ЗАХЛЕБНЯК М. В.

Сортировать по умолчанию названию
  • МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСУ РЕГЕНЕРАЦІЇ ШАРУ СОРБЕНТУ АДСОРБЦІЙНОГО ТЕРМОТРАНСФОРМАТОРА

    Теплопостачання в Україні здійснюється здебільшого за рахунок спалювання органічного палива, ціни на яке невпинно зростають. Крім того, продукти його згоряння дуже забруднюють атмосферу. Одним із напрямків вирішення цієї проблеми є виробництво і акумулювання теплової енергії за допомогою адсорбційних термотрансформаторів, які дозволяють накопичувати теплову енергію в нічний час, коли діє пільговий тариф на електроенергію, і здійснювати опалення приміщення протягом доби [1]. З 2300 до 600 відбувається нагрівання та регенерація сорбенту з одночасною конденсацією пари холодоагенту при температурі 40-45 С. Теплота конденсації використовується з метою опалення. Актуальним є визначення залежності часу регенерації сорбенту з метою моделювання апаратів різної продуктивності. Ставляться такі задачі: 6) сформулювати фізичну модель процесу регенерації; 7) обґрунтувати припущення; 8) на основі фізичної моделі створити математичну модель; 9) сформулювати умови однозначності і граничні умови; 10) визначити шлях розв’язання математичної моделі. Регенерація в адсорбційних установках нерухомого шару адсорбенту протікає при постійному тиску [2]. Підведення теплового потоку до нижньої частини шару сорбенту призводить до підвищення температури вище рівноважної. Відбувається процес десорбції з одночасним розповсюдженням фронту температури в шарі сорбенту. Математична модель процесу десорбцій включає: 4) рівняння теплопровідності шару сорбенту із врахуванням внутрішніх джерел енергії. 5) рівняння масообміну в шарі сорбенту. 6) рівняння рівноважного стану. Для спрощення розв’язання математичної моделі використовується плоска фізична модель: розглядається зміна температури лише по висоті шару сорбенту. Теплопровідність шару визначається теплопровідністю матеріалу сорбенту. Тому перспективним є використання композиційного сорбенту на основі кераміки із включеннями металу. В такому випадку теплопровідність сорбенту буде визначатися теплопровідністю металу. Оскільки P const , то рівновага системи зміщується за рахунок підведення теплоти.

    Переглянути
  • ОБГРУНТУВАННЯ СПРОЩЕНОЇ МАТЕМАТИЧНОЇ МОДЕЛІ АДСОРБЦІЙНОГО НАСИЧЕННЯ ШАРУ СОРБЕНТУ В ТЕРМОТРАНСФОРМАТОРІ

    Завдання створення ефективних систем акумулювання теплової енергії є важливою складовою частиною проблеми вирівнювання нерівномірності споживання електроенергії та стабілізації робочого режиму електричних мереж. Перспективним напрямком рішення даної проблеми є створення матеріалів і систем акумулювання, які працюють з використанням оборотних термохімічних реакцій. Саме такий принцип покладено в основу роботи адсорбційного термотрансформатора[1]. У нічний час, використовуючи електроенергію по зниженому тарифу, відбувається накопичення енергії за рахунок нагрівання та регенерація сорбенту з одночасною конденсацією пари холодоагенту, після чого, з 600 до 2300 години, термотрансформатор працює віддаючи закумульовану енергію у вигляді теплоти сорбції, яка подається до споживача. Актуальним є визначення залежності товщини шару засипки від часу поглинання пари сорбентом з метою моделювання апаратів різної продуктивності. Тому для вирішення питання ставляться наступні задачі: 1) сформулювати фізичну модель процесу адсорбції; 2) обґрунтувати припущення; 3) на основі фізичної моделі створити математичну модель; 4) сформулювати умови однозначності і граничні умови; 5) визначити шлях розв’язання математичної моделі. Процес в апараті проходить в умовах ізобарної адсорбції[2]. Математична модель процесу адсорбції складається із: 1) рівняння теплопровідності шару сорбенту із врахуванням внутрішніх джерел енергії. 2) рівняння масообміну в шарі сорбенту. 3) рівняння рівноважного стану. Для спрощення розв’язання математичної моделі використовуємо плоску фізичну модель: враховується зміна температури лише по висоті шару сорбенту. Зернистий шар сорбенту розглядаємо як однорідне ізотропне середовище. Теплопровідність шару визначається теплопровідністю матеріалу сорбенту. Тому перспективним є використання композиційного сорбенту на основі кераміки із включеннями металу. В такому випадку теплопровідність сорбенту буде визначатися теплопровідністю металевих включень. Зернистість матеріалу засипки дає змогу парі сорбату миттєво проникати в зону адсорбції. Кількість пари, що поглинається сорбентом пропорційна кількості тепла, що відводиться. Оскільки P const , то рівновага системи зміщується за рахунок зміни температури.

    Переглянути
  • ВИБІР СОРБЕНТУ ДЛЯ АДСОРБЦІЙНИХ ТЕРМОТРАНСФОРМАТОРІВ

    Питання економії паливно-енергетичних ресурсів і захисту довкілля в деякій мірі можуть бути вирішені шляхом розширення масштабів використання джерел енергії, які відновлюються, в тому числі і енергії оточуючого середовища. Одним із найбільш ефективних способів перетворення цієї енергії є отримання штучного холоду. Перспективними для цього є невеликі холодильні установки індивідуального використання. Але до таких установок висувається ряд специфічних вимог: простота обслуговування, повна автономність, доступність для широкого споживача. Найбільш повно даним вимогам відповідають тепловикористовуючі сорбційні холодильні установки із твердим сорбентом. Адсорбційні термотрансформатори використовують тверді речовини, наприклад, силікагель, вугілля або цеоліт. У фазі десорбції до теплообмінника, покритого шаром силікагелю або цеоліту, підводиться тепло. Рідка частина твердого матеріалу перетворюється у пару і поступає у другий теплообмінник. Цей теплообмінник у першій фазі віддає тепло, яке виділяється при конденсації пари (теплота конденсації), в систему опалення. Коли цеоліт зневоднюється і вода конденсується у другому теплообміннику, перша фаза закінчується. У другій фазі теплообмінник виконує роль випарника. Вода в ньому кипить за рахунок тепла оточуючого середовища, оскільки в цій фазі велике співвідношення тисків. Водяна пара поступає у теплообмінник, де адсорбується силікагелем або цеолітом. Тепло, яке при цьому віддає адсорбент, поступає в систему опалення (теплота адсорбції). По закінченні процесу адсорбції цикл припиняється. Основною задачею у розробці ефективної адсорбційної системи охолодження є вибір робочих речовин, а саме, адсорбенту, оскільки від інтенсивності процесів адсорбції та десорбції залежить ефективність роботи всього апарата. Адсорбент повинен мати високу вологоємність і володіти здатністю достатньо повної регенерації при нагріванні. Одним із основних недоліків існуючих адсорбційних холодильників є значна маса адсорбційного обладнання. Робочі речовини можна поділити на такі групи: 1) адсорбенти на основі ефекту фізичної адсорбції – цеоліти, силікагелі, активоване вугілля; 2) адсорбенти на основі ефекту хемосорбції – солі лужних і лужноземельних металів. Сорбційна ємність адсорбентів першої групи невелика, але завдяки сталості властивостей, довговічності гранул та невисокій температурі регенерації ці сорбенти отримали найбільш широке практичне використання. Більш високою вологоємністю володіють органічні солі, які утворюють із парами холодоагенту тверді хімічні сполуки типу кристалогідратів. Однак практичне використання цих робочих речовин має технічні труднощі, пов’язані із проблемою збереження стабільності гранульованої структури адсорбенту, оскільки при багатократних циклах сорбції-десорбції можливе часткове розчинення солі при місцевому насиченні холодоагентом. Експлуатаційні властивості апарата визначаються різницею температур при рівних тисках насичення води та сорбенту. Для вибору сорбенту для адсорбційного термотрансформатора в залежності від температур теплоносіїв, що визначають вказану різницю температур, розроблена узагальнена діаграма (рисунок 1) потрібного користуються графіком, наведеним на.

    Переглянути
  • ТЕРМОДИНАМІЧНИЙ ЦИКЛ АДСОРБЦІЙНИХ АКУМУЛЯТОРІВ ТЕПЛОТИ

    Завдання створення ефективних систем акумулювання теплової енергії є важливою складовою частиною проблеми вирівнювання нерівномірності споживання електроенергії. У теперішній час відоме велике різноманіття видів і конструкцій теплових акумуляторів: теплові акумулятори з твердим теплоакумулюючим матеріалом, теплові акумулятори з фазоперехідним теплоакумулюючим матеріалом, рідинні акумулятори тепла, парові акумулятори тепла. Основним недоліком цих систем акумулювання тепла є мала густина накопичення енергії, і, відповідно, великі габарити та матеріалоємність, що перешкоджає їх широкому розповсюдженню [1]. Основною задачею у розробці ефективних адсорбційних акумуляторів теплоти є вибір адсорбенту, оскільки від інтенсивності процесів адсорбції та десорбції залежить ефективність роботи всього апарата.[2] На сьогоднішній час розроблено нове сімейство композитних сорбентів «сіль в пористій матриці», так званих Селективних Сорбентів Води (ССВ). Вони вирізняються тим, що за рахунок проникнення різних солей в пори звичайних сорбентів вдається: - істотно збільшити їх сорбційну здатність; - здійснити обмін великої кількості води у вузькому температурному інтервалі; - «підігнати» температуру термохімічної реакції до потрібної для даного циклу акумулятора. Для прикладу, розглянемо стабільність властивостей сорбенту, що має як активну складову сіль - CaCl2, рис 1.1.[3] Діаграма LnP-1/T зручна для побудови адсорбційного циклу і дозволяє оцінити ступінь відхилення дійсних процесів від рівноважних. Діаграма LnP-1/T у вказаних координатах і теоретичний цикл адсорбційного термохімічного акумулятора (при температурі гріючого джерела 40 °С і низькопотенційного 10 °С) показані на рис. 1.2.

    Переглянути
  • ОБГРУНТУВАННЯ ВИБОРУ СОРБЕНТУ ДЛЯ АДСОРБЦІЙНОГО АКУМУЛЯТОРА ТЕПЛОТИ

    В теперішній час у адсорбційних теплових насосах в якості робочих тіл застосовуються переважно адсорбенти, дія яких заснована на ефекті фізичної адсорбції (цеоліти, силікагелі, активоване вугілля). Широкому використанню обладнання на цих речовинах перешкоджає низька енергетична ефективність теплового насоса внаслідок малої сорбційної ємності вказаних адсорбційних матеріалів (менше 10 % за масою) і, як наслідок, великої матеріалоємності та теплової інерційності адсорбера. Перспективними для застосування в адсорбційних теплових насосах є вологопоглинаючі матеріали, сорбційна дія яких заснована на ефекті хемосорбції, а саме солі лужних і лужноземельних металів. Як сорбати в поєднанні з цими поглиначами можуть використовуватися вода, спирти або аміак. Застосування адсорбентів на основі ефекту хемосорбції дозволяє значно збільшити сорбційну ємність адсорбентів в циклі адсорбційного теплового насоса і поліпшити енергетичні показники адсорбційних агрегатів [1]. Таким чином, за типом сил, що спричиняють адсорбцію, робочі речовини адсорбційних термотрансформаторів можна розбити на дві основні групи: адсорбенти на основі ефекту фізичної адсорбції — синтетичні і природні цеоліти, активоване вугілля, силікагелі, — і адсорбенти на основі ефекту хемосорбції — солі лужних і лужноземельних металів, оксиди металів тощо. Для вибору сорбенту користуються графіком, наведеним на рисунку 1. Для кожного із сорбентів ізостери побудовані при його мінімальній вологості. Однак практичне використання цих робочих речовин має технічні труднощі, пов’язані із проблемою збереження стабільності гранульованої структури адсорбенту, оскільки при багатократних циклах сорбції-десорбції можливе часткове розчинення солі при місцевому насиченні холодоагентом. Для підвищення стабільності сольових сорбентів запропоновано використовувати інертний носій з розвиненою пористою структурою, який при перенасиченні міг би утримувати рідкий сольовий розчин в гранулі. Як пористий носій використовується спучений перліт, пористість якого може досягати 70 %. В якості активної речовини використовується сіль CaCl2, оскільки її можна легко нанести на пористу основу [2]. Діаграма LnP-1/T також зручна для побудови адсорбційного циклу і дозволяє оцінити ступінь відхилення дійсних процесів від рівноважних. Оскільки кожному значенню LnP відповідає певна температура конденсації парів води, то рисунок 2 можна представити у більш зручному вигляді (рисунок 3). На рисунку 3 показаний теоретичний процес регенерації сорбенту: ab – процес нагрівання сорбенту, bc – процес десорбції. Із діаграми видно, що процес десорбції пари сорбату починається при 88°С, і при 125°С відбувається повне осушення сорбенту. Процес протікає при тиску 7,4 кПа при температурі конденсації пари 40°С. Теоретичний розподіл вологості і температури сорбенту по висоті шару сорбенту і в часі отримується шляхом розв’язання математичної моделі процесу регенерації [3], що дає можливість оптимізувати роботу десорбера і розробляти десорбери із різними товщина ми шару засипки.

    Переглянути
  • ВИБІР СОРБЕНТУ ДЛЯ АДСОРБЦІЙНОГО ТЕПЛОВОГО НАСОСУ

    В теперішній час в адсорбційних теплових насосах використовуються в основному такі адсорбенти: силікагель (аморфний діоксид кремнію SiO2 з мезопорами розміром 3-20 нм), цеоліти (кристалічні алюмосилікати з мікропорами розміром 0,3-0,8 нм), оксид алюмінію з мезопорами розміром 3-20 нм та пористе вугілля з широким набором мікро- і мезопор. Широкому використанню відомих сорбентів перешкоджає їх низька енергетична ефективність. Наприклад, одним з основних недоліків цеолітів є відносно невисока адсорбційна ємність (0,2-0,3 г/г). Висока температура, необхідна для регенерації цеолітів (більш ніж 200- 250 С), не дозволяє використовувати їх для роботи від джерела теплової енергії з температурним потенціалом 90-150 С. Силікагелі також мало підходять для цих цілей, оскільки десорбують досить мало води при змінюванні температури в діапазоні від 90 до 150 С, тобто питома ємність акумулювання тепла невелика. Перспективним є використання в адсорбційних теплових насосах у якості адсорбентів ряду неорганічних солей (хлористого літію, хлористого кальцію, хлористого магнію, бромистого літію та інших), які в кристалічному стані здатні адсорбувати пари різних холодоагентів, наприклад води, аміаку, спиртів, утворюючи з ними тверді хімічні зв’язки – кристалогідрати, аміакати, сольвати. Застосування таких адсорбентів на основі ефекту хемосорбції дозволяє значно збільшити сорбційну ємність адсорбентів в циклі адсорбційного теплового насоса і поліпшити енергетичні показники адсорбційних агрегатів[1]. Для вибору сорбенту, що має задовольняти певним поставленим вимогам користуються графіком, наведеним на рисунку 1, де зображені ізостери для кожного із сорбентів при його мінімальній вологості. Разом з тим, застосування сольових сорбентів утруднено на практиці тим, що при десорбції води (з гідрату або його розплаву) на поверхні утворюється шар нижчого гідрату або безводної солі, що призводить до істотного уповільнення процесу масопереносу і подальшого розкладання. В процесі абсорбції води гідрати, що утворюються, можуть розчинятися в надлишку води, в результаті чого виникають корозійні проблеми та погіршується стійка структура сорбентів. Для підвищення стабільності сольових сорбентів запропоновано використовувати інертний носій з розвиненою пористою структурою, який при перенасиченні міг би утримувати рідкий сольовий розчин в гранулі. Застосування пористого носія сприяє розширенню зони робочих концентрацій сольового сорбенту за рахунок забезпечення його працездатності як в зоні рідкого, так і твердого сольового розчину. Тобто сорбент такого типу охоплює робочий діапазон концентрацій як твердо-, так і рідкотільних сорбційних термотрансформаторів. В якості пористого носія передбачається використовувати спучений перліт, пористість якого може досягати 70 %. В якості активної речовини використовується сіль CaCl2, оскільки її можна легко нанести на пористу основу[2]. На основі ліній ізотер сорбції (рисунок 1) для кожної конкретної реакції гідратації, наприклад, для CaCl2∙2H2O ↔ CaCl2∙H2O +H2O (рисунок 2), можна розрахувати робочі температури циклу хімічного термотрансформатора для конкретного застосування, а саме гарячого водопостачання та опалення. інь відхилення дійсних процесів від рівноважних. Оскільки кожному значенню LnP відповідає певна температура випаровування парів води, то рисунок 2 можна представити у більш зручному вигляді (рисунок 3). На рисунку 3 показаний теоретичний процес насичення сорбенту: ab – процес охолодження сорбенту, bc – процес адсорбції. Із діаграми видно, що процес охолодження сорбенту починається при 125°С та продовжується до температури 84 °С. Після чого має місце процес адсорбції, який закінчується при температурі 40°С повним насиченням сорбенту. Процес протікає при тиску 1,23 кПа при температурі випаровування пари 10°С. Теоретичний розподіл температурних полів і вологості сорбенту по висоті шару сорбенту і в часі отримується шляхом розв’язання математичної моделі процесу адсорбції[3], що дає можливість оптимізувати роботу адсорбера і розробити апарати різної продуктивності.

    Переглянути
  • Обгрунтування спрощеної математичної моделі адсорбційного насичення шару сорбенту в термотрансформаторі

    Розроблено математичну модель адсорбційного насичення шару сорбенту в адсорбері. Це дозволяє розробити перше наближення конструктивного розрахунку теплоакумулюючого сорбційного апарата, що працює за заданим режимом роботи.

    Переглянути