga PCM znajdującego się w kuli wynosiła 28,832 g, a
średnica zastępczej kuli wypełnionej tylko PCM wynosi 20,76
mm. Po wstawieniu danych otrzymano czas ładowania
t melt
qs
770 176000
6 0 . 2 (157 82 )
0 . 021
2
11 . 1 minut
Różnica czasów 13.5 - 11.1 minuty wynika z dwóch przyczyn:
- PCM nie miał początkowej temperatury Tm=82 C i był
wymagany czas na jego podgrzanie do tej temperatury,
- w kuli występowała pustka powietrzna utrudniająca
wymianę ciepła pomiędzy olejem i materiałem PCM.
Dobrą zgodność dla badanej kuli uzyskano dla promienia
zastępczego Ro = 23 mm.
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula - mieszanina PCM-olej
W celu poprawy konwekcji ciepła wewnątrz kul i przyspieszenia
procesu roztapiania PCM - zmieszano go w różnych proporcjach z
olejem, umieszczono w kulach plastikowych o średnicy 4 cm i
poddano z zewnątrz procesowi ogrzewania olejem o różnych
temperaturach.
Zauważyć można, że:
-dla kul z mniejszym udziałem PCM czas topnienia jest krótszy,
(mniejsza ilość materiału PCM oraz lepsza konwekcja
wewnętrzna)
80
70
100⁰C
-im więcej oleju tym krótszy czas ładowania, ale gorsze własności
akumulacyjne (pojemność cieplna PCM / olej).
-im wyższa temperatura ładowania, tym mniejszy wpływ efektu
dodania oleju. Różnice w czasach ładowania (do 15%) w praktyce
są pomijalne.
C z a s to p n i e n ia , m in u ty
60
50
110⁰C
40
120⁰C
30
130⁰C
20
150⁰C
10
0
50-50
60-40
70-30
80-20
85-15
90-10
95-05
98-02
Skład procentow y P C M - olej
Rys. 3.4 Przebieg topnienia kul o średnicy 4 cm
z mieszaniną PCM - olej
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Złoże filtracyjne z kul wypełnionych PCM
Topnienie kul trwało 106 minut.
Długi czas wynika z małej różnicy
temperatur wody i przemiany fazowej
TL-Tm = 3 10 C.
Eksperymentalnie otrzymany czas pokrywa
się
z
obliczeniami
teoretycznymi
przeprowadzonymi dla pojedynczej kuli
(rys. 3.3) dla TL=90 C.
Warunkiem zakończenia ładowania był brak
odbioru ciepła przez materiał PCM
(punkt B, rys. 3.5).
Bilans cieplny akumulatora:
- maksymalna moc cieplna: 5,32 kW,
- ciepło rozgrzewania: 1262 MJ,
- ciepło ładowania kul: 472 MJ.
- ciepło przemiany fazowej kul: 1,76 MJ.
Akumulator nie był całkowicie zaizolowany,
stąd do otoczenia stracono ponad 470 MJ.
Rys. 3.5 Przebiegi temperatury T w czasie ładowania i rozładowania
akumulatora ze złożem filtracyjnym w postaci kul,
kolor fioletowy – temperatura wody w akumulatorze Tw,
kolor żółty – temperatura wody zasilającej ramkę Tz,
kolor brązowy – temperatura wody powrotnej z ramki Tp
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Materiał PCM
PCM stopił się po czasie 240-300 minut.
Na długi czas ładowania miały wpływ niekorzystne czynniki
opisane poniżej.
Zjawiska zachodzące podczas ładowania:
- PCM krzepł na ściankach akumulatora (temperatura
mniejsza od temperatury topnienia Tm);
- wokół rurek w wewnętrznej części ranki tworzą się kanały
z płynnym materiałem PCM (łatwiejsze topnienie warstw
znajdujących się dalej od rurki);
- rurki w zewnętrznej części ramki są otoczone pustką
powietrzną (PCM spłynął do pustych przestrzeni,
trudniejsze topnienie PCM w obszarze rurek).
Rys. 3.4 Widok akumulatora płaszczowo-rurowego
(schemat, pusty, zasypany materiałem PCM)
Zjawiska zachodzące podczas rozładowywania:
- pęknięcia i puste przestrzenie powietrzne (powstałe na
skutek różnicy objętości fazy stałej VS < VL o 14% );
- materiał PCM pęka tworząc mniejsze bloki (ponowny
proces ładowania utrudniony ze względu na niski
współczynnik przewodzenia powietrza).
Rys.
3.5
Termiczna
blokada
ładowania
akumulatora (puste przestrzenie w które wpływa
roztapiany PCM)
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
W celu przyspieszenia procesu ładowania materiału PCM
wprowadzano wodę do akumulatora.
a
b
Opis ładowania akumulatora po zalaniu wodą:
-woda wypełniła akumulator ponad powierzchnię PCM;
-w ciągu 10 minut temperatura wzrosła przy ściance z 31 C na 49 C
(znacznie polepszony rozpływ ciepła);
-po rozpuszczeniu części PCM, widoczna granica międzyfazowa: woda /
ciekły PCM / stały PCM;
-ciekły PCM wypływa na powierzchnię i krzepnie (prądy konwekcyjne
mieszaniny ciekły PCM / woda przemieszczają się z prędkością 13 cm/s,
temperatury wewnątrz akumulatora: 8188 C, przy ściance: 46 C;
-para wrzącej wody unosi się przez ciekły PCM i rozpuszcza stały PCM
znajdujący się na powierzchni (temperatura przy ściance 61,7 C –
najszybsza zmiana fazy w materiale PCM).
Jeżeli na dole zasobnika jest materiał PCM, to woda dociera
nad niego i roztapia go. Dzięki mniejszej gęstości fazy ciekłej
materiał PCM wypływa na górę. Stąd, po pewnym czasie,
woda znajdzie się na dnie, a PCM na górze. Woda powinna
zalewać dolną kratownicę rurek, ponieważ wtedy szybciej
ładuje się zasobnik ciepłem.
c
PCM
WODA
Rys. 3.6 Akumulator a, b – z PCM’em,
c – z mieszaniną binarną PCM-woda
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Na charakterystykach widoczne są
temperatury wody zasilającej ramkę
Tz, wody powracającej z ramki Tp,
temperatury materiału PCM oraz
temperatura otoczenia.
W początkowej fazie temperatury
wody zasilającej Tz jak i powrotnej Tp
wzrastały liniowo. Następnie były
utrzymywane ich stałe wartości:
Tz: 110 C, Tp: 104-105 C.
W akumulatorze znajdowało się:
- 44 kg materiału PCM (Tm = 77-82 C)
- 14 kg wody.
Czas ładowania: 233 minuty.
Rozładowanie akumulatora trwało 19
godzin 4 minuty.
Warunkiem zakończenia ładowania
było
wyrównanie
temperatur
wszystkich czujników rozmieszczonych
w materiale PCM.
Rys. 3.7 Przebieg procesu ładowania i rozładowania akumulatora płaszczoworurowego wypełnionego mieszaniną binarną PCM-woda w czasie
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Rys. 3.9. Zależność mocy cieplnej czasu w fazie ładowania
akumulatora filtracyjnego
Rys. 3.8. Zależność temperatury topnienia PCM od ciepła dla
danych z eksperymentu: 44 kg materiału PCM, ciepło
przemiany fazowej 176 kJ/kg . 44 kg = 7744 kJ
Różne frakcje parafin powodują pochylenie krzywej
temperatury w obszarze przemiany fazowej.
Ponadto widać, że ciepło właściwe PCM (styczna do
krzywej temperatury) zmienia się w funkcji
dostarczanego ciepła i aktualnej temperatury PCM.
Początek przemiany fazowej jest widoczny jako
wzrost pobieranej mocy lub wzrost różnicy
temperatur.
Nie pokrywa się on z deklarowanymi przez
producenta materiału PCM temperaturą przemiany
fazowej ze względu na spóźnioną reakcję czujnika
temperatury. Średnica czujnika wynosiła około 3 mm.
Stąd ciekły PCM potrzebował pewnego czasu, aby
otoczyć czujnik w całości.
3.3 AKUMULATOR WODNY
W celu porównania efektywności akumulatorów wypełnionych materiałem PCM przeprowadzono badania akumulacji z
zasobnikiem wodnym. Na rys. 3.10 pokazano ładowanie i rozładowanie akumulatora wodnego o takiej samej objętości
wody akumulującej ciepło jak łączna objętość wody i kul w akumulatorze filtracyjnym. Widoczna jest 2,5-krotnie
większa zdolność do akumulacji ciepła w akumulatorze z kulami wypełnionymi PCM (rys. 3.11).
WODA
Rys. 3.10. Rozładowanie akumulatora wodnego o takiej
samej objętości jak akumulator z kulami
PCM
Rys. 3.11. Rozładowanie akumulatora z kulami, oznaczenia
jak na rys. 3.7, zależność temperatury T od czasu
PODSUMOWANIE
4. PODSUMOWANIE
Eksperymentalnie zbadano własności dynamiczne akumulatora płaszczoworurowego i filtracyjnego. W celu przyspieszenia procesu ładowania i
pokonania bariery niskiego współczynnika przewodzenia ciepła dla materiału
PCM użyto medium pośredniczącego – wody – tworząc ciecz binarną.
Określono czas ładowania, czas rozładowania oraz opisano zjawiska
występujące podczas procesu ładowania i rozładowania akumulatora
płaszczowo - rurowego. Przykładowo czas ładowania od temperatury 25 C do
temperatury 99 C przy temperaturze wody zasilającej Tw=110 C wynosił
tqsmelt = 3 godziny 53 minuty.
Zbadano własności dynamiczne akumulatora filtracyjnego. Badano czas
topnienia tqsmelt pojedynczej kuli oraz akumulatora wypełnionego złożem w
postaci kul. Model teoretyczny czasu topnienia tqsmelt dla pojedynczej kuli
pokrywa się z wynikami uzyskanymi z eksperymentu. Uzyskane czasy
topnienia dla cylindrów i kuli wahają się od 5 minut do 68 minut w zależności
od geometrii. Również w przypadku badania złoża składającego się z kul czas
obliczony teoretycznie i zmierzony pokrywają się.
4. PODSUMOWANIE
Ważnym wnioskiem praktycznym jest to, że zarówno w przypadku akumulatora
płaszczowo – rurowego jak i filtracyjnego temperatura ciepła odbieranego nie była
stała w obszarze przejścia fazowego, pomimo, że jest stała na wykresie fazowym w tym
obszarze. Jeżeli materiał PCM krzepnie, to od strony odbioru ciepła tworzy się warstwa
stałego PCM, którego temperatura zaczyna spadać. Jeżeli topnieje, to średnia
temperatura w akumulatorze rośnie. Ponadto przy odbiorze ciepła pojawiają się
różnice w prędkości spadku temperatury PCM w akumulatorze. Najszybciej temperatura
spada do temperatury przejścia fazowego Tm, potem prędkość spadku zmniejsza się.
Z obu konstrukcji autorzy wskazują akumulator filtracyjny ze złożem w postaci kul jako
ten, który może być zastosowany w praktyce. Jest tak ze względu na krótki czas
ładowania i prostotę budowy wiążącą się z jego niezawodnością. Im krótszy czas
topnienia, tym więcej energii można odebrać od źródła ciepła odpadowego. Stąd
krotność odbioru ciepła w ciągu doby decyduje o średnicy kul wypełnionych materiałem
PCM.
pytania / komentarze / dyskusja
Dziękujemy za uwagę
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
PROGRAM STRATEGICZNY – ZAAWANSOWANE TECHNOLO
GIE POZYSKIWANIA ENERGII
ZADANIE NR 1 – „Opracowanie technologii dla wysokosprawnych „zero-emisyjnych”
bloków węglowych zintegrowanych z wychwytem CO ze spalin”
Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju zgodnie z umową
nr SP/E/1/67484/10 z dnia 05 maja 2010r, numer projektu: SP/E/1/67484/10
2
Slide 7
Wydział Mechaniczno-Energetyczny
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
Badania
efektywności akumulacji ciepła
w materiale o zmiennej fazie
SPIS TREŚCI
1. Wstęp
2. Stanowisko badawcze
3. Wyniki badań laboratoryjnych i ich analiza
3.1 Akumulator filtracyjny
3.2 Akumulator płaszczowo-rurowy
3.3 Akumulator wodny
4. Podsumowanie
1. WSTĘP
Podstawowym celem badań był wybór konstrukcji
akumulatora ciepła z wykorzystaniem materiału o
zmiennej fazie (ang. PCM – phase changing material)
zapewniającym największe wykorzystanie dostępnego
ciepła (np. ciepła odpadowego spalin za kotłem w
elektrowni).
Zbadano dwie konstrukcje – płaszczowo – rurową i
filtracyjną.
W akumulatorze płaszczowo – rurowym materiał PCM
znajdował się pomiędzy płaszczem i rurkami grzejnymi,
w których płynęła woda podgrzewając PCM.
W akumulatorze filtracyjnym PCM był umieszczony w
kulach o średnicy 4 cm. Woda grzejna swobodnie
przepływała pomiędzy kulami, w których następowała
akumulacja ciepła z zajściem przemiany fazowej.
W eksperymencie z pojedynczą kulą obserwowano
przemianę fazową w funkcji czasu. Przestrzeń wokół
kuli była wypełniona olejem ze względu na jego wyższą
temperaturę wrzenia przy ciśnieniu atmosferycznym.
Porównano wyniki eksperymentalne i teoretyczne.
A
B
2. STANOWISKO BADAWCZE
Woda jest częściowo podgrzewana
w wymienniku c.o. 1, regulowana pompa
2 wymusza obieg wody grzewczej do
instalacji
c.o.
budynku
oraz
akumulatorów 9, 10. Brakująca część
energii
potrzebnej
do
ładowania
akumulatora jest uzupełniana przez
grzałki elektryczne 5 sterowane przez
regulator 6 w funkcji temperatury wody
14. Pompa była regulaowana w funkcji
strumienia wody (p-v). W czasie
ładowania akumulatora otwierany był
zawór odcinający 16 ze względu na
przejmowanie wahań objętości wody po
jej podgrzaniu przez instalację c.o.
budynku. Zawór odcinający 15 był
wówczas
zamknięty.
W
czasie
rozładowania akumulatora otwierano
zawory 15 i 16. Do pomiaru temperatury
wewnątrz akumulatora wykorzystano
moduły 7 (ADAM firmy Advantech) oraz
rejestrator 8 (AR205 firmy Apar). Czujniki
temperatury 13 były umieszczone w
akumulatorze.
Do
układu
hydraulicznego
przyłączano akumulator ze złożem
filtracyjnym i płaszczowo-rurowym.
Rys.2.1 Schemat układu hydraulicznego z
akumulatorem płaszczowo-rurowym, filtracyjnym
i wodnym
1 – wymiennik ciepła węzeł cieplny/instalacja c.o., 2 – pompa z regulatorem prędkości
obrotowej, 3 – instalacja c.o. budynku, 4 – filtr, 5 – grzałki elektryczne, 6 - regulator
temperatury wody (nazwa : ATR), 7 – grupa modułów do rejestracji pomiarów temperatury
(nazwa : Adam), 8 – rejestrator pomiarów temperatury (nazwa: AR 205), 9 – akumulator
płaszczowo – rurowy, 10 – akumulator filtracyjny, 11 – przepływomierz, 12 – manometr, 13 –
czujnik temperatury, 14 – czujnik temperatury, 15 – zawór odcinający przewód zasilający
instalacji c.o., 16 – zawór odcinający przewód powrotny instalacji c.o.
2. STANOWISKO BADAWCZE
Widok stanowiska badawczego
Wyniki badań laboratoryjnych
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula
Celem eksperymentu była weryfikacja teoretycznego czasu
topnienia pojedynczej kuli tqsmelt. Mając eksperymentalnie
zweryfikowany model teoretyczny można wyciągać wnioski dla
złoża składającego się z kul.
Eksperyment przeprowadzono następująco:
- rozgrzano olej do średniej temperatury 157 C, regulator
RE14 dwustanowo utrzymywał tę temperaturę,
- następnie wrzucono kulę, której temperatura była równa
temperaturze otoczenia 25 C
Ze względu na różnicę gęstości pomiędzy fazą stałą i ciekłą S
>L powodującą zmniejszenie się objętości fazy stałej VS < VL o
14% podczas przemiany fazowej na górze kuli pozostawiono
wolną przestrzeń przejmującą objętość rozszerzającego się
materiału
Rys. 3.1 Przebieg topnienia PCM w kuli o średnicy 4 cm
poziom wody
Akumulator filtracyjny
Eksperyment przeprowadzono w złożu stacjonarnym w
akumulatorze z ramkami. W jego trakcie stosowano zmienne
temperatury wody zasilającej ramkę kolejno 110 C, 100 C,
105 C, 95 C. Przed wrzuceniem kul do akumulatora rozgrzano
znajdującą się w nim wodę do temperatury 90 C.
Rys. 3.2 Widok kul po wrzuceniu do akumulatora
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – model teoretyczny
Przy założeniu stałych własności PCM zagadnienie rozwiązano za
pomocą równania przewodnictwa ciepła:
z warunkiem Stefana wymiany ciepła na płaszczyźnie zmiany fazy:
w przypadku stałej temperatury TL płynnego PCM:
czas ładowania kuli tqsmelt wynosi:
gdzie:
- gęstość stałego PCM, kg/m3
cL
- ciepło właściwe fazy ciekłej, J/kgK
Tt
- pochodna temperatury po czasie, C/s
kL
- współczynnik przewodzenia ciepła fazy
ciekłej, W/mK
Tr
- pochodna temperatury po promieniu, C/m
- temperatura przemiany fazowej, C
- ciepło przemiany fazowej, J/kg
- prędkość przesuwania się płaszczyzny
zmiany fazy wzdłuż promienia R, m/s
R(t)+ - promień, m
Tm
L
R’
TL
- temperatura fazy ciekłej, C
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – pomiary
Otrzymany z pomiarów czas topnienia wynoszący tqsmelt = 13.5
minuty porównano z modelem teoretycznym.
Waga PCM znajdującego się w kuli wynosiła 28,832 g, a
średnica zastępczej kuli wypełnionej tylko PCM wynosi 20,76
mm. Po wstawieniu danych otrzymano czas ładowania
t melt
qs
770 176000
6 0 . 2 (157 82 )
0 . 021
2
11 . 1 minut
Różnica czasów 13.5 - 11.1 minuty wynika z dwóch przyczyn:
- PCM nie miał początkowej temperatury Tm=82 C i był
wymagany czas na jego podgrzanie do tej temperatury,
- w kuli występowała pustka powietrzna utrudniająca
wymianę ciepła pomiędzy olejem i materiałem PCM.
Dobrą zgodność dla badanej kuli uzyskano dla promienia
zastępczego Ro = 23 mm.
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula - mieszanina PCM-olej
W celu poprawy konwekcji ciepła wewnątrz kul i przyspieszenia
procesu roztapiania PCM - zmieszano go w różnych proporcjach z
olejem, umieszczono w kulach plastikowych o średnicy 4 cm i
poddano z zewnątrz procesowi ogrzewania olejem o różnych
temperaturach.
Zauważyć można, że:
-dla kul z mniejszym udziałem PCM czas topnienia jest krótszy,
(mniejsza ilość materiału PCM oraz lepsza konwekcja
wewnętrzna)
80
70
100⁰C
-im więcej oleju tym krótszy czas ładowania, ale gorsze własności
akumulacyjne (pojemność cieplna PCM / olej).
-im wyższa temperatura ładowania, tym mniejszy wpływ efektu
dodania oleju. Różnice w czasach ładowania (do 15%) w praktyce
są pomijalne.
C z a s to p n i e n ia , m in u ty
60
50
110⁰C
40
120⁰C
30
130⁰C
20
150⁰C
10
0
50-50
60-40
70-30
80-20
85-15
90-10
95-05
98-02
Skład procentow y P C M - olej
Rys. 3.4 Przebieg topnienia kul o średnicy 4 cm
z mieszaniną PCM - olej
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Złoże filtracyjne z kul wypełnionych PCM
Topnienie kul trwało 106 minut.
Długi czas wynika z małej różnicy
temperatur wody i przemiany fazowej
TL-Tm = 3 10 C.
Eksperymentalnie otrzymany czas pokrywa
się
z
obliczeniami
teoretycznymi
przeprowadzonymi dla pojedynczej kuli
(rys. 3.3) dla TL=90 C.
Warunkiem zakończenia ładowania był brak
odbioru ciepła przez materiał PCM
(punkt B, rys. 3.5).
Bilans cieplny akumulatora:
- maksymalna moc cieplna: 5,32 kW,
- ciepło rozgrzewania: 1262 MJ,
- ciepło ładowania kul: 472 MJ.
- ciepło przemiany fazowej kul: 1,76 MJ.
Akumulator nie był całkowicie zaizolowany,
stąd do otoczenia stracono ponad 470 MJ.
Rys. 3.5 Przebiegi temperatury T w czasie ładowania i rozładowania
akumulatora ze złożem filtracyjnym w postaci kul,
kolor fioletowy – temperatura wody w akumulatorze Tw,
kolor żółty – temperatura wody zasilającej ramkę Tz,
kolor brązowy – temperatura wody powrotnej z ramki Tp
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Materiał PCM
PCM stopił się po czasie 240-300 minut.
Na długi czas ładowania miały wpływ niekorzystne czynniki
opisane poniżej.
Zjawiska zachodzące podczas ładowania:
- PCM krzepł na ściankach akumulatora (temperatura
mniejsza od temperatury topnienia Tm);
- wokół rurek w wewnętrznej części ranki tworzą się kanały
z płynnym materiałem PCM (łatwiejsze topnienie warstw
znajdujących się dalej od rurki);
- rurki w zewnętrznej części ramki są otoczone pustką
powietrzną (PCM spłynął do pustych przestrzeni,
trudniejsze topnienie PCM w obszarze rurek).
Rys. 3.4 Widok akumulatora płaszczowo-rurowego
(schemat, pusty, zasypany materiałem PCM)
Zjawiska zachodzące podczas rozładowywania:
- pęknięcia i puste przestrzenie powietrzne (powstałe na
skutek różnicy objętości fazy stałej VS < VL o 14% );
- materiał PCM pęka tworząc mniejsze bloki (ponowny
proces ładowania utrudniony ze względu na niski
współczynnik przewodzenia powietrza).
Rys.
3.5
Termiczna
blokada
ładowania
akumulatora (puste przestrzenie w które wpływa
roztapiany PCM)
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
W celu przyspieszenia procesu ładowania materiału PCM
wprowadzano wodę do akumulatora.
a
b
Opis ładowania akumulatora po zalaniu wodą:
-woda wypełniła akumulator ponad powierzchnię PCM;
-w ciągu 10 minut temperatura wzrosła przy ściance z 31 C na 49 C
(znacznie polepszony rozpływ ciepła);
-po rozpuszczeniu części PCM, widoczna granica międzyfazowa: woda /
ciekły PCM / stały PCM;
-ciekły PCM wypływa na powierzchnię i krzepnie (prądy konwekcyjne
mieszaniny ciekły PCM / woda przemieszczają się z prędkością 13 cm/s,
temperatury wewnątrz akumulatora: 8188 C, przy ściance: 46 C;
-para wrzącej wody unosi się przez ciekły PCM i rozpuszcza stały PCM
znajdujący się na powierzchni (temperatura przy ściance 61,7 C –
najszybsza zmiana fazy w materiale PCM).
Jeżeli na dole zasobnika jest materiał PCM, to woda dociera
nad niego i roztapia go. Dzięki mniejszej gęstości fazy ciekłej
materiał PCM wypływa na górę. Stąd, po pewnym czasie,
woda znajdzie się na dnie, a PCM na górze. Woda powinna
zalewać dolną kratownicę rurek, ponieważ wtedy szybciej
ładuje się zasobnik ciepłem.
c
PCM
WODA
Rys. 3.6 Akumulator a, b – z PCM’em,
c – z mieszaniną binarną PCM-woda
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Na charakterystykach widoczne są
temperatury wody zasilającej ramkę
Tz, wody powracającej z ramki Tp,
temperatury materiału PCM oraz
temperatura otoczenia.
W początkowej fazie temperatury
wody zasilającej Tz jak i powrotnej Tp
wzrastały liniowo. Następnie były
utrzymywane ich stałe wartości:
Tz: 110 C, Tp: 104-105 C.
W akumulatorze znajdowało się:
- 44 kg materiału PCM (Tm = 77-82 C)
- 14 kg wody.
Czas ładowania: 233 minuty.
Rozładowanie akumulatora trwało 19
godzin 4 minuty.
Warunkiem zakończenia ładowania
było
wyrównanie
temperatur
wszystkich czujników rozmieszczonych
w materiale PCM.
Rys. 3.7 Przebieg procesu ładowania i rozładowania akumulatora płaszczoworurowego wypełnionego mieszaniną binarną PCM-woda w czasie
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Rys. 3.9. Zależność mocy cieplnej czasu w fazie ładowania
akumulatora filtracyjnego
Rys. 3.8. Zależność temperatury topnienia PCM od ciepła dla
danych z eksperymentu: 44 kg materiału PCM, ciepło
przemiany fazowej 176 kJ/kg . 44 kg = 7744 kJ
Różne frakcje parafin powodują pochylenie krzywej
temperatury w obszarze przemiany fazowej.
Ponadto widać, że ciepło właściwe PCM (styczna do
krzywej temperatury) zmienia się w funkcji
dostarczanego ciepła i aktualnej temperatury PCM.
Początek przemiany fazowej jest widoczny jako
wzrost pobieranej mocy lub wzrost różnicy
temperatur.
Nie pokrywa się on z deklarowanymi przez
producenta materiału PCM temperaturą przemiany
fazowej ze względu na spóźnioną reakcję czujnika
temperatury. Średnica czujnika wynosiła około 3 mm.
Stąd ciekły PCM potrzebował pewnego czasu, aby
otoczyć czujnik w całości.
3.3 AKUMULATOR WODNY
W celu porównania efektywności akumulatorów wypełnionych materiałem PCM przeprowadzono badania akumulacji z
zasobnikiem wodnym. Na rys. 3.10 pokazano ładowanie i rozładowanie akumulatora wodnego o takiej samej objętości
wody akumulującej ciepło jak łączna objętość wody i kul w akumulatorze filtracyjnym. Widoczna jest 2,5-krotnie
większa zdolność do akumulacji ciepła w akumulatorze z kulami wypełnionymi PCM (rys. 3.11).
WODA
Rys. 3.10. Rozładowanie akumulatora wodnego o takiej
samej objętości jak akumulator z kulami
PCM
Rys. 3.11. Rozładowanie akumulatora z kulami, oznaczenia
jak na rys. 3.7, zależność temperatury T od czasu
PODSUMOWANIE
4. PODSUMOWANIE
Eksperymentalnie zbadano własności dynamiczne akumulatora płaszczoworurowego i filtracyjnego. W celu przyspieszenia procesu ładowania i
pokonania bariery niskiego współczynnika przewodzenia ciepła dla materiału
PCM użyto medium pośredniczącego – wody – tworząc ciecz binarną.
Określono czas ładowania, czas rozładowania oraz opisano zjawiska
występujące podczas procesu ładowania i rozładowania akumulatora
płaszczowo - rurowego. Przykładowo czas ładowania od temperatury 25 C do
temperatury 99 C przy temperaturze wody zasilającej Tw=110 C wynosił
tqsmelt = 3 godziny 53 minuty.
Zbadano własności dynamiczne akumulatora filtracyjnego. Badano czas
topnienia tqsmelt pojedynczej kuli oraz akumulatora wypełnionego złożem w
postaci kul. Model teoretyczny czasu topnienia tqsmelt dla pojedynczej kuli
pokrywa się z wynikami uzyskanymi z eksperymentu. Uzyskane czasy
topnienia dla cylindrów i kuli wahają się od 5 minut do 68 minut w zależności
od geometrii. Również w przypadku badania złoża składającego się z kul czas
obliczony teoretycznie i zmierzony pokrywają się.
4. PODSUMOWANIE
Ważnym wnioskiem praktycznym jest to, że zarówno w przypadku akumulatora
płaszczowo – rurowego jak i filtracyjnego temperatura ciepła odbieranego nie była
stała w obszarze przejścia fazowego, pomimo, że jest stała na wykresie fazowym w tym
obszarze. Jeżeli materiał PCM krzepnie, to od strony odbioru ciepła tworzy się warstwa
stałego PCM, którego temperatura zaczyna spadać. Jeżeli topnieje, to średnia
temperatura w akumulatorze rośnie. Ponadto przy odbiorze ciepła pojawiają się
różnice w prędkości spadku temperatury PCM w akumulatorze. Najszybciej temperatura
spada do temperatury przejścia fazowego Tm, potem prędkość spadku zmniejsza się.
Z obu konstrukcji autorzy wskazują akumulator filtracyjny ze złożem w postaci kul jako
ten, który może być zastosowany w praktyce. Jest tak ze względu na krótki czas
ładowania i prostotę budowy wiążącą się z jego niezawodnością. Im krótszy czas
topnienia, tym więcej energii można odebrać od źródła ciepła odpadowego. Stąd
krotność odbioru ciepła w ciągu doby decyduje o średnicy kul wypełnionych materiałem
PCM.
pytania / komentarze / dyskusja
Dziękujemy za uwagę
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
PROGRAM STRATEGICZNY – ZAAWANSOWANE TECHNOLO
GIE POZYSKIWANIA ENERGII
ZADANIE NR 1 – „Opracowanie technologii dla wysokosprawnych „zero-emisyjnych”
bloków węglowych zintegrowanych z wychwytem CO ze spalin”
Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju zgodnie z umową
nr SP/E/1/67484/10 z dnia 05 maja 2010r, numer projektu: SP/E/1/67484/10
2
Slide 8
Wydział Mechaniczno-Energetyczny
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
Badania
efektywności akumulacji ciepła
w materiale o zmiennej fazie
SPIS TREŚCI
1. Wstęp
2. Stanowisko badawcze
3. Wyniki badań laboratoryjnych i ich analiza
3.1 Akumulator filtracyjny
3.2 Akumulator płaszczowo-rurowy
3.3 Akumulator wodny
4. Podsumowanie
1. WSTĘP
Podstawowym celem badań był wybór konstrukcji
akumulatora ciepła z wykorzystaniem materiału o
zmiennej fazie (ang. PCM – phase changing material)
zapewniającym największe wykorzystanie dostępnego
ciepła (np. ciepła odpadowego spalin za kotłem w
elektrowni).
Zbadano dwie konstrukcje – płaszczowo – rurową i
filtracyjną.
W akumulatorze płaszczowo – rurowym materiał PCM
znajdował się pomiędzy płaszczem i rurkami grzejnymi,
w których płynęła woda podgrzewając PCM.
W akumulatorze filtracyjnym PCM był umieszczony w
kulach o średnicy 4 cm. Woda grzejna swobodnie
przepływała pomiędzy kulami, w których następowała
akumulacja ciepła z zajściem przemiany fazowej.
W eksperymencie z pojedynczą kulą obserwowano
przemianę fazową w funkcji czasu. Przestrzeń wokół
kuli była wypełniona olejem ze względu na jego wyższą
temperaturę wrzenia przy ciśnieniu atmosferycznym.
Porównano wyniki eksperymentalne i teoretyczne.
A
B
2. STANOWISKO BADAWCZE
Woda jest częściowo podgrzewana
w wymienniku c.o. 1, regulowana pompa
2 wymusza obieg wody grzewczej do
instalacji
c.o.
budynku
oraz
akumulatorów 9, 10. Brakująca część
energii
potrzebnej
do
ładowania
akumulatora jest uzupełniana przez
grzałki elektryczne 5 sterowane przez
regulator 6 w funkcji temperatury wody
14. Pompa była regulaowana w funkcji
strumienia wody (p-v). W czasie
ładowania akumulatora otwierany był
zawór odcinający 16 ze względu na
przejmowanie wahań objętości wody po
jej podgrzaniu przez instalację c.o.
budynku. Zawór odcinający 15 był
wówczas
zamknięty.
W
czasie
rozładowania akumulatora otwierano
zawory 15 i 16. Do pomiaru temperatury
wewnątrz akumulatora wykorzystano
moduły 7 (ADAM firmy Advantech) oraz
rejestrator 8 (AR205 firmy Apar). Czujniki
temperatury 13 były umieszczone w
akumulatorze.
Do
układu
hydraulicznego
przyłączano akumulator ze złożem
filtracyjnym i płaszczowo-rurowym.
Rys.2.1 Schemat układu hydraulicznego z
akumulatorem płaszczowo-rurowym, filtracyjnym
i wodnym
1 – wymiennik ciepła węzeł cieplny/instalacja c.o., 2 – pompa z regulatorem prędkości
obrotowej, 3 – instalacja c.o. budynku, 4 – filtr, 5 – grzałki elektryczne, 6 - regulator
temperatury wody (nazwa : ATR), 7 – grupa modułów do rejestracji pomiarów temperatury
(nazwa : Adam), 8 – rejestrator pomiarów temperatury (nazwa: AR 205), 9 – akumulator
płaszczowo – rurowy, 10 – akumulator filtracyjny, 11 – przepływomierz, 12 – manometr, 13 –
czujnik temperatury, 14 – czujnik temperatury, 15 – zawór odcinający przewód zasilający
instalacji c.o., 16 – zawór odcinający przewód powrotny instalacji c.o.
2. STANOWISKO BADAWCZE
Widok stanowiska badawczego
Wyniki badań laboratoryjnych
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula
Celem eksperymentu była weryfikacja teoretycznego czasu
topnienia pojedynczej kuli tqsmelt. Mając eksperymentalnie
zweryfikowany model teoretyczny można wyciągać wnioski dla
złoża składającego się z kul.
Eksperyment przeprowadzono następująco:
- rozgrzano olej do średniej temperatury 157 C, regulator
RE14 dwustanowo utrzymywał tę temperaturę,
- następnie wrzucono kulę, której temperatura była równa
temperaturze otoczenia 25 C
Ze względu na różnicę gęstości pomiędzy fazą stałą i ciekłą S
>L powodującą zmniejszenie się objętości fazy stałej VS < VL o
14% podczas przemiany fazowej na górze kuli pozostawiono
wolną przestrzeń przejmującą objętość rozszerzającego się
materiału
Rys. 3.1 Przebieg topnienia PCM w kuli o średnicy 4 cm
poziom wody
Akumulator filtracyjny
Eksperyment przeprowadzono w złożu stacjonarnym w
akumulatorze z ramkami. W jego trakcie stosowano zmienne
temperatury wody zasilającej ramkę kolejno 110 C, 100 C,
105 C, 95 C. Przed wrzuceniem kul do akumulatora rozgrzano
znajdującą się w nim wodę do temperatury 90 C.
Rys. 3.2 Widok kul po wrzuceniu do akumulatora
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – model teoretyczny
Przy założeniu stałych własności PCM zagadnienie rozwiązano za
pomocą równania przewodnictwa ciepła:
z warunkiem Stefana wymiany ciepła na płaszczyźnie zmiany fazy:
w przypadku stałej temperatury TL płynnego PCM:
czas ładowania kuli tqsmelt wynosi:
gdzie:
- gęstość stałego PCM, kg/m3
cL
- ciepło właściwe fazy ciekłej, J/kgK
Tt
- pochodna temperatury po czasie, C/s
kL
- współczynnik przewodzenia ciepła fazy
ciekłej, W/mK
Tr
- pochodna temperatury po promieniu, C/m
- temperatura przemiany fazowej, C
- ciepło przemiany fazowej, J/kg
- prędkość przesuwania się płaszczyzny
zmiany fazy wzdłuż promienia R, m/s
R(t)+ - promień, m
Tm
L
R’
TL
- temperatura fazy ciekłej, C
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – pomiary
Otrzymany z pomiarów czas topnienia wynoszący tqsmelt = 13.5
minuty porównano z modelem teoretycznym.
Waga PCM znajdującego się w kuli wynosiła 28,832 g, a
średnica zastępczej kuli wypełnionej tylko PCM wynosi 20,76
mm. Po wstawieniu danych otrzymano czas ładowania
t melt
qs
770 176000
6 0 . 2 (157 82 )
0 . 021
2
11 . 1 minut
Różnica czasów 13.5 - 11.1 minuty wynika z dwóch przyczyn:
- PCM nie miał początkowej temperatury Tm=82 C i był
wymagany czas na jego podgrzanie do tej temperatury,
- w kuli występowała pustka powietrzna utrudniająca
wymianę ciepła pomiędzy olejem i materiałem PCM.
Dobrą zgodność dla badanej kuli uzyskano dla promienia
zastępczego Ro = 23 mm.
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula - mieszanina PCM-olej
W celu poprawy konwekcji ciepła wewnątrz kul i przyspieszenia
procesu roztapiania PCM - zmieszano go w różnych proporcjach z
olejem, umieszczono w kulach plastikowych o średnicy 4 cm i
poddano z zewnątrz procesowi ogrzewania olejem o różnych
temperaturach.
Zauważyć można, że:
-dla kul z mniejszym udziałem PCM czas topnienia jest krótszy,
(mniejsza ilość materiału PCM oraz lepsza konwekcja
wewnętrzna)
80
70
100⁰C
-im więcej oleju tym krótszy czas ładowania, ale gorsze własności
akumulacyjne (pojemność cieplna PCM / olej).
-im wyższa temperatura ładowania, tym mniejszy wpływ efektu
dodania oleju. Różnice w czasach ładowania (do 15%) w praktyce
są pomijalne.
C z a s to p n i e n ia , m in u ty
60
50
110⁰C
40
120⁰C
30
130⁰C
20
150⁰C
10
0
50-50
60-40
70-30
80-20
85-15
90-10
95-05
98-02
Skład procentow y P C M - olej
Rys. 3.4 Przebieg topnienia kul o średnicy 4 cm
z mieszaniną PCM - olej
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Złoże filtracyjne z kul wypełnionych PCM
Topnienie kul trwało 106 minut.
Długi czas wynika z małej różnicy
temperatur wody i przemiany fazowej
TL-Tm = 3 10 C.
Eksperymentalnie otrzymany czas pokrywa
się
z
obliczeniami
teoretycznymi
przeprowadzonymi dla pojedynczej kuli
(rys. 3.3) dla TL=90 C.
Warunkiem zakończenia ładowania był brak
odbioru ciepła przez materiał PCM
(punkt B, rys. 3.5).
Bilans cieplny akumulatora:
- maksymalna moc cieplna: 5,32 kW,
- ciepło rozgrzewania: 1262 MJ,
- ciepło ładowania kul: 472 MJ.
- ciepło przemiany fazowej kul: 1,76 MJ.
Akumulator nie był całkowicie zaizolowany,
stąd do otoczenia stracono ponad 470 MJ.
Rys. 3.5 Przebiegi temperatury T w czasie ładowania i rozładowania
akumulatora ze złożem filtracyjnym w postaci kul,
kolor fioletowy – temperatura wody w akumulatorze Tw,
kolor żółty – temperatura wody zasilającej ramkę Tz,
kolor brązowy – temperatura wody powrotnej z ramki Tp
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Materiał PCM
PCM stopił się po czasie 240-300 minut.
Na długi czas ładowania miały wpływ niekorzystne czynniki
opisane poniżej.
Zjawiska zachodzące podczas ładowania:
- PCM krzepł na ściankach akumulatora (temperatura
mniejsza od temperatury topnienia Tm);
- wokół rurek w wewnętrznej części ranki tworzą się kanały
z płynnym materiałem PCM (łatwiejsze topnienie warstw
znajdujących się dalej od rurki);
- rurki w zewnętrznej części ramki są otoczone pustką
powietrzną (PCM spłynął do pustych przestrzeni,
trudniejsze topnienie PCM w obszarze rurek).
Rys. 3.4 Widok akumulatora płaszczowo-rurowego
(schemat, pusty, zasypany materiałem PCM)
Zjawiska zachodzące podczas rozładowywania:
- pęknięcia i puste przestrzenie powietrzne (powstałe na
skutek różnicy objętości fazy stałej VS < VL o 14% );
- materiał PCM pęka tworząc mniejsze bloki (ponowny
proces ładowania utrudniony ze względu na niski
współczynnik przewodzenia powietrza).
Rys.
3.5
Termiczna
blokada
ładowania
akumulatora (puste przestrzenie w które wpływa
roztapiany PCM)
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
W celu przyspieszenia procesu ładowania materiału PCM
wprowadzano wodę do akumulatora.
a
b
Opis ładowania akumulatora po zalaniu wodą:
-woda wypełniła akumulator ponad powierzchnię PCM;
-w ciągu 10 minut temperatura wzrosła przy ściance z 31 C na 49 C
(znacznie polepszony rozpływ ciepła);
-po rozpuszczeniu części PCM, widoczna granica międzyfazowa: woda /
ciekły PCM / stały PCM;
-ciekły PCM wypływa na powierzchnię i krzepnie (prądy konwekcyjne
mieszaniny ciekły PCM / woda przemieszczają się z prędkością 13 cm/s,
temperatury wewnątrz akumulatora: 8188 C, przy ściance: 46 C;
-para wrzącej wody unosi się przez ciekły PCM i rozpuszcza stały PCM
znajdujący się na powierzchni (temperatura przy ściance 61,7 C –
najszybsza zmiana fazy w materiale PCM).
Jeżeli na dole zasobnika jest materiał PCM, to woda dociera
nad niego i roztapia go. Dzięki mniejszej gęstości fazy ciekłej
materiał PCM wypływa na górę. Stąd, po pewnym czasie,
woda znajdzie się na dnie, a PCM na górze. Woda powinna
zalewać dolną kratownicę rurek, ponieważ wtedy szybciej
ładuje się zasobnik ciepłem.
c
PCM
WODA
Rys. 3.6 Akumulator a, b – z PCM’em,
c – z mieszaniną binarną PCM-woda
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Na charakterystykach widoczne są
temperatury wody zasilającej ramkę
Tz, wody powracającej z ramki Tp,
temperatury materiału PCM oraz
temperatura otoczenia.
W początkowej fazie temperatury
wody zasilającej Tz jak i powrotnej Tp
wzrastały liniowo. Następnie były
utrzymywane ich stałe wartości:
Tz: 110 C, Tp: 104-105 C.
W akumulatorze znajdowało się:
- 44 kg materiału PCM (Tm = 77-82 C)
- 14 kg wody.
Czas ładowania: 233 minuty.
Rozładowanie akumulatora trwało 19
godzin 4 minuty.
Warunkiem zakończenia ładowania
było
wyrównanie
temperatur
wszystkich czujników rozmieszczonych
w materiale PCM.
Rys. 3.7 Przebieg procesu ładowania i rozładowania akumulatora płaszczoworurowego wypełnionego mieszaniną binarną PCM-woda w czasie
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Rys. 3.9. Zależność mocy cieplnej czasu w fazie ładowania
akumulatora filtracyjnego
Rys. 3.8. Zależność temperatury topnienia PCM od ciepła dla
danych z eksperymentu: 44 kg materiału PCM, ciepło
przemiany fazowej 176 kJ/kg . 44 kg = 7744 kJ
Różne frakcje parafin powodują pochylenie krzywej
temperatury w obszarze przemiany fazowej.
Ponadto widać, że ciepło właściwe PCM (styczna do
krzywej temperatury) zmienia się w funkcji
dostarczanego ciepła i aktualnej temperatury PCM.
Początek przemiany fazowej jest widoczny jako
wzrost pobieranej mocy lub wzrost różnicy
temperatur.
Nie pokrywa się on z deklarowanymi przez
producenta materiału PCM temperaturą przemiany
fazowej ze względu na spóźnioną reakcję czujnika
temperatury. Średnica czujnika wynosiła około 3 mm.
Stąd ciekły PCM potrzebował pewnego czasu, aby
otoczyć czujnik w całości.
3.3 AKUMULATOR WODNY
W celu porównania efektywności akumulatorów wypełnionych materiałem PCM przeprowadzono badania akumulacji z
zasobnikiem wodnym. Na rys. 3.10 pokazano ładowanie i rozładowanie akumulatora wodnego o takiej samej objętości
wody akumulującej ciepło jak łączna objętość wody i kul w akumulatorze filtracyjnym. Widoczna jest 2,5-krotnie
większa zdolność do akumulacji ciepła w akumulatorze z kulami wypełnionymi PCM (rys. 3.11).
WODA
Rys. 3.10. Rozładowanie akumulatora wodnego o takiej
samej objętości jak akumulator z kulami
PCM
Rys. 3.11. Rozładowanie akumulatora z kulami, oznaczenia
jak na rys. 3.7, zależność temperatury T od czasu
PODSUMOWANIE
4. PODSUMOWANIE
Eksperymentalnie zbadano własności dynamiczne akumulatora płaszczoworurowego i filtracyjnego. W celu przyspieszenia procesu ładowania i
pokonania bariery niskiego współczynnika przewodzenia ciepła dla materiału
PCM użyto medium pośredniczącego – wody – tworząc ciecz binarną.
Określono czas ładowania, czas rozładowania oraz opisano zjawiska
występujące podczas procesu ładowania i rozładowania akumulatora
płaszczowo - rurowego. Przykładowo czas ładowania od temperatury 25 C do
temperatury 99 C przy temperaturze wody zasilającej Tw=110 C wynosił
tqsmelt = 3 godziny 53 minuty.
Zbadano własności dynamiczne akumulatora filtracyjnego. Badano czas
topnienia tqsmelt pojedynczej kuli oraz akumulatora wypełnionego złożem w
postaci kul. Model teoretyczny czasu topnienia tqsmelt dla pojedynczej kuli
pokrywa się z wynikami uzyskanymi z eksperymentu. Uzyskane czasy
topnienia dla cylindrów i kuli wahają się od 5 minut do 68 minut w zależności
od geometrii. Również w przypadku badania złoża składającego się z kul czas
obliczony teoretycznie i zmierzony pokrywają się.
4. PODSUMOWANIE
Ważnym wnioskiem praktycznym jest to, że zarówno w przypadku akumulatora
płaszczowo – rurowego jak i filtracyjnego temperatura ciepła odbieranego nie była
stała w obszarze przejścia fazowego, pomimo, że jest stała na wykresie fazowym w tym
obszarze. Jeżeli materiał PCM krzepnie, to od strony odbioru ciepła tworzy się warstwa
stałego PCM, którego temperatura zaczyna spadać. Jeżeli topnieje, to średnia
temperatura w akumulatorze rośnie. Ponadto przy odbiorze ciepła pojawiają się
różnice w prędkości spadku temperatury PCM w akumulatorze. Najszybciej temperatura
spada do temperatury przejścia fazowego Tm, potem prędkość spadku zmniejsza się.
Z obu konstrukcji autorzy wskazują akumulator filtracyjny ze złożem w postaci kul jako
ten, który może być zastosowany w praktyce. Jest tak ze względu na krótki czas
ładowania i prostotę budowy wiążącą się z jego niezawodnością. Im krótszy czas
topnienia, tym więcej energii można odebrać od źródła ciepła odpadowego. Stąd
krotność odbioru ciepła w ciągu doby decyduje o średnicy kul wypełnionych materiałem
PCM.
pytania / komentarze / dyskusja
Dziękujemy za uwagę
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
PROGRAM STRATEGICZNY – ZAAWANSOWANE TECHNOLO
GIE POZYSKIWANIA ENERGII
ZADANIE NR 1 – „Opracowanie technologii dla wysokosprawnych „zero-emisyjnych”
bloków węglowych zintegrowanych z wychwytem CO ze spalin”
Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju zgodnie z umową
nr SP/E/1/67484/10 z dnia 05 maja 2010r, numer projektu: SP/E/1/67484/10
2
Slide 9
Wydział Mechaniczno-Energetyczny
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
Badania
efektywności akumulacji ciepła
w materiale o zmiennej fazie
SPIS TREŚCI
1. Wstęp
2. Stanowisko badawcze
3. Wyniki badań laboratoryjnych i ich analiza
3.1 Akumulator filtracyjny
3.2 Akumulator płaszczowo-rurowy
3.3 Akumulator wodny
4. Podsumowanie
1. WSTĘP
Podstawowym celem badań był wybór konstrukcji
akumulatora ciepła z wykorzystaniem materiału o
zmiennej fazie (ang. PCM – phase changing material)
zapewniającym największe wykorzystanie dostępnego
ciepła (np. ciepła odpadowego spalin za kotłem w
elektrowni).
Zbadano dwie konstrukcje – płaszczowo – rurową i
filtracyjną.
W akumulatorze płaszczowo – rurowym materiał PCM
znajdował się pomiędzy płaszczem i rurkami grzejnymi,
w których płynęła woda podgrzewając PCM.
W akumulatorze filtracyjnym PCM był umieszczony w
kulach o średnicy 4 cm. Woda grzejna swobodnie
przepływała pomiędzy kulami, w których następowała
akumulacja ciepła z zajściem przemiany fazowej.
W eksperymencie z pojedynczą kulą obserwowano
przemianę fazową w funkcji czasu. Przestrzeń wokół
kuli była wypełniona olejem ze względu na jego wyższą
temperaturę wrzenia przy ciśnieniu atmosferycznym.
Porównano wyniki eksperymentalne i teoretyczne.
A
B
2. STANOWISKO BADAWCZE
Woda jest częściowo podgrzewana
w wymienniku c.o. 1, regulowana pompa
2 wymusza obieg wody grzewczej do
instalacji
c.o.
budynku
oraz
akumulatorów 9, 10. Brakująca część
energii
potrzebnej
do
ładowania
akumulatora jest uzupełniana przez
grzałki elektryczne 5 sterowane przez
regulator 6 w funkcji temperatury wody
14. Pompa była regulaowana w funkcji
strumienia wody (p-v). W czasie
ładowania akumulatora otwierany był
zawór odcinający 16 ze względu na
przejmowanie wahań objętości wody po
jej podgrzaniu przez instalację c.o.
budynku. Zawór odcinający 15 był
wówczas
zamknięty.
W
czasie
rozładowania akumulatora otwierano
zawory 15 i 16. Do pomiaru temperatury
wewnątrz akumulatora wykorzystano
moduły 7 (ADAM firmy Advantech) oraz
rejestrator 8 (AR205 firmy Apar). Czujniki
temperatury 13 były umieszczone w
akumulatorze.
Do
układu
hydraulicznego
przyłączano akumulator ze złożem
filtracyjnym i płaszczowo-rurowym.
Rys.2.1 Schemat układu hydraulicznego z
akumulatorem płaszczowo-rurowym, filtracyjnym
i wodnym
1 – wymiennik ciepła węzeł cieplny/instalacja c.o., 2 – pompa z regulatorem prędkości
obrotowej, 3 – instalacja c.o. budynku, 4 – filtr, 5 – grzałki elektryczne, 6 - regulator
temperatury wody (nazwa : ATR), 7 – grupa modułów do rejestracji pomiarów temperatury
(nazwa : Adam), 8 – rejestrator pomiarów temperatury (nazwa: AR 205), 9 – akumulator
płaszczowo – rurowy, 10 – akumulator filtracyjny, 11 – przepływomierz, 12 – manometr, 13 –
czujnik temperatury, 14 – czujnik temperatury, 15 – zawór odcinający przewód zasilający
instalacji c.o., 16 – zawór odcinający przewód powrotny instalacji c.o.
2. STANOWISKO BADAWCZE
Widok stanowiska badawczego
Wyniki badań laboratoryjnych
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula
Celem eksperymentu była weryfikacja teoretycznego czasu
topnienia pojedynczej kuli tqsmelt. Mając eksperymentalnie
zweryfikowany model teoretyczny można wyciągać wnioski dla
złoża składającego się z kul.
Eksperyment przeprowadzono następująco:
- rozgrzano olej do średniej temperatury 157 C, regulator
RE14 dwustanowo utrzymywał tę temperaturę,
- następnie wrzucono kulę, której temperatura była równa
temperaturze otoczenia 25 C
Ze względu na różnicę gęstości pomiędzy fazą stałą i ciekłą S
>L powodującą zmniejszenie się objętości fazy stałej VS < VL o
14% podczas przemiany fazowej na górze kuli pozostawiono
wolną przestrzeń przejmującą objętość rozszerzającego się
materiału
Rys. 3.1 Przebieg topnienia PCM w kuli o średnicy 4 cm
poziom wody
Akumulator filtracyjny
Eksperyment przeprowadzono w złożu stacjonarnym w
akumulatorze z ramkami. W jego trakcie stosowano zmienne
temperatury wody zasilającej ramkę kolejno 110 C, 100 C,
105 C, 95 C. Przed wrzuceniem kul do akumulatora rozgrzano
znajdującą się w nim wodę do temperatury 90 C.
Rys. 3.2 Widok kul po wrzuceniu do akumulatora
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – model teoretyczny
Przy założeniu stałych własności PCM zagadnienie rozwiązano za
pomocą równania przewodnictwa ciepła:
z warunkiem Stefana wymiany ciepła na płaszczyźnie zmiany fazy:
w przypadku stałej temperatury TL płynnego PCM:
czas ładowania kuli tqsmelt wynosi:
gdzie:
- gęstość stałego PCM, kg/m3
cL
- ciepło właściwe fazy ciekłej, J/kgK
Tt
- pochodna temperatury po czasie, C/s
kL
- współczynnik przewodzenia ciepła fazy
ciekłej, W/mK
Tr
- pochodna temperatury po promieniu, C/m
- temperatura przemiany fazowej, C
- ciepło przemiany fazowej, J/kg
- prędkość przesuwania się płaszczyzny
zmiany fazy wzdłuż promienia R, m/s
R(t)+ - promień, m
Tm
L
R’
TL
- temperatura fazy ciekłej, C
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – pomiary
Otrzymany z pomiarów czas topnienia wynoszący tqsmelt = 13.5
minuty porównano z modelem teoretycznym.
Waga PCM znajdującego się w kuli wynosiła 28,832 g, a
średnica zastępczej kuli wypełnionej tylko PCM wynosi 20,76
mm. Po wstawieniu danych otrzymano czas ładowania
t melt
qs
770 176000
6 0 . 2 (157 82 )
0 . 021
2
11 . 1 minut
Różnica czasów 13.5 - 11.1 minuty wynika z dwóch przyczyn:
- PCM nie miał początkowej temperatury Tm=82 C i był
wymagany czas na jego podgrzanie do tej temperatury,
- w kuli występowała pustka powietrzna utrudniająca
wymianę ciepła pomiędzy olejem i materiałem PCM.
Dobrą zgodność dla badanej kuli uzyskano dla promienia
zastępczego Ro = 23 mm.
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula - mieszanina PCM-olej
W celu poprawy konwekcji ciepła wewnątrz kul i przyspieszenia
procesu roztapiania PCM - zmieszano go w różnych proporcjach z
olejem, umieszczono w kulach plastikowych o średnicy 4 cm i
poddano z zewnątrz procesowi ogrzewania olejem o różnych
temperaturach.
Zauważyć można, że:
-dla kul z mniejszym udziałem PCM czas topnienia jest krótszy,
(mniejsza ilość materiału PCM oraz lepsza konwekcja
wewnętrzna)
80
70
100⁰C
-im więcej oleju tym krótszy czas ładowania, ale gorsze własności
akumulacyjne (pojemność cieplna PCM / olej).
-im wyższa temperatura ładowania, tym mniejszy wpływ efektu
dodania oleju. Różnice w czasach ładowania (do 15%) w praktyce
są pomijalne.
C z a s to p n i e n ia , m in u ty
60
50
110⁰C
40
120⁰C
30
130⁰C
20
150⁰C
10
0
50-50
60-40
70-30
80-20
85-15
90-10
95-05
98-02
Skład procentow y P C M - olej
Rys. 3.4 Przebieg topnienia kul o średnicy 4 cm
z mieszaniną PCM - olej
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Złoże filtracyjne z kul wypełnionych PCM
Topnienie kul trwało 106 minut.
Długi czas wynika z małej różnicy
temperatur wody i przemiany fazowej
TL-Tm = 3 10 C.
Eksperymentalnie otrzymany czas pokrywa
się
z
obliczeniami
teoretycznymi
przeprowadzonymi dla pojedynczej kuli
(rys. 3.3) dla TL=90 C.
Warunkiem zakończenia ładowania był brak
odbioru ciepła przez materiał PCM
(punkt B, rys. 3.5).
Bilans cieplny akumulatora:
- maksymalna moc cieplna: 5,32 kW,
- ciepło rozgrzewania: 1262 MJ,
- ciepło ładowania kul: 472 MJ.
- ciepło przemiany fazowej kul: 1,76 MJ.
Akumulator nie był całkowicie zaizolowany,
stąd do otoczenia stracono ponad 470 MJ.
Rys. 3.5 Przebiegi temperatury T w czasie ładowania i rozładowania
akumulatora ze złożem filtracyjnym w postaci kul,
kolor fioletowy – temperatura wody w akumulatorze Tw,
kolor żółty – temperatura wody zasilającej ramkę Tz,
kolor brązowy – temperatura wody powrotnej z ramki Tp
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Materiał PCM
PCM stopił się po czasie 240-300 minut.
Na długi czas ładowania miały wpływ niekorzystne czynniki
opisane poniżej.
Zjawiska zachodzące podczas ładowania:
- PCM krzepł na ściankach akumulatora (temperatura
mniejsza od temperatury topnienia Tm);
- wokół rurek w wewnętrznej części ranki tworzą się kanały
z płynnym materiałem PCM (łatwiejsze topnienie warstw
znajdujących się dalej od rurki);
- rurki w zewnętrznej części ramki są otoczone pustką
powietrzną (PCM spłynął do pustych przestrzeni,
trudniejsze topnienie PCM w obszarze rurek).
Rys. 3.4 Widok akumulatora płaszczowo-rurowego
(schemat, pusty, zasypany materiałem PCM)
Zjawiska zachodzące podczas rozładowywania:
- pęknięcia i puste przestrzenie powietrzne (powstałe na
skutek różnicy objętości fazy stałej VS < VL o 14% );
- materiał PCM pęka tworząc mniejsze bloki (ponowny
proces ładowania utrudniony ze względu na niski
współczynnik przewodzenia powietrza).
Rys.
3.5
Termiczna
blokada
ładowania
akumulatora (puste przestrzenie w które wpływa
roztapiany PCM)
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
W celu przyspieszenia procesu ładowania materiału PCM
wprowadzano wodę do akumulatora.
a
b
Opis ładowania akumulatora po zalaniu wodą:
-woda wypełniła akumulator ponad powierzchnię PCM;
-w ciągu 10 minut temperatura wzrosła przy ściance z 31 C na 49 C
(znacznie polepszony rozpływ ciepła);
-po rozpuszczeniu części PCM, widoczna granica międzyfazowa: woda /
ciekły PCM / stały PCM;
-ciekły PCM wypływa na powierzchnię i krzepnie (prądy konwekcyjne
mieszaniny ciekły PCM / woda przemieszczają się z prędkością 13 cm/s,
temperatury wewnątrz akumulatora: 8188 C, przy ściance: 46 C;
-para wrzącej wody unosi się przez ciekły PCM i rozpuszcza stały PCM
znajdujący się na powierzchni (temperatura przy ściance 61,7 C –
najszybsza zmiana fazy w materiale PCM).
Jeżeli na dole zasobnika jest materiał PCM, to woda dociera
nad niego i roztapia go. Dzięki mniejszej gęstości fazy ciekłej
materiał PCM wypływa na górę. Stąd, po pewnym czasie,
woda znajdzie się na dnie, a PCM na górze. Woda powinna
zalewać dolną kratownicę rurek, ponieważ wtedy szybciej
ładuje się zasobnik ciepłem.
c
PCM
WODA
Rys. 3.6 Akumulator a, b – z PCM’em,
c – z mieszaniną binarną PCM-woda
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Na charakterystykach widoczne są
temperatury wody zasilającej ramkę
Tz, wody powracającej z ramki Tp,
temperatury materiału PCM oraz
temperatura otoczenia.
W początkowej fazie temperatury
wody zasilającej Tz jak i powrotnej Tp
wzrastały liniowo. Następnie były
utrzymywane ich stałe wartości:
Tz: 110 C, Tp: 104-105 C.
W akumulatorze znajdowało się:
- 44 kg materiału PCM (Tm = 77-82 C)
- 14 kg wody.
Czas ładowania: 233 minuty.
Rozładowanie akumulatora trwało 19
godzin 4 minuty.
Warunkiem zakończenia ładowania
było
wyrównanie
temperatur
wszystkich czujników rozmieszczonych
w materiale PCM.
Rys. 3.7 Przebieg procesu ładowania i rozładowania akumulatora płaszczoworurowego wypełnionego mieszaniną binarną PCM-woda w czasie
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Rys. 3.9. Zależność mocy cieplnej czasu w fazie ładowania
akumulatora filtracyjnego
Rys. 3.8. Zależność temperatury topnienia PCM od ciepła dla
danych z eksperymentu: 44 kg materiału PCM, ciepło
przemiany fazowej 176 kJ/kg . 44 kg = 7744 kJ
Różne frakcje parafin powodują pochylenie krzywej
temperatury w obszarze przemiany fazowej.
Ponadto widać, że ciepło właściwe PCM (styczna do
krzywej temperatury) zmienia się w funkcji
dostarczanego ciepła i aktualnej temperatury PCM.
Początek przemiany fazowej jest widoczny jako
wzrost pobieranej mocy lub wzrost różnicy
temperatur.
Nie pokrywa się on z deklarowanymi przez
producenta materiału PCM temperaturą przemiany
fazowej ze względu na spóźnioną reakcję czujnika
temperatury. Średnica czujnika wynosiła około 3 mm.
Stąd ciekły PCM potrzebował pewnego czasu, aby
otoczyć czujnik w całości.
3.3 AKUMULATOR WODNY
W celu porównania efektywności akumulatorów wypełnionych materiałem PCM przeprowadzono badania akumulacji z
zasobnikiem wodnym. Na rys. 3.10 pokazano ładowanie i rozładowanie akumulatora wodnego o takiej samej objętości
wody akumulującej ciepło jak łączna objętość wody i kul w akumulatorze filtracyjnym. Widoczna jest 2,5-krotnie
większa zdolność do akumulacji ciepła w akumulatorze z kulami wypełnionymi PCM (rys. 3.11).
WODA
Rys. 3.10. Rozładowanie akumulatora wodnego o takiej
samej objętości jak akumulator z kulami
PCM
Rys. 3.11. Rozładowanie akumulatora z kulami, oznaczenia
jak na rys. 3.7, zależność temperatury T od czasu
PODSUMOWANIE
4. PODSUMOWANIE
Eksperymentalnie zbadano własności dynamiczne akumulatora płaszczoworurowego i filtracyjnego. W celu przyspieszenia procesu ładowania i
pokonania bariery niskiego współczynnika przewodzenia ciepła dla materiału
PCM użyto medium pośredniczącego – wody – tworząc ciecz binarną.
Określono czas ładowania, czas rozładowania oraz opisano zjawiska
występujące podczas procesu ładowania i rozładowania akumulatora
płaszczowo - rurowego. Przykładowo czas ładowania od temperatury 25 C do
temperatury 99 C przy temperaturze wody zasilającej Tw=110 C wynosił
tqsmelt = 3 godziny 53 minuty.
Zbadano własności dynamiczne akumulatora filtracyjnego. Badano czas
topnienia tqsmelt pojedynczej kuli oraz akumulatora wypełnionego złożem w
postaci kul. Model teoretyczny czasu topnienia tqsmelt dla pojedynczej kuli
pokrywa się z wynikami uzyskanymi z eksperymentu. Uzyskane czasy
topnienia dla cylindrów i kuli wahają się od 5 minut do 68 minut w zależności
od geometrii. Również w przypadku badania złoża składającego się z kul czas
obliczony teoretycznie i zmierzony pokrywają się.
4. PODSUMOWANIE
Ważnym wnioskiem praktycznym jest to, że zarówno w przypadku akumulatora
płaszczowo – rurowego jak i filtracyjnego temperatura ciepła odbieranego nie była
stała w obszarze przejścia fazowego, pomimo, że jest stała na wykresie fazowym w tym
obszarze. Jeżeli materiał PCM krzepnie, to od strony odbioru ciepła tworzy się warstwa
stałego PCM, którego temperatura zaczyna spadać. Jeżeli topnieje, to średnia
temperatura w akumulatorze rośnie. Ponadto przy odbiorze ciepła pojawiają się
różnice w prędkości spadku temperatury PCM w akumulatorze. Najszybciej temperatura
spada do temperatury przejścia fazowego Tm, potem prędkość spadku zmniejsza się.
Z obu konstrukcji autorzy wskazują akumulator filtracyjny ze złożem w postaci kul jako
ten, który może być zastosowany w praktyce. Jest tak ze względu na krótki czas
ładowania i prostotę budowy wiążącą się z jego niezawodnością. Im krótszy czas
topnienia, tym więcej energii można odebrać od źródła ciepła odpadowego. Stąd
krotność odbioru ciepła w ciągu doby decyduje o średnicy kul wypełnionych materiałem
PCM.
pytania / komentarze / dyskusja
Dziękujemy za uwagę
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
PROGRAM STRATEGICZNY – ZAAWANSOWANE TECHNOLO
GIE POZYSKIWANIA ENERGII
ZADANIE NR 1 – „Opracowanie technologii dla wysokosprawnych „zero-emisyjnych”
bloków węglowych zintegrowanych z wychwytem CO ze spalin”
Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju zgodnie z umową
nr SP/E/1/67484/10 z dnia 05 maja 2010r, numer projektu: SP/E/1/67484/10
2
Slide 10
Wydział Mechaniczno-Energetyczny
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
Badania
efektywności akumulacji ciepła
w materiale o zmiennej fazie
SPIS TREŚCI
1. Wstęp
2. Stanowisko badawcze
3. Wyniki badań laboratoryjnych i ich analiza
3.1 Akumulator filtracyjny
3.2 Akumulator płaszczowo-rurowy
3.3 Akumulator wodny
4. Podsumowanie
1. WSTĘP
Podstawowym celem badań był wybór konstrukcji
akumulatora ciepła z wykorzystaniem materiału o
zmiennej fazie (ang. PCM – phase changing material)
zapewniającym największe wykorzystanie dostępnego
ciepła (np. ciepła odpadowego spalin za kotłem w
elektrowni).
Zbadano dwie konstrukcje – płaszczowo – rurową i
filtracyjną.
W akumulatorze płaszczowo – rurowym materiał PCM
znajdował się pomiędzy płaszczem i rurkami grzejnymi,
w których płynęła woda podgrzewając PCM.
W akumulatorze filtracyjnym PCM był umieszczony w
kulach o średnicy 4 cm. Woda grzejna swobodnie
przepływała pomiędzy kulami, w których następowała
akumulacja ciepła z zajściem przemiany fazowej.
W eksperymencie z pojedynczą kulą obserwowano
przemianę fazową w funkcji czasu. Przestrzeń wokół
kuli była wypełniona olejem ze względu na jego wyższą
temperaturę wrzenia przy ciśnieniu atmosferycznym.
Porównano wyniki eksperymentalne i teoretyczne.
A
B
2. STANOWISKO BADAWCZE
Woda jest częściowo podgrzewana
w wymienniku c.o. 1, regulowana pompa
2 wymusza obieg wody grzewczej do
instalacji
c.o.
budynku
oraz
akumulatorów 9, 10. Brakująca część
energii
potrzebnej
do
ładowania
akumulatora jest uzupełniana przez
grzałki elektryczne 5 sterowane przez
regulator 6 w funkcji temperatury wody
14. Pompa była regulaowana w funkcji
strumienia wody (p-v). W czasie
ładowania akumulatora otwierany był
zawór odcinający 16 ze względu na
przejmowanie wahań objętości wody po
jej podgrzaniu przez instalację c.o.
budynku. Zawór odcinający 15 był
wówczas
zamknięty.
W
czasie
rozładowania akumulatora otwierano
zawory 15 i 16. Do pomiaru temperatury
wewnątrz akumulatora wykorzystano
moduły 7 (ADAM firmy Advantech) oraz
rejestrator 8 (AR205 firmy Apar). Czujniki
temperatury 13 były umieszczone w
akumulatorze.
Do
układu
hydraulicznego
przyłączano akumulator ze złożem
filtracyjnym i płaszczowo-rurowym.
Rys.2.1 Schemat układu hydraulicznego z
akumulatorem płaszczowo-rurowym, filtracyjnym
i wodnym
1 – wymiennik ciepła węzeł cieplny/instalacja c.o., 2 – pompa z regulatorem prędkości
obrotowej, 3 – instalacja c.o. budynku, 4 – filtr, 5 – grzałki elektryczne, 6 - regulator
temperatury wody (nazwa : ATR), 7 – grupa modułów do rejestracji pomiarów temperatury
(nazwa : Adam), 8 – rejestrator pomiarów temperatury (nazwa: AR 205), 9 – akumulator
płaszczowo – rurowy, 10 – akumulator filtracyjny, 11 – przepływomierz, 12 – manometr, 13 –
czujnik temperatury, 14 – czujnik temperatury, 15 – zawór odcinający przewód zasilający
instalacji c.o., 16 – zawór odcinający przewód powrotny instalacji c.o.
2. STANOWISKO BADAWCZE
Widok stanowiska badawczego
Wyniki badań laboratoryjnych
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula
Celem eksperymentu była weryfikacja teoretycznego czasu
topnienia pojedynczej kuli tqsmelt. Mając eksperymentalnie
zweryfikowany model teoretyczny można wyciągać wnioski dla
złoża składającego się z kul.
Eksperyment przeprowadzono następująco:
- rozgrzano olej do średniej temperatury 157 C, regulator
RE14 dwustanowo utrzymywał tę temperaturę,
- następnie wrzucono kulę, której temperatura była równa
temperaturze otoczenia 25 C
Ze względu na różnicę gęstości pomiędzy fazą stałą i ciekłą S
>L powodującą zmniejszenie się objętości fazy stałej VS < VL o
14% podczas przemiany fazowej na górze kuli pozostawiono
wolną przestrzeń przejmującą objętość rozszerzającego się
materiału
Rys. 3.1 Przebieg topnienia PCM w kuli o średnicy 4 cm
poziom wody
Akumulator filtracyjny
Eksperyment przeprowadzono w złożu stacjonarnym w
akumulatorze z ramkami. W jego trakcie stosowano zmienne
temperatury wody zasilającej ramkę kolejno 110 C, 100 C,
105 C, 95 C. Przed wrzuceniem kul do akumulatora rozgrzano
znajdującą się w nim wodę do temperatury 90 C.
Rys. 3.2 Widok kul po wrzuceniu do akumulatora
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – model teoretyczny
Przy założeniu stałych własności PCM zagadnienie rozwiązano za
pomocą równania przewodnictwa ciepła:
z warunkiem Stefana wymiany ciepła na płaszczyźnie zmiany fazy:
w przypadku stałej temperatury TL płynnego PCM:
czas ładowania kuli tqsmelt wynosi:
gdzie:
- gęstość stałego PCM, kg/m3
cL
- ciepło właściwe fazy ciekłej, J/kgK
Tt
- pochodna temperatury po czasie, C/s
kL
- współczynnik przewodzenia ciepła fazy
ciekłej, W/mK
Tr
- pochodna temperatury po promieniu, C/m
- temperatura przemiany fazowej, C
- ciepło przemiany fazowej, J/kg
- prędkość przesuwania się płaszczyzny
zmiany fazy wzdłuż promienia R, m/s
R(t)+ - promień, m
Tm
L
R’
TL
- temperatura fazy ciekłej, C
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – pomiary
Otrzymany z pomiarów czas topnienia wynoszący tqsmelt = 13.5
minuty porównano z modelem teoretycznym.
Waga PCM znajdującego się w kuli wynosiła 28,832 g, a
średnica zastępczej kuli wypełnionej tylko PCM wynosi 20,76
mm. Po wstawieniu danych otrzymano czas ładowania
t melt
qs
770 176000
6 0 . 2 (157 82 )
0 . 021
2
11 . 1 minut
Różnica czasów 13.5 - 11.1 minuty wynika z dwóch przyczyn:
- PCM nie miał początkowej temperatury Tm=82 C i był
wymagany czas na jego podgrzanie do tej temperatury,
- w kuli występowała pustka powietrzna utrudniająca
wymianę ciepła pomiędzy olejem i materiałem PCM.
Dobrą zgodność dla badanej kuli uzyskano dla promienia
zastępczego Ro = 23 mm.
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula - mieszanina PCM-olej
W celu poprawy konwekcji ciepła wewnątrz kul i przyspieszenia
procesu roztapiania PCM - zmieszano go w różnych proporcjach z
olejem, umieszczono w kulach plastikowych o średnicy 4 cm i
poddano z zewnątrz procesowi ogrzewania olejem o różnych
temperaturach.
Zauważyć można, że:
-dla kul z mniejszym udziałem PCM czas topnienia jest krótszy,
(mniejsza ilość materiału PCM oraz lepsza konwekcja
wewnętrzna)
80
70
100⁰C
-im więcej oleju tym krótszy czas ładowania, ale gorsze własności
akumulacyjne (pojemność cieplna PCM / olej).
-im wyższa temperatura ładowania, tym mniejszy wpływ efektu
dodania oleju. Różnice w czasach ładowania (do 15%) w praktyce
są pomijalne.
C z a s to p n i e n ia , m in u ty
60
50
110⁰C
40
120⁰C
30
130⁰C
20
150⁰C
10
0
50-50
60-40
70-30
80-20
85-15
90-10
95-05
98-02
Skład procentow y P C M - olej
Rys. 3.4 Przebieg topnienia kul o średnicy 4 cm
z mieszaniną PCM - olej
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Złoże filtracyjne z kul wypełnionych PCM
Topnienie kul trwało 106 minut.
Długi czas wynika z małej różnicy
temperatur wody i przemiany fazowej
TL-Tm = 3 10 C.
Eksperymentalnie otrzymany czas pokrywa
się
z
obliczeniami
teoretycznymi
przeprowadzonymi dla pojedynczej kuli
(rys. 3.3) dla TL=90 C.
Warunkiem zakończenia ładowania był brak
odbioru ciepła przez materiał PCM
(punkt B, rys. 3.5).
Bilans cieplny akumulatora:
- maksymalna moc cieplna: 5,32 kW,
- ciepło rozgrzewania: 1262 MJ,
- ciepło ładowania kul: 472 MJ.
- ciepło przemiany fazowej kul: 1,76 MJ.
Akumulator nie był całkowicie zaizolowany,
stąd do otoczenia stracono ponad 470 MJ.
Rys. 3.5 Przebiegi temperatury T w czasie ładowania i rozładowania
akumulatora ze złożem filtracyjnym w postaci kul,
kolor fioletowy – temperatura wody w akumulatorze Tw,
kolor żółty – temperatura wody zasilającej ramkę Tz,
kolor brązowy – temperatura wody powrotnej z ramki Tp
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Materiał PCM
PCM stopił się po czasie 240-300 minut.
Na długi czas ładowania miały wpływ niekorzystne czynniki
opisane poniżej.
Zjawiska zachodzące podczas ładowania:
- PCM krzepł na ściankach akumulatora (temperatura
mniejsza od temperatury topnienia Tm);
- wokół rurek w wewnętrznej części ranki tworzą się kanały
z płynnym materiałem PCM (łatwiejsze topnienie warstw
znajdujących się dalej od rurki);
- rurki w zewnętrznej części ramki są otoczone pustką
powietrzną (PCM spłynął do pustych przestrzeni,
trudniejsze topnienie PCM w obszarze rurek).
Rys. 3.4 Widok akumulatora płaszczowo-rurowego
(schemat, pusty, zasypany materiałem PCM)
Zjawiska zachodzące podczas rozładowywania:
- pęknięcia i puste przestrzenie powietrzne (powstałe na
skutek różnicy objętości fazy stałej VS < VL o 14% );
- materiał PCM pęka tworząc mniejsze bloki (ponowny
proces ładowania utrudniony ze względu na niski
współczynnik przewodzenia powietrza).
Rys.
3.5
Termiczna
blokada
ładowania
akumulatora (puste przestrzenie w które wpływa
roztapiany PCM)
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
W celu przyspieszenia procesu ładowania materiału PCM
wprowadzano wodę do akumulatora.
a
b
Opis ładowania akumulatora po zalaniu wodą:
-woda wypełniła akumulator ponad powierzchnię PCM;
-w ciągu 10 minut temperatura wzrosła przy ściance z 31 C na 49 C
(znacznie polepszony rozpływ ciepła);
-po rozpuszczeniu części PCM, widoczna granica międzyfazowa: woda /
ciekły PCM / stały PCM;
-ciekły PCM wypływa na powierzchnię i krzepnie (prądy konwekcyjne
mieszaniny ciekły PCM / woda przemieszczają się z prędkością 13 cm/s,
temperatury wewnątrz akumulatora: 8188 C, przy ściance: 46 C;
-para wrzącej wody unosi się przez ciekły PCM i rozpuszcza stały PCM
znajdujący się na powierzchni (temperatura przy ściance 61,7 C –
najszybsza zmiana fazy w materiale PCM).
Jeżeli na dole zasobnika jest materiał PCM, to woda dociera
nad niego i roztapia go. Dzięki mniejszej gęstości fazy ciekłej
materiał PCM wypływa na górę. Stąd, po pewnym czasie,
woda znajdzie się na dnie, a PCM na górze. Woda powinna
zalewać dolną kratownicę rurek, ponieważ wtedy szybciej
ładuje się zasobnik ciepłem.
c
PCM
WODA
Rys. 3.6 Akumulator a, b – z PCM’em,
c – z mieszaniną binarną PCM-woda
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Na charakterystykach widoczne są
temperatury wody zasilającej ramkę
Tz, wody powracającej z ramki Tp,
temperatury materiału PCM oraz
temperatura otoczenia.
W początkowej fazie temperatury
wody zasilającej Tz jak i powrotnej Tp
wzrastały liniowo. Następnie były
utrzymywane ich stałe wartości:
Tz: 110 C, Tp: 104-105 C.
W akumulatorze znajdowało się:
- 44 kg materiału PCM (Tm = 77-82 C)
- 14 kg wody.
Czas ładowania: 233 minuty.
Rozładowanie akumulatora trwało 19
godzin 4 minuty.
Warunkiem zakończenia ładowania
było
wyrównanie
temperatur
wszystkich czujników rozmieszczonych
w materiale PCM.
Rys. 3.7 Przebieg procesu ładowania i rozładowania akumulatora płaszczoworurowego wypełnionego mieszaniną binarną PCM-woda w czasie
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Rys. 3.9. Zależność mocy cieplnej czasu w fazie ładowania
akumulatora filtracyjnego
Rys. 3.8. Zależność temperatury topnienia PCM od ciepła dla
danych z eksperymentu: 44 kg materiału PCM, ciepło
przemiany fazowej 176 kJ/kg . 44 kg = 7744 kJ
Różne frakcje parafin powodują pochylenie krzywej
temperatury w obszarze przemiany fazowej.
Ponadto widać, że ciepło właściwe PCM (styczna do
krzywej temperatury) zmienia się w funkcji
dostarczanego ciepła i aktualnej temperatury PCM.
Początek przemiany fazowej jest widoczny jako
wzrost pobieranej mocy lub wzrost różnicy
temperatur.
Nie pokrywa się on z deklarowanymi przez
producenta materiału PCM temperaturą przemiany
fazowej ze względu na spóźnioną reakcję czujnika
temperatury. Średnica czujnika wynosiła około 3 mm.
Stąd ciekły PCM potrzebował pewnego czasu, aby
otoczyć czujnik w całości.
3.3 AKUMULATOR WODNY
W celu porównania efektywności akumulatorów wypełnionych materiałem PCM przeprowadzono badania akumulacji z
zasobnikiem wodnym. Na rys. 3.10 pokazano ładowanie i rozładowanie akumulatora wodnego o takiej samej objętości
wody akumulującej ciepło jak łączna objętość wody i kul w akumulatorze filtracyjnym. Widoczna jest 2,5-krotnie
większa zdolność do akumulacji ciepła w akumulatorze z kulami wypełnionymi PCM (rys. 3.11).
WODA
Rys. 3.10. Rozładowanie akumulatora wodnego o takiej
samej objętości jak akumulator z kulami
PCM
Rys. 3.11. Rozładowanie akumulatora z kulami, oznaczenia
jak na rys. 3.7, zależność temperatury T od czasu
PODSUMOWANIE
4. PODSUMOWANIE
Eksperymentalnie zbadano własności dynamiczne akumulatora płaszczoworurowego i filtracyjnego. W celu przyspieszenia procesu ładowania i
pokonania bariery niskiego współczynnika przewodzenia ciepła dla materiału
PCM użyto medium pośredniczącego – wody – tworząc ciecz binarną.
Określono czas ładowania, czas rozładowania oraz opisano zjawiska
występujące podczas procesu ładowania i rozładowania akumulatora
płaszczowo - rurowego. Przykładowo czas ładowania od temperatury 25 C do
temperatury 99 C przy temperaturze wody zasilającej Tw=110 C wynosił
tqsmelt = 3 godziny 53 minuty.
Zbadano własności dynamiczne akumulatora filtracyjnego. Badano czas
topnienia tqsmelt pojedynczej kuli oraz akumulatora wypełnionego złożem w
postaci kul. Model teoretyczny czasu topnienia tqsmelt dla pojedynczej kuli
pokrywa się z wynikami uzyskanymi z eksperymentu. Uzyskane czasy
topnienia dla cylindrów i kuli wahają się od 5 minut do 68 minut w zależności
od geometrii. Również w przypadku badania złoża składającego się z kul czas
obliczony teoretycznie i zmierzony pokrywają się.
4. PODSUMOWANIE
Ważnym wnioskiem praktycznym jest to, że zarówno w przypadku akumulatora
płaszczowo – rurowego jak i filtracyjnego temperatura ciepła odbieranego nie była
stała w obszarze przejścia fazowego, pomimo, że jest stała na wykresie fazowym w tym
obszarze. Jeżeli materiał PCM krzepnie, to od strony odbioru ciepła tworzy się warstwa
stałego PCM, którego temperatura zaczyna spadać. Jeżeli topnieje, to średnia
temperatura w akumulatorze rośnie. Ponadto przy odbiorze ciepła pojawiają się
różnice w prędkości spadku temperatury PCM w akumulatorze. Najszybciej temperatura
spada do temperatury przejścia fazowego Tm, potem prędkość spadku zmniejsza się.
Z obu konstrukcji autorzy wskazują akumulator filtracyjny ze złożem w postaci kul jako
ten, który może być zastosowany w praktyce. Jest tak ze względu na krótki czas
ładowania i prostotę budowy wiążącą się z jego niezawodnością. Im krótszy czas
topnienia, tym więcej energii można odebrać od źródła ciepła odpadowego. Stąd
krotność odbioru ciepła w ciągu doby decyduje o średnicy kul wypełnionych materiałem
PCM.
pytania / komentarze / dyskusja
Dziękujemy za uwagę
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
PROGRAM STRATEGICZNY – ZAAWANSOWANE TECHNOLO
GIE POZYSKIWANIA ENERGII
ZADANIE NR 1 – „Opracowanie technologii dla wysokosprawnych „zero-emisyjnych”
bloków węglowych zintegrowanych z wychwytem CO ze spalin”
Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju zgodnie z umową
nr SP/E/1/67484/10 z dnia 05 maja 2010r, numer projektu: SP/E/1/67484/10
2
Slide 11
Wydział Mechaniczno-Energetyczny
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
Badania
efektywności akumulacji ciepła
w materiale o zmiennej fazie
SPIS TREŚCI
1. Wstęp
2. Stanowisko badawcze
3. Wyniki badań laboratoryjnych i ich analiza
3.1 Akumulator filtracyjny
3.2 Akumulator płaszczowo-rurowy
3.3 Akumulator wodny
4. Podsumowanie
1. WSTĘP
Podstawowym celem badań był wybór konstrukcji
akumulatora ciepła z wykorzystaniem materiału o
zmiennej fazie (ang. PCM – phase changing material)
zapewniającym największe wykorzystanie dostępnego
ciepła (np. ciepła odpadowego spalin za kotłem w
elektrowni).
Zbadano dwie konstrukcje – płaszczowo – rurową i
filtracyjną.
W akumulatorze płaszczowo – rurowym materiał PCM
znajdował się pomiędzy płaszczem i rurkami grzejnymi,
w których płynęła woda podgrzewając PCM.
W akumulatorze filtracyjnym PCM był umieszczony w
kulach o średnicy 4 cm. Woda grzejna swobodnie
przepływała pomiędzy kulami, w których następowała
akumulacja ciepła z zajściem przemiany fazowej.
W eksperymencie z pojedynczą kulą obserwowano
przemianę fazową w funkcji czasu. Przestrzeń wokół
kuli była wypełniona olejem ze względu na jego wyższą
temperaturę wrzenia przy ciśnieniu atmosferycznym.
Porównano wyniki eksperymentalne i teoretyczne.
A
B
2. STANOWISKO BADAWCZE
Woda jest częściowo podgrzewana
w wymienniku c.o. 1, regulowana pompa
2 wymusza obieg wody grzewczej do
instalacji
c.o.
budynku
oraz
akumulatorów 9, 10. Brakująca część
energii
potrzebnej
do
ładowania
akumulatora jest uzupełniana przez
grzałki elektryczne 5 sterowane przez
regulator 6 w funkcji temperatury wody
14. Pompa była regulaowana w funkcji
strumienia wody (p-v). W czasie
ładowania akumulatora otwierany był
zawór odcinający 16 ze względu na
przejmowanie wahań objętości wody po
jej podgrzaniu przez instalację c.o.
budynku. Zawór odcinający 15 był
wówczas
zamknięty.
W
czasie
rozładowania akumulatora otwierano
zawory 15 i 16. Do pomiaru temperatury
wewnątrz akumulatora wykorzystano
moduły 7 (ADAM firmy Advantech) oraz
rejestrator 8 (AR205 firmy Apar). Czujniki
temperatury 13 były umieszczone w
akumulatorze.
Do
układu
hydraulicznego
przyłączano akumulator ze złożem
filtracyjnym i płaszczowo-rurowym.
Rys.2.1 Schemat układu hydraulicznego z
akumulatorem płaszczowo-rurowym, filtracyjnym
i wodnym
1 – wymiennik ciepła węzeł cieplny/instalacja c.o., 2 – pompa z regulatorem prędkości
obrotowej, 3 – instalacja c.o. budynku, 4 – filtr, 5 – grzałki elektryczne, 6 - regulator
temperatury wody (nazwa : ATR), 7 – grupa modułów do rejestracji pomiarów temperatury
(nazwa : Adam), 8 – rejestrator pomiarów temperatury (nazwa: AR 205), 9 – akumulator
płaszczowo – rurowy, 10 – akumulator filtracyjny, 11 – przepływomierz, 12 – manometr, 13 –
czujnik temperatury, 14 – czujnik temperatury, 15 – zawór odcinający przewód zasilający
instalacji c.o., 16 – zawór odcinający przewód powrotny instalacji c.o.
2. STANOWISKO BADAWCZE
Widok stanowiska badawczego
Wyniki badań laboratoryjnych
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula
Celem eksperymentu była weryfikacja teoretycznego czasu
topnienia pojedynczej kuli tqsmelt. Mając eksperymentalnie
zweryfikowany model teoretyczny można wyciągać wnioski dla
złoża składającego się z kul.
Eksperyment przeprowadzono następująco:
- rozgrzano olej do średniej temperatury 157 C, regulator
RE14 dwustanowo utrzymywał tę temperaturę,
- następnie wrzucono kulę, której temperatura była równa
temperaturze otoczenia 25 C
Ze względu na różnicę gęstości pomiędzy fazą stałą i ciekłą S
>L powodującą zmniejszenie się objętości fazy stałej VS < VL o
14% podczas przemiany fazowej na górze kuli pozostawiono
wolną przestrzeń przejmującą objętość rozszerzającego się
materiału
Rys. 3.1 Przebieg topnienia PCM w kuli o średnicy 4 cm
poziom wody
Akumulator filtracyjny
Eksperyment przeprowadzono w złożu stacjonarnym w
akumulatorze z ramkami. W jego trakcie stosowano zmienne
temperatury wody zasilającej ramkę kolejno 110 C, 100 C,
105 C, 95 C. Przed wrzuceniem kul do akumulatora rozgrzano
znajdującą się w nim wodę do temperatury 90 C.
Rys. 3.2 Widok kul po wrzuceniu do akumulatora
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – model teoretyczny
Przy założeniu stałych własności PCM zagadnienie rozwiązano za
pomocą równania przewodnictwa ciepła:
z warunkiem Stefana wymiany ciepła na płaszczyźnie zmiany fazy:
w przypadku stałej temperatury TL płynnego PCM:
czas ładowania kuli tqsmelt wynosi:
gdzie:
- gęstość stałego PCM, kg/m3
cL
- ciepło właściwe fazy ciekłej, J/kgK
Tt
- pochodna temperatury po czasie, C/s
kL
- współczynnik przewodzenia ciepła fazy
ciekłej, W/mK
Tr
- pochodna temperatury po promieniu, C/m
- temperatura przemiany fazowej, C
- ciepło przemiany fazowej, J/kg
- prędkość przesuwania się płaszczyzny
zmiany fazy wzdłuż promienia R, m/s
R(t)+ - promień, m
Tm
L
R’
TL
- temperatura fazy ciekłej, C
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – pomiary
Otrzymany z pomiarów czas topnienia wynoszący tqsmelt = 13.5
minuty porównano z modelem teoretycznym.
Waga PCM znajdującego się w kuli wynosiła 28,832 g, a
średnica zastępczej kuli wypełnionej tylko PCM wynosi 20,76
mm. Po wstawieniu danych otrzymano czas ładowania
t melt
qs
770 176000
6 0 . 2 (157 82 )
0 . 021
2
11 . 1 minut
Różnica czasów 13.5 - 11.1 minuty wynika z dwóch przyczyn:
- PCM nie miał początkowej temperatury Tm=82 C i był
wymagany czas na jego podgrzanie do tej temperatury,
- w kuli występowała pustka powietrzna utrudniająca
wymianę ciepła pomiędzy olejem i materiałem PCM.
Dobrą zgodność dla badanej kuli uzyskano dla promienia
zastępczego Ro = 23 mm.
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula - mieszanina PCM-olej
W celu poprawy konwekcji ciepła wewnątrz kul i przyspieszenia
procesu roztapiania PCM - zmieszano go w różnych proporcjach z
olejem, umieszczono w kulach plastikowych o średnicy 4 cm i
poddano z zewnątrz procesowi ogrzewania olejem o różnych
temperaturach.
Zauważyć można, że:
-dla kul z mniejszym udziałem PCM czas topnienia jest krótszy,
(mniejsza ilość materiału PCM oraz lepsza konwekcja
wewnętrzna)
80
70
100⁰C
-im więcej oleju tym krótszy czas ładowania, ale gorsze własności
akumulacyjne (pojemność cieplna PCM / olej).
-im wyższa temperatura ładowania, tym mniejszy wpływ efektu
dodania oleju. Różnice w czasach ładowania (do 15%) w praktyce
są pomijalne.
C z a s to p n i e n ia , m in u ty
60
50
110⁰C
40
120⁰C
30
130⁰C
20
150⁰C
10
0
50-50
60-40
70-30
80-20
85-15
90-10
95-05
98-02
Skład procentow y P C M - olej
Rys. 3.4 Przebieg topnienia kul o średnicy 4 cm
z mieszaniną PCM - olej
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Złoże filtracyjne z kul wypełnionych PCM
Topnienie kul trwało 106 minut.
Długi czas wynika z małej różnicy
temperatur wody i przemiany fazowej
TL-Tm = 3 10 C.
Eksperymentalnie otrzymany czas pokrywa
się
z
obliczeniami
teoretycznymi
przeprowadzonymi dla pojedynczej kuli
(rys. 3.3) dla TL=90 C.
Warunkiem zakończenia ładowania był brak
odbioru ciepła przez materiał PCM
(punkt B, rys. 3.5).
Bilans cieplny akumulatora:
- maksymalna moc cieplna: 5,32 kW,
- ciepło rozgrzewania: 1262 MJ,
- ciepło ładowania kul: 472 MJ.
- ciepło przemiany fazowej kul: 1,76 MJ.
Akumulator nie był całkowicie zaizolowany,
stąd do otoczenia stracono ponad 470 MJ.
Rys. 3.5 Przebiegi temperatury T w czasie ładowania i rozładowania
akumulatora ze złożem filtracyjnym w postaci kul,
kolor fioletowy – temperatura wody w akumulatorze Tw,
kolor żółty – temperatura wody zasilającej ramkę Tz,
kolor brązowy – temperatura wody powrotnej z ramki Tp
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Materiał PCM
PCM stopił się po czasie 240-300 minut.
Na długi czas ładowania miały wpływ niekorzystne czynniki
opisane poniżej.
Zjawiska zachodzące podczas ładowania:
- PCM krzepł na ściankach akumulatora (temperatura
mniejsza od temperatury topnienia Tm);
- wokół rurek w wewnętrznej części ranki tworzą się kanały
z płynnym materiałem PCM (łatwiejsze topnienie warstw
znajdujących się dalej od rurki);
- rurki w zewnętrznej części ramki są otoczone pustką
powietrzną (PCM spłynął do pustych przestrzeni,
trudniejsze topnienie PCM w obszarze rurek).
Rys. 3.4 Widok akumulatora płaszczowo-rurowego
(schemat, pusty, zasypany materiałem PCM)
Zjawiska zachodzące podczas rozładowywania:
- pęknięcia i puste przestrzenie powietrzne (powstałe na
skutek różnicy objętości fazy stałej VS < VL o 14% );
- materiał PCM pęka tworząc mniejsze bloki (ponowny
proces ładowania utrudniony ze względu na niski
współczynnik przewodzenia powietrza).
Rys.
3.5
Termiczna
blokada
ładowania
akumulatora (puste przestrzenie w które wpływa
roztapiany PCM)
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
W celu przyspieszenia procesu ładowania materiału PCM
wprowadzano wodę do akumulatora.
a
b
Opis ładowania akumulatora po zalaniu wodą:
-woda wypełniła akumulator ponad powierzchnię PCM;
-w ciągu 10 minut temperatura wzrosła przy ściance z 31 C na 49 C
(znacznie polepszony rozpływ ciepła);
-po rozpuszczeniu części PCM, widoczna granica międzyfazowa: woda /
ciekły PCM / stały PCM;
-ciekły PCM wypływa na powierzchnię i krzepnie (prądy konwekcyjne
mieszaniny ciekły PCM / woda przemieszczają się z prędkością 13 cm/s,
temperatury wewnątrz akumulatora: 8188 C, przy ściance: 46 C;
-para wrzącej wody unosi się przez ciekły PCM i rozpuszcza stały PCM
znajdujący się na powierzchni (temperatura przy ściance 61,7 C –
najszybsza zmiana fazy w materiale PCM).
Jeżeli na dole zasobnika jest materiał PCM, to woda dociera
nad niego i roztapia go. Dzięki mniejszej gęstości fazy ciekłej
materiał PCM wypływa na górę. Stąd, po pewnym czasie,
woda znajdzie się na dnie, a PCM na górze. Woda powinna
zalewać dolną kratownicę rurek, ponieważ wtedy szybciej
ładuje się zasobnik ciepłem.
c
PCM
WODA
Rys. 3.6 Akumulator a, b – z PCM’em,
c – z mieszaniną binarną PCM-woda
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Na charakterystykach widoczne są
temperatury wody zasilającej ramkę
Tz, wody powracającej z ramki Tp,
temperatury materiału PCM oraz
temperatura otoczenia.
W początkowej fazie temperatury
wody zasilającej Tz jak i powrotnej Tp
wzrastały liniowo. Następnie były
utrzymywane ich stałe wartości:
Tz: 110 C, Tp: 104-105 C.
W akumulatorze znajdowało się:
- 44 kg materiału PCM (Tm = 77-82 C)
- 14 kg wody.
Czas ładowania: 233 minuty.
Rozładowanie akumulatora trwało 19
godzin 4 minuty.
Warunkiem zakończenia ładowania
było
wyrównanie
temperatur
wszystkich czujników rozmieszczonych
w materiale PCM.
Rys. 3.7 Przebieg procesu ładowania i rozładowania akumulatora płaszczoworurowego wypełnionego mieszaniną binarną PCM-woda w czasie
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Rys. 3.9. Zależność mocy cieplnej czasu w fazie ładowania
akumulatora filtracyjnego
Rys. 3.8. Zależność temperatury topnienia PCM od ciepła dla
danych z eksperymentu: 44 kg materiału PCM, ciepło
przemiany fazowej 176 kJ/kg . 44 kg = 7744 kJ
Różne frakcje parafin powodują pochylenie krzywej
temperatury w obszarze przemiany fazowej.
Ponadto widać, że ciepło właściwe PCM (styczna do
krzywej temperatury) zmienia się w funkcji
dostarczanego ciepła i aktualnej temperatury PCM.
Początek przemiany fazowej jest widoczny jako
wzrost pobieranej mocy lub wzrost różnicy
temperatur.
Nie pokrywa się on z deklarowanymi przez
producenta materiału PCM temperaturą przemiany
fazowej ze względu na spóźnioną reakcję czujnika
temperatury. Średnica czujnika wynosiła około 3 mm.
Stąd ciekły PCM potrzebował pewnego czasu, aby
otoczyć czujnik w całości.
3.3 AKUMULATOR WODNY
W celu porównania efektywności akumulatorów wypełnionych materiałem PCM przeprowadzono badania akumulacji z
zasobnikiem wodnym. Na rys. 3.10 pokazano ładowanie i rozładowanie akumulatora wodnego o takiej samej objętości
wody akumulującej ciepło jak łączna objętość wody i kul w akumulatorze filtracyjnym. Widoczna jest 2,5-krotnie
większa zdolność do akumulacji ciepła w akumulatorze z kulami wypełnionymi PCM (rys. 3.11).
WODA
Rys. 3.10. Rozładowanie akumulatora wodnego o takiej
samej objętości jak akumulator z kulami
PCM
Rys. 3.11. Rozładowanie akumulatora z kulami, oznaczenia
jak na rys. 3.7, zależność temperatury T od czasu
PODSUMOWANIE
4. PODSUMOWANIE
Eksperymentalnie zbadano własności dynamiczne akumulatora płaszczoworurowego i filtracyjnego. W celu przyspieszenia procesu ładowania i
pokonania bariery niskiego współczynnika przewodzenia ciepła dla materiału
PCM użyto medium pośredniczącego – wody – tworząc ciecz binarną.
Określono czas ładowania, czas rozładowania oraz opisano zjawiska
występujące podczas procesu ładowania i rozładowania akumulatora
płaszczowo - rurowego. Przykładowo czas ładowania od temperatury 25 C do
temperatury 99 C przy temperaturze wody zasilającej Tw=110 C wynosił
tqsmelt = 3 godziny 53 minuty.
Zbadano własności dynamiczne akumulatora filtracyjnego. Badano czas
topnienia tqsmelt pojedynczej kuli oraz akumulatora wypełnionego złożem w
postaci kul. Model teoretyczny czasu topnienia tqsmelt dla pojedynczej kuli
pokrywa się z wynikami uzyskanymi z eksperymentu. Uzyskane czasy
topnienia dla cylindrów i kuli wahają się od 5 minut do 68 minut w zależności
od geometrii. Również w przypadku badania złoża składającego się z kul czas
obliczony teoretycznie i zmierzony pokrywają się.
4. PODSUMOWANIE
Ważnym wnioskiem praktycznym jest to, że zarówno w przypadku akumulatora
płaszczowo – rurowego jak i filtracyjnego temperatura ciepła odbieranego nie była
stała w obszarze przejścia fazowego, pomimo, że jest stała na wykresie fazowym w tym
obszarze. Jeżeli materiał PCM krzepnie, to od strony odbioru ciepła tworzy się warstwa
stałego PCM, którego temperatura zaczyna spadać. Jeżeli topnieje, to średnia
temperatura w akumulatorze rośnie. Ponadto przy odbiorze ciepła pojawiają się
różnice w prędkości spadku temperatury PCM w akumulatorze. Najszybciej temperatura
spada do temperatury przejścia fazowego Tm, potem prędkość spadku zmniejsza się.
Z obu konstrukcji autorzy wskazują akumulator filtracyjny ze złożem w postaci kul jako
ten, który może być zastosowany w praktyce. Jest tak ze względu na krótki czas
ładowania i prostotę budowy wiążącą się z jego niezawodnością. Im krótszy czas
topnienia, tym więcej energii można odebrać od źródła ciepła odpadowego. Stąd
krotność odbioru ciepła w ciągu doby decyduje o średnicy kul wypełnionych materiałem
PCM.
pytania / komentarze / dyskusja
Dziękujemy za uwagę
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
PROGRAM STRATEGICZNY – ZAAWANSOWANE TECHNOLO
GIE POZYSKIWANIA ENERGII
ZADANIE NR 1 – „Opracowanie technologii dla wysokosprawnych „zero-emisyjnych”
bloków węglowych zintegrowanych z wychwytem CO ze spalin”
Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju zgodnie z umową
nr SP/E/1/67484/10 z dnia 05 maja 2010r, numer projektu: SP/E/1/67484/10
2
Slide 12
Wydział Mechaniczno-Energetyczny
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
Badania
efektywności akumulacji ciepła
w materiale o zmiennej fazie
SPIS TREŚCI
1. Wstęp
2. Stanowisko badawcze
3. Wyniki badań laboratoryjnych i ich analiza
3.1 Akumulator filtracyjny
3.2 Akumulator płaszczowo-rurowy
3.3 Akumulator wodny
4. Podsumowanie
1. WSTĘP
Podstawowym celem badań był wybór konstrukcji
akumulatora ciepła z wykorzystaniem materiału o
zmiennej fazie (ang. PCM – phase changing material)
zapewniającym największe wykorzystanie dostępnego
ciepła (np. ciepła odpadowego spalin za kotłem w
elektrowni).
Zbadano dwie konstrukcje – płaszczowo – rurową i
filtracyjną.
W akumulatorze płaszczowo – rurowym materiał PCM
znajdował się pomiędzy płaszczem i rurkami grzejnymi,
w których płynęła woda podgrzewając PCM.
W akumulatorze filtracyjnym PCM był umieszczony w
kulach o średnicy 4 cm. Woda grzejna swobodnie
przepływała pomiędzy kulami, w których następowała
akumulacja ciepła z zajściem przemiany fazowej.
W eksperymencie z pojedynczą kulą obserwowano
przemianę fazową w funkcji czasu. Przestrzeń wokół
kuli była wypełniona olejem ze względu na jego wyższą
temperaturę wrzenia przy ciśnieniu atmosferycznym.
Porównano wyniki eksperymentalne i teoretyczne.
A
B
2. STANOWISKO BADAWCZE
Woda jest częściowo podgrzewana
w wymienniku c.o. 1, regulowana pompa
2 wymusza obieg wody grzewczej do
instalacji
c.o.
budynku
oraz
akumulatorów 9, 10. Brakująca część
energii
potrzebnej
do
ładowania
akumulatora jest uzupełniana przez
grzałki elektryczne 5 sterowane przez
regulator 6 w funkcji temperatury wody
14. Pompa była regulaowana w funkcji
strumienia wody (p-v). W czasie
ładowania akumulatora otwierany był
zawór odcinający 16 ze względu na
przejmowanie wahań objętości wody po
jej podgrzaniu przez instalację c.o.
budynku. Zawór odcinający 15 był
wówczas
zamknięty.
W
czasie
rozładowania akumulatora otwierano
zawory 15 i 16. Do pomiaru temperatury
wewnątrz akumulatora wykorzystano
moduły 7 (ADAM firmy Advantech) oraz
rejestrator 8 (AR205 firmy Apar). Czujniki
temperatury 13 były umieszczone w
akumulatorze.
Do
układu
hydraulicznego
przyłączano akumulator ze złożem
filtracyjnym i płaszczowo-rurowym.
Rys.2.1 Schemat układu hydraulicznego z
akumulatorem płaszczowo-rurowym, filtracyjnym
i wodnym
1 – wymiennik ciepła węzeł cieplny/instalacja c.o., 2 – pompa z regulatorem prędkości
obrotowej, 3 – instalacja c.o. budynku, 4 – filtr, 5 – grzałki elektryczne, 6 - regulator
temperatury wody (nazwa : ATR), 7 – grupa modułów do rejestracji pomiarów temperatury
(nazwa : Adam), 8 – rejestrator pomiarów temperatury (nazwa: AR 205), 9 – akumulator
płaszczowo – rurowy, 10 – akumulator filtracyjny, 11 – przepływomierz, 12 – manometr, 13 –
czujnik temperatury, 14 – czujnik temperatury, 15 – zawór odcinający przewód zasilający
instalacji c.o., 16 – zawór odcinający przewód powrotny instalacji c.o.
2. STANOWISKO BADAWCZE
Widok stanowiska badawczego
Wyniki badań laboratoryjnych
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula
Celem eksperymentu była weryfikacja teoretycznego czasu
topnienia pojedynczej kuli tqsmelt. Mając eksperymentalnie
zweryfikowany model teoretyczny można wyciągać wnioski dla
złoża składającego się z kul.
Eksperyment przeprowadzono następująco:
- rozgrzano olej do średniej temperatury 157 C, regulator
RE14 dwustanowo utrzymywał tę temperaturę,
- następnie wrzucono kulę, której temperatura była równa
temperaturze otoczenia 25 C
Ze względu na różnicę gęstości pomiędzy fazą stałą i ciekłą S
>L powodującą zmniejszenie się objętości fazy stałej VS < VL o
14% podczas przemiany fazowej na górze kuli pozostawiono
wolną przestrzeń przejmującą objętość rozszerzającego się
materiału
Rys. 3.1 Przebieg topnienia PCM w kuli o średnicy 4 cm
poziom wody
Akumulator filtracyjny
Eksperyment przeprowadzono w złożu stacjonarnym w
akumulatorze z ramkami. W jego trakcie stosowano zmienne
temperatury wody zasilającej ramkę kolejno 110 C, 100 C,
105 C, 95 C. Przed wrzuceniem kul do akumulatora rozgrzano
znajdującą się w nim wodę do temperatury 90 C.
Rys. 3.2 Widok kul po wrzuceniu do akumulatora
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – model teoretyczny
Przy założeniu stałych własności PCM zagadnienie rozwiązano za
pomocą równania przewodnictwa ciepła:
z warunkiem Stefana wymiany ciepła na płaszczyźnie zmiany fazy:
w przypadku stałej temperatury TL płynnego PCM:
czas ładowania kuli tqsmelt wynosi:
gdzie:
- gęstość stałego PCM, kg/m3
cL
- ciepło właściwe fazy ciekłej, J/kgK
Tt
- pochodna temperatury po czasie, C/s
kL
- współczynnik przewodzenia ciepła fazy
ciekłej, W/mK
Tr
- pochodna temperatury po promieniu, C/m
- temperatura przemiany fazowej, C
- ciepło przemiany fazowej, J/kg
- prędkość przesuwania się płaszczyzny
zmiany fazy wzdłuż promienia R, m/s
R(t)+ - promień, m
Tm
L
R’
TL
- temperatura fazy ciekłej, C
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – pomiary
Otrzymany z pomiarów czas topnienia wynoszący tqsmelt = 13.5
minuty porównano z modelem teoretycznym.
Waga PCM znajdującego się w kuli wynosiła 28,832 g, a
średnica zastępczej kuli wypełnionej tylko PCM wynosi 20,76
mm. Po wstawieniu danych otrzymano czas ładowania
t melt
qs
770 176000
6 0 . 2 (157 82 )
0 . 021
2
11 . 1 minut
Różnica czasów 13.5 - 11.1 minuty wynika z dwóch przyczyn:
- PCM nie miał początkowej temperatury Tm=82 C i był
wymagany czas na jego podgrzanie do tej temperatury,
- w kuli występowała pustka powietrzna utrudniająca
wymianę ciepła pomiędzy olejem i materiałem PCM.
Dobrą zgodność dla badanej kuli uzyskano dla promienia
zastępczego Ro = 23 mm.
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula - mieszanina PCM-olej
W celu poprawy konwekcji ciepła wewnątrz kul i przyspieszenia
procesu roztapiania PCM - zmieszano go w różnych proporcjach z
olejem, umieszczono w kulach plastikowych o średnicy 4 cm i
poddano z zewnątrz procesowi ogrzewania olejem o różnych
temperaturach.
Zauważyć można, że:
-dla kul z mniejszym udziałem PCM czas topnienia jest krótszy,
(mniejsza ilość materiału PCM oraz lepsza konwekcja
wewnętrzna)
80
70
100⁰C
-im więcej oleju tym krótszy czas ładowania, ale gorsze własności
akumulacyjne (pojemność cieplna PCM / olej).
-im wyższa temperatura ładowania, tym mniejszy wpływ efektu
dodania oleju. Różnice w czasach ładowania (do 15%) w praktyce
są pomijalne.
C z a s to p n i e n ia , m in u ty
60
50
110⁰C
40
120⁰C
30
130⁰C
20
150⁰C
10
0
50-50
60-40
70-30
80-20
85-15
90-10
95-05
98-02
Skład procentow y P C M - olej
Rys. 3.4 Przebieg topnienia kul o średnicy 4 cm
z mieszaniną PCM - olej
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Złoże filtracyjne z kul wypełnionych PCM
Topnienie kul trwało 106 minut.
Długi czas wynika z małej różnicy
temperatur wody i przemiany fazowej
TL-Tm = 3 10 C.
Eksperymentalnie otrzymany czas pokrywa
się
z
obliczeniami
teoretycznymi
przeprowadzonymi dla pojedynczej kuli
(rys. 3.3) dla TL=90 C.
Warunkiem zakończenia ładowania był brak
odbioru ciepła przez materiał PCM
(punkt B, rys. 3.5).
Bilans cieplny akumulatora:
- maksymalna moc cieplna: 5,32 kW,
- ciepło rozgrzewania: 1262 MJ,
- ciepło ładowania kul: 472 MJ.
- ciepło przemiany fazowej kul: 1,76 MJ.
Akumulator nie był całkowicie zaizolowany,
stąd do otoczenia stracono ponad 470 MJ.
Rys. 3.5 Przebiegi temperatury T w czasie ładowania i rozładowania
akumulatora ze złożem filtracyjnym w postaci kul,
kolor fioletowy – temperatura wody w akumulatorze Tw,
kolor żółty – temperatura wody zasilającej ramkę Tz,
kolor brązowy – temperatura wody powrotnej z ramki Tp
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Materiał PCM
PCM stopił się po czasie 240-300 minut.
Na długi czas ładowania miały wpływ niekorzystne czynniki
opisane poniżej.
Zjawiska zachodzące podczas ładowania:
- PCM krzepł na ściankach akumulatora (temperatura
mniejsza od temperatury topnienia Tm);
- wokół rurek w wewnętrznej części ranki tworzą się kanały
z płynnym materiałem PCM (łatwiejsze topnienie warstw
znajdujących się dalej od rurki);
- rurki w zewnętrznej części ramki są otoczone pustką
powietrzną (PCM spłynął do pustych przestrzeni,
trudniejsze topnienie PCM w obszarze rurek).
Rys. 3.4 Widok akumulatora płaszczowo-rurowego
(schemat, pusty, zasypany materiałem PCM)
Zjawiska zachodzące podczas rozładowywania:
- pęknięcia i puste przestrzenie powietrzne (powstałe na
skutek różnicy objętości fazy stałej VS < VL o 14% );
- materiał PCM pęka tworząc mniejsze bloki (ponowny
proces ładowania utrudniony ze względu na niski
współczynnik przewodzenia powietrza).
Rys.
3.5
Termiczna
blokada
ładowania
akumulatora (puste przestrzenie w które wpływa
roztapiany PCM)
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
W celu przyspieszenia procesu ładowania materiału PCM
wprowadzano wodę do akumulatora.
a
b
Opis ładowania akumulatora po zalaniu wodą:
-woda wypełniła akumulator ponad powierzchnię PCM;
-w ciągu 10 minut temperatura wzrosła przy ściance z 31 C na 49 C
(znacznie polepszony rozpływ ciepła);
-po rozpuszczeniu części PCM, widoczna granica międzyfazowa: woda /
ciekły PCM / stały PCM;
-ciekły PCM wypływa na powierzchnię i krzepnie (prądy konwekcyjne
mieszaniny ciekły PCM / woda przemieszczają się z prędkością 13 cm/s,
temperatury wewnątrz akumulatora: 8188 C, przy ściance: 46 C;
-para wrzącej wody unosi się przez ciekły PCM i rozpuszcza stały PCM
znajdujący się na powierzchni (temperatura przy ściance 61,7 C –
najszybsza zmiana fazy w materiale PCM).
Jeżeli na dole zasobnika jest materiał PCM, to woda dociera
nad niego i roztapia go. Dzięki mniejszej gęstości fazy ciekłej
materiał PCM wypływa na górę. Stąd, po pewnym czasie,
woda znajdzie się na dnie, a PCM na górze. Woda powinna
zalewać dolną kratownicę rurek, ponieważ wtedy szybciej
ładuje się zasobnik ciepłem.
c
PCM
WODA
Rys. 3.6 Akumulator a, b – z PCM’em,
c – z mieszaniną binarną PCM-woda
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Na charakterystykach widoczne są
temperatury wody zasilającej ramkę
Tz, wody powracającej z ramki Tp,
temperatury materiału PCM oraz
temperatura otoczenia.
W początkowej fazie temperatury
wody zasilającej Tz jak i powrotnej Tp
wzrastały liniowo. Następnie były
utrzymywane ich stałe wartości:
Tz: 110 C, Tp: 104-105 C.
W akumulatorze znajdowało się:
- 44 kg materiału PCM (Tm = 77-82 C)
- 14 kg wody.
Czas ładowania: 233 minuty.
Rozładowanie akumulatora trwało 19
godzin 4 minuty.
Warunkiem zakończenia ładowania
było
wyrównanie
temperatur
wszystkich czujników rozmieszczonych
w materiale PCM.
Rys. 3.7 Przebieg procesu ładowania i rozładowania akumulatora płaszczoworurowego wypełnionego mieszaniną binarną PCM-woda w czasie
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Rys. 3.9. Zależność mocy cieplnej czasu w fazie ładowania
akumulatora filtracyjnego
Rys. 3.8. Zależność temperatury topnienia PCM od ciepła dla
danych z eksperymentu: 44 kg materiału PCM, ciepło
przemiany fazowej 176 kJ/kg . 44 kg = 7744 kJ
Różne frakcje parafin powodują pochylenie krzywej
temperatury w obszarze przemiany fazowej.
Ponadto widać, że ciepło właściwe PCM (styczna do
krzywej temperatury) zmienia się w funkcji
dostarczanego ciepła i aktualnej temperatury PCM.
Początek przemiany fazowej jest widoczny jako
wzrost pobieranej mocy lub wzrost różnicy
temperatur.
Nie pokrywa się on z deklarowanymi przez
producenta materiału PCM temperaturą przemiany
fazowej ze względu na spóźnioną reakcję czujnika
temperatury. Średnica czujnika wynosiła około 3 mm.
Stąd ciekły PCM potrzebował pewnego czasu, aby
otoczyć czujnik w całości.
3.3 AKUMULATOR WODNY
W celu porównania efektywności akumulatorów wypełnionych materiałem PCM przeprowadzono badania akumulacji z
zasobnikiem wodnym. Na rys. 3.10 pokazano ładowanie i rozładowanie akumulatora wodnego o takiej samej objętości
wody akumulującej ciepło jak łączna objętość wody i kul w akumulatorze filtracyjnym. Widoczna jest 2,5-krotnie
większa zdolność do akumulacji ciepła w akumulatorze z kulami wypełnionymi PCM (rys. 3.11).
WODA
Rys. 3.10. Rozładowanie akumulatora wodnego o takiej
samej objętości jak akumulator z kulami
PCM
Rys. 3.11. Rozładowanie akumulatora z kulami, oznaczenia
jak na rys. 3.7, zależność temperatury T od czasu
PODSUMOWANIE
4. PODSUMOWANIE
Eksperymentalnie zbadano własności dynamiczne akumulatora płaszczoworurowego i filtracyjnego. W celu przyspieszenia procesu ładowania i
pokonania bariery niskiego współczynnika przewodzenia ciepła dla materiału
PCM użyto medium pośredniczącego – wody – tworząc ciecz binarną.
Określono czas ładowania, czas rozładowania oraz opisano zjawiska
występujące podczas procesu ładowania i rozładowania akumulatora
płaszczowo - rurowego. Przykładowo czas ładowania od temperatury 25 C do
temperatury 99 C przy temperaturze wody zasilającej Tw=110 C wynosił
tqsmelt = 3 godziny 53 minuty.
Zbadano własności dynamiczne akumulatora filtracyjnego. Badano czas
topnienia tqsmelt pojedynczej kuli oraz akumulatora wypełnionego złożem w
postaci kul. Model teoretyczny czasu topnienia tqsmelt dla pojedynczej kuli
pokrywa się z wynikami uzyskanymi z eksperymentu. Uzyskane czasy
topnienia dla cylindrów i kuli wahają się od 5 minut do 68 minut w zależności
od geometrii. Również w przypadku badania złoża składającego się z kul czas
obliczony teoretycznie i zmierzony pokrywają się.
4. PODSUMOWANIE
Ważnym wnioskiem praktycznym jest to, że zarówno w przypadku akumulatora
płaszczowo – rurowego jak i filtracyjnego temperatura ciepła odbieranego nie była
stała w obszarze przejścia fazowego, pomimo, że jest stała na wykresie fazowym w tym
obszarze. Jeżeli materiał PCM krzepnie, to od strony odbioru ciepła tworzy się warstwa
stałego PCM, którego temperatura zaczyna spadać. Jeżeli topnieje, to średnia
temperatura w akumulatorze rośnie. Ponadto przy odbiorze ciepła pojawiają się
różnice w prędkości spadku temperatury PCM w akumulatorze. Najszybciej temperatura
spada do temperatury przejścia fazowego Tm, potem prędkość spadku zmniejsza się.
Z obu konstrukcji autorzy wskazują akumulator filtracyjny ze złożem w postaci kul jako
ten, który może być zastosowany w praktyce. Jest tak ze względu na krótki czas
ładowania i prostotę budowy wiążącą się z jego niezawodnością. Im krótszy czas
topnienia, tym więcej energii można odebrać od źródła ciepła odpadowego. Stąd
krotność odbioru ciepła w ciągu doby decyduje o średnicy kul wypełnionych materiałem
PCM.
pytania / komentarze / dyskusja
Dziękujemy za uwagę
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
PROGRAM STRATEGICZNY – ZAAWANSOWANE TECHNOLO
GIE POZYSKIWANIA ENERGII
ZADANIE NR 1 – „Opracowanie technologii dla wysokosprawnych „zero-emisyjnych”
bloków węglowych zintegrowanych z wychwytem CO ze spalin”
Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju zgodnie z umową
nr SP/E/1/67484/10 z dnia 05 maja 2010r, numer projektu: SP/E/1/67484/10
2
Slide 13
Wydział Mechaniczno-Energetyczny
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
Badania
efektywności akumulacji ciepła
w materiale o zmiennej fazie
SPIS TREŚCI
1. Wstęp
2. Stanowisko badawcze
3. Wyniki badań laboratoryjnych i ich analiza
3.1 Akumulator filtracyjny
3.2 Akumulator płaszczowo-rurowy
3.3 Akumulator wodny
4. Podsumowanie
1. WSTĘP
Podstawowym celem badań był wybór konstrukcji
akumulatora ciepła z wykorzystaniem materiału o
zmiennej fazie (ang. PCM – phase changing material)
zapewniającym największe wykorzystanie dostępnego
ciepła (np. ciepła odpadowego spalin za kotłem w
elektrowni).
Zbadano dwie konstrukcje – płaszczowo – rurową i
filtracyjną.
W akumulatorze płaszczowo – rurowym materiał PCM
znajdował się pomiędzy płaszczem i rurkami grzejnymi,
w których płynęła woda podgrzewając PCM.
W akumulatorze filtracyjnym PCM był umieszczony w
kulach o średnicy 4 cm. Woda grzejna swobodnie
przepływała pomiędzy kulami, w których następowała
akumulacja ciepła z zajściem przemiany fazowej.
W eksperymencie z pojedynczą kulą obserwowano
przemianę fazową w funkcji czasu. Przestrzeń wokół
kuli była wypełniona olejem ze względu na jego wyższą
temperaturę wrzenia przy ciśnieniu atmosferycznym.
Porównano wyniki eksperymentalne i teoretyczne.
A
B
2. STANOWISKO BADAWCZE
Woda jest częściowo podgrzewana
w wymienniku c.o. 1, regulowana pompa
2 wymusza obieg wody grzewczej do
instalacji
c.o.
budynku
oraz
akumulatorów 9, 10. Brakująca część
energii
potrzebnej
do
ładowania
akumulatora jest uzupełniana przez
grzałki elektryczne 5 sterowane przez
regulator 6 w funkcji temperatury wody
14. Pompa była regulaowana w funkcji
strumienia wody (p-v). W czasie
ładowania akumulatora otwierany był
zawór odcinający 16 ze względu na
przejmowanie wahań objętości wody po
jej podgrzaniu przez instalację c.o.
budynku. Zawór odcinający 15 był
wówczas
zamknięty.
W
czasie
rozładowania akumulatora otwierano
zawory 15 i 16. Do pomiaru temperatury
wewnątrz akumulatora wykorzystano
moduły 7 (ADAM firmy Advantech) oraz
rejestrator 8 (AR205 firmy Apar). Czujniki
temperatury 13 były umieszczone w
akumulatorze.
Do
układu
hydraulicznego
przyłączano akumulator ze złożem
filtracyjnym i płaszczowo-rurowym.
Rys.2.1 Schemat układu hydraulicznego z
akumulatorem płaszczowo-rurowym, filtracyjnym
i wodnym
1 – wymiennik ciepła węzeł cieplny/instalacja c.o., 2 – pompa z regulatorem prędkości
obrotowej, 3 – instalacja c.o. budynku, 4 – filtr, 5 – grzałki elektryczne, 6 - regulator
temperatury wody (nazwa : ATR), 7 – grupa modułów do rejestracji pomiarów temperatury
(nazwa : Adam), 8 – rejestrator pomiarów temperatury (nazwa: AR 205), 9 – akumulator
płaszczowo – rurowy, 10 – akumulator filtracyjny, 11 – przepływomierz, 12 – manometr, 13 –
czujnik temperatury, 14 – czujnik temperatury, 15 – zawór odcinający przewód zasilający
instalacji c.o., 16 – zawór odcinający przewód powrotny instalacji c.o.
2. STANOWISKO BADAWCZE
Widok stanowiska badawczego
Wyniki badań laboratoryjnych
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula
Celem eksperymentu była weryfikacja teoretycznego czasu
topnienia pojedynczej kuli tqsmelt. Mając eksperymentalnie
zweryfikowany model teoretyczny można wyciągać wnioski dla
złoża składającego się z kul.
Eksperyment przeprowadzono następująco:
- rozgrzano olej do średniej temperatury 157 C, regulator
RE14 dwustanowo utrzymywał tę temperaturę,
- następnie wrzucono kulę, której temperatura była równa
temperaturze otoczenia 25 C
Ze względu na różnicę gęstości pomiędzy fazą stałą i ciekłą S
>L powodującą zmniejszenie się objętości fazy stałej VS < VL o
14% podczas przemiany fazowej na górze kuli pozostawiono
wolną przestrzeń przejmującą objętość rozszerzającego się
materiału
Rys. 3.1 Przebieg topnienia PCM w kuli o średnicy 4 cm
poziom wody
Akumulator filtracyjny
Eksperyment przeprowadzono w złożu stacjonarnym w
akumulatorze z ramkami. W jego trakcie stosowano zmienne
temperatury wody zasilającej ramkę kolejno 110 C, 100 C,
105 C, 95 C. Przed wrzuceniem kul do akumulatora rozgrzano
znajdującą się w nim wodę do temperatury 90 C.
Rys. 3.2 Widok kul po wrzuceniu do akumulatora
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – model teoretyczny
Przy założeniu stałych własności PCM zagadnienie rozwiązano za
pomocą równania przewodnictwa ciepła:
z warunkiem Stefana wymiany ciepła na płaszczyźnie zmiany fazy:
w przypadku stałej temperatury TL płynnego PCM:
czas ładowania kuli tqsmelt wynosi:
gdzie:
- gęstość stałego PCM, kg/m3
cL
- ciepło właściwe fazy ciekłej, J/kgK
Tt
- pochodna temperatury po czasie, C/s
kL
- współczynnik przewodzenia ciepła fazy
ciekłej, W/mK
Tr
- pochodna temperatury po promieniu, C/m
- temperatura przemiany fazowej, C
- ciepło przemiany fazowej, J/kg
- prędkość przesuwania się płaszczyzny
zmiany fazy wzdłuż promienia R, m/s
R(t)+ - promień, m
Tm
L
R’
TL
- temperatura fazy ciekłej, C
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – pomiary
Otrzymany z pomiarów czas topnienia wynoszący tqsmelt = 13.5
minuty porównano z modelem teoretycznym.
Waga PCM znajdującego się w kuli wynosiła 28,832 g, a
średnica zastępczej kuli wypełnionej tylko PCM wynosi 20,76
mm. Po wstawieniu danych otrzymano czas ładowania
t melt
qs
770 176000
6 0 . 2 (157 82 )
0 . 021
2
11 . 1 minut
Różnica czasów 13.5 - 11.1 minuty wynika z dwóch przyczyn:
- PCM nie miał początkowej temperatury Tm=82 C i był
wymagany czas na jego podgrzanie do tej temperatury,
- w kuli występowała pustka powietrzna utrudniająca
wymianę ciepła pomiędzy olejem i materiałem PCM.
Dobrą zgodność dla badanej kuli uzyskano dla promienia
zastępczego Ro = 23 mm.
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula - mieszanina PCM-olej
W celu poprawy konwekcji ciepła wewnątrz kul i przyspieszenia
procesu roztapiania PCM - zmieszano go w różnych proporcjach z
olejem, umieszczono w kulach plastikowych o średnicy 4 cm i
poddano z zewnątrz procesowi ogrzewania olejem o różnych
temperaturach.
Zauważyć można, że:
-dla kul z mniejszym udziałem PCM czas topnienia jest krótszy,
(mniejsza ilość materiału PCM oraz lepsza konwekcja
wewnętrzna)
80
70
100⁰C
-im więcej oleju tym krótszy czas ładowania, ale gorsze własności
akumulacyjne (pojemność cieplna PCM / olej).
-im wyższa temperatura ładowania, tym mniejszy wpływ efektu
dodania oleju. Różnice w czasach ładowania (do 15%) w praktyce
są pomijalne.
C z a s to p n i e n ia , m in u ty
60
50
110⁰C
40
120⁰C
30
130⁰C
20
150⁰C
10
0
50-50
60-40
70-30
80-20
85-15
90-10
95-05
98-02
Skład procentow y P C M - olej
Rys. 3.4 Przebieg topnienia kul o średnicy 4 cm
z mieszaniną PCM - olej
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Złoże filtracyjne z kul wypełnionych PCM
Topnienie kul trwało 106 minut.
Długi czas wynika z małej różnicy
temperatur wody i przemiany fazowej
TL-Tm = 3 10 C.
Eksperymentalnie otrzymany czas pokrywa
się
z
obliczeniami
teoretycznymi
przeprowadzonymi dla pojedynczej kuli
(rys. 3.3) dla TL=90 C.
Warunkiem zakończenia ładowania był brak
odbioru ciepła przez materiał PCM
(punkt B, rys. 3.5).
Bilans cieplny akumulatora:
- maksymalna moc cieplna: 5,32 kW,
- ciepło rozgrzewania: 1262 MJ,
- ciepło ładowania kul: 472 MJ.
- ciepło przemiany fazowej kul: 1,76 MJ.
Akumulator nie był całkowicie zaizolowany,
stąd do otoczenia stracono ponad 470 MJ.
Rys. 3.5 Przebiegi temperatury T w czasie ładowania i rozładowania
akumulatora ze złożem filtracyjnym w postaci kul,
kolor fioletowy – temperatura wody w akumulatorze Tw,
kolor żółty – temperatura wody zasilającej ramkę Tz,
kolor brązowy – temperatura wody powrotnej z ramki Tp
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Materiał PCM
PCM stopił się po czasie 240-300 minut.
Na długi czas ładowania miały wpływ niekorzystne czynniki
opisane poniżej.
Zjawiska zachodzące podczas ładowania:
- PCM krzepł na ściankach akumulatora (temperatura
mniejsza od temperatury topnienia Tm);
- wokół rurek w wewnętrznej części ranki tworzą się kanały
z płynnym materiałem PCM (łatwiejsze topnienie warstw
znajdujących się dalej od rurki);
- rurki w zewnętrznej części ramki są otoczone pustką
powietrzną (PCM spłynął do pustych przestrzeni,
trudniejsze topnienie PCM w obszarze rurek).
Rys. 3.4 Widok akumulatora płaszczowo-rurowego
(schemat, pusty, zasypany materiałem PCM)
Zjawiska zachodzące podczas rozładowywania:
- pęknięcia i puste przestrzenie powietrzne (powstałe na
skutek różnicy objętości fazy stałej VS < VL o 14% );
- materiał PCM pęka tworząc mniejsze bloki (ponowny
proces ładowania utrudniony ze względu na niski
współczynnik przewodzenia powietrza).
Rys.
3.5
Termiczna
blokada
ładowania
akumulatora (puste przestrzenie w które wpływa
roztapiany PCM)
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
W celu przyspieszenia procesu ładowania materiału PCM
wprowadzano wodę do akumulatora.
a
b
Opis ładowania akumulatora po zalaniu wodą:
-woda wypełniła akumulator ponad powierzchnię PCM;
-w ciągu 10 minut temperatura wzrosła przy ściance z 31 C na 49 C
(znacznie polepszony rozpływ ciepła);
-po rozpuszczeniu części PCM, widoczna granica międzyfazowa: woda /
ciekły PCM / stały PCM;
-ciekły PCM wypływa na powierzchnię i krzepnie (prądy konwekcyjne
mieszaniny ciekły PCM / woda przemieszczają się z prędkością 13 cm/s,
temperatury wewnątrz akumulatora: 8188 C, przy ściance: 46 C;
-para wrzącej wody unosi się przez ciekły PCM i rozpuszcza stały PCM
znajdujący się na powierzchni (temperatura przy ściance 61,7 C –
najszybsza zmiana fazy w materiale PCM).
Jeżeli na dole zasobnika jest materiał PCM, to woda dociera
nad niego i roztapia go. Dzięki mniejszej gęstości fazy ciekłej
materiał PCM wypływa na górę. Stąd, po pewnym czasie,
woda znajdzie się na dnie, a PCM na górze. Woda powinna
zalewać dolną kratownicę rurek, ponieważ wtedy szybciej
ładuje się zasobnik ciepłem.
c
PCM
WODA
Rys. 3.6 Akumulator a, b – z PCM’em,
c – z mieszaniną binarną PCM-woda
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Na charakterystykach widoczne są
temperatury wody zasilającej ramkę
Tz, wody powracającej z ramki Tp,
temperatury materiału PCM oraz
temperatura otoczenia.
W początkowej fazie temperatury
wody zasilającej Tz jak i powrotnej Tp
wzrastały liniowo. Następnie były
utrzymywane ich stałe wartości:
Tz: 110 C, Tp: 104-105 C.
W akumulatorze znajdowało się:
- 44 kg materiału PCM (Tm = 77-82 C)
- 14 kg wody.
Czas ładowania: 233 minuty.
Rozładowanie akumulatora trwało 19
godzin 4 minuty.
Warunkiem zakończenia ładowania
było
wyrównanie
temperatur
wszystkich czujników rozmieszczonych
w materiale PCM.
Rys. 3.7 Przebieg procesu ładowania i rozładowania akumulatora płaszczoworurowego wypełnionego mieszaniną binarną PCM-woda w czasie
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Rys. 3.9. Zależność mocy cieplnej czasu w fazie ładowania
akumulatora filtracyjnego
Rys. 3.8. Zależność temperatury topnienia PCM od ciepła dla
danych z eksperymentu: 44 kg materiału PCM, ciepło
przemiany fazowej 176 kJ/kg . 44 kg = 7744 kJ
Różne frakcje parafin powodują pochylenie krzywej
temperatury w obszarze przemiany fazowej.
Ponadto widać, że ciepło właściwe PCM (styczna do
krzywej temperatury) zmienia się w funkcji
dostarczanego ciepła i aktualnej temperatury PCM.
Początek przemiany fazowej jest widoczny jako
wzrost pobieranej mocy lub wzrost różnicy
temperatur.
Nie pokrywa się on z deklarowanymi przez
producenta materiału PCM temperaturą przemiany
fazowej ze względu na spóźnioną reakcję czujnika
temperatury. Średnica czujnika wynosiła około 3 mm.
Stąd ciekły PCM potrzebował pewnego czasu, aby
otoczyć czujnik w całości.
3.3 AKUMULATOR WODNY
W celu porównania efektywności akumulatorów wypełnionych materiałem PCM przeprowadzono badania akumulacji z
zasobnikiem wodnym. Na rys. 3.10 pokazano ładowanie i rozładowanie akumulatora wodnego o takiej samej objętości
wody akumulującej ciepło jak łączna objętość wody i kul w akumulatorze filtracyjnym. Widoczna jest 2,5-krotnie
większa zdolność do akumulacji ciepła w akumulatorze z kulami wypełnionymi PCM (rys. 3.11).
WODA
Rys. 3.10. Rozładowanie akumulatora wodnego o takiej
samej objętości jak akumulator z kulami
PCM
Rys. 3.11. Rozładowanie akumulatora z kulami, oznaczenia
jak na rys. 3.7, zależność temperatury T od czasu
PODSUMOWANIE
4. PODSUMOWANIE
Eksperymentalnie zbadano własności dynamiczne akumulatora płaszczoworurowego i filtracyjnego. W celu przyspieszenia procesu ładowania i
pokonania bariery niskiego współczynnika przewodzenia ciepła dla materiału
PCM użyto medium pośredniczącego – wody – tworząc ciecz binarną.
Określono czas ładowania, czas rozładowania oraz opisano zjawiska
występujące podczas procesu ładowania i rozładowania akumulatora
płaszczowo - rurowego. Przykładowo czas ładowania od temperatury 25 C do
temperatury 99 C przy temperaturze wody zasilającej Tw=110 C wynosił
tqsmelt = 3 godziny 53 minuty.
Zbadano własności dynamiczne akumulatora filtracyjnego. Badano czas
topnienia tqsmelt pojedynczej kuli oraz akumulatora wypełnionego złożem w
postaci kul. Model teoretyczny czasu topnienia tqsmelt dla pojedynczej kuli
pokrywa się z wynikami uzyskanymi z eksperymentu. Uzyskane czasy
topnienia dla cylindrów i kuli wahają się od 5 minut do 68 minut w zależności
od geometrii. Również w przypadku badania złoża składającego się z kul czas
obliczony teoretycznie i zmierzony pokrywają się.
4. PODSUMOWANIE
Ważnym wnioskiem praktycznym jest to, że zarówno w przypadku akumulatora
płaszczowo – rurowego jak i filtracyjnego temperatura ciepła odbieranego nie była
stała w obszarze przejścia fazowego, pomimo, że jest stała na wykresie fazowym w tym
obszarze. Jeżeli materiał PCM krzepnie, to od strony odbioru ciepła tworzy się warstwa
stałego PCM, którego temperatura zaczyna spadać. Jeżeli topnieje, to średnia
temperatura w akumulatorze rośnie. Ponadto przy odbiorze ciepła pojawiają się
różnice w prędkości spadku temperatury PCM w akumulatorze. Najszybciej temperatura
spada do temperatury przejścia fazowego Tm, potem prędkość spadku zmniejsza się.
Z obu konstrukcji autorzy wskazują akumulator filtracyjny ze złożem w postaci kul jako
ten, który może być zastosowany w praktyce. Jest tak ze względu na krótki czas
ładowania i prostotę budowy wiążącą się z jego niezawodnością. Im krótszy czas
topnienia, tym więcej energii można odebrać od źródła ciepła odpadowego. Stąd
krotność odbioru ciepła w ciągu doby decyduje o średnicy kul wypełnionych materiałem
PCM.
pytania / komentarze / dyskusja
Dziękujemy za uwagę
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
PROGRAM STRATEGICZNY – ZAAWANSOWANE TECHNOLO
GIE POZYSKIWANIA ENERGII
ZADANIE NR 1 – „Opracowanie technologii dla wysokosprawnych „zero-emisyjnych”
bloków węglowych zintegrowanych z wychwytem CO ze spalin”
Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju zgodnie z umową
nr SP/E/1/67484/10 z dnia 05 maja 2010r, numer projektu: SP/E/1/67484/10
2
Slide 14
Wydział Mechaniczno-Energetyczny
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
Badania
efektywności akumulacji ciepła
w materiale o zmiennej fazie
SPIS TREŚCI
1. Wstęp
2. Stanowisko badawcze
3. Wyniki badań laboratoryjnych i ich analiza
3.1 Akumulator filtracyjny
3.2 Akumulator płaszczowo-rurowy
3.3 Akumulator wodny
4. Podsumowanie
1. WSTĘP
Podstawowym celem badań był wybór konstrukcji
akumulatora ciepła z wykorzystaniem materiału o
zmiennej fazie (ang. PCM – phase changing material)
zapewniającym największe wykorzystanie dostępnego
ciepła (np. ciepła odpadowego spalin za kotłem w
elektrowni).
Zbadano dwie konstrukcje – płaszczowo – rurową i
filtracyjną.
W akumulatorze płaszczowo – rurowym materiał PCM
znajdował się pomiędzy płaszczem i rurkami grzejnymi,
w których płynęła woda podgrzewając PCM.
W akumulatorze filtracyjnym PCM był umieszczony w
kulach o średnicy 4 cm. Woda grzejna swobodnie
przepływała pomiędzy kulami, w których następowała
akumulacja ciepła z zajściem przemiany fazowej.
W eksperymencie z pojedynczą kulą obserwowano
przemianę fazową w funkcji czasu. Przestrzeń wokół
kuli była wypełniona olejem ze względu na jego wyższą
temperaturę wrzenia przy ciśnieniu atmosferycznym.
Porównano wyniki eksperymentalne i teoretyczne.
A
B
2. STANOWISKO BADAWCZE
Woda jest częściowo podgrzewana
w wymienniku c.o. 1, regulowana pompa
2 wymusza obieg wody grzewczej do
instalacji
c.o.
budynku
oraz
akumulatorów 9, 10. Brakująca część
energii
potrzebnej
do
ładowania
akumulatora jest uzupełniana przez
grzałki elektryczne 5 sterowane przez
regulator 6 w funkcji temperatury wody
14. Pompa była regulaowana w funkcji
strumienia wody (p-v). W czasie
ładowania akumulatora otwierany był
zawór odcinający 16 ze względu na
przejmowanie wahań objętości wody po
jej podgrzaniu przez instalację c.o.
budynku. Zawór odcinający 15 był
wówczas
zamknięty.
W
czasie
rozładowania akumulatora otwierano
zawory 15 i 16. Do pomiaru temperatury
wewnątrz akumulatora wykorzystano
moduły 7 (ADAM firmy Advantech) oraz
rejestrator 8 (AR205 firmy Apar). Czujniki
temperatury 13 były umieszczone w
akumulatorze.
Do
układu
hydraulicznego
przyłączano akumulator ze złożem
filtracyjnym i płaszczowo-rurowym.
Rys.2.1 Schemat układu hydraulicznego z
akumulatorem płaszczowo-rurowym, filtracyjnym
i wodnym
1 – wymiennik ciepła węzeł cieplny/instalacja c.o., 2 – pompa z regulatorem prędkości
obrotowej, 3 – instalacja c.o. budynku, 4 – filtr, 5 – grzałki elektryczne, 6 - regulator
temperatury wody (nazwa : ATR), 7 – grupa modułów do rejestracji pomiarów temperatury
(nazwa : Adam), 8 – rejestrator pomiarów temperatury (nazwa: AR 205), 9 – akumulator
płaszczowo – rurowy, 10 – akumulator filtracyjny, 11 – przepływomierz, 12 – manometr, 13 –
czujnik temperatury, 14 – czujnik temperatury, 15 – zawór odcinający przewód zasilający
instalacji c.o., 16 – zawór odcinający przewód powrotny instalacji c.o.
2. STANOWISKO BADAWCZE
Widok stanowiska badawczego
Wyniki badań laboratoryjnych
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula
Celem eksperymentu była weryfikacja teoretycznego czasu
topnienia pojedynczej kuli tqsmelt. Mając eksperymentalnie
zweryfikowany model teoretyczny można wyciągać wnioski dla
złoża składającego się z kul.
Eksperyment przeprowadzono następująco:
- rozgrzano olej do średniej temperatury 157 C, regulator
RE14 dwustanowo utrzymywał tę temperaturę,
- następnie wrzucono kulę, której temperatura była równa
temperaturze otoczenia 25 C
Ze względu na różnicę gęstości pomiędzy fazą stałą i ciekłą S
>L powodującą zmniejszenie się objętości fazy stałej VS < VL o
14% podczas przemiany fazowej na górze kuli pozostawiono
wolną przestrzeń przejmującą objętość rozszerzającego się
materiału
Rys. 3.1 Przebieg topnienia PCM w kuli o średnicy 4 cm
poziom wody
Akumulator filtracyjny
Eksperyment przeprowadzono w złożu stacjonarnym w
akumulatorze z ramkami. W jego trakcie stosowano zmienne
temperatury wody zasilającej ramkę kolejno 110 C, 100 C,
105 C, 95 C. Przed wrzuceniem kul do akumulatora rozgrzano
znajdującą się w nim wodę do temperatury 90 C.
Rys. 3.2 Widok kul po wrzuceniu do akumulatora
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – model teoretyczny
Przy założeniu stałych własności PCM zagadnienie rozwiązano za
pomocą równania przewodnictwa ciepła:
z warunkiem Stefana wymiany ciepła na płaszczyźnie zmiany fazy:
w przypadku stałej temperatury TL płynnego PCM:
czas ładowania kuli tqsmelt wynosi:
gdzie:
- gęstość stałego PCM, kg/m3
cL
- ciepło właściwe fazy ciekłej, J/kgK
Tt
- pochodna temperatury po czasie, C/s
kL
- współczynnik przewodzenia ciepła fazy
ciekłej, W/mK
Tr
- pochodna temperatury po promieniu, C/m
- temperatura przemiany fazowej, C
- ciepło przemiany fazowej, J/kg
- prędkość przesuwania się płaszczyzny
zmiany fazy wzdłuż promienia R, m/s
R(t)+ - promień, m
Tm
L
R’
TL
- temperatura fazy ciekłej, C
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – pomiary
Otrzymany z pomiarów czas topnienia wynoszący tqsmelt = 13.5
minuty porównano z modelem teoretycznym.
Waga PCM znajdującego się w kuli wynosiła 28,832 g, a
średnica zastępczej kuli wypełnionej tylko PCM wynosi 20,76
mm. Po wstawieniu danych otrzymano czas ładowania
t melt
qs
770 176000
6 0 . 2 (157 82 )
0 . 021
2
11 . 1 minut
Różnica czasów 13.5 - 11.1 minuty wynika z dwóch przyczyn:
- PCM nie miał początkowej temperatury Tm=82 C i był
wymagany czas na jego podgrzanie do tej temperatury,
- w kuli występowała pustka powietrzna utrudniająca
wymianę ciepła pomiędzy olejem i materiałem PCM.
Dobrą zgodność dla badanej kuli uzyskano dla promienia
zastępczego Ro = 23 mm.
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula - mieszanina PCM-olej
W celu poprawy konwekcji ciepła wewnątrz kul i przyspieszenia
procesu roztapiania PCM - zmieszano go w różnych proporcjach z
olejem, umieszczono w kulach plastikowych o średnicy 4 cm i
poddano z zewnątrz procesowi ogrzewania olejem o różnych
temperaturach.
Zauważyć można, że:
-dla kul z mniejszym udziałem PCM czas topnienia jest krótszy,
(mniejsza ilość materiału PCM oraz lepsza konwekcja
wewnętrzna)
80
70
100⁰C
-im więcej oleju tym krótszy czas ładowania, ale gorsze własności
akumulacyjne (pojemność cieplna PCM / olej).
-im wyższa temperatura ładowania, tym mniejszy wpływ efektu
dodania oleju. Różnice w czasach ładowania (do 15%) w praktyce
są pomijalne.
C z a s to p n i e n ia , m in u ty
60
50
110⁰C
40
120⁰C
30
130⁰C
20
150⁰C
10
0
50-50
60-40
70-30
80-20
85-15
90-10
95-05
98-02
Skład procentow y P C M - olej
Rys. 3.4 Przebieg topnienia kul o średnicy 4 cm
z mieszaniną PCM - olej
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Złoże filtracyjne z kul wypełnionych PCM
Topnienie kul trwało 106 minut.
Długi czas wynika z małej różnicy
temperatur wody i przemiany fazowej
TL-Tm = 3 10 C.
Eksperymentalnie otrzymany czas pokrywa
się
z
obliczeniami
teoretycznymi
przeprowadzonymi dla pojedynczej kuli
(rys. 3.3) dla TL=90 C.
Warunkiem zakończenia ładowania był brak
odbioru ciepła przez materiał PCM
(punkt B, rys. 3.5).
Bilans cieplny akumulatora:
- maksymalna moc cieplna: 5,32 kW,
- ciepło rozgrzewania: 1262 MJ,
- ciepło ładowania kul: 472 MJ.
- ciepło przemiany fazowej kul: 1,76 MJ.
Akumulator nie był całkowicie zaizolowany,
stąd do otoczenia stracono ponad 470 MJ.
Rys. 3.5 Przebiegi temperatury T w czasie ładowania i rozładowania
akumulatora ze złożem filtracyjnym w postaci kul,
kolor fioletowy – temperatura wody w akumulatorze Tw,
kolor żółty – temperatura wody zasilającej ramkę Tz,
kolor brązowy – temperatura wody powrotnej z ramki Tp
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Materiał PCM
PCM stopił się po czasie 240-300 minut.
Na długi czas ładowania miały wpływ niekorzystne czynniki
opisane poniżej.
Zjawiska zachodzące podczas ładowania:
- PCM krzepł na ściankach akumulatora (temperatura
mniejsza od temperatury topnienia Tm);
- wokół rurek w wewnętrznej części ranki tworzą się kanały
z płynnym materiałem PCM (łatwiejsze topnienie warstw
znajdujących się dalej od rurki);
- rurki w zewnętrznej części ramki są otoczone pustką
powietrzną (PCM spłynął do pustych przestrzeni,
trudniejsze topnienie PCM w obszarze rurek).
Rys. 3.4 Widok akumulatora płaszczowo-rurowego
(schemat, pusty, zasypany materiałem PCM)
Zjawiska zachodzące podczas rozładowywania:
- pęknięcia i puste przestrzenie powietrzne (powstałe na
skutek różnicy objętości fazy stałej VS < VL o 14% );
- materiał PCM pęka tworząc mniejsze bloki (ponowny
proces ładowania utrudniony ze względu na niski
współczynnik przewodzenia powietrza).
Rys.
3.5
Termiczna
blokada
ładowania
akumulatora (puste przestrzenie w które wpływa
roztapiany PCM)
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
W celu przyspieszenia procesu ładowania materiału PCM
wprowadzano wodę do akumulatora.
a
b
Opis ładowania akumulatora po zalaniu wodą:
-woda wypełniła akumulator ponad powierzchnię PCM;
-w ciągu 10 minut temperatura wzrosła przy ściance z 31 C na 49 C
(znacznie polepszony rozpływ ciepła);
-po rozpuszczeniu części PCM, widoczna granica międzyfazowa: woda /
ciekły PCM / stały PCM;
-ciekły PCM wypływa na powierzchnię i krzepnie (prądy konwekcyjne
mieszaniny ciekły PCM / woda przemieszczają się z prędkością 13 cm/s,
temperatury wewnątrz akumulatora: 8188 C, przy ściance: 46 C;
-para wrzącej wody unosi się przez ciekły PCM i rozpuszcza stały PCM
znajdujący się na powierzchni (temperatura przy ściance 61,7 C –
najszybsza zmiana fazy w materiale PCM).
Jeżeli na dole zasobnika jest materiał PCM, to woda dociera
nad niego i roztapia go. Dzięki mniejszej gęstości fazy ciekłej
materiał PCM wypływa na górę. Stąd, po pewnym czasie,
woda znajdzie się na dnie, a PCM na górze. Woda powinna
zalewać dolną kratownicę rurek, ponieważ wtedy szybciej
ładuje się zasobnik ciepłem.
c
PCM
WODA
Rys. 3.6 Akumulator a, b – z PCM’em,
c – z mieszaniną binarną PCM-woda
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Na charakterystykach widoczne są
temperatury wody zasilającej ramkę
Tz, wody powracającej z ramki Tp,
temperatury materiału PCM oraz
temperatura otoczenia.
W początkowej fazie temperatury
wody zasilającej Tz jak i powrotnej Tp
wzrastały liniowo. Następnie były
utrzymywane ich stałe wartości:
Tz: 110 C, Tp: 104-105 C.
W akumulatorze znajdowało się:
- 44 kg materiału PCM (Tm = 77-82 C)
- 14 kg wody.
Czas ładowania: 233 minuty.
Rozładowanie akumulatora trwało 19
godzin 4 minuty.
Warunkiem zakończenia ładowania
było
wyrównanie
temperatur
wszystkich czujników rozmieszczonych
w materiale PCM.
Rys. 3.7 Przebieg procesu ładowania i rozładowania akumulatora płaszczoworurowego wypełnionego mieszaniną binarną PCM-woda w czasie
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Rys. 3.9. Zależność mocy cieplnej czasu w fazie ładowania
akumulatora filtracyjnego
Rys. 3.8. Zależność temperatury topnienia PCM od ciepła dla
danych z eksperymentu: 44 kg materiału PCM, ciepło
przemiany fazowej 176 kJ/kg . 44 kg = 7744 kJ
Różne frakcje parafin powodują pochylenie krzywej
temperatury w obszarze przemiany fazowej.
Ponadto widać, że ciepło właściwe PCM (styczna do
krzywej temperatury) zmienia się w funkcji
dostarczanego ciepła i aktualnej temperatury PCM.
Początek przemiany fazowej jest widoczny jako
wzrost pobieranej mocy lub wzrost różnicy
temperatur.
Nie pokrywa się on z deklarowanymi przez
producenta materiału PCM temperaturą przemiany
fazowej ze względu na spóźnioną reakcję czujnika
temperatury. Średnica czujnika wynosiła około 3 mm.
Stąd ciekły PCM potrzebował pewnego czasu, aby
otoczyć czujnik w całości.
3.3 AKUMULATOR WODNY
W celu porównania efektywności akumulatorów wypełnionych materiałem PCM przeprowadzono badania akumulacji z
zasobnikiem wodnym. Na rys. 3.10 pokazano ładowanie i rozładowanie akumulatora wodnego o takiej samej objętości
wody akumulującej ciepło jak łączna objętość wody i kul w akumulatorze filtracyjnym. Widoczna jest 2,5-krotnie
większa zdolność do akumulacji ciepła w akumulatorze z kulami wypełnionymi PCM (rys. 3.11).
WODA
Rys. 3.10. Rozładowanie akumulatora wodnego o takiej
samej objętości jak akumulator z kulami
PCM
Rys. 3.11. Rozładowanie akumulatora z kulami, oznaczenia
jak na rys. 3.7, zależność temperatury T od czasu
PODSUMOWANIE
4. PODSUMOWANIE
Eksperymentalnie zbadano własności dynamiczne akumulatora płaszczoworurowego i filtracyjnego. W celu przyspieszenia procesu ładowania i
pokonania bariery niskiego współczynnika przewodzenia ciepła dla materiału
PCM użyto medium pośredniczącego – wody – tworząc ciecz binarną.
Określono czas ładowania, czas rozładowania oraz opisano zjawiska
występujące podczas procesu ładowania i rozładowania akumulatora
płaszczowo - rurowego. Przykładowo czas ładowania od temperatury 25 C do
temperatury 99 C przy temperaturze wody zasilającej Tw=110 C wynosił
tqsmelt = 3 godziny 53 minuty.
Zbadano własności dynamiczne akumulatora filtracyjnego. Badano czas
topnienia tqsmelt pojedynczej kuli oraz akumulatora wypełnionego złożem w
postaci kul. Model teoretyczny czasu topnienia tqsmelt dla pojedynczej kuli
pokrywa się z wynikami uzyskanymi z eksperymentu. Uzyskane czasy
topnienia dla cylindrów i kuli wahają się od 5 minut do 68 minut w zależności
od geometrii. Również w przypadku badania złoża składającego się z kul czas
obliczony teoretycznie i zmierzony pokrywają się.
4. PODSUMOWANIE
Ważnym wnioskiem praktycznym jest to, że zarówno w przypadku akumulatora
płaszczowo – rurowego jak i filtracyjnego temperatura ciepła odbieranego nie była
stała w obszarze przejścia fazowego, pomimo, że jest stała na wykresie fazowym w tym
obszarze. Jeżeli materiał PCM krzepnie, to od strony odbioru ciepła tworzy się warstwa
stałego PCM, którego temperatura zaczyna spadać. Jeżeli topnieje, to średnia
temperatura w akumulatorze rośnie. Ponadto przy odbiorze ciepła pojawiają się
różnice w prędkości spadku temperatury PCM w akumulatorze. Najszybciej temperatura
spada do temperatury przejścia fazowego Tm, potem prędkość spadku zmniejsza się.
Z obu konstrukcji autorzy wskazują akumulator filtracyjny ze złożem w postaci kul jako
ten, który może być zastosowany w praktyce. Jest tak ze względu na krótki czas
ładowania i prostotę budowy wiążącą się z jego niezawodnością. Im krótszy czas
topnienia, tym więcej energii można odebrać od źródła ciepła odpadowego. Stąd
krotność odbioru ciepła w ciągu doby decyduje o średnicy kul wypełnionych materiałem
PCM.
pytania / komentarze / dyskusja
Dziękujemy za uwagę
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
PROGRAM STRATEGICZNY – ZAAWANSOWANE TECHNOLO
GIE POZYSKIWANIA ENERGII
ZADANIE NR 1 – „Opracowanie technologii dla wysokosprawnych „zero-emisyjnych”
bloków węglowych zintegrowanych z wychwytem CO ze spalin”
Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju zgodnie z umową
nr SP/E/1/67484/10 z dnia 05 maja 2010r, numer projektu: SP/E/1/67484/10
2
Slide 15
Wydział Mechaniczno-Energetyczny
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
Badania
efektywności akumulacji ciepła
w materiale o zmiennej fazie
SPIS TREŚCI
1. Wstęp
2. Stanowisko badawcze
3. Wyniki badań laboratoryjnych i ich analiza
3.1 Akumulator filtracyjny
3.2 Akumulator płaszczowo-rurowy
3.3 Akumulator wodny
4. Podsumowanie
1. WSTĘP
Podstawowym celem badań był wybór konstrukcji
akumulatora ciepła z wykorzystaniem materiału o
zmiennej fazie (ang. PCM – phase changing material)
zapewniającym największe wykorzystanie dostępnego
ciepła (np. ciepła odpadowego spalin za kotłem w
elektrowni).
Zbadano dwie konstrukcje – płaszczowo – rurową i
filtracyjną.
W akumulatorze płaszczowo – rurowym materiał PCM
znajdował się pomiędzy płaszczem i rurkami grzejnymi,
w których płynęła woda podgrzewając PCM.
W akumulatorze filtracyjnym PCM był umieszczony w
kulach o średnicy 4 cm. Woda grzejna swobodnie
przepływała pomiędzy kulami, w których następowała
akumulacja ciepła z zajściem przemiany fazowej.
W eksperymencie z pojedynczą kulą obserwowano
przemianę fazową w funkcji czasu. Przestrzeń wokół
kuli była wypełniona olejem ze względu na jego wyższą
temperaturę wrzenia przy ciśnieniu atmosferycznym.
Porównano wyniki eksperymentalne i teoretyczne.
A
B
2. STANOWISKO BADAWCZE
Woda jest częściowo podgrzewana
w wymienniku c.o. 1, regulowana pompa
2 wymusza obieg wody grzewczej do
instalacji
c.o.
budynku
oraz
akumulatorów 9, 10. Brakująca część
energii
potrzebnej
do
ładowania
akumulatora jest uzupełniana przez
grzałki elektryczne 5 sterowane przez
regulator 6 w funkcji temperatury wody
14. Pompa była regulaowana w funkcji
strumienia wody (p-v). W czasie
ładowania akumulatora otwierany był
zawór odcinający 16 ze względu na
przejmowanie wahań objętości wody po
jej podgrzaniu przez instalację c.o.
budynku. Zawór odcinający 15 był
wówczas
zamknięty.
W
czasie
rozładowania akumulatora otwierano
zawory 15 i 16. Do pomiaru temperatury
wewnątrz akumulatora wykorzystano
moduły 7 (ADAM firmy Advantech) oraz
rejestrator 8 (AR205 firmy Apar). Czujniki
temperatury 13 były umieszczone w
akumulatorze.
Do
układu
hydraulicznego
przyłączano akumulator ze złożem
filtracyjnym i płaszczowo-rurowym.
Rys.2.1 Schemat układu hydraulicznego z
akumulatorem płaszczowo-rurowym, filtracyjnym
i wodnym
1 – wymiennik ciepła węzeł cieplny/instalacja c.o., 2 – pompa z regulatorem prędkości
obrotowej, 3 – instalacja c.o. budynku, 4 – filtr, 5 – grzałki elektryczne, 6 - regulator
temperatury wody (nazwa : ATR), 7 – grupa modułów do rejestracji pomiarów temperatury
(nazwa : Adam), 8 – rejestrator pomiarów temperatury (nazwa: AR 205), 9 – akumulator
płaszczowo – rurowy, 10 – akumulator filtracyjny, 11 – przepływomierz, 12 – manometr, 13 –
czujnik temperatury, 14 – czujnik temperatury, 15 – zawór odcinający przewód zasilający
instalacji c.o., 16 – zawór odcinający przewód powrotny instalacji c.o.
2. STANOWISKO BADAWCZE
Widok stanowiska badawczego
Wyniki badań laboratoryjnych
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula
Celem eksperymentu była weryfikacja teoretycznego czasu
topnienia pojedynczej kuli tqsmelt. Mając eksperymentalnie
zweryfikowany model teoretyczny można wyciągać wnioski dla
złoża składającego się z kul.
Eksperyment przeprowadzono następująco:
- rozgrzano olej do średniej temperatury 157 C, regulator
RE14 dwustanowo utrzymywał tę temperaturę,
- następnie wrzucono kulę, której temperatura była równa
temperaturze otoczenia 25 C
Ze względu na różnicę gęstości pomiędzy fazą stałą i ciekłą S
>L powodującą zmniejszenie się objętości fazy stałej VS < VL o
14% podczas przemiany fazowej na górze kuli pozostawiono
wolną przestrzeń przejmującą objętość rozszerzającego się
materiału
Rys. 3.1 Przebieg topnienia PCM w kuli o średnicy 4 cm
poziom wody
Akumulator filtracyjny
Eksperyment przeprowadzono w złożu stacjonarnym w
akumulatorze z ramkami. W jego trakcie stosowano zmienne
temperatury wody zasilającej ramkę kolejno 110 C, 100 C,
105 C, 95 C. Przed wrzuceniem kul do akumulatora rozgrzano
znajdującą się w nim wodę do temperatury 90 C.
Rys. 3.2 Widok kul po wrzuceniu do akumulatora
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – model teoretyczny
Przy założeniu stałych własności PCM zagadnienie rozwiązano za
pomocą równania przewodnictwa ciepła:
z warunkiem Stefana wymiany ciepła na płaszczyźnie zmiany fazy:
w przypadku stałej temperatury TL płynnego PCM:
czas ładowania kuli tqsmelt wynosi:
gdzie:
- gęstość stałego PCM, kg/m3
cL
- ciepło właściwe fazy ciekłej, J/kgK
Tt
- pochodna temperatury po czasie, C/s
kL
- współczynnik przewodzenia ciepła fazy
ciekłej, W/mK
Tr
- pochodna temperatury po promieniu, C/m
- temperatura przemiany fazowej, C
- ciepło przemiany fazowej, J/kg
- prędkość przesuwania się płaszczyzny
zmiany fazy wzdłuż promienia R, m/s
R(t)+ - promień, m
Tm
L
R’
TL
- temperatura fazy ciekłej, C
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – pomiary
Otrzymany z pomiarów czas topnienia wynoszący tqsmelt = 13.5
minuty porównano z modelem teoretycznym.
Waga PCM znajdującego się w kuli wynosiła 28,832 g, a
średnica zastępczej kuli wypełnionej tylko PCM wynosi 20,76
mm. Po wstawieniu danych otrzymano czas ładowania
t melt
qs
770 176000
6 0 . 2 (157 82 )
0 . 021
2
11 . 1 minut
Różnica czasów 13.5 - 11.1 minuty wynika z dwóch przyczyn:
- PCM nie miał początkowej temperatury Tm=82 C i był
wymagany czas na jego podgrzanie do tej temperatury,
- w kuli występowała pustka powietrzna utrudniająca
wymianę ciepła pomiędzy olejem i materiałem PCM.
Dobrą zgodność dla badanej kuli uzyskano dla promienia
zastępczego Ro = 23 mm.
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula - mieszanina PCM-olej
W celu poprawy konwekcji ciepła wewnątrz kul i przyspieszenia
procesu roztapiania PCM - zmieszano go w różnych proporcjach z
olejem, umieszczono w kulach plastikowych o średnicy 4 cm i
poddano z zewnątrz procesowi ogrzewania olejem o różnych
temperaturach.
Zauważyć można, że:
-dla kul z mniejszym udziałem PCM czas topnienia jest krótszy,
(mniejsza ilość materiału PCM oraz lepsza konwekcja
wewnętrzna)
80
70
100⁰C
-im więcej oleju tym krótszy czas ładowania, ale gorsze własności
akumulacyjne (pojemność cieplna PCM / olej).
-im wyższa temperatura ładowania, tym mniejszy wpływ efektu
dodania oleju. Różnice w czasach ładowania (do 15%) w praktyce
są pomijalne.
C z a s to p n i e n ia , m in u ty
60
50
110⁰C
40
120⁰C
30
130⁰C
20
150⁰C
10
0
50-50
60-40
70-30
80-20
85-15
90-10
95-05
98-02
Skład procentow y P C M - olej
Rys. 3.4 Przebieg topnienia kul o średnicy 4 cm
z mieszaniną PCM - olej
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Złoże filtracyjne z kul wypełnionych PCM
Topnienie kul trwało 106 minut.
Długi czas wynika z małej różnicy
temperatur wody i przemiany fazowej
TL-Tm = 3 10 C.
Eksperymentalnie otrzymany czas pokrywa
się
z
obliczeniami
teoretycznymi
przeprowadzonymi dla pojedynczej kuli
(rys. 3.3) dla TL=90 C.
Warunkiem zakończenia ładowania był brak
odbioru ciepła przez materiał PCM
(punkt B, rys. 3.5).
Bilans cieplny akumulatora:
- maksymalna moc cieplna: 5,32 kW,
- ciepło rozgrzewania: 1262 MJ,
- ciepło ładowania kul: 472 MJ.
- ciepło przemiany fazowej kul: 1,76 MJ.
Akumulator nie był całkowicie zaizolowany,
stąd do otoczenia stracono ponad 470 MJ.
Rys. 3.5 Przebiegi temperatury T w czasie ładowania i rozładowania
akumulatora ze złożem filtracyjnym w postaci kul,
kolor fioletowy – temperatura wody w akumulatorze Tw,
kolor żółty – temperatura wody zasilającej ramkę Tz,
kolor brązowy – temperatura wody powrotnej z ramki Tp
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Materiał PCM
PCM stopił się po czasie 240-300 minut.
Na długi czas ładowania miały wpływ niekorzystne czynniki
opisane poniżej.
Zjawiska zachodzące podczas ładowania:
- PCM krzepł na ściankach akumulatora (temperatura
mniejsza od temperatury topnienia Tm);
- wokół rurek w wewnętrznej części ranki tworzą się kanały
z płynnym materiałem PCM (łatwiejsze topnienie warstw
znajdujących się dalej od rurki);
- rurki w zewnętrznej części ramki są otoczone pustką
powietrzną (PCM spłynął do pustych przestrzeni,
trudniejsze topnienie PCM w obszarze rurek).
Rys. 3.4 Widok akumulatora płaszczowo-rurowego
(schemat, pusty, zasypany materiałem PCM)
Zjawiska zachodzące podczas rozładowywania:
- pęknięcia i puste przestrzenie powietrzne (powstałe na
skutek różnicy objętości fazy stałej VS < VL o 14% );
- materiał PCM pęka tworząc mniejsze bloki (ponowny
proces ładowania utrudniony ze względu na niski
współczynnik przewodzenia powietrza).
Rys.
3.5
Termiczna
blokada
ładowania
akumulatora (puste przestrzenie w które wpływa
roztapiany PCM)
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
W celu przyspieszenia procesu ładowania materiału PCM
wprowadzano wodę do akumulatora.
a
b
Opis ładowania akumulatora po zalaniu wodą:
-woda wypełniła akumulator ponad powierzchnię PCM;
-w ciągu 10 minut temperatura wzrosła przy ściance z 31 C na 49 C
(znacznie polepszony rozpływ ciepła);
-po rozpuszczeniu części PCM, widoczna granica międzyfazowa: woda /
ciekły PCM / stały PCM;
-ciekły PCM wypływa na powierzchnię i krzepnie (prądy konwekcyjne
mieszaniny ciekły PCM / woda przemieszczają się z prędkością 13 cm/s,
temperatury wewnątrz akumulatora: 8188 C, przy ściance: 46 C;
-para wrzącej wody unosi się przez ciekły PCM i rozpuszcza stały PCM
znajdujący się na powierzchni (temperatura przy ściance 61,7 C –
najszybsza zmiana fazy w materiale PCM).
Jeżeli na dole zasobnika jest materiał PCM, to woda dociera
nad niego i roztapia go. Dzięki mniejszej gęstości fazy ciekłej
materiał PCM wypływa na górę. Stąd, po pewnym czasie,
woda znajdzie się na dnie, a PCM na górze. Woda powinna
zalewać dolną kratownicę rurek, ponieważ wtedy szybciej
ładuje się zasobnik ciepłem.
c
PCM
WODA
Rys. 3.6 Akumulator a, b – z PCM’em,
c – z mieszaniną binarną PCM-woda
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Na charakterystykach widoczne są
temperatury wody zasilającej ramkę
Tz, wody powracającej z ramki Tp,
temperatury materiału PCM oraz
temperatura otoczenia.
W początkowej fazie temperatury
wody zasilającej Tz jak i powrotnej Tp
wzrastały liniowo. Następnie były
utrzymywane ich stałe wartości:
Tz: 110 C, Tp: 104-105 C.
W akumulatorze znajdowało się:
- 44 kg materiału PCM (Tm = 77-82 C)
- 14 kg wody.
Czas ładowania: 233 minuty.
Rozładowanie akumulatora trwało 19
godzin 4 minuty.
Warunkiem zakończenia ładowania
było
wyrównanie
temperatur
wszystkich czujników rozmieszczonych
w materiale PCM.
Rys. 3.7 Przebieg procesu ładowania i rozładowania akumulatora płaszczoworurowego wypełnionego mieszaniną binarną PCM-woda w czasie
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Rys. 3.9. Zależność mocy cieplnej czasu w fazie ładowania
akumulatora filtracyjnego
Rys. 3.8. Zależność temperatury topnienia PCM od ciepła dla
danych z eksperymentu: 44 kg materiału PCM, ciepło
przemiany fazowej 176 kJ/kg . 44 kg = 7744 kJ
Różne frakcje parafin powodują pochylenie krzywej
temperatury w obszarze przemiany fazowej.
Ponadto widać, że ciepło właściwe PCM (styczna do
krzywej temperatury) zmienia się w funkcji
dostarczanego ciepła i aktualnej temperatury PCM.
Początek przemiany fazowej jest widoczny jako
wzrost pobieranej mocy lub wzrost różnicy
temperatur.
Nie pokrywa się on z deklarowanymi przez
producenta materiału PCM temperaturą przemiany
fazowej ze względu na spóźnioną reakcję czujnika
temperatury. Średnica czujnika wynosiła około 3 mm.
Stąd ciekły PCM potrzebował pewnego czasu, aby
otoczyć czujnik w całości.
3.3 AKUMULATOR WODNY
W celu porównania efektywności akumulatorów wypełnionych materiałem PCM przeprowadzono badania akumulacji z
zasobnikiem wodnym. Na rys. 3.10 pokazano ładowanie i rozładowanie akumulatora wodnego o takiej samej objętości
wody akumulującej ciepło jak łączna objętość wody i kul w akumulatorze filtracyjnym. Widoczna jest 2,5-krotnie
większa zdolność do akumulacji ciepła w akumulatorze z kulami wypełnionymi PCM (rys. 3.11).
WODA
Rys. 3.10. Rozładowanie akumulatora wodnego o takiej
samej objętości jak akumulator z kulami
PCM
Rys. 3.11. Rozładowanie akumulatora z kulami, oznaczenia
jak na rys. 3.7, zależność temperatury T od czasu
PODSUMOWANIE
4. PODSUMOWANIE
Eksperymentalnie zbadano własności dynamiczne akumulatora płaszczoworurowego i filtracyjnego. W celu przyspieszenia procesu ładowania i
pokonania bariery niskiego współczynnika przewodzenia ciepła dla materiału
PCM użyto medium pośredniczącego – wody – tworząc ciecz binarną.
Określono czas ładowania, czas rozładowania oraz opisano zjawiska
występujące podczas procesu ładowania i rozładowania akumulatora
płaszczowo - rurowego. Przykładowo czas ładowania od temperatury 25 C do
temperatury 99 C przy temperaturze wody zasilającej Tw=110 C wynosił
tqsmelt = 3 godziny 53 minuty.
Zbadano własności dynamiczne akumulatora filtracyjnego. Badano czas
topnienia tqsmelt pojedynczej kuli oraz akumulatora wypełnionego złożem w
postaci kul. Model teoretyczny czasu topnienia tqsmelt dla pojedynczej kuli
pokrywa się z wynikami uzyskanymi z eksperymentu. Uzyskane czasy
topnienia dla cylindrów i kuli wahają się od 5 minut do 68 minut w zależności
od geometrii. Również w przypadku badania złoża składającego się z kul czas
obliczony teoretycznie i zmierzony pokrywają się.
4. PODSUMOWANIE
Ważnym wnioskiem praktycznym jest to, że zarówno w przypadku akumulatora
płaszczowo – rurowego jak i filtracyjnego temperatura ciepła odbieranego nie była
stała w obszarze przejścia fazowego, pomimo, że jest stała na wykresie fazowym w tym
obszarze. Jeżeli materiał PCM krzepnie, to od strony odbioru ciepła tworzy się warstwa
stałego PCM, którego temperatura zaczyna spadać. Jeżeli topnieje, to średnia
temperatura w akumulatorze rośnie. Ponadto przy odbiorze ciepła pojawiają się
różnice w prędkości spadku temperatury PCM w akumulatorze. Najszybciej temperatura
spada do temperatury przejścia fazowego Tm, potem prędkość spadku zmniejsza się.
Z obu konstrukcji autorzy wskazują akumulator filtracyjny ze złożem w postaci kul jako
ten, który może być zastosowany w praktyce. Jest tak ze względu na krótki czas
ładowania i prostotę budowy wiążącą się z jego niezawodnością. Im krótszy czas
topnienia, tym więcej energii można odebrać od źródła ciepła odpadowego. Stąd
krotność odbioru ciepła w ciągu doby decyduje o średnicy kul wypełnionych materiałem
PCM.
pytania / komentarze / dyskusja
Dziękujemy za uwagę
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
PROGRAM STRATEGICZNY – ZAAWANSOWANE TECHNOLO
GIE POZYSKIWANIA ENERGII
ZADANIE NR 1 – „Opracowanie technologii dla wysokosprawnych „zero-emisyjnych”
bloków węglowych zintegrowanych z wychwytem CO ze spalin”
Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju zgodnie z umową
nr SP/E/1/67484/10 z dnia 05 maja 2010r, numer projektu: SP/E/1/67484/10
2
Slide 16
Wydział Mechaniczno-Energetyczny
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
Badania
efektywności akumulacji ciepła
w materiale o zmiennej fazie
SPIS TREŚCI
1. Wstęp
2. Stanowisko badawcze
3. Wyniki badań laboratoryjnych i ich analiza
3.1 Akumulator filtracyjny
3.2 Akumulator płaszczowo-rurowy
3.3 Akumulator wodny
4. Podsumowanie
1. WSTĘP
Podstawowym celem badań był wybór konstrukcji
akumulatora ciepła z wykorzystaniem materiału o
zmiennej fazie (ang. PCM – phase changing material)
zapewniającym największe wykorzystanie dostępnego
ciepła (np. ciepła odpadowego spalin za kotłem w
elektrowni).
Zbadano dwie konstrukcje – płaszczowo – rurową i
filtracyjną.
W akumulatorze płaszczowo – rurowym materiał PCM
znajdował się pomiędzy płaszczem i rurkami grzejnymi,
w których płynęła woda podgrzewając PCM.
W akumulatorze filtracyjnym PCM był umieszczony w
kulach o średnicy 4 cm. Woda grzejna swobodnie
przepływała pomiędzy kulami, w których następowała
akumulacja ciepła z zajściem przemiany fazowej.
W eksperymencie z pojedynczą kulą obserwowano
przemianę fazową w funkcji czasu. Przestrzeń wokół
kuli była wypełniona olejem ze względu na jego wyższą
temperaturę wrzenia przy ciśnieniu atmosferycznym.
Porównano wyniki eksperymentalne i teoretyczne.
A
B
2. STANOWISKO BADAWCZE
Woda jest częściowo podgrzewana
w wymienniku c.o. 1, regulowana pompa
2 wymusza obieg wody grzewczej do
instalacji
c.o.
budynku
oraz
akumulatorów 9, 10. Brakująca część
energii
potrzebnej
do
ładowania
akumulatora jest uzupełniana przez
grzałki elektryczne 5 sterowane przez
regulator 6 w funkcji temperatury wody
14. Pompa była regulaowana w funkcji
strumienia wody (p-v). W czasie
ładowania akumulatora otwierany był
zawór odcinający 16 ze względu na
przejmowanie wahań objętości wody po
jej podgrzaniu przez instalację c.o.
budynku. Zawór odcinający 15 był
wówczas
zamknięty.
W
czasie
rozładowania akumulatora otwierano
zawory 15 i 16. Do pomiaru temperatury
wewnątrz akumulatora wykorzystano
moduły 7 (ADAM firmy Advantech) oraz
rejestrator 8 (AR205 firmy Apar). Czujniki
temperatury 13 były umieszczone w
akumulatorze.
Do
układu
hydraulicznego
przyłączano akumulator ze złożem
filtracyjnym i płaszczowo-rurowym.
Rys.2.1 Schemat układu hydraulicznego z
akumulatorem płaszczowo-rurowym, filtracyjnym
i wodnym
1 – wymiennik ciepła węzeł cieplny/instalacja c.o., 2 – pompa z regulatorem prędkości
obrotowej, 3 – instalacja c.o. budynku, 4 – filtr, 5 – grzałki elektryczne, 6 - regulator
temperatury wody (nazwa : ATR), 7 – grupa modułów do rejestracji pomiarów temperatury
(nazwa : Adam), 8 – rejestrator pomiarów temperatury (nazwa: AR 205), 9 – akumulator
płaszczowo – rurowy, 10 – akumulator filtracyjny, 11 – przepływomierz, 12 – manometr, 13 –
czujnik temperatury, 14 – czujnik temperatury, 15 – zawór odcinający przewód zasilający
instalacji c.o., 16 – zawór odcinający przewód powrotny instalacji c.o.
2. STANOWISKO BADAWCZE
Widok stanowiska badawczego
Wyniki badań laboratoryjnych
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula
Celem eksperymentu była weryfikacja teoretycznego czasu
topnienia pojedynczej kuli tqsmelt. Mając eksperymentalnie
zweryfikowany model teoretyczny można wyciągać wnioski dla
złoża składającego się z kul.
Eksperyment przeprowadzono następująco:
- rozgrzano olej do średniej temperatury 157 C, regulator
RE14 dwustanowo utrzymywał tę temperaturę,
- następnie wrzucono kulę, której temperatura była równa
temperaturze otoczenia 25 C
Ze względu na różnicę gęstości pomiędzy fazą stałą i ciekłą S
>L powodującą zmniejszenie się objętości fazy stałej VS < VL o
14% podczas przemiany fazowej na górze kuli pozostawiono
wolną przestrzeń przejmującą objętość rozszerzającego się
materiału
Rys. 3.1 Przebieg topnienia PCM w kuli o średnicy 4 cm
poziom wody
Akumulator filtracyjny
Eksperyment przeprowadzono w złożu stacjonarnym w
akumulatorze z ramkami. W jego trakcie stosowano zmienne
temperatury wody zasilającej ramkę kolejno 110 C, 100 C,
105 C, 95 C. Przed wrzuceniem kul do akumulatora rozgrzano
znajdującą się w nim wodę do temperatury 90 C.
Rys. 3.2 Widok kul po wrzuceniu do akumulatora
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – model teoretyczny
Przy założeniu stałych własności PCM zagadnienie rozwiązano za
pomocą równania przewodnictwa ciepła:
z warunkiem Stefana wymiany ciepła na płaszczyźnie zmiany fazy:
w przypadku stałej temperatury TL płynnego PCM:
czas ładowania kuli tqsmelt wynosi:
gdzie:
- gęstość stałego PCM, kg/m3
cL
- ciepło właściwe fazy ciekłej, J/kgK
Tt
- pochodna temperatury po czasie, C/s
kL
- współczynnik przewodzenia ciepła fazy
ciekłej, W/mK
Tr
- pochodna temperatury po promieniu, C/m
- temperatura przemiany fazowej, C
- ciepło przemiany fazowej, J/kg
- prędkość przesuwania się płaszczyzny
zmiany fazy wzdłuż promienia R, m/s
R(t)+ - promień, m
Tm
L
R’
TL
- temperatura fazy ciekłej, C
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – pomiary
Otrzymany z pomiarów czas topnienia wynoszący tqsmelt = 13.5
minuty porównano z modelem teoretycznym.
Waga PCM znajdującego się w kuli wynosiła 28,832 g, a
średnica zastępczej kuli wypełnionej tylko PCM wynosi 20,76
mm. Po wstawieniu danych otrzymano czas ładowania
t melt
qs
770 176000
6 0 . 2 (157 82 )
0 . 021
2
11 . 1 minut
Różnica czasów 13.5 - 11.1 minuty wynika z dwóch przyczyn:
- PCM nie miał początkowej temperatury Tm=82 C i był
wymagany czas na jego podgrzanie do tej temperatury,
- w kuli występowała pustka powietrzna utrudniająca
wymianę ciepła pomiędzy olejem i materiałem PCM.
Dobrą zgodność dla badanej kuli uzyskano dla promienia
zastępczego Ro = 23 mm.
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula - mieszanina PCM-olej
W celu poprawy konwekcji ciepła wewnątrz kul i przyspieszenia
procesu roztapiania PCM - zmieszano go w różnych proporcjach z
olejem, umieszczono w kulach plastikowych o średnicy 4 cm i
poddano z zewnątrz procesowi ogrzewania olejem o różnych
temperaturach.
Zauważyć można, że:
-dla kul z mniejszym udziałem PCM czas topnienia jest krótszy,
(mniejsza ilość materiału PCM oraz lepsza konwekcja
wewnętrzna)
80
70
100⁰C
-im więcej oleju tym krótszy czas ładowania, ale gorsze własności
akumulacyjne (pojemność cieplna PCM / olej).
-im wyższa temperatura ładowania, tym mniejszy wpływ efektu
dodania oleju. Różnice w czasach ładowania (do 15%) w praktyce
są pomijalne.
C z a s to p n i e n ia , m in u ty
60
50
110⁰C
40
120⁰C
30
130⁰C
20
150⁰C
10
0
50-50
60-40
70-30
80-20
85-15
90-10
95-05
98-02
Skład procentow y P C M - olej
Rys. 3.4 Przebieg topnienia kul o średnicy 4 cm
z mieszaniną PCM - olej
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Złoże filtracyjne z kul wypełnionych PCM
Topnienie kul trwało 106 minut.
Długi czas wynika z małej różnicy
temperatur wody i przemiany fazowej
TL-Tm = 3 10 C.
Eksperymentalnie otrzymany czas pokrywa
się
z
obliczeniami
teoretycznymi
przeprowadzonymi dla pojedynczej kuli
(rys. 3.3) dla TL=90 C.
Warunkiem zakończenia ładowania był brak
odbioru ciepła przez materiał PCM
(punkt B, rys. 3.5).
Bilans cieplny akumulatora:
- maksymalna moc cieplna: 5,32 kW,
- ciepło rozgrzewania: 1262 MJ,
- ciepło ładowania kul: 472 MJ.
- ciepło przemiany fazowej kul: 1,76 MJ.
Akumulator nie był całkowicie zaizolowany,
stąd do otoczenia stracono ponad 470 MJ.
Rys. 3.5 Przebiegi temperatury T w czasie ładowania i rozładowania
akumulatora ze złożem filtracyjnym w postaci kul,
kolor fioletowy – temperatura wody w akumulatorze Tw,
kolor żółty – temperatura wody zasilającej ramkę Tz,
kolor brązowy – temperatura wody powrotnej z ramki Tp
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Materiał PCM
PCM stopił się po czasie 240-300 minut.
Na długi czas ładowania miały wpływ niekorzystne czynniki
opisane poniżej.
Zjawiska zachodzące podczas ładowania:
- PCM krzepł na ściankach akumulatora (temperatura
mniejsza od temperatury topnienia Tm);
- wokół rurek w wewnętrznej części ranki tworzą się kanały
z płynnym materiałem PCM (łatwiejsze topnienie warstw
znajdujących się dalej od rurki);
- rurki w zewnętrznej części ramki są otoczone pustką
powietrzną (PCM spłynął do pustych przestrzeni,
trudniejsze topnienie PCM w obszarze rurek).
Rys. 3.4 Widok akumulatora płaszczowo-rurowego
(schemat, pusty, zasypany materiałem PCM)
Zjawiska zachodzące podczas rozładowywania:
- pęknięcia i puste przestrzenie powietrzne (powstałe na
skutek różnicy objętości fazy stałej VS < VL o 14% );
- materiał PCM pęka tworząc mniejsze bloki (ponowny
proces ładowania utrudniony ze względu na niski
współczynnik przewodzenia powietrza).
Rys.
3.5
Termiczna
blokada
ładowania
akumulatora (puste przestrzenie w które wpływa
roztapiany PCM)
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
W celu przyspieszenia procesu ładowania materiału PCM
wprowadzano wodę do akumulatora.
a
b
Opis ładowania akumulatora po zalaniu wodą:
-woda wypełniła akumulator ponad powierzchnię PCM;
-w ciągu 10 minut temperatura wzrosła przy ściance z 31 C na 49 C
(znacznie polepszony rozpływ ciepła);
-po rozpuszczeniu części PCM, widoczna granica międzyfazowa: woda /
ciekły PCM / stały PCM;
-ciekły PCM wypływa na powierzchnię i krzepnie (prądy konwekcyjne
mieszaniny ciekły PCM / woda przemieszczają się z prędkością 13 cm/s,
temperatury wewnątrz akumulatora: 8188 C, przy ściance: 46 C;
-para wrzącej wody unosi się przez ciekły PCM i rozpuszcza stały PCM
znajdujący się na powierzchni (temperatura przy ściance 61,7 C –
najszybsza zmiana fazy w materiale PCM).
Jeżeli na dole zasobnika jest materiał PCM, to woda dociera
nad niego i roztapia go. Dzięki mniejszej gęstości fazy ciekłej
materiał PCM wypływa na górę. Stąd, po pewnym czasie,
woda znajdzie się na dnie, a PCM na górze. Woda powinna
zalewać dolną kratownicę rurek, ponieważ wtedy szybciej
ładuje się zasobnik ciepłem.
c
PCM
WODA
Rys. 3.6 Akumulator a, b – z PCM’em,
c – z mieszaniną binarną PCM-woda
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Na charakterystykach widoczne są
temperatury wody zasilającej ramkę
Tz, wody powracającej z ramki Tp,
temperatury materiału PCM oraz
temperatura otoczenia.
W początkowej fazie temperatury
wody zasilającej Tz jak i powrotnej Tp
wzrastały liniowo. Następnie były
utrzymywane ich stałe wartości:
Tz: 110 C, Tp: 104-105 C.
W akumulatorze znajdowało się:
- 44 kg materiału PCM (Tm = 77-82 C)
- 14 kg wody.
Czas ładowania: 233 minuty.
Rozładowanie akumulatora trwało 19
godzin 4 minuty.
Warunkiem zakończenia ładowania
było
wyrównanie
temperatur
wszystkich czujników rozmieszczonych
w materiale PCM.
Rys. 3.7 Przebieg procesu ładowania i rozładowania akumulatora płaszczoworurowego wypełnionego mieszaniną binarną PCM-woda w czasie
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Rys. 3.9. Zależność mocy cieplnej czasu w fazie ładowania
akumulatora filtracyjnego
Rys. 3.8. Zależność temperatury topnienia PCM od ciepła dla
danych z eksperymentu: 44 kg materiału PCM, ciepło
przemiany fazowej 176 kJ/kg . 44 kg = 7744 kJ
Różne frakcje parafin powodują pochylenie krzywej
temperatury w obszarze przemiany fazowej.
Ponadto widać, że ciepło właściwe PCM (styczna do
krzywej temperatury) zmienia się w funkcji
dostarczanego ciepła i aktualnej temperatury PCM.
Początek przemiany fazowej jest widoczny jako
wzrost pobieranej mocy lub wzrost różnicy
temperatur.
Nie pokrywa się on z deklarowanymi przez
producenta materiału PCM temperaturą przemiany
fazowej ze względu na spóźnioną reakcję czujnika
temperatury. Średnica czujnika wynosiła około 3 mm.
Stąd ciekły PCM potrzebował pewnego czasu, aby
otoczyć czujnik w całości.
3.3 AKUMULATOR WODNY
W celu porównania efektywności akumulatorów wypełnionych materiałem PCM przeprowadzono badania akumulacji z
zasobnikiem wodnym. Na rys. 3.10 pokazano ładowanie i rozładowanie akumulatora wodnego o takiej samej objętości
wody akumulującej ciepło jak łączna objętość wody i kul w akumulatorze filtracyjnym. Widoczna jest 2,5-krotnie
większa zdolność do akumulacji ciepła w akumulatorze z kulami wypełnionymi PCM (rys. 3.11).
WODA
Rys. 3.10. Rozładowanie akumulatora wodnego o takiej
samej objętości jak akumulator z kulami
PCM
Rys. 3.11. Rozładowanie akumulatora z kulami, oznaczenia
jak na rys. 3.7, zależność temperatury T od czasu
PODSUMOWANIE
4. PODSUMOWANIE
Eksperymentalnie zbadano własności dynamiczne akumulatora płaszczoworurowego i filtracyjnego. W celu przyspieszenia procesu ładowania i
pokonania bariery niskiego współczynnika przewodzenia ciepła dla materiału
PCM użyto medium pośredniczącego – wody – tworząc ciecz binarną.
Określono czas ładowania, czas rozładowania oraz opisano zjawiska
występujące podczas procesu ładowania i rozładowania akumulatora
płaszczowo - rurowego. Przykładowo czas ładowania od temperatury 25 C do
temperatury 99 C przy temperaturze wody zasilającej Tw=110 C wynosił
tqsmelt = 3 godziny 53 minuty.
Zbadano własności dynamiczne akumulatora filtracyjnego. Badano czas
topnienia tqsmelt pojedynczej kuli oraz akumulatora wypełnionego złożem w
postaci kul. Model teoretyczny czasu topnienia tqsmelt dla pojedynczej kuli
pokrywa się z wynikami uzyskanymi z eksperymentu. Uzyskane czasy
topnienia dla cylindrów i kuli wahają się od 5 minut do 68 minut w zależności
od geometrii. Również w przypadku badania złoża składającego się z kul czas
obliczony teoretycznie i zmierzony pokrywają się.
4. PODSUMOWANIE
Ważnym wnioskiem praktycznym jest to, że zarówno w przypadku akumulatora
płaszczowo – rurowego jak i filtracyjnego temperatura ciepła odbieranego nie była
stała w obszarze przejścia fazowego, pomimo, że jest stała na wykresie fazowym w tym
obszarze. Jeżeli materiał PCM krzepnie, to od strony odbioru ciepła tworzy się warstwa
stałego PCM, którego temperatura zaczyna spadać. Jeżeli topnieje, to średnia
temperatura w akumulatorze rośnie. Ponadto przy odbiorze ciepła pojawiają się
różnice w prędkości spadku temperatury PCM w akumulatorze. Najszybciej temperatura
spada do temperatury przejścia fazowego Tm, potem prędkość spadku zmniejsza się.
Z obu konstrukcji autorzy wskazują akumulator filtracyjny ze złożem w postaci kul jako
ten, który może być zastosowany w praktyce. Jest tak ze względu na krótki czas
ładowania i prostotę budowy wiążącą się z jego niezawodnością. Im krótszy czas
topnienia, tym więcej energii można odebrać od źródła ciepła odpadowego. Stąd
krotność odbioru ciepła w ciągu doby decyduje o średnicy kul wypełnionych materiałem
PCM.
pytania / komentarze / dyskusja
Dziękujemy za uwagę
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
PROGRAM STRATEGICZNY – ZAAWANSOWANE TECHNOLO
GIE POZYSKIWANIA ENERGII
ZADANIE NR 1 – „Opracowanie technologii dla wysokosprawnych „zero-emisyjnych”
bloków węglowych zintegrowanych z wychwytem CO ze spalin”
Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju zgodnie z umową
nr SP/E/1/67484/10 z dnia 05 maja 2010r, numer projektu: SP/E/1/67484/10
2
Slide 17
Wydział Mechaniczno-Energetyczny
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
Badania
efektywności akumulacji ciepła
w materiale o zmiennej fazie
SPIS TREŚCI
1. Wstęp
2. Stanowisko badawcze
3. Wyniki badań laboratoryjnych i ich analiza
3.1 Akumulator filtracyjny
3.2 Akumulator płaszczowo-rurowy
3.3 Akumulator wodny
4. Podsumowanie
1. WSTĘP
Podstawowym celem badań był wybór konstrukcji
akumulatora ciepła z wykorzystaniem materiału o
zmiennej fazie (ang. PCM – phase changing material)
zapewniającym największe wykorzystanie dostępnego
ciepła (np. ciepła odpadowego spalin za kotłem w
elektrowni).
Zbadano dwie konstrukcje – płaszczowo – rurową i
filtracyjną.
W akumulatorze płaszczowo – rurowym materiał PCM
znajdował się pomiędzy płaszczem i rurkami grzejnymi,
w których płynęła woda podgrzewając PCM.
W akumulatorze filtracyjnym PCM był umieszczony w
kulach o średnicy 4 cm. Woda grzejna swobodnie
przepływała pomiędzy kulami, w których następowała
akumulacja ciepła z zajściem przemiany fazowej.
W eksperymencie z pojedynczą kulą obserwowano
przemianę fazową w funkcji czasu. Przestrzeń wokół
kuli była wypełniona olejem ze względu na jego wyższą
temperaturę wrzenia przy ciśnieniu atmosferycznym.
Porównano wyniki eksperymentalne i teoretyczne.
A
B
2. STANOWISKO BADAWCZE
Woda jest częściowo podgrzewana
w wymienniku c.o. 1, regulowana pompa
2 wymusza obieg wody grzewczej do
instalacji
c.o.
budynku
oraz
akumulatorów 9, 10. Brakująca część
energii
potrzebnej
do
ładowania
akumulatora jest uzupełniana przez
grzałki elektryczne 5 sterowane przez
regulator 6 w funkcji temperatury wody
14. Pompa była regulaowana w funkcji
strumienia wody (p-v). W czasie
ładowania akumulatora otwierany był
zawór odcinający 16 ze względu na
przejmowanie wahań objętości wody po
jej podgrzaniu przez instalację c.o.
budynku. Zawór odcinający 15 był
wówczas
zamknięty.
W
czasie
rozładowania akumulatora otwierano
zawory 15 i 16. Do pomiaru temperatury
wewnątrz akumulatora wykorzystano
moduły 7 (ADAM firmy Advantech) oraz
rejestrator 8 (AR205 firmy Apar). Czujniki
temperatury 13 były umieszczone w
akumulatorze.
Do
układu
hydraulicznego
przyłączano akumulator ze złożem
filtracyjnym i płaszczowo-rurowym.
Rys.2.1 Schemat układu hydraulicznego z
akumulatorem płaszczowo-rurowym, filtracyjnym
i wodnym
1 – wymiennik ciepła węzeł cieplny/instalacja c.o., 2 – pompa z regulatorem prędkości
obrotowej, 3 – instalacja c.o. budynku, 4 – filtr, 5 – grzałki elektryczne, 6 - regulator
temperatury wody (nazwa : ATR), 7 – grupa modułów do rejestracji pomiarów temperatury
(nazwa : Adam), 8 – rejestrator pomiarów temperatury (nazwa: AR 205), 9 – akumulator
płaszczowo – rurowy, 10 – akumulator filtracyjny, 11 – przepływomierz, 12 – manometr, 13 –
czujnik temperatury, 14 – czujnik temperatury, 15 – zawór odcinający przewód zasilający
instalacji c.o., 16 – zawór odcinający przewód powrotny instalacji c.o.
2. STANOWISKO BADAWCZE
Widok stanowiska badawczego
Wyniki badań laboratoryjnych
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula
Celem eksperymentu była weryfikacja teoretycznego czasu
topnienia pojedynczej kuli tqsmelt. Mając eksperymentalnie
zweryfikowany model teoretyczny można wyciągać wnioski dla
złoża składającego się z kul.
Eksperyment przeprowadzono następująco:
- rozgrzano olej do średniej temperatury 157 C, regulator
RE14 dwustanowo utrzymywał tę temperaturę,
- następnie wrzucono kulę, której temperatura była równa
temperaturze otoczenia 25 C
Ze względu na różnicę gęstości pomiędzy fazą stałą i ciekłą S
>L powodującą zmniejszenie się objętości fazy stałej VS < VL o
14% podczas przemiany fazowej na górze kuli pozostawiono
wolną przestrzeń przejmującą objętość rozszerzającego się
materiału
Rys. 3.1 Przebieg topnienia PCM w kuli o średnicy 4 cm
poziom wody
Akumulator filtracyjny
Eksperyment przeprowadzono w złożu stacjonarnym w
akumulatorze z ramkami. W jego trakcie stosowano zmienne
temperatury wody zasilającej ramkę kolejno 110 C, 100 C,
105 C, 95 C. Przed wrzuceniem kul do akumulatora rozgrzano
znajdującą się w nim wodę do temperatury 90 C.
Rys. 3.2 Widok kul po wrzuceniu do akumulatora
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – model teoretyczny
Przy założeniu stałych własności PCM zagadnienie rozwiązano za
pomocą równania przewodnictwa ciepła:
z warunkiem Stefana wymiany ciepła na płaszczyźnie zmiany fazy:
w przypadku stałej temperatury TL płynnego PCM:
czas ładowania kuli tqsmelt wynosi:
gdzie:
- gęstość stałego PCM, kg/m3
cL
- ciepło właściwe fazy ciekłej, J/kgK
Tt
- pochodna temperatury po czasie, C/s
kL
- współczynnik przewodzenia ciepła fazy
ciekłej, W/mK
Tr
- pochodna temperatury po promieniu, C/m
- temperatura przemiany fazowej, C
- ciepło przemiany fazowej, J/kg
- prędkość przesuwania się płaszczyzny
zmiany fazy wzdłuż promienia R, m/s
R(t)+ - promień, m
Tm
L
R’
TL
- temperatura fazy ciekłej, C
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – pomiary
Otrzymany z pomiarów czas topnienia wynoszący tqsmelt = 13.5
minuty porównano z modelem teoretycznym.
Waga PCM znajdującego się w kuli wynosiła 28,832 g, a
średnica zastępczej kuli wypełnionej tylko PCM wynosi 20,76
mm. Po wstawieniu danych otrzymano czas ładowania
t melt
qs
770 176000
6 0 . 2 (157 82 )
0 . 021
2
11 . 1 minut
Różnica czasów 13.5 - 11.1 minuty wynika z dwóch przyczyn:
- PCM nie miał początkowej temperatury Tm=82 C i był
wymagany czas na jego podgrzanie do tej temperatury,
- w kuli występowała pustka powietrzna utrudniająca
wymianę ciepła pomiędzy olejem i materiałem PCM.
Dobrą zgodność dla badanej kuli uzyskano dla promienia
zastępczego Ro = 23 mm.
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula - mieszanina PCM-olej
W celu poprawy konwekcji ciepła wewnątrz kul i przyspieszenia
procesu roztapiania PCM - zmieszano go w różnych proporcjach z
olejem, umieszczono w kulach plastikowych o średnicy 4 cm i
poddano z zewnątrz procesowi ogrzewania olejem o różnych
temperaturach.
Zauważyć można, że:
-dla kul z mniejszym udziałem PCM czas topnienia jest krótszy,
(mniejsza ilość materiału PCM oraz lepsza konwekcja
wewnętrzna)
80
70
100⁰C
-im więcej oleju tym krótszy czas ładowania, ale gorsze własności
akumulacyjne (pojemność cieplna PCM / olej).
-im wyższa temperatura ładowania, tym mniejszy wpływ efektu
dodania oleju. Różnice w czasach ładowania (do 15%) w praktyce
są pomijalne.
C z a s to p n i e n ia , m in u ty
60
50
110⁰C
40
120⁰C
30
130⁰C
20
150⁰C
10
0
50-50
60-40
70-30
80-20
85-15
90-10
95-05
98-02
Skład procentow y P C M - olej
Rys. 3.4 Przebieg topnienia kul o średnicy 4 cm
z mieszaniną PCM - olej
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Złoże filtracyjne z kul wypełnionych PCM
Topnienie kul trwało 106 minut.
Długi czas wynika z małej różnicy
temperatur wody i przemiany fazowej
TL-Tm = 3 10 C.
Eksperymentalnie otrzymany czas pokrywa
się
z
obliczeniami
teoretycznymi
przeprowadzonymi dla pojedynczej kuli
(rys. 3.3) dla TL=90 C.
Warunkiem zakończenia ładowania był brak
odbioru ciepła przez materiał PCM
(punkt B, rys. 3.5).
Bilans cieplny akumulatora:
- maksymalna moc cieplna: 5,32 kW,
- ciepło rozgrzewania: 1262 MJ,
- ciepło ładowania kul: 472 MJ.
- ciepło przemiany fazowej kul: 1,76 MJ.
Akumulator nie był całkowicie zaizolowany,
stąd do otoczenia stracono ponad 470 MJ.
Rys. 3.5 Przebiegi temperatury T w czasie ładowania i rozładowania
akumulatora ze złożem filtracyjnym w postaci kul,
kolor fioletowy – temperatura wody w akumulatorze Tw,
kolor żółty – temperatura wody zasilającej ramkę Tz,
kolor brązowy – temperatura wody powrotnej z ramki Tp
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Materiał PCM
PCM stopił się po czasie 240-300 minut.
Na długi czas ładowania miały wpływ niekorzystne czynniki
opisane poniżej.
Zjawiska zachodzące podczas ładowania:
- PCM krzepł na ściankach akumulatora (temperatura
mniejsza od temperatury topnienia Tm);
- wokół rurek w wewnętrznej części ranki tworzą się kanały
z płynnym materiałem PCM (łatwiejsze topnienie warstw
znajdujących się dalej od rurki);
- rurki w zewnętrznej części ramki są otoczone pustką
powietrzną (PCM spłynął do pustych przestrzeni,
trudniejsze topnienie PCM w obszarze rurek).
Rys. 3.4 Widok akumulatora płaszczowo-rurowego
(schemat, pusty, zasypany materiałem PCM)
Zjawiska zachodzące podczas rozładowywania:
- pęknięcia i puste przestrzenie powietrzne (powstałe na
skutek różnicy objętości fazy stałej VS < VL o 14% );
- materiał PCM pęka tworząc mniejsze bloki (ponowny
proces ładowania utrudniony ze względu na niski
współczynnik przewodzenia powietrza).
Rys.
3.5
Termiczna
blokada
ładowania
akumulatora (puste przestrzenie w które wpływa
roztapiany PCM)
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
W celu przyspieszenia procesu ładowania materiału PCM
wprowadzano wodę do akumulatora.
a
b
Opis ładowania akumulatora po zalaniu wodą:
-woda wypełniła akumulator ponad powierzchnię PCM;
-w ciągu 10 minut temperatura wzrosła przy ściance z 31 C na 49 C
(znacznie polepszony rozpływ ciepła);
-po rozpuszczeniu części PCM, widoczna granica międzyfazowa: woda /
ciekły PCM / stały PCM;
-ciekły PCM wypływa na powierzchnię i krzepnie (prądy konwekcyjne
mieszaniny ciekły PCM / woda przemieszczają się z prędkością 13 cm/s,
temperatury wewnątrz akumulatora: 8188 C, przy ściance: 46 C;
-para wrzącej wody unosi się przez ciekły PCM i rozpuszcza stały PCM
znajdujący się na powierzchni (temperatura przy ściance 61,7 C –
najszybsza zmiana fazy w materiale PCM).
Jeżeli na dole zasobnika jest materiał PCM, to woda dociera
nad niego i roztapia go. Dzięki mniejszej gęstości fazy ciekłej
materiał PCM wypływa na górę. Stąd, po pewnym czasie,
woda znajdzie się na dnie, a PCM na górze. Woda powinna
zalewać dolną kratownicę rurek, ponieważ wtedy szybciej
ładuje się zasobnik ciepłem.
c
PCM
WODA
Rys. 3.6 Akumulator a, b – z PCM’em,
c – z mieszaniną binarną PCM-woda
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Na charakterystykach widoczne są
temperatury wody zasilającej ramkę
Tz, wody powracającej z ramki Tp,
temperatury materiału PCM oraz
temperatura otoczenia.
W początkowej fazie temperatury
wody zasilającej Tz jak i powrotnej Tp
wzrastały liniowo. Następnie były
utrzymywane ich stałe wartości:
Tz: 110 C, Tp: 104-105 C.
W akumulatorze znajdowało się:
- 44 kg materiału PCM (Tm = 77-82 C)
- 14 kg wody.
Czas ładowania: 233 minuty.
Rozładowanie akumulatora trwało 19
godzin 4 minuty.
Warunkiem zakończenia ładowania
było
wyrównanie
temperatur
wszystkich czujników rozmieszczonych
w materiale PCM.
Rys. 3.7 Przebieg procesu ładowania i rozładowania akumulatora płaszczoworurowego wypełnionego mieszaniną binarną PCM-woda w czasie
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Rys. 3.9. Zależność mocy cieplnej czasu w fazie ładowania
akumulatora filtracyjnego
Rys. 3.8. Zależność temperatury topnienia PCM od ciepła dla
danych z eksperymentu: 44 kg materiału PCM, ciepło
przemiany fazowej 176 kJ/kg . 44 kg = 7744 kJ
Różne frakcje parafin powodują pochylenie krzywej
temperatury w obszarze przemiany fazowej.
Ponadto widać, że ciepło właściwe PCM (styczna do
krzywej temperatury) zmienia się w funkcji
dostarczanego ciepła i aktualnej temperatury PCM.
Początek przemiany fazowej jest widoczny jako
wzrost pobieranej mocy lub wzrost różnicy
temperatur.
Nie pokrywa się on z deklarowanymi przez
producenta materiału PCM temperaturą przemiany
fazowej ze względu na spóźnioną reakcję czujnika
temperatury. Średnica czujnika wynosiła około 3 mm.
Stąd ciekły PCM potrzebował pewnego czasu, aby
otoczyć czujnik w całości.
3.3 AKUMULATOR WODNY
W celu porównania efektywności akumulatorów wypełnionych materiałem PCM przeprowadzono badania akumulacji z
zasobnikiem wodnym. Na rys. 3.10 pokazano ładowanie i rozładowanie akumulatora wodnego o takiej samej objętości
wody akumulującej ciepło jak łączna objętość wody i kul w akumulatorze filtracyjnym. Widoczna jest 2,5-krotnie
większa zdolność do akumulacji ciepła w akumulatorze z kulami wypełnionymi PCM (rys. 3.11).
WODA
Rys. 3.10. Rozładowanie akumulatora wodnego o takiej
samej objętości jak akumulator z kulami
PCM
Rys. 3.11. Rozładowanie akumulatora z kulami, oznaczenia
jak na rys. 3.7, zależność temperatury T od czasu
PODSUMOWANIE
4. PODSUMOWANIE
Eksperymentalnie zbadano własności dynamiczne akumulatora płaszczoworurowego i filtracyjnego. W celu przyspieszenia procesu ładowania i
pokonania bariery niskiego współczynnika przewodzenia ciepła dla materiału
PCM użyto medium pośredniczącego – wody – tworząc ciecz binarną.
Określono czas ładowania, czas rozładowania oraz opisano zjawiska
występujące podczas procesu ładowania i rozładowania akumulatora
płaszczowo - rurowego. Przykładowo czas ładowania od temperatury 25 C do
temperatury 99 C przy temperaturze wody zasilającej Tw=110 C wynosił
tqsmelt = 3 godziny 53 minuty.
Zbadano własności dynamiczne akumulatora filtracyjnego. Badano czas
topnienia tqsmelt pojedynczej kuli oraz akumulatora wypełnionego złożem w
postaci kul. Model teoretyczny czasu topnienia tqsmelt dla pojedynczej kuli
pokrywa się z wynikami uzyskanymi z eksperymentu. Uzyskane czasy
topnienia dla cylindrów i kuli wahają się od 5 minut do 68 minut w zależności
od geometrii. Również w przypadku badania złoża składającego się z kul czas
obliczony teoretycznie i zmierzony pokrywają się.
4. PODSUMOWANIE
Ważnym wnioskiem praktycznym jest to, że zarówno w przypadku akumulatora
płaszczowo – rurowego jak i filtracyjnego temperatura ciepła odbieranego nie była
stała w obszarze przejścia fazowego, pomimo, że jest stała na wykresie fazowym w tym
obszarze. Jeżeli materiał PCM krzepnie, to od strony odbioru ciepła tworzy się warstwa
stałego PCM, którego temperatura zaczyna spadać. Jeżeli topnieje, to średnia
temperatura w akumulatorze rośnie. Ponadto przy odbiorze ciepła pojawiają się
różnice w prędkości spadku temperatury PCM w akumulatorze. Najszybciej temperatura
spada do temperatury przejścia fazowego Tm, potem prędkość spadku zmniejsza się.
Z obu konstrukcji autorzy wskazują akumulator filtracyjny ze złożem w postaci kul jako
ten, który może być zastosowany w praktyce. Jest tak ze względu na krótki czas
ładowania i prostotę budowy wiążącą się z jego niezawodnością. Im krótszy czas
topnienia, tym więcej energii można odebrać od źródła ciepła odpadowego. Stąd
krotność odbioru ciepła w ciągu doby decyduje o średnicy kul wypełnionych materiałem
PCM.
pytania / komentarze / dyskusja
Dziękujemy za uwagę
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
PROGRAM STRATEGICZNY – ZAAWANSOWANE TECHNOLO
GIE POZYSKIWANIA ENERGII
ZADANIE NR 1 – „Opracowanie technologii dla wysokosprawnych „zero-emisyjnych”
bloków węglowych zintegrowanych z wychwytem CO ze spalin”
Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju zgodnie z umową
nr SP/E/1/67484/10 z dnia 05 maja 2010r, numer projektu: SP/E/1/67484/10
2
Slide 18
Wydział Mechaniczno-Energetyczny
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
Badania
efektywności akumulacji ciepła
w materiale o zmiennej fazie
SPIS TREŚCI
1. Wstęp
2. Stanowisko badawcze
3. Wyniki badań laboratoryjnych i ich analiza
3.1 Akumulator filtracyjny
3.2 Akumulator płaszczowo-rurowy
3.3 Akumulator wodny
4. Podsumowanie
1. WSTĘP
Podstawowym celem badań był wybór konstrukcji
akumulatora ciepła z wykorzystaniem materiału o
zmiennej fazie (ang. PCM – phase changing material)
zapewniającym największe wykorzystanie dostępnego
ciepła (np. ciepła odpadowego spalin za kotłem w
elektrowni).
Zbadano dwie konstrukcje – płaszczowo – rurową i
filtracyjną.
W akumulatorze płaszczowo – rurowym materiał PCM
znajdował się pomiędzy płaszczem i rurkami grzejnymi,
w których płynęła woda podgrzewając PCM.
W akumulatorze filtracyjnym PCM był umieszczony w
kulach o średnicy 4 cm. Woda grzejna swobodnie
przepływała pomiędzy kulami, w których następowała
akumulacja ciepła z zajściem przemiany fazowej.
W eksperymencie z pojedynczą kulą obserwowano
przemianę fazową w funkcji czasu. Przestrzeń wokół
kuli była wypełniona olejem ze względu na jego wyższą
temperaturę wrzenia przy ciśnieniu atmosferycznym.
Porównano wyniki eksperymentalne i teoretyczne.
A
B
2. STANOWISKO BADAWCZE
Woda jest częściowo podgrzewana
w wymienniku c.o. 1, regulowana pompa
2 wymusza obieg wody grzewczej do
instalacji
c.o.
budynku
oraz
akumulatorów 9, 10. Brakująca część
energii
potrzebnej
do
ładowania
akumulatora jest uzupełniana przez
grzałki elektryczne 5 sterowane przez
regulator 6 w funkcji temperatury wody
14. Pompa była regulaowana w funkcji
strumienia wody (p-v). W czasie
ładowania akumulatora otwierany był
zawór odcinający 16 ze względu na
przejmowanie wahań objętości wody po
jej podgrzaniu przez instalację c.o.
budynku. Zawór odcinający 15 był
wówczas
zamknięty.
W
czasie
rozładowania akumulatora otwierano
zawory 15 i 16. Do pomiaru temperatury
wewnątrz akumulatora wykorzystano
moduły 7 (ADAM firmy Advantech) oraz
rejestrator 8 (AR205 firmy Apar). Czujniki
temperatury 13 były umieszczone w
akumulatorze.
Do
układu
hydraulicznego
przyłączano akumulator ze złożem
filtracyjnym i płaszczowo-rurowym.
Rys.2.1 Schemat układu hydraulicznego z
akumulatorem płaszczowo-rurowym, filtracyjnym
i wodnym
1 – wymiennik ciepła węzeł cieplny/instalacja c.o., 2 – pompa z regulatorem prędkości
obrotowej, 3 – instalacja c.o. budynku, 4 – filtr, 5 – grzałki elektryczne, 6 - regulator
temperatury wody (nazwa : ATR), 7 – grupa modułów do rejestracji pomiarów temperatury
(nazwa : Adam), 8 – rejestrator pomiarów temperatury (nazwa: AR 205), 9 – akumulator
płaszczowo – rurowy, 10 – akumulator filtracyjny, 11 – przepływomierz, 12 – manometr, 13 –
czujnik temperatury, 14 – czujnik temperatury, 15 – zawór odcinający przewód zasilający
instalacji c.o., 16 – zawór odcinający przewód powrotny instalacji c.o.
2. STANOWISKO BADAWCZE
Widok stanowiska badawczego
Wyniki badań laboratoryjnych
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula
Celem eksperymentu była weryfikacja teoretycznego czasu
topnienia pojedynczej kuli tqsmelt. Mając eksperymentalnie
zweryfikowany model teoretyczny można wyciągać wnioski dla
złoża składającego się z kul.
Eksperyment przeprowadzono następująco:
- rozgrzano olej do średniej temperatury 157 C, regulator
RE14 dwustanowo utrzymywał tę temperaturę,
- następnie wrzucono kulę, której temperatura była równa
temperaturze otoczenia 25 C
Ze względu na różnicę gęstości pomiędzy fazą stałą i ciekłą S
>L powodującą zmniejszenie się objętości fazy stałej VS < VL o
14% podczas przemiany fazowej na górze kuli pozostawiono
wolną przestrzeń przejmującą objętość rozszerzającego się
materiału
Rys. 3.1 Przebieg topnienia PCM w kuli o średnicy 4 cm
poziom wody
Akumulator filtracyjny
Eksperyment przeprowadzono w złożu stacjonarnym w
akumulatorze z ramkami. W jego trakcie stosowano zmienne
temperatury wody zasilającej ramkę kolejno 110 C, 100 C,
105 C, 95 C. Przed wrzuceniem kul do akumulatora rozgrzano
znajdującą się w nim wodę do temperatury 90 C.
Rys. 3.2 Widok kul po wrzuceniu do akumulatora
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – model teoretyczny
Przy założeniu stałych własności PCM zagadnienie rozwiązano za
pomocą równania przewodnictwa ciepła:
z warunkiem Stefana wymiany ciepła na płaszczyźnie zmiany fazy:
w przypadku stałej temperatury TL płynnego PCM:
czas ładowania kuli tqsmelt wynosi:
gdzie:
- gęstość stałego PCM, kg/m3
cL
- ciepło właściwe fazy ciekłej, J/kgK
Tt
- pochodna temperatury po czasie, C/s
kL
- współczynnik przewodzenia ciepła fazy
ciekłej, W/mK
Tr
- pochodna temperatury po promieniu, C/m
- temperatura przemiany fazowej, C
- ciepło przemiany fazowej, J/kg
- prędkość przesuwania się płaszczyzny
zmiany fazy wzdłuż promienia R, m/s
R(t)+ - promień, m
Tm
L
R’
TL
- temperatura fazy ciekłej, C
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – pomiary
Otrzymany z pomiarów czas topnienia wynoszący tqsmelt = 13.5
minuty porównano z modelem teoretycznym.
Waga PCM znajdującego się w kuli wynosiła 28,832 g, a
średnica zastępczej kuli wypełnionej tylko PCM wynosi 20,76
mm. Po wstawieniu danych otrzymano czas ładowania
t melt
qs
770 176000
6 0 . 2 (157 82 )
0 . 021
2
11 . 1 minut
Różnica czasów 13.5 - 11.1 minuty wynika z dwóch przyczyn:
- PCM nie miał początkowej temperatury Tm=82 C i był
wymagany czas na jego podgrzanie do tej temperatury,
- w kuli występowała pustka powietrzna utrudniająca
wymianę ciepła pomiędzy olejem i materiałem PCM.
Dobrą zgodność dla badanej kuli uzyskano dla promienia
zastępczego Ro = 23 mm.
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula - mieszanina PCM-olej
W celu poprawy konwekcji ciepła wewnątrz kul i przyspieszenia
procesu roztapiania PCM - zmieszano go w różnych proporcjach z
olejem, umieszczono w kulach plastikowych o średnicy 4 cm i
poddano z zewnątrz procesowi ogrzewania olejem o różnych
temperaturach.
Zauważyć można, że:
-dla kul z mniejszym udziałem PCM czas topnienia jest krótszy,
(mniejsza ilość materiału PCM oraz lepsza konwekcja
wewnętrzna)
80
70
100⁰C
-im więcej oleju tym krótszy czas ładowania, ale gorsze własności
akumulacyjne (pojemność cieplna PCM / olej).
-im wyższa temperatura ładowania, tym mniejszy wpływ efektu
dodania oleju. Różnice w czasach ładowania (do 15%) w praktyce
są pomijalne.
C z a s to p n i e n ia , m in u ty
60
50
110⁰C
40
120⁰C
30
130⁰C
20
150⁰C
10
0
50-50
60-40
70-30
80-20
85-15
90-10
95-05
98-02
Skład procentow y P C M - olej
Rys. 3.4 Przebieg topnienia kul o średnicy 4 cm
z mieszaniną PCM - olej
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Złoże filtracyjne z kul wypełnionych PCM
Topnienie kul trwało 106 minut.
Długi czas wynika z małej różnicy
temperatur wody i przemiany fazowej
TL-Tm = 3 10 C.
Eksperymentalnie otrzymany czas pokrywa
się
z
obliczeniami
teoretycznymi
przeprowadzonymi dla pojedynczej kuli
(rys. 3.3) dla TL=90 C.
Warunkiem zakończenia ładowania był brak
odbioru ciepła przez materiał PCM
(punkt B, rys. 3.5).
Bilans cieplny akumulatora:
- maksymalna moc cieplna: 5,32 kW,
- ciepło rozgrzewania: 1262 MJ,
- ciepło ładowania kul: 472 MJ.
- ciepło przemiany fazowej kul: 1,76 MJ.
Akumulator nie był całkowicie zaizolowany,
stąd do otoczenia stracono ponad 470 MJ.
Rys. 3.5 Przebiegi temperatury T w czasie ładowania i rozładowania
akumulatora ze złożem filtracyjnym w postaci kul,
kolor fioletowy – temperatura wody w akumulatorze Tw,
kolor żółty – temperatura wody zasilającej ramkę Tz,
kolor brązowy – temperatura wody powrotnej z ramki Tp
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Materiał PCM
PCM stopił się po czasie 240-300 minut.
Na długi czas ładowania miały wpływ niekorzystne czynniki
opisane poniżej.
Zjawiska zachodzące podczas ładowania:
- PCM krzepł na ściankach akumulatora (temperatura
mniejsza od temperatury topnienia Tm);
- wokół rurek w wewnętrznej części ranki tworzą się kanały
z płynnym materiałem PCM (łatwiejsze topnienie warstw
znajdujących się dalej od rurki);
- rurki w zewnętrznej części ramki są otoczone pustką
powietrzną (PCM spłynął do pustych przestrzeni,
trudniejsze topnienie PCM w obszarze rurek).
Rys. 3.4 Widok akumulatora płaszczowo-rurowego
(schemat, pusty, zasypany materiałem PCM)
Zjawiska zachodzące podczas rozładowywania:
- pęknięcia i puste przestrzenie powietrzne (powstałe na
skutek różnicy objętości fazy stałej VS < VL o 14% );
- materiał PCM pęka tworząc mniejsze bloki (ponowny
proces ładowania utrudniony ze względu na niski
współczynnik przewodzenia powietrza).
Rys.
3.5
Termiczna
blokada
ładowania
akumulatora (puste przestrzenie w które wpływa
roztapiany PCM)
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
W celu przyspieszenia procesu ładowania materiału PCM
wprowadzano wodę do akumulatora.
a
b
Opis ładowania akumulatora po zalaniu wodą:
-woda wypełniła akumulator ponad powierzchnię PCM;
-w ciągu 10 minut temperatura wzrosła przy ściance z 31 C na 49 C
(znacznie polepszony rozpływ ciepła);
-po rozpuszczeniu części PCM, widoczna granica międzyfazowa: woda /
ciekły PCM / stały PCM;
-ciekły PCM wypływa na powierzchnię i krzepnie (prądy konwekcyjne
mieszaniny ciekły PCM / woda przemieszczają się z prędkością 13 cm/s,
temperatury wewnątrz akumulatora: 8188 C, przy ściance: 46 C;
-para wrzącej wody unosi się przez ciekły PCM i rozpuszcza stały PCM
znajdujący się na powierzchni (temperatura przy ściance 61,7 C –
najszybsza zmiana fazy w materiale PCM).
Jeżeli na dole zasobnika jest materiał PCM, to woda dociera
nad niego i roztapia go. Dzięki mniejszej gęstości fazy ciekłej
materiał PCM wypływa na górę. Stąd, po pewnym czasie,
woda znajdzie się na dnie, a PCM na górze. Woda powinna
zalewać dolną kratownicę rurek, ponieważ wtedy szybciej
ładuje się zasobnik ciepłem.
c
PCM
WODA
Rys. 3.6 Akumulator a, b – z PCM’em,
c – z mieszaniną binarną PCM-woda
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Na charakterystykach widoczne są
temperatury wody zasilającej ramkę
Tz, wody powracającej z ramki Tp,
temperatury materiału PCM oraz
temperatura otoczenia.
W początkowej fazie temperatury
wody zasilającej Tz jak i powrotnej Tp
wzrastały liniowo. Następnie były
utrzymywane ich stałe wartości:
Tz: 110 C, Tp: 104-105 C.
W akumulatorze znajdowało się:
- 44 kg materiału PCM (Tm = 77-82 C)
- 14 kg wody.
Czas ładowania: 233 minuty.
Rozładowanie akumulatora trwało 19
godzin 4 minuty.
Warunkiem zakończenia ładowania
było
wyrównanie
temperatur
wszystkich czujników rozmieszczonych
w materiale PCM.
Rys. 3.7 Przebieg procesu ładowania i rozładowania akumulatora płaszczoworurowego wypełnionego mieszaniną binarną PCM-woda w czasie
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Rys. 3.9. Zależność mocy cieplnej czasu w fazie ładowania
akumulatora filtracyjnego
Rys. 3.8. Zależność temperatury topnienia PCM od ciepła dla
danych z eksperymentu: 44 kg materiału PCM, ciepło
przemiany fazowej 176 kJ/kg . 44 kg = 7744 kJ
Różne frakcje parafin powodują pochylenie krzywej
temperatury w obszarze przemiany fazowej.
Ponadto widać, że ciepło właściwe PCM (styczna do
krzywej temperatury) zmienia się w funkcji
dostarczanego ciepła i aktualnej temperatury PCM.
Początek przemiany fazowej jest widoczny jako
wzrost pobieranej mocy lub wzrost różnicy
temperatur.
Nie pokrywa się on z deklarowanymi przez
producenta materiału PCM temperaturą przemiany
fazowej ze względu na spóźnioną reakcję czujnika
temperatury. Średnica czujnika wynosiła około 3 mm.
Stąd ciekły PCM potrzebował pewnego czasu, aby
otoczyć czujnik w całości.
3.3 AKUMULATOR WODNY
W celu porównania efektywności akumulatorów wypełnionych materiałem PCM przeprowadzono badania akumulacji z
zasobnikiem wodnym. Na rys. 3.10 pokazano ładowanie i rozładowanie akumulatora wodnego o takiej samej objętości
wody akumulującej ciepło jak łączna objętość wody i kul w akumulatorze filtracyjnym. Widoczna jest 2,5-krotnie
większa zdolność do akumulacji ciepła w akumulatorze z kulami wypełnionymi PCM (rys. 3.11).
WODA
Rys. 3.10. Rozładowanie akumulatora wodnego o takiej
samej objętości jak akumulator z kulami
PCM
Rys. 3.11. Rozładowanie akumulatora z kulami, oznaczenia
jak na rys. 3.7, zależność temperatury T od czasu
PODSUMOWANIE
4. PODSUMOWANIE
Eksperymentalnie zbadano własności dynamiczne akumulatora płaszczoworurowego i filtracyjnego. W celu przyspieszenia procesu ładowania i
pokonania bariery niskiego współczynnika przewodzenia ciepła dla materiału
PCM użyto medium pośredniczącego – wody – tworząc ciecz binarną.
Określono czas ładowania, czas rozładowania oraz opisano zjawiska
występujące podczas procesu ładowania i rozładowania akumulatora
płaszczowo - rurowego. Przykładowo czas ładowania od temperatury 25 C do
temperatury 99 C przy temperaturze wody zasilającej Tw=110 C wynosił
tqsmelt = 3 godziny 53 minuty.
Zbadano własności dynamiczne akumulatora filtracyjnego. Badano czas
topnienia tqsmelt pojedynczej kuli oraz akumulatora wypełnionego złożem w
postaci kul. Model teoretyczny czasu topnienia tqsmelt dla pojedynczej kuli
pokrywa się z wynikami uzyskanymi z eksperymentu. Uzyskane czasy
topnienia dla cylindrów i kuli wahają się od 5 minut do 68 minut w zależności
od geometrii. Również w przypadku badania złoża składającego się z kul czas
obliczony teoretycznie i zmierzony pokrywają się.
4. PODSUMOWANIE
Ważnym wnioskiem praktycznym jest to, że zarówno w przypadku akumulatora
płaszczowo – rurowego jak i filtracyjnego temperatura ciepła odbieranego nie była
stała w obszarze przejścia fazowego, pomimo, że jest stała na wykresie fazowym w tym
obszarze. Jeżeli materiał PCM krzepnie, to od strony odbioru ciepła tworzy się warstwa
stałego PCM, którego temperatura zaczyna spadać. Jeżeli topnieje, to średnia
temperatura w akumulatorze rośnie. Ponadto przy odbiorze ciepła pojawiają się
różnice w prędkości spadku temperatury PCM w akumulatorze. Najszybciej temperatura
spada do temperatury przejścia fazowego Tm, potem prędkość spadku zmniejsza się.
Z obu konstrukcji autorzy wskazują akumulator filtracyjny ze złożem w postaci kul jako
ten, który może być zastosowany w praktyce. Jest tak ze względu na krótki czas
ładowania i prostotę budowy wiążącą się z jego niezawodnością. Im krótszy czas
topnienia, tym więcej energii można odebrać od źródła ciepła odpadowego. Stąd
krotność odbioru ciepła w ciągu doby decyduje o średnicy kul wypełnionych materiałem
PCM.
pytania / komentarze / dyskusja
Dziękujemy za uwagę
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
PROGRAM STRATEGICZNY – ZAAWANSOWANE TECHNOLO
GIE POZYSKIWANIA ENERGII
ZADANIE NR 1 – „Opracowanie technologii dla wysokosprawnych „zero-emisyjnych”
bloków węglowych zintegrowanych z wychwytem CO ze spalin”
Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju zgodnie z umową
nr SP/E/1/67484/10 z dnia 05 maja 2010r, numer projektu: SP/E/1/67484/10
2
Slide 19
Wydział Mechaniczno-Energetyczny
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
Badania
efektywności akumulacji ciepła
w materiale o zmiennej fazie
SPIS TREŚCI
1. Wstęp
2. Stanowisko badawcze
3. Wyniki badań laboratoryjnych i ich analiza
3.1 Akumulator filtracyjny
3.2 Akumulator płaszczowo-rurowy
3.3 Akumulator wodny
4. Podsumowanie
1. WSTĘP
Podstawowym celem badań był wybór konstrukcji
akumulatora ciepła z wykorzystaniem materiału o
zmiennej fazie (ang. PCM – phase changing material)
zapewniającym największe wykorzystanie dostępnego
ciepła (np. ciepła odpadowego spalin za kotłem w
elektrowni).
Zbadano dwie konstrukcje – płaszczowo – rurową i
filtracyjną.
W akumulatorze płaszczowo – rurowym materiał PCM
znajdował się pomiędzy płaszczem i rurkami grzejnymi,
w których płynęła woda podgrzewając PCM.
W akumulatorze filtracyjnym PCM był umieszczony w
kulach o średnicy 4 cm. Woda grzejna swobodnie
przepływała pomiędzy kulami, w których następowała
akumulacja ciepła z zajściem przemiany fazowej.
W eksperymencie z pojedynczą kulą obserwowano
przemianę fazową w funkcji czasu. Przestrzeń wokół
kuli była wypełniona olejem ze względu na jego wyższą
temperaturę wrzenia przy ciśnieniu atmosferycznym.
Porównano wyniki eksperymentalne i teoretyczne.
A
B
2. STANOWISKO BADAWCZE
Woda jest częściowo podgrzewana
w wymienniku c.o. 1, regulowana pompa
2 wymusza obieg wody grzewczej do
instalacji
c.o.
budynku
oraz
akumulatorów 9, 10. Brakująca część
energii
potrzebnej
do
ładowania
akumulatora jest uzupełniana przez
grzałki elektryczne 5 sterowane przez
regulator 6 w funkcji temperatury wody
14. Pompa była regulaowana w funkcji
strumienia wody (p-v). W czasie
ładowania akumulatora otwierany był
zawór odcinający 16 ze względu na
przejmowanie wahań objętości wody po
jej podgrzaniu przez instalację c.o.
budynku. Zawór odcinający 15 był
wówczas
zamknięty.
W
czasie
rozładowania akumulatora otwierano
zawory 15 i 16. Do pomiaru temperatury
wewnątrz akumulatora wykorzystano
moduły 7 (ADAM firmy Advantech) oraz
rejestrator 8 (AR205 firmy Apar). Czujniki
temperatury 13 były umieszczone w
akumulatorze.
Do
układu
hydraulicznego
przyłączano akumulator ze złożem
filtracyjnym i płaszczowo-rurowym.
Rys.2.1 Schemat układu hydraulicznego z
akumulatorem płaszczowo-rurowym, filtracyjnym
i wodnym
1 – wymiennik ciepła węzeł cieplny/instalacja c.o., 2 – pompa z regulatorem prędkości
obrotowej, 3 – instalacja c.o. budynku, 4 – filtr, 5 – grzałki elektryczne, 6 - regulator
temperatury wody (nazwa : ATR), 7 – grupa modułów do rejestracji pomiarów temperatury
(nazwa : Adam), 8 – rejestrator pomiarów temperatury (nazwa: AR 205), 9 – akumulator
płaszczowo – rurowy, 10 – akumulator filtracyjny, 11 – przepływomierz, 12 – manometr, 13 –
czujnik temperatury, 14 – czujnik temperatury, 15 – zawór odcinający przewód zasilający
instalacji c.o., 16 – zawór odcinający przewód powrotny instalacji c.o.
2. STANOWISKO BADAWCZE
Widok stanowiska badawczego
Wyniki badań laboratoryjnych
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula
Celem eksperymentu była weryfikacja teoretycznego czasu
topnienia pojedynczej kuli tqsmelt. Mając eksperymentalnie
zweryfikowany model teoretyczny można wyciągać wnioski dla
złoża składającego się z kul.
Eksperyment przeprowadzono następująco:
- rozgrzano olej do średniej temperatury 157 C, regulator
RE14 dwustanowo utrzymywał tę temperaturę,
- następnie wrzucono kulę, której temperatura była równa
temperaturze otoczenia 25 C
Ze względu na różnicę gęstości pomiędzy fazą stałą i ciekłą S
>L powodującą zmniejszenie się objętości fazy stałej VS < VL o
14% podczas przemiany fazowej na górze kuli pozostawiono
wolną przestrzeń przejmującą objętość rozszerzającego się
materiału
Rys. 3.1 Przebieg topnienia PCM w kuli o średnicy 4 cm
poziom wody
Akumulator filtracyjny
Eksperyment przeprowadzono w złożu stacjonarnym w
akumulatorze z ramkami. W jego trakcie stosowano zmienne
temperatury wody zasilającej ramkę kolejno 110 C, 100 C,
105 C, 95 C. Przed wrzuceniem kul do akumulatora rozgrzano
znajdującą się w nim wodę do temperatury 90 C.
Rys. 3.2 Widok kul po wrzuceniu do akumulatora
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – model teoretyczny
Przy założeniu stałych własności PCM zagadnienie rozwiązano za
pomocą równania przewodnictwa ciepła:
z warunkiem Stefana wymiany ciepła na płaszczyźnie zmiany fazy:
w przypadku stałej temperatury TL płynnego PCM:
czas ładowania kuli tqsmelt wynosi:
gdzie:
- gęstość stałego PCM, kg/m3
cL
- ciepło właściwe fazy ciekłej, J/kgK
Tt
- pochodna temperatury po czasie, C/s
kL
- współczynnik przewodzenia ciepła fazy
ciekłej, W/mK
Tr
- pochodna temperatury po promieniu, C/m
- temperatura przemiany fazowej, C
- ciepło przemiany fazowej, J/kg
- prędkość przesuwania się płaszczyzny
zmiany fazy wzdłuż promienia R, m/s
R(t)+ - promień, m
Tm
L
R’
TL
- temperatura fazy ciekłej, C
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – pomiary
Otrzymany z pomiarów czas topnienia wynoszący tqsmelt = 13.5
minuty porównano z modelem teoretycznym.
Waga PCM znajdującego się w kuli wynosiła 28,832 g, a
średnica zastępczej kuli wypełnionej tylko PCM wynosi 20,76
mm. Po wstawieniu danych otrzymano czas ładowania
t melt
qs
770 176000
6 0 . 2 (157 82 )
0 . 021
2
11 . 1 minut
Różnica czasów 13.5 - 11.1 minuty wynika z dwóch przyczyn:
- PCM nie miał początkowej temperatury Tm=82 C i był
wymagany czas na jego podgrzanie do tej temperatury,
- w kuli występowała pustka powietrzna utrudniająca
wymianę ciepła pomiędzy olejem i materiałem PCM.
Dobrą zgodność dla badanej kuli uzyskano dla promienia
zastępczego Ro = 23 mm.
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula - mieszanina PCM-olej
W celu poprawy konwekcji ciepła wewnątrz kul i przyspieszenia
procesu roztapiania PCM - zmieszano go w różnych proporcjach z
olejem, umieszczono w kulach plastikowych o średnicy 4 cm i
poddano z zewnątrz procesowi ogrzewania olejem o różnych
temperaturach.
Zauważyć można, że:
-dla kul z mniejszym udziałem PCM czas topnienia jest krótszy,
(mniejsza ilość materiału PCM oraz lepsza konwekcja
wewnętrzna)
80
70
100⁰C
-im więcej oleju tym krótszy czas ładowania, ale gorsze własności
akumulacyjne (pojemność cieplna PCM / olej).
-im wyższa temperatura ładowania, tym mniejszy wpływ efektu
dodania oleju. Różnice w czasach ładowania (do 15%) w praktyce
są pomijalne.
C z a s to p n i e n ia , m in u ty
60
50
110⁰C
40
120⁰C
30
130⁰C
20
150⁰C
10
0
50-50
60-40
70-30
80-20
85-15
90-10
95-05
98-02
Skład procentow y P C M - olej
Rys. 3.4 Przebieg topnienia kul o średnicy 4 cm
z mieszaniną PCM - olej
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Złoże filtracyjne z kul wypełnionych PCM
Topnienie kul trwało 106 minut.
Długi czas wynika z małej różnicy
temperatur wody i przemiany fazowej
TL-Tm = 3 10 C.
Eksperymentalnie otrzymany czas pokrywa
się
z
obliczeniami
teoretycznymi
przeprowadzonymi dla pojedynczej kuli
(rys. 3.3) dla TL=90 C.
Warunkiem zakończenia ładowania był brak
odbioru ciepła przez materiał PCM
(punkt B, rys. 3.5).
Bilans cieplny akumulatora:
- maksymalna moc cieplna: 5,32 kW,
- ciepło rozgrzewania: 1262 MJ,
- ciepło ładowania kul: 472 MJ.
- ciepło przemiany fazowej kul: 1,76 MJ.
Akumulator nie był całkowicie zaizolowany,
stąd do otoczenia stracono ponad 470 MJ.
Rys. 3.5 Przebiegi temperatury T w czasie ładowania i rozładowania
akumulatora ze złożem filtracyjnym w postaci kul,
kolor fioletowy – temperatura wody w akumulatorze Tw,
kolor żółty – temperatura wody zasilającej ramkę Tz,
kolor brązowy – temperatura wody powrotnej z ramki Tp
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Materiał PCM
PCM stopił się po czasie 240-300 minut.
Na długi czas ładowania miały wpływ niekorzystne czynniki
opisane poniżej.
Zjawiska zachodzące podczas ładowania:
- PCM krzepł na ściankach akumulatora (temperatura
mniejsza od temperatury topnienia Tm);
- wokół rurek w wewnętrznej części ranki tworzą się kanały
z płynnym materiałem PCM (łatwiejsze topnienie warstw
znajdujących się dalej od rurki);
- rurki w zewnętrznej części ramki są otoczone pustką
powietrzną (PCM spłynął do pustych przestrzeni,
trudniejsze topnienie PCM w obszarze rurek).
Rys. 3.4 Widok akumulatora płaszczowo-rurowego
(schemat, pusty, zasypany materiałem PCM)
Zjawiska zachodzące podczas rozładowywania:
- pęknięcia i puste przestrzenie powietrzne (powstałe na
skutek różnicy objętości fazy stałej VS < VL o 14% );
- materiał PCM pęka tworząc mniejsze bloki (ponowny
proces ładowania utrudniony ze względu na niski
współczynnik przewodzenia powietrza).
Rys.
3.5
Termiczna
blokada
ładowania
akumulatora (puste przestrzenie w które wpływa
roztapiany PCM)
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
W celu przyspieszenia procesu ładowania materiału PCM
wprowadzano wodę do akumulatora.
a
b
Opis ładowania akumulatora po zalaniu wodą:
-woda wypełniła akumulator ponad powierzchnię PCM;
-w ciągu 10 minut temperatura wzrosła przy ściance z 31 C na 49 C
(znacznie polepszony rozpływ ciepła);
-po rozpuszczeniu części PCM, widoczna granica międzyfazowa: woda /
ciekły PCM / stały PCM;
-ciekły PCM wypływa na powierzchnię i krzepnie (prądy konwekcyjne
mieszaniny ciekły PCM / woda przemieszczają się z prędkością 13 cm/s,
temperatury wewnątrz akumulatora: 8188 C, przy ściance: 46 C;
-para wrzącej wody unosi się przez ciekły PCM i rozpuszcza stały PCM
znajdujący się na powierzchni (temperatura przy ściance 61,7 C –
najszybsza zmiana fazy w materiale PCM).
Jeżeli na dole zasobnika jest materiał PCM, to woda dociera
nad niego i roztapia go. Dzięki mniejszej gęstości fazy ciekłej
materiał PCM wypływa na górę. Stąd, po pewnym czasie,
woda znajdzie się na dnie, a PCM na górze. Woda powinna
zalewać dolną kratownicę rurek, ponieważ wtedy szybciej
ładuje się zasobnik ciepłem.
c
PCM
WODA
Rys. 3.6 Akumulator a, b – z PCM’em,
c – z mieszaniną binarną PCM-woda
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Na charakterystykach widoczne są
temperatury wody zasilającej ramkę
Tz, wody powracającej z ramki Tp,
temperatury materiału PCM oraz
temperatura otoczenia.
W początkowej fazie temperatury
wody zasilającej Tz jak i powrotnej Tp
wzrastały liniowo. Następnie były
utrzymywane ich stałe wartości:
Tz: 110 C, Tp: 104-105 C.
W akumulatorze znajdowało się:
- 44 kg materiału PCM (Tm = 77-82 C)
- 14 kg wody.
Czas ładowania: 233 minuty.
Rozładowanie akumulatora trwało 19
godzin 4 minuty.
Warunkiem zakończenia ładowania
było
wyrównanie
temperatur
wszystkich czujników rozmieszczonych
w materiale PCM.
Rys. 3.7 Przebieg procesu ładowania i rozładowania akumulatora płaszczoworurowego wypełnionego mieszaniną binarną PCM-woda w czasie
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Rys. 3.9. Zależność mocy cieplnej czasu w fazie ładowania
akumulatora filtracyjnego
Rys. 3.8. Zależność temperatury topnienia PCM od ciepła dla
danych z eksperymentu: 44 kg materiału PCM, ciepło
przemiany fazowej 176 kJ/kg . 44 kg = 7744 kJ
Różne frakcje parafin powodują pochylenie krzywej
temperatury w obszarze przemiany fazowej.
Ponadto widać, że ciepło właściwe PCM (styczna do
krzywej temperatury) zmienia się w funkcji
dostarczanego ciepła i aktualnej temperatury PCM.
Początek przemiany fazowej jest widoczny jako
wzrost pobieranej mocy lub wzrost różnicy
temperatur.
Nie pokrywa się on z deklarowanymi przez
producenta materiału PCM temperaturą przemiany
fazowej ze względu na spóźnioną reakcję czujnika
temperatury. Średnica czujnika wynosiła około 3 mm.
Stąd ciekły PCM potrzebował pewnego czasu, aby
otoczyć czujnik w całości.
3.3 AKUMULATOR WODNY
W celu porównania efektywności akumulatorów wypełnionych materiałem PCM przeprowadzono badania akumulacji z
zasobnikiem wodnym. Na rys. 3.10 pokazano ładowanie i rozładowanie akumulatora wodnego o takiej samej objętości
wody akumulującej ciepło jak łączna objętość wody i kul w akumulatorze filtracyjnym. Widoczna jest 2,5-krotnie
większa zdolność do akumulacji ciepła w akumulatorze z kulami wypełnionymi PCM (rys. 3.11).
WODA
Rys. 3.10. Rozładowanie akumulatora wodnego o takiej
samej objętości jak akumulator z kulami
PCM
Rys. 3.11. Rozładowanie akumulatora z kulami, oznaczenia
jak na rys. 3.7, zależność temperatury T od czasu
PODSUMOWANIE
4. PODSUMOWANIE
Eksperymentalnie zbadano własności dynamiczne akumulatora płaszczoworurowego i filtracyjnego. W celu przyspieszenia procesu ładowania i
pokonania bariery niskiego współczynnika przewodzenia ciepła dla materiału
PCM użyto medium pośredniczącego – wody – tworząc ciecz binarną.
Określono czas ładowania, czas rozładowania oraz opisano zjawiska
występujące podczas procesu ładowania i rozładowania akumulatora
płaszczowo - rurowego. Przykładowo czas ładowania od temperatury 25 C do
temperatury 99 C przy temperaturze wody zasilającej Tw=110 C wynosił
tqsmelt = 3 godziny 53 minuty.
Zbadano własności dynamiczne akumulatora filtracyjnego. Badano czas
topnienia tqsmelt pojedynczej kuli oraz akumulatora wypełnionego złożem w
postaci kul. Model teoretyczny czasu topnienia tqsmelt dla pojedynczej kuli
pokrywa się z wynikami uzyskanymi z eksperymentu. Uzyskane czasy
topnienia dla cylindrów i kuli wahają się od 5 minut do 68 minut w zależności
od geometrii. Również w przypadku badania złoża składającego się z kul czas
obliczony teoretycznie i zmierzony pokrywają się.
4. PODSUMOWANIE
Ważnym wnioskiem praktycznym jest to, że zarówno w przypadku akumulatora
płaszczowo – rurowego jak i filtracyjnego temperatura ciepła odbieranego nie była
stała w obszarze przejścia fazowego, pomimo, że jest stała na wykresie fazowym w tym
obszarze. Jeżeli materiał PCM krzepnie, to od strony odbioru ciepła tworzy się warstwa
stałego PCM, którego temperatura zaczyna spadać. Jeżeli topnieje, to średnia
temperatura w akumulatorze rośnie. Ponadto przy odbiorze ciepła pojawiają się
różnice w prędkości spadku temperatury PCM w akumulatorze. Najszybciej temperatura
spada do temperatury przejścia fazowego Tm, potem prędkość spadku zmniejsza się.
Z obu konstrukcji autorzy wskazują akumulator filtracyjny ze złożem w postaci kul jako
ten, który może być zastosowany w praktyce. Jest tak ze względu na krótki czas
ładowania i prostotę budowy wiążącą się z jego niezawodnością. Im krótszy czas
topnienia, tym więcej energii można odebrać od źródła ciepła odpadowego. Stąd
krotność odbioru ciepła w ciągu doby decyduje o średnicy kul wypełnionych materiałem
PCM.
pytania / komentarze / dyskusja
Dziękujemy za uwagę
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
PROGRAM STRATEGICZNY – ZAAWANSOWANE TECHNOLO
GIE POZYSKIWANIA ENERGII
ZADANIE NR 1 – „Opracowanie technologii dla wysokosprawnych „zero-emisyjnych”
bloków węglowych zintegrowanych z wychwytem CO ze spalin”
Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju zgodnie z umową
nr SP/E/1/67484/10 z dnia 05 maja 2010r, numer projektu: SP/E/1/67484/10
2
Slide 20
Wydział Mechaniczno-Energetyczny
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
Badania
efektywności akumulacji ciepła
w materiale o zmiennej fazie
SPIS TREŚCI
1. Wstęp
2. Stanowisko badawcze
3. Wyniki badań laboratoryjnych i ich analiza
3.1 Akumulator filtracyjny
3.2 Akumulator płaszczowo-rurowy
3.3 Akumulator wodny
4. Podsumowanie
1. WSTĘP
Podstawowym celem badań był wybór konstrukcji
akumulatora ciepła z wykorzystaniem materiału o
zmiennej fazie (ang. PCM – phase changing material)
zapewniającym największe wykorzystanie dostępnego
ciepła (np. ciepła odpadowego spalin za kotłem w
elektrowni).
Zbadano dwie konstrukcje – płaszczowo – rurową i
filtracyjną.
W akumulatorze płaszczowo – rurowym materiał PCM
znajdował się pomiędzy płaszczem i rurkami grzejnymi,
w których płynęła woda podgrzewając PCM.
W akumulatorze filtracyjnym PCM był umieszczony w
kulach o średnicy 4 cm. Woda grzejna swobodnie
przepływała pomiędzy kulami, w których następowała
akumulacja ciepła z zajściem przemiany fazowej.
W eksperymencie z pojedynczą kulą obserwowano
przemianę fazową w funkcji czasu. Przestrzeń wokół
kuli była wypełniona olejem ze względu na jego wyższą
temperaturę wrzenia przy ciśnieniu atmosferycznym.
Porównano wyniki eksperymentalne i teoretyczne.
A
B
2. STANOWISKO BADAWCZE
Woda jest częściowo podgrzewana
w wymienniku c.o. 1, regulowana pompa
2 wymusza obieg wody grzewczej do
instalacji
c.o.
budynku
oraz
akumulatorów 9, 10. Brakująca część
energii
potrzebnej
do
ładowania
akumulatora jest uzupełniana przez
grzałki elektryczne 5 sterowane przez
regulator 6 w funkcji temperatury wody
14. Pompa była regulaowana w funkcji
strumienia wody (p-v). W czasie
ładowania akumulatora otwierany był
zawór odcinający 16 ze względu na
przejmowanie wahań objętości wody po
jej podgrzaniu przez instalację c.o.
budynku. Zawór odcinający 15 był
wówczas
zamknięty.
W
czasie
rozładowania akumulatora otwierano
zawory 15 i 16. Do pomiaru temperatury
wewnątrz akumulatora wykorzystano
moduły 7 (ADAM firmy Advantech) oraz
rejestrator 8 (AR205 firmy Apar). Czujniki
temperatury 13 były umieszczone w
akumulatorze.
Do
układu
hydraulicznego
przyłączano akumulator ze złożem
filtracyjnym i płaszczowo-rurowym.
Rys.2.1 Schemat układu hydraulicznego z
akumulatorem płaszczowo-rurowym, filtracyjnym
i wodnym
1 – wymiennik ciepła węzeł cieplny/instalacja c.o., 2 – pompa z regulatorem prędkości
obrotowej, 3 – instalacja c.o. budynku, 4 – filtr, 5 – grzałki elektryczne, 6 - regulator
temperatury wody (nazwa : ATR), 7 – grupa modułów do rejestracji pomiarów temperatury
(nazwa : Adam), 8 – rejestrator pomiarów temperatury (nazwa: AR 205), 9 – akumulator
płaszczowo – rurowy, 10 – akumulator filtracyjny, 11 – przepływomierz, 12 – manometr, 13 –
czujnik temperatury, 14 – czujnik temperatury, 15 – zawór odcinający przewód zasilający
instalacji c.o., 16 – zawór odcinający przewód powrotny instalacji c.o.
2. STANOWISKO BADAWCZE
Widok stanowiska badawczego
Wyniki badań laboratoryjnych
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula
Celem eksperymentu była weryfikacja teoretycznego czasu
topnienia pojedynczej kuli tqsmelt. Mając eksperymentalnie
zweryfikowany model teoretyczny można wyciągać wnioski dla
złoża składającego się z kul.
Eksperyment przeprowadzono następująco:
- rozgrzano olej do średniej temperatury 157 C, regulator
RE14 dwustanowo utrzymywał tę temperaturę,
- następnie wrzucono kulę, której temperatura była równa
temperaturze otoczenia 25 C
Ze względu na różnicę gęstości pomiędzy fazą stałą i ciekłą S
>L powodującą zmniejszenie się objętości fazy stałej VS < VL o
14% podczas przemiany fazowej na górze kuli pozostawiono
wolną przestrzeń przejmującą objętość rozszerzającego się
materiału
Rys. 3.1 Przebieg topnienia PCM w kuli o średnicy 4 cm
poziom wody
Akumulator filtracyjny
Eksperyment przeprowadzono w złożu stacjonarnym w
akumulatorze z ramkami. W jego trakcie stosowano zmienne
temperatury wody zasilającej ramkę kolejno 110 C, 100 C,
105 C, 95 C. Przed wrzuceniem kul do akumulatora rozgrzano
znajdującą się w nim wodę do temperatury 90 C.
Rys. 3.2 Widok kul po wrzuceniu do akumulatora
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – model teoretyczny
Przy założeniu stałych własności PCM zagadnienie rozwiązano za
pomocą równania przewodnictwa ciepła:
z warunkiem Stefana wymiany ciepła na płaszczyźnie zmiany fazy:
w przypadku stałej temperatury TL płynnego PCM:
czas ładowania kuli tqsmelt wynosi:
gdzie:
- gęstość stałego PCM, kg/m3
cL
- ciepło właściwe fazy ciekłej, J/kgK
Tt
- pochodna temperatury po czasie, C/s
kL
- współczynnik przewodzenia ciepła fazy
ciekłej, W/mK
Tr
- pochodna temperatury po promieniu, C/m
- temperatura przemiany fazowej, C
- ciepło przemiany fazowej, J/kg
- prędkość przesuwania się płaszczyzny
zmiany fazy wzdłuż promienia R, m/s
R(t)+ - promień, m
Tm
L
R’
TL
- temperatura fazy ciekłej, C
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – pomiary
Otrzymany z pomiarów czas topnienia wynoszący tqsmelt = 13.5
minuty porównano z modelem teoretycznym.
Waga PCM znajdującego się w kuli wynosiła 28,832 g, a
średnica zastępczej kuli wypełnionej tylko PCM wynosi 20,76
mm. Po wstawieniu danych otrzymano czas ładowania
t melt
qs
770 176000
6 0 . 2 (157 82 )
0 . 021
2
11 . 1 minut
Różnica czasów 13.5 - 11.1 minuty wynika z dwóch przyczyn:
- PCM nie miał początkowej temperatury Tm=82 C i był
wymagany czas na jego podgrzanie do tej temperatury,
- w kuli występowała pustka powietrzna utrudniająca
wymianę ciepła pomiędzy olejem i materiałem PCM.
Dobrą zgodność dla badanej kuli uzyskano dla promienia
zastępczego Ro = 23 mm.
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula - mieszanina PCM-olej
W celu poprawy konwekcji ciepła wewnątrz kul i przyspieszenia
procesu roztapiania PCM - zmieszano go w różnych proporcjach z
olejem, umieszczono w kulach plastikowych o średnicy 4 cm i
poddano z zewnątrz procesowi ogrzewania olejem o różnych
temperaturach.
Zauważyć można, że:
-dla kul z mniejszym udziałem PCM czas topnienia jest krótszy,
(mniejsza ilość materiału PCM oraz lepsza konwekcja
wewnętrzna)
80
70
100⁰C
-im więcej oleju tym krótszy czas ładowania, ale gorsze własności
akumulacyjne (pojemność cieplna PCM / olej).
-im wyższa temperatura ładowania, tym mniejszy wpływ efektu
dodania oleju. Różnice w czasach ładowania (do 15%) w praktyce
są pomijalne.
C z a s to p n i e n ia , m in u ty
60
50
110⁰C
40
120⁰C
30
130⁰C
20
150⁰C
10
0
50-50
60-40
70-30
80-20
85-15
90-10
95-05
98-02
Skład procentow y P C M - olej
Rys. 3.4 Przebieg topnienia kul o średnicy 4 cm
z mieszaniną PCM - olej
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Złoże filtracyjne z kul wypełnionych PCM
Topnienie kul trwało 106 minut.
Długi czas wynika z małej różnicy
temperatur wody i przemiany fazowej
TL-Tm = 3 10 C.
Eksperymentalnie otrzymany czas pokrywa
się
z
obliczeniami
teoretycznymi
przeprowadzonymi dla pojedynczej kuli
(rys. 3.3) dla TL=90 C.
Warunkiem zakończenia ładowania był brak
odbioru ciepła przez materiał PCM
(punkt B, rys. 3.5).
Bilans cieplny akumulatora:
- maksymalna moc cieplna: 5,32 kW,
- ciepło rozgrzewania: 1262 MJ,
- ciepło ładowania kul: 472 MJ.
- ciepło przemiany fazowej kul: 1,76 MJ.
Akumulator nie był całkowicie zaizolowany,
stąd do otoczenia stracono ponad 470 MJ.
Rys. 3.5 Przebiegi temperatury T w czasie ładowania i rozładowania
akumulatora ze złożem filtracyjnym w postaci kul,
kolor fioletowy – temperatura wody w akumulatorze Tw,
kolor żółty – temperatura wody zasilającej ramkę Tz,
kolor brązowy – temperatura wody powrotnej z ramki Tp
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Materiał PCM
PCM stopił się po czasie 240-300 minut.
Na długi czas ładowania miały wpływ niekorzystne czynniki
opisane poniżej.
Zjawiska zachodzące podczas ładowania:
- PCM krzepł na ściankach akumulatora (temperatura
mniejsza od temperatury topnienia Tm);
- wokół rurek w wewnętrznej części ranki tworzą się kanały
z płynnym materiałem PCM (łatwiejsze topnienie warstw
znajdujących się dalej od rurki);
- rurki w zewnętrznej części ramki są otoczone pustką
powietrzną (PCM spłynął do pustych przestrzeni,
trudniejsze topnienie PCM w obszarze rurek).
Rys. 3.4 Widok akumulatora płaszczowo-rurowego
(schemat, pusty, zasypany materiałem PCM)
Zjawiska zachodzące podczas rozładowywania:
- pęknięcia i puste przestrzenie powietrzne (powstałe na
skutek różnicy objętości fazy stałej VS < VL o 14% );
- materiał PCM pęka tworząc mniejsze bloki (ponowny
proces ładowania utrudniony ze względu na niski
współczynnik przewodzenia powietrza).
Rys.
3.5
Termiczna
blokada
ładowania
akumulatora (puste przestrzenie w które wpływa
roztapiany PCM)
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
W celu przyspieszenia procesu ładowania materiału PCM
wprowadzano wodę do akumulatora.
a
b
Opis ładowania akumulatora po zalaniu wodą:
-woda wypełniła akumulator ponad powierzchnię PCM;
-w ciągu 10 minut temperatura wzrosła przy ściance z 31 C na 49 C
(znacznie polepszony rozpływ ciepła);
-po rozpuszczeniu części PCM, widoczna granica międzyfazowa: woda /
ciekły PCM / stały PCM;
-ciekły PCM wypływa na powierzchnię i krzepnie (prądy konwekcyjne
mieszaniny ciekły PCM / woda przemieszczają się z prędkością 13 cm/s,
temperatury wewnątrz akumulatora: 8188 C, przy ściance: 46 C;
-para wrzącej wody unosi się przez ciekły PCM i rozpuszcza stały PCM
znajdujący się na powierzchni (temperatura przy ściance 61,7 C –
najszybsza zmiana fazy w materiale PCM).
Jeżeli na dole zasobnika jest materiał PCM, to woda dociera
nad niego i roztapia go. Dzięki mniejszej gęstości fazy ciekłej
materiał PCM wypływa na górę. Stąd, po pewnym czasie,
woda znajdzie się na dnie, a PCM na górze. Woda powinna
zalewać dolną kratownicę rurek, ponieważ wtedy szybciej
ładuje się zasobnik ciepłem.
c
PCM
WODA
Rys. 3.6 Akumulator a, b – z PCM’em,
c – z mieszaniną binarną PCM-woda
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Na charakterystykach widoczne są
temperatury wody zasilającej ramkę
Tz, wody powracającej z ramki Tp,
temperatury materiału PCM oraz
temperatura otoczenia.
W początkowej fazie temperatury
wody zasilającej Tz jak i powrotnej Tp
wzrastały liniowo. Następnie były
utrzymywane ich stałe wartości:
Tz: 110 C, Tp: 104-105 C.
W akumulatorze znajdowało się:
- 44 kg materiału PCM (Tm = 77-82 C)
- 14 kg wody.
Czas ładowania: 233 minuty.
Rozładowanie akumulatora trwało 19
godzin 4 minuty.
Warunkiem zakończenia ładowania
było
wyrównanie
temperatur
wszystkich czujników rozmieszczonych
w materiale PCM.
Rys. 3.7 Przebieg procesu ładowania i rozładowania akumulatora płaszczoworurowego wypełnionego mieszaniną binarną PCM-woda w czasie
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Rys. 3.9. Zależność mocy cieplnej czasu w fazie ładowania
akumulatora filtracyjnego
Rys. 3.8. Zależność temperatury topnienia PCM od ciepła dla
danych z eksperymentu: 44 kg materiału PCM, ciepło
przemiany fazowej 176 kJ/kg . 44 kg = 7744 kJ
Różne frakcje parafin powodują pochylenie krzywej
temperatury w obszarze przemiany fazowej.
Ponadto widać, że ciepło właściwe PCM (styczna do
krzywej temperatury) zmienia się w funkcji
dostarczanego ciepła i aktualnej temperatury PCM.
Początek przemiany fazowej jest widoczny jako
wzrost pobieranej mocy lub wzrost różnicy
temperatur.
Nie pokrywa się on z deklarowanymi przez
producenta materiału PCM temperaturą przemiany
fazowej ze względu na spóźnioną reakcję czujnika
temperatury. Średnica czujnika wynosiła około 3 mm.
Stąd ciekły PCM potrzebował pewnego czasu, aby
otoczyć czujnik w całości.
3.3 AKUMULATOR WODNY
W celu porównania efektywności akumulatorów wypełnionych materiałem PCM przeprowadzono badania akumulacji z
zasobnikiem wodnym. Na rys. 3.10 pokazano ładowanie i rozładowanie akumulatora wodnego o takiej samej objętości
wody akumulującej ciepło jak łączna objętość wody i kul w akumulatorze filtracyjnym. Widoczna jest 2,5-krotnie
większa zdolność do akumulacji ciepła w akumulatorze z kulami wypełnionymi PCM (rys. 3.11).
WODA
Rys. 3.10. Rozładowanie akumulatora wodnego o takiej
samej objętości jak akumulator z kulami
PCM
Rys. 3.11. Rozładowanie akumulatora z kulami, oznaczenia
jak na rys. 3.7, zależność temperatury T od czasu
PODSUMOWANIE
4. PODSUMOWANIE
Eksperymentalnie zbadano własności dynamiczne akumulatora płaszczoworurowego i filtracyjnego. W celu przyspieszenia procesu ładowania i
pokonania bariery niskiego współczynnika przewodzenia ciepła dla materiału
PCM użyto medium pośredniczącego – wody – tworząc ciecz binarną.
Określono czas ładowania, czas rozładowania oraz opisano zjawiska
występujące podczas procesu ładowania i rozładowania akumulatora
płaszczowo - rurowego. Przykładowo czas ładowania od temperatury 25 C do
temperatury 99 C przy temperaturze wody zasilającej Tw=110 C wynosił
tqsmelt = 3 godziny 53 minuty.
Zbadano własności dynamiczne akumulatora filtracyjnego. Badano czas
topnienia tqsmelt pojedynczej kuli oraz akumulatora wypełnionego złożem w
postaci kul. Model teoretyczny czasu topnienia tqsmelt dla pojedynczej kuli
pokrywa się z wynikami uzyskanymi z eksperymentu. Uzyskane czasy
topnienia dla cylindrów i kuli wahają się od 5 minut do 68 minut w zależności
od geometrii. Również w przypadku badania złoża składającego się z kul czas
obliczony teoretycznie i zmierzony pokrywają się.
4. PODSUMOWANIE
Ważnym wnioskiem praktycznym jest to, że zarówno w przypadku akumulatora
płaszczowo – rurowego jak i filtracyjnego temperatura ciepła odbieranego nie była
stała w obszarze przejścia fazowego, pomimo, że jest stała na wykresie fazowym w tym
obszarze. Jeżeli materiał PCM krzepnie, to od strony odbioru ciepła tworzy się warstwa
stałego PCM, którego temperatura zaczyna spadać. Jeżeli topnieje, to średnia
temperatura w akumulatorze rośnie. Ponadto przy odbiorze ciepła pojawiają się
różnice w prędkości spadku temperatury PCM w akumulatorze. Najszybciej temperatura
spada do temperatury przejścia fazowego Tm, potem prędkość spadku zmniejsza się.
Z obu konstrukcji autorzy wskazują akumulator filtracyjny ze złożem w postaci kul jako
ten, który może być zastosowany w praktyce. Jest tak ze względu na krótki czas
ładowania i prostotę budowy wiążącą się z jego niezawodnością. Im krótszy czas
topnienia, tym więcej energii można odebrać od źródła ciepła odpadowego. Stąd
krotność odbioru ciepła w ciągu doby decyduje o średnicy kul wypełnionych materiałem
PCM.
pytania / komentarze / dyskusja
Dziękujemy za uwagę
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
PROGRAM STRATEGICZNY – ZAAWANSOWANE TECHNOLO
GIE POZYSKIWANIA ENERGII
ZADANIE NR 1 – „Opracowanie technologii dla wysokosprawnych „zero-emisyjnych”
bloków węglowych zintegrowanych z wychwytem CO ze spalin”
Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju zgodnie z umową
nr SP/E/1/67484/10 z dnia 05 maja 2010r, numer projektu: SP/E/1/67484/10
2
Wydział Mechaniczno-Energetyczny
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
Badania
efektywności akumulacji ciepła
w materiale o zmiennej fazie
SPIS TREŚCI
1. Wstęp
2. Stanowisko badawcze
3. Wyniki badań laboratoryjnych i ich analiza
3.1 Akumulator filtracyjny
3.2 Akumulator płaszczowo-rurowy
3.3 Akumulator wodny
4. Podsumowanie
1. WSTĘP
Podstawowym celem badań był wybór konstrukcji
akumulatora ciepła z wykorzystaniem materiału o
zmiennej fazie (ang. PCM – phase changing material)
zapewniającym największe wykorzystanie dostępnego
ciepła (np. ciepła odpadowego spalin za kotłem w
elektrowni).
Zbadano dwie konstrukcje – płaszczowo – rurową i
filtracyjną.
W akumulatorze płaszczowo – rurowym materiał PCM
znajdował się pomiędzy płaszczem i rurkami grzejnymi,
w których płynęła woda podgrzewając PCM.
W akumulatorze filtracyjnym PCM był umieszczony w
kulach o średnicy 4 cm. Woda grzejna swobodnie
przepływała pomiędzy kulami, w których następowała
akumulacja ciepła z zajściem przemiany fazowej.
W eksperymencie z pojedynczą kulą obserwowano
przemianę fazową w funkcji czasu. Przestrzeń wokół
kuli była wypełniona olejem ze względu na jego wyższą
temperaturę wrzenia przy ciśnieniu atmosferycznym.
Porównano wyniki eksperymentalne i teoretyczne.
A
B
2. STANOWISKO BADAWCZE
Woda jest częściowo podgrzewana
w wymienniku c.o. 1, regulowana pompa
2 wymusza obieg wody grzewczej do
instalacji
c.o.
budynku
oraz
akumulatorów 9, 10. Brakująca część
energii
potrzebnej
do
ładowania
akumulatora jest uzupełniana przez
grzałki elektryczne 5 sterowane przez
regulator 6 w funkcji temperatury wody
14. Pompa była regulaowana w funkcji
strumienia wody (p-v). W czasie
ładowania akumulatora otwierany był
zawór odcinający 16 ze względu na
przejmowanie wahań objętości wody po
jej podgrzaniu przez instalację c.o.
budynku. Zawór odcinający 15 był
wówczas
zamknięty.
W
czasie
rozładowania akumulatora otwierano
zawory 15 i 16. Do pomiaru temperatury
wewnątrz akumulatora wykorzystano
moduły 7 (ADAM firmy Advantech) oraz
rejestrator 8 (AR205 firmy Apar). Czujniki
temperatury 13 były umieszczone w
akumulatorze.
Do
układu
hydraulicznego
przyłączano akumulator ze złożem
filtracyjnym i płaszczowo-rurowym.
Rys.2.1 Schemat układu hydraulicznego z
akumulatorem płaszczowo-rurowym, filtracyjnym
i wodnym
1 – wymiennik ciepła węzeł cieplny/instalacja c.o., 2 – pompa z regulatorem prędkości
obrotowej, 3 – instalacja c.o. budynku, 4 – filtr, 5 – grzałki elektryczne, 6 - regulator
temperatury wody (nazwa : ATR), 7 – grupa modułów do rejestracji pomiarów temperatury
(nazwa : Adam), 8 – rejestrator pomiarów temperatury (nazwa: AR 205), 9 – akumulator
płaszczowo – rurowy, 10 – akumulator filtracyjny, 11 – przepływomierz, 12 – manometr, 13 –
czujnik temperatury, 14 – czujnik temperatury, 15 – zawór odcinający przewód zasilający
instalacji c.o., 16 – zawór odcinający przewód powrotny instalacji c.o.
2. STANOWISKO BADAWCZE
Widok stanowiska badawczego
Wyniki badań laboratoryjnych
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula
Celem eksperymentu była weryfikacja teoretycznego czasu
topnienia pojedynczej kuli tqsmelt. Mając eksperymentalnie
zweryfikowany model teoretyczny można wyciągać wnioski dla
złoża składającego się z kul.
Eksperyment przeprowadzono następująco:
- rozgrzano olej do średniej temperatury 157 C, regulator
RE14 dwustanowo utrzymywał tę temperaturę,
- następnie wrzucono kulę, której temperatura była równa
temperaturze otoczenia 25 C
Ze względu na różnicę gęstości pomiędzy fazą stałą i ciekłą S
>L powodującą zmniejszenie się objętości fazy stałej VS < VL o
14% podczas przemiany fazowej na górze kuli pozostawiono
wolną przestrzeń przejmującą objętość rozszerzającego się
materiału
Rys. 3.1 Przebieg topnienia PCM w kuli o średnicy 4 cm
poziom wody
Akumulator filtracyjny
Eksperyment przeprowadzono w złożu stacjonarnym w
akumulatorze z ramkami. W jego trakcie stosowano zmienne
temperatury wody zasilającej ramkę kolejno 110 C, 100 C,
105 C, 95 C. Przed wrzuceniem kul do akumulatora rozgrzano
znajdującą się w nim wodę do temperatury 90 C.
Rys. 3.2 Widok kul po wrzuceniu do akumulatora
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – model teoretyczny
Przy założeniu stałych własności PCM zagadnienie rozwiązano za
pomocą równania przewodnictwa ciepła:
z warunkiem Stefana wymiany ciepła na płaszczyźnie zmiany fazy:
w przypadku stałej temperatury TL płynnego PCM:
czas ładowania kuli tqsmelt wynosi:
gdzie:
- gęstość stałego PCM, kg/m3
cL
- ciepło właściwe fazy ciekłej, J/kgK
Tt
- pochodna temperatury po czasie, C/s
kL
- współczynnik przewodzenia ciepła fazy
ciekłej, W/mK
Tr
- pochodna temperatury po promieniu, C/m
- temperatura przemiany fazowej, C
- ciepło przemiany fazowej, J/kg
- prędkość przesuwania się płaszczyzny
zmiany fazy wzdłuż promienia R, m/s
R(t)+ - promień, m
Tm
L
R’
TL
- temperatura fazy ciekłej, C
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – pomiary
Otrzymany z pomiarów czas topnienia wynoszący tqsmelt = 13.5
minuty porównano z modelem teoretycznym.
Waga PCM znajdującego się w kuli wynosiła 28,832 g, a
średnica zastępczej kuli wypełnionej tylko PCM wynosi 20,76
mm. Po wstawieniu danych otrzymano czas ładowania
t melt
qs
770 176000
6 0 . 2 (157 82 )
0 . 021
2
11 . 1 minut
Różnica czasów 13.5 - 11.1 minuty wynika z dwóch przyczyn:
- PCM nie miał początkowej temperatury Tm=82 C i był
wymagany czas na jego podgrzanie do tej temperatury,
- w kuli występowała pustka powietrzna utrudniająca
wymianę ciepła pomiędzy olejem i materiałem PCM.
Dobrą zgodność dla badanej kuli uzyskano dla promienia
zastępczego Ro = 23 mm.
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula - mieszanina PCM-olej
W celu poprawy konwekcji ciepła wewnątrz kul i przyspieszenia
procesu roztapiania PCM - zmieszano go w różnych proporcjach z
olejem, umieszczono w kulach plastikowych o średnicy 4 cm i
poddano z zewnątrz procesowi ogrzewania olejem o różnych
temperaturach.
Zauważyć można, że:
-dla kul z mniejszym udziałem PCM czas topnienia jest krótszy,
(mniejsza ilość materiału PCM oraz lepsza konwekcja
wewnętrzna)
80
70
100⁰C
-im więcej oleju tym krótszy czas ładowania, ale gorsze własności
akumulacyjne (pojemność cieplna PCM / olej).
-im wyższa temperatura ładowania, tym mniejszy wpływ efektu
dodania oleju. Różnice w czasach ładowania (do 15%) w praktyce
są pomijalne.
C z a s to p n i e n ia , m in u ty
60
50
110⁰C
40
120⁰C
30
130⁰C
20
150⁰C
10
0
50-50
60-40
70-30
80-20
85-15
90-10
95-05
98-02
Skład procentow y P C M - olej
Rys. 3.4 Przebieg topnienia kul o średnicy 4 cm
z mieszaniną PCM - olej
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Złoże filtracyjne z kul wypełnionych PCM
Topnienie kul trwało 106 minut.
Długi czas wynika z małej różnicy
temperatur wody i przemiany fazowej
TL-Tm = 3 10 C.
Eksperymentalnie otrzymany czas pokrywa
się
z
obliczeniami
teoretycznymi
przeprowadzonymi dla pojedynczej kuli
(rys. 3.3) dla TL=90 C.
Warunkiem zakończenia ładowania był brak
odbioru ciepła przez materiał PCM
(punkt B, rys. 3.5).
Bilans cieplny akumulatora:
- maksymalna moc cieplna: 5,32 kW,
- ciepło rozgrzewania: 1262 MJ,
- ciepło ładowania kul: 472 MJ.
- ciepło przemiany fazowej kul: 1,76 MJ.
Akumulator nie był całkowicie zaizolowany,
stąd do otoczenia stracono ponad 470 MJ.
Rys. 3.5 Przebiegi temperatury T w czasie ładowania i rozładowania
akumulatora ze złożem filtracyjnym w postaci kul,
kolor fioletowy – temperatura wody w akumulatorze Tw,
kolor żółty – temperatura wody zasilającej ramkę Tz,
kolor brązowy – temperatura wody powrotnej z ramki Tp
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Materiał PCM
PCM stopił się po czasie 240-300 minut.
Na długi czas ładowania miały wpływ niekorzystne czynniki
opisane poniżej.
Zjawiska zachodzące podczas ładowania:
- PCM krzepł na ściankach akumulatora (temperatura
mniejsza od temperatury topnienia Tm);
- wokół rurek w wewnętrznej części ranki tworzą się kanały
z płynnym materiałem PCM (łatwiejsze topnienie warstw
znajdujących się dalej od rurki);
- rurki w zewnętrznej części ramki są otoczone pustką
powietrzną (PCM spłynął do pustych przestrzeni,
trudniejsze topnienie PCM w obszarze rurek).
Rys. 3.4 Widok akumulatora płaszczowo-rurowego
(schemat, pusty, zasypany materiałem PCM)
Zjawiska zachodzące podczas rozładowywania:
- pęknięcia i puste przestrzenie powietrzne (powstałe na
skutek różnicy objętości fazy stałej VS < VL o 14% );
- materiał PCM pęka tworząc mniejsze bloki (ponowny
proces ładowania utrudniony ze względu na niski
współczynnik przewodzenia powietrza).
Rys.
3.5
Termiczna
blokada
ładowania
akumulatora (puste przestrzenie w które wpływa
roztapiany PCM)
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
W celu przyspieszenia procesu ładowania materiału PCM
wprowadzano wodę do akumulatora.
a
b
Opis ładowania akumulatora po zalaniu wodą:
-woda wypełniła akumulator ponad powierzchnię PCM;
-w ciągu 10 minut temperatura wzrosła przy ściance z 31 C na 49 C
(znacznie polepszony rozpływ ciepła);
-po rozpuszczeniu części PCM, widoczna granica międzyfazowa: woda /
ciekły PCM / stały PCM;
-ciekły PCM wypływa na powierzchnię i krzepnie (prądy konwekcyjne
mieszaniny ciekły PCM / woda przemieszczają się z prędkością 13 cm/s,
temperatury wewnątrz akumulatora: 8188 C, przy ściance: 46 C;
-para wrzącej wody unosi się przez ciekły PCM i rozpuszcza stały PCM
znajdujący się na powierzchni (temperatura przy ściance 61,7 C –
najszybsza zmiana fazy w materiale PCM).
Jeżeli na dole zasobnika jest materiał PCM, to woda dociera
nad niego i roztapia go. Dzięki mniejszej gęstości fazy ciekłej
materiał PCM wypływa na górę. Stąd, po pewnym czasie,
woda znajdzie się na dnie, a PCM na górze. Woda powinna
zalewać dolną kratownicę rurek, ponieważ wtedy szybciej
ładuje się zasobnik ciepłem.
c
PCM
WODA
Rys. 3.6 Akumulator a, b – z PCM’em,
c – z mieszaniną binarną PCM-woda
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Na charakterystykach widoczne są
temperatury wody zasilającej ramkę
Tz, wody powracającej z ramki Tp,
temperatury materiału PCM oraz
temperatura otoczenia.
W początkowej fazie temperatury
wody zasilającej Tz jak i powrotnej Tp
wzrastały liniowo. Następnie były
utrzymywane ich stałe wartości:
Tz: 110 C, Tp: 104-105 C.
W akumulatorze znajdowało się:
- 44 kg materiału PCM (Tm = 77-82 C)
- 14 kg wody.
Czas ładowania: 233 minuty.
Rozładowanie akumulatora trwało 19
godzin 4 minuty.
Warunkiem zakończenia ładowania
było
wyrównanie
temperatur
wszystkich czujników rozmieszczonych
w materiale PCM.
Rys. 3.7 Przebieg procesu ładowania i rozładowania akumulatora płaszczoworurowego wypełnionego mieszaniną binarną PCM-woda w czasie
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Rys. 3.9. Zależność mocy cieplnej czasu w fazie ładowania
akumulatora filtracyjnego
Rys. 3.8. Zależność temperatury topnienia PCM od ciepła dla
danych z eksperymentu: 44 kg materiału PCM, ciepło
przemiany fazowej 176 kJ/kg . 44 kg = 7744 kJ
Różne frakcje parafin powodują pochylenie krzywej
temperatury w obszarze przemiany fazowej.
Ponadto widać, że ciepło właściwe PCM (styczna do
krzywej temperatury) zmienia się w funkcji
dostarczanego ciepła i aktualnej temperatury PCM.
Początek przemiany fazowej jest widoczny jako
wzrost pobieranej mocy lub wzrost różnicy
temperatur.
Nie pokrywa się on z deklarowanymi przez
producenta materiału PCM temperaturą przemiany
fazowej ze względu na spóźnioną reakcję czujnika
temperatury. Średnica czujnika wynosiła około 3 mm.
Stąd ciekły PCM potrzebował pewnego czasu, aby
otoczyć czujnik w całości.
3.3 AKUMULATOR WODNY
W celu porównania efektywności akumulatorów wypełnionych materiałem PCM przeprowadzono badania akumulacji z
zasobnikiem wodnym. Na rys. 3.10 pokazano ładowanie i rozładowanie akumulatora wodnego o takiej samej objętości
wody akumulującej ciepło jak łączna objętość wody i kul w akumulatorze filtracyjnym. Widoczna jest 2,5-krotnie
większa zdolność do akumulacji ciepła w akumulatorze z kulami wypełnionymi PCM (rys. 3.11).
WODA
Rys. 3.10. Rozładowanie akumulatora wodnego o takiej
samej objętości jak akumulator z kulami
PCM
Rys. 3.11. Rozładowanie akumulatora z kulami, oznaczenia
jak na rys. 3.7, zależność temperatury T od czasu
PODSUMOWANIE
4. PODSUMOWANIE
Eksperymentalnie zbadano własności dynamiczne akumulatora płaszczoworurowego i filtracyjnego. W celu przyspieszenia procesu ładowania i
pokonania bariery niskiego współczynnika przewodzenia ciepła dla materiału
PCM użyto medium pośredniczącego – wody – tworząc ciecz binarną.
Określono czas ładowania, czas rozładowania oraz opisano zjawiska
występujące podczas procesu ładowania i rozładowania akumulatora
płaszczowo - rurowego. Przykładowo czas ładowania od temperatury 25 C do
temperatury 99 C przy temperaturze wody zasilającej Tw=110 C wynosił
tqsmelt = 3 godziny 53 minuty.
Zbadano własności dynamiczne akumulatora filtracyjnego. Badano czas
topnienia tqsmelt pojedynczej kuli oraz akumulatora wypełnionego złożem w
postaci kul. Model teoretyczny czasu topnienia tqsmelt dla pojedynczej kuli
pokrywa się z wynikami uzyskanymi z eksperymentu. Uzyskane czasy
topnienia dla cylindrów i kuli wahają się od 5 minut do 68 minut w zależności
od geometrii. Również w przypadku badania złoża składającego się z kul czas
obliczony teoretycznie i zmierzony pokrywają się.
4. PODSUMOWANIE
Ważnym wnioskiem praktycznym jest to, że zarówno w przypadku akumulatora
płaszczowo – rurowego jak i filtracyjnego temperatura ciepła odbieranego nie była
stała w obszarze przejścia fazowego, pomimo, że jest stała na wykresie fazowym w tym
obszarze. Jeżeli materiał PCM krzepnie, to od strony odbioru ciepła tworzy się warstwa
stałego PCM, którego temperatura zaczyna spadać. Jeżeli topnieje, to średnia
temperatura w akumulatorze rośnie. Ponadto przy odbiorze ciepła pojawiają się
różnice w prędkości spadku temperatury PCM w akumulatorze. Najszybciej temperatura
spada do temperatury przejścia fazowego Tm, potem prędkość spadku zmniejsza się.
Z obu konstrukcji autorzy wskazują akumulator filtracyjny ze złożem w postaci kul jako
ten, który może być zastosowany w praktyce. Jest tak ze względu na krótki czas
ładowania i prostotę budowy wiążącą się z jego niezawodnością. Im krótszy czas
topnienia, tym więcej energii można odebrać od źródła ciepła odpadowego. Stąd
krotność odbioru ciepła w ciągu doby decyduje o średnicy kul wypełnionych materiałem
PCM.
pytania / komentarze / dyskusja
Dziękujemy za uwagę
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
PROGRAM STRATEGICZNY – ZAAWANSOWANE TECHNOLO
GIE POZYSKIWANIA ENERGII
ZADANIE NR 1 – „Opracowanie technologii dla wysokosprawnych „zero-emisyjnych”
bloków węglowych zintegrowanych z wychwytem CO ze spalin”
Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju zgodnie z umową
nr SP/E/1/67484/10 z dnia 05 maja 2010r, numer projektu: SP/E/1/67484/10
2
Slide 2
Wydział Mechaniczno-Energetyczny
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
Badania
efektywności akumulacji ciepła
w materiale o zmiennej fazie
SPIS TREŚCI
1. Wstęp
2. Stanowisko badawcze
3. Wyniki badań laboratoryjnych i ich analiza
3.1 Akumulator filtracyjny
3.2 Akumulator płaszczowo-rurowy
3.3 Akumulator wodny
4. Podsumowanie
1. WSTĘP
Podstawowym celem badań był wybór konstrukcji
akumulatora ciepła z wykorzystaniem materiału o
zmiennej fazie (ang. PCM – phase changing material)
zapewniającym największe wykorzystanie dostępnego
ciepła (np. ciepła odpadowego spalin za kotłem w
elektrowni).
Zbadano dwie konstrukcje – płaszczowo – rurową i
filtracyjną.
W akumulatorze płaszczowo – rurowym materiał PCM
znajdował się pomiędzy płaszczem i rurkami grzejnymi,
w których płynęła woda podgrzewając PCM.
W akumulatorze filtracyjnym PCM był umieszczony w
kulach o średnicy 4 cm. Woda grzejna swobodnie
przepływała pomiędzy kulami, w których następowała
akumulacja ciepła z zajściem przemiany fazowej.
W eksperymencie z pojedynczą kulą obserwowano
przemianę fazową w funkcji czasu. Przestrzeń wokół
kuli była wypełniona olejem ze względu na jego wyższą
temperaturę wrzenia przy ciśnieniu atmosferycznym.
Porównano wyniki eksperymentalne i teoretyczne.
A
B
2. STANOWISKO BADAWCZE
Woda jest częściowo podgrzewana
w wymienniku c.o. 1, regulowana pompa
2 wymusza obieg wody grzewczej do
instalacji
c.o.
budynku
oraz
akumulatorów 9, 10. Brakująca część
energii
potrzebnej
do
ładowania
akumulatora jest uzupełniana przez
grzałki elektryczne 5 sterowane przez
regulator 6 w funkcji temperatury wody
14. Pompa była regulaowana w funkcji
strumienia wody (p-v). W czasie
ładowania akumulatora otwierany był
zawór odcinający 16 ze względu na
przejmowanie wahań objętości wody po
jej podgrzaniu przez instalację c.o.
budynku. Zawór odcinający 15 był
wówczas
zamknięty.
W
czasie
rozładowania akumulatora otwierano
zawory 15 i 16. Do pomiaru temperatury
wewnątrz akumulatora wykorzystano
moduły 7 (ADAM firmy Advantech) oraz
rejestrator 8 (AR205 firmy Apar). Czujniki
temperatury 13 były umieszczone w
akumulatorze.
Do
układu
hydraulicznego
przyłączano akumulator ze złożem
filtracyjnym i płaszczowo-rurowym.
Rys.2.1 Schemat układu hydraulicznego z
akumulatorem płaszczowo-rurowym, filtracyjnym
i wodnym
1 – wymiennik ciepła węzeł cieplny/instalacja c.o., 2 – pompa z regulatorem prędkości
obrotowej, 3 – instalacja c.o. budynku, 4 – filtr, 5 – grzałki elektryczne, 6 - regulator
temperatury wody (nazwa : ATR), 7 – grupa modułów do rejestracji pomiarów temperatury
(nazwa : Adam), 8 – rejestrator pomiarów temperatury (nazwa: AR 205), 9 – akumulator
płaszczowo – rurowy, 10 – akumulator filtracyjny, 11 – przepływomierz, 12 – manometr, 13 –
czujnik temperatury, 14 – czujnik temperatury, 15 – zawór odcinający przewód zasilający
instalacji c.o., 16 – zawór odcinający przewód powrotny instalacji c.o.
2. STANOWISKO BADAWCZE
Widok stanowiska badawczego
Wyniki badań laboratoryjnych
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula
Celem eksperymentu była weryfikacja teoretycznego czasu
topnienia pojedynczej kuli tqsmelt. Mając eksperymentalnie
zweryfikowany model teoretyczny można wyciągać wnioski dla
złoża składającego się z kul.
Eksperyment przeprowadzono następująco:
- rozgrzano olej do średniej temperatury 157 C, regulator
RE14 dwustanowo utrzymywał tę temperaturę,
- następnie wrzucono kulę, której temperatura była równa
temperaturze otoczenia 25 C
Ze względu na różnicę gęstości pomiędzy fazą stałą i ciekłą S
>L powodującą zmniejszenie się objętości fazy stałej VS < VL o
14% podczas przemiany fazowej na górze kuli pozostawiono
wolną przestrzeń przejmującą objętość rozszerzającego się
materiału
Rys. 3.1 Przebieg topnienia PCM w kuli o średnicy 4 cm
poziom wody
Akumulator filtracyjny
Eksperyment przeprowadzono w złożu stacjonarnym w
akumulatorze z ramkami. W jego trakcie stosowano zmienne
temperatury wody zasilającej ramkę kolejno 110 C, 100 C,
105 C, 95 C. Przed wrzuceniem kul do akumulatora rozgrzano
znajdującą się w nim wodę do temperatury 90 C.
Rys. 3.2 Widok kul po wrzuceniu do akumulatora
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – model teoretyczny
Przy założeniu stałych własności PCM zagadnienie rozwiązano za
pomocą równania przewodnictwa ciepła:
z warunkiem Stefana wymiany ciepła na płaszczyźnie zmiany fazy:
w przypadku stałej temperatury TL płynnego PCM:
czas ładowania kuli tqsmelt wynosi:
gdzie:
- gęstość stałego PCM, kg/m3
cL
- ciepło właściwe fazy ciekłej, J/kgK
Tt
- pochodna temperatury po czasie, C/s
kL
- współczynnik przewodzenia ciepła fazy
ciekłej, W/mK
Tr
- pochodna temperatury po promieniu, C/m
- temperatura przemiany fazowej, C
- ciepło przemiany fazowej, J/kg
- prędkość przesuwania się płaszczyzny
zmiany fazy wzdłuż promienia R, m/s
R(t)+ - promień, m
Tm
L
R’
TL
- temperatura fazy ciekłej, C
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – pomiary
Otrzymany z pomiarów czas topnienia wynoszący tqsmelt = 13.5
minuty porównano z modelem teoretycznym.
Waga PCM znajdującego się w kuli wynosiła 28,832 g, a
średnica zastępczej kuli wypełnionej tylko PCM wynosi 20,76
mm. Po wstawieniu danych otrzymano czas ładowania
t melt
qs
770 176000
6 0 . 2 (157 82 )
0 . 021
2
11 . 1 minut
Różnica czasów 13.5 - 11.1 minuty wynika z dwóch przyczyn:
- PCM nie miał początkowej temperatury Tm=82 C i był
wymagany czas na jego podgrzanie do tej temperatury,
- w kuli występowała pustka powietrzna utrudniająca
wymianę ciepła pomiędzy olejem i materiałem PCM.
Dobrą zgodność dla badanej kuli uzyskano dla promienia
zastępczego Ro = 23 mm.
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula - mieszanina PCM-olej
W celu poprawy konwekcji ciepła wewnątrz kul i przyspieszenia
procesu roztapiania PCM - zmieszano go w różnych proporcjach z
olejem, umieszczono w kulach plastikowych o średnicy 4 cm i
poddano z zewnątrz procesowi ogrzewania olejem o różnych
temperaturach.
Zauważyć można, że:
-dla kul z mniejszym udziałem PCM czas topnienia jest krótszy,
(mniejsza ilość materiału PCM oraz lepsza konwekcja
wewnętrzna)
80
70
100⁰C
-im więcej oleju tym krótszy czas ładowania, ale gorsze własności
akumulacyjne (pojemność cieplna PCM / olej).
-im wyższa temperatura ładowania, tym mniejszy wpływ efektu
dodania oleju. Różnice w czasach ładowania (do 15%) w praktyce
są pomijalne.
C z a s to p n i e n ia , m in u ty
60
50
110⁰C
40
120⁰C
30
130⁰C
20
150⁰C
10
0
50-50
60-40
70-30
80-20
85-15
90-10
95-05
98-02
Skład procentow y P C M - olej
Rys. 3.4 Przebieg topnienia kul o średnicy 4 cm
z mieszaniną PCM - olej
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Złoże filtracyjne z kul wypełnionych PCM
Topnienie kul trwało 106 minut.
Długi czas wynika z małej różnicy
temperatur wody i przemiany fazowej
TL-Tm = 3 10 C.
Eksperymentalnie otrzymany czas pokrywa
się
z
obliczeniami
teoretycznymi
przeprowadzonymi dla pojedynczej kuli
(rys. 3.3) dla TL=90 C.
Warunkiem zakończenia ładowania był brak
odbioru ciepła przez materiał PCM
(punkt B, rys. 3.5).
Bilans cieplny akumulatora:
- maksymalna moc cieplna: 5,32 kW,
- ciepło rozgrzewania: 1262 MJ,
- ciepło ładowania kul: 472 MJ.
- ciepło przemiany fazowej kul: 1,76 MJ.
Akumulator nie był całkowicie zaizolowany,
stąd do otoczenia stracono ponad 470 MJ.
Rys. 3.5 Przebiegi temperatury T w czasie ładowania i rozładowania
akumulatora ze złożem filtracyjnym w postaci kul,
kolor fioletowy – temperatura wody w akumulatorze Tw,
kolor żółty – temperatura wody zasilającej ramkę Tz,
kolor brązowy – temperatura wody powrotnej z ramki Tp
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Materiał PCM
PCM stopił się po czasie 240-300 minut.
Na długi czas ładowania miały wpływ niekorzystne czynniki
opisane poniżej.
Zjawiska zachodzące podczas ładowania:
- PCM krzepł na ściankach akumulatora (temperatura
mniejsza od temperatury topnienia Tm);
- wokół rurek w wewnętrznej części ranki tworzą się kanały
z płynnym materiałem PCM (łatwiejsze topnienie warstw
znajdujących się dalej od rurki);
- rurki w zewnętrznej części ramki są otoczone pustką
powietrzną (PCM spłynął do pustych przestrzeni,
trudniejsze topnienie PCM w obszarze rurek).
Rys. 3.4 Widok akumulatora płaszczowo-rurowego
(schemat, pusty, zasypany materiałem PCM)
Zjawiska zachodzące podczas rozładowywania:
- pęknięcia i puste przestrzenie powietrzne (powstałe na
skutek różnicy objętości fazy stałej VS < VL o 14% );
- materiał PCM pęka tworząc mniejsze bloki (ponowny
proces ładowania utrudniony ze względu na niski
współczynnik przewodzenia powietrza).
Rys.
3.5
Termiczna
blokada
ładowania
akumulatora (puste przestrzenie w które wpływa
roztapiany PCM)
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
W celu przyspieszenia procesu ładowania materiału PCM
wprowadzano wodę do akumulatora.
a
b
Opis ładowania akumulatora po zalaniu wodą:
-woda wypełniła akumulator ponad powierzchnię PCM;
-w ciągu 10 minut temperatura wzrosła przy ściance z 31 C na 49 C
(znacznie polepszony rozpływ ciepła);
-po rozpuszczeniu części PCM, widoczna granica międzyfazowa: woda /
ciekły PCM / stały PCM;
-ciekły PCM wypływa na powierzchnię i krzepnie (prądy konwekcyjne
mieszaniny ciekły PCM / woda przemieszczają się z prędkością 13 cm/s,
temperatury wewnątrz akumulatora: 8188 C, przy ściance: 46 C;
-para wrzącej wody unosi się przez ciekły PCM i rozpuszcza stały PCM
znajdujący się na powierzchni (temperatura przy ściance 61,7 C –
najszybsza zmiana fazy w materiale PCM).
Jeżeli na dole zasobnika jest materiał PCM, to woda dociera
nad niego i roztapia go. Dzięki mniejszej gęstości fazy ciekłej
materiał PCM wypływa na górę. Stąd, po pewnym czasie,
woda znajdzie się na dnie, a PCM na górze. Woda powinna
zalewać dolną kratownicę rurek, ponieważ wtedy szybciej
ładuje się zasobnik ciepłem.
c
PCM
WODA
Rys. 3.6 Akumulator a, b – z PCM’em,
c – z mieszaniną binarną PCM-woda
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Na charakterystykach widoczne są
temperatury wody zasilającej ramkę
Tz, wody powracającej z ramki Tp,
temperatury materiału PCM oraz
temperatura otoczenia.
W początkowej fazie temperatury
wody zasilającej Tz jak i powrotnej Tp
wzrastały liniowo. Następnie były
utrzymywane ich stałe wartości:
Tz: 110 C, Tp: 104-105 C.
W akumulatorze znajdowało się:
- 44 kg materiału PCM (Tm = 77-82 C)
- 14 kg wody.
Czas ładowania: 233 minuty.
Rozładowanie akumulatora trwało 19
godzin 4 minuty.
Warunkiem zakończenia ładowania
było
wyrównanie
temperatur
wszystkich czujników rozmieszczonych
w materiale PCM.
Rys. 3.7 Przebieg procesu ładowania i rozładowania akumulatora płaszczoworurowego wypełnionego mieszaniną binarną PCM-woda w czasie
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Rys. 3.9. Zależność mocy cieplnej czasu w fazie ładowania
akumulatora filtracyjnego
Rys. 3.8. Zależność temperatury topnienia PCM od ciepła dla
danych z eksperymentu: 44 kg materiału PCM, ciepło
przemiany fazowej 176 kJ/kg . 44 kg = 7744 kJ
Różne frakcje parafin powodują pochylenie krzywej
temperatury w obszarze przemiany fazowej.
Ponadto widać, że ciepło właściwe PCM (styczna do
krzywej temperatury) zmienia się w funkcji
dostarczanego ciepła i aktualnej temperatury PCM.
Początek przemiany fazowej jest widoczny jako
wzrost pobieranej mocy lub wzrost różnicy
temperatur.
Nie pokrywa się on z deklarowanymi przez
producenta materiału PCM temperaturą przemiany
fazowej ze względu na spóźnioną reakcję czujnika
temperatury. Średnica czujnika wynosiła około 3 mm.
Stąd ciekły PCM potrzebował pewnego czasu, aby
otoczyć czujnik w całości.
3.3 AKUMULATOR WODNY
W celu porównania efektywności akumulatorów wypełnionych materiałem PCM przeprowadzono badania akumulacji z
zasobnikiem wodnym. Na rys. 3.10 pokazano ładowanie i rozładowanie akumulatora wodnego o takiej samej objętości
wody akumulującej ciepło jak łączna objętość wody i kul w akumulatorze filtracyjnym. Widoczna jest 2,5-krotnie
większa zdolność do akumulacji ciepła w akumulatorze z kulami wypełnionymi PCM (rys. 3.11).
WODA
Rys. 3.10. Rozładowanie akumulatora wodnego o takiej
samej objętości jak akumulator z kulami
PCM
Rys. 3.11. Rozładowanie akumulatora z kulami, oznaczenia
jak na rys. 3.7, zależność temperatury T od czasu
PODSUMOWANIE
4. PODSUMOWANIE
Eksperymentalnie zbadano własności dynamiczne akumulatora płaszczoworurowego i filtracyjnego. W celu przyspieszenia procesu ładowania i
pokonania bariery niskiego współczynnika przewodzenia ciepła dla materiału
PCM użyto medium pośredniczącego – wody – tworząc ciecz binarną.
Określono czas ładowania, czas rozładowania oraz opisano zjawiska
występujące podczas procesu ładowania i rozładowania akumulatora
płaszczowo - rurowego. Przykładowo czas ładowania od temperatury 25 C do
temperatury 99 C przy temperaturze wody zasilającej Tw=110 C wynosił
tqsmelt = 3 godziny 53 minuty.
Zbadano własności dynamiczne akumulatora filtracyjnego. Badano czas
topnienia tqsmelt pojedynczej kuli oraz akumulatora wypełnionego złożem w
postaci kul. Model teoretyczny czasu topnienia tqsmelt dla pojedynczej kuli
pokrywa się z wynikami uzyskanymi z eksperymentu. Uzyskane czasy
topnienia dla cylindrów i kuli wahają się od 5 minut do 68 minut w zależności
od geometrii. Również w przypadku badania złoża składającego się z kul czas
obliczony teoretycznie i zmierzony pokrywają się.
4. PODSUMOWANIE
Ważnym wnioskiem praktycznym jest to, że zarówno w przypadku akumulatora
płaszczowo – rurowego jak i filtracyjnego temperatura ciepła odbieranego nie była
stała w obszarze przejścia fazowego, pomimo, że jest stała na wykresie fazowym w tym
obszarze. Jeżeli materiał PCM krzepnie, to od strony odbioru ciepła tworzy się warstwa
stałego PCM, którego temperatura zaczyna spadać. Jeżeli topnieje, to średnia
temperatura w akumulatorze rośnie. Ponadto przy odbiorze ciepła pojawiają się
różnice w prędkości spadku temperatury PCM w akumulatorze. Najszybciej temperatura
spada do temperatury przejścia fazowego Tm, potem prędkość spadku zmniejsza się.
Z obu konstrukcji autorzy wskazują akumulator filtracyjny ze złożem w postaci kul jako
ten, który może być zastosowany w praktyce. Jest tak ze względu na krótki czas
ładowania i prostotę budowy wiążącą się z jego niezawodnością. Im krótszy czas
topnienia, tym więcej energii można odebrać od źródła ciepła odpadowego. Stąd
krotność odbioru ciepła w ciągu doby decyduje o średnicy kul wypełnionych materiałem
PCM.
pytania / komentarze / dyskusja
Dziękujemy za uwagę
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
PROGRAM STRATEGICZNY – ZAAWANSOWANE TECHNOLO
GIE POZYSKIWANIA ENERGII
ZADANIE NR 1 – „Opracowanie technologii dla wysokosprawnych „zero-emisyjnych”
bloków węglowych zintegrowanych z wychwytem CO ze spalin”
Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju zgodnie z umową
nr SP/E/1/67484/10 z dnia 05 maja 2010r, numer projektu: SP/E/1/67484/10
2
Slide 3
Wydział Mechaniczno-Energetyczny
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
Badania
efektywności akumulacji ciepła
w materiale o zmiennej fazie
SPIS TREŚCI
1. Wstęp
2. Stanowisko badawcze
3. Wyniki badań laboratoryjnych i ich analiza
3.1 Akumulator filtracyjny
3.2 Akumulator płaszczowo-rurowy
3.3 Akumulator wodny
4. Podsumowanie
1. WSTĘP
Podstawowym celem badań był wybór konstrukcji
akumulatora ciepła z wykorzystaniem materiału o
zmiennej fazie (ang. PCM – phase changing material)
zapewniającym największe wykorzystanie dostępnego
ciepła (np. ciepła odpadowego spalin za kotłem w
elektrowni).
Zbadano dwie konstrukcje – płaszczowo – rurową i
filtracyjną.
W akumulatorze płaszczowo – rurowym materiał PCM
znajdował się pomiędzy płaszczem i rurkami grzejnymi,
w których płynęła woda podgrzewając PCM.
W akumulatorze filtracyjnym PCM był umieszczony w
kulach o średnicy 4 cm. Woda grzejna swobodnie
przepływała pomiędzy kulami, w których następowała
akumulacja ciepła z zajściem przemiany fazowej.
W eksperymencie z pojedynczą kulą obserwowano
przemianę fazową w funkcji czasu. Przestrzeń wokół
kuli była wypełniona olejem ze względu na jego wyższą
temperaturę wrzenia przy ciśnieniu atmosferycznym.
Porównano wyniki eksperymentalne i teoretyczne.
A
B
2. STANOWISKO BADAWCZE
Woda jest częściowo podgrzewana
w wymienniku c.o. 1, regulowana pompa
2 wymusza obieg wody grzewczej do
instalacji
c.o.
budynku
oraz
akumulatorów 9, 10. Brakująca część
energii
potrzebnej
do
ładowania
akumulatora jest uzupełniana przez
grzałki elektryczne 5 sterowane przez
regulator 6 w funkcji temperatury wody
14. Pompa była regulaowana w funkcji
strumienia wody (p-v). W czasie
ładowania akumulatora otwierany był
zawór odcinający 16 ze względu na
przejmowanie wahań objętości wody po
jej podgrzaniu przez instalację c.o.
budynku. Zawór odcinający 15 był
wówczas
zamknięty.
W
czasie
rozładowania akumulatora otwierano
zawory 15 i 16. Do pomiaru temperatury
wewnątrz akumulatora wykorzystano
moduły 7 (ADAM firmy Advantech) oraz
rejestrator 8 (AR205 firmy Apar). Czujniki
temperatury 13 były umieszczone w
akumulatorze.
Do
układu
hydraulicznego
przyłączano akumulator ze złożem
filtracyjnym i płaszczowo-rurowym.
Rys.2.1 Schemat układu hydraulicznego z
akumulatorem płaszczowo-rurowym, filtracyjnym
i wodnym
1 – wymiennik ciepła węzeł cieplny/instalacja c.o., 2 – pompa z regulatorem prędkości
obrotowej, 3 – instalacja c.o. budynku, 4 – filtr, 5 – grzałki elektryczne, 6 - regulator
temperatury wody (nazwa : ATR), 7 – grupa modułów do rejestracji pomiarów temperatury
(nazwa : Adam), 8 – rejestrator pomiarów temperatury (nazwa: AR 205), 9 – akumulator
płaszczowo – rurowy, 10 – akumulator filtracyjny, 11 – przepływomierz, 12 – manometr, 13 –
czujnik temperatury, 14 – czujnik temperatury, 15 – zawór odcinający przewód zasilający
instalacji c.o., 16 – zawór odcinający przewód powrotny instalacji c.o.
2. STANOWISKO BADAWCZE
Widok stanowiska badawczego
Wyniki badań laboratoryjnych
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula
Celem eksperymentu była weryfikacja teoretycznego czasu
topnienia pojedynczej kuli tqsmelt. Mając eksperymentalnie
zweryfikowany model teoretyczny można wyciągać wnioski dla
złoża składającego się z kul.
Eksperyment przeprowadzono następująco:
- rozgrzano olej do średniej temperatury 157 C, regulator
RE14 dwustanowo utrzymywał tę temperaturę,
- następnie wrzucono kulę, której temperatura była równa
temperaturze otoczenia 25 C
Ze względu na różnicę gęstości pomiędzy fazą stałą i ciekłą S
>L powodującą zmniejszenie się objętości fazy stałej VS < VL o
14% podczas przemiany fazowej na górze kuli pozostawiono
wolną przestrzeń przejmującą objętość rozszerzającego się
materiału
Rys. 3.1 Przebieg topnienia PCM w kuli o średnicy 4 cm
poziom wody
Akumulator filtracyjny
Eksperyment przeprowadzono w złożu stacjonarnym w
akumulatorze z ramkami. W jego trakcie stosowano zmienne
temperatury wody zasilającej ramkę kolejno 110 C, 100 C,
105 C, 95 C. Przed wrzuceniem kul do akumulatora rozgrzano
znajdującą się w nim wodę do temperatury 90 C.
Rys. 3.2 Widok kul po wrzuceniu do akumulatora
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – model teoretyczny
Przy założeniu stałych własności PCM zagadnienie rozwiązano za
pomocą równania przewodnictwa ciepła:
z warunkiem Stefana wymiany ciepła na płaszczyźnie zmiany fazy:
w przypadku stałej temperatury TL płynnego PCM:
czas ładowania kuli tqsmelt wynosi:
gdzie:
- gęstość stałego PCM, kg/m3
cL
- ciepło właściwe fazy ciekłej, J/kgK
Tt
- pochodna temperatury po czasie, C/s
kL
- współczynnik przewodzenia ciepła fazy
ciekłej, W/mK
Tr
- pochodna temperatury po promieniu, C/m
- temperatura przemiany fazowej, C
- ciepło przemiany fazowej, J/kg
- prędkość przesuwania się płaszczyzny
zmiany fazy wzdłuż promienia R, m/s
R(t)+ - promień, m
Tm
L
R’
TL
- temperatura fazy ciekłej, C
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – pomiary
Otrzymany z pomiarów czas topnienia wynoszący tqsmelt = 13.5
minuty porównano z modelem teoretycznym.
Waga PCM znajdującego się w kuli wynosiła 28,832 g, a
średnica zastępczej kuli wypełnionej tylko PCM wynosi 20,76
mm. Po wstawieniu danych otrzymano czas ładowania
t melt
qs
770 176000
6 0 . 2 (157 82 )
0 . 021
2
11 . 1 minut
Różnica czasów 13.5 - 11.1 minuty wynika z dwóch przyczyn:
- PCM nie miał początkowej temperatury Tm=82 C i był
wymagany czas na jego podgrzanie do tej temperatury,
- w kuli występowała pustka powietrzna utrudniająca
wymianę ciepła pomiędzy olejem i materiałem PCM.
Dobrą zgodność dla badanej kuli uzyskano dla promienia
zastępczego Ro = 23 mm.
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula - mieszanina PCM-olej
W celu poprawy konwekcji ciepła wewnątrz kul i przyspieszenia
procesu roztapiania PCM - zmieszano go w różnych proporcjach z
olejem, umieszczono w kulach plastikowych o średnicy 4 cm i
poddano z zewnątrz procesowi ogrzewania olejem o różnych
temperaturach.
Zauważyć można, że:
-dla kul z mniejszym udziałem PCM czas topnienia jest krótszy,
(mniejsza ilość materiału PCM oraz lepsza konwekcja
wewnętrzna)
80
70
100⁰C
-im więcej oleju tym krótszy czas ładowania, ale gorsze własności
akumulacyjne (pojemność cieplna PCM / olej).
-im wyższa temperatura ładowania, tym mniejszy wpływ efektu
dodania oleju. Różnice w czasach ładowania (do 15%) w praktyce
są pomijalne.
C z a s to p n i e n ia , m in u ty
60
50
110⁰C
40
120⁰C
30
130⁰C
20
150⁰C
10
0
50-50
60-40
70-30
80-20
85-15
90-10
95-05
98-02
Skład procentow y P C M - olej
Rys. 3.4 Przebieg topnienia kul o średnicy 4 cm
z mieszaniną PCM - olej
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Złoże filtracyjne z kul wypełnionych PCM
Topnienie kul trwało 106 minut.
Długi czas wynika z małej różnicy
temperatur wody i przemiany fazowej
TL-Tm = 3 10 C.
Eksperymentalnie otrzymany czas pokrywa
się
z
obliczeniami
teoretycznymi
przeprowadzonymi dla pojedynczej kuli
(rys. 3.3) dla TL=90 C.
Warunkiem zakończenia ładowania był brak
odbioru ciepła przez materiał PCM
(punkt B, rys. 3.5).
Bilans cieplny akumulatora:
- maksymalna moc cieplna: 5,32 kW,
- ciepło rozgrzewania: 1262 MJ,
- ciepło ładowania kul: 472 MJ.
- ciepło przemiany fazowej kul: 1,76 MJ.
Akumulator nie był całkowicie zaizolowany,
stąd do otoczenia stracono ponad 470 MJ.
Rys. 3.5 Przebiegi temperatury T w czasie ładowania i rozładowania
akumulatora ze złożem filtracyjnym w postaci kul,
kolor fioletowy – temperatura wody w akumulatorze Tw,
kolor żółty – temperatura wody zasilającej ramkę Tz,
kolor brązowy – temperatura wody powrotnej z ramki Tp
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Materiał PCM
PCM stopił się po czasie 240-300 minut.
Na długi czas ładowania miały wpływ niekorzystne czynniki
opisane poniżej.
Zjawiska zachodzące podczas ładowania:
- PCM krzepł na ściankach akumulatora (temperatura
mniejsza od temperatury topnienia Tm);
- wokół rurek w wewnętrznej części ranki tworzą się kanały
z płynnym materiałem PCM (łatwiejsze topnienie warstw
znajdujących się dalej od rurki);
- rurki w zewnętrznej części ramki są otoczone pustką
powietrzną (PCM spłynął do pustych przestrzeni,
trudniejsze topnienie PCM w obszarze rurek).
Rys. 3.4 Widok akumulatora płaszczowo-rurowego
(schemat, pusty, zasypany materiałem PCM)
Zjawiska zachodzące podczas rozładowywania:
- pęknięcia i puste przestrzenie powietrzne (powstałe na
skutek różnicy objętości fazy stałej VS < VL o 14% );
- materiał PCM pęka tworząc mniejsze bloki (ponowny
proces ładowania utrudniony ze względu na niski
współczynnik przewodzenia powietrza).
Rys.
3.5
Termiczna
blokada
ładowania
akumulatora (puste przestrzenie w które wpływa
roztapiany PCM)
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
W celu przyspieszenia procesu ładowania materiału PCM
wprowadzano wodę do akumulatora.
a
b
Opis ładowania akumulatora po zalaniu wodą:
-woda wypełniła akumulator ponad powierzchnię PCM;
-w ciągu 10 minut temperatura wzrosła przy ściance z 31 C na 49 C
(znacznie polepszony rozpływ ciepła);
-po rozpuszczeniu części PCM, widoczna granica międzyfazowa: woda /
ciekły PCM / stały PCM;
-ciekły PCM wypływa na powierzchnię i krzepnie (prądy konwekcyjne
mieszaniny ciekły PCM / woda przemieszczają się z prędkością 13 cm/s,
temperatury wewnątrz akumulatora: 8188 C, przy ściance: 46 C;
-para wrzącej wody unosi się przez ciekły PCM i rozpuszcza stały PCM
znajdujący się na powierzchni (temperatura przy ściance 61,7 C –
najszybsza zmiana fazy w materiale PCM).
Jeżeli na dole zasobnika jest materiał PCM, to woda dociera
nad niego i roztapia go. Dzięki mniejszej gęstości fazy ciekłej
materiał PCM wypływa na górę. Stąd, po pewnym czasie,
woda znajdzie się na dnie, a PCM na górze. Woda powinna
zalewać dolną kratownicę rurek, ponieważ wtedy szybciej
ładuje się zasobnik ciepłem.
c
PCM
WODA
Rys. 3.6 Akumulator a, b – z PCM’em,
c – z mieszaniną binarną PCM-woda
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Na charakterystykach widoczne są
temperatury wody zasilającej ramkę
Tz, wody powracającej z ramki Tp,
temperatury materiału PCM oraz
temperatura otoczenia.
W początkowej fazie temperatury
wody zasilającej Tz jak i powrotnej Tp
wzrastały liniowo. Następnie były
utrzymywane ich stałe wartości:
Tz: 110 C, Tp: 104-105 C.
W akumulatorze znajdowało się:
- 44 kg materiału PCM (Tm = 77-82 C)
- 14 kg wody.
Czas ładowania: 233 minuty.
Rozładowanie akumulatora trwało 19
godzin 4 minuty.
Warunkiem zakończenia ładowania
było
wyrównanie
temperatur
wszystkich czujników rozmieszczonych
w materiale PCM.
Rys. 3.7 Przebieg procesu ładowania i rozładowania akumulatora płaszczoworurowego wypełnionego mieszaniną binarną PCM-woda w czasie
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Rys. 3.9. Zależność mocy cieplnej czasu w fazie ładowania
akumulatora filtracyjnego
Rys. 3.8. Zależność temperatury topnienia PCM od ciepła dla
danych z eksperymentu: 44 kg materiału PCM, ciepło
przemiany fazowej 176 kJ/kg . 44 kg = 7744 kJ
Różne frakcje parafin powodują pochylenie krzywej
temperatury w obszarze przemiany fazowej.
Ponadto widać, że ciepło właściwe PCM (styczna do
krzywej temperatury) zmienia się w funkcji
dostarczanego ciepła i aktualnej temperatury PCM.
Początek przemiany fazowej jest widoczny jako
wzrost pobieranej mocy lub wzrost różnicy
temperatur.
Nie pokrywa się on z deklarowanymi przez
producenta materiału PCM temperaturą przemiany
fazowej ze względu na spóźnioną reakcję czujnika
temperatury. Średnica czujnika wynosiła około 3 mm.
Stąd ciekły PCM potrzebował pewnego czasu, aby
otoczyć czujnik w całości.
3.3 AKUMULATOR WODNY
W celu porównania efektywności akumulatorów wypełnionych materiałem PCM przeprowadzono badania akumulacji z
zasobnikiem wodnym. Na rys. 3.10 pokazano ładowanie i rozładowanie akumulatora wodnego o takiej samej objętości
wody akumulującej ciepło jak łączna objętość wody i kul w akumulatorze filtracyjnym. Widoczna jest 2,5-krotnie
większa zdolność do akumulacji ciepła w akumulatorze z kulami wypełnionymi PCM (rys. 3.11).
WODA
Rys. 3.10. Rozładowanie akumulatora wodnego o takiej
samej objętości jak akumulator z kulami
PCM
Rys. 3.11. Rozładowanie akumulatora z kulami, oznaczenia
jak na rys. 3.7, zależność temperatury T od czasu
PODSUMOWANIE
4. PODSUMOWANIE
Eksperymentalnie zbadano własności dynamiczne akumulatora płaszczoworurowego i filtracyjnego. W celu przyspieszenia procesu ładowania i
pokonania bariery niskiego współczynnika przewodzenia ciepła dla materiału
PCM użyto medium pośredniczącego – wody – tworząc ciecz binarną.
Określono czas ładowania, czas rozładowania oraz opisano zjawiska
występujące podczas procesu ładowania i rozładowania akumulatora
płaszczowo - rurowego. Przykładowo czas ładowania od temperatury 25 C do
temperatury 99 C przy temperaturze wody zasilającej Tw=110 C wynosił
tqsmelt = 3 godziny 53 minuty.
Zbadano własności dynamiczne akumulatora filtracyjnego. Badano czas
topnienia tqsmelt pojedynczej kuli oraz akumulatora wypełnionego złożem w
postaci kul. Model teoretyczny czasu topnienia tqsmelt dla pojedynczej kuli
pokrywa się z wynikami uzyskanymi z eksperymentu. Uzyskane czasy
topnienia dla cylindrów i kuli wahają się od 5 minut do 68 minut w zależności
od geometrii. Również w przypadku badania złoża składającego się z kul czas
obliczony teoretycznie i zmierzony pokrywają się.
4. PODSUMOWANIE
Ważnym wnioskiem praktycznym jest to, że zarówno w przypadku akumulatora
płaszczowo – rurowego jak i filtracyjnego temperatura ciepła odbieranego nie była
stała w obszarze przejścia fazowego, pomimo, że jest stała na wykresie fazowym w tym
obszarze. Jeżeli materiał PCM krzepnie, to od strony odbioru ciepła tworzy się warstwa
stałego PCM, którego temperatura zaczyna spadać. Jeżeli topnieje, to średnia
temperatura w akumulatorze rośnie. Ponadto przy odbiorze ciepła pojawiają się
różnice w prędkości spadku temperatury PCM w akumulatorze. Najszybciej temperatura
spada do temperatury przejścia fazowego Tm, potem prędkość spadku zmniejsza się.
Z obu konstrukcji autorzy wskazują akumulator filtracyjny ze złożem w postaci kul jako
ten, który może być zastosowany w praktyce. Jest tak ze względu na krótki czas
ładowania i prostotę budowy wiążącą się z jego niezawodnością. Im krótszy czas
topnienia, tym więcej energii można odebrać od źródła ciepła odpadowego. Stąd
krotność odbioru ciepła w ciągu doby decyduje o średnicy kul wypełnionych materiałem
PCM.
pytania / komentarze / dyskusja
Dziękujemy za uwagę
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
PROGRAM STRATEGICZNY – ZAAWANSOWANE TECHNOLO
GIE POZYSKIWANIA ENERGII
ZADANIE NR 1 – „Opracowanie technologii dla wysokosprawnych „zero-emisyjnych”
bloków węglowych zintegrowanych z wychwytem CO ze spalin”
Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju zgodnie z umową
nr SP/E/1/67484/10 z dnia 05 maja 2010r, numer projektu: SP/E/1/67484/10
2
Slide 4
Wydział Mechaniczno-Energetyczny
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
Badania
efektywności akumulacji ciepła
w materiale o zmiennej fazie
SPIS TREŚCI
1. Wstęp
2. Stanowisko badawcze
3. Wyniki badań laboratoryjnych i ich analiza
3.1 Akumulator filtracyjny
3.2 Akumulator płaszczowo-rurowy
3.3 Akumulator wodny
4. Podsumowanie
1. WSTĘP
Podstawowym celem badań był wybór konstrukcji
akumulatora ciepła z wykorzystaniem materiału o
zmiennej fazie (ang. PCM – phase changing material)
zapewniającym największe wykorzystanie dostępnego
ciepła (np. ciepła odpadowego spalin za kotłem w
elektrowni).
Zbadano dwie konstrukcje – płaszczowo – rurową i
filtracyjną.
W akumulatorze płaszczowo – rurowym materiał PCM
znajdował się pomiędzy płaszczem i rurkami grzejnymi,
w których płynęła woda podgrzewając PCM.
W akumulatorze filtracyjnym PCM był umieszczony w
kulach o średnicy 4 cm. Woda grzejna swobodnie
przepływała pomiędzy kulami, w których następowała
akumulacja ciepła z zajściem przemiany fazowej.
W eksperymencie z pojedynczą kulą obserwowano
przemianę fazową w funkcji czasu. Przestrzeń wokół
kuli była wypełniona olejem ze względu na jego wyższą
temperaturę wrzenia przy ciśnieniu atmosferycznym.
Porównano wyniki eksperymentalne i teoretyczne.
A
B
2. STANOWISKO BADAWCZE
Woda jest częściowo podgrzewana
w wymienniku c.o. 1, regulowana pompa
2 wymusza obieg wody grzewczej do
instalacji
c.o.
budynku
oraz
akumulatorów 9, 10. Brakująca część
energii
potrzebnej
do
ładowania
akumulatora jest uzupełniana przez
grzałki elektryczne 5 sterowane przez
regulator 6 w funkcji temperatury wody
14. Pompa była regulaowana w funkcji
strumienia wody (p-v). W czasie
ładowania akumulatora otwierany był
zawór odcinający 16 ze względu na
przejmowanie wahań objętości wody po
jej podgrzaniu przez instalację c.o.
budynku. Zawór odcinający 15 był
wówczas
zamknięty.
W
czasie
rozładowania akumulatora otwierano
zawory 15 i 16. Do pomiaru temperatury
wewnątrz akumulatora wykorzystano
moduły 7 (ADAM firmy Advantech) oraz
rejestrator 8 (AR205 firmy Apar). Czujniki
temperatury 13 były umieszczone w
akumulatorze.
Do
układu
hydraulicznego
przyłączano akumulator ze złożem
filtracyjnym i płaszczowo-rurowym.
Rys.2.1 Schemat układu hydraulicznego z
akumulatorem płaszczowo-rurowym, filtracyjnym
i wodnym
1 – wymiennik ciepła węzeł cieplny/instalacja c.o., 2 – pompa z regulatorem prędkości
obrotowej, 3 – instalacja c.o. budynku, 4 – filtr, 5 – grzałki elektryczne, 6 - regulator
temperatury wody (nazwa : ATR), 7 – grupa modułów do rejestracji pomiarów temperatury
(nazwa : Adam), 8 – rejestrator pomiarów temperatury (nazwa: AR 205), 9 – akumulator
płaszczowo – rurowy, 10 – akumulator filtracyjny, 11 – przepływomierz, 12 – manometr, 13 –
czujnik temperatury, 14 – czujnik temperatury, 15 – zawór odcinający przewód zasilający
instalacji c.o., 16 – zawór odcinający przewód powrotny instalacji c.o.
2. STANOWISKO BADAWCZE
Widok stanowiska badawczego
Wyniki badań laboratoryjnych
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula
Celem eksperymentu była weryfikacja teoretycznego czasu
topnienia pojedynczej kuli tqsmelt. Mając eksperymentalnie
zweryfikowany model teoretyczny można wyciągać wnioski dla
złoża składającego się z kul.
Eksperyment przeprowadzono następująco:
- rozgrzano olej do średniej temperatury 157 C, regulator
RE14 dwustanowo utrzymywał tę temperaturę,
- następnie wrzucono kulę, której temperatura była równa
temperaturze otoczenia 25 C
Ze względu na różnicę gęstości pomiędzy fazą stałą i ciekłą S
>L powodującą zmniejszenie się objętości fazy stałej VS < VL o
14% podczas przemiany fazowej na górze kuli pozostawiono
wolną przestrzeń przejmującą objętość rozszerzającego się
materiału
Rys. 3.1 Przebieg topnienia PCM w kuli o średnicy 4 cm
poziom wody
Akumulator filtracyjny
Eksperyment przeprowadzono w złożu stacjonarnym w
akumulatorze z ramkami. W jego trakcie stosowano zmienne
temperatury wody zasilającej ramkę kolejno 110 C, 100 C,
105 C, 95 C. Przed wrzuceniem kul do akumulatora rozgrzano
znajdującą się w nim wodę do temperatury 90 C.
Rys. 3.2 Widok kul po wrzuceniu do akumulatora
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – model teoretyczny
Przy założeniu stałych własności PCM zagadnienie rozwiązano za
pomocą równania przewodnictwa ciepła:
z warunkiem Stefana wymiany ciepła na płaszczyźnie zmiany fazy:
w przypadku stałej temperatury TL płynnego PCM:
czas ładowania kuli tqsmelt wynosi:
gdzie:
- gęstość stałego PCM, kg/m3
cL
- ciepło właściwe fazy ciekłej, J/kgK
Tt
- pochodna temperatury po czasie, C/s
kL
- współczynnik przewodzenia ciepła fazy
ciekłej, W/mK
Tr
- pochodna temperatury po promieniu, C/m
- temperatura przemiany fazowej, C
- ciepło przemiany fazowej, J/kg
- prędkość przesuwania się płaszczyzny
zmiany fazy wzdłuż promienia R, m/s
R(t)+ - promień, m
Tm
L
R’
TL
- temperatura fazy ciekłej, C
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – pomiary
Otrzymany z pomiarów czas topnienia wynoszący tqsmelt = 13.5
minuty porównano z modelem teoretycznym.
Waga PCM znajdującego się w kuli wynosiła 28,832 g, a
średnica zastępczej kuli wypełnionej tylko PCM wynosi 20,76
mm. Po wstawieniu danych otrzymano czas ładowania
t melt
qs
770 176000
6 0 . 2 (157 82 )
0 . 021
2
11 . 1 minut
Różnica czasów 13.5 - 11.1 minuty wynika z dwóch przyczyn:
- PCM nie miał początkowej temperatury Tm=82 C i był
wymagany czas na jego podgrzanie do tej temperatury,
- w kuli występowała pustka powietrzna utrudniająca
wymianę ciepła pomiędzy olejem i materiałem PCM.
Dobrą zgodność dla badanej kuli uzyskano dla promienia
zastępczego Ro = 23 mm.
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula - mieszanina PCM-olej
W celu poprawy konwekcji ciepła wewnątrz kul i przyspieszenia
procesu roztapiania PCM - zmieszano go w różnych proporcjach z
olejem, umieszczono w kulach plastikowych o średnicy 4 cm i
poddano z zewnątrz procesowi ogrzewania olejem o różnych
temperaturach.
Zauważyć można, że:
-dla kul z mniejszym udziałem PCM czas topnienia jest krótszy,
(mniejsza ilość materiału PCM oraz lepsza konwekcja
wewnętrzna)
80
70
100⁰C
-im więcej oleju tym krótszy czas ładowania, ale gorsze własności
akumulacyjne (pojemność cieplna PCM / olej).
-im wyższa temperatura ładowania, tym mniejszy wpływ efektu
dodania oleju. Różnice w czasach ładowania (do 15%) w praktyce
są pomijalne.
C z a s to p n i e n ia , m in u ty
60
50
110⁰C
40
120⁰C
30
130⁰C
20
150⁰C
10
0
50-50
60-40
70-30
80-20
85-15
90-10
95-05
98-02
Skład procentow y P C M - olej
Rys. 3.4 Przebieg topnienia kul o średnicy 4 cm
z mieszaniną PCM - olej
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Złoże filtracyjne z kul wypełnionych PCM
Topnienie kul trwało 106 minut.
Długi czas wynika z małej różnicy
temperatur wody i przemiany fazowej
TL-Tm = 3 10 C.
Eksperymentalnie otrzymany czas pokrywa
się
z
obliczeniami
teoretycznymi
przeprowadzonymi dla pojedynczej kuli
(rys. 3.3) dla TL=90 C.
Warunkiem zakończenia ładowania był brak
odbioru ciepła przez materiał PCM
(punkt B, rys. 3.5).
Bilans cieplny akumulatora:
- maksymalna moc cieplna: 5,32 kW,
- ciepło rozgrzewania: 1262 MJ,
- ciepło ładowania kul: 472 MJ.
- ciepło przemiany fazowej kul: 1,76 MJ.
Akumulator nie był całkowicie zaizolowany,
stąd do otoczenia stracono ponad 470 MJ.
Rys. 3.5 Przebiegi temperatury T w czasie ładowania i rozładowania
akumulatora ze złożem filtracyjnym w postaci kul,
kolor fioletowy – temperatura wody w akumulatorze Tw,
kolor żółty – temperatura wody zasilającej ramkę Tz,
kolor brązowy – temperatura wody powrotnej z ramki Tp
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Materiał PCM
PCM stopił się po czasie 240-300 minut.
Na długi czas ładowania miały wpływ niekorzystne czynniki
opisane poniżej.
Zjawiska zachodzące podczas ładowania:
- PCM krzepł na ściankach akumulatora (temperatura
mniejsza od temperatury topnienia Tm);
- wokół rurek w wewnętrznej części ranki tworzą się kanały
z płynnym materiałem PCM (łatwiejsze topnienie warstw
znajdujących się dalej od rurki);
- rurki w zewnętrznej części ramki są otoczone pustką
powietrzną (PCM spłynął do pustych przestrzeni,
trudniejsze topnienie PCM w obszarze rurek).
Rys. 3.4 Widok akumulatora płaszczowo-rurowego
(schemat, pusty, zasypany materiałem PCM)
Zjawiska zachodzące podczas rozładowywania:
- pęknięcia i puste przestrzenie powietrzne (powstałe na
skutek różnicy objętości fazy stałej VS < VL o 14% );
- materiał PCM pęka tworząc mniejsze bloki (ponowny
proces ładowania utrudniony ze względu na niski
współczynnik przewodzenia powietrza).
Rys.
3.5
Termiczna
blokada
ładowania
akumulatora (puste przestrzenie w które wpływa
roztapiany PCM)
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
W celu przyspieszenia procesu ładowania materiału PCM
wprowadzano wodę do akumulatora.
a
b
Opis ładowania akumulatora po zalaniu wodą:
-woda wypełniła akumulator ponad powierzchnię PCM;
-w ciągu 10 minut temperatura wzrosła przy ściance z 31 C na 49 C
(znacznie polepszony rozpływ ciepła);
-po rozpuszczeniu części PCM, widoczna granica międzyfazowa: woda /
ciekły PCM / stały PCM;
-ciekły PCM wypływa na powierzchnię i krzepnie (prądy konwekcyjne
mieszaniny ciekły PCM / woda przemieszczają się z prędkością 13 cm/s,
temperatury wewnątrz akumulatora: 8188 C, przy ściance: 46 C;
-para wrzącej wody unosi się przez ciekły PCM i rozpuszcza stały PCM
znajdujący się na powierzchni (temperatura przy ściance 61,7 C –
najszybsza zmiana fazy w materiale PCM).
Jeżeli na dole zasobnika jest materiał PCM, to woda dociera
nad niego i roztapia go. Dzięki mniejszej gęstości fazy ciekłej
materiał PCM wypływa na górę. Stąd, po pewnym czasie,
woda znajdzie się na dnie, a PCM na górze. Woda powinna
zalewać dolną kratownicę rurek, ponieważ wtedy szybciej
ładuje się zasobnik ciepłem.
c
PCM
WODA
Rys. 3.6 Akumulator a, b – z PCM’em,
c – z mieszaniną binarną PCM-woda
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Na charakterystykach widoczne są
temperatury wody zasilającej ramkę
Tz, wody powracającej z ramki Tp,
temperatury materiału PCM oraz
temperatura otoczenia.
W początkowej fazie temperatury
wody zasilającej Tz jak i powrotnej Tp
wzrastały liniowo. Następnie były
utrzymywane ich stałe wartości:
Tz: 110 C, Tp: 104-105 C.
W akumulatorze znajdowało się:
- 44 kg materiału PCM (Tm = 77-82 C)
- 14 kg wody.
Czas ładowania: 233 minuty.
Rozładowanie akumulatora trwało 19
godzin 4 minuty.
Warunkiem zakończenia ładowania
było
wyrównanie
temperatur
wszystkich czujników rozmieszczonych
w materiale PCM.
Rys. 3.7 Przebieg procesu ładowania i rozładowania akumulatora płaszczoworurowego wypełnionego mieszaniną binarną PCM-woda w czasie
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Rys. 3.9. Zależność mocy cieplnej czasu w fazie ładowania
akumulatora filtracyjnego
Rys. 3.8. Zależność temperatury topnienia PCM od ciepła dla
danych z eksperymentu: 44 kg materiału PCM, ciepło
przemiany fazowej 176 kJ/kg . 44 kg = 7744 kJ
Różne frakcje parafin powodują pochylenie krzywej
temperatury w obszarze przemiany fazowej.
Ponadto widać, że ciepło właściwe PCM (styczna do
krzywej temperatury) zmienia się w funkcji
dostarczanego ciepła i aktualnej temperatury PCM.
Początek przemiany fazowej jest widoczny jako
wzrost pobieranej mocy lub wzrost różnicy
temperatur.
Nie pokrywa się on z deklarowanymi przez
producenta materiału PCM temperaturą przemiany
fazowej ze względu na spóźnioną reakcję czujnika
temperatury. Średnica czujnika wynosiła około 3 mm.
Stąd ciekły PCM potrzebował pewnego czasu, aby
otoczyć czujnik w całości.
3.3 AKUMULATOR WODNY
W celu porównania efektywności akumulatorów wypełnionych materiałem PCM przeprowadzono badania akumulacji z
zasobnikiem wodnym. Na rys. 3.10 pokazano ładowanie i rozładowanie akumulatora wodnego o takiej samej objętości
wody akumulującej ciepło jak łączna objętość wody i kul w akumulatorze filtracyjnym. Widoczna jest 2,5-krotnie
większa zdolność do akumulacji ciepła w akumulatorze z kulami wypełnionymi PCM (rys. 3.11).
WODA
Rys. 3.10. Rozładowanie akumulatora wodnego o takiej
samej objętości jak akumulator z kulami
PCM
Rys. 3.11. Rozładowanie akumulatora z kulami, oznaczenia
jak na rys. 3.7, zależność temperatury T od czasu
PODSUMOWANIE
4. PODSUMOWANIE
Eksperymentalnie zbadano własności dynamiczne akumulatora płaszczoworurowego i filtracyjnego. W celu przyspieszenia procesu ładowania i
pokonania bariery niskiego współczynnika przewodzenia ciepła dla materiału
PCM użyto medium pośredniczącego – wody – tworząc ciecz binarną.
Określono czas ładowania, czas rozładowania oraz opisano zjawiska
występujące podczas procesu ładowania i rozładowania akumulatora
płaszczowo - rurowego. Przykładowo czas ładowania od temperatury 25 C do
temperatury 99 C przy temperaturze wody zasilającej Tw=110 C wynosił
tqsmelt = 3 godziny 53 minuty.
Zbadano własności dynamiczne akumulatora filtracyjnego. Badano czas
topnienia tqsmelt pojedynczej kuli oraz akumulatora wypełnionego złożem w
postaci kul. Model teoretyczny czasu topnienia tqsmelt dla pojedynczej kuli
pokrywa się z wynikami uzyskanymi z eksperymentu. Uzyskane czasy
topnienia dla cylindrów i kuli wahają się od 5 minut do 68 minut w zależności
od geometrii. Również w przypadku badania złoża składającego się z kul czas
obliczony teoretycznie i zmierzony pokrywają się.
4. PODSUMOWANIE
Ważnym wnioskiem praktycznym jest to, że zarówno w przypadku akumulatora
płaszczowo – rurowego jak i filtracyjnego temperatura ciepła odbieranego nie była
stała w obszarze przejścia fazowego, pomimo, że jest stała na wykresie fazowym w tym
obszarze. Jeżeli materiał PCM krzepnie, to od strony odbioru ciepła tworzy się warstwa
stałego PCM, którego temperatura zaczyna spadać. Jeżeli topnieje, to średnia
temperatura w akumulatorze rośnie. Ponadto przy odbiorze ciepła pojawiają się
różnice w prędkości spadku temperatury PCM w akumulatorze. Najszybciej temperatura
spada do temperatury przejścia fazowego Tm, potem prędkość spadku zmniejsza się.
Z obu konstrukcji autorzy wskazują akumulator filtracyjny ze złożem w postaci kul jako
ten, który może być zastosowany w praktyce. Jest tak ze względu na krótki czas
ładowania i prostotę budowy wiążącą się z jego niezawodnością. Im krótszy czas
topnienia, tym więcej energii można odebrać od źródła ciepła odpadowego. Stąd
krotność odbioru ciepła w ciągu doby decyduje o średnicy kul wypełnionych materiałem
PCM.
pytania / komentarze / dyskusja
Dziękujemy za uwagę
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
PROGRAM STRATEGICZNY – ZAAWANSOWANE TECHNOLO
GIE POZYSKIWANIA ENERGII
ZADANIE NR 1 – „Opracowanie technologii dla wysokosprawnych „zero-emisyjnych”
bloków węglowych zintegrowanych z wychwytem CO ze spalin”
Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju zgodnie z umową
nr SP/E/1/67484/10 z dnia 05 maja 2010r, numer projektu: SP/E/1/67484/10
2
Slide 5
Wydział Mechaniczno-Energetyczny
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
Badania
efektywności akumulacji ciepła
w materiale o zmiennej fazie
SPIS TREŚCI
1. Wstęp
2. Stanowisko badawcze
3. Wyniki badań laboratoryjnych i ich analiza
3.1 Akumulator filtracyjny
3.2 Akumulator płaszczowo-rurowy
3.3 Akumulator wodny
4. Podsumowanie
1. WSTĘP
Podstawowym celem badań był wybór konstrukcji
akumulatora ciepła z wykorzystaniem materiału o
zmiennej fazie (ang. PCM – phase changing material)
zapewniającym największe wykorzystanie dostępnego
ciepła (np. ciepła odpadowego spalin za kotłem w
elektrowni).
Zbadano dwie konstrukcje – płaszczowo – rurową i
filtracyjną.
W akumulatorze płaszczowo – rurowym materiał PCM
znajdował się pomiędzy płaszczem i rurkami grzejnymi,
w których płynęła woda podgrzewając PCM.
W akumulatorze filtracyjnym PCM był umieszczony w
kulach o średnicy 4 cm. Woda grzejna swobodnie
przepływała pomiędzy kulami, w których następowała
akumulacja ciepła z zajściem przemiany fazowej.
W eksperymencie z pojedynczą kulą obserwowano
przemianę fazową w funkcji czasu. Przestrzeń wokół
kuli była wypełniona olejem ze względu na jego wyższą
temperaturę wrzenia przy ciśnieniu atmosferycznym.
Porównano wyniki eksperymentalne i teoretyczne.
A
B
2. STANOWISKO BADAWCZE
Woda jest częściowo podgrzewana
w wymienniku c.o. 1, regulowana pompa
2 wymusza obieg wody grzewczej do
instalacji
c.o.
budynku
oraz
akumulatorów 9, 10. Brakująca część
energii
potrzebnej
do
ładowania
akumulatora jest uzupełniana przez
grzałki elektryczne 5 sterowane przez
regulator 6 w funkcji temperatury wody
14. Pompa była regulaowana w funkcji
strumienia wody (p-v). W czasie
ładowania akumulatora otwierany był
zawór odcinający 16 ze względu na
przejmowanie wahań objętości wody po
jej podgrzaniu przez instalację c.o.
budynku. Zawór odcinający 15 był
wówczas
zamknięty.
W
czasie
rozładowania akumulatora otwierano
zawory 15 i 16. Do pomiaru temperatury
wewnątrz akumulatora wykorzystano
moduły 7 (ADAM firmy Advantech) oraz
rejestrator 8 (AR205 firmy Apar). Czujniki
temperatury 13 były umieszczone w
akumulatorze.
Do
układu
hydraulicznego
przyłączano akumulator ze złożem
filtracyjnym i płaszczowo-rurowym.
Rys.2.1 Schemat układu hydraulicznego z
akumulatorem płaszczowo-rurowym, filtracyjnym
i wodnym
1 – wymiennik ciepła węzeł cieplny/instalacja c.o., 2 – pompa z regulatorem prędkości
obrotowej, 3 – instalacja c.o. budynku, 4 – filtr, 5 – grzałki elektryczne, 6 - regulator
temperatury wody (nazwa : ATR), 7 – grupa modułów do rejestracji pomiarów temperatury
(nazwa : Adam), 8 – rejestrator pomiarów temperatury (nazwa: AR 205), 9 – akumulator
płaszczowo – rurowy, 10 – akumulator filtracyjny, 11 – przepływomierz, 12 – manometr, 13 –
czujnik temperatury, 14 – czujnik temperatury, 15 – zawór odcinający przewód zasilający
instalacji c.o., 16 – zawór odcinający przewód powrotny instalacji c.o.
2. STANOWISKO BADAWCZE
Widok stanowiska badawczego
Wyniki badań laboratoryjnych
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula
Celem eksperymentu była weryfikacja teoretycznego czasu
topnienia pojedynczej kuli tqsmelt. Mając eksperymentalnie
zweryfikowany model teoretyczny można wyciągać wnioski dla
złoża składającego się z kul.
Eksperyment przeprowadzono następująco:
- rozgrzano olej do średniej temperatury 157 C, regulator
RE14 dwustanowo utrzymywał tę temperaturę,
- następnie wrzucono kulę, której temperatura była równa
temperaturze otoczenia 25 C
Ze względu na różnicę gęstości pomiędzy fazą stałą i ciekłą S
>L powodującą zmniejszenie się objętości fazy stałej VS < VL o
14% podczas przemiany fazowej na górze kuli pozostawiono
wolną przestrzeń przejmującą objętość rozszerzającego się
materiału
Rys. 3.1 Przebieg topnienia PCM w kuli o średnicy 4 cm
poziom wody
Akumulator filtracyjny
Eksperyment przeprowadzono w złożu stacjonarnym w
akumulatorze z ramkami. W jego trakcie stosowano zmienne
temperatury wody zasilającej ramkę kolejno 110 C, 100 C,
105 C, 95 C. Przed wrzuceniem kul do akumulatora rozgrzano
znajdującą się w nim wodę do temperatury 90 C.
Rys. 3.2 Widok kul po wrzuceniu do akumulatora
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – model teoretyczny
Przy założeniu stałych własności PCM zagadnienie rozwiązano za
pomocą równania przewodnictwa ciepła:
z warunkiem Stefana wymiany ciepła na płaszczyźnie zmiany fazy:
w przypadku stałej temperatury TL płynnego PCM:
czas ładowania kuli tqsmelt wynosi:
gdzie:
- gęstość stałego PCM, kg/m3
cL
- ciepło właściwe fazy ciekłej, J/kgK
Tt
- pochodna temperatury po czasie, C/s
kL
- współczynnik przewodzenia ciepła fazy
ciekłej, W/mK
Tr
- pochodna temperatury po promieniu, C/m
- temperatura przemiany fazowej, C
- ciepło przemiany fazowej, J/kg
- prędkość przesuwania się płaszczyzny
zmiany fazy wzdłuż promienia R, m/s
R(t)+ - promień, m
Tm
L
R’
TL
- temperatura fazy ciekłej, C
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – pomiary
Otrzymany z pomiarów czas topnienia wynoszący tqsmelt = 13.5
minuty porównano z modelem teoretycznym.
Waga PCM znajdującego się w kuli wynosiła 28,832 g, a
średnica zastępczej kuli wypełnionej tylko PCM wynosi 20,76
mm. Po wstawieniu danych otrzymano czas ładowania
t melt
qs
770 176000
6 0 . 2 (157 82 )
0 . 021
2
11 . 1 minut
Różnica czasów 13.5 - 11.1 minuty wynika z dwóch przyczyn:
- PCM nie miał początkowej temperatury Tm=82 C i był
wymagany czas na jego podgrzanie do tej temperatury,
- w kuli występowała pustka powietrzna utrudniająca
wymianę ciepła pomiędzy olejem i materiałem PCM.
Dobrą zgodność dla badanej kuli uzyskano dla promienia
zastępczego Ro = 23 mm.
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula - mieszanina PCM-olej
W celu poprawy konwekcji ciepła wewnątrz kul i przyspieszenia
procesu roztapiania PCM - zmieszano go w różnych proporcjach z
olejem, umieszczono w kulach plastikowych o średnicy 4 cm i
poddano z zewnątrz procesowi ogrzewania olejem o różnych
temperaturach.
Zauważyć można, że:
-dla kul z mniejszym udziałem PCM czas topnienia jest krótszy,
(mniejsza ilość materiału PCM oraz lepsza konwekcja
wewnętrzna)
80
70
100⁰C
-im więcej oleju tym krótszy czas ładowania, ale gorsze własności
akumulacyjne (pojemność cieplna PCM / olej).
-im wyższa temperatura ładowania, tym mniejszy wpływ efektu
dodania oleju. Różnice w czasach ładowania (do 15%) w praktyce
są pomijalne.
C z a s to p n i e n ia , m in u ty
60
50
110⁰C
40
120⁰C
30
130⁰C
20
150⁰C
10
0
50-50
60-40
70-30
80-20
85-15
90-10
95-05
98-02
Skład procentow y P C M - olej
Rys. 3.4 Przebieg topnienia kul o średnicy 4 cm
z mieszaniną PCM - olej
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Złoże filtracyjne z kul wypełnionych PCM
Topnienie kul trwało 106 minut.
Długi czas wynika z małej różnicy
temperatur wody i przemiany fazowej
TL-Tm = 3 10 C.
Eksperymentalnie otrzymany czas pokrywa
się
z
obliczeniami
teoretycznymi
przeprowadzonymi dla pojedynczej kuli
(rys. 3.3) dla TL=90 C.
Warunkiem zakończenia ładowania był brak
odbioru ciepła przez materiał PCM
(punkt B, rys. 3.5).
Bilans cieplny akumulatora:
- maksymalna moc cieplna: 5,32 kW,
- ciepło rozgrzewania: 1262 MJ,
- ciepło ładowania kul: 472 MJ.
- ciepło przemiany fazowej kul: 1,76 MJ.
Akumulator nie był całkowicie zaizolowany,
stąd do otoczenia stracono ponad 470 MJ.
Rys. 3.5 Przebiegi temperatury T w czasie ładowania i rozładowania
akumulatora ze złożem filtracyjnym w postaci kul,
kolor fioletowy – temperatura wody w akumulatorze Tw,
kolor żółty – temperatura wody zasilającej ramkę Tz,
kolor brązowy – temperatura wody powrotnej z ramki Tp
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Materiał PCM
PCM stopił się po czasie 240-300 minut.
Na długi czas ładowania miały wpływ niekorzystne czynniki
opisane poniżej.
Zjawiska zachodzące podczas ładowania:
- PCM krzepł na ściankach akumulatora (temperatura
mniejsza od temperatury topnienia Tm);
- wokół rurek w wewnętrznej części ranki tworzą się kanały
z płynnym materiałem PCM (łatwiejsze topnienie warstw
znajdujących się dalej od rurki);
- rurki w zewnętrznej części ramki są otoczone pustką
powietrzną (PCM spłynął do pustych przestrzeni,
trudniejsze topnienie PCM w obszarze rurek).
Rys. 3.4 Widok akumulatora płaszczowo-rurowego
(schemat, pusty, zasypany materiałem PCM)
Zjawiska zachodzące podczas rozładowywania:
- pęknięcia i puste przestrzenie powietrzne (powstałe na
skutek różnicy objętości fazy stałej VS < VL o 14% );
- materiał PCM pęka tworząc mniejsze bloki (ponowny
proces ładowania utrudniony ze względu na niski
współczynnik przewodzenia powietrza).
Rys.
3.5
Termiczna
blokada
ładowania
akumulatora (puste przestrzenie w które wpływa
roztapiany PCM)
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
W celu przyspieszenia procesu ładowania materiału PCM
wprowadzano wodę do akumulatora.
a
b
Opis ładowania akumulatora po zalaniu wodą:
-woda wypełniła akumulator ponad powierzchnię PCM;
-w ciągu 10 minut temperatura wzrosła przy ściance z 31 C na 49 C
(znacznie polepszony rozpływ ciepła);
-po rozpuszczeniu części PCM, widoczna granica międzyfazowa: woda /
ciekły PCM / stały PCM;
-ciekły PCM wypływa na powierzchnię i krzepnie (prądy konwekcyjne
mieszaniny ciekły PCM / woda przemieszczają się z prędkością 13 cm/s,
temperatury wewnątrz akumulatora: 8188 C, przy ściance: 46 C;
-para wrzącej wody unosi się przez ciekły PCM i rozpuszcza stały PCM
znajdujący się na powierzchni (temperatura przy ściance 61,7 C –
najszybsza zmiana fazy w materiale PCM).
Jeżeli na dole zasobnika jest materiał PCM, to woda dociera
nad niego i roztapia go. Dzięki mniejszej gęstości fazy ciekłej
materiał PCM wypływa na górę. Stąd, po pewnym czasie,
woda znajdzie się na dnie, a PCM na górze. Woda powinna
zalewać dolną kratownicę rurek, ponieważ wtedy szybciej
ładuje się zasobnik ciepłem.
c
PCM
WODA
Rys. 3.6 Akumulator a, b – z PCM’em,
c – z mieszaniną binarną PCM-woda
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Na charakterystykach widoczne są
temperatury wody zasilającej ramkę
Tz, wody powracającej z ramki Tp,
temperatury materiału PCM oraz
temperatura otoczenia.
W początkowej fazie temperatury
wody zasilającej Tz jak i powrotnej Tp
wzrastały liniowo. Następnie były
utrzymywane ich stałe wartości:
Tz: 110 C, Tp: 104-105 C.
W akumulatorze znajdowało się:
- 44 kg materiału PCM (Tm = 77-82 C)
- 14 kg wody.
Czas ładowania: 233 minuty.
Rozładowanie akumulatora trwało 19
godzin 4 minuty.
Warunkiem zakończenia ładowania
było
wyrównanie
temperatur
wszystkich czujników rozmieszczonych
w materiale PCM.
Rys. 3.7 Przebieg procesu ładowania i rozładowania akumulatora płaszczoworurowego wypełnionego mieszaniną binarną PCM-woda w czasie
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Rys. 3.9. Zależność mocy cieplnej czasu w fazie ładowania
akumulatora filtracyjnego
Rys. 3.8. Zależność temperatury topnienia PCM od ciepła dla
danych z eksperymentu: 44 kg materiału PCM, ciepło
przemiany fazowej 176 kJ/kg . 44 kg = 7744 kJ
Różne frakcje parafin powodują pochylenie krzywej
temperatury w obszarze przemiany fazowej.
Ponadto widać, że ciepło właściwe PCM (styczna do
krzywej temperatury) zmienia się w funkcji
dostarczanego ciepła i aktualnej temperatury PCM.
Początek przemiany fazowej jest widoczny jako
wzrost pobieranej mocy lub wzrost różnicy
temperatur.
Nie pokrywa się on z deklarowanymi przez
producenta materiału PCM temperaturą przemiany
fazowej ze względu na spóźnioną reakcję czujnika
temperatury. Średnica czujnika wynosiła około 3 mm.
Stąd ciekły PCM potrzebował pewnego czasu, aby
otoczyć czujnik w całości.
3.3 AKUMULATOR WODNY
W celu porównania efektywności akumulatorów wypełnionych materiałem PCM przeprowadzono badania akumulacji z
zasobnikiem wodnym. Na rys. 3.10 pokazano ładowanie i rozładowanie akumulatora wodnego o takiej samej objętości
wody akumulującej ciepło jak łączna objętość wody i kul w akumulatorze filtracyjnym. Widoczna jest 2,5-krotnie
większa zdolność do akumulacji ciepła w akumulatorze z kulami wypełnionymi PCM (rys. 3.11).
WODA
Rys. 3.10. Rozładowanie akumulatora wodnego o takiej
samej objętości jak akumulator z kulami
PCM
Rys. 3.11. Rozładowanie akumulatora z kulami, oznaczenia
jak na rys. 3.7, zależność temperatury T od czasu
PODSUMOWANIE
4. PODSUMOWANIE
Eksperymentalnie zbadano własności dynamiczne akumulatora płaszczoworurowego i filtracyjnego. W celu przyspieszenia procesu ładowania i
pokonania bariery niskiego współczynnika przewodzenia ciepła dla materiału
PCM użyto medium pośredniczącego – wody – tworząc ciecz binarną.
Określono czas ładowania, czas rozładowania oraz opisano zjawiska
występujące podczas procesu ładowania i rozładowania akumulatora
płaszczowo - rurowego. Przykładowo czas ładowania od temperatury 25 C do
temperatury 99 C przy temperaturze wody zasilającej Tw=110 C wynosił
tqsmelt = 3 godziny 53 minuty.
Zbadano własności dynamiczne akumulatora filtracyjnego. Badano czas
topnienia tqsmelt pojedynczej kuli oraz akumulatora wypełnionego złożem w
postaci kul. Model teoretyczny czasu topnienia tqsmelt dla pojedynczej kuli
pokrywa się z wynikami uzyskanymi z eksperymentu. Uzyskane czasy
topnienia dla cylindrów i kuli wahają się od 5 minut do 68 minut w zależności
od geometrii. Również w przypadku badania złoża składającego się z kul czas
obliczony teoretycznie i zmierzony pokrywają się.
4. PODSUMOWANIE
Ważnym wnioskiem praktycznym jest to, że zarówno w przypadku akumulatora
płaszczowo – rurowego jak i filtracyjnego temperatura ciepła odbieranego nie była
stała w obszarze przejścia fazowego, pomimo, że jest stała na wykresie fazowym w tym
obszarze. Jeżeli materiał PCM krzepnie, to od strony odbioru ciepła tworzy się warstwa
stałego PCM, którego temperatura zaczyna spadać. Jeżeli topnieje, to średnia
temperatura w akumulatorze rośnie. Ponadto przy odbiorze ciepła pojawiają się
różnice w prędkości spadku temperatury PCM w akumulatorze. Najszybciej temperatura
spada do temperatury przejścia fazowego Tm, potem prędkość spadku zmniejsza się.
Z obu konstrukcji autorzy wskazują akumulator filtracyjny ze złożem w postaci kul jako
ten, który może być zastosowany w praktyce. Jest tak ze względu na krótki czas
ładowania i prostotę budowy wiążącą się z jego niezawodnością. Im krótszy czas
topnienia, tym więcej energii można odebrać od źródła ciepła odpadowego. Stąd
krotność odbioru ciepła w ciągu doby decyduje o średnicy kul wypełnionych materiałem
PCM.
pytania / komentarze / dyskusja
Dziękujemy za uwagę
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
PROGRAM STRATEGICZNY – ZAAWANSOWANE TECHNOLO
GIE POZYSKIWANIA ENERGII
ZADANIE NR 1 – „Opracowanie technologii dla wysokosprawnych „zero-emisyjnych”
bloków węglowych zintegrowanych z wychwytem CO ze spalin”
Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju zgodnie z umową
nr SP/E/1/67484/10 z dnia 05 maja 2010r, numer projektu: SP/E/1/67484/10
2
Slide 6
Wydział Mechaniczno-Energetyczny
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
Badania
efektywności akumulacji ciepła
w materiale o zmiennej fazie
SPIS TREŚCI
1. Wstęp
2. Stanowisko badawcze
3. Wyniki badań laboratoryjnych i ich analiza
3.1 Akumulator filtracyjny
3.2 Akumulator płaszczowo-rurowy
3.3 Akumulator wodny
4. Podsumowanie
1. WSTĘP
Podstawowym celem badań był wybór konstrukcji
akumulatora ciepła z wykorzystaniem materiału o
zmiennej fazie (ang. PCM – phase changing material)
zapewniającym największe wykorzystanie dostępnego
ciepła (np. ciepła odpadowego spalin za kotłem w
elektrowni).
Zbadano dwie konstrukcje – płaszczowo – rurową i
filtracyjną.
W akumulatorze płaszczowo – rurowym materiał PCM
znajdował się pomiędzy płaszczem i rurkami grzejnymi,
w których płynęła woda podgrzewając PCM.
W akumulatorze filtracyjnym PCM był umieszczony w
kulach o średnicy 4 cm. Woda grzejna swobodnie
przepływała pomiędzy kulami, w których następowała
akumulacja ciepła z zajściem przemiany fazowej.
W eksperymencie z pojedynczą kulą obserwowano
przemianę fazową w funkcji czasu. Przestrzeń wokół
kuli była wypełniona olejem ze względu na jego wyższą
temperaturę wrzenia przy ciśnieniu atmosferycznym.
Porównano wyniki eksperymentalne i teoretyczne.
A
B
2. STANOWISKO BADAWCZE
Woda jest częściowo podgrzewana
w wymienniku c.o. 1, regulowana pompa
2 wymusza obieg wody grzewczej do
instalacji
c.o.
budynku
oraz
akumulatorów 9, 10. Brakująca część
energii
potrzebnej
do
ładowania
akumulatora jest uzupełniana przez
grzałki elektryczne 5 sterowane przez
regulator 6 w funkcji temperatury wody
14. Pompa była regulaowana w funkcji
strumienia wody (p-v). W czasie
ładowania akumulatora otwierany był
zawór odcinający 16 ze względu na
przejmowanie wahań objętości wody po
jej podgrzaniu przez instalację c.o.
budynku. Zawór odcinający 15 był
wówczas
zamknięty.
W
czasie
rozładowania akumulatora otwierano
zawory 15 i 16. Do pomiaru temperatury
wewnątrz akumulatora wykorzystano
moduły 7 (ADAM firmy Advantech) oraz
rejestrator 8 (AR205 firmy Apar). Czujniki
temperatury 13 były umieszczone w
akumulatorze.
Do
układu
hydraulicznego
przyłączano akumulator ze złożem
filtracyjnym i płaszczowo-rurowym.
Rys.2.1 Schemat układu hydraulicznego z
akumulatorem płaszczowo-rurowym, filtracyjnym
i wodnym
1 – wymiennik ciepła węzeł cieplny/instalacja c.o., 2 – pompa z regulatorem prędkości
obrotowej, 3 – instalacja c.o. budynku, 4 – filtr, 5 – grzałki elektryczne, 6 - regulator
temperatury wody (nazwa : ATR), 7 – grupa modułów do rejestracji pomiarów temperatury
(nazwa : Adam), 8 – rejestrator pomiarów temperatury (nazwa: AR 205), 9 – akumulator
płaszczowo – rurowy, 10 – akumulator filtracyjny, 11 – przepływomierz, 12 – manometr, 13 –
czujnik temperatury, 14 – czujnik temperatury, 15 – zawór odcinający przewód zasilający
instalacji c.o., 16 – zawór odcinający przewód powrotny instalacji c.o.
2. STANOWISKO BADAWCZE
Widok stanowiska badawczego
Wyniki badań laboratoryjnych
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula
Celem eksperymentu była weryfikacja teoretycznego czasu
topnienia pojedynczej kuli tqsmelt. Mając eksperymentalnie
zweryfikowany model teoretyczny można wyciągać wnioski dla
złoża składającego się z kul.
Eksperyment przeprowadzono następująco:
- rozgrzano olej do średniej temperatury 157 C, regulator
RE14 dwustanowo utrzymywał tę temperaturę,
- następnie wrzucono kulę, której temperatura była równa
temperaturze otoczenia 25 C
Ze względu na różnicę gęstości pomiędzy fazą stałą i ciekłą S
>L powodującą zmniejszenie się objętości fazy stałej VS < VL o
14% podczas przemiany fazowej na górze kuli pozostawiono
wolną przestrzeń przejmującą objętość rozszerzającego się
materiału
Rys. 3.1 Przebieg topnienia PCM w kuli o średnicy 4 cm
poziom wody
Akumulator filtracyjny
Eksperyment przeprowadzono w złożu stacjonarnym w
akumulatorze z ramkami. W jego trakcie stosowano zmienne
temperatury wody zasilającej ramkę kolejno 110 C, 100 C,
105 C, 95 C. Przed wrzuceniem kul do akumulatora rozgrzano
znajdującą się w nim wodę do temperatury 90 C.
Rys. 3.2 Widok kul po wrzuceniu do akumulatora
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – model teoretyczny
Przy założeniu stałych własności PCM zagadnienie rozwiązano za
pomocą równania przewodnictwa ciepła:
z warunkiem Stefana wymiany ciepła na płaszczyźnie zmiany fazy:
w przypadku stałej temperatury TL płynnego PCM:
czas ładowania kuli tqsmelt wynosi:
gdzie:
- gęstość stałego PCM, kg/m3
cL
- ciepło właściwe fazy ciekłej, J/kgK
Tt
- pochodna temperatury po czasie, C/s
kL
- współczynnik przewodzenia ciepła fazy
ciekłej, W/mK
Tr
- pochodna temperatury po promieniu, C/m
- temperatura przemiany fazowej, C
- ciepło przemiany fazowej, J/kg
- prędkość przesuwania się płaszczyzny
zmiany fazy wzdłuż promienia R, m/s
R(t)+ - promień, m
Tm
L
R’
TL
- temperatura fazy ciekłej, C
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – pomiary
Otrzymany z pomiarów czas topnienia wynoszący tqsmelt = 13.5
minuty porównano z modelem teoretycznym.
Waga PCM znajdującego się w kuli wynosiła 28,832 g, a
średnica zastępczej kuli wypełnionej tylko PCM wynosi 20,76
mm. Po wstawieniu danych otrzymano czas ładowania
t melt
qs
770 176000
6 0 . 2 (157 82 )
0 . 021
2
11 . 1 minut
Różnica czasów 13.5 - 11.1 minuty wynika z dwóch przyczyn:
- PCM nie miał początkowej temperatury Tm=82 C i był
wymagany czas na jego podgrzanie do tej temperatury,
- w kuli występowała pustka powietrzna utrudniająca
wymianę ciepła pomiędzy olejem i materiałem PCM.
Dobrą zgodność dla badanej kuli uzyskano dla promienia
zastępczego Ro = 23 mm.
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula - mieszanina PCM-olej
W celu poprawy konwekcji ciepła wewnątrz kul i przyspieszenia
procesu roztapiania PCM - zmieszano go w różnych proporcjach z
olejem, umieszczono w kulach plastikowych o średnicy 4 cm i
poddano z zewnątrz procesowi ogrzewania olejem o różnych
temperaturach.
Zauważyć można, że:
-dla kul z mniejszym udziałem PCM czas topnienia jest krótszy,
(mniejsza ilość materiału PCM oraz lepsza konwekcja
wewnętrzna)
80
70
100⁰C
-im więcej oleju tym krótszy czas ładowania, ale gorsze własności
akumulacyjne (pojemność cieplna PCM / olej).
-im wyższa temperatura ładowania, tym mniejszy wpływ efektu
dodania oleju. Różnice w czasach ładowania (do 15%) w praktyce
są pomijalne.
C z a s to p n i e n ia , m in u ty
60
50
110⁰C
40
120⁰C
30
130⁰C
20
150⁰C
10
0
50-50
60-40
70-30
80-20
85-15
90-10
95-05
98-02
Skład procentow y P C M - olej
Rys. 3.4 Przebieg topnienia kul o średnicy 4 cm
z mieszaniną PCM - olej
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Złoże filtracyjne z kul wypełnionych PCM
Topnienie kul trwało 106 minut.
Długi czas wynika z małej różnicy
temperatur wody i przemiany fazowej
TL-Tm = 3 10 C.
Eksperymentalnie otrzymany czas pokrywa
się
z
obliczeniami
teoretycznymi
przeprowadzonymi dla pojedynczej kuli
(rys. 3.3) dla TL=90 C.
Warunkiem zakończenia ładowania był brak
odbioru ciepła przez materiał PCM
(punkt B, rys. 3.5).
Bilans cieplny akumulatora:
- maksymalna moc cieplna: 5,32 kW,
- ciepło rozgrzewania: 1262 MJ,
- ciepło ładowania kul: 472 MJ.
- ciepło przemiany fazowej kul: 1,76 MJ.
Akumulator nie był całkowicie zaizolowany,
stąd do otoczenia stracono ponad 470 MJ.
Rys. 3.5 Przebiegi temperatury T w czasie ładowania i rozładowania
akumulatora ze złożem filtracyjnym w postaci kul,
kolor fioletowy – temperatura wody w akumulatorze Tw,
kolor żółty – temperatura wody zasilającej ramkę Tz,
kolor brązowy – temperatura wody powrotnej z ramki Tp
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Materiał PCM
PCM stopił się po czasie 240-300 minut.
Na długi czas ładowania miały wpływ niekorzystne czynniki
opisane poniżej.
Zjawiska zachodzące podczas ładowania:
- PCM krzepł na ściankach akumulatora (temperatura
mniejsza od temperatury topnienia Tm);
- wokół rurek w wewnętrznej części ranki tworzą się kanały
z płynnym materiałem PCM (łatwiejsze topnienie warstw
znajdujących się dalej od rurki);
- rurki w zewnętrznej części ramki są otoczone pustką
powietrzną (PCM spłynął do pustych przestrzeni,
trudniejsze topnienie PCM w obszarze rurek).
Rys. 3.4 Widok akumulatora płaszczowo-rurowego
(schemat, pusty, zasypany materiałem PCM)
Zjawiska zachodzące podczas rozładowywania:
- pęknięcia i puste przestrzenie powietrzne (powstałe na
skutek różnicy objętości fazy stałej VS < VL o 14% );
- materiał PCM pęka tworząc mniejsze bloki (ponowny
proces ładowania utrudniony ze względu na niski
współczynnik przewodzenia powietrza).
Rys.
3.5
Termiczna
blokada
ładowania
akumulatora (puste przestrzenie w które wpływa
roztapiany PCM)
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
W celu przyspieszenia procesu ładowania materiału PCM
wprowadzano wodę do akumulatora.
a
b
Opis ładowania akumulatora po zalaniu wodą:
-woda wypełniła akumulator ponad powierzchnię PCM;
-w ciągu 10 minut temperatura wzrosła przy ściance z 31 C na 49 C
(znacznie polepszony rozpływ ciepła);
-po rozpuszczeniu części PCM, widoczna granica międzyfazowa: woda /
ciekły PCM / stały PCM;
-ciekły PCM wypływa na powierzchnię i krzepnie (prądy konwekcyjne
mieszaniny ciekły PCM / woda przemieszczają się z prędkością 13 cm/s,
temperatury wewnątrz akumulatora: 8188 C, przy ściance: 46 C;
-para wrzącej wody unosi się przez ciekły PCM i rozpuszcza stały PCM
znajdujący się na powierzchni (temperatura przy ściance 61,7 C –
najszybsza zmiana fazy w materiale PCM).
Jeżeli na dole zasobnika jest materiał PCM, to woda dociera
nad niego i roztapia go. Dzięki mniejszej gęstości fazy ciekłej
materiał PCM wypływa na górę. Stąd, po pewnym czasie,
woda znajdzie się na dnie, a PCM na górze. Woda powinna
zalewać dolną kratownicę rurek, ponieważ wtedy szybciej
ładuje się zasobnik ciepłem.
c
PCM
WODA
Rys. 3.6 Akumulator a, b – z PCM’em,
c – z mieszaniną binarną PCM-woda
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Na charakterystykach widoczne są
temperatury wody zasilającej ramkę
Tz, wody powracającej z ramki Tp,
temperatury materiału PCM oraz
temperatura otoczenia.
W początkowej fazie temperatury
wody zasilającej Tz jak i powrotnej Tp
wzrastały liniowo. Następnie były
utrzymywane ich stałe wartości:
Tz: 110 C, Tp: 104-105 C.
W akumulatorze znajdowało się:
- 44 kg materiału PCM (Tm = 77-82 C)
- 14 kg wody.
Czas ładowania: 233 minuty.
Rozładowanie akumulatora trwało 19
godzin 4 minuty.
Warunkiem zakończenia ładowania
było
wyrównanie
temperatur
wszystkich czujników rozmieszczonych
w materiale PCM.
Rys. 3.7 Przebieg procesu ładowania i rozładowania akumulatora płaszczoworurowego wypełnionego mieszaniną binarną PCM-woda w czasie
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Rys. 3.9. Zależność mocy cieplnej czasu w fazie ładowania
akumulatora filtracyjnego
Rys. 3.8. Zależność temperatury topnienia PCM od ciepła dla
danych z eksperymentu: 44 kg materiału PCM, ciepło
przemiany fazowej 176 kJ/kg . 44 kg = 7744 kJ
Różne frakcje parafin powodują pochylenie krzywej
temperatury w obszarze przemiany fazowej.
Ponadto widać, że ciepło właściwe PCM (styczna do
krzywej temperatury) zmienia się w funkcji
dostarczanego ciepła i aktualnej temperatury PCM.
Początek przemiany fazowej jest widoczny jako
wzrost pobieranej mocy lub wzrost różnicy
temperatur.
Nie pokrywa się on z deklarowanymi przez
producenta materiału PCM temperaturą przemiany
fazowej ze względu na spóźnioną reakcję czujnika
temperatury. Średnica czujnika wynosiła około 3 mm.
Stąd ciekły PCM potrzebował pewnego czasu, aby
otoczyć czujnik w całości.
3.3 AKUMULATOR WODNY
W celu porównania efektywności akumulatorów wypełnionych materiałem PCM przeprowadzono badania akumulacji z
zasobnikiem wodnym. Na rys. 3.10 pokazano ładowanie i rozładowanie akumulatora wodnego o takiej samej objętości
wody akumulującej ciepło jak łączna objętość wody i kul w akumulatorze filtracyjnym. Widoczna jest 2,5-krotnie
większa zdolność do akumulacji ciepła w akumulatorze z kulami wypełnionymi PCM (rys. 3.11).
WODA
Rys. 3.10. Rozładowanie akumulatora wodnego o takiej
samej objętości jak akumulator z kulami
PCM
Rys. 3.11. Rozładowanie akumulatora z kulami, oznaczenia
jak na rys. 3.7, zależność temperatury T od czasu
PODSUMOWANIE
4. PODSUMOWANIE
Eksperymentalnie zbadano własności dynamiczne akumulatora płaszczoworurowego i filtracyjnego. W celu przyspieszenia procesu ładowania i
pokonania bariery niskiego współczynnika przewodzenia ciepła dla materiału
PCM użyto medium pośredniczącego – wody – tworząc ciecz binarną.
Określono czas ładowania, czas rozładowania oraz opisano zjawiska
występujące podczas procesu ładowania i rozładowania akumulatora
płaszczowo - rurowego. Przykładowo czas ładowania od temperatury 25 C do
temperatury 99 C przy temperaturze wody zasilającej Tw=110 C wynosił
tqsmelt = 3 godziny 53 minuty.
Zbadano własności dynamiczne akumulatora filtracyjnego. Badano czas
topnienia tqsmelt pojedynczej kuli oraz akumulatora wypełnionego złożem w
postaci kul. Model teoretyczny czasu topnienia tqsmelt dla pojedynczej kuli
pokrywa się z wynikami uzyskanymi z eksperymentu. Uzyskane czasy
topnienia dla cylindrów i kuli wahają się od 5 minut do 68 minut w zależności
od geometrii. Również w przypadku badania złoża składającego się z kul czas
obliczony teoretycznie i zmierzony pokrywają się.
4. PODSUMOWANIE
Ważnym wnioskiem praktycznym jest to, że zarówno w przypadku akumulatora
płaszczowo – rurowego jak i filtracyjnego temperatura ciepła odbieranego nie była
stała w obszarze przejścia fazowego, pomimo, że jest stała na wykresie fazowym w tym
obszarze. Jeżeli materiał PCM krzepnie, to od strony odbioru ciepła tworzy się warstwa
stałego PCM, którego temperatura zaczyna spadać. Jeżeli topnieje, to średnia
temperatura w akumulatorze rośnie. Ponadto przy odbiorze ciepła pojawiają się
różnice w prędkości spadku temperatury PCM w akumulatorze. Najszybciej temperatura
spada do temperatury przejścia fazowego Tm, potem prędkość spadku zmniejsza się.
Z obu konstrukcji autorzy wskazują akumulator filtracyjny ze złożem w postaci kul jako
ten, który może być zastosowany w praktyce. Jest tak ze względu na krótki czas
ładowania i prostotę budowy wiążącą się z jego niezawodnością. Im krótszy czas
topnienia, tym więcej energii można odebrać od źródła ciepła odpadowego. Stąd
krotność odbioru ciepła w ciągu doby decyduje o średnicy kul wypełnionych materiałem
PCM.
pytania / komentarze / dyskusja
Dziękujemy za uwagę
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
PROGRAM STRATEGICZNY – ZAAWANSOWANE TECHNOLO
GIE POZYSKIWANIA ENERGII
ZADANIE NR 1 – „Opracowanie technologii dla wysokosprawnych „zero-emisyjnych”
bloków węglowych zintegrowanych z wychwytem CO ze spalin”
Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju zgodnie z umową
nr SP/E/1/67484/10 z dnia 05 maja 2010r, numer projektu: SP/E/1/67484/10
2
Slide 7
Wydział Mechaniczno-Energetyczny
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
Badania
efektywności akumulacji ciepła
w materiale o zmiennej fazie
SPIS TREŚCI
1. Wstęp
2. Stanowisko badawcze
3. Wyniki badań laboratoryjnych i ich analiza
3.1 Akumulator filtracyjny
3.2 Akumulator płaszczowo-rurowy
3.3 Akumulator wodny
4. Podsumowanie
1. WSTĘP
Podstawowym celem badań był wybór konstrukcji
akumulatora ciepła z wykorzystaniem materiału o
zmiennej fazie (ang. PCM – phase changing material)
zapewniającym największe wykorzystanie dostępnego
ciepła (np. ciepła odpadowego spalin za kotłem w
elektrowni).
Zbadano dwie konstrukcje – płaszczowo – rurową i
filtracyjną.
W akumulatorze płaszczowo – rurowym materiał PCM
znajdował się pomiędzy płaszczem i rurkami grzejnymi,
w których płynęła woda podgrzewając PCM.
W akumulatorze filtracyjnym PCM był umieszczony w
kulach o średnicy 4 cm. Woda grzejna swobodnie
przepływała pomiędzy kulami, w których następowała
akumulacja ciepła z zajściem przemiany fazowej.
W eksperymencie z pojedynczą kulą obserwowano
przemianę fazową w funkcji czasu. Przestrzeń wokół
kuli była wypełniona olejem ze względu na jego wyższą
temperaturę wrzenia przy ciśnieniu atmosferycznym.
Porównano wyniki eksperymentalne i teoretyczne.
A
B
2. STANOWISKO BADAWCZE
Woda jest częściowo podgrzewana
w wymienniku c.o. 1, regulowana pompa
2 wymusza obieg wody grzewczej do
instalacji
c.o.
budynku
oraz
akumulatorów 9, 10. Brakująca część
energii
potrzebnej
do
ładowania
akumulatora jest uzupełniana przez
grzałki elektryczne 5 sterowane przez
regulator 6 w funkcji temperatury wody
14. Pompa była regulaowana w funkcji
strumienia wody (p-v). W czasie
ładowania akumulatora otwierany był
zawór odcinający 16 ze względu na
przejmowanie wahań objętości wody po
jej podgrzaniu przez instalację c.o.
budynku. Zawór odcinający 15 był
wówczas
zamknięty.
W
czasie
rozładowania akumulatora otwierano
zawory 15 i 16. Do pomiaru temperatury
wewnątrz akumulatora wykorzystano
moduły 7 (ADAM firmy Advantech) oraz
rejestrator 8 (AR205 firmy Apar). Czujniki
temperatury 13 były umieszczone w
akumulatorze.
Do
układu
hydraulicznego
przyłączano akumulator ze złożem
filtracyjnym i płaszczowo-rurowym.
Rys.2.1 Schemat układu hydraulicznego z
akumulatorem płaszczowo-rurowym, filtracyjnym
i wodnym
1 – wymiennik ciepła węzeł cieplny/instalacja c.o., 2 – pompa z regulatorem prędkości
obrotowej, 3 – instalacja c.o. budynku, 4 – filtr, 5 – grzałki elektryczne, 6 - regulator
temperatury wody (nazwa : ATR), 7 – grupa modułów do rejestracji pomiarów temperatury
(nazwa : Adam), 8 – rejestrator pomiarów temperatury (nazwa: AR 205), 9 – akumulator
płaszczowo – rurowy, 10 – akumulator filtracyjny, 11 – przepływomierz, 12 – manometr, 13 –
czujnik temperatury, 14 – czujnik temperatury, 15 – zawór odcinający przewód zasilający
instalacji c.o., 16 – zawór odcinający przewód powrotny instalacji c.o.
2. STANOWISKO BADAWCZE
Widok stanowiska badawczego
Wyniki badań laboratoryjnych
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula
Celem eksperymentu była weryfikacja teoretycznego czasu
topnienia pojedynczej kuli tqsmelt. Mając eksperymentalnie
zweryfikowany model teoretyczny można wyciągać wnioski dla
złoża składającego się z kul.
Eksperyment przeprowadzono następująco:
- rozgrzano olej do średniej temperatury 157 C, regulator
RE14 dwustanowo utrzymywał tę temperaturę,
- następnie wrzucono kulę, której temperatura była równa
temperaturze otoczenia 25 C
Ze względu na różnicę gęstości pomiędzy fazą stałą i ciekłą S
>L powodującą zmniejszenie się objętości fazy stałej VS < VL o
14% podczas przemiany fazowej na górze kuli pozostawiono
wolną przestrzeń przejmującą objętość rozszerzającego się
materiału
Rys. 3.1 Przebieg topnienia PCM w kuli o średnicy 4 cm
poziom wody
Akumulator filtracyjny
Eksperyment przeprowadzono w złożu stacjonarnym w
akumulatorze z ramkami. W jego trakcie stosowano zmienne
temperatury wody zasilającej ramkę kolejno 110 C, 100 C,
105 C, 95 C. Przed wrzuceniem kul do akumulatora rozgrzano
znajdującą się w nim wodę do temperatury 90 C.
Rys. 3.2 Widok kul po wrzuceniu do akumulatora
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – model teoretyczny
Przy założeniu stałych własności PCM zagadnienie rozwiązano za
pomocą równania przewodnictwa ciepła:
z warunkiem Stefana wymiany ciepła na płaszczyźnie zmiany fazy:
w przypadku stałej temperatury TL płynnego PCM:
czas ładowania kuli tqsmelt wynosi:
gdzie:
- gęstość stałego PCM, kg/m3
cL
- ciepło właściwe fazy ciekłej, J/kgK
Tt
- pochodna temperatury po czasie, C/s
kL
- współczynnik przewodzenia ciepła fazy
ciekłej, W/mK
Tr
- pochodna temperatury po promieniu, C/m
- temperatura przemiany fazowej, C
- ciepło przemiany fazowej, J/kg
- prędkość przesuwania się płaszczyzny
zmiany fazy wzdłuż promienia R, m/s
R(t)+ - promień, m
Tm
L
R’
TL
- temperatura fazy ciekłej, C
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – pomiary
Otrzymany z pomiarów czas topnienia wynoszący tqsmelt = 13.5
minuty porównano z modelem teoretycznym.
Waga PCM znajdującego się w kuli wynosiła 28,832 g, a
średnica zastępczej kuli wypełnionej tylko PCM wynosi 20,76
mm. Po wstawieniu danych otrzymano czas ładowania
t melt
qs
770 176000
6 0 . 2 (157 82 )
0 . 021
2
11 . 1 minut
Różnica czasów 13.5 - 11.1 minuty wynika z dwóch przyczyn:
- PCM nie miał początkowej temperatury Tm=82 C i był
wymagany czas na jego podgrzanie do tej temperatury,
- w kuli występowała pustka powietrzna utrudniająca
wymianę ciepła pomiędzy olejem i materiałem PCM.
Dobrą zgodność dla badanej kuli uzyskano dla promienia
zastępczego Ro = 23 mm.
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula - mieszanina PCM-olej
W celu poprawy konwekcji ciepła wewnątrz kul i przyspieszenia
procesu roztapiania PCM - zmieszano go w różnych proporcjach z
olejem, umieszczono w kulach plastikowych o średnicy 4 cm i
poddano z zewnątrz procesowi ogrzewania olejem o różnych
temperaturach.
Zauważyć można, że:
-dla kul z mniejszym udziałem PCM czas topnienia jest krótszy,
(mniejsza ilość materiału PCM oraz lepsza konwekcja
wewnętrzna)
80
70
100⁰C
-im więcej oleju tym krótszy czas ładowania, ale gorsze własności
akumulacyjne (pojemność cieplna PCM / olej).
-im wyższa temperatura ładowania, tym mniejszy wpływ efektu
dodania oleju. Różnice w czasach ładowania (do 15%) w praktyce
są pomijalne.
C z a s to p n i e n ia , m in u ty
60
50
110⁰C
40
120⁰C
30
130⁰C
20
150⁰C
10
0
50-50
60-40
70-30
80-20
85-15
90-10
95-05
98-02
Skład procentow y P C M - olej
Rys. 3.4 Przebieg topnienia kul o średnicy 4 cm
z mieszaniną PCM - olej
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Złoże filtracyjne z kul wypełnionych PCM
Topnienie kul trwało 106 minut.
Długi czas wynika z małej różnicy
temperatur wody i przemiany fazowej
TL-Tm = 3 10 C.
Eksperymentalnie otrzymany czas pokrywa
się
z
obliczeniami
teoretycznymi
przeprowadzonymi dla pojedynczej kuli
(rys. 3.3) dla TL=90 C.
Warunkiem zakończenia ładowania był brak
odbioru ciepła przez materiał PCM
(punkt B, rys. 3.5).
Bilans cieplny akumulatora:
- maksymalna moc cieplna: 5,32 kW,
- ciepło rozgrzewania: 1262 MJ,
- ciepło ładowania kul: 472 MJ.
- ciepło przemiany fazowej kul: 1,76 MJ.
Akumulator nie był całkowicie zaizolowany,
stąd do otoczenia stracono ponad 470 MJ.
Rys. 3.5 Przebiegi temperatury T w czasie ładowania i rozładowania
akumulatora ze złożem filtracyjnym w postaci kul,
kolor fioletowy – temperatura wody w akumulatorze Tw,
kolor żółty – temperatura wody zasilającej ramkę Tz,
kolor brązowy – temperatura wody powrotnej z ramki Tp
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Materiał PCM
PCM stopił się po czasie 240-300 minut.
Na długi czas ładowania miały wpływ niekorzystne czynniki
opisane poniżej.
Zjawiska zachodzące podczas ładowania:
- PCM krzepł na ściankach akumulatora (temperatura
mniejsza od temperatury topnienia Tm);
- wokół rurek w wewnętrznej części ranki tworzą się kanały
z płynnym materiałem PCM (łatwiejsze topnienie warstw
znajdujących się dalej od rurki);
- rurki w zewnętrznej części ramki są otoczone pustką
powietrzną (PCM spłynął do pustych przestrzeni,
trudniejsze topnienie PCM w obszarze rurek).
Rys. 3.4 Widok akumulatora płaszczowo-rurowego
(schemat, pusty, zasypany materiałem PCM)
Zjawiska zachodzące podczas rozładowywania:
- pęknięcia i puste przestrzenie powietrzne (powstałe na
skutek różnicy objętości fazy stałej VS < VL o 14% );
- materiał PCM pęka tworząc mniejsze bloki (ponowny
proces ładowania utrudniony ze względu na niski
współczynnik przewodzenia powietrza).
Rys.
3.5
Termiczna
blokada
ładowania
akumulatora (puste przestrzenie w które wpływa
roztapiany PCM)
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
W celu przyspieszenia procesu ładowania materiału PCM
wprowadzano wodę do akumulatora.
a
b
Opis ładowania akumulatora po zalaniu wodą:
-woda wypełniła akumulator ponad powierzchnię PCM;
-w ciągu 10 minut temperatura wzrosła przy ściance z 31 C na 49 C
(znacznie polepszony rozpływ ciepła);
-po rozpuszczeniu części PCM, widoczna granica międzyfazowa: woda /
ciekły PCM / stały PCM;
-ciekły PCM wypływa na powierzchnię i krzepnie (prądy konwekcyjne
mieszaniny ciekły PCM / woda przemieszczają się z prędkością 13 cm/s,
temperatury wewnątrz akumulatora: 8188 C, przy ściance: 46 C;
-para wrzącej wody unosi się przez ciekły PCM i rozpuszcza stały PCM
znajdujący się na powierzchni (temperatura przy ściance 61,7 C –
najszybsza zmiana fazy w materiale PCM).
Jeżeli na dole zasobnika jest materiał PCM, to woda dociera
nad niego i roztapia go. Dzięki mniejszej gęstości fazy ciekłej
materiał PCM wypływa na górę. Stąd, po pewnym czasie,
woda znajdzie się na dnie, a PCM na górze. Woda powinna
zalewać dolną kratownicę rurek, ponieważ wtedy szybciej
ładuje się zasobnik ciepłem.
c
PCM
WODA
Rys. 3.6 Akumulator a, b – z PCM’em,
c – z mieszaniną binarną PCM-woda
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Na charakterystykach widoczne są
temperatury wody zasilającej ramkę
Tz, wody powracającej z ramki Tp,
temperatury materiału PCM oraz
temperatura otoczenia.
W początkowej fazie temperatury
wody zasilającej Tz jak i powrotnej Tp
wzrastały liniowo. Następnie były
utrzymywane ich stałe wartości:
Tz: 110 C, Tp: 104-105 C.
W akumulatorze znajdowało się:
- 44 kg materiału PCM (Tm = 77-82 C)
- 14 kg wody.
Czas ładowania: 233 minuty.
Rozładowanie akumulatora trwało 19
godzin 4 minuty.
Warunkiem zakończenia ładowania
było
wyrównanie
temperatur
wszystkich czujników rozmieszczonych
w materiale PCM.
Rys. 3.7 Przebieg procesu ładowania i rozładowania akumulatora płaszczoworurowego wypełnionego mieszaniną binarną PCM-woda w czasie
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Rys. 3.9. Zależność mocy cieplnej czasu w fazie ładowania
akumulatora filtracyjnego
Rys. 3.8. Zależność temperatury topnienia PCM od ciepła dla
danych z eksperymentu: 44 kg materiału PCM, ciepło
przemiany fazowej 176 kJ/kg . 44 kg = 7744 kJ
Różne frakcje parafin powodują pochylenie krzywej
temperatury w obszarze przemiany fazowej.
Ponadto widać, że ciepło właściwe PCM (styczna do
krzywej temperatury) zmienia się w funkcji
dostarczanego ciepła i aktualnej temperatury PCM.
Początek przemiany fazowej jest widoczny jako
wzrost pobieranej mocy lub wzrost różnicy
temperatur.
Nie pokrywa się on z deklarowanymi przez
producenta materiału PCM temperaturą przemiany
fazowej ze względu na spóźnioną reakcję czujnika
temperatury. Średnica czujnika wynosiła około 3 mm.
Stąd ciekły PCM potrzebował pewnego czasu, aby
otoczyć czujnik w całości.
3.3 AKUMULATOR WODNY
W celu porównania efektywności akumulatorów wypełnionych materiałem PCM przeprowadzono badania akumulacji z
zasobnikiem wodnym. Na rys. 3.10 pokazano ładowanie i rozładowanie akumulatora wodnego o takiej samej objętości
wody akumulującej ciepło jak łączna objętość wody i kul w akumulatorze filtracyjnym. Widoczna jest 2,5-krotnie
większa zdolność do akumulacji ciepła w akumulatorze z kulami wypełnionymi PCM (rys. 3.11).
WODA
Rys. 3.10. Rozładowanie akumulatora wodnego o takiej
samej objętości jak akumulator z kulami
PCM
Rys. 3.11. Rozładowanie akumulatora z kulami, oznaczenia
jak na rys. 3.7, zależność temperatury T od czasu
PODSUMOWANIE
4. PODSUMOWANIE
Eksperymentalnie zbadano własności dynamiczne akumulatora płaszczoworurowego i filtracyjnego. W celu przyspieszenia procesu ładowania i
pokonania bariery niskiego współczynnika przewodzenia ciepła dla materiału
PCM użyto medium pośredniczącego – wody – tworząc ciecz binarną.
Określono czas ładowania, czas rozładowania oraz opisano zjawiska
występujące podczas procesu ładowania i rozładowania akumulatora
płaszczowo - rurowego. Przykładowo czas ładowania od temperatury 25 C do
temperatury 99 C przy temperaturze wody zasilającej Tw=110 C wynosił
tqsmelt = 3 godziny 53 minuty.
Zbadano własności dynamiczne akumulatora filtracyjnego. Badano czas
topnienia tqsmelt pojedynczej kuli oraz akumulatora wypełnionego złożem w
postaci kul. Model teoretyczny czasu topnienia tqsmelt dla pojedynczej kuli
pokrywa się z wynikami uzyskanymi z eksperymentu. Uzyskane czasy
topnienia dla cylindrów i kuli wahają się od 5 minut do 68 minut w zależności
od geometrii. Również w przypadku badania złoża składającego się z kul czas
obliczony teoretycznie i zmierzony pokrywają się.
4. PODSUMOWANIE
Ważnym wnioskiem praktycznym jest to, że zarówno w przypadku akumulatora
płaszczowo – rurowego jak i filtracyjnego temperatura ciepła odbieranego nie była
stała w obszarze przejścia fazowego, pomimo, że jest stała na wykresie fazowym w tym
obszarze. Jeżeli materiał PCM krzepnie, to od strony odbioru ciepła tworzy się warstwa
stałego PCM, którego temperatura zaczyna spadać. Jeżeli topnieje, to średnia
temperatura w akumulatorze rośnie. Ponadto przy odbiorze ciepła pojawiają się
różnice w prędkości spadku temperatury PCM w akumulatorze. Najszybciej temperatura
spada do temperatury przejścia fazowego Tm, potem prędkość spadku zmniejsza się.
Z obu konstrukcji autorzy wskazują akumulator filtracyjny ze złożem w postaci kul jako
ten, który może być zastosowany w praktyce. Jest tak ze względu na krótki czas
ładowania i prostotę budowy wiążącą się z jego niezawodnością. Im krótszy czas
topnienia, tym więcej energii można odebrać od źródła ciepła odpadowego. Stąd
krotność odbioru ciepła w ciągu doby decyduje o średnicy kul wypełnionych materiałem
PCM.
pytania / komentarze / dyskusja
Dziękujemy za uwagę
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
PROGRAM STRATEGICZNY – ZAAWANSOWANE TECHNOLO
GIE POZYSKIWANIA ENERGII
ZADANIE NR 1 – „Opracowanie technologii dla wysokosprawnych „zero-emisyjnych”
bloków węglowych zintegrowanych z wychwytem CO ze spalin”
Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju zgodnie z umową
nr SP/E/1/67484/10 z dnia 05 maja 2010r, numer projektu: SP/E/1/67484/10
2
Slide 8
Wydział Mechaniczno-Energetyczny
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
Badania
efektywności akumulacji ciepła
w materiale o zmiennej fazie
SPIS TREŚCI
1. Wstęp
2. Stanowisko badawcze
3. Wyniki badań laboratoryjnych i ich analiza
3.1 Akumulator filtracyjny
3.2 Akumulator płaszczowo-rurowy
3.3 Akumulator wodny
4. Podsumowanie
1. WSTĘP
Podstawowym celem badań był wybór konstrukcji
akumulatora ciepła z wykorzystaniem materiału o
zmiennej fazie (ang. PCM – phase changing material)
zapewniającym największe wykorzystanie dostępnego
ciepła (np. ciepła odpadowego spalin za kotłem w
elektrowni).
Zbadano dwie konstrukcje – płaszczowo – rurową i
filtracyjną.
W akumulatorze płaszczowo – rurowym materiał PCM
znajdował się pomiędzy płaszczem i rurkami grzejnymi,
w których płynęła woda podgrzewając PCM.
W akumulatorze filtracyjnym PCM był umieszczony w
kulach o średnicy 4 cm. Woda grzejna swobodnie
przepływała pomiędzy kulami, w których następowała
akumulacja ciepła z zajściem przemiany fazowej.
W eksperymencie z pojedynczą kulą obserwowano
przemianę fazową w funkcji czasu. Przestrzeń wokół
kuli była wypełniona olejem ze względu na jego wyższą
temperaturę wrzenia przy ciśnieniu atmosferycznym.
Porównano wyniki eksperymentalne i teoretyczne.
A
B
2. STANOWISKO BADAWCZE
Woda jest częściowo podgrzewana
w wymienniku c.o. 1, regulowana pompa
2 wymusza obieg wody grzewczej do
instalacji
c.o.
budynku
oraz
akumulatorów 9, 10. Brakująca część
energii
potrzebnej
do
ładowania
akumulatora jest uzupełniana przez
grzałki elektryczne 5 sterowane przez
regulator 6 w funkcji temperatury wody
14. Pompa była regulaowana w funkcji
strumienia wody (p-v). W czasie
ładowania akumulatora otwierany był
zawór odcinający 16 ze względu na
przejmowanie wahań objętości wody po
jej podgrzaniu przez instalację c.o.
budynku. Zawór odcinający 15 był
wówczas
zamknięty.
W
czasie
rozładowania akumulatora otwierano
zawory 15 i 16. Do pomiaru temperatury
wewnątrz akumulatora wykorzystano
moduły 7 (ADAM firmy Advantech) oraz
rejestrator 8 (AR205 firmy Apar). Czujniki
temperatury 13 były umieszczone w
akumulatorze.
Do
układu
hydraulicznego
przyłączano akumulator ze złożem
filtracyjnym i płaszczowo-rurowym.
Rys.2.1 Schemat układu hydraulicznego z
akumulatorem płaszczowo-rurowym, filtracyjnym
i wodnym
1 – wymiennik ciepła węzeł cieplny/instalacja c.o., 2 – pompa z regulatorem prędkości
obrotowej, 3 – instalacja c.o. budynku, 4 – filtr, 5 – grzałki elektryczne, 6 - regulator
temperatury wody (nazwa : ATR), 7 – grupa modułów do rejestracji pomiarów temperatury
(nazwa : Adam), 8 – rejestrator pomiarów temperatury (nazwa: AR 205), 9 – akumulator
płaszczowo – rurowy, 10 – akumulator filtracyjny, 11 – przepływomierz, 12 – manometr, 13 –
czujnik temperatury, 14 – czujnik temperatury, 15 – zawór odcinający przewód zasilający
instalacji c.o., 16 – zawór odcinający przewód powrotny instalacji c.o.
2. STANOWISKO BADAWCZE
Widok stanowiska badawczego
Wyniki badań laboratoryjnych
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula
Celem eksperymentu była weryfikacja teoretycznego czasu
topnienia pojedynczej kuli tqsmelt. Mając eksperymentalnie
zweryfikowany model teoretyczny można wyciągać wnioski dla
złoża składającego się z kul.
Eksperyment przeprowadzono następująco:
- rozgrzano olej do średniej temperatury 157 C, regulator
RE14 dwustanowo utrzymywał tę temperaturę,
- następnie wrzucono kulę, której temperatura była równa
temperaturze otoczenia 25 C
Ze względu na różnicę gęstości pomiędzy fazą stałą i ciekłą S
>L powodującą zmniejszenie się objętości fazy stałej VS < VL o
14% podczas przemiany fazowej na górze kuli pozostawiono
wolną przestrzeń przejmującą objętość rozszerzającego się
materiału
Rys. 3.1 Przebieg topnienia PCM w kuli o średnicy 4 cm
poziom wody
Akumulator filtracyjny
Eksperyment przeprowadzono w złożu stacjonarnym w
akumulatorze z ramkami. W jego trakcie stosowano zmienne
temperatury wody zasilającej ramkę kolejno 110 C, 100 C,
105 C, 95 C. Przed wrzuceniem kul do akumulatora rozgrzano
znajdującą się w nim wodę do temperatury 90 C.
Rys. 3.2 Widok kul po wrzuceniu do akumulatora
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – model teoretyczny
Przy założeniu stałych własności PCM zagadnienie rozwiązano za
pomocą równania przewodnictwa ciepła:
z warunkiem Stefana wymiany ciepła na płaszczyźnie zmiany fazy:
w przypadku stałej temperatury TL płynnego PCM:
czas ładowania kuli tqsmelt wynosi:
gdzie:
- gęstość stałego PCM, kg/m3
cL
- ciepło właściwe fazy ciekłej, J/kgK
Tt
- pochodna temperatury po czasie, C/s
kL
- współczynnik przewodzenia ciepła fazy
ciekłej, W/mK
Tr
- pochodna temperatury po promieniu, C/m
- temperatura przemiany fazowej, C
- ciepło przemiany fazowej, J/kg
- prędkość przesuwania się płaszczyzny
zmiany fazy wzdłuż promienia R, m/s
R(t)+ - promień, m
Tm
L
R’
TL
- temperatura fazy ciekłej, C
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – pomiary
Otrzymany z pomiarów czas topnienia wynoszący tqsmelt = 13.5
minuty porównano z modelem teoretycznym.
Waga PCM znajdującego się w kuli wynosiła 28,832 g, a
średnica zastępczej kuli wypełnionej tylko PCM wynosi 20,76
mm. Po wstawieniu danych otrzymano czas ładowania
t melt
qs
770 176000
6 0 . 2 (157 82 )
0 . 021
2
11 . 1 minut
Różnica czasów 13.5 - 11.1 minuty wynika z dwóch przyczyn:
- PCM nie miał początkowej temperatury Tm=82 C i był
wymagany czas na jego podgrzanie do tej temperatury,
- w kuli występowała pustka powietrzna utrudniająca
wymianę ciepła pomiędzy olejem i materiałem PCM.
Dobrą zgodność dla badanej kuli uzyskano dla promienia
zastępczego Ro = 23 mm.
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula - mieszanina PCM-olej
W celu poprawy konwekcji ciepła wewnątrz kul i przyspieszenia
procesu roztapiania PCM - zmieszano go w różnych proporcjach z
olejem, umieszczono w kulach plastikowych o średnicy 4 cm i
poddano z zewnątrz procesowi ogrzewania olejem o różnych
temperaturach.
Zauważyć można, że:
-dla kul z mniejszym udziałem PCM czas topnienia jest krótszy,
(mniejsza ilość materiału PCM oraz lepsza konwekcja
wewnętrzna)
80
70
100⁰C
-im więcej oleju tym krótszy czas ładowania, ale gorsze własności
akumulacyjne (pojemność cieplna PCM / olej).
-im wyższa temperatura ładowania, tym mniejszy wpływ efektu
dodania oleju. Różnice w czasach ładowania (do 15%) w praktyce
są pomijalne.
C z a s to p n i e n ia , m in u ty
60
50
110⁰C
40
120⁰C
30
130⁰C
20
150⁰C
10
0
50-50
60-40
70-30
80-20
85-15
90-10
95-05
98-02
Skład procentow y P C M - olej
Rys. 3.4 Przebieg topnienia kul o średnicy 4 cm
z mieszaniną PCM - olej
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Złoże filtracyjne z kul wypełnionych PCM
Topnienie kul trwało 106 minut.
Długi czas wynika z małej różnicy
temperatur wody i przemiany fazowej
TL-Tm = 3 10 C.
Eksperymentalnie otrzymany czas pokrywa
się
z
obliczeniami
teoretycznymi
przeprowadzonymi dla pojedynczej kuli
(rys. 3.3) dla TL=90 C.
Warunkiem zakończenia ładowania był brak
odbioru ciepła przez materiał PCM
(punkt B, rys. 3.5).
Bilans cieplny akumulatora:
- maksymalna moc cieplna: 5,32 kW,
- ciepło rozgrzewania: 1262 MJ,
- ciepło ładowania kul: 472 MJ.
- ciepło przemiany fazowej kul: 1,76 MJ.
Akumulator nie był całkowicie zaizolowany,
stąd do otoczenia stracono ponad 470 MJ.
Rys. 3.5 Przebiegi temperatury T w czasie ładowania i rozładowania
akumulatora ze złożem filtracyjnym w postaci kul,
kolor fioletowy – temperatura wody w akumulatorze Tw,
kolor żółty – temperatura wody zasilającej ramkę Tz,
kolor brązowy – temperatura wody powrotnej z ramki Tp
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Materiał PCM
PCM stopił się po czasie 240-300 minut.
Na długi czas ładowania miały wpływ niekorzystne czynniki
opisane poniżej.
Zjawiska zachodzące podczas ładowania:
- PCM krzepł na ściankach akumulatora (temperatura
mniejsza od temperatury topnienia Tm);
- wokół rurek w wewnętrznej części ranki tworzą się kanały
z płynnym materiałem PCM (łatwiejsze topnienie warstw
znajdujących się dalej od rurki);
- rurki w zewnętrznej części ramki są otoczone pustką
powietrzną (PCM spłynął do pustych przestrzeni,
trudniejsze topnienie PCM w obszarze rurek).
Rys. 3.4 Widok akumulatora płaszczowo-rurowego
(schemat, pusty, zasypany materiałem PCM)
Zjawiska zachodzące podczas rozładowywania:
- pęknięcia i puste przestrzenie powietrzne (powstałe na
skutek różnicy objętości fazy stałej VS < VL o 14% );
- materiał PCM pęka tworząc mniejsze bloki (ponowny
proces ładowania utrudniony ze względu na niski
współczynnik przewodzenia powietrza).
Rys.
3.5
Termiczna
blokada
ładowania
akumulatora (puste przestrzenie w które wpływa
roztapiany PCM)
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
W celu przyspieszenia procesu ładowania materiału PCM
wprowadzano wodę do akumulatora.
a
b
Opis ładowania akumulatora po zalaniu wodą:
-woda wypełniła akumulator ponad powierzchnię PCM;
-w ciągu 10 minut temperatura wzrosła przy ściance z 31 C na 49 C
(znacznie polepszony rozpływ ciepła);
-po rozpuszczeniu części PCM, widoczna granica międzyfazowa: woda /
ciekły PCM / stały PCM;
-ciekły PCM wypływa na powierzchnię i krzepnie (prądy konwekcyjne
mieszaniny ciekły PCM / woda przemieszczają się z prędkością 13 cm/s,
temperatury wewnątrz akumulatora: 8188 C, przy ściance: 46 C;
-para wrzącej wody unosi się przez ciekły PCM i rozpuszcza stały PCM
znajdujący się na powierzchni (temperatura przy ściance 61,7 C –
najszybsza zmiana fazy w materiale PCM).
Jeżeli na dole zasobnika jest materiał PCM, to woda dociera
nad niego i roztapia go. Dzięki mniejszej gęstości fazy ciekłej
materiał PCM wypływa na górę. Stąd, po pewnym czasie,
woda znajdzie się na dnie, a PCM na górze. Woda powinna
zalewać dolną kratownicę rurek, ponieważ wtedy szybciej
ładuje się zasobnik ciepłem.
c
PCM
WODA
Rys. 3.6 Akumulator a, b – z PCM’em,
c – z mieszaniną binarną PCM-woda
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Na charakterystykach widoczne są
temperatury wody zasilającej ramkę
Tz, wody powracającej z ramki Tp,
temperatury materiału PCM oraz
temperatura otoczenia.
W początkowej fazie temperatury
wody zasilającej Tz jak i powrotnej Tp
wzrastały liniowo. Następnie były
utrzymywane ich stałe wartości:
Tz: 110 C, Tp: 104-105 C.
W akumulatorze znajdowało się:
- 44 kg materiału PCM (Tm = 77-82 C)
- 14 kg wody.
Czas ładowania: 233 minuty.
Rozładowanie akumulatora trwało 19
godzin 4 minuty.
Warunkiem zakończenia ładowania
było
wyrównanie
temperatur
wszystkich czujników rozmieszczonych
w materiale PCM.
Rys. 3.7 Przebieg procesu ładowania i rozładowania akumulatora płaszczoworurowego wypełnionego mieszaniną binarną PCM-woda w czasie
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Rys. 3.9. Zależność mocy cieplnej czasu w fazie ładowania
akumulatora filtracyjnego
Rys. 3.8. Zależność temperatury topnienia PCM od ciepła dla
danych z eksperymentu: 44 kg materiału PCM, ciepło
przemiany fazowej 176 kJ/kg . 44 kg = 7744 kJ
Różne frakcje parafin powodują pochylenie krzywej
temperatury w obszarze przemiany fazowej.
Ponadto widać, że ciepło właściwe PCM (styczna do
krzywej temperatury) zmienia się w funkcji
dostarczanego ciepła i aktualnej temperatury PCM.
Początek przemiany fazowej jest widoczny jako
wzrost pobieranej mocy lub wzrost różnicy
temperatur.
Nie pokrywa się on z deklarowanymi przez
producenta materiału PCM temperaturą przemiany
fazowej ze względu na spóźnioną reakcję czujnika
temperatury. Średnica czujnika wynosiła około 3 mm.
Stąd ciekły PCM potrzebował pewnego czasu, aby
otoczyć czujnik w całości.
3.3 AKUMULATOR WODNY
W celu porównania efektywności akumulatorów wypełnionych materiałem PCM przeprowadzono badania akumulacji z
zasobnikiem wodnym. Na rys. 3.10 pokazano ładowanie i rozładowanie akumulatora wodnego o takiej samej objętości
wody akumulującej ciepło jak łączna objętość wody i kul w akumulatorze filtracyjnym. Widoczna jest 2,5-krotnie
większa zdolność do akumulacji ciepła w akumulatorze z kulami wypełnionymi PCM (rys. 3.11).
WODA
Rys. 3.10. Rozładowanie akumulatora wodnego o takiej
samej objętości jak akumulator z kulami
PCM
Rys. 3.11. Rozładowanie akumulatora z kulami, oznaczenia
jak na rys. 3.7, zależność temperatury T od czasu
PODSUMOWANIE
4. PODSUMOWANIE
Eksperymentalnie zbadano własności dynamiczne akumulatora płaszczoworurowego i filtracyjnego. W celu przyspieszenia procesu ładowania i
pokonania bariery niskiego współczynnika przewodzenia ciepła dla materiału
PCM użyto medium pośredniczącego – wody – tworząc ciecz binarną.
Określono czas ładowania, czas rozładowania oraz opisano zjawiska
występujące podczas procesu ładowania i rozładowania akumulatora
płaszczowo - rurowego. Przykładowo czas ładowania od temperatury 25 C do
temperatury 99 C przy temperaturze wody zasilającej Tw=110 C wynosił
tqsmelt = 3 godziny 53 minuty.
Zbadano własności dynamiczne akumulatora filtracyjnego. Badano czas
topnienia tqsmelt pojedynczej kuli oraz akumulatora wypełnionego złożem w
postaci kul. Model teoretyczny czasu topnienia tqsmelt dla pojedynczej kuli
pokrywa się z wynikami uzyskanymi z eksperymentu. Uzyskane czasy
topnienia dla cylindrów i kuli wahają się od 5 minut do 68 minut w zależności
od geometrii. Również w przypadku badania złoża składającego się z kul czas
obliczony teoretycznie i zmierzony pokrywają się.
4. PODSUMOWANIE
Ważnym wnioskiem praktycznym jest to, że zarówno w przypadku akumulatora
płaszczowo – rurowego jak i filtracyjnego temperatura ciepła odbieranego nie była
stała w obszarze przejścia fazowego, pomimo, że jest stała na wykresie fazowym w tym
obszarze. Jeżeli materiał PCM krzepnie, to od strony odbioru ciepła tworzy się warstwa
stałego PCM, którego temperatura zaczyna spadać. Jeżeli topnieje, to średnia
temperatura w akumulatorze rośnie. Ponadto przy odbiorze ciepła pojawiają się
różnice w prędkości spadku temperatury PCM w akumulatorze. Najszybciej temperatura
spada do temperatury przejścia fazowego Tm, potem prędkość spadku zmniejsza się.
Z obu konstrukcji autorzy wskazują akumulator filtracyjny ze złożem w postaci kul jako
ten, który może być zastosowany w praktyce. Jest tak ze względu na krótki czas
ładowania i prostotę budowy wiążącą się z jego niezawodnością. Im krótszy czas
topnienia, tym więcej energii można odebrać od źródła ciepła odpadowego. Stąd
krotność odbioru ciepła w ciągu doby decyduje o średnicy kul wypełnionych materiałem
PCM.
pytania / komentarze / dyskusja
Dziękujemy za uwagę
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
PROGRAM STRATEGICZNY – ZAAWANSOWANE TECHNOLO
GIE POZYSKIWANIA ENERGII
ZADANIE NR 1 – „Opracowanie technologii dla wysokosprawnych „zero-emisyjnych”
bloków węglowych zintegrowanych z wychwytem CO ze spalin”
Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju zgodnie z umową
nr SP/E/1/67484/10 z dnia 05 maja 2010r, numer projektu: SP/E/1/67484/10
2
Slide 9
Wydział Mechaniczno-Energetyczny
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
Badania
efektywności akumulacji ciepła
w materiale o zmiennej fazie
SPIS TREŚCI
1. Wstęp
2. Stanowisko badawcze
3. Wyniki badań laboratoryjnych i ich analiza
3.1 Akumulator filtracyjny
3.2 Akumulator płaszczowo-rurowy
3.3 Akumulator wodny
4. Podsumowanie
1. WSTĘP
Podstawowym celem badań był wybór konstrukcji
akumulatora ciepła z wykorzystaniem materiału o
zmiennej fazie (ang. PCM – phase changing material)
zapewniającym największe wykorzystanie dostępnego
ciepła (np. ciepła odpadowego spalin za kotłem w
elektrowni).
Zbadano dwie konstrukcje – płaszczowo – rurową i
filtracyjną.
W akumulatorze płaszczowo – rurowym materiał PCM
znajdował się pomiędzy płaszczem i rurkami grzejnymi,
w których płynęła woda podgrzewając PCM.
W akumulatorze filtracyjnym PCM był umieszczony w
kulach o średnicy 4 cm. Woda grzejna swobodnie
przepływała pomiędzy kulami, w których następowała
akumulacja ciepła z zajściem przemiany fazowej.
W eksperymencie z pojedynczą kulą obserwowano
przemianę fazową w funkcji czasu. Przestrzeń wokół
kuli była wypełniona olejem ze względu na jego wyższą
temperaturę wrzenia przy ciśnieniu atmosferycznym.
Porównano wyniki eksperymentalne i teoretyczne.
A
B
2. STANOWISKO BADAWCZE
Woda jest częściowo podgrzewana
w wymienniku c.o. 1, regulowana pompa
2 wymusza obieg wody grzewczej do
instalacji
c.o.
budynku
oraz
akumulatorów 9, 10. Brakująca część
energii
potrzebnej
do
ładowania
akumulatora jest uzupełniana przez
grzałki elektryczne 5 sterowane przez
regulator 6 w funkcji temperatury wody
14. Pompa była regulaowana w funkcji
strumienia wody (p-v). W czasie
ładowania akumulatora otwierany był
zawór odcinający 16 ze względu na
przejmowanie wahań objętości wody po
jej podgrzaniu przez instalację c.o.
budynku. Zawór odcinający 15 był
wówczas
zamknięty.
W
czasie
rozładowania akumulatora otwierano
zawory 15 i 16. Do pomiaru temperatury
wewnątrz akumulatora wykorzystano
moduły 7 (ADAM firmy Advantech) oraz
rejestrator 8 (AR205 firmy Apar). Czujniki
temperatury 13 były umieszczone w
akumulatorze.
Do
układu
hydraulicznego
przyłączano akumulator ze złożem
filtracyjnym i płaszczowo-rurowym.
Rys.2.1 Schemat układu hydraulicznego z
akumulatorem płaszczowo-rurowym, filtracyjnym
i wodnym
1 – wymiennik ciepła węzeł cieplny/instalacja c.o., 2 – pompa z regulatorem prędkości
obrotowej, 3 – instalacja c.o. budynku, 4 – filtr, 5 – grzałki elektryczne, 6 - regulator
temperatury wody (nazwa : ATR), 7 – grupa modułów do rejestracji pomiarów temperatury
(nazwa : Adam), 8 – rejestrator pomiarów temperatury (nazwa: AR 205), 9 – akumulator
płaszczowo – rurowy, 10 – akumulator filtracyjny, 11 – przepływomierz, 12 – manometr, 13 –
czujnik temperatury, 14 – czujnik temperatury, 15 – zawór odcinający przewód zasilający
instalacji c.o., 16 – zawór odcinający przewód powrotny instalacji c.o.
2. STANOWISKO BADAWCZE
Widok stanowiska badawczego
Wyniki badań laboratoryjnych
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula
Celem eksperymentu była weryfikacja teoretycznego czasu
topnienia pojedynczej kuli tqsmelt. Mając eksperymentalnie
zweryfikowany model teoretyczny można wyciągać wnioski dla
złoża składającego się z kul.
Eksperyment przeprowadzono następująco:
- rozgrzano olej do średniej temperatury 157 C, regulator
RE14 dwustanowo utrzymywał tę temperaturę,
- następnie wrzucono kulę, której temperatura była równa
temperaturze otoczenia 25 C
Ze względu na różnicę gęstości pomiędzy fazą stałą i ciekłą S
>L powodującą zmniejszenie się objętości fazy stałej VS < VL o
14% podczas przemiany fazowej na górze kuli pozostawiono
wolną przestrzeń przejmującą objętość rozszerzającego się
materiału
Rys. 3.1 Przebieg topnienia PCM w kuli o średnicy 4 cm
poziom wody
Akumulator filtracyjny
Eksperyment przeprowadzono w złożu stacjonarnym w
akumulatorze z ramkami. W jego trakcie stosowano zmienne
temperatury wody zasilającej ramkę kolejno 110 C, 100 C,
105 C, 95 C. Przed wrzuceniem kul do akumulatora rozgrzano
znajdującą się w nim wodę do temperatury 90 C.
Rys. 3.2 Widok kul po wrzuceniu do akumulatora
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – model teoretyczny
Przy założeniu stałych własności PCM zagadnienie rozwiązano za
pomocą równania przewodnictwa ciepła:
z warunkiem Stefana wymiany ciepła na płaszczyźnie zmiany fazy:
w przypadku stałej temperatury TL płynnego PCM:
czas ładowania kuli tqsmelt wynosi:
gdzie:
- gęstość stałego PCM, kg/m3
cL
- ciepło właściwe fazy ciekłej, J/kgK
Tt
- pochodna temperatury po czasie, C/s
kL
- współczynnik przewodzenia ciepła fazy
ciekłej, W/mK
Tr
- pochodna temperatury po promieniu, C/m
- temperatura przemiany fazowej, C
- ciepło przemiany fazowej, J/kg
- prędkość przesuwania się płaszczyzny
zmiany fazy wzdłuż promienia R, m/s
R(t)+ - promień, m
Tm
L
R’
TL
- temperatura fazy ciekłej, C
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – pomiary
Otrzymany z pomiarów czas topnienia wynoszący tqsmelt = 13.5
minuty porównano z modelem teoretycznym.
Waga PCM znajdującego się w kuli wynosiła 28,832 g, a
średnica zastępczej kuli wypełnionej tylko PCM wynosi 20,76
mm. Po wstawieniu danych otrzymano czas ładowania
t melt
qs
770 176000
6 0 . 2 (157 82 )
0 . 021
2
11 . 1 minut
Różnica czasów 13.5 - 11.1 minuty wynika z dwóch przyczyn:
- PCM nie miał początkowej temperatury Tm=82 C i był
wymagany czas na jego podgrzanie do tej temperatury,
- w kuli występowała pustka powietrzna utrudniająca
wymianę ciepła pomiędzy olejem i materiałem PCM.
Dobrą zgodność dla badanej kuli uzyskano dla promienia
zastępczego Ro = 23 mm.
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula - mieszanina PCM-olej
W celu poprawy konwekcji ciepła wewnątrz kul i przyspieszenia
procesu roztapiania PCM - zmieszano go w różnych proporcjach z
olejem, umieszczono w kulach plastikowych o średnicy 4 cm i
poddano z zewnątrz procesowi ogrzewania olejem o różnych
temperaturach.
Zauważyć można, że:
-dla kul z mniejszym udziałem PCM czas topnienia jest krótszy,
(mniejsza ilość materiału PCM oraz lepsza konwekcja
wewnętrzna)
80
70
100⁰C
-im więcej oleju tym krótszy czas ładowania, ale gorsze własności
akumulacyjne (pojemność cieplna PCM / olej).
-im wyższa temperatura ładowania, tym mniejszy wpływ efektu
dodania oleju. Różnice w czasach ładowania (do 15%) w praktyce
są pomijalne.
C z a s to p n i e n ia , m in u ty
60
50
110⁰C
40
120⁰C
30
130⁰C
20
150⁰C
10
0
50-50
60-40
70-30
80-20
85-15
90-10
95-05
98-02
Skład procentow y P C M - olej
Rys. 3.4 Przebieg topnienia kul o średnicy 4 cm
z mieszaniną PCM - olej
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Złoże filtracyjne z kul wypełnionych PCM
Topnienie kul trwało 106 minut.
Długi czas wynika z małej różnicy
temperatur wody i przemiany fazowej
TL-Tm = 3 10 C.
Eksperymentalnie otrzymany czas pokrywa
się
z
obliczeniami
teoretycznymi
przeprowadzonymi dla pojedynczej kuli
(rys. 3.3) dla TL=90 C.
Warunkiem zakończenia ładowania był brak
odbioru ciepła przez materiał PCM
(punkt B, rys. 3.5).
Bilans cieplny akumulatora:
- maksymalna moc cieplna: 5,32 kW,
- ciepło rozgrzewania: 1262 MJ,
- ciepło ładowania kul: 472 MJ.
- ciepło przemiany fazowej kul: 1,76 MJ.
Akumulator nie był całkowicie zaizolowany,
stąd do otoczenia stracono ponad 470 MJ.
Rys. 3.5 Przebiegi temperatury T w czasie ładowania i rozładowania
akumulatora ze złożem filtracyjnym w postaci kul,
kolor fioletowy – temperatura wody w akumulatorze Tw,
kolor żółty – temperatura wody zasilającej ramkę Tz,
kolor brązowy – temperatura wody powrotnej z ramki Tp
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Materiał PCM
PCM stopił się po czasie 240-300 minut.
Na długi czas ładowania miały wpływ niekorzystne czynniki
opisane poniżej.
Zjawiska zachodzące podczas ładowania:
- PCM krzepł na ściankach akumulatora (temperatura
mniejsza od temperatury topnienia Tm);
- wokół rurek w wewnętrznej części ranki tworzą się kanały
z płynnym materiałem PCM (łatwiejsze topnienie warstw
znajdujących się dalej od rurki);
- rurki w zewnętrznej części ramki są otoczone pustką
powietrzną (PCM spłynął do pustych przestrzeni,
trudniejsze topnienie PCM w obszarze rurek).
Rys. 3.4 Widok akumulatora płaszczowo-rurowego
(schemat, pusty, zasypany materiałem PCM)
Zjawiska zachodzące podczas rozładowywania:
- pęknięcia i puste przestrzenie powietrzne (powstałe na
skutek różnicy objętości fazy stałej VS < VL o 14% );
- materiał PCM pęka tworząc mniejsze bloki (ponowny
proces ładowania utrudniony ze względu na niski
współczynnik przewodzenia powietrza).
Rys.
3.5
Termiczna
blokada
ładowania
akumulatora (puste przestrzenie w które wpływa
roztapiany PCM)
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
W celu przyspieszenia procesu ładowania materiału PCM
wprowadzano wodę do akumulatora.
a
b
Opis ładowania akumulatora po zalaniu wodą:
-woda wypełniła akumulator ponad powierzchnię PCM;
-w ciągu 10 minut temperatura wzrosła przy ściance z 31 C na 49 C
(znacznie polepszony rozpływ ciepła);
-po rozpuszczeniu części PCM, widoczna granica międzyfazowa: woda /
ciekły PCM / stały PCM;
-ciekły PCM wypływa na powierzchnię i krzepnie (prądy konwekcyjne
mieszaniny ciekły PCM / woda przemieszczają się z prędkością 13 cm/s,
temperatury wewnątrz akumulatora: 8188 C, przy ściance: 46 C;
-para wrzącej wody unosi się przez ciekły PCM i rozpuszcza stały PCM
znajdujący się na powierzchni (temperatura przy ściance 61,7 C –
najszybsza zmiana fazy w materiale PCM).
Jeżeli na dole zasobnika jest materiał PCM, to woda dociera
nad niego i roztapia go. Dzięki mniejszej gęstości fazy ciekłej
materiał PCM wypływa na górę. Stąd, po pewnym czasie,
woda znajdzie się na dnie, a PCM na górze. Woda powinna
zalewać dolną kratownicę rurek, ponieważ wtedy szybciej
ładuje się zasobnik ciepłem.
c
PCM
WODA
Rys. 3.6 Akumulator a, b – z PCM’em,
c – z mieszaniną binarną PCM-woda
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Na charakterystykach widoczne są
temperatury wody zasilającej ramkę
Tz, wody powracającej z ramki Tp,
temperatury materiału PCM oraz
temperatura otoczenia.
W początkowej fazie temperatury
wody zasilającej Tz jak i powrotnej Tp
wzrastały liniowo. Następnie były
utrzymywane ich stałe wartości:
Tz: 110 C, Tp: 104-105 C.
W akumulatorze znajdowało się:
- 44 kg materiału PCM (Tm = 77-82 C)
- 14 kg wody.
Czas ładowania: 233 minuty.
Rozładowanie akumulatora trwało 19
godzin 4 minuty.
Warunkiem zakończenia ładowania
było
wyrównanie
temperatur
wszystkich czujników rozmieszczonych
w materiale PCM.
Rys. 3.7 Przebieg procesu ładowania i rozładowania akumulatora płaszczoworurowego wypełnionego mieszaniną binarną PCM-woda w czasie
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Rys. 3.9. Zależność mocy cieplnej czasu w fazie ładowania
akumulatora filtracyjnego
Rys. 3.8. Zależność temperatury topnienia PCM od ciepła dla
danych z eksperymentu: 44 kg materiału PCM, ciepło
przemiany fazowej 176 kJ/kg . 44 kg = 7744 kJ
Różne frakcje parafin powodują pochylenie krzywej
temperatury w obszarze przemiany fazowej.
Ponadto widać, że ciepło właściwe PCM (styczna do
krzywej temperatury) zmienia się w funkcji
dostarczanego ciepła i aktualnej temperatury PCM.
Początek przemiany fazowej jest widoczny jako
wzrost pobieranej mocy lub wzrost różnicy
temperatur.
Nie pokrywa się on z deklarowanymi przez
producenta materiału PCM temperaturą przemiany
fazowej ze względu na spóźnioną reakcję czujnika
temperatury. Średnica czujnika wynosiła około 3 mm.
Stąd ciekły PCM potrzebował pewnego czasu, aby
otoczyć czujnik w całości.
3.3 AKUMULATOR WODNY
W celu porównania efektywności akumulatorów wypełnionych materiałem PCM przeprowadzono badania akumulacji z
zasobnikiem wodnym. Na rys. 3.10 pokazano ładowanie i rozładowanie akumulatora wodnego o takiej samej objętości
wody akumulującej ciepło jak łączna objętość wody i kul w akumulatorze filtracyjnym. Widoczna jest 2,5-krotnie
większa zdolność do akumulacji ciepła w akumulatorze z kulami wypełnionymi PCM (rys. 3.11).
WODA
Rys. 3.10. Rozładowanie akumulatora wodnego o takiej
samej objętości jak akumulator z kulami
PCM
Rys. 3.11. Rozładowanie akumulatora z kulami, oznaczenia
jak na rys. 3.7, zależność temperatury T od czasu
PODSUMOWANIE
4. PODSUMOWANIE
Eksperymentalnie zbadano własności dynamiczne akumulatora płaszczoworurowego i filtracyjnego. W celu przyspieszenia procesu ładowania i
pokonania bariery niskiego współczynnika przewodzenia ciepła dla materiału
PCM użyto medium pośredniczącego – wody – tworząc ciecz binarną.
Określono czas ładowania, czas rozładowania oraz opisano zjawiska
występujące podczas procesu ładowania i rozładowania akumulatora
płaszczowo - rurowego. Przykładowo czas ładowania od temperatury 25 C do
temperatury 99 C przy temperaturze wody zasilającej Tw=110 C wynosił
tqsmelt = 3 godziny 53 minuty.
Zbadano własności dynamiczne akumulatora filtracyjnego. Badano czas
topnienia tqsmelt pojedynczej kuli oraz akumulatora wypełnionego złożem w
postaci kul. Model teoretyczny czasu topnienia tqsmelt dla pojedynczej kuli
pokrywa się z wynikami uzyskanymi z eksperymentu. Uzyskane czasy
topnienia dla cylindrów i kuli wahają się od 5 minut do 68 minut w zależności
od geometrii. Również w przypadku badania złoża składającego się z kul czas
obliczony teoretycznie i zmierzony pokrywają się.
4. PODSUMOWANIE
Ważnym wnioskiem praktycznym jest to, że zarówno w przypadku akumulatora
płaszczowo – rurowego jak i filtracyjnego temperatura ciepła odbieranego nie była
stała w obszarze przejścia fazowego, pomimo, że jest stała na wykresie fazowym w tym
obszarze. Jeżeli materiał PCM krzepnie, to od strony odbioru ciepła tworzy się warstwa
stałego PCM, którego temperatura zaczyna spadać. Jeżeli topnieje, to średnia
temperatura w akumulatorze rośnie. Ponadto przy odbiorze ciepła pojawiają się
różnice w prędkości spadku temperatury PCM w akumulatorze. Najszybciej temperatura
spada do temperatury przejścia fazowego Tm, potem prędkość spadku zmniejsza się.
Z obu konstrukcji autorzy wskazują akumulator filtracyjny ze złożem w postaci kul jako
ten, który może być zastosowany w praktyce. Jest tak ze względu na krótki czas
ładowania i prostotę budowy wiążącą się z jego niezawodnością. Im krótszy czas
topnienia, tym więcej energii można odebrać od źródła ciepła odpadowego. Stąd
krotność odbioru ciepła w ciągu doby decyduje o średnicy kul wypełnionych materiałem
PCM.
pytania / komentarze / dyskusja
Dziękujemy za uwagę
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
PROGRAM STRATEGICZNY – ZAAWANSOWANE TECHNOLO
GIE POZYSKIWANIA ENERGII
ZADANIE NR 1 – „Opracowanie technologii dla wysokosprawnych „zero-emisyjnych”
bloków węglowych zintegrowanych z wychwytem CO ze spalin”
Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju zgodnie z umową
nr SP/E/1/67484/10 z dnia 05 maja 2010r, numer projektu: SP/E/1/67484/10
2
Slide 10
Wydział Mechaniczno-Energetyczny
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
Badania
efektywności akumulacji ciepła
w materiale o zmiennej fazie
SPIS TREŚCI
1. Wstęp
2. Stanowisko badawcze
3. Wyniki badań laboratoryjnych i ich analiza
3.1 Akumulator filtracyjny
3.2 Akumulator płaszczowo-rurowy
3.3 Akumulator wodny
4. Podsumowanie
1. WSTĘP
Podstawowym celem badań był wybór konstrukcji
akumulatora ciepła z wykorzystaniem materiału o
zmiennej fazie (ang. PCM – phase changing material)
zapewniającym największe wykorzystanie dostępnego
ciepła (np. ciepła odpadowego spalin za kotłem w
elektrowni).
Zbadano dwie konstrukcje – płaszczowo – rurową i
filtracyjną.
W akumulatorze płaszczowo – rurowym materiał PCM
znajdował się pomiędzy płaszczem i rurkami grzejnymi,
w których płynęła woda podgrzewając PCM.
W akumulatorze filtracyjnym PCM był umieszczony w
kulach o średnicy 4 cm. Woda grzejna swobodnie
przepływała pomiędzy kulami, w których następowała
akumulacja ciepła z zajściem przemiany fazowej.
W eksperymencie z pojedynczą kulą obserwowano
przemianę fazową w funkcji czasu. Przestrzeń wokół
kuli była wypełniona olejem ze względu na jego wyższą
temperaturę wrzenia przy ciśnieniu atmosferycznym.
Porównano wyniki eksperymentalne i teoretyczne.
A
B
2. STANOWISKO BADAWCZE
Woda jest częściowo podgrzewana
w wymienniku c.o. 1, regulowana pompa
2 wymusza obieg wody grzewczej do
instalacji
c.o.
budynku
oraz
akumulatorów 9, 10. Brakująca część
energii
potrzebnej
do
ładowania
akumulatora jest uzupełniana przez
grzałki elektryczne 5 sterowane przez
regulator 6 w funkcji temperatury wody
14. Pompa była regulaowana w funkcji
strumienia wody (p-v). W czasie
ładowania akumulatora otwierany był
zawór odcinający 16 ze względu na
przejmowanie wahań objętości wody po
jej podgrzaniu przez instalację c.o.
budynku. Zawór odcinający 15 był
wówczas
zamknięty.
W
czasie
rozładowania akumulatora otwierano
zawory 15 i 16. Do pomiaru temperatury
wewnątrz akumulatora wykorzystano
moduły 7 (ADAM firmy Advantech) oraz
rejestrator 8 (AR205 firmy Apar). Czujniki
temperatury 13 były umieszczone w
akumulatorze.
Do
układu
hydraulicznego
przyłączano akumulator ze złożem
filtracyjnym i płaszczowo-rurowym.
Rys.2.1 Schemat układu hydraulicznego z
akumulatorem płaszczowo-rurowym, filtracyjnym
i wodnym
1 – wymiennik ciepła węzeł cieplny/instalacja c.o., 2 – pompa z regulatorem prędkości
obrotowej, 3 – instalacja c.o. budynku, 4 – filtr, 5 – grzałki elektryczne, 6 - regulator
temperatury wody (nazwa : ATR), 7 – grupa modułów do rejestracji pomiarów temperatury
(nazwa : Adam), 8 – rejestrator pomiarów temperatury (nazwa: AR 205), 9 – akumulator
płaszczowo – rurowy, 10 – akumulator filtracyjny, 11 – przepływomierz, 12 – manometr, 13 –
czujnik temperatury, 14 – czujnik temperatury, 15 – zawór odcinający przewód zasilający
instalacji c.o., 16 – zawór odcinający przewód powrotny instalacji c.o.
2. STANOWISKO BADAWCZE
Widok stanowiska badawczego
Wyniki badań laboratoryjnych
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula
Celem eksperymentu była weryfikacja teoretycznego czasu
topnienia pojedynczej kuli tqsmelt. Mając eksperymentalnie
zweryfikowany model teoretyczny można wyciągać wnioski dla
złoża składającego się z kul.
Eksperyment przeprowadzono następująco:
- rozgrzano olej do średniej temperatury 157 C, regulator
RE14 dwustanowo utrzymywał tę temperaturę,
- następnie wrzucono kulę, której temperatura była równa
temperaturze otoczenia 25 C
Ze względu na różnicę gęstości pomiędzy fazą stałą i ciekłą S
>L powodującą zmniejszenie się objętości fazy stałej VS < VL o
14% podczas przemiany fazowej na górze kuli pozostawiono
wolną przestrzeń przejmującą objętość rozszerzającego się
materiału
Rys. 3.1 Przebieg topnienia PCM w kuli o średnicy 4 cm
poziom wody
Akumulator filtracyjny
Eksperyment przeprowadzono w złożu stacjonarnym w
akumulatorze z ramkami. W jego trakcie stosowano zmienne
temperatury wody zasilającej ramkę kolejno 110 C, 100 C,
105 C, 95 C. Przed wrzuceniem kul do akumulatora rozgrzano
znajdującą się w nim wodę do temperatury 90 C.
Rys. 3.2 Widok kul po wrzuceniu do akumulatora
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – model teoretyczny
Przy założeniu stałych własności PCM zagadnienie rozwiązano za
pomocą równania przewodnictwa ciepła:
z warunkiem Stefana wymiany ciepła na płaszczyźnie zmiany fazy:
w przypadku stałej temperatury TL płynnego PCM:
czas ładowania kuli tqsmelt wynosi:
gdzie:
- gęstość stałego PCM, kg/m3
cL
- ciepło właściwe fazy ciekłej, J/kgK
Tt
- pochodna temperatury po czasie, C/s
kL
- współczynnik przewodzenia ciepła fazy
ciekłej, W/mK
Tr
- pochodna temperatury po promieniu, C/m
- temperatura przemiany fazowej, C
- ciepło przemiany fazowej, J/kg
- prędkość przesuwania się płaszczyzny
zmiany fazy wzdłuż promienia R, m/s
R(t)+ - promień, m
Tm
L
R’
TL
- temperatura fazy ciekłej, C
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – pomiary
Otrzymany z pomiarów czas topnienia wynoszący tqsmelt = 13.5
minuty porównano z modelem teoretycznym.
Waga PCM znajdującego się w kuli wynosiła 28,832 g, a
średnica zastępczej kuli wypełnionej tylko PCM wynosi 20,76
mm. Po wstawieniu danych otrzymano czas ładowania
t melt
qs
770 176000
6 0 . 2 (157 82 )
0 . 021
2
11 . 1 minut
Różnica czasów 13.5 - 11.1 minuty wynika z dwóch przyczyn:
- PCM nie miał początkowej temperatury Tm=82 C i był
wymagany czas na jego podgrzanie do tej temperatury,
- w kuli występowała pustka powietrzna utrudniająca
wymianę ciepła pomiędzy olejem i materiałem PCM.
Dobrą zgodność dla badanej kuli uzyskano dla promienia
zastępczego Ro = 23 mm.
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula - mieszanina PCM-olej
W celu poprawy konwekcji ciepła wewnątrz kul i przyspieszenia
procesu roztapiania PCM - zmieszano go w różnych proporcjach z
olejem, umieszczono w kulach plastikowych o średnicy 4 cm i
poddano z zewnątrz procesowi ogrzewania olejem o różnych
temperaturach.
Zauważyć można, że:
-dla kul z mniejszym udziałem PCM czas topnienia jest krótszy,
(mniejsza ilość materiału PCM oraz lepsza konwekcja
wewnętrzna)
80
70
100⁰C
-im więcej oleju tym krótszy czas ładowania, ale gorsze własności
akumulacyjne (pojemność cieplna PCM / olej).
-im wyższa temperatura ładowania, tym mniejszy wpływ efektu
dodania oleju. Różnice w czasach ładowania (do 15%) w praktyce
są pomijalne.
C z a s to p n i e n ia , m in u ty
60
50
110⁰C
40
120⁰C
30
130⁰C
20
150⁰C
10
0
50-50
60-40
70-30
80-20
85-15
90-10
95-05
98-02
Skład procentow y P C M - olej
Rys. 3.4 Przebieg topnienia kul o średnicy 4 cm
z mieszaniną PCM - olej
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Złoże filtracyjne z kul wypełnionych PCM
Topnienie kul trwało 106 minut.
Długi czas wynika z małej różnicy
temperatur wody i przemiany fazowej
TL-Tm = 3 10 C.
Eksperymentalnie otrzymany czas pokrywa
się
z
obliczeniami
teoretycznymi
przeprowadzonymi dla pojedynczej kuli
(rys. 3.3) dla TL=90 C.
Warunkiem zakończenia ładowania był brak
odbioru ciepła przez materiał PCM
(punkt B, rys. 3.5).
Bilans cieplny akumulatora:
- maksymalna moc cieplna: 5,32 kW,
- ciepło rozgrzewania: 1262 MJ,
- ciepło ładowania kul: 472 MJ.
- ciepło przemiany fazowej kul: 1,76 MJ.
Akumulator nie był całkowicie zaizolowany,
stąd do otoczenia stracono ponad 470 MJ.
Rys. 3.5 Przebiegi temperatury T w czasie ładowania i rozładowania
akumulatora ze złożem filtracyjnym w postaci kul,
kolor fioletowy – temperatura wody w akumulatorze Tw,
kolor żółty – temperatura wody zasilającej ramkę Tz,
kolor brązowy – temperatura wody powrotnej z ramki Tp
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Materiał PCM
PCM stopił się po czasie 240-300 minut.
Na długi czas ładowania miały wpływ niekorzystne czynniki
opisane poniżej.
Zjawiska zachodzące podczas ładowania:
- PCM krzepł na ściankach akumulatora (temperatura
mniejsza od temperatury topnienia Tm);
- wokół rurek w wewnętrznej części ranki tworzą się kanały
z płynnym materiałem PCM (łatwiejsze topnienie warstw
znajdujących się dalej od rurki);
- rurki w zewnętrznej części ramki są otoczone pustką
powietrzną (PCM spłynął do pustych przestrzeni,
trudniejsze topnienie PCM w obszarze rurek).
Rys. 3.4 Widok akumulatora płaszczowo-rurowego
(schemat, pusty, zasypany materiałem PCM)
Zjawiska zachodzące podczas rozładowywania:
- pęknięcia i puste przestrzenie powietrzne (powstałe na
skutek różnicy objętości fazy stałej VS < VL o 14% );
- materiał PCM pęka tworząc mniejsze bloki (ponowny
proces ładowania utrudniony ze względu na niski
współczynnik przewodzenia powietrza).
Rys.
3.5
Termiczna
blokada
ładowania
akumulatora (puste przestrzenie w które wpływa
roztapiany PCM)
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
W celu przyspieszenia procesu ładowania materiału PCM
wprowadzano wodę do akumulatora.
a
b
Opis ładowania akumulatora po zalaniu wodą:
-woda wypełniła akumulator ponad powierzchnię PCM;
-w ciągu 10 minut temperatura wzrosła przy ściance z 31 C na 49 C
(znacznie polepszony rozpływ ciepła);
-po rozpuszczeniu części PCM, widoczna granica międzyfazowa: woda /
ciekły PCM / stały PCM;
-ciekły PCM wypływa na powierzchnię i krzepnie (prądy konwekcyjne
mieszaniny ciekły PCM / woda przemieszczają się z prędkością 13 cm/s,
temperatury wewnątrz akumulatora: 8188 C, przy ściance: 46 C;
-para wrzącej wody unosi się przez ciekły PCM i rozpuszcza stały PCM
znajdujący się na powierzchni (temperatura przy ściance 61,7 C –
najszybsza zmiana fazy w materiale PCM).
Jeżeli na dole zasobnika jest materiał PCM, to woda dociera
nad niego i roztapia go. Dzięki mniejszej gęstości fazy ciekłej
materiał PCM wypływa na górę. Stąd, po pewnym czasie,
woda znajdzie się na dnie, a PCM na górze. Woda powinna
zalewać dolną kratownicę rurek, ponieważ wtedy szybciej
ładuje się zasobnik ciepłem.
c
PCM
WODA
Rys. 3.6 Akumulator a, b – z PCM’em,
c – z mieszaniną binarną PCM-woda
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Na charakterystykach widoczne są
temperatury wody zasilającej ramkę
Tz, wody powracającej z ramki Tp,
temperatury materiału PCM oraz
temperatura otoczenia.
W początkowej fazie temperatury
wody zasilającej Tz jak i powrotnej Tp
wzrastały liniowo. Następnie były
utrzymywane ich stałe wartości:
Tz: 110 C, Tp: 104-105 C.
W akumulatorze znajdowało się:
- 44 kg materiału PCM (Tm = 77-82 C)
- 14 kg wody.
Czas ładowania: 233 minuty.
Rozładowanie akumulatora trwało 19
godzin 4 minuty.
Warunkiem zakończenia ładowania
było
wyrównanie
temperatur
wszystkich czujników rozmieszczonych
w materiale PCM.
Rys. 3.7 Przebieg procesu ładowania i rozładowania akumulatora płaszczoworurowego wypełnionego mieszaniną binarną PCM-woda w czasie
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Rys. 3.9. Zależność mocy cieplnej czasu w fazie ładowania
akumulatora filtracyjnego
Rys. 3.8. Zależność temperatury topnienia PCM od ciepła dla
danych z eksperymentu: 44 kg materiału PCM, ciepło
przemiany fazowej 176 kJ/kg . 44 kg = 7744 kJ
Różne frakcje parafin powodują pochylenie krzywej
temperatury w obszarze przemiany fazowej.
Ponadto widać, że ciepło właściwe PCM (styczna do
krzywej temperatury) zmienia się w funkcji
dostarczanego ciepła i aktualnej temperatury PCM.
Początek przemiany fazowej jest widoczny jako
wzrost pobieranej mocy lub wzrost różnicy
temperatur.
Nie pokrywa się on z deklarowanymi przez
producenta materiału PCM temperaturą przemiany
fazowej ze względu na spóźnioną reakcję czujnika
temperatury. Średnica czujnika wynosiła około 3 mm.
Stąd ciekły PCM potrzebował pewnego czasu, aby
otoczyć czujnik w całości.
3.3 AKUMULATOR WODNY
W celu porównania efektywności akumulatorów wypełnionych materiałem PCM przeprowadzono badania akumulacji z
zasobnikiem wodnym. Na rys. 3.10 pokazano ładowanie i rozładowanie akumulatora wodnego o takiej samej objętości
wody akumulującej ciepło jak łączna objętość wody i kul w akumulatorze filtracyjnym. Widoczna jest 2,5-krotnie
większa zdolność do akumulacji ciepła w akumulatorze z kulami wypełnionymi PCM (rys. 3.11).
WODA
Rys. 3.10. Rozładowanie akumulatora wodnego o takiej
samej objętości jak akumulator z kulami
PCM
Rys. 3.11. Rozładowanie akumulatora z kulami, oznaczenia
jak na rys. 3.7, zależność temperatury T od czasu
PODSUMOWANIE
4. PODSUMOWANIE
Eksperymentalnie zbadano własności dynamiczne akumulatora płaszczoworurowego i filtracyjnego. W celu przyspieszenia procesu ładowania i
pokonania bariery niskiego współczynnika przewodzenia ciepła dla materiału
PCM użyto medium pośredniczącego – wody – tworząc ciecz binarną.
Określono czas ładowania, czas rozładowania oraz opisano zjawiska
występujące podczas procesu ładowania i rozładowania akumulatora
płaszczowo - rurowego. Przykładowo czas ładowania od temperatury 25 C do
temperatury 99 C przy temperaturze wody zasilającej Tw=110 C wynosił
tqsmelt = 3 godziny 53 minuty.
Zbadano własności dynamiczne akumulatora filtracyjnego. Badano czas
topnienia tqsmelt pojedynczej kuli oraz akumulatora wypełnionego złożem w
postaci kul. Model teoretyczny czasu topnienia tqsmelt dla pojedynczej kuli
pokrywa się z wynikami uzyskanymi z eksperymentu. Uzyskane czasy
topnienia dla cylindrów i kuli wahają się od 5 minut do 68 minut w zależności
od geometrii. Również w przypadku badania złoża składającego się z kul czas
obliczony teoretycznie i zmierzony pokrywają się.
4. PODSUMOWANIE
Ważnym wnioskiem praktycznym jest to, że zarówno w przypadku akumulatora
płaszczowo – rurowego jak i filtracyjnego temperatura ciepła odbieranego nie była
stała w obszarze przejścia fazowego, pomimo, że jest stała na wykresie fazowym w tym
obszarze. Jeżeli materiał PCM krzepnie, to od strony odbioru ciepła tworzy się warstwa
stałego PCM, którego temperatura zaczyna spadać. Jeżeli topnieje, to średnia
temperatura w akumulatorze rośnie. Ponadto przy odbiorze ciepła pojawiają się
różnice w prędkości spadku temperatury PCM w akumulatorze. Najszybciej temperatura
spada do temperatury przejścia fazowego Tm, potem prędkość spadku zmniejsza się.
Z obu konstrukcji autorzy wskazują akumulator filtracyjny ze złożem w postaci kul jako
ten, który może być zastosowany w praktyce. Jest tak ze względu na krótki czas
ładowania i prostotę budowy wiążącą się z jego niezawodnością. Im krótszy czas
topnienia, tym więcej energii można odebrać od źródła ciepła odpadowego. Stąd
krotność odbioru ciepła w ciągu doby decyduje o średnicy kul wypełnionych materiałem
PCM.
pytania / komentarze / dyskusja
Dziękujemy za uwagę
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
PROGRAM STRATEGICZNY – ZAAWANSOWANE TECHNOLO
GIE POZYSKIWANIA ENERGII
ZADANIE NR 1 – „Opracowanie technologii dla wysokosprawnych „zero-emisyjnych”
bloków węglowych zintegrowanych z wychwytem CO ze spalin”
Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju zgodnie z umową
nr SP/E/1/67484/10 z dnia 05 maja 2010r, numer projektu: SP/E/1/67484/10
2
Slide 11
Wydział Mechaniczno-Energetyczny
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
Badania
efektywności akumulacji ciepła
w materiale o zmiennej fazie
SPIS TREŚCI
1. Wstęp
2. Stanowisko badawcze
3. Wyniki badań laboratoryjnych i ich analiza
3.1 Akumulator filtracyjny
3.2 Akumulator płaszczowo-rurowy
3.3 Akumulator wodny
4. Podsumowanie
1. WSTĘP
Podstawowym celem badań był wybór konstrukcji
akumulatora ciepła z wykorzystaniem materiału o
zmiennej fazie (ang. PCM – phase changing material)
zapewniającym największe wykorzystanie dostępnego
ciepła (np. ciepła odpadowego spalin za kotłem w
elektrowni).
Zbadano dwie konstrukcje – płaszczowo – rurową i
filtracyjną.
W akumulatorze płaszczowo – rurowym materiał PCM
znajdował się pomiędzy płaszczem i rurkami grzejnymi,
w których płynęła woda podgrzewając PCM.
W akumulatorze filtracyjnym PCM był umieszczony w
kulach o średnicy 4 cm. Woda grzejna swobodnie
przepływała pomiędzy kulami, w których następowała
akumulacja ciepła z zajściem przemiany fazowej.
W eksperymencie z pojedynczą kulą obserwowano
przemianę fazową w funkcji czasu. Przestrzeń wokół
kuli była wypełniona olejem ze względu na jego wyższą
temperaturę wrzenia przy ciśnieniu atmosferycznym.
Porównano wyniki eksperymentalne i teoretyczne.
A
B
2. STANOWISKO BADAWCZE
Woda jest częściowo podgrzewana
w wymienniku c.o. 1, regulowana pompa
2 wymusza obieg wody grzewczej do
instalacji
c.o.
budynku
oraz
akumulatorów 9, 10. Brakująca część
energii
potrzebnej
do
ładowania
akumulatora jest uzupełniana przez
grzałki elektryczne 5 sterowane przez
regulator 6 w funkcji temperatury wody
14. Pompa była regulaowana w funkcji
strumienia wody (p-v). W czasie
ładowania akumulatora otwierany był
zawór odcinający 16 ze względu na
przejmowanie wahań objętości wody po
jej podgrzaniu przez instalację c.o.
budynku. Zawór odcinający 15 był
wówczas
zamknięty.
W
czasie
rozładowania akumulatora otwierano
zawory 15 i 16. Do pomiaru temperatury
wewnątrz akumulatora wykorzystano
moduły 7 (ADAM firmy Advantech) oraz
rejestrator 8 (AR205 firmy Apar). Czujniki
temperatury 13 były umieszczone w
akumulatorze.
Do
układu
hydraulicznego
przyłączano akumulator ze złożem
filtracyjnym i płaszczowo-rurowym.
Rys.2.1 Schemat układu hydraulicznego z
akumulatorem płaszczowo-rurowym, filtracyjnym
i wodnym
1 – wymiennik ciepła węzeł cieplny/instalacja c.o., 2 – pompa z regulatorem prędkości
obrotowej, 3 – instalacja c.o. budynku, 4 – filtr, 5 – grzałki elektryczne, 6 - regulator
temperatury wody (nazwa : ATR), 7 – grupa modułów do rejestracji pomiarów temperatury
(nazwa : Adam), 8 – rejestrator pomiarów temperatury (nazwa: AR 205), 9 – akumulator
płaszczowo – rurowy, 10 – akumulator filtracyjny, 11 – przepływomierz, 12 – manometr, 13 –
czujnik temperatury, 14 – czujnik temperatury, 15 – zawór odcinający przewód zasilający
instalacji c.o., 16 – zawór odcinający przewód powrotny instalacji c.o.
2. STANOWISKO BADAWCZE
Widok stanowiska badawczego
Wyniki badań laboratoryjnych
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula
Celem eksperymentu była weryfikacja teoretycznego czasu
topnienia pojedynczej kuli tqsmelt. Mając eksperymentalnie
zweryfikowany model teoretyczny można wyciągać wnioski dla
złoża składającego się z kul.
Eksperyment przeprowadzono następująco:
- rozgrzano olej do średniej temperatury 157 C, regulator
RE14 dwustanowo utrzymywał tę temperaturę,
- następnie wrzucono kulę, której temperatura była równa
temperaturze otoczenia 25 C
Ze względu na różnicę gęstości pomiędzy fazą stałą i ciekłą S
>L powodującą zmniejszenie się objętości fazy stałej VS < VL o
14% podczas przemiany fazowej na górze kuli pozostawiono
wolną przestrzeń przejmującą objętość rozszerzającego się
materiału
Rys. 3.1 Przebieg topnienia PCM w kuli o średnicy 4 cm
poziom wody
Akumulator filtracyjny
Eksperyment przeprowadzono w złożu stacjonarnym w
akumulatorze z ramkami. W jego trakcie stosowano zmienne
temperatury wody zasilającej ramkę kolejno 110 C, 100 C,
105 C, 95 C. Przed wrzuceniem kul do akumulatora rozgrzano
znajdującą się w nim wodę do temperatury 90 C.
Rys. 3.2 Widok kul po wrzuceniu do akumulatora
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – model teoretyczny
Przy założeniu stałych własności PCM zagadnienie rozwiązano za
pomocą równania przewodnictwa ciepła:
z warunkiem Stefana wymiany ciepła na płaszczyźnie zmiany fazy:
w przypadku stałej temperatury TL płynnego PCM:
czas ładowania kuli tqsmelt wynosi:
gdzie:
- gęstość stałego PCM, kg/m3
cL
- ciepło właściwe fazy ciekłej, J/kgK
Tt
- pochodna temperatury po czasie, C/s
kL
- współczynnik przewodzenia ciepła fazy
ciekłej, W/mK
Tr
- pochodna temperatury po promieniu, C/m
- temperatura przemiany fazowej, C
- ciepło przemiany fazowej, J/kg
- prędkość przesuwania się płaszczyzny
zmiany fazy wzdłuż promienia R, m/s
R(t)+ - promień, m
Tm
L
R’
TL
- temperatura fazy ciekłej, C
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – pomiary
Otrzymany z pomiarów czas topnienia wynoszący tqsmelt = 13.5
minuty porównano z modelem teoretycznym.
Waga PCM znajdującego się w kuli wynosiła 28,832 g, a
średnica zastępczej kuli wypełnionej tylko PCM wynosi 20,76
mm. Po wstawieniu danych otrzymano czas ładowania
t melt
qs
770 176000
6 0 . 2 (157 82 )
0 . 021
2
11 . 1 minut
Różnica czasów 13.5 - 11.1 minuty wynika z dwóch przyczyn:
- PCM nie miał początkowej temperatury Tm=82 C i był
wymagany czas na jego podgrzanie do tej temperatury,
- w kuli występowała pustka powietrzna utrudniająca
wymianę ciepła pomiędzy olejem i materiałem PCM.
Dobrą zgodność dla badanej kuli uzyskano dla promienia
zastępczego Ro = 23 mm.
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula - mieszanina PCM-olej
W celu poprawy konwekcji ciepła wewnątrz kul i przyspieszenia
procesu roztapiania PCM - zmieszano go w różnych proporcjach z
olejem, umieszczono w kulach plastikowych o średnicy 4 cm i
poddano z zewnątrz procesowi ogrzewania olejem o różnych
temperaturach.
Zauważyć można, że:
-dla kul z mniejszym udziałem PCM czas topnienia jest krótszy,
(mniejsza ilość materiału PCM oraz lepsza konwekcja
wewnętrzna)
80
70
100⁰C
-im więcej oleju tym krótszy czas ładowania, ale gorsze własności
akumulacyjne (pojemność cieplna PCM / olej).
-im wyższa temperatura ładowania, tym mniejszy wpływ efektu
dodania oleju. Różnice w czasach ładowania (do 15%) w praktyce
są pomijalne.
C z a s to p n i e n ia , m in u ty
60
50
110⁰C
40
120⁰C
30
130⁰C
20
150⁰C
10
0
50-50
60-40
70-30
80-20
85-15
90-10
95-05
98-02
Skład procentow y P C M - olej
Rys. 3.4 Przebieg topnienia kul o średnicy 4 cm
z mieszaniną PCM - olej
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Złoże filtracyjne z kul wypełnionych PCM
Topnienie kul trwało 106 minut.
Długi czas wynika z małej różnicy
temperatur wody i przemiany fazowej
TL-Tm = 3 10 C.
Eksperymentalnie otrzymany czas pokrywa
się
z
obliczeniami
teoretycznymi
przeprowadzonymi dla pojedynczej kuli
(rys. 3.3) dla TL=90 C.
Warunkiem zakończenia ładowania był brak
odbioru ciepła przez materiał PCM
(punkt B, rys. 3.5).
Bilans cieplny akumulatora:
- maksymalna moc cieplna: 5,32 kW,
- ciepło rozgrzewania: 1262 MJ,
- ciepło ładowania kul: 472 MJ.
- ciepło przemiany fazowej kul: 1,76 MJ.
Akumulator nie był całkowicie zaizolowany,
stąd do otoczenia stracono ponad 470 MJ.
Rys. 3.5 Przebiegi temperatury T w czasie ładowania i rozładowania
akumulatora ze złożem filtracyjnym w postaci kul,
kolor fioletowy – temperatura wody w akumulatorze Tw,
kolor żółty – temperatura wody zasilającej ramkę Tz,
kolor brązowy – temperatura wody powrotnej z ramki Tp
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Materiał PCM
PCM stopił się po czasie 240-300 minut.
Na długi czas ładowania miały wpływ niekorzystne czynniki
opisane poniżej.
Zjawiska zachodzące podczas ładowania:
- PCM krzepł na ściankach akumulatora (temperatura
mniejsza od temperatury topnienia Tm);
- wokół rurek w wewnętrznej części ranki tworzą się kanały
z płynnym materiałem PCM (łatwiejsze topnienie warstw
znajdujących się dalej od rurki);
- rurki w zewnętrznej części ramki są otoczone pustką
powietrzną (PCM spłynął do pustych przestrzeni,
trudniejsze topnienie PCM w obszarze rurek).
Rys. 3.4 Widok akumulatora płaszczowo-rurowego
(schemat, pusty, zasypany materiałem PCM)
Zjawiska zachodzące podczas rozładowywania:
- pęknięcia i puste przestrzenie powietrzne (powstałe na
skutek różnicy objętości fazy stałej VS < VL o 14% );
- materiał PCM pęka tworząc mniejsze bloki (ponowny
proces ładowania utrudniony ze względu na niski
współczynnik przewodzenia powietrza).
Rys.
3.5
Termiczna
blokada
ładowania
akumulatora (puste przestrzenie w które wpływa
roztapiany PCM)
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
W celu przyspieszenia procesu ładowania materiału PCM
wprowadzano wodę do akumulatora.
a
b
Opis ładowania akumulatora po zalaniu wodą:
-woda wypełniła akumulator ponad powierzchnię PCM;
-w ciągu 10 minut temperatura wzrosła przy ściance z 31 C na 49 C
(znacznie polepszony rozpływ ciepła);
-po rozpuszczeniu części PCM, widoczna granica międzyfazowa: woda /
ciekły PCM / stały PCM;
-ciekły PCM wypływa na powierzchnię i krzepnie (prądy konwekcyjne
mieszaniny ciekły PCM / woda przemieszczają się z prędkością 13 cm/s,
temperatury wewnątrz akumulatora: 8188 C, przy ściance: 46 C;
-para wrzącej wody unosi się przez ciekły PCM i rozpuszcza stały PCM
znajdujący się na powierzchni (temperatura przy ściance 61,7 C –
najszybsza zmiana fazy w materiale PCM).
Jeżeli na dole zasobnika jest materiał PCM, to woda dociera
nad niego i roztapia go. Dzięki mniejszej gęstości fazy ciekłej
materiał PCM wypływa na górę. Stąd, po pewnym czasie,
woda znajdzie się na dnie, a PCM na górze. Woda powinna
zalewać dolną kratownicę rurek, ponieważ wtedy szybciej
ładuje się zasobnik ciepłem.
c
PCM
WODA
Rys. 3.6 Akumulator a, b – z PCM’em,
c – z mieszaniną binarną PCM-woda
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Na charakterystykach widoczne są
temperatury wody zasilającej ramkę
Tz, wody powracającej z ramki Tp,
temperatury materiału PCM oraz
temperatura otoczenia.
W początkowej fazie temperatury
wody zasilającej Tz jak i powrotnej Tp
wzrastały liniowo. Następnie były
utrzymywane ich stałe wartości:
Tz: 110 C, Tp: 104-105 C.
W akumulatorze znajdowało się:
- 44 kg materiału PCM (Tm = 77-82 C)
- 14 kg wody.
Czas ładowania: 233 minuty.
Rozładowanie akumulatora trwało 19
godzin 4 minuty.
Warunkiem zakończenia ładowania
było
wyrównanie
temperatur
wszystkich czujników rozmieszczonych
w materiale PCM.
Rys. 3.7 Przebieg procesu ładowania i rozładowania akumulatora płaszczoworurowego wypełnionego mieszaniną binarną PCM-woda w czasie
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Rys. 3.9. Zależność mocy cieplnej czasu w fazie ładowania
akumulatora filtracyjnego
Rys. 3.8. Zależność temperatury topnienia PCM od ciepła dla
danych z eksperymentu: 44 kg materiału PCM, ciepło
przemiany fazowej 176 kJ/kg . 44 kg = 7744 kJ
Różne frakcje parafin powodują pochylenie krzywej
temperatury w obszarze przemiany fazowej.
Ponadto widać, że ciepło właściwe PCM (styczna do
krzywej temperatury) zmienia się w funkcji
dostarczanego ciepła i aktualnej temperatury PCM.
Początek przemiany fazowej jest widoczny jako
wzrost pobieranej mocy lub wzrost różnicy
temperatur.
Nie pokrywa się on z deklarowanymi przez
producenta materiału PCM temperaturą przemiany
fazowej ze względu na spóźnioną reakcję czujnika
temperatury. Średnica czujnika wynosiła około 3 mm.
Stąd ciekły PCM potrzebował pewnego czasu, aby
otoczyć czujnik w całości.
3.3 AKUMULATOR WODNY
W celu porównania efektywności akumulatorów wypełnionych materiałem PCM przeprowadzono badania akumulacji z
zasobnikiem wodnym. Na rys. 3.10 pokazano ładowanie i rozładowanie akumulatora wodnego o takiej samej objętości
wody akumulującej ciepło jak łączna objętość wody i kul w akumulatorze filtracyjnym. Widoczna jest 2,5-krotnie
większa zdolność do akumulacji ciepła w akumulatorze z kulami wypełnionymi PCM (rys. 3.11).
WODA
Rys. 3.10. Rozładowanie akumulatora wodnego o takiej
samej objętości jak akumulator z kulami
PCM
Rys. 3.11. Rozładowanie akumulatora z kulami, oznaczenia
jak na rys. 3.7, zależność temperatury T od czasu
PODSUMOWANIE
4. PODSUMOWANIE
Eksperymentalnie zbadano własności dynamiczne akumulatora płaszczoworurowego i filtracyjnego. W celu przyspieszenia procesu ładowania i
pokonania bariery niskiego współczynnika przewodzenia ciepła dla materiału
PCM użyto medium pośredniczącego – wody – tworząc ciecz binarną.
Określono czas ładowania, czas rozładowania oraz opisano zjawiska
występujące podczas procesu ładowania i rozładowania akumulatora
płaszczowo - rurowego. Przykładowo czas ładowania od temperatury 25 C do
temperatury 99 C przy temperaturze wody zasilającej Tw=110 C wynosił
tqsmelt = 3 godziny 53 minuty.
Zbadano własności dynamiczne akumulatora filtracyjnego. Badano czas
topnienia tqsmelt pojedynczej kuli oraz akumulatora wypełnionego złożem w
postaci kul. Model teoretyczny czasu topnienia tqsmelt dla pojedynczej kuli
pokrywa się z wynikami uzyskanymi z eksperymentu. Uzyskane czasy
topnienia dla cylindrów i kuli wahają się od 5 minut do 68 minut w zależności
od geometrii. Również w przypadku badania złoża składającego się z kul czas
obliczony teoretycznie i zmierzony pokrywają się.
4. PODSUMOWANIE
Ważnym wnioskiem praktycznym jest to, że zarówno w przypadku akumulatora
płaszczowo – rurowego jak i filtracyjnego temperatura ciepła odbieranego nie była
stała w obszarze przejścia fazowego, pomimo, że jest stała na wykresie fazowym w tym
obszarze. Jeżeli materiał PCM krzepnie, to od strony odbioru ciepła tworzy się warstwa
stałego PCM, którego temperatura zaczyna spadać. Jeżeli topnieje, to średnia
temperatura w akumulatorze rośnie. Ponadto przy odbiorze ciepła pojawiają się
różnice w prędkości spadku temperatury PCM w akumulatorze. Najszybciej temperatura
spada do temperatury przejścia fazowego Tm, potem prędkość spadku zmniejsza się.
Z obu konstrukcji autorzy wskazują akumulator filtracyjny ze złożem w postaci kul jako
ten, który może być zastosowany w praktyce. Jest tak ze względu na krótki czas
ładowania i prostotę budowy wiążącą się z jego niezawodnością. Im krótszy czas
topnienia, tym więcej energii można odebrać od źródła ciepła odpadowego. Stąd
krotność odbioru ciepła w ciągu doby decyduje o średnicy kul wypełnionych materiałem
PCM.
pytania / komentarze / dyskusja
Dziękujemy za uwagę
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
PROGRAM STRATEGICZNY – ZAAWANSOWANE TECHNOLO
GIE POZYSKIWANIA ENERGII
ZADANIE NR 1 – „Opracowanie technologii dla wysokosprawnych „zero-emisyjnych”
bloków węglowych zintegrowanych z wychwytem CO ze spalin”
Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju zgodnie z umową
nr SP/E/1/67484/10 z dnia 05 maja 2010r, numer projektu: SP/E/1/67484/10
2
Slide 12
Wydział Mechaniczno-Energetyczny
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
Badania
efektywności akumulacji ciepła
w materiale o zmiennej fazie
SPIS TREŚCI
1. Wstęp
2. Stanowisko badawcze
3. Wyniki badań laboratoryjnych i ich analiza
3.1 Akumulator filtracyjny
3.2 Akumulator płaszczowo-rurowy
3.3 Akumulator wodny
4. Podsumowanie
1. WSTĘP
Podstawowym celem badań był wybór konstrukcji
akumulatora ciepła z wykorzystaniem materiału o
zmiennej fazie (ang. PCM – phase changing material)
zapewniającym największe wykorzystanie dostępnego
ciepła (np. ciepła odpadowego spalin za kotłem w
elektrowni).
Zbadano dwie konstrukcje – płaszczowo – rurową i
filtracyjną.
W akumulatorze płaszczowo – rurowym materiał PCM
znajdował się pomiędzy płaszczem i rurkami grzejnymi,
w których płynęła woda podgrzewając PCM.
W akumulatorze filtracyjnym PCM był umieszczony w
kulach o średnicy 4 cm. Woda grzejna swobodnie
przepływała pomiędzy kulami, w których następowała
akumulacja ciepła z zajściem przemiany fazowej.
W eksperymencie z pojedynczą kulą obserwowano
przemianę fazową w funkcji czasu. Przestrzeń wokół
kuli była wypełniona olejem ze względu na jego wyższą
temperaturę wrzenia przy ciśnieniu atmosferycznym.
Porównano wyniki eksperymentalne i teoretyczne.
A
B
2. STANOWISKO BADAWCZE
Woda jest częściowo podgrzewana
w wymienniku c.o. 1, regulowana pompa
2 wymusza obieg wody grzewczej do
instalacji
c.o.
budynku
oraz
akumulatorów 9, 10. Brakująca część
energii
potrzebnej
do
ładowania
akumulatora jest uzupełniana przez
grzałki elektryczne 5 sterowane przez
regulator 6 w funkcji temperatury wody
14. Pompa była regulaowana w funkcji
strumienia wody (p-v). W czasie
ładowania akumulatora otwierany był
zawór odcinający 16 ze względu na
przejmowanie wahań objętości wody po
jej podgrzaniu przez instalację c.o.
budynku. Zawór odcinający 15 był
wówczas
zamknięty.
W
czasie
rozładowania akumulatora otwierano
zawory 15 i 16. Do pomiaru temperatury
wewnątrz akumulatora wykorzystano
moduły 7 (ADAM firmy Advantech) oraz
rejestrator 8 (AR205 firmy Apar). Czujniki
temperatury 13 były umieszczone w
akumulatorze.
Do
układu
hydraulicznego
przyłączano akumulator ze złożem
filtracyjnym i płaszczowo-rurowym.
Rys.2.1 Schemat układu hydraulicznego z
akumulatorem płaszczowo-rurowym, filtracyjnym
i wodnym
1 – wymiennik ciepła węzeł cieplny/instalacja c.o., 2 – pompa z regulatorem prędkości
obrotowej, 3 – instalacja c.o. budynku, 4 – filtr, 5 – grzałki elektryczne, 6 - regulator
temperatury wody (nazwa : ATR), 7 – grupa modułów do rejestracji pomiarów temperatury
(nazwa : Adam), 8 – rejestrator pomiarów temperatury (nazwa: AR 205), 9 – akumulator
płaszczowo – rurowy, 10 – akumulator filtracyjny, 11 – przepływomierz, 12 – manometr, 13 –
czujnik temperatury, 14 – czujnik temperatury, 15 – zawór odcinający przewód zasilający
instalacji c.o., 16 – zawór odcinający przewód powrotny instalacji c.o.
2. STANOWISKO BADAWCZE
Widok stanowiska badawczego
Wyniki badań laboratoryjnych
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula
Celem eksperymentu była weryfikacja teoretycznego czasu
topnienia pojedynczej kuli tqsmelt. Mając eksperymentalnie
zweryfikowany model teoretyczny można wyciągać wnioski dla
złoża składającego się z kul.
Eksperyment przeprowadzono następująco:
- rozgrzano olej do średniej temperatury 157 C, regulator
RE14 dwustanowo utrzymywał tę temperaturę,
- następnie wrzucono kulę, której temperatura była równa
temperaturze otoczenia 25 C
Ze względu na różnicę gęstości pomiędzy fazą stałą i ciekłą S
>L powodującą zmniejszenie się objętości fazy stałej VS < VL o
14% podczas przemiany fazowej na górze kuli pozostawiono
wolną przestrzeń przejmującą objętość rozszerzającego się
materiału
Rys. 3.1 Przebieg topnienia PCM w kuli o średnicy 4 cm
poziom wody
Akumulator filtracyjny
Eksperyment przeprowadzono w złożu stacjonarnym w
akumulatorze z ramkami. W jego trakcie stosowano zmienne
temperatury wody zasilającej ramkę kolejno 110 C, 100 C,
105 C, 95 C. Przed wrzuceniem kul do akumulatora rozgrzano
znajdującą się w nim wodę do temperatury 90 C.
Rys. 3.2 Widok kul po wrzuceniu do akumulatora
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – model teoretyczny
Przy założeniu stałych własności PCM zagadnienie rozwiązano za
pomocą równania przewodnictwa ciepła:
z warunkiem Stefana wymiany ciepła na płaszczyźnie zmiany fazy:
w przypadku stałej temperatury TL płynnego PCM:
czas ładowania kuli tqsmelt wynosi:
gdzie:
- gęstość stałego PCM, kg/m3
cL
- ciepło właściwe fazy ciekłej, J/kgK
Tt
- pochodna temperatury po czasie, C/s
kL
- współczynnik przewodzenia ciepła fazy
ciekłej, W/mK
Tr
- pochodna temperatury po promieniu, C/m
- temperatura przemiany fazowej, C
- ciepło przemiany fazowej, J/kg
- prędkość przesuwania się płaszczyzny
zmiany fazy wzdłuż promienia R, m/s
R(t)+ - promień, m
Tm
L
R’
TL
- temperatura fazy ciekłej, C
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – pomiary
Otrzymany z pomiarów czas topnienia wynoszący tqsmelt = 13.5
minuty porównano z modelem teoretycznym.
Waga PCM znajdującego się w kuli wynosiła 28,832 g, a
średnica zastępczej kuli wypełnionej tylko PCM wynosi 20,76
mm. Po wstawieniu danych otrzymano czas ładowania
t melt
qs
770 176000
6 0 . 2 (157 82 )
0 . 021
2
11 . 1 minut
Różnica czasów 13.5 - 11.1 minuty wynika z dwóch przyczyn:
- PCM nie miał początkowej temperatury Tm=82 C i był
wymagany czas na jego podgrzanie do tej temperatury,
- w kuli występowała pustka powietrzna utrudniająca
wymianę ciepła pomiędzy olejem i materiałem PCM.
Dobrą zgodność dla badanej kuli uzyskano dla promienia
zastępczego Ro = 23 mm.
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula - mieszanina PCM-olej
W celu poprawy konwekcji ciepła wewnątrz kul i przyspieszenia
procesu roztapiania PCM - zmieszano go w różnych proporcjach z
olejem, umieszczono w kulach plastikowych o średnicy 4 cm i
poddano z zewnątrz procesowi ogrzewania olejem o różnych
temperaturach.
Zauważyć można, że:
-dla kul z mniejszym udziałem PCM czas topnienia jest krótszy,
(mniejsza ilość materiału PCM oraz lepsza konwekcja
wewnętrzna)
80
70
100⁰C
-im więcej oleju tym krótszy czas ładowania, ale gorsze własności
akumulacyjne (pojemność cieplna PCM / olej).
-im wyższa temperatura ładowania, tym mniejszy wpływ efektu
dodania oleju. Różnice w czasach ładowania (do 15%) w praktyce
są pomijalne.
C z a s to p n i e n ia , m in u ty
60
50
110⁰C
40
120⁰C
30
130⁰C
20
150⁰C
10
0
50-50
60-40
70-30
80-20
85-15
90-10
95-05
98-02
Skład procentow y P C M - olej
Rys. 3.4 Przebieg topnienia kul o średnicy 4 cm
z mieszaniną PCM - olej
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Złoże filtracyjne z kul wypełnionych PCM
Topnienie kul trwało 106 minut.
Długi czas wynika z małej różnicy
temperatur wody i przemiany fazowej
TL-Tm = 3 10 C.
Eksperymentalnie otrzymany czas pokrywa
się
z
obliczeniami
teoretycznymi
przeprowadzonymi dla pojedynczej kuli
(rys. 3.3) dla TL=90 C.
Warunkiem zakończenia ładowania był brak
odbioru ciepła przez materiał PCM
(punkt B, rys. 3.5).
Bilans cieplny akumulatora:
- maksymalna moc cieplna: 5,32 kW,
- ciepło rozgrzewania: 1262 MJ,
- ciepło ładowania kul: 472 MJ.
- ciepło przemiany fazowej kul: 1,76 MJ.
Akumulator nie był całkowicie zaizolowany,
stąd do otoczenia stracono ponad 470 MJ.
Rys. 3.5 Przebiegi temperatury T w czasie ładowania i rozładowania
akumulatora ze złożem filtracyjnym w postaci kul,
kolor fioletowy – temperatura wody w akumulatorze Tw,
kolor żółty – temperatura wody zasilającej ramkę Tz,
kolor brązowy – temperatura wody powrotnej z ramki Tp
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Materiał PCM
PCM stopił się po czasie 240-300 minut.
Na długi czas ładowania miały wpływ niekorzystne czynniki
opisane poniżej.
Zjawiska zachodzące podczas ładowania:
- PCM krzepł na ściankach akumulatora (temperatura
mniejsza od temperatury topnienia Tm);
- wokół rurek w wewnętrznej części ranki tworzą się kanały
z płynnym materiałem PCM (łatwiejsze topnienie warstw
znajdujących się dalej od rurki);
- rurki w zewnętrznej części ramki są otoczone pustką
powietrzną (PCM spłynął do pustych przestrzeni,
trudniejsze topnienie PCM w obszarze rurek).
Rys. 3.4 Widok akumulatora płaszczowo-rurowego
(schemat, pusty, zasypany materiałem PCM)
Zjawiska zachodzące podczas rozładowywania:
- pęknięcia i puste przestrzenie powietrzne (powstałe na
skutek różnicy objętości fazy stałej VS < VL o 14% );
- materiał PCM pęka tworząc mniejsze bloki (ponowny
proces ładowania utrudniony ze względu na niski
współczynnik przewodzenia powietrza).
Rys.
3.5
Termiczna
blokada
ładowania
akumulatora (puste przestrzenie w które wpływa
roztapiany PCM)
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
W celu przyspieszenia procesu ładowania materiału PCM
wprowadzano wodę do akumulatora.
a
b
Opis ładowania akumulatora po zalaniu wodą:
-woda wypełniła akumulator ponad powierzchnię PCM;
-w ciągu 10 minut temperatura wzrosła przy ściance z 31 C na 49 C
(znacznie polepszony rozpływ ciepła);
-po rozpuszczeniu części PCM, widoczna granica międzyfazowa: woda /
ciekły PCM / stały PCM;
-ciekły PCM wypływa na powierzchnię i krzepnie (prądy konwekcyjne
mieszaniny ciekły PCM / woda przemieszczają się z prędkością 13 cm/s,
temperatury wewnątrz akumulatora: 8188 C, przy ściance: 46 C;
-para wrzącej wody unosi się przez ciekły PCM i rozpuszcza stały PCM
znajdujący się na powierzchni (temperatura przy ściance 61,7 C –
najszybsza zmiana fazy w materiale PCM).
Jeżeli na dole zasobnika jest materiał PCM, to woda dociera
nad niego i roztapia go. Dzięki mniejszej gęstości fazy ciekłej
materiał PCM wypływa na górę. Stąd, po pewnym czasie,
woda znajdzie się na dnie, a PCM na górze. Woda powinna
zalewać dolną kratownicę rurek, ponieważ wtedy szybciej
ładuje się zasobnik ciepłem.
c
PCM
WODA
Rys. 3.6 Akumulator a, b – z PCM’em,
c – z mieszaniną binarną PCM-woda
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Na charakterystykach widoczne są
temperatury wody zasilającej ramkę
Tz, wody powracającej z ramki Tp,
temperatury materiału PCM oraz
temperatura otoczenia.
W początkowej fazie temperatury
wody zasilającej Tz jak i powrotnej Tp
wzrastały liniowo. Następnie były
utrzymywane ich stałe wartości:
Tz: 110 C, Tp: 104-105 C.
W akumulatorze znajdowało się:
- 44 kg materiału PCM (Tm = 77-82 C)
- 14 kg wody.
Czas ładowania: 233 minuty.
Rozładowanie akumulatora trwało 19
godzin 4 minuty.
Warunkiem zakończenia ładowania
było
wyrównanie
temperatur
wszystkich czujników rozmieszczonych
w materiale PCM.
Rys. 3.7 Przebieg procesu ładowania i rozładowania akumulatora płaszczoworurowego wypełnionego mieszaniną binarną PCM-woda w czasie
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Rys. 3.9. Zależność mocy cieplnej czasu w fazie ładowania
akumulatora filtracyjnego
Rys. 3.8. Zależność temperatury topnienia PCM od ciepła dla
danych z eksperymentu: 44 kg materiału PCM, ciepło
przemiany fazowej 176 kJ/kg . 44 kg = 7744 kJ
Różne frakcje parafin powodują pochylenie krzywej
temperatury w obszarze przemiany fazowej.
Ponadto widać, że ciepło właściwe PCM (styczna do
krzywej temperatury) zmienia się w funkcji
dostarczanego ciepła i aktualnej temperatury PCM.
Początek przemiany fazowej jest widoczny jako
wzrost pobieranej mocy lub wzrost różnicy
temperatur.
Nie pokrywa się on z deklarowanymi przez
producenta materiału PCM temperaturą przemiany
fazowej ze względu na spóźnioną reakcję czujnika
temperatury. Średnica czujnika wynosiła około 3 mm.
Stąd ciekły PCM potrzebował pewnego czasu, aby
otoczyć czujnik w całości.
3.3 AKUMULATOR WODNY
W celu porównania efektywności akumulatorów wypełnionych materiałem PCM przeprowadzono badania akumulacji z
zasobnikiem wodnym. Na rys. 3.10 pokazano ładowanie i rozładowanie akumulatora wodnego o takiej samej objętości
wody akumulującej ciepło jak łączna objętość wody i kul w akumulatorze filtracyjnym. Widoczna jest 2,5-krotnie
większa zdolność do akumulacji ciepła w akumulatorze z kulami wypełnionymi PCM (rys. 3.11).
WODA
Rys. 3.10. Rozładowanie akumulatora wodnego o takiej
samej objętości jak akumulator z kulami
PCM
Rys. 3.11. Rozładowanie akumulatora z kulami, oznaczenia
jak na rys. 3.7, zależność temperatury T od czasu
PODSUMOWANIE
4. PODSUMOWANIE
Eksperymentalnie zbadano własności dynamiczne akumulatora płaszczoworurowego i filtracyjnego. W celu przyspieszenia procesu ładowania i
pokonania bariery niskiego współczynnika przewodzenia ciepła dla materiału
PCM użyto medium pośredniczącego – wody – tworząc ciecz binarną.
Określono czas ładowania, czas rozładowania oraz opisano zjawiska
występujące podczas procesu ładowania i rozładowania akumulatora
płaszczowo - rurowego. Przykładowo czas ładowania od temperatury 25 C do
temperatury 99 C przy temperaturze wody zasilającej Tw=110 C wynosił
tqsmelt = 3 godziny 53 minuty.
Zbadano własności dynamiczne akumulatora filtracyjnego. Badano czas
topnienia tqsmelt pojedynczej kuli oraz akumulatora wypełnionego złożem w
postaci kul. Model teoretyczny czasu topnienia tqsmelt dla pojedynczej kuli
pokrywa się z wynikami uzyskanymi z eksperymentu. Uzyskane czasy
topnienia dla cylindrów i kuli wahają się od 5 minut do 68 minut w zależności
od geometrii. Również w przypadku badania złoża składającego się z kul czas
obliczony teoretycznie i zmierzony pokrywają się.
4. PODSUMOWANIE
Ważnym wnioskiem praktycznym jest to, że zarówno w przypadku akumulatora
płaszczowo – rurowego jak i filtracyjnego temperatura ciepła odbieranego nie była
stała w obszarze przejścia fazowego, pomimo, że jest stała na wykresie fazowym w tym
obszarze. Jeżeli materiał PCM krzepnie, to od strony odbioru ciepła tworzy się warstwa
stałego PCM, którego temperatura zaczyna spadać. Jeżeli topnieje, to średnia
temperatura w akumulatorze rośnie. Ponadto przy odbiorze ciepła pojawiają się
różnice w prędkości spadku temperatury PCM w akumulatorze. Najszybciej temperatura
spada do temperatury przejścia fazowego Tm, potem prędkość spadku zmniejsza się.
Z obu konstrukcji autorzy wskazują akumulator filtracyjny ze złożem w postaci kul jako
ten, który może być zastosowany w praktyce. Jest tak ze względu na krótki czas
ładowania i prostotę budowy wiążącą się z jego niezawodnością. Im krótszy czas
topnienia, tym więcej energii można odebrać od źródła ciepła odpadowego. Stąd
krotność odbioru ciepła w ciągu doby decyduje o średnicy kul wypełnionych materiałem
PCM.
pytania / komentarze / dyskusja
Dziękujemy za uwagę
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
PROGRAM STRATEGICZNY – ZAAWANSOWANE TECHNOLO
GIE POZYSKIWANIA ENERGII
ZADANIE NR 1 – „Opracowanie technologii dla wysokosprawnych „zero-emisyjnych”
bloków węglowych zintegrowanych z wychwytem CO ze spalin”
Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju zgodnie z umową
nr SP/E/1/67484/10 z dnia 05 maja 2010r, numer projektu: SP/E/1/67484/10
2
Slide 13
Wydział Mechaniczno-Energetyczny
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
Badania
efektywności akumulacji ciepła
w materiale o zmiennej fazie
SPIS TREŚCI
1. Wstęp
2. Stanowisko badawcze
3. Wyniki badań laboratoryjnych i ich analiza
3.1 Akumulator filtracyjny
3.2 Akumulator płaszczowo-rurowy
3.3 Akumulator wodny
4. Podsumowanie
1. WSTĘP
Podstawowym celem badań był wybór konstrukcji
akumulatora ciepła z wykorzystaniem materiału o
zmiennej fazie (ang. PCM – phase changing material)
zapewniającym największe wykorzystanie dostępnego
ciepła (np. ciepła odpadowego spalin za kotłem w
elektrowni).
Zbadano dwie konstrukcje – płaszczowo – rurową i
filtracyjną.
W akumulatorze płaszczowo – rurowym materiał PCM
znajdował się pomiędzy płaszczem i rurkami grzejnymi,
w których płynęła woda podgrzewając PCM.
W akumulatorze filtracyjnym PCM był umieszczony w
kulach o średnicy 4 cm. Woda grzejna swobodnie
przepływała pomiędzy kulami, w których następowała
akumulacja ciepła z zajściem przemiany fazowej.
W eksperymencie z pojedynczą kulą obserwowano
przemianę fazową w funkcji czasu. Przestrzeń wokół
kuli była wypełniona olejem ze względu na jego wyższą
temperaturę wrzenia przy ciśnieniu atmosferycznym.
Porównano wyniki eksperymentalne i teoretyczne.
A
B
2. STANOWISKO BADAWCZE
Woda jest częściowo podgrzewana
w wymienniku c.o. 1, regulowana pompa
2 wymusza obieg wody grzewczej do
instalacji
c.o.
budynku
oraz
akumulatorów 9, 10. Brakująca część
energii
potrzebnej
do
ładowania
akumulatora jest uzupełniana przez
grzałki elektryczne 5 sterowane przez
regulator 6 w funkcji temperatury wody
14. Pompa była regulaowana w funkcji
strumienia wody (p-v). W czasie
ładowania akumulatora otwierany był
zawór odcinający 16 ze względu na
przejmowanie wahań objętości wody po
jej podgrzaniu przez instalację c.o.
budynku. Zawór odcinający 15 był
wówczas
zamknięty.
W
czasie
rozładowania akumulatora otwierano
zawory 15 i 16. Do pomiaru temperatury
wewnątrz akumulatora wykorzystano
moduły 7 (ADAM firmy Advantech) oraz
rejestrator 8 (AR205 firmy Apar). Czujniki
temperatury 13 były umieszczone w
akumulatorze.
Do
układu
hydraulicznego
przyłączano akumulator ze złożem
filtracyjnym i płaszczowo-rurowym.
Rys.2.1 Schemat układu hydraulicznego z
akumulatorem płaszczowo-rurowym, filtracyjnym
i wodnym
1 – wymiennik ciepła węzeł cieplny/instalacja c.o., 2 – pompa z regulatorem prędkości
obrotowej, 3 – instalacja c.o. budynku, 4 – filtr, 5 – grzałki elektryczne, 6 - regulator
temperatury wody (nazwa : ATR), 7 – grupa modułów do rejestracji pomiarów temperatury
(nazwa : Adam), 8 – rejestrator pomiarów temperatury (nazwa: AR 205), 9 – akumulator
płaszczowo – rurowy, 10 – akumulator filtracyjny, 11 – przepływomierz, 12 – manometr, 13 –
czujnik temperatury, 14 – czujnik temperatury, 15 – zawór odcinający przewód zasilający
instalacji c.o., 16 – zawór odcinający przewód powrotny instalacji c.o.
2. STANOWISKO BADAWCZE
Widok stanowiska badawczego
Wyniki badań laboratoryjnych
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula
Celem eksperymentu była weryfikacja teoretycznego czasu
topnienia pojedynczej kuli tqsmelt. Mając eksperymentalnie
zweryfikowany model teoretyczny można wyciągać wnioski dla
złoża składającego się z kul.
Eksperyment przeprowadzono następująco:
- rozgrzano olej do średniej temperatury 157 C, regulator
RE14 dwustanowo utrzymywał tę temperaturę,
- następnie wrzucono kulę, której temperatura była równa
temperaturze otoczenia 25 C
Ze względu na różnicę gęstości pomiędzy fazą stałą i ciekłą S
>L powodującą zmniejszenie się objętości fazy stałej VS < VL o
14% podczas przemiany fazowej na górze kuli pozostawiono
wolną przestrzeń przejmującą objętość rozszerzającego się
materiału
Rys. 3.1 Przebieg topnienia PCM w kuli o średnicy 4 cm
poziom wody
Akumulator filtracyjny
Eksperyment przeprowadzono w złożu stacjonarnym w
akumulatorze z ramkami. W jego trakcie stosowano zmienne
temperatury wody zasilającej ramkę kolejno 110 C, 100 C,
105 C, 95 C. Przed wrzuceniem kul do akumulatora rozgrzano
znajdującą się w nim wodę do temperatury 90 C.
Rys. 3.2 Widok kul po wrzuceniu do akumulatora
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – model teoretyczny
Przy założeniu stałych własności PCM zagadnienie rozwiązano za
pomocą równania przewodnictwa ciepła:
z warunkiem Stefana wymiany ciepła na płaszczyźnie zmiany fazy:
w przypadku stałej temperatury TL płynnego PCM:
czas ładowania kuli tqsmelt wynosi:
gdzie:
- gęstość stałego PCM, kg/m3
cL
- ciepło właściwe fazy ciekłej, J/kgK
Tt
- pochodna temperatury po czasie, C/s
kL
- współczynnik przewodzenia ciepła fazy
ciekłej, W/mK
Tr
- pochodna temperatury po promieniu, C/m
- temperatura przemiany fazowej, C
- ciepło przemiany fazowej, J/kg
- prędkość przesuwania się płaszczyzny
zmiany fazy wzdłuż promienia R, m/s
R(t)+ - promień, m
Tm
L
R’
TL
- temperatura fazy ciekłej, C
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – pomiary
Otrzymany z pomiarów czas topnienia wynoszący tqsmelt = 13.5
minuty porównano z modelem teoretycznym.
Waga PCM znajdującego się w kuli wynosiła 28,832 g, a
średnica zastępczej kuli wypełnionej tylko PCM wynosi 20,76
mm. Po wstawieniu danych otrzymano czas ładowania
t melt
qs
770 176000
6 0 . 2 (157 82 )
0 . 021
2
11 . 1 minut
Różnica czasów 13.5 - 11.1 minuty wynika z dwóch przyczyn:
- PCM nie miał początkowej temperatury Tm=82 C i był
wymagany czas na jego podgrzanie do tej temperatury,
- w kuli występowała pustka powietrzna utrudniająca
wymianę ciepła pomiędzy olejem i materiałem PCM.
Dobrą zgodność dla badanej kuli uzyskano dla promienia
zastępczego Ro = 23 mm.
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula - mieszanina PCM-olej
W celu poprawy konwekcji ciepła wewnątrz kul i przyspieszenia
procesu roztapiania PCM - zmieszano go w różnych proporcjach z
olejem, umieszczono w kulach plastikowych o średnicy 4 cm i
poddano z zewnątrz procesowi ogrzewania olejem o różnych
temperaturach.
Zauważyć można, że:
-dla kul z mniejszym udziałem PCM czas topnienia jest krótszy,
(mniejsza ilość materiału PCM oraz lepsza konwekcja
wewnętrzna)
80
70
100⁰C
-im więcej oleju tym krótszy czas ładowania, ale gorsze własności
akumulacyjne (pojemność cieplna PCM / olej).
-im wyższa temperatura ładowania, tym mniejszy wpływ efektu
dodania oleju. Różnice w czasach ładowania (do 15%) w praktyce
są pomijalne.
C z a s to p n i e n ia , m in u ty
60
50
110⁰C
40
120⁰C
30
130⁰C
20
150⁰C
10
0
50-50
60-40
70-30
80-20
85-15
90-10
95-05
98-02
Skład procentow y P C M - olej
Rys. 3.4 Przebieg topnienia kul o średnicy 4 cm
z mieszaniną PCM - olej
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Złoże filtracyjne z kul wypełnionych PCM
Topnienie kul trwało 106 minut.
Długi czas wynika z małej różnicy
temperatur wody i przemiany fazowej
TL-Tm = 3 10 C.
Eksperymentalnie otrzymany czas pokrywa
się
z
obliczeniami
teoretycznymi
przeprowadzonymi dla pojedynczej kuli
(rys. 3.3) dla TL=90 C.
Warunkiem zakończenia ładowania był brak
odbioru ciepła przez materiał PCM
(punkt B, rys. 3.5).
Bilans cieplny akumulatora:
- maksymalna moc cieplna: 5,32 kW,
- ciepło rozgrzewania: 1262 MJ,
- ciepło ładowania kul: 472 MJ.
- ciepło przemiany fazowej kul: 1,76 MJ.
Akumulator nie był całkowicie zaizolowany,
stąd do otoczenia stracono ponad 470 MJ.
Rys. 3.5 Przebiegi temperatury T w czasie ładowania i rozładowania
akumulatora ze złożem filtracyjnym w postaci kul,
kolor fioletowy – temperatura wody w akumulatorze Tw,
kolor żółty – temperatura wody zasilającej ramkę Tz,
kolor brązowy – temperatura wody powrotnej z ramki Tp
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Materiał PCM
PCM stopił się po czasie 240-300 minut.
Na długi czas ładowania miały wpływ niekorzystne czynniki
opisane poniżej.
Zjawiska zachodzące podczas ładowania:
- PCM krzepł na ściankach akumulatora (temperatura
mniejsza od temperatury topnienia Tm);
- wokół rurek w wewnętrznej części ranki tworzą się kanały
z płynnym materiałem PCM (łatwiejsze topnienie warstw
znajdujących się dalej od rurki);
- rurki w zewnętrznej części ramki są otoczone pustką
powietrzną (PCM spłynął do pustych przestrzeni,
trudniejsze topnienie PCM w obszarze rurek).
Rys. 3.4 Widok akumulatora płaszczowo-rurowego
(schemat, pusty, zasypany materiałem PCM)
Zjawiska zachodzące podczas rozładowywania:
- pęknięcia i puste przestrzenie powietrzne (powstałe na
skutek różnicy objętości fazy stałej VS < VL o 14% );
- materiał PCM pęka tworząc mniejsze bloki (ponowny
proces ładowania utrudniony ze względu na niski
współczynnik przewodzenia powietrza).
Rys.
3.5
Termiczna
blokada
ładowania
akumulatora (puste przestrzenie w które wpływa
roztapiany PCM)
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
W celu przyspieszenia procesu ładowania materiału PCM
wprowadzano wodę do akumulatora.
a
b
Opis ładowania akumulatora po zalaniu wodą:
-woda wypełniła akumulator ponad powierzchnię PCM;
-w ciągu 10 minut temperatura wzrosła przy ściance z 31 C na 49 C
(znacznie polepszony rozpływ ciepła);
-po rozpuszczeniu części PCM, widoczna granica międzyfazowa: woda /
ciekły PCM / stały PCM;
-ciekły PCM wypływa na powierzchnię i krzepnie (prądy konwekcyjne
mieszaniny ciekły PCM / woda przemieszczają się z prędkością 13 cm/s,
temperatury wewnątrz akumulatora: 8188 C, przy ściance: 46 C;
-para wrzącej wody unosi się przez ciekły PCM i rozpuszcza stały PCM
znajdujący się na powierzchni (temperatura przy ściance 61,7 C –
najszybsza zmiana fazy w materiale PCM).
Jeżeli na dole zasobnika jest materiał PCM, to woda dociera
nad niego i roztapia go. Dzięki mniejszej gęstości fazy ciekłej
materiał PCM wypływa na górę. Stąd, po pewnym czasie,
woda znajdzie się na dnie, a PCM na górze. Woda powinna
zalewać dolną kratownicę rurek, ponieważ wtedy szybciej
ładuje się zasobnik ciepłem.
c
PCM
WODA
Rys. 3.6 Akumulator a, b – z PCM’em,
c – z mieszaniną binarną PCM-woda
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Na charakterystykach widoczne są
temperatury wody zasilającej ramkę
Tz, wody powracającej z ramki Tp,
temperatury materiału PCM oraz
temperatura otoczenia.
W początkowej fazie temperatury
wody zasilającej Tz jak i powrotnej Tp
wzrastały liniowo. Następnie były
utrzymywane ich stałe wartości:
Tz: 110 C, Tp: 104-105 C.
W akumulatorze znajdowało się:
- 44 kg materiału PCM (Tm = 77-82 C)
- 14 kg wody.
Czas ładowania: 233 minuty.
Rozładowanie akumulatora trwało 19
godzin 4 minuty.
Warunkiem zakończenia ładowania
było
wyrównanie
temperatur
wszystkich czujników rozmieszczonych
w materiale PCM.
Rys. 3.7 Przebieg procesu ładowania i rozładowania akumulatora płaszczoworurowego wypełnionego mieszaniną binarną PCM-woda w czasie
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Rys. 3.9. Zależność mocy cieplnej czasu w fazie ładowania
akumulatora filtracyjnego
Rys. 3.8. Zależność temperatury topnienia PCM od ciepła dla
danych z eksperymentu: 44 kg materiału PCM, ciepło
przemiany fazowej 176 kJ/kg . 44 kg = 7744 kJ
Różne frakcje parafin powodują pochylenie krzywej
temperatury w obszarze przemiany fazowej.
Ponadto widać, że ciepło właściwe PCM (styczna do
krzywej temperatury) zmienia się w funkcji
dostarczanego ciepła i aktualnej temperatury PCM.
Początek przemiany fazowej jest widoczny jako
wzrost pobieranej mocy lub wzrost różnicy
temperatur.
Nie pokrywa się on z deklarowanymi przez
producenta materiału PCM temperaturą przemiany
fazowej ze względu na spóźnioną reakcję czujnika
temperatury. Średnica czujnika wynosiła około 3 mm.
Stąd ciekły PCM potrzebował pewnego czasu, aby
otoczyć czujnik w całości.
3.3 AKUMULATOR WODNY
W celu porównania efektywności akumulatorów wypełnionych materiałem PCM przeprowadzono badania akumulacji z
zasobnikiem wodnym. Na rys. 3.10 pokazano ładowanie i rozładowanie akumulatora wodnego o takiej samej objętości
wody akumulującej ciepło jak łączna objętość wody i kul w akumulatorze filtracyjnym. Widoczna jest 2,5-krotnie
większa zdolność do akumulacji ciepła w akumulatorze z kulami wypełnionymi PCM (rys. 3.11).
WODA
Rys. 3.10. Rozładowanie akumulatora wodnego o takiej
samej objętości jak akumulator z kulami
PCM
Rys. 3.11. Rozładowanie akumulatora z kulami, oznaczenia
jak na rys. 3.7, zależność temperatury T od czasu
PODSUMOWANIE
4. PODSUMOWANIE
Eksperymentalnie zbadano własności dynamiczne akumulatora płaszczoworurowego i filtracyjnego. W celu przyspieszenia procesu ładowania i
pokonania bariery niskiego współczynnika przewodzenia ciepła dla materiału
PCM użyto medium pośredniczącego – wody – tworząc ciecz binarną.
Określono czas ładowania, czas rozładowania oraz opisano zjawiska
występujące podczas procesu ładowania i rozładowania akumulatora
płaszczowo - rurowego. Przykładowo czas ładowania od temperatury 25 C do
temperatury 99 C przy temperaturze wody zasilającej Tw=110 C wynosił
tqsmelt = 3 godziny 53 minuty.
Zbadano własności dynamiczne akumulatora filtracyjnego. Badano czas
topnienia tqsmelt pojedynczej kuli oraz akumulatora wypełnionego złożem w
postaci kul. Model teoretyczny czasu topnienia tqsmelt dla pojedynczej kuli
pokrywa się z wynikami uzyskanymi z eksperymentu. Uzyskane czasy
topnienia dla cylindrów i kuli wahają się od 5 minut do 68 minut w zależności
od geometrii. Również w przypadku badania złoża składającego się z kul czas
obliczony teoretycznie i zmierzony pokrywają się.
4. PODSUMOWANIE
Ważnym wnioskiem praktycznym jest to, że zarówno w przypadku akumulatora
płaszczowo – rurowego jak i filtracyjnego temperatura ciepła odbieranego nie była
stała w obszarze przejścia fazowego, pomimo, że jest stała na wykresie fazowym w tym
obszarze. Jeżeli materiał PCM krzepnie, to od strony odbioru ciepła tworzy się warstwa
stałego PCM, którego temperatura zaczyna spadać. Jeżeli topnieje, to średnia
temperatura w akumulatorze rośnie. Ponadto przy odbiorze ciepła pojawiają się
różnice w prędkości spadku temperatury PCM w akumulatorze. Najszybciej temperatura
spada do temperatury przejścia fazowego Tm, potem prędkość spadku zmniejsza się.
Z obu konstrukcji autorzy wskazują akumulator filtracyjny ze złożem w postaci kul jako
ten, który może być zastosowany w praktyce. Jest tak ze względu na krótki czas
ładowania i prostotę budowy wiążącą się z jego niezawodnością. Im krótszy czas
topnienia, tym więcej energii można odebrać od źródła ciepła odpadowego. Stąd
krotność odbioru ciepła w ciągu doby decyduje o średnicy kul wypełnionych materiałem
PCM.
pytania / komentarze / dyskusja
Dziękujemy za uwagę
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
PROGRAM STRATEGICZNY – ZAAWANSOWANE TECHNOLO
GIE POZYSKIWANIA ENERGII
ZADANIE NR 1 – „Opracowanie technologii dla wysokosprawnych „zero-emisyjnych”
bloków węglowych zintegrowanych z wychwytem CO ze spalin”
Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju zgodnie z umową
nr SP/E/1/67484/10 z dnia 05 maja 2010r, numer projektu: SP/E/1/67484/10
2
Slide 14
Wydział Mechaniczno-Energetyczny
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
Badania
efektywności akumulacji ciepła
w materiale o zmiennej fazie
SPIS TREŚCI
1. Wstęp
2. Stanowisko badawcze
3. Wyniki badań laboratoryjnych i ich analiza
3.1 Akumulator filtracyjny
3.2 Akumulator płaszczowo-rurowy
3.3 Akumulator wodny
4. Podsumowanie
1. WSTĘP
Podstawowym celem badań był wybór konstrukcji
akumulatora ciepła z wykorzystaniem materiału o
zmiennej fazie (ang. PCM – phase changing material)
zapewniającym największe wykorzystanie dostępnego
ciepła (np. ciepła odpadowego spalin za kotłem w
elektrowni).
Zbadano dwie konstrukcje – płaszczowo – rurową i
filtracyjną.
W akumulatorze płaszczowo – rurowym materiał PCM
znajdował się pomiędzy płaszczem i rurkami grzejnymi,
w których płynęła woda podgrzewając PCM.
W akumulatorze filtracyjnym PCM był umieszczony w
kulach o średnicy 4 cm. Woda grzejna swobodnie
przepływała pomiędzy kulami, w których następowała
akumulacja ciepła z zajściem przemiany fazowej.
W eksperymencie z pojedynczą kulą obserwowano
przemianę fazową w funkcji czasu. Przestrzeń wokół
kuli była wypełniona olejem ze względu na jego wyższą
temperaturę wrzenia przy ciśnieniu atmosferycznym.
Porównano wyniki eksperymentalne i teoretyczne.
A
B
2. STANOWISKO BADAWCZE
Woda jest częściowo podgrzewana
w wymienniku c.o. 1, regulowana pompa
2 wymusza obieg wody grzewczej do
instalacji
c.o.
budynku
oraz
akumulatorów 9, 10. Brakująca część
energii
potrzebnej
do
ładowania
akumulatora jest uzupełniana przez
grzałki elektryczne 5 sterowane przez
regulator 6 w funkcji temperatury wody
14. Pompa była regulaowana w funkcji
strumienia wody (p-v). W czasie
ładowania akumulatora otwierany był
zawór odcinający 16 ze względu na
przejmowanie wahań objętości wody po
jej podgrzaniu przez instalację c.o.
budynku. Zawór odcinający 15 był
wówczas
zamknięty.
W
czasie
rozładowania akumulatora otwierano
zawory 15 i 16. Do pomiaru temperatury
wewnątrz akumulatora wykorzystano
moduły 7 (ADAM firmy Advantech) oraz
rejestrator 8 (AR205 firmy Apar). Czujniki
temperatury 13 były umieszczone w
akumulatorze.
Do
układu
hydraulicznego
przyłączano akumulator ze złożem
filtracyjnym i płaszczowo-rurowym.
Rys.2.1 Schemat układu hydraulicznego z
akumulatorem płaszczowo-rurowym, filtracyjnym
i wodnym
1 – wymiennik ciepła węzeł cieplny/instalacja c.o., 2 – pompa z regulatorem prędkości
obrotowej, 3 – instalacja c.o. budynku, 4 – filtr, 5 – grzałki elektryczne, 6 - regulator
temperatury wody (nazwa : ATR), 7 – grupa modułów do rejestracji pomiarów temperatury
(nazwa : Adam), 8 – rejestrator pomiarów temperatury (nazwa: AR 205), 9 – akumulator
płaszczowo – rurowy, 10 – akumulator filtracyjny, 11 – przepływomierz, 12 – manometr, 13 –
czujnik temperatury, 14 – czujnik temperatury, 15 – zawór odcinający przewód zasilający
instalacji c.o., 16 – zawór odcinający przewód powrotny instalacji c.o.
2. STANOWISKO BADAWCZE
Widok stanowiska badawczego
Wyniki badań laboratoryjnych
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula
Celem eksperymentu była weryfikacja teoretycznego czasu
topnienia pojedynczej kuli tqsmelt. Mając eksperymentalnie
zweryfikowany model teoretyczny można wyciągać wnioski dla
złoża składającego się z kul.
Eksperyment przeprowadzono następująco:
- rozgrzano olej do średniej temperatury 157 C, regulator
RE14 dwustanowo utrzymywał tę temperaturę,
- następnie wrzucono kulę, której temperatura była równa
temperaturze otoczenia 25 C
Ze względu na różnicę gęstości pomiędzy fazą stałą i ciekłą S
>L powodującą zmniejszenie się objętości fazy stałej VS < VL o
14% podczas przemiany fazowej na górze kuli pozostawiono
wolną przestrzeń przejmującą objętość rozszerzającego się
materiału
Rys. 3.1 Przebieg topnienia PCM w kuli o średnicy 4 cm
poziom wody
Akumulator filtracyjny
Eksperyment przeprowadzono w złożu stacjonarnym w
akumulatorze z ramkami. W jego trakcie stosowano zmienne
temperatury wody zasilającej ramkę kolejno 110 C, 100 C,
105 C, 95 C. Przed wrzuceniem kul do akumulatora rozgrzano
znajdującą się w nim wodę do temperatury 90 C.
Rys. 3.2 Widok kul po wrzuceniu do akumulatora
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – model teoretyczny
Przy założeniu stałych własności PCM zagadnienie rozwiązano za
pomocą równania przewodnictwa ciepła:
z warunkiem Stefana wymiany ciepła na płaszczyźnie zmiany fazy:
w przypadku stałej temperatury TL płynnego PCM:
czas ładowania kuli tqsmelt wynosi:
gdzie:
- gęstość stałego PCM, kg/m3
cL
- ciepło właściwe fazy ciekłej, J/kgK
Tt
- pochodna temperatury po czasie, C/s
kL
- współczynnik przewodzenia ciepła fazy
ciekłej, W/mK
Tr
- pochodna temperatury po promieniu, C/m
- temperatura przemiany fazowej, C
- ciepło przemiany fazowej, J/kg
- prędkość przesuwania się płaszczyzny
zmiany fazy wzdłuż promienia R, m/s
R(t)+ - promień, m
Tm
L
R’
TL
- temperatura fazy ciekłej, C
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – pomiary
Otrzymany z pomiarów czas topnienia wynoszący tqsmelt = 13.5
minuty porównano z modelem teoretycznym.
Waga PCM znajdującego się w kuli wynosiła 28,832 g, a
średnica zastępczej kuli wypełnionej tylko PCM wynosi 20,76
mm. Po wstawieniu danych otrzymano czas ładowania
t melt
qs
770 176000
6 0 . 2 (157 82 )
0 . 021
2
11 . 1 minut
Różnica czasów 13.5 - 11.1 minuty wynika z dwóch przyczyn:
- PCM nie miał początkowej temperatury Tm=82 C i był
wymagany czas na jego podgrzanie do tej temperatury,
- w kuli występowała pustka powietrzna utrudniająca
wymianę ciepła pomiędzy olejem i materiałem PCM.
Dobrą zgodność dla badanej kuli uzyskano dla promienia
zastępczego Ro = 23 mm.
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula - mieszanina PCM-olej
W celu poprawy konwekcji ciepła wewnątrz kul i przyspieszenia
procesu roztapiania PCM - zmieszano go w różnych proporcjach z
olejem, umieszczono w kulach plastikowych o średnicy 4 cm i
poddano z zewnątrz procesowi ogrzewania olejem o różnych
temperaturach.
Zauważyć można, że:
-dla kul z mniejszym udziałem PCM czas topnienia jest krótszy,
(mniejsza ilość materiału PCM oraz lepsza konwekcja
wewnętrzna)
80
70
100⁰C
-im więcej oleju tym krótszy czas ładowania, ale gorsze własności
akumulacyjne (pojemność cieplna PCM / olej).
-im wyższa temperatura ładowania, tym mniejszy wpływ efektu
dodania oleju. Różnice w czasach ładowania (do 15%) w praktyce
są pomijalne.
C z a s to p n i e n ia , m in u ty
60
50
110⁰C
40
120⁰C
30
130⁰C
20
150⁰C
10
0
50-50
60-40
70-30
80-20
85-15
90-10
95-05
98-02
Skład procentow y P C M - olej
Rys. 3.4 Przebieg topnienia kul o średnicy 4 cm
z mieszaniną PCM - olej
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Złoże filtracyjne z kul wypełnionych PCM
Topnienie kul trwało 106 minut.
Długi czas wynika z małej różnicy
temperatur wody i przemiany fazowej
TL-Tm = 3 10 C.
Eksperymentalnie otrzymany czas pokrywa
się
z
obliczeniami
teoretycznymi
przeprowadzonymi dla pojedynczej kuli
(rys. 3.3) dla TL=90 C.
Warunkiem zakończenia ładowania był brak
odbioru ciepła przez materiał PCM
(punkt B, rys. 3.5).
Bilans cieplny akumulatora:
- maksymalna moc cieplna: 5,32 kW,
- ciepło rozgrzewania: 1262 MJ,
- ciepło ładowania kul: 472 MJ.
- ciepło przemiany fazowej kul: 1,76 MJ.
Akumulator nie był całkowicie zaizolowany,
stąd do otoczenia stracono ponad 470 MJ.
Rys. 3.5 Przebiegi temperatury T w czasie ładowania i rozładowania
akumulatora ze złożem filtracyjnym w postaci kul,
kolor fioletowy – temperatura wody w akumulatorze Tw,
kolor żółty – temperatura wody zasilającej ramkę Tz,
kolor brązowy – temperatura wody powrotnej z ramki Tp
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Materiał PCM
PCM stopił się po czasie 240-300 minut.
Na długi czas ładowania miały wpływ niekorzystne czynniki
opisane poniżej.
Zjawiska zachodzące podczas ładowania:
- PCM krzepł na ściankach akumulatora (temperatura
mniejsza od temperatury topnienia Tm);
- wokół rurek w wewnętrznej części ranki tworzą się kanały
z płynnym materiałem PCM (łatwiejsze topnienie warstw
znajdujących się dalej od rurki);
- rurki w zewnętrznej części ramki są otoczone pustką
powietrzną (PCM spłynął do pustych przestrzeni,
trudniejsze topnienie PCM w obszarze rurek).
Rys. 3.4 Widok akumulatora płaszczowo-rurowego
(schemat, pusty, zasypany materiałem PCM)
Zjawiska zachodzące podczas rozładowywania:
- pęknięcia i puste przestrzenie powietrzne (powstałe na
skutek różnicy objętości fazy stałej VS < VL o 14% );
- materiał PCM pęka tworząc mniejsze bloki (ponowny
proces ładowania utrudniony ze względu na niski
współczynnik przewodzenia powietrza).
Rys.
3.5
Termiczna
blokada
ładowania
akumulatora (puste przestrzenie w które wpływa
roztapiany PCM)
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
W celu przyspieszenia procesu ładowania materiału PCM
wprowadzano wodę do akumulatora.
a
b
Opis ładowania akumulatora po zalaniu wodą:
-woda wypełniła akumulator ponad powierzchnię PCM;
-w ciągu 10 minut temperatura wzrosła przy ściance z 31 C na 49 C
(znacznie polepszony rozpływ ciepła);
-po rozpuszczeniu części PCM, widoczna granica międzyfazowa: woda /
ciekły PCM / stały PCM;
-ciekły PCM wypływa na powierzchnię i krzepnie (prądy konwekcyjne
mieszaniny ciekły PCM / woda przemieszczają się z prędkością 13 cm/s,
temperatury wewnątrz akumulatora: 8188 C, przy ściance: 46 C;
-para wrzącej wody unosi się przez ciekły PCM i rozpuszcza stały PCM
znajdujący się na powierzchni (temperatura przy ściance 61,7 C –
najszybsza zmiana fazy w materiale PCM).
Jeżeli na dole zasobnika jest materiał PCM, to woda dociera
nad niego i roztapia go. Dzięki mniejszej gęstości fazy ciekłej
materiał PCM wypływa na górę. Stąd, po pewnym czasie,
woda znajdzie się na dnie, a PCM na górze. Woda powinna
zalewać dolną kratownicę rurek, ponieważ wtedy szybciej
ładuje się zasobnik ciepłem.
c
PCM
WODA
Rys. 3.6 Akumulator a, b – z PCM’em,
c – z mieszaniną binarną PCM-woda
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Na charakterystykach widoczne są
temperatury wody zasilającej ramkę
Tz, wody powracającej z ramki Tp,
temperatury materiału PCM oraz
temperatura otoczenia.
W początkowej fazie temperatury
wody zasilającej Tz jak i powrotnej Tp
wzrastały liniowo. Następnie były
utrzymywane ich stałe wartości:
Tz: 110 C, Tp: 104-105 C.
W akumulatorze znajdowało się:
- 44 kg materiału PCM (Tm = 77-82 C)
- 14 kg wody.
Czas ładowania: 233 minuty.
Rozładowanie akumulatora trwało 19
godzin 4 minuty.
Warunkiem zakończenia ładowania
było
wyrównanie
temperatur
wszystkich czujników rozmieszczonych
w materiale PCM.
Rys. 3.7 Przebieg procesu ładowania i rozładowania akumulatora płaszczoworurowego wypełnionego mieszaniną binarną PCM-woda w czasie
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Rys. 3.9. Zależność mocy cieplnej czasu w fazie ładowania
akumulatora filtracyjnego
Rys. 3.8. Zależność temperatury topnienia PCM od ciepła dla
danych z eksperymentu: 44 kg materiału PCM, ciepło
przemiany fazowej 176 kJ/kg . 44 kg = 7744 kJ
Różne frakcje parafin powodują pochylenie krzywej
temperatury w obszarze przemiany fazowej.
Ponadto widać, że ciepło właściwe PCM (styczna do
krzywej temperatury) zmienia się w funkcji
dostarczanego ciepła i aktualnej temperatury PCM.
Początek przemiany fazowej jest widoczny jako
wzrost pobieranej mocy lub wzrost różnicy
temperatur.
Nie pokrywa się on z deklarowanymi przez
producenta materiału PCM temperaturą przemiany
fazowej ze względu na spóźnioną reakcję czujnika
temperatury. Średnica czujnika wynosiła około 3 mm.
Stąd ciekły PCM potrzebował pewnego czasu, aby
otoczyć czujnik w całości.
3.3 AKUMULATOR WODNY
W celu porównania efektywności akumulatorów wypełnionych materiałem PCM przeprowadzono badania akumulacji z
zasobnikiem wodnym. Na rys. 3.10 pokazano ładowanie i rozładowanie akumulatora wodnego o takiej samej objętości
wody akumulującej ciepło jak łączna objętość wody i kul w akumulatorze filtracyjnym. Widoczna jest 2,5-krotnie
większa zdolność do akumulacji ciepła w akumulatorze z kulami wypełnionymi PCM (rys. 3.11).
WODA
Rys. 3.10. Rozładowanie akumulatora wodnego o takiej
samej objętości jak akumulator z kulami
PCM
Rys. 3.11. Rozładowanie akumulatora z kulami, oznaczenia
jak na rys. 3.7, zależność temperatury T od czasu
PODSUMOWANIE
4. PODSUMOWANIE
Eksperymentalnie zbadano własności dynamiczne akumulatora płaszczoworurowego i filtracyjnego. W celu przyspieszenia procesu ładowania i
pokonania bariery niskiego współczynnika przewodzenia ciepła dla materiału
PCM użyto medium pośredniczącego – wody – tworząc ciecz binarną.
Określono czas ładowania, czas rozładowania oraz opisano zjawiska
występujące podczas procesu ładowania i rozładowania akumulatora
płaszczowo - rurowego. Przykładowo czas ładowania od temperatury 25 C do
temperatury 99 C przy temperaturze wody zasilającej Tw=110 C wynosił
tqsmelt = 3 godziny 53 minuty.
Zbadano własności dynamiczne akumulatora filtracyjnego. Badano czas
topnienia tqsmelt pojedynczej kuli oraz akumulatora wypełnionego złożem w
postaci kul. Model teoretyczny czasu topnienia tqsmelt dla pojedynczej kuli
pokrywa się z wynikami uzyskanymi z eksperymentu. Uzyskane czasy
topnienia dla cylindrów i kuli wahają się od 5 minut do 68 minut w zależności
od geometrii. Również w przypadku badania złoża składającego się z kul czas
obliczony teoretycznie i zmierzony pokrywają się.
4. PODSUMOWANIE
Ważnym wnioskiem praktycznym jest to, że zarówno w przypadku akumulatora
płaszczowo – rurowego jak i filtracyjnego temperatura ciepła odbieranego nie była
stała w obszarze przejścia fazowego, pomimo, że jest stała na wykresie fazowym w tym
obszarze. Jeżeli materiał PCM krzepnie, to od strony odbioru ciepła tworzy się warstwa
stałego PCM, którego temperatura zaczyna spadać. Jeżeli topnieje, to średnia
temperatura w akumulatorze rośnie. Ponadto przy odbiorze ciepła pojawiają się
różnice w prędkości spadku temperatury PCM w akumulatorze. Najszybciej temperatura
spada do temperatury przejścia fazowego Tm, potem prędkość spadku zmniejsza się.
Z obu konstrukcji autorzy wskazują akumulator filtracyjny ze złożem w postaci kul jako
ten, który może być zastosowany w praktyce. Jest tak ze względu na krótki czas
ładowania i prostotę budowy wiążącą się z jego niezawodnością. Im krótszy czas
topnienia, tym więcej energii można odebrać od źródła ciepła odpadowego. Stąd
krotność odbioru ciepła w ciągu doby decyduje o średnicy kul wypełnionych materiałem
PCM.
pytania / komentarze / dyskusja
Dziękujemy za uwagę
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
PROGRAM STRATEGICZNY – ZAAWANSOWANE TECHNOLO
GIE POZYSKIWANIA ENERGII
ZADANIE NR 1 – „Opracowanie technologii dla wysokosprawnych „zero-emisyjnych”
bloków węglowych zintegrowanych z wychwytem CO ze spalin”
Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju zgodnie z umową
nr SP/E/1/67484/10 z dnia 05 maja 2010r, numer projektu: SP/E/1/67484/10
2
Slide 15
Wydział Mechaniczno-Energetyczny
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
Badania
efektywności akumulacji ciepła
w materiale o zmiennej fazie
SPIS TREŚCI
1. Wstęp
2. Stanowisko badawcze
3. Wyniki badań laboratoryjnych i ich analiza
3.1 Akumulator filtracyjny
3.2 Akumulator płaszczowo-rurowy
3.3 Akumulator wodny
4. Podsumowanie
1. WSTĘP
Podstawowym celem badań był wybór konstrukcji
akumulatora ciepła z wykorzystaniem materiału o
zmiennej fazie (ang. PCM – phase changing material)
zapewniającym największe wykorzystanie dostępnego
ciepła (np. ciepła odpadowego spalin za kotłem w
elektrowni).
Zbadano dwie konstrukcje – płaszczowo – rurową i
filtracyjną.
W akumulatorze płaszczowo – rurowym materiał PCM
znajdował się pomiędzy płaszczem i rurkami grzejnymi,
w których płynęła woda podgrzewając PCM.
W akumulatorze filtracyjnym PCM był umieszczony w
kulach o średnicy 4 cm. Woda grzejna swobodnie
przepływała pomiędzy kulami, w których następowała
akumulacja ciepła z zajściem przemiany fazowej.
W eksperymencie z pojedynczą kulą obserwowano
przemianę fazową w funkcji czasu. Przestrzeń wokół
kuli była wypełniona olejem ze względu na jego wyższą
temperaturę wrzenia przy ciśnieniu atmosferycznym.
Porównano wyniki eksperymentalne i teoretyczne.
A
B
2. STANOWISKO BADAWCZE
Woda jest częściowo podgrzewana
w wymienniku c.o. 1, regulowana pompa
2 wymusza obieg wody grzewczej do
instalacji
c.o.
budynku
oraz
akumulatorów 9, 10. Brakująca część
energii
potrzebnej
do
ładowania
akumulatora jest uzupełniana przez
grzałki elektryczne 5 sterowane przez
regulator 6 w funkcji temperatury wody
14. Pompa była regulaowana w funkcji
strumienia wody (p-v). W czasie
ładowania akumulatora otwierany był
zawór odcinający 16 ze względu na
przejmowanie wahań objętości wody po
jej podgrzaniu przez instalację c.o.
budynku. Zawór odcinający 15 był
wówczas
zamknięty.
W
czasie
rozładowania akumulatora otwierano
zawory 15 i 16. Do pomiaru temperatury
wewnątrz akumulatora wykorzystano
moduły 7 (ADAM firmy Advantech) oraz
rejestrator 8 (AR205 firmy Apar). Czujniki
temperatury 13 były umieszczone w
akumulatorze.
Do
układu
hydraulicznego
przyłączano akumulator ze złożem
filtracyjnym i płaszczowo-rurowym.
Rys.2.1 Schemat układu hydraulicznego z
akumulatorem płaszczowo-rurowym, filtracyjnym
i wodnym
1 – wymiennik ciepła węzeł cieplny/instalacja c.o., 2 – pompa z regulatorem prędkości
obrotowej, 3 – instalacja c.o. budynku, 4 – filtr, 5 – grzałki elektryczne, 6 - regulator
temperatury wody (nazwa : ATR), 7 – grupa modułów do rejestracji pomiarów temperatury
(nazwa : Adam), 8 – rejestrator pomiarów temperatury (nazwa: AR 205), 9 – akumulator
płaszczowo – rurowy, 10 – akumulator filtracyjny, 11 – przepływomierz, 12 – manometr, 13 –
czujnik temperatury, 14 – czujnik temperatury, 15 – zawór odcinający przewód zasilający
instalacji c.o., 16 – zawór odcinający przewód powrotny instalacji c.o.
2. STANOWISKO BADAWCZE
Widok stanowiska badawczego
Wyniki badań laboratoryjnych
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula
Celem eksperymentu była weryfikacja teoretycznego czasu
topnienia pojedynczej kuli tqsmelt. Mając eksperymentalnie
zweryfikowany model teoretyczny można wyciągać wnioski dla
złoża składającego się z kul.
Eksperyment przeprowadzono następująco:
- rozgrzano olej do średniej temperatury 157 C, regulator
RE14 dwustanowo utrzymywał tę temperaturę,
- następnie wrzucono kulę, której temperatura była równa
temperaturze otoczenia 25 C
Ze względu na różnicę gęstości pomiędzy fazą stałą i ciekłą S
>L powodującą zmniejszenie się objętości fazy stałej VS < VL o
14% podczas przemiany fazowej na górze kuli pozostawiono
wolną przestrzeń przejmującą objętość rozszerzającego się
materiału
Rys. 3.1 Przebieg topnienia PCM w kuli o średnicy 4 cm
poziom wody
Akumulator filtracyjny
Eksperyment przeprowadzono w złożu stacjonarnym w
akumulatorze z ramkami. W jego trakcie stosowano zmienne
temperatury wody zasilającej ramkę kolejno 110 C, 100 C,
105 C, 95 C. Przed wrzuceniem kul do akumulatora rozgrzano
znajdującą się w nim wodę do temperatury 90 C.
Rys. 3.2 Widok kul po wrzuceniu do akumulatora
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – model teoretyczny
Przy założeniu stałych własności PCM zagadnienie rozwiązano za
pomocą równania przewodnictwa ciepła:
z warunkiem Stefana wymiany ciepła na płaszczyźnie zmiany fazy:
w przypadku stałej temperatury TL płynnego PCM:
czas ładowania kuli tqsmelt wynosi:
gdzie:
- gęstość stałego PCM, kg/m3
cL
- ciepło właściwe fazy ciekłej, J/kgK
Tt
- pochodna temperatury po czasie, C/s
kL
- współczynnik przewodzenia ciepła fazy
ciekłej, W/mK
Tr
- pochodna temperatury po promieniu, C/m
- temperatura przemiany fazowej, C
- ciepło przemiany fazowej, J/kg
- prędkość przesuwania się płaszczyzny
zmiany fazy wzdłuż promienia R, m/s
R(t)+ - promień, m
Tm
L
R’
TL
- temperatura fazy ciekłej, C
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – pomiary
Otrzymany z pomiarów czas topnienia wynoszący tqsmelt = 13.5
minuty porównano z modelem teoretycznym.
Waga PCM znajdującego się w kuli wynosiła 28,832 g, a
średnica zastępczej kuli wypełnionej tylko PCM wynosi 20,76
mm. Po wstawieniu danych otrzymano czas ładowania
t melt
qs
770 176000
6 0 . 2 (157 82 )
0 . 021
2
11 . 1 minut
Różnica czasów 13.5 - 11.1 minuty wynika z dwóch przyczyn:
- PCM nie miał początkowej temperatury Tm=82 C i był
wymagany czas na jego podgrzanie do tej temperatury,
- w kuli występowała pustka powietrzna utrudniająca
wymianę ciepła pomiędzy olejem i materiałem PCM.
Dobrą zgodność dla badanej kuli uzyskano dla promienia
zastępczego Ro = 23 mm.
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula - mieszanina PCM-olej
W celu poprawy konwekcji ciepła wewnątrz kul i przyspieszenia
procesu roztapiania PCM - zmieszano go w różnych proporcjach z
olejem, umieszczono w kulach plastikowych o średnicy 4 cm i
poddano z zewnątrz procesowi ogrzewania olejem o różnych
temperaturach.
Zauważyć można, że:
-dla kul z mniejszym udziałem PCM czas topnienia jest krótszy,
(mniejsza ilość materiału PCM oraz lepsza konwekcja
wewnętrzna)
80
70
100⁰C
-im więcej oleju tym krótszy czas ładowania, ale gorsze własności
akumulacyjne (pojemność cieplna PCM / olej).
-im wyższa temperatura ładowania, tym mniejszy wpływ efektu
dodania oleju. Różnice w czasach ładowania (do 15%) w praktyce
są pomijalne.
C z a s to p n i e n ia , m in u ty
60
50
110⁰C
40
120⁰C
30
130⁰C
20
150⁰C
10
0
50-50
60-40
70-30
80-20
85-15
90-10
95-05
98-02
Skład procentow y P C M - olej
Rys. 3.4 Przebieg topnienia kul o średnicy 4 cm
z mieszaniną PCM - olej
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Złoże filtracyjne z kul wypełnionych PCM
Topnienie kul trwało 106 minut.
Długi czas wynika z małej różnicy
temperatur wody i przemiany fazowej
TL-Tm = 3 10 C.
Eksperymentalnie otrzymany czas pokrywa
się
z
obliczeniami
teoretycznymi
przeprowadzonymi dla pojedynczej kuli
(rys. 3.3) dla TL=90 C.
Warunkiem zakończenia ładowania był brak
odbioru ciepła przez materiał PCM
(punkt B, rys. 3.5).
Bilans cieplny akumulatora:
- maksymalna moc cieplna: 5,32 kW,
- ciepło rozgrzewania: 1262 MJ,
- ciepło ładowania kul: 472 MJ.
- ciepło przemiany fazowej kul: 1,76 MJ.
Akumulator nie był całkowicie zaizolowany,
stąd do otoczenia stracono ponad 470 MJ.
Rys. 3.5 Przebiegi temperatury T w czasie ładowania i rozładowania
akumulatora ze złożem filtracyjnym w postaci kul,
kolor fioletowy – temperatura wody w akumulatorze Tw,
kolor żółty – temperatura wody zasilającej ramkę Tz,
kolor brązowy – temperatura wody powrotnej z ramki Tp
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Materiał PCM
PCM stopił się po czasie 240-300 minut.
Na długi czas ładowania miały wpływ niekorzystne czynniki
opisane poniżej.
Zjawiska zachodzące podczas ładowania:
- PCM krzepł na ściankach akumulatora (temperatura
mniejsza od temperatury topnienia Tm);
- wokół rurek w wewnętrznej części ranki tworzą się kanały
z płynnym materiałem PCM (łatwiejsze topnienie warstw
znajdujących się dalej od rurki);
- rurki w zewnętrznej części ramki są otoczone pustką
powietrzną (PCM spłynął do pustych przestrzeni,
trudniejsze topnienie PCM w obszarze rurek).
Rys. 3.4 Widok akumulatora płaszczowo-rurowego
(schemat, pusty, zasypany materiałem PCM)
Zjawiska zachodzące podczas rozładowywania:
- pęknięcia i puste przestrzenie powietrzne (powstałe na
skutek różnicy objętości fazy stałej VS < VL o 14% );
- materiał PCM pęka tworząc mniejsze bloki (ponowny
proces ładowania utrudniony ze względu na niski
współczynnik przewodzenia powietrza).
Rys.
3.5
Termiczna
blokada
ładowania
akumulatora (puste przestrzenie w które wpływa
roztapiany PCM)
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
W celu przyspieszenia procesu ładowania materiału PCM
wprowadzano wodę do akumulatora.
a
b
Opis ładowania akumulatora po zalaniu wodą:
-woda wypełniła akumulator ponad powierzchnię PCM;
-w ciągu 10 minut temperatura wzrosła przy ściance z 31 C na 49 C
(znacznie polepszony rozpływ ciepła);
-po rozpuszczeniu części PCM, widoczna granica międzyfazowa: woda /
ciekły PCM / stały PCM;
-ciekły PCM wypływa na powierzchnię i krzepnie (prądy konwekcyjne
mieszaniny ciekły PCM / woda przemieszczają się z prędkością 13 cm/s,
temperatury wewnątrz akumulatora: 8188 C, przy ściance: 46 C;
-para wrzącej wody unosi się przez ciekły PCM i rozpuszcza stały PCM
znajdujący się na powierzchni (temperatura przy ściance 61,7 C –
najszybsza zmiana fazy w materiale PCM).
Jeżeli na dole zasobnika jest materiał PCM, to woda dociera
nad niego i roztapia go. Dzięki mniejszej gęstości fazy ciekłej
materiał PCM wypływa na górę. Stąd, po pewnym czasie,
woda znajdzie się na dnie, a PCM na górze. Woda powinna
zalewać dolną kratownicę rurek, ponieważ wtedy szybciej
ładuje się zasobnik ciepłem.
c
PCM
WODA
Rys. 3.6 Akumulator a, b – z PCM’em,
c – z mieszaniną binarną PCM-woda
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Na charakterystykach widoczne są
temperatury wody zasilającej ramkę
Tz, wody powracającej z ramki Tp,
temperatury materiału PCM oraz
temperatura otoczenia.
W początkowej fazie temperatury
wody zasilającej Tz jak i powrotnej Tp
wzrastały liniowo. Następnie były
utrzymywane ich stałe wartości:
Tz: 110 C, Tp: 104-105 C.
W akumulatorze znajdowało się:
- 44 kg materiału PCM (Tm = 77-82 C)
- 14 kg wody.
Czas ładowania: 233 minuty.
Rozładowanie akumulatora trwało 19
godzin 4 minuty.
Warunkiem zakończenia ładowania
było
wyrównanie
temperatur
wszystkich czujników rozmieszczonych
w materiale PCM.
Rys. 3.7 Przebieg procesu ładowania i rozładowania akumulatora płaszczoworurowego wypełnionego mieszaniną binarną PCM-woda w czasie
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Rys. 3.9. Zależność mocy cieplnej czasu w fazie ładowania
akumulatora filtracyjnego
Rys. 3.8. Zależność temperatury topnienia PCM od ciepła dla
danych z eksperymentu: 44 kg materiału PCM, ciepło
przemiany fazowej 176 kJ/kg . 44 kg = 7744 kJ
Różne frakcje parafin powodują pochylenie krzywej
temperatury w obszarze przemiany fazowej.
Ponadto widać, że ciepło właściwe PCM (styczna do
krzywej temperatury) zmienia się w funkcji
dostarczanego ciepła i aktualnej temperatury PCM.
Początek przemiany fazowej jest widoczny jako
wzrost pobieranej mocy lub wzrost różnicy
temperatur.
Nie pokrywa się on z deklarowanymi przez
producenta materiału PCM temperaturą przemiany
fazowej ze względu na spóźnioną reakcję czujnika
temperatury. Średnica czujnika wynosiła około 3 mm.
Stąd ciekły PCM potrzebował pewnego czasu, aby
otoczyć czujnik w całości.
3.3 AKUMULATOR WODNY
W celu porównania efektywności akumulatorów wypełnionych materiałem PCM przeprowadzono badania akumulacji z
zasobnikiem wodnym. Na rys. 3.10 pokazano ładowanie i rozładowanie akumulatora wodnego o takiej samej objętości
wody akumulującej ciepło jak łączna objętość wody i kul w akumulatorze filtracyjnym. Widoczna jest 2,5-krotnie
większa zdolność do akumulacji ciepła w akumulatorze z kulami wypełnionymi PCM (rys. 3.11).
WODA
Rys. 3.10. Rozładowanie akumulatora wodnego o takiej
samej objętości jak akumulator z kulami
PCM
Rys. 3.11. Rozładowanie akumulatora z kulami, oznaczenia
jak na rys. 3.7, zależność temperatury T od czasu
PODSUMOWANIE
4. PODSUMOWANIE
Eksperymentalnie zbadano własności dynamiczne akumulatora płaszczoworurowego i filtracyjnego. W celu przyspieszenia procesu ładowania i
pokonania bariery niskiego współczynnika przewodzenia ciepła dla materiału
PCM użyto medium pośredniczącego – wody – tworząc ciecz binarną.
Określono czas ładowania, czas rozładowania oraz opisano zjawiska
występujące podczas procesu ładowania i rozładowania akumulatora
płaszczowo - rurowego. Przykładowo czas ładowania od temperatury 25 C do
temperatury 99 C przy temperaturze wody zasilającej Tw=110 C wynosił
tqsmelt = 3 godziny 53 minuty.
Zbadano własności dynamiczne akumulatora filtracyjnego. Badano czas
topnienia tqsmelt pojedynczej kuli oraz akumulatora wypełnionego złożem w
postaci kul. Model teoretyczny czasu topnienia tqsmelt dla pojedynczej kuli
pokrywa się z wynikami uzyskanymi z eksperymentu. Uzyskane czasy
topnienia dla cylindrów i kuli wahają się od 5 minut do 68 minut w zależności
od geometrii. Również w przypadku badania złoża składającego się z kul czas
obliczony teoretycznie i zmierzony pokrywają się.
4. PODSUMOWANIE
Ważnym wnioskiem praktycznym jest to, że zarówno w przypadku akumulatora
płaszczowo – rurowego jak i filtracyjnego temperatura ciepła odbieranego nie była
stała w obszarze przejścia fazowego, pomimo, że jest stała na wykresie fazowym w tym
obszarze. Jeżeli materiał PCM krzepnie, to od strony odbioru ciepła tworzy się warstwa
stałego PCM, którego temperatura zaczyna spadać. Jeżeli topnieje, to średnia
temperatura w akumulatorze rośnie. Ponadto przy odbiorze ciepła pojawiają się
różnice w prędkości spadku temperatury PCM w akumulatorze. Najszybciej temperatura
spada do temperatury przejścia fazowego Tm, potem prędkość spadku zmniejsza się.
Z obu konstrukcji autorzy wskazują akumulator filtracyjny ze złożem w postaci kul jako
ten, który może być zastosowany w praktyce. Jest tak ze względu na krótki czas
ładowania i prostotę budowy wiążącą się z jego niezawodnością. Im krótszy czas
topnienia, tym więcej energii można odebrać od źródła ciepła odpadowego. Stąd
krotność odbioru ciepła w ciągu doby decyduje o średnicy kul wypełnionych materiałem
PCM.
pytania / komentarze / dyskusja
Dziękujemy za uwagę
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
PROGRAM STRATEGICZNY – ZAAWANSOWANE TECHNOLO
GIE POZYSKIWANIA ENERGII
ZADANIE NR 1 – „Opracowanie technologii dla wysokosprawnych „zero-emisyjnych”
bloków węglowych zintegrowanych z wychwytem CO ze spalin”
Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju zgodnie z umową
nr SP/E/1/67484/10 z dnia 05 maja 2010r, numer projektu: SP/E/1/67484/10
2
Slide 16
Wydział Mechaniczno-Energetyczny
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
Badania
efektywności akumulacji ciepła
w materiale o zmiennej fazie
SPIS TREŚCI
1. Wstęp
2. Stanowisko badawcze
3. Wyniki badań laboratoryjnych i ich analiza
3.1 Akumulator filtracyjny
3.2 Akumulator płaszczowo-rurowy
3.3 Akumulator wodny
4. Podsumowanie
1. WSTĘP
Podstawowym celem badań był wybór konstrukcji
akumulatora ciepła z wykorzystaniem materiału o
zmiennej fazie (ang. PCM – phase changing material)
zapewniającym największe wykorzystanie dostępnego
ciepła (np. ciepła odpadowego spalin za kotłem w
elektrowni).
Zbadano dwie konstrukcje – płaszczowo – rurową i
filtracyjną.
W akumulatorze płaszczowo – rurowym materiał PCM
znajdował się pomiędzy płaszczem i rurkami grzejnymi,
w których płynęła woda podgrzewając PCM.
W akumulatorze filtracyjnym PCM był umieszczony w
kulach o średnicy 4 cm. Woda grzejna swobodnie
przepływała pomiędzy kulami, w których następowała
akumulacja ciepła z zajściem przemiany fazowej.
W eksperymencie z pojedynczą kulą obserwowano
przemianę fazową w funkcji czasu. Przestrzeń wokół
kuli była wypełniona olejem ze względu na jego wyższą
temperaturę wrzenia przy ciśnieniu atmosferycznym.
Porównano wyniki eksperymentalne i teoretyczne.
A
B
2. STANOWISKO BADAWCZE
Woda jest częściowo podgrzewana
w wymienniku c.o. 1, regulowana pompa
2 wymusza obieg wody grzewczej do
instalacji
c.o.
budynku
oraz
akumulatorów 9, 10. Brakująca część
energii
potrzebnej
do
ładowania
akumulatora jest uzupełniana przez
grzałki elektryczne 5 sterowane przez
regulator 6 w funkcji temperatury wody
14. Pompa była regulaowana w funkcji
strumienia wody (p-v). W czasie
ładowania akumulatora otwierany był
zawór odcinający 16 ze względu na
przejmowanie wahań objętości wody po
jej podgrzaniu przez instalację c.o.
budynku. Zawór odcinający 15 był
wówczas
zamknięty.
W
czasie
rozładowania akumulatora otwierano
zawory 15 i 16. Do pomiaru temperatury
wewnątrz akumulatora wykorzystano
moduły 7 (ADAM firmy Advantech) oraz
rejestrator 8 (AR205 firmy Apar). Czujniki
temperatury 13 były umieszczone w
akumulatorze.
Do
układu
hydraulicznego
przyłączano akumulator ze złożem
filtracyjnym i płaszczowo-rurowym.
Rys.2.1 Schemat układu hydraulicznego z
akumulatorem płaszczowo-rurowym, filtracyjnym
i wodnym
1 – wymiennik ciepła węzeł cieplny/instalacja c.o., 2 – pompa z regulatorem prędkości
obrotowej, 3 – instalacja c.o. budynku, 4 – filtr, 5 – grzałki elektryczne, 6 - regulator
temperatury wody (nazwa : ATR), 7 – grupa modułów do rejestracji pomiarów temperatury
(nazwa : Adam), 8 – rejestrator pomiarów temperatury (nazwa: AR 205), 9 – akumulator
płaszczowo – rurowy, 10 – akumulator filtracyjny, 11 – przepływomierz, 12 – manometr, 13 –
czujnik temperatury, 14 – czujnik temperatury, 15 – zawór odcinający przewód zasilający
instalacji c.o., 16 – zawór odcinający przewód powrotny instalacji c.o.
2. STANOWISKO BADAWCZE
Widok stanowiska badawczego
Wyniki badań laboratoryjnych
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula
Celem eksperymentu była weryfikacja teoretycznego czasu
topnienia pojedynczej kuli tqsmelt. Mając eksperymentalnie
zweryfikowany model teoretyczny można wyciągać wnioski dla
złoża składającego się z kul.
Eksperyment przeprowadzono następująco:
- rozgrzano olej do średniej temperatury 157 C, regulator
RE14 dwustanowo utrzymywał tę temperaturę,
- następnie wrzucono kulę, której temperatura była równa
temperaturze otoczenia 25 C
Ze względu na różnicę gęstości pomiędzy fazą stałą i ciekłą S
>L powodującą zmniejszenie się objętości fazy stałej VS < VL o
14% podczas przemiany fazowej na górze kuli pozostawiono
wolną przestrzeń przejmującą objętość rozszerzającego się
materiału
Rys. 3.1 Przebieg topnienia PCM w kuli o średnicy 4 cm
poziom wody
Akumulator filtracyjny
Eksperyment przeprowadzono w złożu stacjonarnym w
akumulatorze z ramkami. W jego trakcie stosowano zmienne
temperatury wody zasilającej ramkę kolejno 110 C, 100 C,
105 C, 95 C. Przed wrzuceniem kul do akumulatora rozgrzano
znajdującą się w nim wodę do temperatury 90 C.
Rys. 3.2 Widok kul po wrzuceniu do akumulatora
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – model teoretyczny
Przy założeniu stałych własności PCM zagadnienie rozwiązano za
pomocą równania przewodnictwa ciepła:
z warunkiem Stefana wymiany ciepła na płaszczyźnie zmiany fazy:
w przypadku stałej temperatury TL płynnego PCM:
czas ładowania kuli tqsmelt wynosi:
gdzie:
- gęstość stałego PCM, kg/m3
cL
- ciepło właściwe fazy ciekłej, J/kgK
Tt
- pochodna temperatury po czasie, C/s
kL
- współczynnik przewodzenia ciepła fazy
ciekłej, W/mK
Tr
- pochodna temperatury po promieniu, C/m
- temperatura przemiany fazowej, C
- ciepło przemiany fazowej, J/kg
- prędkość przesuwania się płaszczyzny
zmiany fazy wzdłuż promienia R, m/s
R(t)+ - promień, m
Tm
L
R’
TL
- temperatura fazy ciekłej, C
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – pomiary
Otrzymany z pomiarów czas topnienia wynoszący tqsmelt = 13.5
minuty porównano z modelem teoretycznym.
Waga PCM znajdującego się w kuli wynosiła 28,832 g, a
średnica zastępczej kuli wypełnionej tylko PCM wynosi 20,76
mm. Po wstawieniu danych otrzymano czas ładowania
t melt
qs
770 176000
6 0 . 2 (157 82 )
0 . 021
2
11 . 1 minut
Różnica czasów 13.5 - 11.1 minuty wynika z dwóch przyczyn:
- PCM nie miał początkowej temperatury Tm=82 C i był
wymagany czas na jego podgrzanie do tej temperatury,
- w kuli występowała pustka powietrzna utrudniająca
wymianę ciepła pomiędzy olejem i materiałem PCM.
Dobrą zgodność dla badanej kuli uzyskano dla promienia
zastępczego Ro = 23 mm.
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula - mieszanina PCM-olej
W celu poprawy konwekcji ciepła wewnątrz kul i przyspieszenia
procesu roztapiania PCM - zmieszano go w różnych proporcjach z
olejem, umieszczono w kulach plastikowych o średnicy 4 cm i
poddano z zewnątrz procesowi ogrzewania olejem o różnych
temperaturach.
Zauważyć można, że:
-dla kul z mniejszym udziałem PCM czas topnienia jest krótszy,
(mniejsza ilość materiału PCM oraz lepsza konwekcja
wewnętrzna)
80
70
100⁰C
-im więcej oleju tym krótszy czas ładowania, ale gorsze własności
akumulacyjne (pojemność cieplna PCM / olej).
-im wyższa temperatura ładowania, tym mniejszy wpływ efektu
dodania oleju. Różnice w czasach ładowania (do 15%) w praktyce
są pomijalne.
C z a s to p n i e n ia , m in u ty
60
50
110⁰C
40
120⁰C
30
130⁰C
20
150⁰C
10
0
50-50
60-40
70-30
80-20
85-15
90-10
95-05
98-02
Skład procentow y P C M - olej
Rys. 3.4 Przebieg topnienia kul o średnicy 4 cm
z mieszaniną PCM - olej
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Złoże filtracyjne z kul wypełnionych PCM
Topnienie kul trwało 106 minut.
Długi czas wynika z małej różnicy
temperatur wody i przemiany fazowej
TL-Tm = 3 10 C.
Eksperymentalnie otrzymany czas pokrywa
się
z
obliczeniami
teoretycznymi
przeprowadzonymi dla pojedynczej kuli
(rys. 3.3) dla TL=90 C.
Warunkiem zakończenia ładowania był brak
odbioru ciepła przez materiał PCM
(punkt B, rys. 3.5).
Bilans cieplny akumulatora:
- maksymalna moc cieplna: 5,32 kW,
- ciepło rozgrzewania: 1262 MJ,
- ciepło ładowania kul: 472 MJ.
- ciepło przemiany fazowej kul: 1,76 MJ.
Akumulator nie był całkowicie zaizolowany,
stąd do otoczenia stracono ponad 470 MJ.
Rys. 3.5 Przebiegi temperatury T w czasie ładowania i rozładowania
akumulatora ze złożem filtracyjnym w postaci kul,
kolor fioletowy – temperatura wody w akumulatorze Tw,
kolor żółty – temperatura wody zasilającej ramkę Tz,
kolor brązowy – temperatura wody powrotnej z ramki Tp
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Materiał PCM
PCM stopił się po czasie 240-300 minut.
Na długi czas ładowania miały wpływ niekorzystne czynniki
opisane poniżej.
Zjawiska zachodzące podczas ładowania:
- PCM krzepł na ściankach akumulatora (temperatura
mniejsza od temperatury topnienia Tm);
- wokół rurek w wewnętrznej części ranki tworzą się kanały
z płynnym materiałem PCM (łatwiejsze topnienie warstw
znajdujących się dalej od rurki);
- rurki w zewnętrznej części ramki są otoczone pustką
powietrzną (PCM spłynął do pustych przestrzeni,
trudniejsze topnienie PCM w obszarze rurek).
Rys. 3.4 Widok akumulatora płaszczowo-rurowego
(schemat, pusty, zasypany materiałem PCM)
Zjawiska zachodzące podczas rozładowywania:
- pęknięcia i puste przestrzenie powietrzne (powstałe na
skutek różnicy objętości fazy stałej VS < VL o 14% );
- materiał PCM pęka tworząc mniejsze bloki (ponowny
proces ładowania utrudniony ze względu na niski
współczynnik przewodzenia powietrza).
Rys.
3.5
Termiczna
blokada
ładowania
akumulatora (puste przestrzenie w które wpływa
roztapiany PCM)
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
W celu przyspieszenia procesu ładowania materiału PCM
wprowadzano wodę do akumulatora.
a
b
Opis ładowania akumulatora po zalaniu wodą:
-woda wypełniła akumulator ponad powierzchnię PCM;
-w ciągu 10 minut temperatura wzrosła przy ściance z 31 C na 49 C
(znacznie polepszony rozpływ ciepła);
-po rozpuszczeniu części PCM, widoczna granica międzyfazowa: woda /
ciekły PCM / stały PCM;
-ciekły PCM wypływa na powierzchnię i krzepnie (prądy konwekcyjne
mieszaniny ciekły PCM / woda przemieszczają się z prędkością 13 cm/s,
temperatury wewnątrz akumulatora: 8188 C, przy ściance: 46 C;
-para wrzącej wody unosi się przez ciekły PCM i rozpuszcza stały PCM
znajdujący się na powierzchni (temperatura przy ściance 61,7 C –
najszybsza zmiana fazy w materiale PCM).
Jeżeli na dole zasobnika jest materiał PCM, to woda dociera
nad niego i roztapia go. Dzięki mniejszej gęstości fazy ciekłej
materiał PCM wypływa na górę. Stąd, po pewnym czasie,
woda znajdzie się na dnie, a PCM na górze. Woda powinna
zalewać dolną kratownicę rurek, ponieważ wtedy szybciej
ładuje się zasobnik ciepłem.
c
PCM
WODA
Rys. 3.6 Akumulator a, b – z PCM’em,
c – z mieszaniną binarną PCM-woda
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Na charakterystykach widoczne są
temperatury wody zasilającej ramkę
Tz, wody powracającej z ramki Tp,
temperatury materiału PCM oraz
temperatura otoczenia.
W początkowej fazie temperatury
wody zasilającej Tz jak i powrotnej Tp
wzrastały liniowo. Następnie były
utrzymywane ich stałe wartości:
Tz: 110 C, Tp: 104-105 C.
W akumulatorze znajdowało się:
- 44 kg materiału PCM (Tm = 77-82 C)
- 14 kg wody.
Czas ładowania: 233 minuty.
Rozładowanie akumulatora trwało 19
godzin 4 minuty.
Warunkiem zakończenia ładowania
było
wyrównanie
temperatur
wszystkich czujników rozmieszczonych
w materiale PCM.
Rys. 3.7 Przebieg procesu ładowania i rozładowania akumulatora płaszczoworurowego wypełnionego mieszaniną binarną PCM-woda w czasie
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Rys. 3.9. Zależność mocy cieplnej czasu w fazie ładowania
akumulatora filtracyjnego
Rys. 3.8. Zależność temperatury topnienia PCM od ciepła dla
danych z eksperymentu: 44 kg materiału PCM, ciepło
przemiany fazowej 176 kJ/kg . 44 kg = 7744 kJ
Różne frakcje parafin powodują pochylenie krzywej
temperatury w obszarze przemiany fazowej.
Ponadto widać, że ciepło właściwe PCM (styczna do
krzywej temperatury) zmienia się w funkcji
dostarczanego ciepła i aktualnej temperatury PCM.
Początek przemiany fazowej jest widoczny jako
wzrost pobieranej mocy lub wzrost różnicy
temperatur.
Nie pokrywa się on z deklarowanymi przez
producenta materiału PCM temperaturą przemiany
fazowej ze względu na spóźnioną reakcję czujnika
temperatury. Średnica czujnika wynosiła około 3 mm.
Stąd ciekły PCM potrzebował pewnego czasu, aby
otoczyć czujnik w całości.
3.3 AKUMULATOR WODNY
W celu porównania efektywności akumulatorów wypełnionych materiałem PCM przeprowadzono badania akumulacji z
zasobnikiem wodnym. Na rys. 3.10 pokazano ładowanie i rozładowanie akumulatora wodnego o takiej samej objętości
wody akumulującej ciepło jak łączna objętość wody i kul w akumulatorze filtracyjnym. Widoczna jest 2,5-krotnie
większa zdolność do akumulacji ciepła w akumulatorze z kulami wypełnionymi PCM (rys. 3.11).
WODA
Rys. 3.10. Rozładowanie akumulatora wodnego o takiej
samej objętości jak akumulator z kulami
PCM
Rys. 3.11. Rozładowanie akumulatora z kulami, oznaczenia
jak na rys. 3.7, zależność temperatury T od czasu
PODSUMOWANIE
4. PODSUMOWANIE
Eksperymentalnie zbadano własności dynamiczne akumulatora płaszczoworurowego i filtracyjnego. W celu przyspieszenia procesu ładowania i
pokonania bariery niskiego współczynnika przewodzenia ciepła dla materiału
PCM użyto medium pośredniczącego – wody – tworząc ciecz binarną.
Określono czas ładowania, czas rozładowania oraz opisano zjawiska
występujące podczas procesu ładowania i rozładowania akumulatora
płaszczowo - rurowego. Przykładowo czas ładowania od temperatury 25 C do
temperatury 99 C przy temperaturze wody zasilającej Tw=110 C wynosił
tqsmelt = 3 godziny 53 minuty.
Zbadano własności dynamiczne akumulatora filtracyjnego. Badano czas
topnienia tqsmelt pojedynczej kuli oraz akumulatora wypełnionego złożem w
postaci kul. Model teoretyczny czasu topnienia tqsmelt dla pojedynczej kuli
pokrywa się z wynikami uzyskanymi z eksperymentu. Uzyskane czasy
topnienia dla cylindrów i kuli wahają się od 5 minut do 68 minut w zależności
od geometrii. Również w przypadku badania złoża składającego się z kul czas
obliczony teoretycznie i zmierzony pokrywają się.
4. PODSUMOWANIE
Ważnym wnioskiem praktycznym jest to, że zarówno w przypadku akumulatora
płaszczowo – rurowego jak i filtracyjnego temperatura ciepła odbieranego nie była
stała w obszarze przejścia fazowego, pomimo, że jest stała na wykresie fazowym w tym
obszarze. Jeżeli materiał PCM krzepnie, to od strony odbioru ciepła tworzy się warstwa
stałego PCM, którego temperatura zaczyna spadać. Jeżeli topnieje, to średnia
temperatura w akumulatorze rośnie. Ponadto przy odbiorze ciepła pojawiają się
różnice w prędkości spadku temperatury PCM w akumulatorze. Najszybciej temperatura
spada do temperatury przejścia fazowego Tm, potem prędkość spadku zmniejsza się.
Z obu konstrukcji autorzy wskazują akumulator filtracyjny ze złożem w postaci kul jako
ten, który może być zastosowany w praktyce. Jest tak ze względu na krótki czas
ładowania i prostotę budowy wiążącą się z jego niezawodnością. Im krótszy czas
topnienia, tym więcej energii można odebrać od źródła ciepła odpadowego. Stąd
krotność odbioru ciepła w ciągu doby decyduje o średnicy kul wypełnionych materiałem
PCM.
pytania / komentarze / dyskusja
Dziękujemy za uwagę
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
PROGRAM STRATEGICZNY – ZAAWANSOWANE TECHNOLO
GIE POZYSKIWANIA ENERGII
ZADANIE NR 1 – „Opracowanie technologii dla wysokosprawnych „zero-emisyjnych”
bloków węglowych zintegrowanych z wychwytem CO ze spalin”
Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju zgodnie z umową
nr SP/E/1/67484/10 z dnia 05 maja 2010r, numer projektu: SP/E/1/67484/10
2
Slide 17
Wydział Mechaniczno-Energetyczny
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
Badania
efektywności akumulacji ciepła
w materiale o zmiennej fazie
SPIS TREŚCI
1. Wstęp
2. Stanowisko badawcze
3. Wyniki badań laboratoryjnych i ich analiza
3.1 Akumulator filtracyjny
3.2 Akumulator płaszczowo-rurowy
3.3 Akumulator wodny
4. Podsumowanie
1. WSTĘP
Podstawowym celem badań był wybór konstrukcji
akumulatora ciepła z wykorzystaniem materiału o
zmiennej fazie (ang. PCM – phase changing material)
zapewniającym największe wykorzystanie dostępnego
ciepła (np. ciepła odpadowego spalin za kotłem w
elektrowni).
Zbadano dwie konstrukcje – płaszczowo – rurową i
filtracyjną.
W akumulatorze płaszczowo – rurowym materiał PCM
znajdował się pomiędzy płaszczem i rurkami grzejnymi,
w których płynęła woda podgrzewając PCM.
W akumulatorze filtracyjnym PCM był umieszczony w
kulach o średnicy 4 cm. Woda grzejna swobodnie
przepływała pomiędzy kulami, w których następowała
akumulacja ciepła z zajściem przemiany fazowej.
W eksperymencie z pojedynczą kulą obserwowano
przemianę fazową w funkcji czasu. Przestrzeń wokół
kuli była wypełniona olejem ze względu na jego wyższą
temperaturę wrzenia przy ciśnieniu atmosferycznym.
Porównano wyniki eksperymentalne i teoretyczne.
A
B
2. STANOWISKO BADAWCZE
Woda jest częściowo podgrzewana
w wymienniku c.o. 1, regulowana pompa
2 wymusza obieg wody grzewczej do
instalacji
c.o.
budynku
oraz
akumulatorów 9, 10. Brakująca część
energii
potrzebnej
do
ładowania
akumulatora jest uzupełniana przez
grzałki elektryczne 5 sterowane przez
regulator 6 w funkcji temperatury wody
14. Pompa była regulaowana w funkcji
strumienia wody (p-v). W czasie
ładowania akumulatora otwierany był
zawór odcinający 16 ze względu na
przejmowanie wahań objętości wody po
jej podgrzaniu przez instalację c.o.
budynku. Zawór odcinający 15 był
wówczas
zamknięty.
W
czasie
rozładowania akumulatora otwierano
zawory 15 i 16. Do pomiaru temperatury
wewnątrz akumulatora wykorzystano
moduły 7 (ADAM firmy Advantech) oraz
rejestrator 8 (AR205 firmy Apar). Czujniki
temperatury 13 były umieszczone w
akumulatorze.
Do
układu
hydraulicznego
przyłączano akumulator ze złożem
filtracyjnym i płaszczowo-rurowym.
Rys.2.1 Schemat układu hydraulicznego z
akumulatorem płaszczowo-rurowym, filtracyjnym
i wodnym
1 – wymiennik ciepła węzeł cieplny/instalacja c.o., 2 – pompa z regulatorem prędkości
obrotowej, 3 – instalacja c.o. budynku, 4 – filtr, 5 – grzałki elektryczne, 6 - regulator
temperatury wody (nazwa : ATR), 7 – grupa modułów do rejestracji pomiarów temperatury
(nazwa : Adam), 8 – rejestrator pomiarów temperatury (nazwa: AR 205), 9 – akumulator
płaszczowo – rurowy, 10 – akumulator filtracyjny, 11 – przepływomierz, 12 – manometr, 13 –
czujnik temperatury, 14 – czujnik temperatury, 15 – zawór odcinający przewód zasilający
instalacji c.o., 16 – zawór odcinający przewód powrotny instalacji c.o.
2. STANOWISKO BADAWCZE
Widok stanowiska badawczego
Wyniki badań laboratoryjnych
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula
Celem eksperymentu była weryfikacja teoretycznego czasu
topnienia pojedynczej kuli tqsmelt. Mając eksperymentalnie
zweryfikowany model teoretyczny można wyciągać wnioski dla
złoża składającego się z kul.
Eksperyment przeprowadzono następująco:
- rozgrzano olej do średniej temperatury 157 C, regulator
RE14 dwustanowo utrzymywał tę temperaturę,
- następnie wrzucono kulę, której temperatura była równa
temperaturze otoczenia 25 C
Ze względu na różnicę gęstości pomiędzy fazą stałą i ciekłą S
>L powodującą zmniejszenie się objętości fazy stałej VS < VL o
14% podczas przemiany fazowej na górze kuli pozostawiono
wolną przestrzeń przejmującą objętość rozszerzającego się
materiału
Rys. 3.1 Przebieg topnienia PCM w kuli o średnicy 4 cm
poziom wody
Akumulator filtracyjny
Eksperyment przeprowadzono w złożu stacjonarnym w
akumulatorze z ramkami. W jego trakcie stosowano zmienne
temperatury wody zasilającej ramkę kolejno 110 C, 100 C,
105 C, 95 C. Przed wrzuceniem kul do akumulatora rozgrzano
znajdującą się w nim wodę do temperatury 90 C.
Rys. 3.2 Widok kul po wrzuceniu do akumulatora
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – model teoretyczny
Przy założeniu stałych własności PCM zagadnienie rozwiązano za
pomocą równania przewodnictwa ciepła:
z warunkiem Stefana wymiany ciepła na płaszczyźnie zmiany fazy:
w przypadku stałej temperatury TL płynnego PCM:
czas ładowania kuli tqsmelt wynosi:
gdzie:
- gęstość stałego PCM, kg/m3
cL
- ciepło właściwe fazy ciekłej, J/kgK
Tt
- pochodna temperatury po czasie, C/s
kL
- współczynnik przewodzenia ciepła fazy
ciekłej, W/mK
Tr
- pochodna temperatury po promieniu, C/m
- temperatura przemiany fazowej, C
- ciepło przemiany fazowej, J/kg
- prędkość przesuwania się płaszczyzny
zmiany fazy wzdłuż promienia R, m/s
R(t)+ - promień, m
Tm
L
R’
TL
- temperatura fazy ciekłej, C
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – pomiary
Otrzymany z pomiarów czas topnienia wynoszący tqsmelt = 13.5
minuty porównano z modelem teoretycznym.
Waga PCM znajdującego się w kuli wynosiła 28,832 g, a
średnica zastępczej kuli wypełnionej tylko PCM wynosi 20,76
mm. Po wstawieniu danych otrzymano czas ładowania
t melt
qs
770 176000
6 0 . 2 (157 82 )
0 . 021
2
11 . 1 minut
Różnica czasów 13.5 - 11.1 minuty wynika z dwóch przyczyn:
- PCM nie miał początkowej temperatury Tm=82 C i był
wymagany czas na jego podgrzanie do tej temperatury,
- w kuli występowała pustka powietrzna utrudniająca
wymianę ciepła pomiędzy olejem i materiałem PCM.
Dobrą zgodność dla badanej kuli uzyskano dla promienia
zastępczego Ro = 23 mm.
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula - mieszanina PCM-olej
W celu poprawy konwekcji ciepła wewnątrz kul i przyspieszenia
procesu roztapiania PCM - zmieszano go w różnych proporcjach z
olejem, umieszczono w kulach plastikowych o średnicy 4 cm i
poddano z zewnątrz procesowi ogrzewania olejem o różnych
temperaturach.
Zauważyć można, że:
-dla kul z mniejszym udziałem PCM czas topnienia jest krótszy,
(mniejsza ilość materiału PCM oraz lepsza konwekcja
wewnętrzna)
80
70
100⁰C
-im więcej oleju tym krótszy czas ładowania, ale gorsze własności
akumulacyjne (pojemność cieplna PCM / olej).
-im wyższa temperatura ładowania, tym mniejszy wpływ efektu
dodania oleju. Różnice w czasach ładowania (do 15%) w praktyce
są pomijalne.
C z a s to p n i e n ia , m in u ty
60
50
110⁰C
40
120⁰C
30
130⁰C
20
150⁰C
10
0
50-50
60-40
70-30
80-20
85-15
90-10
95-05
98-02
Skład procentow y P C M - olej
Rys. 3.4 Przebieg topnienia kul o średnicy 4 cm
z mieszaniną PCM - olej
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Złoże filtracyjne z kul wypełnionych PCM
Topnienie kul trwało 106 minut.
Długi czas wynika z małej różnicy
temperatur wody i przemiany fazowej
TL-Tm = 3 10 C.
Eksperymentalnie otrzymany czas pokrywa
się
z
obliczeniami
teoretycznymi
przeprowadzonymi dla pojedynczej kuli
(rys. 3.3) dla TL=90 C.
Warunkiem zakończenia ładowania był brak
odbioru ciepła przez materiał PCM
(punkt B, rys. 3.5).
Bilans cieplny akumulatora:
- maksymalna moc cieplna: 5,32 kW,
- ciepło rozgrzewania: 1262 MJ,
- ciepło ładowania kul: 472 MJ.
- ciepło przemiany fazowej kul: 1,76 MJ.
Akumulator nie był całkowicie zaizolowany,
stąd do otoczenia stracono ponad 470 MJ.
Rys. 3.5 Przebiegi temperatury T w czasie ładowania i rozładowania
akumulatora ze złożem filtracyjnym w postaci kul,
kolor fioletowy – temperatura wody w akumulatorze Tw,
kolor żółty – temperatura wody zasilającej ramkę Tz,
kolor brązowy – temperatura wody powrotnej z ramki Tp
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Materiał PCM
PCM stopił się po czasie 240-300 minut.
Na długi czas ładowania miały wpływ niekorzystne czynniki
opisane poniżej.
Zjawiska zachodzące podczas ładowania:
- PCM krzepł na ściankach akumulatora (temperatura
mniejsza od temperatury topnienia Tm);
- wokół rurek w wewnętrznej części ranki tworzą się kanały
z płynnym materiałem PCM (łatwiejsze topnienie warstw
znajdujących się dalej od rurki);
- rurki w zewnętrznej części ramki są otoczone pustką
powietrzną (PCM spłynął do pustych przestrzeni,
trudniejsze topnienie PCM w obszarze rurek).
Rys. 3.4 Widok akumulatora płaszczowo-rurowego
(schemat, pusty, zasypany materiałem PCM)
Zjawiska zachodzące podczas rozładowywania:
- pęknięcia i puste przestrzenie powietrzne (powstałe na
skutek różnicy objętości fazy stałej VS < VL o 14% );
- materiał PCM pęka tworząc mniejsze bloki (ponowny
proces ładowania utrudniony ze względu na niski
współczynnik przewodzenia powietrza).
Rys.
3.5
Termiczna
blokada
ładowania
akumulatora (puste przestrzenie w które wpływa
roztapiany PCM)
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
W celu przyspieszenia procesu ładowania materiału PCM
wprowadzano wodę do akumulatora.
a
b
Opis ładowania akumulatora po zalaniu wodą:
-woda wypełniła akumulator ponad powierzchnię PCM;
-w ciągu 10 minut temperatura wzrosła przy ściance z 31 C na 49 C
(znacznie polepszony rozpływ ciepła);
-po rozpuszczeniu części PCM, widoczna granica międzyfazowa: woda /
ciekły PCM / stały PCM;
-ciekły PCM wypływa na powierzchnię i krzepnie (prądy konwekcyjne
mieszaniny ciekły PCM / woda przemieszczają się z prędkością 13 cm/s,
temperatury wewnątrz akumulatora: 8188 C, przy ściance: 46 C;
-para wrzącej wody unosi się przez ciekły PCM i rozpuszcza stały PCM
znajdujący się na powierzchni (temperatura przy ściance 61,7 C –
najszybsza zmiana fazy w materiale PCM).
Jeżeli na dole zasobnika jest materiał PCM, to woda dociera
nad niego i roztapia go. Dzięki mniejszej gęstości fazy ciekłej
materiał PCM wypływa na górę. Stąd, po pewnym czasie,
woda znajdzie się na dnie, a PCM na górze. Woda powinna
zalewać dolną kratownicę rurek, ponieważ wtedy szybciej
ładuje się zasobnik ciepłem.
c
PCM
WODA
Rys. 3.6 Akumulator a, b – z PCM’em,
c – z mieszaniną binarną PCM-woda
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Na charakterystykach widoczne są
temperatury wody zasilającej ramkę
Tz, wody powracającej z ramki Tp,
temperatury materiału PCM oraz
temperatura otoczenia.
W początkowej fazie temperatury
wody zasilającej Tz jak i powrotnej Tp
wzrastały liniowo. Następnie były
utrzymywane ich stałe wartości:
Tz: 110 C, Tp: 104-105 C.
W akumulatorze znajdowało się:
- 44 kg materiału PCM (Tm = 77-82 C)
- 14 kg wody.
Czas ładowania: 233 minuty.
Rozładowanie akumulatora trwało 19
godzin 4 minuty.
Warunkiem zakończenia ładowania
było
wyrównanie
temperatur
wszystkich czujników rozmieszczonych
w materiale PCM.
Rys. 3.7 Przebieg procesu ładowania i rozładowania akumulatora płaszczoworurowego wypełnionego mieszaniną binarną PCM-woda w czasie
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Rys. 3.9. Zależność mocy cieplnej czasu w fazie ładowania
akumulatora filtracyjnego
Rys. 3.8. Zależność temperatury topnienia PCM od ciepła dla
danych z eksperymentu: 44 kg materiału PCM, ciepło
przemiany fazowej 176 kJ/kg . 44 kg = 7744 kJ
Różne frakcje parafin powodują pochylenie krzywej
temperatury w obszarze przemiany fazowej.
Ponadto widać, że ciepło właściwe PCM (styczna do
krzywej temperatury) zmienia się w funkcji
dostarczanego ciepła i aktualnej temperatury PCM.
Początek przemiany fazowej jest widoczny jako
wzrost pobieranej mocy lub wzrost różnicy
temperatur.
Nie pokrywa się on z deklarowanymi przez
producenta materiału PCM temperaturą przemiany
fazowej ze względu na spóźnioną reakcję czujnika
temperatury. Średnica czujnika wynosiła około 3 mm.
Stąd ciekły PCM potrzebował pewnego czasu, aby
otoczyć czujnik w całości.
3.3 AKUMULATOR WODNY
W celu porównania efektywności akumulatorów wypełnionych materiałem PCM przeprowadzono badania akumulacji z
zasobnikiem wodnym. Na rys. 3.10 pokazano ładowanie i rozładowanie akumulatora wodnego o takiej samej objętości
wody akumulującej ciepło jak łączna objętość wody i kul w akumulatorze filtracyjnym. Widoczna jest 2,5-krotnie
większa zdolność do akumulacji ciepła w akumulatorze z kulami wypełnionymi PCM (rys. 3.11).
WODA
Rys. 3.10. Rozładowanie akumulatora wodnego o takiej
samej objętości jak akumulator z kulami
PCM
Rys. 3.11. Rozładowanie akumulatora z kulami, oznaczenia
jak na rys. 3.7, zależność temperatury T od czasu
PODSUMOWANIE
4. PODSUMOWANIE
Eksperymentalnie zbadano własności dynamiczne akumulatora płaszczoworurowego i filtracyjnego. W celu przyspieszenia procesu ładowania i
pokonania bariery niskiego współczynnika przewodzenia ciepła dla materiału
PCM użyto medium pośredniczącego – wody – tworząc ciecz binarną.
Określono czas ładowania, czas rozładowania oraz opisano zjawiska
występujące podczas procesu ładowania i rozładowania akumulatora
płaszczowo - rurowego. Przykładowo czas ładowania od temperatury 25 C do
temperatury 99 C przy temperaturze wody zasilającej Tw=110 C wynosił
tqsmelt = 3 godziny 53 minuty.
Zbadano własności dynamiczne akumulatora filtracyjnego. Badano czas
topnienia tqsmelt pojedynczej kuli oraz akumulatora wypełnionego złożem w
postaci kul. Model teoretyczny czasu topnienia tqsmelt dla pojedynczej kuli
pokrywa się z wynikami uzyskanymi z eksperymentu. Uzyskane czasy
topnienia dla cylindrów i kuli wahają się od 5 minut do 68 minut w zależności
od geometrii. Również w przypadku badania złoża składającego się z kul czas
obliczony teoretycznie i zmierzony pokrywają się.
4. PODSUMOWANIE
Ważnym wnioskiem praktycznym jest to, że zarówno w przypadku akumulatora
płaszczowo – rurowego jak i filtracyjnego temperatura ciepła odbieranego nie była
stała w obszarze przejścia fazowego, pomimo, że jest stała na wykresie fazowym w tym
obszarze. Jeżeli materiał PCM krzepnie, to od strony odbioru ciepła tworzy się warstwa
stałego PCM, którego temperatura zaczyna spadać. Jeżeli topnieje, to średnia
temperatura w akumulatorze rośnie. Ponadto przy odbiorze ciepła pojawiają się
różnice w prędkości spadku temperatury PCM w akumulatorze. Najszybciej temperatura
spada do temperatury przejścia fazowego Tm, potem prędkość spadku zmniejsza się.
Z obu konstrukcji autorzy wskazują akumulator filtracyjny ze złożem w postaci kul jako
ten, który może być zastosowany w praktyce. Jest tak ze względu na krótki czas
ładowania i prostotę budowy wiążącą się z jego niezawodnością. Im krótszy czas
topnienia, tym więcej energii można odebrać od źródła ciepła odpadowego. Stąd
krotność odbioru ciepła w ciągu doby decyduje o średnicy kul wypełnionych materiałem
PCM.
pytania / komentarze / dyskusja
Dziękujemy za uwagę
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
PROGRAM STRATEGICZNY – ZAAWANSOWANE TECHNOLO
GIE POZYSKIWANIA ENERGII
ZADANIE NR 1 – „Opracowanie technologii dla wysokosprawnych „zero-emisyjnych”
bloków węglowych zintegrowanych z wychwytem CO ze spalin”
Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju zgodnie z umową
nr SP/E/1/67484/10 z dnia 05 maja 2010r, numer projektu: SP/E/1/67484/10
2
Slide 18
Wydział Mechaniczno-Energetyczny
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
Badania
efektywności akumulacji ciepła
w materiale o zmiennej fazie
SPIS TREŚCI
1. Wstęp
2. Stanowisko badawcze
3. Wyniki badań laboratoryjnych i ich analiza
3.1 Akumulator filtracyjny
3.2 Akumulator płaszczowo-rurowy
3.3 Akumulator wodny
4. Podsumowanie
1. WSTĘP
Podstawowym celem badań był wybór konstrukcji
akumulatora ciepła z wykorzystaniem materiału o
zmiennej fazie (ang. PCM – phase changing material)
zapewniającym największe wykorzystanie dostępnego
ciepła (np. ciepła odpadowego spalin za kotłem w
elektrowni).
Zbadano dwie konstrukcje – płaszczowo – rurową i
filtracyjną.
W akumulatorze płaszczowo – rurowym materiał PCM
znajdował się pomiędzy płaszczem i rurkami grzejnymi,
w których płynęła woda podgrzewając PCM.
W akumulatorze filtracyjnym PCM był umieszczony w
kulach o średnicy 4 cm. Woda grzejna swobodnie
przepływała pomiędzy kulami, w których następowała
akumulacja ciepła z zajściem przemiany fazowej.
W eksperymencie z pojedynczą kulą obserwowano
przemianę fazową w funkcji czasu. Przestrzeń wokół
kuli była wypełniona olejem ze względu na jego wyższą
temperaturę wrzenia przy ciśnieniu atmosferycznym.
Porównano wyniki eksperymentalne i teoretyczne.
A
B
2. STANOWISKO BADAWCZE
Woda jest częściowo podgrzewana
w wymienniku c.o. 1, regulowana pompa
2 wymusza obieg wody grzewczej do
instalacji
c.o.
budynku
oraz
akumulatorów 9, 10. Brakująca część
energii
potrzebnej
do
ładowania
akumulatora jest uzupełniana przez
grzałki elektryczne 5 sterowane przez
regulator 6 w funkcji temperatury wody
14. Pompa była regulaowana w funkcji
strumienia wody (p-v). W czasie
ładowania akumulatora otwierany był
zawór odcinający 16 ze względu na
przejmowanie wahań objętości wody po
jej podgrzaniu przez instalację c.o.
budynku. Zawór odcinający 15 był
wówczas
zamknięty.
W
czasie
rozładowania akumulatora otwierano
zawory 15 i 16. Do pomiaru temperatury
wewnątrz akumulatora wykorzystano
moduły 7 (ADAM firmy Advantech) oraz
rejestrator 8 (AR205 firmy Apar). Czujniki
temperatury 13 były umieszczone w
akumulatorze.
Do
układu
hydraulicznego
przyłączano akumulator ze złożem
filtracyjnym i płaszczowo-rurowym.
Rys.2.1 Schemat układu hydraulicznego z
akumulatorem płaszczowo-rurowym, filtracyjnym
i wodnym
1 – wymiennik ciepła węzeł cieplny/instalacja c.o., 2 – pompa z regulatorem prędkości
obrotowej, 3 – instalacja c.o. budynku, 4 – filtr, 5 – grzałki elektryczne, 6 - regulator
temperatury wody (nazwa : ATR), 7 – grupa modułów do rejestracji pomiarów temperatury
(nazwa : Adam), 8 – rejestrator pomiarów temperatury (nazwa: AR 205), 9 – akumulator
płaszczowo – rurowy, 10 – akumulator filtracyjny, 11 – przepływomierz, 12 – manometr, 13 –
czujnik temperatury, 14 – czujnik temperatury, 15 – zawór odcinający przewód zasilający
instalacji c.o., 16 – zawór odcinający przewód powrotny instalacji c.o.
2. STANOWISKO BADAWCZE
Widok stanowiska badawczego
Wyniki badań laboratoryjnych
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula
Celem eksperymentu była weryfikacja teoretycznego czasu
topnienia pojedynczej kuli tqsmelt. Mając eksperymentalnie
zweryfikowany model teoretyczny można wyciągać wnioski dla
złoża składającego się z kul.
Eksperyment przeprowadzono następująco:
- rozgrzano olej do średniej temperatury 157 C, regulator
RE14 dwustanowo utrzymywał tę temperaturę,
- następnie wrzucono kulę, której temperatura była równa
temperaturze otoczenia 25 C
Ze względu na różnicę gęstości pomiędzy fazą stałą i ciekłą S
>L powodującą zmniejszenie się objętości fazy stałej VS < VL o
14% podczas przemiany fazowej na górze kuli pozostawiono
wolną przestrzeń przejmującą objętość rozszerzającego się
materiału
Rys. 3.1 Przebieg topnienia PCM w kuli o średnicy 4 cm
poziom wody
Akumulator filtracyjny
Eksperyment przeprowadzono w złożu stacjonarnym w
akumulatorze z ramkami. W jego trakcie stosowano zmienne
temperatury wody zasilającej ramkę kolejno 110 C, 100 C,
105 C, 95 C. Przed wrzuceniem kul do akumulatora rozgrzano
znajdującą się w nim wodę do temperatury 90 C.
Rys. 3.2 Widok kul po wrzuceniu do akumulatora
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – model teoretyczny
Przy założeniu stałych własności PCM zagadnienie rozwiązano za
pomocą równania przewodnictwa ciepła:
z warunkiem Stefana wymiany ciepła na płaszczyźnie zmiany fazy:
w przypadku stałej temperatury TL płynnego PCM:
czas ładowania kuli tqsmelt wynosi:
gdzie:
- gęstość stałego PCM, kg/m3
cL
- ciepło właściwe fazy ciekłej, J/kgK
Tt
- pochodna temperatury po czasie, C/s
kL
- współczynnik przewodzenia ciepła fazy
ciekłej, W/mK
Tr
- pochodna temperatury po promieniu, C/m
- temperatura przemiany fazowej, C
- ciepło przemiany fazowej, J/kg
- prędkość przesuwania się płaszczyzny
zmiany fazy wzdłuż promienia R, m/s
R(t)+ - promień, m
Tm
L
R’
TL
- temperatura fazy ciekłej, C
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – pomiary
Otrzymany z pomiarów czas topnienia wynoszący tqsmelt = 13.5
minuty porównano z modelem teoretycznym.
Waga PCM znajdującego się w kuli wynosiła 28,832 g, a
średnica zastępczej kuli wypełnionej tylko PCM wynosi 20,76
mm. Po wstawieniu danych otrzymano czas ładowania
t melt
qs
770 176000
6 0 . 2 (157 82 )
0 . 021
2
11 . 1 minut
Różnica czasów 13.5 - 11.1 minuty wynika z dwóch przyczyn:
- PCM nie miał początkowej temperatury Tm=82 C i był
wymagany czas na jego podgrzanie do tej temperatury,
- w kuli występowała pustka powietrzna utrudniająca
wymianę ciepła pomiędzy olejem i materiałem PCM.
Dobrą zgodność dla badanej kuli uzyskano dla promienia
zastępczego Ro = 23 mm.
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula - mieszanina PCM-olej
W celu poprawy konwekcji ciepła wewnątrz kul i przyspieszenia
procesu roztapiania PCM - zmieszano go w różnych proporcjach z
olejem, umieszczono w kulach plastikowych o średnicy 4 cm i
poddano z zewnątrz procesowi ogrzewania olejem o różnych
temperaturach.
Zauważyć można, że:
-dla kul z mniejszym udziałem PCM czas topnienia jest krótszy,
(mniejsza ilość materiału PCM oraz lepsza konwekcja
wewnętrzna)
80
70
100⁰C
-im więcej oleju tym krótszy czas ładowania, ale gorsze własności
akumulacyjne (pojemność cieplna PCM / olej).
-im wyższa temperatura ładowania, tym mniejszy wpływ efektu
dodania oleju. Różnice w czasach ładowania (do 15%) w praktyce
są pomijalne.
C z a s to p n i e n ia , m in u ty
60
50
110⁰C
40
120⁰C
30
130⁰C
20
150⁰C
10
0
50-50
60-40
70-30
80-20
85-15
90-10
95-05
98-02
Skład procentow y P C M - olej
Rys. 3.4 Przebieg topnienia kul o średnicy 4 cm
z mieszaniną PCM - olej
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Złoże filtracyjne z kul wypełnionych PCM
Topnienie kul trwało 106 minut.
Długi czas wynika z małej różnicy
temperatur wody i przemiany fazowej
TL-Tm = 3 10 C.
Eksperymentalnie otrzymany czas pokrywa
się
z
obliczeniami
teoretycznymi
przeprowadzonymi dla pojedynczej kuli
(rys. 3.3) dla TL=90 C.
Warunkiem zakończenia ładowania był brak
odbioru ciepła przez materiał PCM
(punkt B, rys. 3.5).
Bilans cieplny akumulatora:
- maksymalna moc cieplna: 5,32 kW,
- ciepło rozgrzewania: 1262 MJ,
- ciepło ładowania kul: 472 MJ.
- ciepło przemiany fazowej kul: 1,76 MJ.
Akumulator nie był całkowicie zaizolowany,
stąd do otoczenia stracono ponad 470 MJ.
Rys. 3.5 Przebiegi temperatury T w czasie ładowania i rozładowania
akumulatora ze złożem filtracyjnym w postaci kul,
kolor fioletowy – temperatura wody w akumulatorze Tw,
kolor żółty – temperatura wody zasilającej ramkę Tz,
kolor brązowy – temperatura wody powrotnej z ramki Tp
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Materiał PCM
PCM stopił się po czasie 240-300 minut.
Na długi czas ładowania miały wpływ niekorzystne czynniki
opisane poniżej.
Zjawiska zachodzące podczas ładowania:
- PCM krzepł na ściankach akumulatora (temperatura
mniejsza od temperatury topnienia Tm);
- wokół rurek w wewnętrznej części ranki tworzą się kanały
z płynnym materiałem PCM (łatwiejsze topnienie warstw
znajdujących się dalej od rurki);
- rurki w zewnętrznej części ramki są otoczone pustką
powietrzną (PCM spłynął do pustych przestrzeni,
trudniejsze topnienie PCM w obszarze rurek).
Rys. 3.4 Widok akumulatora płaszczowo-rurowego
(schemat, pusty, zasypany materiałem PCM)
Zjawiska zachodzące podczas rozładowywania:
- pęknięcia i puste przestrzenie powietrzne (powstałe na
skutek różnicy objętości fazy stałej VS < VL o 14% );
- materiał PCM pęka tworząc mniejsze bloki (ponowny
proces ładowania utrudniony ze względu na niski
współczynnik przewodzenia powietrza).
Rys.
3.5
Termiczna
blokada
ładowania
akumulatora (puste przestrzenie w które wpływa
roztapiany PCM)
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
W celu przyspieszenia procesu ładowania materiału PCM
wprowadzano wodę do akumulatora.
a
b
Opis ładowania akumulatora po zalaniu wodą:
-woda wypełniła akumulator ponad powierzchnię PCM;
-w ciągu 10 minut temperatura wzrosła przy ściance z 31 C na 49 C
(znacznie polepszony rozpływ ciepła);
-po rozpuszczeniu części PCM, widoczna granica międzyfazowa: woda /
ciekły PCM / stały PCM;
-ciekły PCM wypływa na powierzchnię i krzepnie (prądy konwekcyjne
mieszaniny ciekły PCM / woda przemieszczają się z prędkością 13 cm/s,
temperatury wewnątrz akumulatora: 8188 C, przy ściance: 46 C;
-para wrzącej wody unosi się przez ciekły PCM i rozpuszcza stały PCM
znajdujący się na powierzchni (temperatura przy ściance 61,7 C –
najszybsza zmiana fazy w materiale PCM).
Jeżeli na dole zasobnika jest materiał PCM, to woda dociera
nad niego i roztapia go. Dzięki mniejszej gęstości fazy ciekłej
materiał PCM wypływa na górę. Stąd, po pewnym czasie,
woda znajdzie się na dnie, a PCM na górze. Woda powinna
zalewać dolną kratownicę rurek, ponieważ wtedy szybciej
ładuje się zasobnik ciepłem.
c
PCM
WODA
Rys. 3.6 Akumulator a, b – z PCM’em,
c – z mieszaniną binarną PCM-woda
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Na charakterystykach widoczne są
temperatury wody zasilającej ramkę
Tz, wody powracającej z ramki Tp,
temperatury materiału PCM oraz
temperatura otoczenia.
W początkowej fazie temperatury
wody zasilającej Tz jak i powrotnej Tp
wzrastały liniowo. Następnie były
utrzymywane ich stałe wartości:
Tz: 110 C, Tp: 104-105 C.
W akumulatorze znajdowało się:
- 44 kg materiału PCM (Tm = 77-82 C)
- 14 kg wody.
Czas ładowania: 233 minuty.
Rozładowanie akumulatora trwało 19
godzin 4 minuty.
Warunkiem zakończenia ładowania
było
wyrównanie
temperatur
wszystkich czujników rozmieszczonych
w materiale PCM.
Rys. 3.7 Przebieg procesu ładowania i rozładowania akumulatora płaszczoworurowego wypełnionego mieszaniną binarną PCM-woda w czasie
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Rys. 3.9. Zależność mocy cieplnej czasu w fazie ładowania
akumulatora filtracyjnego
Rys. 3.8. Zależność temperatury topnienia PCM od ciepła dla
danych z eksperymentu: 44 kg materiału PCM, ciepło
przemiany fazowej 176 kJ/kg . 44 kg = 7744 kJ
Różne frakcje parafin powodują pochylenie krzywej
temperatury w obszarze przemiany fazowej.
Ponadto widać, że ciepło właściwe PCM (styczna do
krzywej temperatury) zmienia się w funkcji
dostarczanego ciepła i aktualnej temperatury PCM.
Początek przemiany fazowej jest widoczny jako
wzrost pobieranej mocy lub wzrost różnicy
temperatur.
Nie pokrywa się on z deklarowanymi przez
producenta materiału PCM temperaturą przemiany
fazowej ze względu na spóźnioną reakcję czujnika
temperatury. Średnica czujnika wynosiła około 3 mm.
Stąd ciekły PCM potrzebował pewnego czasu, aby
otoczyć czujnik w całości.
3.3 AKUMULATOR WODNY
W celu porównania efektywności akumulatorów wypełnionych materiałem PCM przeprowadzono badania akumulacji z
zasobnikiem wodnym. Na rys. 3.10 pokazano ładowanie i rozładowanie akumulatora wodnego o takiej samej objętości
wody akumulującej ciepło jak łączna objętość wody i kul w akumulatorze filtracyjnym. Widoczna jest 2,5-krotnie
większa zdolność do akumulacji ciepła w akumulatorze z kulami wypełnionymi PCM (rys. 3.11).
WODA
Rys. 3.10. Rozładowanie akumulatora wodnego o takiej
samej objętości jak akumulator z kulami
PCM
Rys. 3.11. Rozładowanie akumulatora z kulami, oznaczenia
jak na rys. 3.7, zależność temperatury T od czasu
PODSUMOWANIE
4. PODSUMOWANIE
Eksperymentalnie zbadano własności dynamiczne akumulatora płaszczoworurowego i filtracyjnego. W celu przyspieszenia procesu ładowania i
pokonania bariery niskiego współczynnika przewodzenia ciepła dla materiału
PCM użyto medium pośredniczącego – wody – tworząc ciecz binarną.
Określono czas ładowania, czas rozładowania oraz opisano zjawiska
występujące podczas procesu ładowania i rozładowania akumulatora
płaszczowo - rurowego. Przykładowo czas ładowania od temperatury 25 C do
temperatury 99 C przy temperaturze wody zasilającej Tw=110 C wynosił
tqsmelt = 3 godziny 53 minuty.
Zbadano własności dynamiczne akumulatora filtracyjnego. Badano czas
topnienia tqsmelt pojedynczej kuli oraz akumulatora wypełnionego złożem w
postaci kul. Model teoretyczny czasu topnienia tqsmelt dla pojedynczej kuli
pokrywa się z wynikami uzyskanymi z eksperymentu. Uzyskane czasy
topnienia dla cylindrów i kuli wahają się od 5 minut do 68 minut w zależności
od geometrii. Również w przypadku badania złoża składającego się z kul czas
obliczony teoretycznie i zmierzony pokrywają się.
4. PODSUMOWANIE
Ważnym wnioskiem praktycznym jest to, że zarówno w przypadku akumulatora
płaszczowo – rurowego jak i filtracyjnego temperatura ciepła odbieranego nie była
stała w obszarze przejścia fazowego, pomimo, że jest stała na wykresie fazowym w tym
obszarze. Jeżeli materiał PCM krzepnie, to od strony odbioru ciepła tworzy się warstwa
stałego PCM, którego temperatura zaczyna spadać. Jeżeli topnieje, to średnia
temperatura w akumulatorze rośnie. Ponadto przy odbiorze ciepła pojawiają się
różnice w prędkości spadku temperatury PCM w akumulatorze. Najszybciej temperatura
spada do temperatury przejścia fazowego Tm, potem prędkość spadku zmniejsza się.
Z obu konstrukcji autorzy wskazują akumulator filtracyjny ze złożem w postaci kul jako
ten, który może być zastosowany w praktyce. Jest tak ze względu na krótki czas
ładowania i prostotę budowy wiążącą się z jego niezawodnością. Im krótszy czas
topnienia, tym więcej energii można odebrać od źródła ciepła odpadowego. Stąd
krotność odbioru ciepła w ciągu doby decyduje o średnicy kul wypełnionych materiałem
PCM.
pytania / komentarze / dyskusja
Dziękujemy za uwagę
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
PROGRAM STRATEGICZNY – ZAAWANSOWANE TECHNOLO
GIE POZYSKIWANIA ENERGII
ZADANIE NR 1 – „Opracowanie technologii dla wysokosprawnych „zero-emisyjnych”
bloków węglowych zintegrowanych z wychwytem CO ze spalin”
Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju zgodnie z umową
nr SP/E/1/67484/10 z dnia 05 maja 2010r, numer projektu: SP/E/1/67484/10
2
Slide 19
Wydział Mechaniczno-Energetyczny
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
Badania
efektywności akumulacji ciepła
w materiale o zmiennej fazie
SPIS TREŚCI
1. Wstęp
2. Stanowisko badawcze
3. Wyniki badań laboratoryjnych i ich analiza
3.1 Akumulator filtracyjny
3.2 Akumulator płaszczowo-rurowy
3.3 Akumulator wodny
4. Podsumowanie
1. WSTĘP
Podstawowym celem badań był wybór konstrukcji
akumulatora ciepła z wykorzystaniem materiału o
zmiennej fazie (ang. PCM – phase changing material)
zapewniającym największe wykorzystanie dostępnego
ciepła (np. ciepła odpadowego spalin za kotłem w
elektrowni).
Zbadano dwie konstrukcje – płaszczowo – rurową i
filtracyjną.
W akumulatorze płaszczowo – rurowym materiał PCM
znajdował się pomiędzy płaszczem i rurkami grzejnymi,
w których płynęła woda podgrzewając PCM.
W akumulatorze filtracyjnym PCM był umieszczony w
kulach o średnicy 4 cm. Woda grzejna swobodnie
przepływała pomiędzy kulami, w których następowała
akumulacja ciepła z zajściem przemiany fazowej.
W eksperymencie z pojedynczą kulą obserwowano
przemianę fazową w funkcji czasu. Przestrzeń wokół
kuli była wypełniona olejem ze względu na jego wyższą
temperaturę wrzenia przy ciśnieniu atmosferycznym.
Porównano wyniki eksperymentalne i teoretyczne.
A
B
2. STANOWISKO BADAWCZE
Woda jest częściowo podgrzewana
w wymienniku c.o. 1, regulowana pompa
2 wymusza obieg wody grzewczej do
instalacji
c.o.
budynku
oraz
akumulatorów 9, 10. Brakująca część
energii
potrzebnej
do
ładowania
akumulatora jest uzupełniana przez
grzałki elektryczne 5 sterowane przez
regulator 6 w funkcji temperatury wody
14. Pompa była regulaowana w funkcji
strumienia wody (p-v). W czasie
ładowania akumulatora otwierany był
zawór odcinający 16 ze względu na
przejmowanie wahań objętości wody po
jej podgrzaniu przez instalację c.o.
budynku. Zawór odcinający 15 był
wówczas
zamknięty.
W
czasie
rozładowania akumulatora otwierano
zawory 15 i 16. Do pomiaru temperatury
wewnątrz akumulatora wykorzystano
moduły 7 (ADAM firmy Advantech) oraz
rejestrator 8 (AR205 firmy Apar). Czujniki
temperatury 13 były umieszczone w
akumulatorze.
Do
układu
hydraulicznego
przyłączano akumulator ze złożem
filtracyjnym i płaszczowo-rurowym.
Rys.2.1 Schemat układu hydraulicznego z
akumulatorem płaszczowo-rurowym, filtracyjnym
i wodnym
1 – wymiennik ciepła węzeł cieplny/instalacja c.o., 2 – pompa z regulatorem prędkości
obrotowej, 3 – instalacja c.o. budynku, 4 – filtr, 5 – grzałki elektryczne, 6 - regulator
temperatury wody (nazwa : ATR), 7 – grupa modułów do rejestracji pomiarów temperatury
(nazwa : Adam), 8 – rejestrator pomiarów temperatury (nazwa: AR 205), 9 – akumulator
płaszczowo – rurowy, 10 – akumulator filtracyjny, 11 – przepływomierz, 12 – manometr, 13 –
czujnik temperatury, 14 – czujnik temperatury, 15 – zawór odcinający przewód zasilający
instalacji c.o., 16 – zawór odcinający przewód powrotny instalacji c.o.
2. STANOWISKO BADAWCZE
Widok stanowiska badawczego
Wyniki badań laboratoryjnych
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula
Celem eksperymentu była weryfikacja teoretycznego czasu
topnienia pojedynczej kuli tqsmelt. Mając eksperymentalnie
zweryfikowany model teoretyczny można wyciągać wnioski dla
złoża składającego się z kul.
Eksperyment przeprowadzono następująco:
- rozgrzano olej do średniej temperatury 157 C, regulator
RE14 dwustanowo utrzymywał tę temperaturę,
- następnie wrzucono kulę, której temperatura była równa
temperaturze otoczenia 25 C
Ze względu na różnicę gęstości pomiędzy fazą stałą i ciekłą S
>L powodującą zmniejszenie się objętości fazy stałej VS < VL o
14% podczas przemiany fazowej na górze kuli pozostawiono
wolną przestrzeń przejmującą objętość rozszerzającego się
materiału
Rys. 3.1 Przebieg topnienia PCM w kuli o średnicy 4 cm
poziom wody
Akumulator filtracyjny
Eksperyment przeprowadzono w złożu stacjonarnym w
akumulatorze z ramkami. W jego trakcie stosowano zmienne
temperatury wody zasilającej ramkę kolejno 110 C, 100 C,
105 C, 95 C. Przed wrzuceniem kul do akumulatora rozgrzano
znajdującą się w nim wodę do temperatury 90 C.
Rys. 3.2 Widok kul po wrzuceniu do akumulatora
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – model teoretyczny
Przy założeniu stałych własności PCM zagadnienie rozwiązano za
pomocą równania przewodnictwa ciepła:
z warunkiem Stefana wymiany ciepła na płaszczyźnie zmiany fazy:
w przypadku stałej temperatury TL płynnego PCM:
czas ładowania kuli tqsmelt wynosi:
gdzie:
- gęstość stałego PCM, kg/m3
cL
- ciepło właściwe fazy ciekłej, J/kgK
Tt
- pochodna temperatury po czasie, C/s
kL
- współczynnik przewodzenia ciepła fazy
ciekłej, W/mK
Tr
- pochodna temperatury po promieniu, C/m
- temperatura przemiany fazowej, C
- ciepło przemiany fazowej, J/kg
- prędkość przesuwania się płaszczyzny
zmiany fazy wzdłuż promienia R, m/s
R(t)+ - promień, m
Tm
L
R’
TL
- temperatura fazy ciekłej, C
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – pomiary
Otrzymany z pomiarów czas topnienia wynoszący tqsmelt = 13.5
minuty porównano z modelem teoretycznym.
Waga PCM znajdującego się w kuli wynosiła 28,832 g, a
średnica zastępczej kuli wypełnionej tylko PCM wynosi 20,76
mm. Po wstawieniu danych otrzymano czas ładowania
t melt
qs
770 176000
6 0 . 2 (157 82 )
0 . 021
2
11 . 1 minut
Różnica czasów 13.5 - 11.1 minuty wynika z dwóch przyczyn:
- PCM nie miał początkowej temperatury Tm=82 C i był
wymagany czas na jego podgrzanie do tej temperatury,
- w kuli występowała pustka powietrzna utrudniająca
wymianę ciepła pomiędzy olejem i materiałem PCM.
Dobrą zgodność dla badanej kuli uzyskano dla promienia
zastępczego Ro = 23 mm.
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula - mieszanina PCM-olej
W celu poprawy konwekcji ciepła wewnątrz kul i przyspieszenia
procesu roztapiania PCM - zmieszano go w różnych proporcjach z
olejem, umieszczono w kulach plastikowych o średnicy 4 cm i
poddano z zewnątrz procesowi ogrzewania olejem o różnych
temperaturach.
Zauważyć można, że:
-dla kul z mniejszym udziałem PCM czas topnienia jest krótszy,
(mniejsza ilość materiału PCM oraz lepsza konwekcja
wewnętrzna)
80
70
100⁰C
-im więcej oleju tym krótszy czas ładowania, ale gorsze własności
akumulacyjne (pojemność cieplna PCM / olej).
-im wyższa temperatura ładowania, tym mniejszy wpływ efektu
dodania oleju. Różnice w czasach ładowania (do 15%) w praktyce
są pomijalne.
C z a s to p n i e n ia , m in u ty
60
50
110⁰C
40
120⁰C
30
130⁰C
20
150⁰C
10
0
50-50
60-40
70-30
80-20
85-15
90-10
95-05
98-02
Skład procentow y P C M - olej
Rys. 3.4 Przebieg topnienia kul o średnicy 4 cm
z mieszaniną PCM - olej
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Złoże filtracyjne z kul wypełnionych PCM
Topnienie kul trwało 106 minut.
Długi czas wynika z małej różnicy
temperatur wody i przemiany fazowej
TL-Tm = 3 10 C.
Eksperymentalnie otrzymany czas pokrywa
się
z
obliczeniami
teoretycznymi
przeprowadzonymi dla pojedynczej kuli
(rys. 3.3) dla TL=90 C.
Warunkiem zakończenia ładowania był brak
odbioru ciepła przez materiał PCM
(punkt B, rys. 3.5).
Bilans cieplny akumulatora:
- maksymalna moc cieplna: 5,32 kW,
- ciepło rozgrzewania: 1262 MJ,
- ciepło ładowania kul: 472 MJ.
- ciepło przemiany fazowej kul: 1,76 MJ.
Akumulator nie był całkowicie zaizolowany,
stąd do otoczenia stracono ponad 470 MJ.
Rys. 3.5 Przebiegi temperatury T w czasie ładowania i rozładowania
akumulatora ze złożem filtracyjnym w postaci kul,
kolor fioletowy – temperatura wody w akumulatorze Tw,
kolor żółty – temperatura wody zasilającej ramkę Tz,
kolor brązowy – temperatura wody powrotnej z ramki Tp
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Materiał PCM
PCM stopił się po czasie 240-300 minut.
Na długi czas ładowania miały wpływ niekorzystne czynniki
opisane poniżej.
Zjawiska zachodzące podczas ładowania:
- PCM krzepł na ściankach akumulatora (temperatura
mniejsza od temperatury topnienia Tm);
- wokół rurek w wewnętrznej części ranki tworzą się kanały
z płynnym materiałem PCM (łatwiejsze topnienie warstw
znajdujących się dalej od rurki);
- rurki w zewnętrznej części ramki są otoczone pustką
powietrzną (PCM spłynął do pustych przestrzeni,
trudniejsze topnienie PCM w obszarze rurek).
Rys. 3.4 Widok akumulatora płaszczowo-rurowego
(schemat, pusty, zasypany materiałem PCM)
Zjawiska zachodzące podczas rozładowywania:
- pęknięcia i puste przestrzenie powietrzne (powstałe na
skutek różnicy objętości fazy stałej VS < VL o 14% );
- materiał PCM pęka tworząc mniejsze bloki (ponowny
proces ładowania utrudniony ze względu na niski
współczynnik przewodzenia powietrza).
Rys.
3.5
Termiczna
blokada
ładowania
akumulatora (puste przestrzenie w które wpływa
roztapiany PCM)
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
W celu przyspieszenia procesu ładowania materiału PCM
wprowadzano wodę do akumulatora.
a
b
Opis ładowania akumulatora po zalaniu wodą:
-woda wypełniła akumulator ponad powierzchnię PCM;
-w ciągu 10 minut temperatura wzrosła przy ściance z 31 C na 49 C
(znacznie polepszony rozpływ ciepła);
-po rozpuszczeniu części PCM, widoczna granica międzyfazowa: woda /
ciekły PCM / stały PCM;
-ciekły PCM wypływa na powierzchnię i krzepnie (prądy konwekcyjne
mieszaniny ciekły PCM / woda przemieszczają się z prędkością 13 cm/s,
temperatury wewnątrz akumulatora: 8188 C, przy ściance: 46 C;
-para wrzącej wody unosi się przez ciekły PCM i rozpuszcza stały PCM
znajdujący się na powierzchni (temperatura przy ściance 61,7 C –
najszybsza zmiana fazy w materiale PCM).
Jeżeli na dole zasobnika jest materiał PCM, to woda dociera
nad niego i roztapia go. Dzięki mniejszej gęstości fazy ciekłej
materiał PCM wypływa na górę. Stąd, po pewnym czasie,
woda znajdzie się na dnie, a PCM na górze. Woda powinna
zalewać dolną kratownicę rurek, ponieważ wtedy szybciej
ładuje się zasobnik ciepłem.
c
PCM
WODA
Rys. 3.6 Akumulator a, b – z PCM’em,
c – z mieszaniną binarną PCM-woda
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Na charakterystykach widoczne są
temperatury wody zasilającej ramkę
Tz, wody powracającej z ramki Tp,
temperatury materiału PCM oraz
temperatura otoczenia.
W początkowej fazie temperatury
wody zasilającej Tz jak i powrotnej Tp
wzrastały liniowo. Następnie były
utrzymywane ich stałe wartości:
Tz: 110 C, Tp: 104-105 C.
W akumulatorze znajdowało się:
- 44 kg materiału PCM (Tm = 77-82 C)
- 14 kg wody.
Czas ładowania: 233 minuty.
Rozładowanie akumulatora trwało 19
godzin 4 minuty.
Warunkiem zakończenia ładowania
było
wyrównanie
temperatur
wszystkich czujników rozmieszczonych
w materiale PCM.
Rys. 3.7 Przebieg procesu ładowania i rozładowania akumulatora płaszczoworurowego wypełnionego mieszaniną binarną PCM-woda w czasie
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Rys. 3.9. Zależność mocy cieplnej czasu w fazie ładowania
akumulatora filtracyjnego
Rys. 3.8. Zależność temperatury topnienia PCM od ciepła dla
danych z eksperymentu: 44 kg materiału PCM, ciepło
przemiany fazowej 176 kJ/kg . 44 kg = 7744 kJ
Różne frakcje parafin powodują pochylenie krzywej
temperatury w obszarze przemiany fazowej.
Ponadto widać, że ciepło właściwe PCM (styczna do
krzywej temperatury) zmienia się w funkcji
dostarczanego ciepła i aktualnej temperatury PCM.
Początek przemiany fazowej jest widoczny jako
wzrost pobieranej mocy lub wzrost różnicy
temperatur.
Nie pokrywa się on z deklarowanymi przez
producenta materiału PCM temperaturą przemiany
fazowej ze względu na spóźnioną reakcję czujnika
temperatury. Średnica czujnika wynosiła około 3 mm.
Stąd ciekły PCM potrzebował pewnego czasu, aby
otoczyć czujnik w całości.
3.3 AKUMULATOR WODNY
W celu porównania efektywności akumulatorów wypełnionych materiałem PCM przeprowadzono badania akumulacji z
zasobnikiem wodnym. Na rys. 3.10 pokazano ładowanie i rozładowanie akumulatora wodnego o takiej samej objętości
wody akumulującej ciepło jak łączna objętość wody i kul w akumulatorze filtracyjnym. Widoczna jest 2,5-krotnie
większa zdolność do akumulacji ciepła w akumulatorze z kulami wypełnionymi PCM (rys. 3.11).
WODA
Rys. 3.10. Rozładowanie akumulatora wodnego o takiej
samej objętości jak akumulator z kulami
PCM
Rys. 3.11. Rozładowanie akumulatora z kulami, oznaczenia
jak na rys. 3.7, zależność temperatury T od czasu
PODSUMOWANIE
4. PODSUMOWANIE
Eksperymentalnie zbadano własności dynamiczne akumulatora płaszczoworurowego i filtracyjnego. W celu przyspieszenia procesu ładowania i
pokonania bariery niskiego współczynnika przewodzenia ciepła dla materiału
PCM użyto medium pośredniczącego – wody – tworząc ciecz binarną.
Określono czas ładowania, czas rozładowania oraz opisano zjawiska
występujące podczas procesu ładowania i rozładowania akumulatora
płaszczowo - rurowego. Przykładowo czas ładowania od temperatury 25 C do
temperatury 99 C przy temperaturze wody zasilającej Tw=110 C wynosił
tqsmelt = 3 godziny 53 minuty.
Zbadano własności dynamiczne akumulatora filtracyjnego. Badano czas
topnienia tqsmelt pojedynczej kuli oraz akumulatora wypełnionego złożem w
postaci kul. Model teoretyczny czasu topnienia tqsmelt dla pojedynczej kuli
pokrywa się z wynikami uzyskanymi z eksperymentu. Uzyskane czasy
topnienia dla cylindrów i kuli wahają się od 5 minut do 68 minut w zależności
od geometrii. Również w przypadku badania złoża składającego się z kul czas
obliczony teoretycznie i zmierzony pokrywają się.
4. PODSUMOWANIE
Ważnym wnioskiem praktycznym jest to, że zarówno w przypadku akumulatora
płaszczowo – rurowego jak i filtracyjnego temperatura ciepła odbieranego nie była
stała w obszarze przejścia fazowego, pomimo, że jest stała na wykresie fazowym w tym
obszarze. Jeżeli materiał PCM krzepnie, to od strony odbioru ciepła tworzy się warstwa
stałego PCM, którego temperatura zaczyna spadać. Jeżeli topnieje, to średnia
temperatura w akumulatorze rośnie. Ponadto przy odbiorze ciepła pojawiają się
różnice w prędkości spadku temperatury PCM w akumulatorze. Najszybciej temperatura
spada do temperatury przejścia fazowego Tm, potem prędkość spadku zmniejsza się.
Z obu konstrukcji autorzy wskazują akumulator filtracyjny ze złożem w postaci kul jako
ten, który może być zastosowany w praktyce. Jest tak ze względu na krótki czas
ładowania i prostotę budowy wiążącą się z jego niezawodnością. Im krótszy czas
topnienia, tym więcej energii można odebrać od źródła ciepła odpadowego. Stąd
krotność odbioru ciepła w ciągu doby decyduje o średnicy kul wypełnionych materiałem
PCM.
pytania / komentarze / dyskusja
Dziękujemy za uwagę
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
PROGRAM STRATEGICZNY – ZAAWANSOWANE TECHNOLO
GIE POZYSKIWANIA ENERGII
ZADANIE NR 1 – „Opracowanie technologii dla wysokosprawnych „zero-emisyjnych”
bloków węglowych zintegrowanych z wychwytem CO ze spalin”
Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju zgodnie z umową
nr SP/E/1/67484/10 z dnia 05 maja 2010r, numer projektu: SP/E/1/67484/10
2
Slide 20
Wydział Mechaniczno-Energetyczny
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
Badania
efektywności akumulacji ciepła
w materiale o zmiennej fazie
SPIS TREŚCI
1. Wstęp
2. Stanowisko badawcze
3. Wyniki badań laboratoryjnych i ich analiza
3.1 Akumulator filtracyjny
3.2 Akumulator płaszczowo-rurowy
3.3 Akumulator wodny
4. Podsumowanie
1. WSTĘP
Podstawowym celem badań był wybór konstrukcji
akumulatora ciepła z wykorzystaniem materiału o
zmiennej fazie (ang. PCM – phase changing material)
zapewniającym największe wykorzystanie dostępnego
ciepła (np. ciepła odpadowego spalin za kotłem w
elektrowni).
Zbadano dwie konstrukcje – płaszczowo – rurową i
filtracyjną.
W akumulatorze płaszczowo – rurowym materiał PCM
znajdował się pomiędzy płaszczem i rurkami grzejnymi,
w których płynęła woda podgrzewając PCM.
W akumulatorze filtracyjnym PCM był umieszczony w
kulach o średnicy 4 cm. Woda grzejna swobodnie
przepływała pomiędzy kulami, w których następowała
akumulacja ciepła z zajściem przemiany fazowej.
W eksperymencie z pojedynczą kulą obserwowano
przemianę fazową w funkcji czasu. Przestrzeń wokół
kuli była wypełniona olejem ze względu na jego wyższą
temperaturę wrzenia przy ciśnieniu atmosferycznym.
Porównano wyniki eksperymentalne i teoretyczne.
A
B
2. STANOWISKO BADAWCZE
Woda jest częściowo podgrzewana
w wymienniku c.o. 1, regulowana pompa
2 wymusza obieg wody grzewczej do
instalacji
c.o.
budynku
oraz
akumulatorów 9, 10. Brakująca część
energii
potrzebnej
do
ładowania
akumulatora jest uzupełniana przez
grzałki elektryczne 5 sterowane przez
regulator 6 w funkcji temperatury wody
14. Pompa była regulaowana w funkcji
strumienia wody (p-v). W czasie
ładowania akumulatora otwierany był
zawór odcinający 16 ze względu na
przejmowanie wahań objętości wody po
jej podgrzaniu przez instalację c.o.
budynku. Zawór odcinający 15 był
wówczas
zamknięty.
W
czasie
rozładowania akumulatora otwierano
zawory 15 i 16. Do pomiaru temperatury
wewnątrz akumulatora wykorzystano
moduły 7 (ADAM firmy Advantech) oraz
rejestrator 8 (AR205 firmy Apar). Czujniki
temperatury 13 były umieszczone w
akumulatorze.
Do
układu
hydraulicznego
przyłączano akumulator ze złożem
filtracyjnym i płaszczowo-rurowym.
Rys.2.1 Schemat układu hydraulicznego z
akumulatorem płaszczowo-rurowym, filtracyjnym
i wodnym
1 – wymiennik ciepła węzeł cieplny/instalacja c.o., 2 – pompa z regulatorem prędkości
obrotowej, 3 – instalacja c.o. budynku, 4 – filtr, 5 – grzałki elektryczne, 6 - regulator
temperatury wody (nazwa : ATR), 7 – grupa modułów do rejestracji pomiarów temperatury
(nazwa : Adam), 8 – rejestrator pomiarów temperatury (nazwa: AR 205), 9 – akumulator
płaszczowo – rurowy, 10 – akumulator filtracyjny, 11 – przepływomierz, 12 – manometr, 13 –
czujnik temperatury, 14 – czujnik temperatury, 15 – zawór odcinający przewód zasilający
instalacji c.o., 16 – zawór odcinający przewód powrotny instalacji c.o.
2. STANOWISKO BADAWCZE
Widok stanowiska badawczego
Wyniki badań laboratoryjnych
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula
Celem eksperymentu była weryfikacja teoretycznego czasu
topnienia pojedynczej kuli tqsmelt. Mając eksperymentalnie
zweryfikowany model teoretyczny można wyciągać wnioski dla
złoża składającego się z kul.
Eksperyment przeprowadzono następująco:
- rozgrzano olej do średniej temperatury 157 C, regulator
RE14 dwustanowo utrzymywał tę temperaturę,
- następnie wrzucono kulę, której temperatura była równa
temperaturze otoczenia 25 C
Ze względu na różnicę gęstości pomiędzy fazą stałą i ciekłą S
>L powodującą zmniejszenie się objętości fazy stałej VS < VL o
14% podczas przemiany fazowej na górze kuli pozostawiono
wolną przestrzeń przejmującą objętość rozszerzającego się
materiału
Rys. 3.1 Przebieg topnienia PCM w kuli o średnicy 4 cm
poziom wody
Akumulator filtracyjny
Eksperyment przeprowadzono w złożu stacjonarnym w
akumulatorze z ramkami. W jego trakcie stosowano zmienne
temperatury wody zasilającej ramkę kolejno 110 C, 100 C,
105 C, 95 C. Przed wrzuceniem kul do akumulatora rozgrzano
znajdującą się w nim wodę do temperatury 90 C.
Rys. 3.2 Widok kul po wrzuceniu do akumulatora
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – model teoretyczny
Przy założeniu stałych własności PCM zagadnienie rozwiązano za
pomocą równania przewodnictwa ciepła:
z warunkiem Stefana wymiany ciepła na płaszczyźnie zmiany fazy:
w przypadku stałej temperatury TL płynnego PCM:
czas ładowania kuli tqsmelt wynosi:
gdzie:
- gęstość stałego PCM, kg/m3
cL
- ciepło właściwe fazy ciekłej, J/kgK
Tt
- pochodna temperatury po czasie, C/s
kL
- współczynnik przewodzenia ciepła fazy
ciekłej, W/mK
Tr
- pochodna temperatury po promieniu, C/m
- temperatura przemiany fazowej, C
- ciepło przemiany fazowej, J/kg
- prędkość przesuwania się płaszczyzny
zmiany fazy wzdłuż promienia R, m/s
R(t)+ - promień, m
Tm
L
R’
TL
- temperatura fazy ciekłej, C
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula – pomiary
Otrzymany z pomiarów czas topnienia wynoszący tqsmelt = 13.5
minuty porównano z modelem teoretycznym.
Waga PCM znajdującego się w kuli wynosiła 28,832 g, a
średnica zastępczej kuli wypełnionej tylko PCM wynosi 20,76
mm. Po wstawieniu danych otrzymano czas ładowania
t melt
qs
770 176000
6 0 . 2 (157 82 )
0 . 021
2
11 . 1 minut
Różnica czasów 13.5 - 11.1 minuty wynika z dwóch przyczyn:
- PCM nie miał początkowej temperatury Tm=82 C i był
wymagany czas na jego podgrzanie do tej temperatury,
- w kuli występowała pustka powietrzna utrudniająca
wymianę ciepła pomiędzy olejem i materiałem PCM.
Dobrą zgodność dla badanej kuli uzyskano dla promienia
zastępczego Ro = 23 mm.
Rys. 3.3 Czas topnienia kuli w funkcji jej
średnicy i temperatury ładowania od 90 C do
157 C dla badanego materiału PCM o
temperaturze topnienia Tm=82 C
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Pojedyncza kula - mieszanina PCM-olej
W celu poprawy konwekcji ciepła wewnątrz kul i przyspieszenia
procesu roztapiania PCM - zmieszano go w różnych proporcjach z
olejem, umieszczono w kulach plastikowych o średnicy 4 cm i
poddano z zewnątrz procesowi ogrzewania olejem o różnych
temperaturach.
Zauważyć można, że:
-dla kul z mniejszym udziałem PCM czas topnienia jest krótszy,
(mniejsza ilość materiału PCM oraz lepsza konwekcja
wewnętrzna)
80
70
100⁰C
-im więcej oleju tym krótszy czas ładowania, ale gorsze własności
akumulacyjne (pojemność cieplna PCM / olej).
-im wyższa temperatura ładowania, tym mniejszy wpływ efektu
dodania oleju. Różnice w czasach ładowania (do 15%) w praktyce
są pomijalne.
C z a s to p n i e n ia , m in u ty
60
50
110⁰C
40
120⁰C
30
130⁰C
20
150⁰C
10
0
50-50
60-40
70-30
80-20
85-15
90-10
95-05
98-02
Skład procentow y P C M - olej
Rys. 3.4 Przebieg topnienia kul o średnicy 4 cm
z mieszaniną PCM - olej
3.1 AKUMULATOR FILTRACYJNY
Złoże filtracyjne z kul wypełnionych PCM
Topnienie kul trwało 106 minut.
Długi czas wynika z małej różnicy
temperatur wody i przemiany fazowej
TL-Tm = 3 10 C.
Eksperymentalnie otrzymany czas pokrywa
się
z
obliczeniami
teoretycznymi
przeprowadzonymi dla pojedynczej kuli
(rys. 3.3) dla TL=90 C.
Warunkiem zakończenia ładowania był brak
odbioru ciepła przez materiał PCM
(punkt B, rys. 3.5).
Bilans cieplny akumulatora:
- maksymalna moc cieplna: 5,32 kW,
- ciepło rozgrzewania: 1262 MJ,
- ciepło ładowania kul: 472 MJ.
- ciepło przemiany fazowej kul: 1,76 MJ.
Akumulator nie był całkowicie zaizolowany,
stąd do otoczenia stracono ponad 470 MJ.
Rys. 3.5 Przebiegi temperatury T w czasie ładowania i rozładowania
akumulatora ze złożem filtracyjnym w postaci kul,
kolor fioletowy – temperatura wody w akumulatorze Tw,
kolor żółty – temperatura wody zasilającej ramkę Tz,
kolor brązowy – temperatura wody powrotnej z ramki Tp
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Materiał PCM
PCM stopił się po czasie 240-300 minut.
Na długi czas ładowania miały wpływ niekorzystne czynniki
opisane poniżej.
Zjawiska zachodzące podczas ładowania:
- PCM krzepł na ściankach akumulatora (temperatura
mniejsza od temperatury topnienia Tm);
- wokół rurek w wewnętrznej części ranki tworzą się kanały
z płynnym materiałem PCM (łatwiejsze topnienie warstw
znajdujących się dalej od rurki);
- rurki w zewnętrznej części ramki są otoczone pustką
powietrzną (PCM spłynął do pustych przestrzeni,
trudniejsze topnienie PCM w obszarze rurek).
Rys. 3.4 Widok akumulatora płaszczowo-rurowego
(schemat, pusty, zasypany materiałem PCM)
Zjawiska zachodzące podczas rozładowywania:
- pęknięcia i puste przestrzenie powietrzne (powstałe na
skutek różnicy objętości fazy stałej VS < VL o 14% );
- materiał PCM pęka tworząc mniejsze bloki (ponowny
proces ładowania utrudniony ze względu na niski
współczynnik przewodzenia powietrza).
Rys.
3.5
Termiczna
blokada
ładowania
akumulatora (puste przestrzenie w które wpływa
roztapiany PCM)
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
W celu przyspieszenia procesu ładowania materiału PCM
wprowadzano wodę do akumulatora.
a
b
Opis ładowania akumulatora po zalaniu wodą:
-woda wypełniła akumulator ponad powierzchnię PCM;
-w ciągu 10 minut temperatura wzrosła przy ściance z 31 C na 49 C
(znacznie polepszony rozpływ ciepła);
-po rozpuszczeniu części PCM, widoczna granica międzyfazowa: woda /
ciekły PCM / stały PCM;
-ciekły PCM wypływa na powierzchnię i krzepnie (prądy konwekcyjne
mieszaniny ciekły PCM / woda przemieszczają się z prędkością 13 cm/s,
temperatury wewnątrz akumulatora: 8188 C, przy ściance: 46 C;
-para wrzącej wody unosi się przez ciekły PCM i rozpuszcza stały PCM
znajdujący się na powierzchni (temperatura przy ściance 61,7 C –
najszybsza zmiana fazy w materiale PCM).
Jeżeli na dole zasobnika jest materiał PCM, to woda dociera
nad niego i roztapia go. Dzięki mniejszej gęstości fazy ciekłej
materiał PCM wypływa na górę. Stąd, po pewnym czasie,
woda znajdzie się na dnie, a PCM na górze. Woda powinna
zalewać dolną kratownicę rurek, ponieważ wtedy szybciej
ładuje się zasobnik ciepłem.
c
PCM
WODA
Rys. 3.6 Akumulator a, b – z PCM’em,
c – z mieszaniną binarną PCM-woda
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Na charakterystykach widoczne są
temperatury wody zasilającej ramkę
Tz, wody powracającej z ramki Tp,
temperatury materiału PCM oraz
temperatura otoczenia.
W początkowej fazie temperatury
wody zasilającej Tz jak i powrotnej Tp
wzrastały liniowo. Następnie były
utrzymywane ich stałe wartości:
Tz: 110 C, Tp: 104-105 C.
W akumulatorze znajdowało się:
- 44 kg materiału PCM (Tm = 77-82 C)
- 14 kg wody.
Czas ładowania: 233 minuty.
Rozładowanie akumulatora trwało 19
godzin 4 minuty.
Warunkiem zakończenia ładowania
było
wyrównanie
temperatur
wszystkich czujników rozmieszczonych
w materiale PCM.
Rys. 3.7 Przebieg procesu ładowania i rozładowania akumulatora płaszczoworurowego wypełnionego mieszaniną binarną PCM-woda w czasie
3.2 AKUMULATOR PŁASZCZOWO-RUROWY
Mieszanina binarna PCM-woda
Rys. 3.9. Zależność mocy cieplnej czasu w fazie ładowania
akumulatora filtracyjnego
Rys. 3.8. Zależność temperatury topnienia PCM od ciepła dla
danych z eksperymentu: 44 kg materiału PCM, ciepło
przemiany fazowej 176 kJ/kg . 44 kg = 7744 kJ
Różne frakcje parafin powodują pochylenie krzywej
temperatury w obszarze przemiany fazowej.
Ponadto widać, że ciepło właściwe PCM (styczna do
krzywej temperatury) zmienia się w funkcji
dostarczanego ciepła i aktualnej temperatury PCM.
Początek przemiany fazowej jest widoczny jako
wzrost pobieranej mocy lub wzrost różnicy
temperatur.
Nie pokrywa się on z deklarowanymi przez
producenta materiału PCM temperaturą przemiany
fazowej ze względu na spóźnioną reakcję czujnika
temperatury. Średnica czujnika wynosiła około 3 mm.
Stąd ciekły PCM potrzebował pewnego czasu, aby
otoczyć czujnik w całości.
3.3 AKUMULATOR WODNY
W celu porównania efektywności akumulatorów wypełnionych materiałem PCM przeprowadzono badania akumulacji z
zasobnikiem wodnym. Na rys. 3.10 pokazano ładowanie i rozładowanie akumulatora wodnego o takiej samej objętości
wody akumulującej ciepło jak łączna objętość wody i kul w akumulatorze filtracyjnym. Widoczna jest 2,5-krotnie
większa zdolność do akumulacji ciepła w akumulatorze z kulami wypełnionymi PCM (rys. 3.11).
WODA
Rys. 3.10. Rozładowanie akumulatora wodnego o takiej
samej objętości jak akumulator z kulami
PCM
Rys. 3.11. Rozładowanie akumulatora z kulami, oznaczenia
jak na rys. 3.7, zależność temperatury T od czasu
PODSUMOWANIE
4. PODSUMOWANIE
Eksperymentalnie zbadano własności dynamiczne akumulatora płaszczoworurowego i filtracyjnego. W celu przyspieszenia procesu ładowania i
pokonania bariery niskiego współczynnika przewodzenia ciepła dla materiału
PCM użyto medium pośredniczącego – wody – tworząc ciecz binarną.
Określono czas ładowania, czas rozładowania oraz opisano zjawiska
występujące podczas procesu ładowania i rozładowania akumulatora
płaszczowo - rurowego. Przykładowo czas ładowania od temperatury 25 C do
temperatury 99 C przy temperaturze wody zasilającej Tw=110 C wynosił
tqsmelt = 3 godziny 53 minuty.
Zbadano własności dynamiczne akumulatora filtracyjnego. Badano czas
topnienia tqsmelt pojedynczej kuli oraz akumulatora wypełnionego złożem w
postaci kul. Model teoretyczny czasu topnienia tqsmelt dla pojedynczej kuli
pokrywa się z wynikami uzyskanymi z eksperymentu. Uzyskane czasy
topnienia dla cylindrów i kuli wahają się od 5 minut do 68 minut w zależności
od geometrii. Również w przypadku badania złoża składającego się z kul czas
obliczony teoretycznie i zmierzony pokrywają się.
4. PODSUMOWANIE
Ważnym wnioskiem praktycznym jest to, że zarówno w przypadku akumulatora
płaszczowo – rurowego jak i filtracyjnego temperatura ciepła odbieranego nie była
stała w obszarze przejścia fazowego, pomimo, że jest stała na wykresie fazowym w tym
obszarze. Jeżeli materiał PCM krzepnie, to od strony odbioru ciepła tworzy się warstwa
stałego PCM, którego temperatura zaczyna spadać. Jeżeli topnieje, to średnia
temperatura w akumulatorze rośnie. Ponadto przy odbiorze ciepła pojawiają się
różnice w prędkości spadku temperatury PCM w akumulatorze. Najszybciej temperatura
spada do temperatury przejścia fazowego Tm, potem prędkość spadku zmniejsza się.
Z obu konstrukcji autorzy wskazują akumulator filtracyjny ze złożem w postaci kul jako
ten, który może być zastosowany w praktyce. Jest tak ze względu na krótki czas
ładowania i prostotę budowy wiążącą się z jego niezawodnością. Im krótszy czas
topnienia, tym więcej energii można odebrać od źródła ciepła odpadowego. Stąd
krotność odbioru ciepła w ciągu doby decyduje o średnicy kul wypełnionych materiałem
PCM.
pytania / komentarze / dyskusja
Dziękujemy za uwagę
Janusz LICHOTA, Michał LEPSZY, Kazimierz WÓJS
PROGRAM STRATEGICZNY – ZAAWANSOWANE TECHNOLO
GIE POZYSKIWANIA ENERGII
ZADANIE NR 1 – „Opracowanie technologii dla wysokosprawnych „zero-emisyjnych”
bloków węglowych zintegrowanych z wychwytem CO ze spalin”
Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju zgodnie z umową
nr SP/E/1/67484/10 z dnia 05 maja 2010r, numer projektu: SP/E/1/67484/10
2