Ogrzewanie i chłodzenie - dwa procesy w jednym agregacie

Wykorzystanie procesu absorpcji i ciepła ze spalania gazu, oleju i innych paliw

Proces absorpcji znany jest w klimatyzacji
i ogrzewnictwie od ponad 150 lat.
Czynnikiem technologicznym podczas
regeneracji absorbentu jest ciepło, które
możemy otrzymać np. poprzez spalanie
gazu ziemnego, LPG lub oleju opałowego.
Możliwe jest także użycie ciepła odpadowego
lub geotermalnego o odpowiednich
parametrach.
Niewątpliwym atutem omawianych urządzeń jest możliwość nie tylko chłodzenia
pomieszczeń, ale także grzania i produkcji
ciepłej wody użytkowej dla celów sanitarnych.
Takie rozwiązanie pozwala na
znaczne obniżenie kosztów inwestycyjnych
dzięki zakupowi jednego urządzenia
wielofunkcyjnego wykorzystywanego
przez cały rok kalendarzowy. Urządzeniami
absorpcyjnymi zasilanymi gazem ziemnym
zainteresowana jest branża gazownicza
oraz klienci dostawców gazu, którzy
tylko w nielicznych wypadkach i niewielkim
stopniu są w stanie wykorzystać
w okresie letnim zamówione ilości gazu.
Firma BROAD produkuje urządzenia
w czterech podstawowych typach:
• typ DFA do montażu wewnątrz budynków;
zakres mocy 174 kW do 23,26 MW;
zasilanie: gaz lub olej; funkcje: chłodzenie,
grzanie, ciepła woda użytkowa;
• typ IFA do montażu wewnątrz budynków;
zakres mocy 174 kW do 23,26
MW; zasilanie: para, gorąca woda, gorące gazy; funkcje: chłodzenie, grzanie.
• typ BZY; BSY urządzenie kontenerowe;
zakres mocy 233 kW i 582 kW;
zasilanie: gaz, olej, para; funkcje: chłodzenie,
grzanie, przygotowanie ciepłej
wody użytkowej.
• typ BCT (rys. 1) urządzenie kompaktowe
do montażu na zewnątrz budynku;
zakres mocy: 16, 23, 70, 115 kW;
zasilanie: gaz, olej, spaliny; funkcje:
chłodzenie, grzanie, przygotowanie
ciepłej wody użytkowej.
Uwaga! Zasada działania poszczególnych
urządzeń nie różni się znacząco, dlatego
sposób pracy został opisany na przykładzie
urządzenia typu BCT.

Rys. 1 Jednostka BCT
Chłodzenie (produkcja chłodu) rys. 2
W systemie klimatyzacji wykorzystującej
nośnik, jakim jest woda lodowa, otrzymana
na wyjściu z urządzenia woda ma temperaturę
około 7°C; temperatura zaś wody
wchodzącej do urządzenia to około 14°C.
Woda ta przepływając przez wymiennik
(klimakonwektor – fancoil), ochładza
przepływające powietrze, powodując tym
samym obniżenie temperatury w klimatyzowanym
pomieszczeniu.
Aby zrealizować te wymagania niezbędne
jest intensywne zadziałanie na przepływającą w rurociągu wodę czynnikiem
o jeszcze niższej temperaturze. Jak to
więc się odbywa?
Głównymi elementami agregatu są parownik,
absorber, generator, wymienniki,
skraplacz oraz wieża chłodnicza odprowadzająca ciepło do atmosfery.

Rys. 2 Ozn.: 1 – generator wysokotemperaturowy (HTG), 2 – generator niskotemperaturowy (LTG), 3 – skraplacz, 4 – parownik, 5 – absorber, 6 – wysokotemperaturowy wymiennik ciepła (HTHE),
7 – niskotemperaturowy wymiennik ciepła (LTHE), 8 – pompa roztworu BrLi, 9 – pompa czynnika chłodzącego (woda), 10 – palnik, 11 – ścieżka gazowa z zaworami, 12 – pompa wody lodowej lub
wody grzewczej, 13 – pompa wody chłodzącej, 14 – wentylator, 15 – chłodnia kominowa, 16 – spust, 17 – zawór pływakowy (uzupełniający), 18 – zawór elektromagnetyczny (uzupełniający), 19 – zawór
elektromagnetyczny obejścia, 20 – zawór przełączający grzanie/chłodzenie, 21 – zawór wyrównujący różnicę ciśnienia, 22 – główny zawór gazu, 23 – pompa c.w.u., 24 – podgrzewacz wody

Parownik 4
Przepływająca przez agregat w układzie
rur miedzianych woda lodowa o temp.
14°C spryskiwana jest przez czynnik
(także wodę) o temp. 4°C pod ciśnieniem
800 Pa. Następuje wtedy wymiana
ciepła – woda lodowa w rurociągu ochładza
się, natomiast czynnik chłodzący absorbując ciepło ogrzewa się, co w tak niskim
ciśnieniu powoduje jego intensywne parowanie.
Para przechodzi do absorbera,
gdzie następuje proces absorpcji.
Absorber 5
Wtryskiwany 64-procentowy roztwór bromku
litu o temp. 41°C jest silnym absorbentem
pochłaniającym parę w absorberze. Pochłanianie pary ma za zadanie utrzymanie
warunków niskiego ciśnienia w absorberze
i parowniku. Efektem pochłaniania pary
przez roztwór LiBr jest jego zubożenie do
wartości 57%. Roztwór ten jest pompowany
niezależnie przez dwa wymienniki ciepła
6 (HTHE) i 7(LTHE) do generatora wysoko-(1) i niskotemperaturowego (2). W ten sposób
stworzone zostały dwa obiegi roztworu LiBr.
W generatorze wysokotemperaturowym
(1) HTG (warnik) roztwór LiBr
podgrzewany jest do temperatury 160°C,
następuje wtedy odparowanie wody z roztworu
i regeneracja LiBr do postaci skoncentrowanej.
Para przechodzi do skraplacza,
przepływając po drodze przez generator
niskotemperaturowy (2) LTG, gdzie oddaje
część swojej energii podgrzewając roztwór
bromku litu w celu odparowania z niego
wody. Zregenerowany LiBr z generatora
HTG i LTG kierowany jest ponownie do
absorbera.

Rys. 3 Ozn.: 1 – generator wysokotemperaturowy (HTG), 2 – generator niskotemperaturowy (LTG), 3 – skraplacz, 4 – parownik, 5 – absorber, 6 – wysokotemperaturowy wymiennik ciepła (HTHE),
7 – niskotemperaturowy wymiennik ciepła (LTHE), 8 – pompa roztworu BrLi, 9 – pompa czynnika chłodzącego (woda), 10 – palnik, 11 – ścieżka gazowa z zaworami, 12 – pompa wody lodowej lub
wody grzewczej, 13 – pompa wody chłodzącej, 14 – wentylator, 15 – chłodnia kominowa, 16 – spust, 17 – zawór pływakowy (uzupełniający), 18 – zawór elektromagnetyczny (uzupełniający), 19 – zawór
elektromagnetyczny obejścia, 20 – zawór przełączający grzanie/chłodzenie, 21 – zawór wyrównujący różnicę ciśnienia, 22 – główny zawór gazu, 23 – pompa c.w.u., 24 – podgrzewacz wody

Skraplacz 3
Para kierowana jest do skraplacza, gdzie
napotyka na obieg rurowy wody chłodzącej
z wieży chłodniczej. Na zewnętrznej ścianie
rur następuje jej skroplenie i woda ponownie
kierowana jest do parownika. Cały
cykl się powtarza.

Wymienniki: wysokotemperaturowy
HTHE i niskotemperaturowy LTHE 6 i 7
W wymiennikach tych następuje odzysk
ciepła o różnicy temperatury 118°C i 49°C,
co znacznie obniża zapotrzebowanie na
ciepło oraz wodę chłodzącą dla całego procesu.
Ich budowa jest kluczem do osiągnięcia wysokiej sprawności i wydajności
całego urządzenia.
W całym urządzeniu występują ciśnienia
od 800 Pa w parowniku do 920 hPa w generatorze
wysokotemperaturowym, temperatura
zaś odpowiednio od 4°C do
160°C. Nad całością przebiegu procesu
czuwa sterownik PLC oraz niezbędne
wymagane zabezpieczenia.

Grzanie (produkcja ciepła) rys. 3
Elektrozawory 19 i 20 w czasie cyklu grzania
zostają otwarte w celu uruchomienia
układów obejściowych. Paliwo spalając się,
podgrzewa roztwór bromku litu, z którego
odparowuje w generatorze HTG para wodna.
Para ta stykając się z zimniejszą powierzchni
ą wężownicy, kondensuje, przekazując równocześnie ciepło wodzie grzejnej,
która podgrzewa się do 57°C (parownik 4
działa tym samym jak wymiennik) i kondensat-
woda powraca z powrotem do
BrLi. Rozcieńczony roztwór pompowany
jest ponowne do generatora HTG.

Ciepła woda użytkowa 24
W zależności od potrzeb urządzenie może być wyposażone w podgrzewacz wody,
umożliwiając produkcję ciepłej wody
użytkowej dla celów sanitarnych. Układ
ma wbudowaną pompę ładującą zasobnik
(zasobniki) ciepłej wody użytkowej.
Podstawowy system klimatyzacji i ogrzewania
może składać się z jednego agregatu
i odbiorników zainstalowanych w pomieszczeniach
budynku. Instalacja może
być wykonana jako dwururowa w systemie
bezpośrednim lub w systemie rozdzielaczowym
(rys. 4).

Rys. 4 System instalacji: a) bezpośredni, b) rozdzielaczowy
Pierwsze takie urządzenie w Polsce...
...zainstalowano w firmie ATREM Sp z o.o. w Przeźmierowie k. Poznania (fot. 1). W celu uzyskania dodatkowych
oszczędności do załączania klimakonwektorów zastosowano regulatory z czujkami obecności. W wypadku
nieobecności pracownika, gdy nie ma potrzeby grzania lub chłodzenia danego pomieszczenia, następuje
obniżenie lub podwyższenie temperatury do wartości dyżurnej.

Fot. 1 Montaż agregatu wraz z systemem na dachu budynku firmy ATREM – październik 2004

Do 4 agregatów w systemie
W przypadku, gdy moc chłodnicza lub
grzewcza jednego agregatu jest niewystarczająca dla zapotrzebowania w obiekcie,
istnieje możliwość połączenia kilku
urządzeń w jeden system rurowy. Sterowanie
zespołem agregatów może odbywać
się za pomocą sterownika centralnego
i multisterownika. Na rys. 6 pokazano
schemat automatyki takiego układu,
w którym można maksymalnie spiąć do
4 agregatów wody lodowej, 80 odbiorników
chłodu-ciepła (fancoili) i 16 zasobników
ciepłej wody użytkowej. Sterownik
nadrzędny czuwa nad pracą wszystkich
przyłączonych jednostek i informuje
użytkownika o stanie pracy oraz awariach.
Agregat BCT fabrycznie wyposażony jest
w pompę obiegową wody na instalację odbiorczą. Jako wymienniki i odbiorniki
chłodu i ciepła stosuje się klimakonwektory
dwururowe (rys. 5), które mogą być
w wykonaniu ściennym, przypodłogowym,
podsufitowym, kanałowym do zabudowy.

Rys. 5 Jednostki wewnętrzne – klimakonwektory (fancoile)

Klimakonwektory rys. 5
W wypadku konieczności grzania innych
pomieszczeń, w których nie musi być stosowana
klimatyzacja, możliwy jest rozdział
instalacji na część z typowymi grzejnikami
konwektorowymi. Istnieje także możliwość
wykorzystania ciepła do nagrzewnicy
wodnej w centrali wentylacyjnej.
W urządzeniu zastosowano automatykę Simensa,
pompy Grundfosa oraz palnik wentylatorowy
Riello. Agregat BCT wykonany
jest w opcji kompaktowej wraz z wieżą
chłodniczą do zainstalowania na zewnątrz
budynku (np. na płaskim dachu). W standardzie
agregat wyposażony jest w panel
kontrolny z możliwością jego zamontowania
wewnątrz budynku w odległości nawet do
300 m od urządzenia. Panel informuje o aktualnych
parametrach, stanie pracy poszczególnych
elementów wykonawczych urządzenia i awariach. Wyposażony jest również
w moduł licznika kosztów eksploatacji
dziennej, miesięcznej i rocznej w rozbiciu na
paliwo, energię elektryczną i wodę. Możliwe
jest również włączenie urządzenia do systemu
telemetrii, internetu, co umożliwia
użytkownikowi lub firmie serwisowej monitorowanie
parametrów pracy urządzenia.

Rys. 6 Schemat automatyki

Kilka uwag podsumowujących
Urządzenia mają certyfikaty dopuszczające
do obrotu na obszarze Unii Europejskiej.
Agregaty znajdują zastosowanie nie tylko
w biurowcach, ale także w domach, sklepach,
restauracjach, hotelach, budynkach
użyteczności publicznej i innych obiektach,
tam gdzie jest potrzeba chłodzenia
i grzania.
Niewątpliwą zaletą tych urządzeń jest ich
kompaktowa budowa, brak konieczności
budowy kotłowni, cicha praca (około
65 dB), brak elementów ruchomych w postaci
sprężarek chłodniczych, zastosowanie
jako medium wody – czynnika proekologicznego,
brak ciśnienia w elementach
agregatu, co zwiększa bezpieczeństwo
użytkowania, funkcjonalność polegająca
na zastosowaniu jednego urządzenia do
grzania i chłodzenia. Na świecie agregaty
absorpcyjne zdobyły już uznanie wśród
użytkowników z uwagi na zwiększenie
sprawności, odciążenie sieci elektroenergetycznej,
ponieważ podstawowym źródłem zasilania jest tu np. gaz ziemny, miniaturyzacji
(dostępne urządzenia są już
od 16 kW mocy chłodniczej/grzewczej)
oraz dbałości o środowisko naturalne (wykorzystanie
źródeł energii pierwotnej,
brak freonu w instalacji chłodniczej, który
wspomaga efekt cieplarniany).
W Polsce agregaty absorpcyjne to zwiastun
nowej techniki, która dopiero czeka
na odkrycie użytkowników i dostawców
mediów energii. Na ile jest to atrakcyjny
temat pokażą najbliższe lata.

Autorzy: Piotr Napierała, Arkadiusz Jatczak
Foto: T. Hała
Rys.: K. Sobek ATREM
Źródło:



Absorpcja...
W teorii
...to proces dyfuzyjny polegający na pochłanianiu jednej substancji (zwanej absorbatem) przez
całą objętość innej substancji (zwanej absorbentem), która tworzy odrębną fazę. Absorbatem
jest najczęściej gaz lub ciecz, a absorbentem – ciecz lub ciało stałe.

W praktyce
Ciecze/alkohole absorbują (pobierają) podczas parowania ciepło z otoczenia. Znakomitym przykładem jest tu
zachowanie się alkoholu, który wylany na dłoń pobiera ciepło i intensywnie paruje, dając uczucie zimna.
W warunkach ciśnienia atmosferycznego około 100 kPa woda paruje w temperaturze około 100°C. Obniżając
ciśnienie do ok. 800 Pa ciśnienia absolutnego (prawie próżnia), woda zaczyna wrzeć w temperaturze około
4°C, wskutek czego intensywnie zamienia się w parę wodną. W idei budowy agregatu absorpcyjnego woda
została wykorzystana jako czynnik chłodzący – absorbat, natomiast bromek litu (LiBr – ciecz) jako absorbent
pary powstającej w wyniku wrzenia czynnika chłodzącego – wody. Ważnym atutem generatorów absorpcyjnych
jest fakt wykorzystania mediów, które nie powodują w przeciwieństwie do freonów szkodliwego działania na
warstwę ozonu w atmosferze Ziemi. Wszystkie agregaty absorpcyjne są zaprojektowane zgodnie z następującą
zasadą teoretyczną – woda pobiera ciepło z systemu klimatyzacji, parując w warunkach wysokiej próżni.

Źródło: ''