Tepelná čerpadla: Část 5 - Sorpční čerpadla

12.1

Tepelná čerpadla: Část 5 – Sorpční čerpadla

Ing. Bohumír Číhal

Konstrukčně odlišná tepelná čerpadla založená na principu sorpce využívají mezimolekulárních vazeb absorbentu k pracovní látce, chladivu. Hnací sílou, která mění mezimolekulární síly, je dodávaná tepelná energie, která umožňuje cyklický proces navazování pracovní látky při nízké teplotě na absorbent a její opětné uvolňování při teplotě vyšší. Využívají se dvě možnosti fyzikálních procesů, adsorpce a absorpce.

Adsorpce je fyzikální děj, při kterém je tekutý adsorbát (plyn nebo kapalina) pevně vázán na povrchu pevné látky (adsorbentu). Adsorpce se používá především k oddělování složek obsažených v malé koncentraci v tekutinách (v plynech či kapalinách). Předpokladem je, že kapalina pevnou látku smáčí.

Fyzikální adsorpci vyvolávají přitažlivé sily mezi molekulami pevné látky a molekulami kapalné látky. Když budou přitažlivé sily mezi molekulami samotné páry, bude pára kondenzovat na povrchu pevné látky, i když její parciální tlak bude nižší, než tlak nasycených par při dané teplotě. Tento děj je provázen tvorbou tepla, kterému říkáme adsorpčni teplo. Adsorbovaná látka se nerozpouští v krystalové mřížce pevné látky, ale zůstane zcela na povrchu. Obsahuje-li pevná látka větší množství jemných kapilár, pronikne adsorbovaná látka až do pórů. Při rovnovážném stavu se parciální tlak adsorbátu rovna jejímu parciálnímu tlaku v tekutině. Lze říci, že pevná látka je již plně nasycena. V momentě, když snížíme parciální tlak látky v tekutině, nebo když zvýšíme parciální tlak adsorbátu se vyvolá desorpce a látku opět získáme v původním stavu.

Absorpce je fyzikální děj, při němž se rozpouští plynná fáze v kapalině. Plyn se nazývá absorbát (chladivo) a kapalina absorbent.

Podmínkou je, že plyn, který má byt absorbován, musí byt rozpustný v kapalině. Jako pracovní dvojice absorbát/absorbent se používají nejčastěji amoniak (NH3)/voda, resp. voda/vodný roztok bromidu litného (LiBr). U dvojice amoniak (NH3)/voda lze dosáhnout teplot chlazené látky, které jsou pod nulou. Zařízení s roztokem LiBr pracují při teplotách vyšších než nula (chladivem je voda), jsou proto vhodná pro klimatizační systémy.

Absorpční zařízení se používají především pro velké chladicí výkony. Vhodné jsou na výrobu chladu v občanské vybavenosti pro potřeby klimatizace, kde na jejich provoz lze použít teplo z primárního energetického zdroje. Pro průmyslové aplikace jsou absorpční chladicí zařízení s vysokými výkony energeticky i ekonomicky efektivní a mohou se k jejich provozu použít i vysokoteplotní toky odpadového tepla. Adsorpční zařízení dosahují nižší hodnoty energetické efektivnosti a jejich použití je zatím výhodné jen pro menší výkony. Adsorpční tepelná čerpadla jsou zatím ve stadiu výzkumu a vývoje.

Vzhledem k ekologickému provozu zařízení by sorpční zařízení měla mít prostor na uplatnění mezi progresivními metodami technických zařízení budov. Kromě použití environmentálně vhodných látek a materiálů zabezpečí i možnost snížení energetické náročnosti moderních staveb.

Dále se zaměříme podrobněji na jednotlivé typy tepelných čerpadel.

 NahoruTepelná čerpadla absorpční

Absorbční tepelná čerpadla jsou schopná přenášet tepelnou energii z místa o nižším tepelném potenciálu do míst s vyšším tepelným potenciálem. Tato transformace tepelných toků prováděná absorpčním tepelným čerpadlem je založena na zvýšení bodu varu sorbentového roztoku ve srovnání s čistým chladivem.

Pro tuto činnost je třeba dodávat termodynamickou energii ve formě práce nebo tepla. Tepelná čerpadla poháněná tepelnou energií mohou používat teplo vyrobené přímo za tímto účelem (pomocí integrovaného hořáku), nebo může být využito teplo z jiného zdroje. Plynová absorpční tepelná čerpadla využívají tepelnou energii vzniklou hořením zemního plynu.

Absorpční oběh je vhodné použít v případě, je-li k dispozici levný zdroj tepla o vysokém potenciálu (např. horká voda/pára ohřátá z technologického procesu, solárního záření apod.). Spotřeba elektrické energie u absorpční jednotky je okolo 5 % a představuje příkon čerpadla (u kompresorové 30 až 50 % celkového výkonu zařízení). Výhodou absorpční jednotky je především vyšší životnost a spolehlivost zařízení a nízká hlučnost provozu. Naopak kompresorové chladicí zařízení má oproti absorpční jednotce výrazně menší rozměry a hmotnost.

 NahoruCarnotův cyklus pro čerpání tepla

Následující obrázek popisuje Carnotův cyklus, který pracuje jako cyklus tepelného čerpadla.

Obr. č. 1: Carnotův cyklus pro čerpání tepla:

Teplo O₀ je přenášeno pracovní látce o teplotě T₀ na úsečce DC (izotermická expanze). Mezi body CB dochází k adiabatickému stlačení tekutiny. Úsečka BA popisuje izotermické stlačení při teplotě T₁ a následně probíhá mezi body AD adiabatická expanze, po které se dostáváme na začátek cyklu.

Oblast DCBA představuje čistý výkon potřebný pro tento cyklus. Oblast DCFE popisuje množství absorbovaného tepla O₀. Součet těchto dvou ploch nám dává množství tepla odvedeného z cyklu za teploty T₁.

 NahoruFunkční části tepelného čerpadla

Absorpční tepelné čerpadlo se skládá ze čtyř hlavních součástí: výparníku, absorbéru, kondenzátoru a desorbéru (regenerátoru). Nejdůležitějším zařízením je absorbér. Pracovní princip absorpčního tepelného čerpadla je znázorněn na následujícím obrázku.

Obr. č. 2: Schéma absorpčního oběhu v diagramu tlak-teplota:

Zařízení čerpadla pracují ve dvou různých úrovních tlaku. Chladivo se odpařuje při nízkém tlaku ve výparníku a vrací se do kapalné fáze v absorbéru, což vede ke zvýšení obsahu chladiva v roztoku sorbentu. V desorbéru je roztok sorbentu vařen při vysokém tlaku, aby se oddělilo chladivo a obnovila sorpční schopnost roztoku. Extrahované chladivo kondenzuje v kondenzátoru a vrací se do výparníku. Pro nepřetržitý provoz cirkuluje sorbentový roztok mezi absorbérem a desorbérem.

Výměník tepla v roztoku slouží k regeneraci citlivého tepla ve smyčce roztoku, což pozitivně ovlivňuje výkon cyklu. Odpařování chladiva a regenerace sorbentového roztoku jsou poháněny vstupem tepla QE ze zdroje tepla v okolí a poháněním tepla QD. Během absorpce a kondenzace se uvolňuje užitečné teplo Q_A a Q_k v absorbéru a kondenzátoru.

Tab. č. 1: Ilustrační příklad parametrů absorpční jednotky:

 NahoruPracovní kapaliny

Parametry reálného zařízení jsou silně závislé na vlastnostech pracovních kapalin. Zvolené kapaliny mají také velký vliv na ekonomické hledisko jak z hlediska pořizovacích nákladů, tak nákladů spojených s provozem. Pracovní kapaliny absorpčního tepelného čerpadla zahrnují chladivo a absorbent. Existuje pro ně několik důležitých kritérií:

• Rozdíl mezi teplotou varu samotného chladiva a směsi by měl být co nejvyšší.

• Chladivo by mělo mít vysoké vypařovací teplo a vysokou koncentraci v absorbéru s cílem udržovat nízkou hodnotu cirkulace mezi desorbérem a absorbérem.

• Příznivé by měly být transportní vlastnosti, které ovlivňují přenos tepla a hmoty, např. viskozita, tepelná vodivost a koeficient difúze.

• Tlak chladiva by měl být v rozumném rozsahu.

• Chladivo i absorbent by měly mít dobré vlastnosti pro přenos tepla a hmoty, být netoxické, nekorozivní, hořlavé, chemicky stabilní a šetrné vůči životnímu prostředí.

Neexistují žádné dokonalé pracovní kapaliny, které by splňovaly všechna tato kritéria. Absorpční pracovní kapaliny se klasifikují na základě použitého chladiva. S ohledem na potřebu snížit negativní dopady na životní prostředí přicházejí v úvahu pracovní tekutiny, které se vyznačují nízkým potenciálem kontaminace. Tento potenciál se měří pomocí GWP (Global Warning Potential). Konkrétně se jedná o měřítko toho, kolik energie emise 1 tuny plynu absorbují za dané časové období ve srovnání s emisemi 1 tuny oxidu uhličitého (CO₂). Čím větší je GWP, tím více daný plyn zahřívá Zemi ve srovnání s CO₂ za časové období 100 let.

Tab. č. 2: Pracovní kapaliny pro absorpční tepelná čerpadla: