absorpcijska hladilna naprava za proizvodnjo … · d i p l o m s k o d e l o |5 absorpcijska...

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA KEMIJO IN KEMIJSKO TEHNOLOGIJO

Peter Trop

ABSORPCIJSKA HLADILNA NAPRAVA ZA

PROIZVODNJO INDUSTRIJSKE HLADILNE

VODE

Diplomska naloga

Maribor, september 2009

D i p l o m s k o d e l o |2

Diplomsko delo univerzitetnega študijskega programa

ABSORPCIJSKA HLADILNA NAPRAVA ZA PROIZVODNJOINDUSTRIJSKE HLADILNE VODE

Študent: Peter Trop

Študijski program: univerzitetni, kemijska tehnologija

Smer: biokemijska tehnika

Predvideni strokovni naslov: dipl. inž. kem. tehnol. (UN)

Mentor: izr. prof. dr. Darko Goričanec

Somentor: red. prof. dr. Jurij Krope

IZJAVA

Izjavljam, da sem diplomsko delo izdelal sam, prispevki drugih so posebej označeni.

Pregledal sem literaturo s področja diplomskega dela, in sicer po naslednjih elementih:

Vir: Chemical Abstracts

Gesla: absorption refrigeration system, simulationin ASPEN, absorber,

Skupine gesel: Absorption refrigeration

Časovno obdobje: Od leta 1996 do leta 2009

Število referenc: 26

Število prebranih izvlečkov: 40

Število prebranih člankov: 25

Število pregledanih knjig: 3

Maribor, september 2009

Podpis študenta

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju izr. prof. dr. Darku

Goričancu za pomoč in vodenje pri opravljanju

diplomskega dela. Prav tako se zahvaljujem

somentorju red. prof. dr. Juriju Kropetu. Hvala tudi

g. Bojanu Kulčarju.

Posebna zahvala velja staršem, ki so mi omogočili

študij in vsem ostalim, ki so mi stali ob strani v

času študija.


ABSORPCIJSKA HLADILNA NAPRAVA ZA PROIZVODNJOINDUSTRIJSKE HLADILNE VODE

Povzetek

V podjetju Nafta Petrochem d.o.o. se zaradi potreb po zadostnih količinah hladilne vodeza hlajenje urea-formaldehidnih lepil preučujejo možnosti učinkovitega hlajenja predvsemv poletnih mesecih. Ena izmed možnih rešitev hlajenja je z absorpcijsko hladilno napravo,ki koristi odpadno toploto, kar je ekonomsko učinkovitejše in okolju prijaznejše od uporabekompresijske hladilne naprave. Diplomska naloga vključuje teoretične osnove različnihzasnov absorpcijskih hladilnih naprav in simulacijo obratovanja enostopenjskeabsorpcijske hladilne naprave s programom Aspen Plus® 2006.5. Pri izbranihobratovalnih pogojih s simulacijo je določen izkoristek naprave COP = 0,8.

Ključne besede: hlajenje, absorpcijska hladilna naprava, toplotna črpalka, delovne snovi,COP, simulacija – program ASPEN

UDK: 621.574.013:66.01(043.2)


ABSORPTION REFRIGERATION SYSTEM FOR PRODUCTION OFCOOLING WATER

Abstract

Industrial company Nafta – Petrocehm d.o.o. is studying the problem of assuring sufficientquantities of cooling water, required for cooling urea – formaldehyde glues, mainly insummer season. One of the possible solutions of cooling is heat operated absorptionrefrigeration system, which is economically more effective and environmentally friendliercompared to vapor compression system. Diploma work presents various designs ofabsorption refrigeration systems and simulation of single effect absorption refrigerationsystem with computer program Aspen Plus® 2006.5. For chosen working conditionscoefficient of performance obtained with simulation is COP = 0.8.

Key words: cooling, absorption refrigeration system, heat pump, working fluids, COP,simulation – program ASPEN

UDK: 621.574.013:66.01(043.2)


UPORABLJENI SIMBOLI

OZNAKA VELIČINA ENOTA

ATP površina prenosnika toplote m2

c množinska koncentracija mol/m3

C cena EURCa letni obratovalni stroški EUR/aCE cena električne energije EUR/kWhCHS cena vode oz hladilnih stolpov EUR/m3

COPkoeficient učinkovitosti absorpcijske hladilnenaprave

cP specifična toplotna kapaciteta J/(kg K)CP cena pare EUR/kgEex učinkovitost prenosnika toplote %f cirkulacijsko razmerjeH entalpija kJ/kgI investicijski stroški EURp tlak kPaP električna moč WpA tlak absorberja kPapC tlak kondenzacije kPapnizki tlak v generatorju in kondenzatorju kPapU tlak uparjanja kPapvisoki tlak v uparjalniku in absorberju kPaqa proizvodnja uf – lepila kg/aQH toplotna kapaciteta v desorberju JQI toplotna kapaciteta v absorberju/kondenzatorju JQL kapaciteta hlajenja v uparjalniku Jqm masni pretok kg/sqm,hladiva masni pretok hladilnega snovi kg/sqm,p masni pretok pare kg/s

am,xq masni pretok raztopine na iztoku desorberja kg/s

S entropija J/KT temperatura K∆Tln srednja logaritemska temperatura Kt temperatura °CtA temperatura absorberja °CtC temperatura kondenzatorja °CtG temperatura generatorja °CtHV temperatura hladilne vode °CtLCST nizka kritična temperatura raztopine °CtS temperatura hladne vode °CtU temperatura uparjalnika °CU koeficient toplotne prehodnosti W/(m2 K)W delo črpalke Jw masni delež %


Grške črkeεR hladilno število kompresijske toplotne črpalkeΦA toplotni tok v absorberju WΦC toplotni tok v kondenzatorju WΦG toplotni tok v generatorju W

ΦU toplotni tok v uparjalniku W

η mehanski izkoristek kompresorja %


UPORABLJENE KRATICE

A — absorberBEA — benziletilaminC — kondenzatorCFC — klorofluoroogljikovodikiCH(OH)CO2Na — natrijev laktatCH3CO2K — kalijev acetatCO2 — ogljikov dioksidEU — evropska unijaG — generatorH2O — vodaH2SO4 — žveplova (VI) kislinaHCO2K — kalijev formatHCO2Na — natrijev formatK — kompresorKNO3 — kalijev nitratLiBr — litijev bromidLiCl — litijev kloridLiNO3 — litijev nitratMeOH — metanolNaNO3 — natrijev nitratNaSCN — natrijev tiocianatR21 — fluorodiklorometan Cl2CFHR22 — difluoroklorometan ClCF2HSSE — sprejemnik sončne energijeTEGDME — tetraetilenglikol dimetileterTFE — trifluoroetanolU — uparjalnikV — regulacijski ventilZnBr2 — cinkov bromidR32 — CH2F2 difluorometanR125 — C2HF5 pentafluoroetanR134a — C2H2F4 1,1,1,2-tetrafluoroetan


VSEBINA

1 UVOD 142 HLADILNA TEHNIKA 153 KOMPRESIJSKE TOPLOTNE ČRPALKE 164 ABSORPCIJSKE TOPLOTNE ČRPALKE 17

4.1 Delovanje absorpcijske toplotne črpalke 174.2 LiBr/H2O absorpcijska hladilna naprava 194.3 Hladilna in absorpcijska snov v absorpcijski hladilni napravi 214.4 Nemešljive tekočine, kot delovna snov 284.5 Izboljšanje absorpcijskega procesa 30

5 ZASNOVE ABSORPCIJSKIH HLADILNIH NAPRAV 315.1 Enostopenjska absorpcijska hladilna naprava 315.2 Večstopenjske absorpcijske hladilne naprave 315.3 GAX Absorpcijska hladilna naprava 335.4 Absorpcijska hladilna naprava z rekuperacijo absorpcijske toplote 345.5 Polstopenjski absorpcijski hladilni sistem 345.6 Kombinirani parno absorpcijsko – kompresijski sistem 355.7 Sorpcijsko – resorpcijski sistem 375.8 Absorpcijska hladilna naprava z dvema procesoma 375.9 Absorpcijska hladilna naprava v kombinaciji z ejektorjem 385.10 Absorpcijska hladilna naprava z osmotsko membrano 41

6 OPIS PROBLEMA HLAJENJA LEPIL 427 SIMULACIJA OBRATOVANJA ABSORPCIJSKE HLADINE NAPRAVE S

PROGRAMOM ASPEN PLUS 447.1 Izbira termodinamične metode 447.2 Izbira procesnih enot 457.3 Rezultati simulacije 47

7.3.1 Spreminjanje temperature generatorja – tG 477.3.2 Spreminjanje temperature uparjalnika – tU 487.3.3 Spreminjanje tlaka v kondenzatorju 507.3.4 Določitev masnega pretoka šibke raztopine 517.3.5 Izračun pretokov pare in hladilne vode iz stolpov 537.3.6 Določitev površin cevi uparjalnika, kondenzatorja, generatorja in abs… 547.3.7 Vpliv površine prenosnika toplote na učinkovitost COP 567.3.8 Preračun kompresijske hladilne naprave 57

8 EKONOMSKA ANALIZA 608.1 Obratovalni stroški 608.2 Investicijski stroški 61

9 RAZPRAVA 6210 SKLEP 6411 LITERATURA 6512 PRILOGE 67

Priloga A 6813 ŽIVLJENJEPIS 69


SEZNAM SLIK

Slika 3.1: Shema enostavne kompresijske toplotne črpalke in T,S diagram potekahlajenja[6].

Slika 4.1: Shema osnovne absorpcijske toplotne črpalke [7].Slika 4.2: Osnovna shema enostopenjske absorpcijske hladilne naprave s predhlajenjem

kondenzata [9].Slika 4.3: Shema LiBr/H2O absorpcijske hladilne naprave [6].Slika 4.4: Prikaz COP v odvisnosti tG pri polstopenjski absorpcijski hladilni napravi za

delovne snovi TFE/TEGDME, MeOH/TEGDME, H2O/NH3 [11].Slika 4.5: Vpliv temperature generatorja na parameter f/QL [11].Slika 4.6: COP v odvisnosti od temperature generatorja za delovni sredstvi H2O/metilamin

in H2O/NH3 [12].Slika 4.7: Odvisnost COP od temperature generatorja tG [13].Slika 4.8: Odvisnost cirkulacijskega razmerja f od temperature generatorja tG [13].Slika 4.9: Odvisnost COP od temperature uparjalnika tU [13].Slika 4.10: Odvisnost cirkulacijskega razmerja f od temperature uparjalnika tU [13].Slika 4.11: Odvisnost COP od temperature kondenzatorja tC [13].Slika 4.12: Odvisnost cirkulacijskega razmerja f od temperature kondenzatorja tC [13].Slika 4.13: Odvisnost COP od temperature absorberja tA [13].Slika 4.14: Odvisnost cirkulacijskega razmerja f od temperature absorberja tA [13].Slika 4.15: Toplota raztapljanja v odvisnosti od masnega deleža LiBr v soli [15].Slika 4.16: Prikaz Maxwellovega cikla, ki uporablja nemešljive tekočine za delovno snov

[16].Slika 4.17: t – x diagram za binarno mešanico BEA in glicerola pri p = 1 atm [16].Slika 5.1: Shema enostopenjske absorpcijske hladilne naprave s snovjo H2O/NH3.Slika 5.2: Dvostopenjska absorpcijska hladilna naprava z delovno snovjo LiBr/voda [7].Slika 5.3: Dvostopenjska absorpcijska hladilna naprava s snovjo H2O/NH3 [7].Slika 5.4: Shema absorpcijske hladilne naprave z GAX sistemom[7].Slika 5.5: Sistem z delno rekuperacijo absorpcijske toplote [7].Slika 5.6: Polstopenjski absorpcijski hladilni sistem z izmenjavo pare [7].Slika 5.7: Zaporedni polstopenjski absorpcijski hladilni sistem [11].Slika 5.8: Kombinirana parna absorpcijsko – kompresijska toplotna črpalka [7].Slika 5.9: Dvostopenjska absorpcijsko kompresijska toplotna črpalka [7].Slika 5.10: Kombinirani sistem, ki uporablja dve kombinaciji delovnih snovi [7].Slika 5.11: Sorpcijsko – resorpcijski sistem, ki uporablja dva tokokroga raztopin [7].Slika 5.12: Absorpcijska hladilna naprava z dvema procesoma [7].Slika 5.13: Shematski prikaz sodobnega ejektorja [17].Slika 5.14: Shema dvostopenjskega absorpcijskega sistema z ejektorjem [7].Slika 5.15: Absorpcijska hladilna naprava kombinirana z ejektorjem, ki uporablja delovne

snovi TEGDME/R22 in TEGDME/R21 [7].Slika 5.16: Absorpcijska hladilna naprava kombinirana z ejektorjem (Aphornratana in

Eames) [7].Slika 5.17: Kombinirani sistem, ki sta ga predlagala Eames in Wu [7].Slika 5.18: Absorpcijska hladilna naprava z osmotsko membrano [7].Slika 6.1: Uporaba LiBr/H2O absorpcijske hladilne naprave za hlajenje lepila v Nafti –

Petrochem.Slika 7.1: Enostopenjska absorpcijska hladilna naprava z delovno snovjo LiBr/H2O

modelirana s programom Aspen.Slika 7.2: COP, odvisen od temperature generatorja pri pnizki = 0,671 kPa;

pvisoki = 7,461 kPa.Slika 7.3: Diagram temperatura – tlak – koncentracija nasičenih raztopin LiBr [19].Slika 7.4: Odvisnost COP od temperature uparjalnika tU, tG = 90°C.


Slika 7.5: Odvisnost COP od temperature absorberja tA.Slika 7.6: Odvisnost COP od temperature kondenzacije.Slika 7.7: Prikaz spremembe toplotnega toka v uparjalniku v odvisnosti od masnega

pretoka šibke raztopine qm.Slika 7.8: Prikaz spremembe toplotnega toka generatorja, absorberja in kondenzatorja v

odvisnosti od masnega pretoka šibke raztopine qm.Slika 7.9: Odvisnost površine cevi uparjalnika od temperature uparjanja.Slika 7.10: Odvisnost površina cevi kondenzatorja od temperature kondenzacije.Slika 7.11: Odvisnost površine cevi absorberja od temperature na izhodu absorberja.Slika 7.12: COP v odvisnosti od površine prenosnika toplote ATP.Slika 7.13: Toplotna črpalka – model v programu Aspen Plus.Slika 7.14: Odvisnosti hladilnega števila od temperature uparjanja kompresijske hladilne

naprave s hladilno snovjo R407c.Slika 8.1: Odvisnost cene obratovalnih stroškov enostopenjske absorbcijske hladilne

naprave od cene plina.


SEZNAM PREGLEDNIC

Preglednica 2.1: Pregled hladilnih procesov [6].Preglednica 7.1: Primerjava med EES in ASPEN [9].Preglednica 7.2: Rezultati simulacije pri pnizki = 0,671 kPa; pvisoki = 7,461 kPa.Preglednica 7.3: Rezultati simulacije pri tG = 90 °C in pvisoki = 7,461 kPa.Preglednica 7.4: Spreminjanje tlaka v generatorju in uparjalniku (pvisoki).Preglednica 7.5: Rezultati simulacije spreminjanja pretoka (qm) šibke raztopine.Preglednica 7.6: Masne bilancePreglednica 7.7: Absorpcijska hladilna naprava – rezultati uporabe programa ASPEN.Preglednica 7.8: COP v odvisnosti od površine prenosnika toplote ATP.Preglednica 7.9: Fizikalne in kemijske lastnosti hladilnih snovi [24].Preglednica 7.10: Rezultati simulacij kompresijske hladilne naprave (R470c).Preglednica 8.1: Cene pogonskih sredstev.Preglednica 8.2:Pregled letnih obratovalnih stroškov.Preglednica 8.3: Primerjava cen absorpcijske in kompresijske hladilne naprave [25].Preglednica A.12.1: Lastnosti nasičenih vodnih hlapov in vodne pare [20].


1 UVOD

Z namenom upoštevanja smernic Evropske unije (EU), za dosego ciljev na področjuenergije, ki preprečujejo oziroma zmanjšujejo klimatske spremembe, je nujno potrebnozagotoviti razvoj cenovno učinkovitih in nizko-ogljikovih proizvodnih tehnologij ter znižatistroške za proizvodnjo okolju prijaznih sistemov za pridobivanje energije. Le s takšnimiukrepi bo namreč EU lahko ostala v vrhu hitro rastočega sektorja zelenih tehnologij [1] indosegla zastavljene cilje iz Kjotskega protokola: do leta 2010 zmanjšati izpuste CO2 za 5% glede na leto 1990 [2]. Evropska nadgradnja sporazuma pa predvideva celo znižanjeemisij za 20% do leta 2020 [3].

V svetu potrebe po hlajenju naraščajo, prav tako narašča iskanje čistejših, okoljuprijaznejših tehnologij, ki bi lahko nadomestile električno delujoče naprave, ki vsebujejotudi okolju škodljiva hladiva [4].

Za hlajenje se komercialno največ uporabljajo kompresijske toplotne črpalke, ki koristijoza obratovanje električno energijo. V zadnjem času pa ponovno prihajajo v ospredjeabsorpcijske in adsorpcijske toplotne črpalke, ki obratujejo s koriščenjem toplotneenergije, ki jo lahko pridobivamo s pomočjo sprejemnikov sončne energije (SSE), zgeotermalno energijo, v industriji pa se lahko uporablja odpadno toploto, kot cenen inekološki vir energije. Toploto lahko pridobivamo tudi s pomočjo plinskih peči, itd.

Opravljene so bile že številne raziskave na tem področju. Raziskave se osredotočajopredvsem na različne izvedbe absorpcijskih toplotnih črpalk in na različne hladilne snovi inabsorbente. Glavni namen raziskav je izboljšati učinkovitost naprave, ki je majhna vprimerjavi z kompresijskimi toplotnimi črpalkami. Kljub temu je absorpcijski hladilni sistemzanimiv, ker lahko uporabimo odpadno toploto.

Namen diplomskega dela je simulacija obratovanja absorpcijske hladilne naprave zapodjetje Nafta – Petrochem d.o.o. za proizvodnjo hladilne vode, ki se rabi za hlajenjelepila po končani reakciji. Trenutno je v uporabi kompresijska hladilna naprava z delovnimplinom R22, ki tanjša ozonsko plast in ima velik učinek na globalno segrevanje (1700 kratvečji kot CO2) [5]. Plin R22 je v Evropi prepovedan, zato ga je potrebno zamenjati oz.zamenjati celotno hladilno napravo. Ena izmed možnosti je uporaba absorpcijske hladilnenaprave.


2 HLADILNA TEHNIKA

Ustvarjanje temperature nižje od okolice (hlajenje) lahko dosežemo s tehnično ustrezniminapravami. Ločimo dva načina hlajenja:

Običajno hlajenje z uporabo toplotnih črpalk, kjer je temperatura med 190 K in350 K

Nizkotemperaturno hlajenje, kjer je temperatura pod 190 KOba načina hlajenja se razlikujeta po temperaturi in predvsem po hladilnih procesih.Preglednica 2.1 navaja pregled hladilnih procesov. Pri tem moramo vedeti, da lahkonizkotemperaturne procese uporabljamo tudi pri višjih temperaturah, visokotemperaturnepa samo do temperature 190 K [6].

Preglednica 2.1: Pregled hladilnih procesov [6].

1. Hlajenje s hladilnimi snovmi

1.1 Komprimiranje par hladilnih snovi z različnimi kompresorji1.2 Absorpcijske hladilne naprave 190 K < T < 350 K

2. Hlajenje s hladnim plinom

2.1 Joul - Braytonova ekspanzijska turbina2.2 Joul - Thomsonov postopek ekspanzije plina2.3 Regeneratorski procesi (Stirlingov regenerator)2.4 Ranque - Hilschova cev

T < 190 K

T > 240 K

3. Električno in magnetno hlajenje

3.1 Peltierovo hlajenje3.2 Paramagnetno hlajenje

T > 230 KT → 0 K

4. Hlajenje z izparevanjem, topljenjem, kemijsko reakcijo

4.1 Resorbcijsko kriotermno hlajenje4.2 Hladne snovi (npr. led)4.3 Endotermne reakcije

Za običajno hlajenje se največ uporabljajo toplotne črpalke, ki se lahko uporabljajo tudi zagretje. Toplotna črpalka je naprava, ki črpa toploto iz okolice pri gretju ali oddaja odvečnotoploto okolici pri hlajenju. Pomemben parameter pri toplotnih črpalkah je hladilno številoεR, ki podaja razmerje med dovedenim toplotnim tokom v uparjalnik ΦU in porabo moči zapogon kompresorja P. V industriji, gostinstvu, vinogradništvu, prehrambeni industriji, vstanovanjih, itd. se uporabljajo toplotne črpalke za hlajenje stavb, shramb za živila inpijačo, hlajenje procesnih tokov, stabilizacijo mošta, hlajenje orodja itd [6].

Toplotne črpalke se razlikujejo po izvedbi z ozirom na okolje, ki ga grejemo in hladimo,velikosti, namenu itd. Glede na okolje, ki ga grejemo in hladimo ločimo toplotne črpalke:zrak/zrak, zrak/voda, voda/voda, voda/zrak. Pri takšnem označevanju tipa toplotnečrpalke je na prvem mestu fluid, ki ga hladimo, na drugem mestu pa fluid, ki ga grejemo[6].


3 KOMPRESIJSKE TOPLOTNE ČRPALKE

Kompresijska toplotna črpalka je sestavljena iz uparjalnika (U), kondenzatorja (C),kompresorja (K) in regulacijskega ventila (V). Shema naprave je prikazana na sliki 3.1. Vuparjalniku hladilna snov, ki je v tekočem stanju po redukciji tlaka na ekspanzijskemventilu upareva pri nizki temperaturi in tlaku nasičenja, pri tem hladivo prejema toplotni tokΦU iz okolice, ki se lahko uporabi za hlajenje. Pare hladilne snovi se nato vodijo vkompresor, kjer se komprimirajo na tlak, pri katerem je temperatura kondenzacije višja odtemperature okolice. Pare se najprej ohladijo, nato kondenzirajo in pri tem pa oddajajotoplotni tok Φc, okolici, ki jo grejemo. Tekoča hladilna snov se nato preko ekspanzijskegaventila vodi ponovno v uparjalnik [6].

Slika 3.1: Shema enostavne kompresijske toplotne črpalke in T,S diagram potekahlajenja[6].


4 ABSORPCIJSKE TOPLOTNE ČRPALKE

V industrijskih procesih mnogokrat uporabljamo za njihovo delovanje toplotno energijo, kijo pridobivamo s parnimi kotli na fosilna goriva. Pri tem se na izstopu iz procesa velikokratneizkoriščena toplota izpusti kot odpadna toplota. To odpadno toploto pa lahko izkoristimoza hlajenje z uporabo ustrezne hladilne naprave, kot je npr. absorpcijska toplotna črpalka.Uporaba takšnih hladilnih sistemov zmanjšuje izpuste CO2 in porabo električne energije[7].

Pomembna razlika med absorpcijsko hladilno napravo in običajno kompresijsko hladilnonapravo je v uporabljeni hladilni snovi. Večina kompresijskih hladilnih naprav uporabljaklorofluorooglikovodike (CFC) [7], ki povzročajo razgradnjo ozona, tanjšanje plasti ozona vstratosferi in posledično povečanje ozonske luknje [8]. Absorpcijske hladilne naprave, kiso komercialno najbolj uporabne uporabljajo amonijak za hladilno snov in vodo zaabsorpcijsko snov (naprava uporablja delovno snov H2O/NH3). Delovna snov H2O/NH3

zagotavlja hlajenje do temperature (-60 °C) Druga komercialno najpomembnejša delovnasnov je LiBr/H2O[6], s katero lahko dosegamo temperaturo hlajenja do 6°C. Na področjuuporabe delovnih snovi so bile opravljene številne raziskave, ki se osredotočajo predvsemna izboljšanje učinkovitosti delovanja absorpcijske hladilne naprave ob upoštevanjuekološkega vidika [7].

Absorpcijski sistemi imajo mnoge prednosti, vendar do sedaj kompresijske hladilnenaprave prevladujejo na vseh področjih. Če želimo povečati uporabo absorpcijskihsistemov, je potreben nadaljnji razvoj, izboljšanje njihove učinkovitosti in zmanjšanje cene[7].

Zgodnji razvoj absorpcijskega sistema sega v 18. stoletje. Že takrat so vedeli, da lahkopridobivamo led z uparjanjem čiste vode iz posode, ki je bila znotraj vakumirane posode vprisotnosti H2SO4. Leta 1810 so led pridobivali iz vode v posodi, ki je bila povezana zdrugo posodo z H2SO4. Kislina je absorbirala vodo, posledično je voda uparevala, zato seji je znižala temperatura, na površini vode so se začele nabirati plasti ledu. Glavnaproblema tega sistema sta bila korozija in puščanje zraka v sistem, ki je bil podvakuumom. Leta 1859 je Ferdinand Carre predstavil napravo, ki je uporabljala kot delovnosnov H2O/NH3. Ta naprava je bila patentirana leta 1860 in se je takrat uporabljala zapripravo ledu in shranjevanje hrane. V 50. letih prejšnjega stoletja je bil predstavljensistem za industrijske namene, ki je uporabljal LiBr/H2O kot delovno snov. Nekaj letkasneje so predstavili dvostopenjski absorpcijski sistem, ki velja kot industrijski standardna področju absorpcijskega hlajenja [7].

4.1 Delovanje absorpcijske toplotne črpalke

Glavni princip absorpcijskih sistemov temelji na sposobnosti neke snovi, da absorbiradrugo snov in pri tem povzroči učinek hlajenja. Pri hladilnem paru H2O/NH3 vodaabsorbira amonijak, ki se uparja, zato se preostalemu delu znižuje temperatura. Dobimoučinek hlajenja. V naslednji fazi, ki ji pravimo separacija, je potrebno amonijak ločiti odvode in ga ponovno uporabiti za hlajenje. Toplota je ključ te operacije. Separacija potekapri višjem tlaku kot absorpcija, zato potrebujemo črpalko, ki črpa raztopino. Kontinuirna


absorpcijska hladilna naprava je torej sestavljena iz separacijskega in absorpcijskegasistema.

Absorpcijska toplotna črpalka je sestavljena iz uparjalnika, absorberja, desorberja,kondenzatorja, dveh regulacijski ventilov, cirkulacijske črpalke in toplotnega prenosnika.Shema kontinuirnega absorpcijskega cikla je prikazana na sliki 4.1.

Slika 4.1: Shema osnovne absorpcijske toplotne črpalke [7].

V absorberju se hladilna snov absorbira pri tlaku vrelišča. Raztopina se nato prekoprotitočnega prenosnika toplote prečrpa v desorber. V desorberju se hladilna snov privišjem tlaku in temperaturi desorbira oz. uparja. Absorpcijska raztopina s koncentracijo wA

se iz absorberja prečrpa v desorber, kjer s pomočjo toplote hladilna snov uparja. Nato seabsorpcijska raztopina koncentrira na koncentracijo wD in preko prenosnika toploteprečrpa nazaj v absorber. Hladilna snov, ki se uparja v desorberju se vodi v kondenzator,kjer kondenzira. Kondenzirana hladilna snov se nato preko ekspanzijskega ventila vodi vuparjalnik, kjer upareva in sprejema toploto iz okolice (hlajenje). Pare se vodijo vabsorber, kjer se absorbirajo v koncentrirano absorpcijsko raztopino. Razredčenaabsorpcijska raztopina se s črpalko črpa iz absorberja v generator skozi prenosnik toplote,kjer se segreje, vroča koncentrirana absorpcijska raztopina, ki teče nazaj v absorber, paohladi [6]. V kondenzatorju in absorberju je potrebno odvajati toploto QI na srednjemtemperaturnem nivoju. Prenosnik toplote zmanjša porabo energije na visokem insrednjem temperaturnem nivoju ter poveča učinkovitost cikla do 60 % [7]. Za še boljšoučinkovitost cikla, predvsem pri delovnem sredstvu H2O/NH3, je lahko vgrajen še enprenosnik toplote, ki prenaša toploto med tokom ki zapušča kondenzator in tokom, kizapušča uparjalnik. Gre za toplotni prenosnik para/tekočina, ki izboljša učinkovitost ciklaza približno 10 %, vendar dodatno podraži napravo. Zato je potrebno z ekonomskoanalizo upravičiti vgradnjo drugega prenosnika toplote. Shema naprave je prikazana nasliki 4.2 [9].


Slika 4.2: Osnovna shema enostopenjske absorpcijske hladilne naprave s predhlajenjemkondenzata [9].

Učinkovitost cikla je določena s koeficientom učinkovitosti COP, ki je definiran kotrazmerje med kapaciteto hlajenja na kondenzatorju QL in vloženo energijo v proces, ki jevsota vložene toplote na desorberju in dela črpalke.

L

H

QCOP

Q W

(4.1)

Delo črpalke je veliko manjše v primerjavi z vloženo toploto, zato ga v mnogih primerihzaradi lažjega računanja zanemarimo.

L

H

QCOP

Q (4.2)

Pomemben podatek je tudi cirkulacijsko razmerje f, ki je razmerje med masnim pretokomšibke raztopine, ki zapušča absorber in masnim pretokom hladilne snovi:

qf

q am,x

m,hladiva

(4.3)

Pri enostopenjskih absorpcijskih hladilnih napravah imamo vedno tri temperaturne nivoje.Desorber obratuje pri visoki temperaturi tG > 70 °C, dovede se toplota QH. Kondenzator inabsorber obratujeta pri srednji temperaturi tG ≈ 35 °C, kjer se odvede toplota QI. Uparjanjev uparjalniku poteka pri nizki temperaturi, kjer se toplota QL dovede v sistem iz snovi, ki johladimo.

4.2 LiBr/H2O absorpcijska hladilna naprava

Slika 4.3 prikazuje shemo absorpcijske hladilne naprave z delovno snovjo LiBr/H2O. Potekdelovanja je sledeč: v desorber se s paro ali vročo vodo dovaja toplota, ki desorbira vodoiz razredčene raztopine, pri tem se koncentracija LiBr v raztopini poveča, desorbiranavodna para se kondenzira v kondenzatorju, ki je hlajen z zunanjim virom hladilne vode nasrednjem temperaturnem nivoju. Kondenzirana voda se iz kondenzatorja vodi v uparjalnik,kjer se prši po ceveh toplotnega prenosnika in z izparevanjem jemlje toploto hladilni vodi.


Voda, ki ni izparela se s črpalko transportira nazaj na šobe v uparjalniku, kjer se ponovnoprši po ceveh prenosnika toplote v uparjalniku. Izparela voda se absorbira v koncentriranoraztopino, ki se prši po ceveh toplotnega prenosnika v absorberju, ki ga hladimo nasrednjem temperaturnem nivoju. S pršenjem koncentrirane raztopine v absorberju sepoveča površina za boljšo absorpcijo vodnih par, ki prehajajo iz uparjalnika v absorber vzgornjem delu posod. Hlajenje omogoča boljšo absorpcijo, zato potrebujemo manjšipretok tekočine in posledično manj električne energije za pogon črpalke. Razredčenaraztopina iz dna absorberja se prečrpa skozi protitočni prenosnik toplote v desorber. Vprenosniku toplote se razredčena raztopina segreje in koncentrirana raztopina ohladi. Vposodi, kjer poteka separacija in kondenzacija je približni tlak 6 kPa. V posodi, kjer potekauparjanje in absorpcija pa je tlak 0,7 kPa [6].

Slika 4.3: Shema LiBr/H2O absorpcijske hladilne naprave [6].


4.3 Hladilna in absorpcijska snov v absorpcijski hladilni napravi

Učinkovitost absorpcijskega hladilnega sistema je zelo odvisna od kemijskih intermodinamskih lastnosti snovi delovnega para v absorpcijski hladilni napravi. Temeljnazahteva hladilnega para je dobra mešljivost v temperaturnem območju delovanja. Pravtako mora mešanica biti kemijsko stabilna, neeksplozivna in nizko toksična. Dodatno paso želene še naslednje lastnosti [7]:

Dvig vrelišča mora biti maksimalen (razlika med vreliščem čistega hladiva inraztopine pri istem tlaku),

Hladilna snov naj ima čim večjo izparilno toploto in visoko koncentracijo znotrajraztopine, da lahko vzdržujemo nizek pretok med generatorjem1 in absorberjemna enoto hladilne kapacitete,

Transportne lastnosti, ki vplivajo na prenos toplote in snovi (npr. viskoznost,toplotna prevodnost in difuzijski koeficient) naj bodo ugodne,

Hladilna in absorpcijska snov naj bo nekorozivna, okolju prijazna in poceni [7].V literaturi je predlaganih mnogo delovnih snovi. Marcriss je v pregledu absorpcijskihfluidov predlagal 40 hladilnih snovi in 200 absorpcijskih snovi. Najbolj znani in največkratuporabljeni delovni snovi sta voda/NH3 in LiBr/voda [7].

Že od iznajdbe absorpcijskega hladilnega sistema je hladilna snov voda/NH3 zelouporabna tako za hladilne, kot za toplotne sisteme. Voda in amonijak sta zelo stabilna vširokem področju delovne temperature in tlaka. NH3 ima veliko izparilno toploto, ki jepotrebna za učinkovito delovanje sistema. Lahko se uporablja za hlajenje pri nizkihtemperaturah, ker je njegova temperatura tališča (-77)°C. Oba fluida, voda in NH3 stahlapljivi substanci, zato je potrebno med generator in kondenzator dodati še pomožnikondenzator [10], s katerim dodatno odstranimo vodo, ki se uparja skupaj z amonijakom.Obstajajo še druge slabosti kot npr. visoki tlak, toksičnost in korozivne reakcije z bakromin bakrenimi zlitinami. Vsekakor pa je delovni par voda/NH3 okolju prijazen in poceni [7].

Uporaba hladilne snovi LiBr/voda za absorpcijsko hlajenje sega približno v leto 1930. Dveodlični lastnosti te kombinacije delovne snovi sta nehlapljivost absorpcijske snovi LiBr (nipotrebe po rektifikacijski koloni) in ekstremno visoka latentna toplota uparjanja vode.Slabost pa je, da mora biti temperatura hladu nad 0°C. Ker je voda hladilna snov napravazahteva visok vakuum in visoko stopnjo tesnosti [6]. Visoko koncentrirana raztopina LiBrteži k kristalizaciji in je prav tako korozivna za nekatere kovine in draga. Lahko se dodajodoločeni aditivi, ki preprečujejo korozijo (inhibitorji) ali izboljšajo prenos snovi in toplote [7].

Čeprav se delovne snovi LiBr/H2O in H2O/NH3 uporabljajo že mnogo let in so njihovelastnosti zelo dobro znane, se opravljajo obsežne raziskave v cilju razvoja novih hladilnihsnovi. Klorofluoroogljikovodiki, predvsem R21 in R22 so bili predlagani zaradi njihovedobre topnosti s številnimi organskimi topili. Dve topili, ki dajeta posebno dobre rezultate vpovezavi z R21 in R22 sta dimetileter in dimetilformamid [7].

Poročajo tudi o zelo dobrih rezultatih hladilnih parov trifluoroetanol(TFE)/tetraetilenglikoldimetileter (TEGDME) in MeOH/TEGDME. Iz slike 4.4 je razvidno, da lahko polstopenjskaabsorpcijska hladilna naprava obratuje z relativno nizko temperaturno toploto(t = 60 do 100 °C). Delovni par TFE/TEGDME se izkaže kot posebej ugoden prinizkotemperaturni toploti za pogon generatorja (tG = 65 °C) v polstopenjski absorpcijskihladilni napravi. Na sliki 4.5 je prikazano kako temperatura generatorja vpliva nacirkulacijsko razmerje na enoto hladilne kapacitete (f/QL) za posamezni hladilni par snovi.Delovna snov MeOH/TEGDME zahteva znatno večje cirkulacijsko razmerje, zato ker je pri

1Generator je desorber


izbranih pogojih razlika med koncentracijo šibke in močne raztopine majhna. Parameterf/QL je najmanjši za delovni par H2O/NH3, zaradi zelo ugodnega ravnotežja med paro intekočino in visoke latentne toplote uparjanja amonijaka. [11].

Slika 4.4: Prikaz COP v odvisnosti tG pri polstopenjski absorpcijski hladilni napravi zadelovne snovi TFE/TEGDME, MeOH/TEGDME, H2O/NH3 [11].

Slika 4.5: Vpliv temperature generatorja na parameter f/QL [11].

Hladilna snov H2O/metilamin ima prav tako velik potencial v temperaturnem območjudelovanja generatorja tG = 63 do 80 °C. Slika 4.6 prikazuje koeficient učinkovitosti COP kotfunkcijo temperature generatorja za delovni par snovi H2O/metilamin in H2O/NH3 prirazličnih temperaturah kondenzatorja in absorberja. Razvidno je, da daje delovni parH2O/metilamin pri nižjih temperaturah generatorja (63 °C <tG <80) boljši učinek (COP) vprimerjavi z delovno snovjo H2O/NH3 [12].


Slika 4.6: COP v odvisnosti od temperature generatorja za delovni sredstvi H2O/metilaminin H2O/NH3 [12].

Da-Wen Sun poroča o dobri učinkovitosti delovnih snovi LiNO3/NH3 in NaSCN/NH3. Slika4.7 prikazuje odvisnost COP od temperature generatorja za delovne snovi LiNO3/NH3,NaSCN/NH3 in H2O/NH3 . Eex pomeni učinkovitost prenosa toplote.

Slika 4.7: Odvisnost COP od temperature generatorja tG [13].

Slika 4.8 prikazuje vpliv temperature generatorja na cirkulacijsko razmerje f za istedelovne snovi kot na sliki 4.7. Razvidno je, da je cirkulacijsko razmerje za delovno snovNaSCN/NH3 večje kot pri ostalih delovnih snoveh. Zato v tem primeru potrebujemo večjočrpalko in več električne energije. Cirkulacijsko razmerje se močno poveča, če se


temperatura generatorja močno zmanjša. Zato je pri nizkih temperaturah generatorjaobratovanje naprave neekonomično [13].

Slika 4.8: Odvisnost cirkulacijskega razmerja f od temperature generatorja tG [13].

Slika 4.9 prikazuje odvisnost vrednosti COP od temperature uparjalnika tU za delovnesnovi LiNO3/NH3, NaSCN/NH3 in H2O/NH3. Z višanjem temperature uparjalnika se višaučinkovitost cikla COP za vse tri delovne snovi. Slika 4.10 prikazuje odvisnostcirkulacijskega razmerja od temperature uparjalnika tU za različne delovne snovi.Razvidno je, da je cirkulacijsko razmerje f pri delovni snovi NaSCN/NH3 večje kot priostalih delovnih snoveh [13].

Slika 4.11 Prikazuje odvisnost vrednosti COP od temperature kondenzatorja tC za delovnesnovi LiNO3/NH3, NaSCN/NH3 in H2O/NH3. Zviševanje temperature kondenzatorjazmanjša učinkovitost cikla pri vseh delovnih snoveh. Pri obratovalnih temperaturahkondenzatorja 20 °C < tC < 40 °C, delovni snovi LiNO3/NH3 in NaSCN/NH3 dosežetaboljšo učinkovitost, kot delovna snov H2O/NH3. Iz slike 4.11 je razvidno, da pri nizkihtemperaturah kondenzatorja dobimo višje vrednosti COP za delovno snov NaSCN/NH3,medtem ko se pri visokih temperaturah kot najbolj učinkovita delovna snov izkažeLiNO3/NH3. Slika 4.12 prikazuje odvisnost med cirkulacijskim razmerjem in temperaturokondenzatorja. Cirkulacijsko razmerje je največje za delovno snov NaSCN/NH3. Slika 4.13prikazuje odvisnost COP od temperature absorberja tA za delovne snovi LiNO3/NH3,NaSCN/NH3 in H2O/NH3. Učinek temperature absorberja je ekvivalenten učinkutemperature kondenzatorja. V splošnem naj absorber in kondenzator obratujeta pri istihtemperaturah. Slika 4.14 prikazuje odvisnost cirkulacijskega razmerja f od temperatureabsorberja [13].


Slika 4.9: Odvisnost COP od temperature uparjalnika tU [13].

Slika 4.10: Odvisnost cirkulacijskega razmerja f od temperature uparjalnika tU [13].


Slika 4.11: Odvisnost COP od temperature kondenzatorja tC [13].

Slika 4.12: Odvisnost cirkulacijskega razmerja f od temperature kondenzatorja tC [13].


Slika 4.13: Odvisnost COP od temperature absorberja tA [13].

Slika 4.14: Odvisnost cirkulacijskega razmerja f od temperature absorberja tA [13].


Na osnovi slike 4.7 do 4.14 lahko ugotovimo, da je učinkovitost cikla z delovnimi snovmiLiNO3/NH3 in NaSCN/NH3 boljša kot z delovno snovjo H2O/NH3, vendar izboljšave nisoizrazite. Če upoštevamo dejstvo, da za desorpcijo pri ciklih z delovnimi snovmi LiNO3/NH3

in NaSCN/NH3 ne potrebujemo destilacijske kolone in pomožnega kondenzatorja,predstavljata delovni snovi LiNO3/NH3 in NaSCN/NH3 zelo dobri alternativi za delovnosnov H2O/NH3. Prednosti delovnih snovi LiNO3/NH3 in NaSCN/NH3 so enake, vendarNaSCN/NH3 sistem ni primeren za obratovanje pod tu = (-10 °C), zaradi možnostikristalizacije [13].

Binarna mešanica, ki uporablja anorgansko snov kot absorpcijsko snov npr. LiBr/H2O aliNaOH/H2O, bi lahko bila primernejša za absorpcijske hladilne sisteme, vendar teži privisokih koncentracijah in temperaturah h kristalizaciji. Ugotovili so, da dodatek še ene soli,kot npr. v ternarni mešanici LiBr+Zn2Br/voda, lahko izboljša topnost raztopine. Mnogeternarne mešanice so bile testirane za uporabo v absorpcijskih sistemih [7]. De Lucas etal. poročajo o zelo dobrih rezultatih ternarne delovne mešanice LiBr+HCO2K/voda. Vprimerjavi z delovnim parom snovi LiBr/voda se zmanjša toplota razredčenja, zato seizboljša COP, in generator lahko deluje pri relativno nizki temperaturi tG = 56 °C [14].

Ista raziskovalna skupina poroča tudi o zelo dobrih rezultatih mešanic LiBr+HCO2Na,LiBr+CH3CO2K in LiBr+CH(OH)CO2Na, če se uporabijo kot absorpcijske snovi in voda kothladilna snov. Slika 4.15 prikazuje rezultate meritev toplote raztapljanja za različnarazmerja med LiBr in dodano soljo, za raztopine LiBr+HCO2Na, LiBr+HCO2K,LiBr+CH3CO2K in LiBr+CH(OH)CO2Na. Skupna masna koncentracija soli v raztopiniw = 0,35. Razvidno je, da je optimalno razmerje med LiBr in soljo 2:1. V primerjavi zdelovnim parom snovi LiBr/voda se zmanjšata toplota razredčenja in delovni tlak,posledično pa se izboljša COP in generator lahko deluje pri relativno nizki temperaturitG = 55 do 60 °C [15]. Potrebno je omeniti, da je temperatura absorberja v teh primerihrelativno nizka, tA = 11 °C. Zato je vprašljiva uporaba takšnih delovnih snovi v praksi.

Slika 4.15: Toplota raztapljanja v odvisnosti od masnega deleža LiBr v soli [15].

4.4 Nemešljive tekočine, kot delovna snov

Glavni namen uporabe binarnih ali ternarnih nemešljivih tekočin je, da se lahko ločijo brezspremembe agregatnega stanja. Ko pa se temperatura mešanice zniža morajo izkazatinizko kritično temperaturo raztopine (LCST – lower critical solution temperature), podkatero so med seboj popolnoma mešljive. Slika 4.16 prikazuje Maxwellov cikel, kjer


pomeni: faza 1 je hladilna snov, faza 2 je absorpcijska snov. Maxwellov cikel ali fazno –separacijski cikel je sestavljen iz treh glavnih komponent: generatorja, uparjalnika inabsorberja [16].

Slika 4.16: Prikaz Maxwellovega cikla, ki uporablja nemešljive tekočine za delovno snov[16].

Maxwellov cikel je v bistvu enak kot absorpcijski cikel, razen tega, da pri Maxwellovemciklu odpade potreba po kondenzatorju, saj je hladilna snov že v tekočem stanju.Absorber mora delovati z nizko kritično temperaturo raztopine, generator pa nad totemperaturo. V primerjavi z običajno absorpcijsko hladilno napravo se pri Maxwellovemciklu za generator porabi bistveno manj energije na enoto hladu, saj ločujemokomponente brez spremembe agregatnega stanja. Takšna naprava bi torej lahko imelazelo visok COP. Pri Maxwellovem ciklu mora imeti delovna snov nizko kritično temperaturoraztopine pri tLCST = 50 do 60 °C. Delovno snov imenujemo tudi konjugirani par. Do sedajše ni bil odkrit konjugirani par, ki bi ga lahko uspešno uporabili za hlajenje z Maxwellovimciklom. Odkritje takšnega konjugiranega para bi zagotovo predstavljalo velik napredek vhladilni tehniki [16].

Tipična tekočinska mešanica, ki izkazuje nizko kritično temperaturo raztopine je prikazanana sliki 4.17. Gre za mešanico benziletilamina (BEA) in glicerola. Temperatura LCST jeokrog tLCST = 50 °C. Omenjeni konjugirani delovni par (mešanica) ima želeno področjenemešljivosti, vendar šibke aktivnosti v absorberju in izkazuje zgornjo in spodnjo kritičnotemperaturo raztopine [16].


Slika 4.17: t – x diagram za binarno mešanico BEA in glicerola pri p = 1 atm [16].

4.5 Izboljšanje absorpcijskega procesa

Poleg delovne snovi je absorber najpomembnejša komponenta kateregakoliabsorpcijskega hladilnega sistema. Eksperimentalna študija kaže, da je hitrost cirkulacijeraztopine na enoto proizvedenega hladiva 2 do 5 krat večja od teoretične. To se dogajazaradi neravnotežnega stanja raztopine v absorberju. Za dani tlak in temperaturo vabsorberju raztopina absorbira manj hladilnega snovi, kot je teoretična vrednost. V svetuse izvajajo mnoge znanstvene raziskave za boljše razumevanje in izboljšanjeabsorpcijskega procesa med hladilnim plinom in raztopino (absorpcijsko snovjo) [7].

Najbolj pogost način izvedbe absorberja pri sistemu LiBr/H2O in H2O/NH3 je tak, daomogoča absorpcijo hladilne snovi v padajoč film raztopine, ki se prši po hlajenihhorizontalnih ceveh. Pri takšnem absorberju se med procesom absorpcije toplota sočasnoodstrani iz tekočega filma raztopine. Zato se izboljša absorpcijska hitrost. Vendar pa takabsorber zahteva velik pretok, da dosežemo dobro učinkovitost sistema. Drugi znanpristop, ki ga je izumil Rotex, je absorpcija hladilne snovi v tekočinski film raztopinehlajene na rotirajočih diskih. Absorpcijska hitrost na enoto površine je mnogo večja nahlajenih rotirajočih diskih kot pri običajnem absorberju (padajoč film tekočine), zato je takabsorber lahko manjši. Raziskovali so tudi absorber z rotirajočim bobnom [7].


5 ZASNOVE ABSORPCIJSKIH HLADILNIH NAPRAV

5.1 Enostopenjska absorpcijska hladilna naprava

Enostopenjska absorpcijska hladilna naprava je najenostavnejša in najbolj pogostouporabljena različica[7]. Shematsko je prikazana na sliki 4.1 za sistem LiBr/H2O, za sistemH2O/NH3 pa na sliki 5.1. Kadar je v uporabi hlapljiva absorpcijska snov kot v primeruH2O/NH3, sistem zahteva dodatno komponento – pomožni kondenzator, ki očisti hladilnosnov ostankov vode. Brez pomožnega kondenzatorja bi se voda akumulirala v uparjalnikuin zelo zmanjšala učinkovitost naprave. Narejenih je bilo mnogo raziskav enostopenjskeabsorpcijske hladilne naprave za različna delovna snovi npr. LiBr+ZnBr2/CH3OH,LiNO3/NH3, LiNO3+KNO3+NaNO3/voda, LiCl/voda, glicerol/voda [7].

Slika 5.1: Shema enostopenjske absorpcijske hladilne naprave s snovjo H2O/NH3.

5.2 Večstopenjske absorpcijske hladilne naprave

Glavni cilj večstopenjskih sistemov je izboljšanje učinkovitosti naprave. Uporablja se takratkadar imamo na voljo toploto na visokem temperaturnem nivoju. Naprava je sestavljenatako, da se odpadna toplota z visoko temperaturo uporabi za obratovanjenizkotemperaturne stopnje in s tem se izboljša hladilni učinek.

Dvostopenjska absorpcijska naprava je bila predstavljena med leti 1956 in 1958. Shemoprikazuje slika 5.2.


Slika 5.2: Dvostopenjska absorpcijska hladilna naprava z delovno snovjo LiBr/voda [7].

Naprava obratuje tako, da visokotemperaturna toplota napaja generator I. Proizvedenohladivo, ki je v parnem stanju se pri visokem tlaku kondenzira v generatorju II, pri temsproščena toplota pa se uporabi za dodatno proizvodnjo hladilne snovi iz raztopine, kipride iz generatorja I. Proces se odvija na treh tlačnih nivojih [7].

Dvostopenjski absorpcijski sistem se obravnava kot kombinacija dveh enostopenjskihabsorpcijskih sistemov, katerih COP vrednost je enaka COP vrednosti enostopenjskegasistema COPE. Za vsako enoto vložene toplote iz zunanjega vira je hladilni učinek zaradihladilne snovi, ki jo proizvede generator I enak 1xCOPE. Za vsak enostopenjskiabsorpcijski sistem lahko predvidimo, da je toplota odvedena v kondenzatorju približnoenaka hladilni kapaciteti. Zato je dovod toplote v drugi generator enak 1xCOPE. Sledi, daje hladilni učinek dobljen v drugem generatorju 1xCOPExCOPE. Koeficient učinkovitostidvostopenjske absorpcijske hladilne naprave COPD se torej lahko izračuna po enačbi:

2COP COP COP D E E (5.1)

Če zamenjamo delovno snov LiBr/H2O z H2O/NH3, bi bil z ozirom na prej opisandvostopenjski sistemu tlak v prvem generatorju zelo velik. Zato je potreben drugačenpristop. Slika 5.3 prikazuje shemo vzporednega dvostopenjskega absorpcijskegahladilnega sistema.

Slika 5.3: Dvostopenjska absorpcijska hladilna naprava s snovjo H2O/NH3 [7].


V nasprotju z LiBr/H2O sistemom se naprava na sliki 5.3 lahko obravnava kot kombinacijadveh ločenih enostopenjskih sistemov. Uparjalnik in kondenzator obeh sistemov stazdružena v enoto tako, da sistem deluje na dveh tlačnih nivojih, kar omogoča da semaksimalni tlak lahko spusti na sprejemljivo vrednost. Toplota iz zunanjega vira napajasamo generator II. Ker je absorpcijska snov voda ni problema kristalizacije, zato lahkoabsorber II obratuje pri visoki temperaturi in oddaja toploto generatorju I [7].

Analizirane so bile tudi že večstopenjske naprave npr. tristopenjske in štiristopenjske,vendar se COP ne povečuje sorazmerno s številom stopenj. Več kot je stopenj dražji inbolj kompleksni so sistemi. Zato je od večstopenjskih sistemov na trgu na voljo ledvostopenjski absorpcijski sistem [7].

5.3 GAX Absorpcijska hladilna naprava

GAX pomeni toplotni prenosnik med generatorjem in absorberjem (generator/absorberheat exchanger), včasih se imenuje tudi DAHX (desorber/generator heat exchanger). Stakšnim sistemom se doseže višja učinkovitost enostopenjskega absorpcijskega cikla.Koncept GAXa je poenostavitev predhodno omenjenega vzporednega dvostopenjskegasistema, ki dosega enako učinkovitost cikla. Idejo za GAX sta predstavila Altenkirch inTenckhoff leta 1911. Osnovna shema naprave je predstavljena na sliki 5.4.

Slika 5.4: Shema absorpcijske hladilne naprave z GAX sistemom[7].

Črtkana črta predstavlja sekundarni fluid ki kroži in prenaša toploto iz višjetemperaturnega dela absorberja v nižje temperaturni del generatorja. Absorber ingenerator lahko smatramo za protitočni prenosnik toplote. Šibka raztopina iz generatorjain parna hladilna snov iz uparjalnika vtekata v zgornjem delu absorberja. Toplota, ki seustvari med absorpcijskim procesom se mora odvajati iz absorberja, da se ohranizmožnost absorpcije parne hladilne snovi. V zgornjem delu absorberja se toplota odvajapri višji temperaturi generatorju s pomočjo sekundarnega fluida. V spodnjem deluabsorberja pa se toplota oddaja na nižjem temperaturnem nivoju okolici. S hladilno snovjokoncentrirana raztopina se dovaja v generator v zgornjem delu. V tem delu generatorja sehladilno snov izloča iz raztopine s toploto oddano iz zgornjega dela absorberja. Vspodnjem delu poteka dodatna separacija hladilne snovi iz raztopine, kjer se uporabi


zunanji vir toplote na višjem temperaturnem nivoju. S takšnim sistemom lahko dosežemoenako učinkovitost COP kot pri dvostopenjskem absorpcijskem sistemu [7].

5.4 Absorpcijska hladilna naprava z rekuperacijo absorpcijske toplote

Z rekuperacijo določene količine absorpcijske toplote se lahko temperatura s hladilnosnovjo nasičene raztopine dodatno zviša. Podobno kot pri sistemu GAX je absorberrazdeljen na dve enoti. Toplota je odvedena na dveh temperaturnih nivojih. Toplota nanižjem temperaturnem nivoju se odvaja okolici, medtem ko se toplota na višjemtemperaturnem nivoju porabi za gretje nasičene raztopine kot je prikazano na sliki 5.5 [7].

Slika 5.5: Sistem z delno rekuperacijo absorpcijske toplote [7].

Sistem so raziskovali teoretično z uporabo različnih delovnih fluidov: H2O/NH3, LiNO3/NH3.Izračunali so, da z delno rekuperacijo absorpcijske toplote lahko izboljšamo COP za 10 %,vendar takšna naprava še ni bila izdelana [7].

5.5 Polstopenjski absorpcijski hladilni sistem

Polstopenjski absorpcijski hladilni sistem je bil predstavljen z namenom izkoriščanjaodpadne toplote, ki ima relativno nizko temperaturo. Slika 5.6 prikazuje shemopolstopenjskega absorpcijskega hladilnega sistema z izmenjavo pare. Zasnova sistema jepopolnoma ista kot pri vzporednem dvostopenjskem absorpcijskem sistemu, razlika je le vprenosu toplote in delovanju na treh tlačnih nivojih [7]. Polstopenjska absorpcijska hladilnanaprava je znana tudi pod imenom sistem z dvojnim dvigom (double – lift) [11].

Oba generatorja se napajata z visoko temperaturno toploto QH, oba absorberja paoddajata toploto na srednjega temperaturnega nivoja QI. Generator I in absorber IIdelujeta s srednje visokim tlakom, zato se cirkulacija (med absorberjem I in generatorjem Iter med absorberjem II in generatorjem II) lahko ohrani na sprejemljivem nivoju [7].

Poznan je še en polstopenjski absorpcijski hladilni sistem. Zaporedni sistem, ki jeshematsko prikazan na sliki 5.7. Ta sistem ima vgrajen absorber II in uparjalnik II, kiobratujeta na srednjem tlačnem nivoju. Uparjalnik II hladi absorber I z izmenjavo toploteznotraj sistema. Toploto dovajamo generatorju, ki obratuje pri visokem tlaku in


uparjalniku II, ki obratuje pri nizkem tlaku. Toploto odvajamo na kondenzatorju, ki obratujepri visokem tlaku in absorberju II, ki obratuje pri srednjem tlaku [11].

Slika 5.6: Polstopenjski absorpcijski hladilni sistem z izmenjavo pare [7].

Slika 5.7: Zaporedni polstopenjski absorpcijski hladilni sistem [11].

Koeficient učinkovitosti COP je pri polstopenjskem absorpcijskem sistemu relativno nizek,saj se zavrže približno 50 % več toplote kot pri enostopenjskem absorpcijskem sistemu.Vsekakor je sistem zanimiv, ker lahko uporabimo za njegovo obratovanje relativnonizkotemperaturni vir toplote [7].

5.6 Kombinirani parno absorpcijsko – kompresijski sistem

Sistem je poznan pod imenom absorpcijsko – kompresijski sistem. Shemo tipičnegaabsorpcijsko kompresijskega sistema prikazuje slika 5.8 (a). Iz slike je razvidno, da seuparjalnik in kondenzator iz običajne kompresijske toplotne črpalke zamenjata zresorberjem (absorberjem pare) in desorberjem (generatorjem pare). Za danotemperaturo hlajenja in temperaturo okolice je tlačna sprememba mnogo manjša kot pri


običajni kompresijski toplotni črpalki. Zato se pričakuje izboljšanje COP v primerjavi zkompresijsko hladilno napravo. Prvi je takšno napravo raziskoval Altenkirch leta 1950.Sistem je lahko sestavljen tudi kot toplotna črpalka. Machielsen je prvi razvil takšnotoplotno črpalko, ki je prikazana na sliki 5.8 (b) [7].

Slika 5.8: Kombinirana parna absorpcijsko – kompresijska toplotna črpalka [7].

Zanimiva je tudi dvostopenjska kompresijsko – absorpcijska toplotna črpalka, ki jeprikazana na sliki 5.9. Absorpcijska toplota iz absorberja I se uporabi za desorber II. Takoncept se kaže kot uspešen v številnih študijah [7].

Slika 5.9: Dvostopenjska absorpcijsko kompresijska toplotna črpalka [7].

Naslednji absorpcijsko – kompresijski sistem, ki so ga predlagali Cacciola et al. jeprikazan na sliki 5.10. V tem sistemu se uporablja dve kombinaciji delovnih snovivoda/NH3 in KOH/voda. Sistem predstavlja kompromis med uporabo snovi H2O/NH3 inKOH/H2O. Zmanjša se najvišji delovni tlak in odpade potreba po pomožnemkondenzatorju za NH3. Proces se lahko odvija pri temperaturi prostora pod 0°C brezzamrzovanja in kristalizacije [7].

Predstavljenih je bilo že mnogo kombiniranih absorpcijsko – kompresijskih toplotnihčrpalk, ki so uporabne za hlajenje ali gretje. Učinkovitost procesov je lahko zelo visoka,vendar so naprave zelo kompleksne in za pogon porabijo velike količine električneenergije, zato na tem mestu ne moremo govoriti o toplotno zadostnem sistemu [7].


Slika 5.10: Kombinirani sistem, ki uporablja dve kombinaciji delovnih snovi [7].

5.7 Sorpcijsko – resorpcijski sistem

Altenkirch je prvi predstavil idejo sorpcijsko – resorpcijskega sistema leta 1913. Vsorpcijsko – resorpcijski hladilni napravi sta dva tokokroga raztopine namesto enega.Kondenzator in uparjalnik iz običajnega enostopenjskega absorpcijskega sistema stazamenjana z resorberjem in desorberjem kot je prikazano na sliki 5.11. Tak hladilni sistemnudi več fleksibilnosti. Koncentracije raztopin v obeh tokokrogih so lahko različne, zatolažje prilagodimo temperaturo in tlak zahtevam hlajenja [7].

Slika 5.11: Sorpcijsko – resorpcijski sistem, ki uporablja dva tokokroga raztopin [7].

5.8 Absorpcijska hladilna naprava z dvema procesoma

Potek dveh procesov je enak kot pri vzporedni dvostopenjski absorpcijski hladilni napravi,vendar ta sistem sestoji iz dveh popolnoma ločenih ciklov, ki uporabljata različna delovnesnovi. Hanna et al. so izumili absorpcijski sistem prikazan na sliki 5.12. Naprava sestoji izdveh enostopenjskih sistemov, ki uporabljata H2O/NH3 in LiBr/H2O. Proces z delovnosnovjo H2O/NH3 je gnan z toploto iz zunanjega vira, medtem ko se oddana toplota vkondenzatorju in absorberju uporabi kot delovna toplota za LiBr/H2O, ki oddajakondenzacijsko in absorpcijsko toploto okolici. Učinek hlajenja lahko koristimo iz obehuparjalnikov. Takšna naprava se lahko uporablja v povezavi s sprejemniki sončne energije[7].


Slika 5.12: Absorpcijska hladilna naprava z dvema procesoma [7].

5.9 Absorpcijska hladilna naprava v kombinaciji z ejektorjem

Ejektor je naprava, ki uporablja Venturijev učinek zožene cevi. Naprava spreminja tlačnoenergijo delovnega fluida v kinetično energijo, tako da se ustvari področje z nizkim tlakom,ki ga lahko uporabimo za ustvarjanje vakuuma ali za črpanje drugega fluida. Ko mešanicapreteče skozi grlo ejektorja ekspandira in kinetična energija se spremeni nazaj v tlačno.Delovni fluid je lahko tekočina, para ali katerikoli drugi plin. Naprava je prikazana nasliki 5.13 [17].

Slika 5.13: Shematski prikaz sodobnega ejektorja [17].

Ejektor se lahko uporabi za izboljšanje učinkovitosti absorpcijske hladilne naprave.Slika 5.14 prikazuje shemo absorpcijske hladilne naprave, ki ima vgrajen ejektor. Cilj jerazviti absorpcijsko hladilno napravo, ki uporablja sol kot absorpcijsko snov, ki je zmožnaobratovati pri nizkih temperaturah uparjalnika in visokih temperaturah absorberja (zaaplikacije z zračno hlajenim absorberjem). Sistem na sliki 5.14 je zelo podobenzaporednemu dvostopenjskemu absorpcijskemu sistemu. V nasprotju z običajnimdvostopenjskim sistemom, se uporabi parna hladilna snov iz generatorja II kot delovnifluid za ejektor, ki črpa parno hladilno snov iz uparjalnika. Izhod ejektorja je povezan zabsorberjem, zato absorber deluje pri višjem tlaku kot uparjalnik. Zaradi tega lažje


zavarujemo raztopino pred kristalizacijo, kadar sistem mora delovati pri nizkihtemperaturah uparjalnika ali pri visokih temperaturah absorberja. V sistemu nikondenzatorja, saj hladilna snov iz generatorja I kondenzira v generatorju II.Eksperimentalnih in teoretičnih rezultatov za tak sistem še ni. Mnogo večjega števila COPkot v enostopenjski absorpcijski napravi ne moremo pričakovati, saj del parne hladilnesnovi uporabimo direktno kot delovni fluid v ejektorju [7].

Slika 5.14: Shema dvostopenjskega absorpcijskega sistema z ejektorjem [7].

Drugi način uporabe ejektorja je prikazan na sliki 5.15. Podobno kot v primeru na sliki 5.14je ejektor uporabljen, da vzdržuje višji tlak v absorberju kot v uparjalniku. Delovni fluidejektorja je visokotlačna tekoča raztopina iz generatorja. V tem primeru se lahko uporabisamo hladilna snov pri visokem tlaku in visoki gostoti, ker ejektor gnan na tekočino niprimeren za obratovanje s paro, ki ima nizko gostoto (kot npr. vodna para).Eksperimentalne raziskave so pokazale, da z uporabo hladilnih snovi TEGDME/R22 inTEGDME/R21 lahko dosežemo razmerje med tlakom absorberja in uparjalnikapA/pU = 1,2. Če se tlak v absorberju poveča lahko pričakujemo manjšo cirkulacijo raztopinein izboljšanje učinkovitosti sistema v primerjavi z običajnim sistemom brez ejektorja [7].

Slika 5.15: Absorpcijska hladilna naprava kombinirana z ejektorjem, ki uporablja delovnesnovi TEGDME/R22 in TEGDME/R21 [7].


Tretji možen način uporabe ejektorja v absorpcijski hladilni napravi je prikazan na sliki5.16. Ejektor je postavljen med generator in kondenzator enostopenjske absorpcijskehladilne naprave. Kot delovni fluid se uporablja LiBr/H2O. Generator obratuje pri višjemtlaku kot kondenzator, kar omogoča, da se temperatura raztopine zviša brez nevarnostikristalizacije. Če se temperatura in tlak zvišata istočasno, koncentracija raztopine ostanekonstantna, poraba toplote v generatorju se poveča le malo. Ejektor črpa paro izuparjalnika, zato dobimo večji hladilni učinek. COP se signifikantno poveča. Sistem soraziskali eksperimentalno in dobili vrednosti COP od 0,86 do 1,04. Sistem mora obratovatipri visokih temperaturah generatorja 190 °C < tG < 210°C, zato je lahko problematičnakorozija konstrukcijskega materiala [7].

Slika 5.16: Absorpcijska hladilna naprava kombinirana z ejektorjem (Aphornratana inEames) [7].

Sistem na sliki 5.17, sta predlagala Eames in Wu. Sistem je kombinacija parne toplotnečrpalke in enostopenjske absorpcijske hladilne naprave. Parna črpalka se uporablja kotnotranja toplotna črpalka, ki je bila uporabljena za rekuperacijo sproščene toplote, vkondenzatorju pri običajni enostopenjski absorpcijski hladilni napravi. Toplotna črpalkanapaja generator absorpcijskega sistema. Delež parne hladilne snovi, ki se proizvede vgeneratorju, črpa ejektor. Parna hladilna snov se nato utekočini in odda toploto raztopini vgeneratorju. V tem sistemu ni nevarnosti korozije, ker je temperatura raztopine vgeneratorju približno 80°C. Toplota za obratovanje parnega generatorja ima temperaturo200°C. Na podlagi eksperimentalne študije so določili učinkovitost sistema, ki znašaCOP = 1,03 [7].

Slika 5.17: Kombinirani sistem, ki sta ga predlagala Eames in Wu [7].


5.10 Absorpcijska hladilna naprava z osmotsko membrano

Absorpcijsko hladilno napravo z osmotsko membrano je predlagal Zerweck. Naprava jesestavljena iz kondenzatorja in uparjalnika. Raztopina v absorberju, ki ima višjokoncentracijo hladilne snovi in raztopina v generatorju z nižjo koncentracijo hladilne snovista ločeni med seboj z osmotsko membrano. Osmotska membrana prepušča le hladilnosnov. Hladilna snov se lahko iz absorberja prenese v generator skozi membrano zaradirazlike v osmotskem tlaku, brez črpalke. Razlika v tlaku med absorberjem in generatorjemje med drugim odvisna tudi od uporabljene membrane. Membrana običajno ni popolna.Nekaj absorpcijske snovi difundira skupaj s hladilno snovjo skozi membrano iz absorberjav generator. Zato potrebujemo dodatni obtok (bleed valve) za nadomestilo absorpcijskesnovi. Membrana mora v praksi vzdržati vse obratovalne pogoje: tlak, temperaturo inagresivno delovno snov. Prenos toplote skozi membrano mora biti minimalen. Toplota, kise dovede v generator se uporablja za separacijo hladilne snovi in zvišanje tlačne razlikev sistemu. Shema naprave z osmotsko membrano je predstavljena na sliki 5.18 [7].

Slika 5.18: Absorpcijska hladilna naprava z osmotsko membrano [7].


6 OPIS PROBLEMA HLAJENJA LEPIL

Osnovna dejavnost podjetja Nafta Petrochem d.o.o. je proizvodnja metanola in izdelkovna bazi metanola. Proizvodni program podjetja obsega:

proizvodnjo metanola, proizvodnjo 37 % in 40 % formalina ter lendaforma 70 (ureaformaldehidni

predkondenzat), proizvodnjo:

ureaformaldehidnih (UF), melaminsko - ureaformaldehidnih (MUF) lepil, fenolformaldehidnih (PF) smol

Za lastne potrebe pa proizvodnja podjetja obsega:

proizvodnjo in distribucijo električne energije, proizvodnjo industrijske in demineralizirane vode, industrijskega zraka in pare, čiščenje odpadnih voda iz proizvodnih procesov [18].

Eden izmed izzivov podjetja je zagotoviti zadostno količino hladilne vode, predvsem vpoletnih mesecih, za hlajenje urea – formaldehidnih lepil (UF lepilo). UF lepila se pokončani kondenzaciji hladijo na ploščnih hladilnikih, kjer je najprimernejša temperaturahladilne vode med 10 in 15 °C. Proizvodna kapaciteta UF lepil znaša qa = 600 t/dan.Lepilo ima po končani kondenzaciji temperaturo tL1 = 60 °C, ki jo je potrebno znižati natL2 = 20 °C. Povprečna specifična toplotna kapaciteta lepila cPL = 2,4 kJ/(kg K). Potrebnomoč hlajenja ΦU izračunamo po enačbi:

ΦU = qa cPL (tL1 - tL2) (6.1)

ΦU = 600 000/(24 · 3600) · 2,4 · (60 – 20 )

ΦU = 666,7 kW

V splošnem imamo dve možni rešitvi hlajenja, s kompresijsko toplotno črpalko aliabsorpcijsko toplotno črpalko. Za obratovanje prve potrebujemo električno energijo, zaobratovanje druge pa predvsem toploto. Iz tovarne formalina lahko uporabimo paro pritlaku p = 5 bar, zato je smiselno razmisliti o absorpcijski hladilni napravi za pridobivanjehladilne vode. Za hlajenje absorberja in kondenzatorja imamo na voljo vodo iz hladilnihstolpov temperature t = 25 °C, kar pomeni, da lahko kondenzator in absorber delujeta pritemperaturah t ≈35 do 40 °C.

Ker je zahtevana temperatura hladilne vode tHV = 15 °C, smo se v nadaljevanju odločili zasimulacijo obratovanja z enostopenjsko absorpcijsko hladilno napravo z delovno snovjoLiBr/H2O, ker ima boljši izkoristek COP kot delovna snov H2O/NH3 in ker je naprava manjkomplicirana (enostavnejši desorber, ne potrebujemo pomožnega kondenzatorja) in zatotudi cenejša. Shemo absorpcijske hladilne naprave za proizvodnjo hladilne vode zahlajenje lepila prikazuje slika 6.1.


Ker je proizvodnja lepila šaržni proces, se lahko zahtevane kapacitete, ki se morajohladiti, za nek obratovalni čas povečajo in nato ponovno znižajo (predhodno je navedenapovprečna moč hlajenja). Zato je smiselno dodati v sam proces pridobivanja hladilne vodezalogovnik hladu, ki mora biti dimenzioniran tako, da vedno zagotavlja zadostno količinohladilne vode.

Slika 6.1: Uporaba LiBr/H2O absorpcijske hladilne naprave za hlajenje lepila vNafti – Petrochem.


7 SIMULACIJA OBRATOVANJA ABSORPCIJSKE HLADINENAPRAVE S PROGRAMOM ASPEN PLUS

Aspen Plus® 2006.5 [21] je prilagodljiv in relativno enostaven računalniški program zamodeliranje naprednih energijskih sistemov. V širšem pomenu omogoča opis različnihfizikalno – kemijskih procesov, enostavno oblikovanje modelov, reševanje težav in analizeobčutljivosti, ker lahko pred integracijo ustvarimo in testiramo preprostejše podenotekompleksnejših sistemov. Program vključuje obširno zbirko fizikalno – kemijskih podatkov,in procesnih enot (kot npr. grelniki, črpalke, mešalniki tokov, kompresorji, itd.), ki jih lahkouporabnik modificira [10].

Uporaba računalniškega programa Aspen Plus, za modeliranje absorpcijske hladilnenaprave, ima dve glavni prednosti:

model absorpcijske hladilne naprave lahko direktno integriramo z odpadnimi viritoplote in

možnost optimizacije, ki je lahko v pomoč v prihodnje v primeru načrtovanjasistemov z maksimalnim prihrankom energije [9].

7.1 Izbira termodinamične metode

Prvi in najbolj pomemben korak je najti primerno termodinamično metodo za izračunlastnosti delovne snovi LiBr/H2O. Uporabnik mora namreč v računalniškem programuASPEN sam izbrati primerno metodo glede na obratovalne pogoje in karakteristike fluida.V literaturi smo našli predlagano metodo ELECNRTL za delovni par LiBr/H2O. Metoda jenajbolj primerna, ker je razvita posebej za raztopine elektrolitov in je zato boljša vprimerjavi z manj specifičnimi metodami kot je npr. Peng-Robinsonova metoda [9].

Za pravilno uporabo ELECNRTL moramo izbrati komponente (LiBr in H2O) in uporabiti»čarovnik« za elektrolite (Elec wizard), ki nam ustvari vrsto reakcij. V izbranem primeru jebila edina relevantna reakcija asociacija in disociacija litijevega bromida:

+ -LiBr Li + Br (7.1)

Za enote, ki vsebujejo čisto vodo smo izbrali STEAMNBS metodo. Ker so na voljo parnetabele se pričakuje pri čisti vodi manjša napaka kot pri mešanici LiBr/H2O [9].

Rezultate dobljene s programom ASPEN so primerjali z rezultati dobljenimi s programomEES (Engineering Equation Solver), ki daje zelo dobre rezultate v primerjavi zeksperimentalnimi [9]. Ugotovili so, da je bilo odstopanje pri izračunu števila COP 2,47 %.Več odstopanj je navedenih v preglednici 7.1, ki podaja primerjavo med EES metodo inizračuni s programom Aspen Plus. Toplotni tok v uparjalniku je bil vhodni parameter, zatoje v obeh primerih enak [9].


Preglednica 7.1: Primerjava med EES in ASPEN [9].

Parameter EES ASPEN Odstopanje/%

pnizki/kPa 0,673 0,6715 0,22

pvisoki/kPa 7,445 7,4606 0,21

w(LiBr)/% – močna raztopina 56,7 57,4 1,23

w(LiBr)/% – šibka raztopina 62,5 62,57 0,11

ΦABSORBER/kW 14,297 13,923 2,62

ΦKONDENZATOR/kW 11,427 11,432 0,04

ΦDESORBER/kW 14,952 14,592 2,14

ΦUPARJALNIK/kW 10,772 10,772 N/A

COP 0,72 0,738 2,47

7.2 Izbira procesnih enot

Ker program Aspen Plus uporablja zaporedni način reševanja, je potrebno nareditiprekinitev v zaprtih ciklih, da lahko vnesemo vhodne podatke. Za naš primerenostopenjske hladilne naprave smo to prekinitev naredili med izhodom iz absorberja (1A)in vhodom v črpalko (1). Tok 1 predstavlja vtok, potrebno je vpisati njegove: masne deleže(w) posameznih komponent, masni pretok (qm), tlak (p) in definirali smo tudi, da je tekočinana izhodu iz absorberja nasičena raztopina pri temperaturi vrelišča. Če dobimo na iztoku1A enake vrednosti parametrov (kar se pričakuje saj gre za isti tok), lahko trdimo, da greza dobro formuliran problem in da model konvergira [9].

Črpalka (P) se nahaja med tokovoma 1 in 2 in zahteva samo en podatek – dvig tlaka.Lahko pa podamo tudi učinkovitost črpalke. Izbrali smo učinkovitost 100%, ker deločrpalke predstavlja manj kot 0,1% toplotne kapacitete ostalih komponent. Delo črpalke sev izračunu prišteje entalpiji delovnega fluida:

2 1 črpalkeH H W (7.2)

V kategorijo naprav, ki spreminjajo tlak spadata tudi regulacijska ventila V1 in V2, zakatera je potrebno določiti tlak (pnizki) na izhodu iz ventila. Predpostavljen je adiabatniproces, zato velja:

vtok iztokH H (7.3)

V prenosniku toplote se toplota prenaša iz fluida 4 (vtok vročega fluida) na fluid 2 (vtokhladnega fluida). Rezultat je tok 5 (iztok vročega fluida) in tok 3 (iztok hladnega fluida). Čepredpostavimo, da je padec tlaka v prenosniku enak nič, sta edini neznanki v toplotnemprenosniku temperaturi t5 in t3 na iztoku iz prenosnika. Temperaturo t5 izračunamo izenačbe za učinkovitost prenosnika toplote [9]:

4 5ex

4 2

-

-

t tE

t t (7.4)

Če predpostavimo učinkovitost prenosnika toplote, Eex = 0,8, je edina neznankatemperatura hladnega fluida na iztoku (t3), ki pa jo izračuna program Aspen.


Za kondenzator (K) je izbran hladilnik, v katerem je predpostavljeno, da je padec tlaka ničin da hladilna snov na iztoku zapušča kondenzator kot nasičena tekočina. Ker je hladilnasnov čista voda je v tem delu izbrana termodinamična metodo STEAMNBS. Za uparjalnik(U) je izbrana podobna enota s predpostavko, da je padec tlaka enak nič in delež pare naiztoku iz uparjalnika 1. Tudi v tem primeru smo izbrali termodinamično metodoSTEAMNBS.

Za absorber A je prav tako izbran hladilnik, ki ima vtoka 10 in 6 in iztok 1A. Spredpostavko, da je padec tlaka nič in da je raztopina na izhodu nasičena tekočina. Prinekaterih simulacijah je namesto nasičene tekočine izbrana izhodna temperaturaabsorberja (tA) z namenom, da bi se izognili kristalizaciji v absorberju. Za desorberoziroma generator (G) je izbrana flash naprava. Izbran je padec tlaka nič in izhodnatemperatura generatorja (tG), ki je odvisna od temperature vira pogonske toplote. Celotnazasnova absorpcijske hladilne naprave je prikazana na sliki 7.1.

Slika 7.1: Enostopenjska absorpcijska hladilna naprava z delovno snovjo LiBr/H2Omodelirana s programom Aspen.

UA

P

V1

V2

TP

G

C

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1A


7.3 Rezultati simulacije

7.3.1 Spreminjanje temperature generatorja – tG

Absorpcijska hladilna naprava je simulirana pri sledečih pogojih:

tlak v uparjalniku in absorberju – pnizki = 0,671 kPa tlak v desorberju in kondenzatorju – pvisoki = 7,461 kPa koncentracija šibke raztopine na vtoku 1 w(LiBr) = 0,58 [9] masni pretok qm = 1 kg/s.

Izračunana temperatura uparjalnika, je v vseh primerih tU = 1,31 °C, ker je odvisna odtlaka pnizki. Prav tako je od tlaka (pnizki) odvisna temperatura absorberja, ker je bil absorbernastavljen tako, da je imela na izhodu nasičena tekočina temperaturo vrelišča.Temperatura tekočine na izhodu iz absorberja tA = 32,7 °C. Temperatura kondenzatorja(tC) je odvisna od tlaka (pvisoki) in znaša tC = 40,2 °C. Rezultati simulacije obratovanjaabsorpcijske hladilne naprave, pri različnih temperaturah so podani v preglednici 7.2.Razvidno je, da je od temperature generatorja (tG) odvisna masna koncentracija w(LiBr)na iztoku iz generatorja.

Preglednica 7.2: Rezultati simulacije pri pnizki = 0,671 kPa; pvisoki = 7,461 kPa.

tG/°C COPw(LiBr) močna

raztopina

80 0,5841 0,5859

90 0,7775 0,6304

95 0,7860 0,6517

100 0,7881 0,6744

105 0,7879 0,6905

110 0,7857 0,7073

125 0,7770 0,7532

130 0,7736 0,7632

140 0,7664 0,7838

Slika 7.2 prikazuje graf odvisnosti COP, od temperature generatorja. Učinkovitost COPizračunamo z enačbo:

= U

G

ΦCOP

Φ(7.5)


Slika 7.2: COP, odvisen od temperature generatorja pri pnizki = 0,671 kPa;pvisoki = 7,461 kPa.

7.3.2 Spreminjanje temperature uparjalnika – tU

V naslednji seriji simulacij smo opazovali kako se spreminja COP v odvisnosti od tlaka(pnizki). Če tlak (pnizki) narašča posledično narašča tudi temperatura (tU), kar je osnovninamen. Iz slike 7.3 je razvidno, da prične kristalizacija pri koncentraciji raztopinew(LiBr) = 0,646. Zato smo izbrali temperaturo generatorja tG = 90 °C. Na izhodu izabsorberja smo izbrali nasičeno raztopino, zato se je tudi temperatura absorberja tA višalaz višanjem tlaka pnizki. Tlak v desorberju in kondenzatorju je ostal enak kot v prejšnjemprimeru (pvisoki = 7,461 kPa), posledično je ostala enaka tudi temperatura kondenzacijetC = 40,2 °C. Rezultati so podani v preglednici 7.3. Graf učinkovitosti COP v odvisnosti odtemperature uparjalnika tU je prikazan na sliki 7.4. Slika 7.5 prikazuje kako se spreminjaučinkovitost COP v odvisnosti od temperature absorberja.

Slika 7.3: Diagram temperatura – tlak – koncentracija nasičenih raztopin LiBr [19].

0,55

0,60

0,65

0,70

0,75

0,80

0,85

70 80 90 100 110 120 130 140 150

CO

P

tG/°C


Preglednica 7.3: Rezultati simulacije pri tG = 90 °C in pvisoki = 7,461 kPa.

pnizki/kPa tU/°C tA/°C COP pnizki/kPa tU/°C tA/°C COP

0,67 1,31 32,71 0,7775 1,2 9,65 42,51 0,8011

0,7 1,88 33,37 0,7794 1,3 10,85 43,92 0,8050

0,8 3,76 35,59 0,7846 1,4 11,97 45,23 0,8082

0,9 5,44 37,56 0,7899 1,5 13,02 46,47 0,8108

1,0 6,97 39,36 0,7937 1,6 14,01 47,63 0,8142

1,1 8,37 41,00 0,7978 1,7 14,95 48,73 0,8177

Slika 7.4: Odvisnost COP od temperature uparjalnika tU, tG = 90°C.

Slika 7.5: Odvisnost COP od temperature absorberja tA.

0,770

0,780

0,790

0,800

0,810

0,820

0 2 4 6 8 10 12 14

CO

P

tU/°C

0,770

0,780

0,790

0,800

0,810

0,820

30 35 40 45 50

CO

P

tA/°C


7.3.3 Spreminjanje tlaka v kondenzatorju

V sledeči seriji simulacij smo opazovali kako se s spreminjanjem tlaka pvisoki spreminjatemperatura kondenzacije. Slika 7.6 prikazuje odvisnost učinkovitosti COP od temperaturekondenzacije tC. Ostali vhodni parametri so: tG = 90 °C; pnizki = 1,23 kPa (tU = 10 °C).Preglednica 7.4 podaja rezultate simulacij, v katerih smo spreminjali tlak v kondenzatorju.

Preglednica 7.4: Spreminjanje tlaka v generatorju in uparjalniku (pvisoki).

pC/kPa tC/°C COP pC/kPa tC/°C COP

6,63 38,01 0,8135 7,73 40,87 0,7973

6,73 38,28 0,8122 7,83 41,12 0,7965

6,83 38,56 0,8111 7,93 41,36 0,7948

6,93 38,83 0,8093 8,03 41,59 0,7930

7,03 39,09 0,8087 8,13 41,83 0,7912

7,13 39,36 0,8067 8,13 41,83 0,7912

7,23 39,62 0,8051 8,23 42,06 0,7893

7,33 39,87 0,8041 8,33 42,29 0,7874

7,43 40,13 0,8028 8,43 42,52 0,7854

7,53 40,38 0,8012 8,53 42,74 0,7833

7,63 40,63 0,8008 8,63 42,97 0,7811

Slika 7.6: Odvisnost COP od temperature kondenzacije.

0,775

0,785

0,795

0,805

0,815

38 39 40 41 42 43

CO

P

tC/°C


7.3.4 Določitev masnega pretoka šibke raztopine

V naslednji simulaciji smo spreminjali masni pretok (qm) raztopine na iztoku iz absorberjain zasledovali spremembo toplotnega toka v uparjalniku (hladilno moč). Iz slike 7.7 vidimo,da je toplotni tok uparjalnika (ΦU) linearno odvisen od masnega pretoka (qm), kar pomeni,da lahko potrebni toplotni tok pri izbranih pogojih izračunamo iz enačbe premice. Vpreglednici 7.5 so podani rezultati simulacij, v katerih smo spreminjali masni pretok šibkeraztopine. Na sliki 7.8 so prikazani toplotni tokovi v kondenzatorju, generatorju inabsorberju v odvisnosti od masnega pretoka šibke raztopine.

Ostali vhodni parametri so:

tG = 90 °C; pvisoki = 7,46 kPa (tC = 40,2 °C); pnizki = 1,23 kPa (tU = 10 °C; tA = 42,9 °C).

Preglednica 7.5: Rezultati simulacije spreminjanja pretoka (qm) šibke raztopine.

qm/(kg/s) ΦU/kW ΦG/kW ΦA/kW ΦC/kW COP

1,0 195,57 243,59 -231,22 -208,08 0,8029

1,5 293,34 365,47 -346,81 -312,1 0,8026

2,0 391,12 487,27 -462,43 -416,14 0,8027

2,5 488,89 608,93 -578,03 -520,16 0,8029

3,0 586,66 730,96 -693,62 -624,19 0,8026

3,5 684,39 853,21 -809,16 -728,16 0,8021

4,0 782,22 974,61 -924,83 -832,26 0,8026

Slika 7.7: Prikaz spremembe toplotnega toka v uparjalniku v odvisnosti od masnegapretoka šibke raztopine qm.

y = 1,955E+02x + 1,421E-02R² = 1,000E+00

0

200

400

600

800

0 1 2 3 4 5

ΦU/k

W

qm/(kg/s)


Slika 7.8: Prikaz spremembe toplotnega toka generatorja, absorberja in kondenzatorja vodvisnosti od masnega pretoka šibke raztopine qm.

Masne in energijske bilance

Kot smo omenili v prejšnjem poglavju je potrebno narediti prekinitev v zaprtih ciklih, dalahko vnesemo vhodne podatke. Za izbrani primer enostopenjske hladilne naprave smo toprekinitev naredili med izhodom iz absorberja (1A) in vhodom v črpalko(1). Če je modeldobro formuliran bodo lastnosti tokov na obeh straneh prekinitve enake, saj gre za en samtok. Preglednica 7.6 podaja potrditev masne bilance za izbrani model enostopenjskeabsorpcijske hladilne naprave.

Preverili smo tudi energijske bilance, ki potrjujejo, da je skupna energija cikla enaka nič.Prenos energije znotraj cikla ni upoštevan. Če zanemarimo delo črpalke je enačba, kiopisuje energijske bilance sledeča:

Φprejet – Φoddan = 0 (7.6)

velja:

│ΦU + ΦG │ – │ ΦA + ΦC│= 0

(700 + 872,3) – (827,9 + 744,9) = –0,5 ≈ 0

Preglednica 7.6: Masne bilance.

qm/kg/s tok 1 tok 1A

skupni 3,58 3,58

voda 1,53 1,53

LiBr 2,05 2,05

0

200

400

600

800

1000

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

Φ/k

W

qm/(kg/s)

Φ generator Φ absorber Φ kondenzator


Odgovarjajočo temperaturo uparjalnika tU = 10 °C in temperaturo absorberja tA = 42,9°Csmo dobili pri tlaku pnizki = 1,228 kPa. Za toplotni tok v uparjalniku, ΦU = 700 kW, jepotreben masni pretok raztopine, ki zapušča absorber, qm = 3,58 kg/s. Toplotni tokpotreben v generatorju je znašal ΦG = 872,3 kW, toplotni tok v absorberju ΦA = -827,9 kW,toplotni tok v kondenzatorju pa ΦC = -744,9 kW. Pozitivni predznak pomeni, da se toplotav sistem dovaja, negativni predznak pa pomeni, da se toplota iz sistema odvaja.Koeficient učinkovitosti je znašal COP = 0,8026. V preglednici 7.7 so navedeni fizikalniparametri vseh tokov v absorpcijski hladilni napravi, ki jo predlagamo za hlajenjeUF – lepil v podjetju Nafta – Petrochem d.o.o

Preglednica 7.7: Absorpcijska hladilna naprava – rezultati uporabe programa ASPEN.

TOKOVNICA 1 2 3 4

vir absorber črpalka toplotni prenosnik generator

cilj črpalka toplotni prenosnik generator toplotni prenosnik

t/°C 42,92 42,92 75,28 90,00

p/kPa 1,23 7,46 7,46 7,46

qm/kg/s 3,58 3,58 3,58 3,28

w(LiBr)/% 57,3 57,3 57,3 62,5

TOKOVNICA 5 6 7 8

vir toplotni prenosnik regulacijski ventil generator kondenzator

cilj regulacijski ventil absorber kondenzator regulacijski ventil

t/°C 52,32 52,32 90,00 40,20

p/kPa 7,46 1,23 7,46 7,46

qm/kg/s 3,28 3,28 0,3 0,3

w(LiBr)/% 62,5 62,5 0,0 0,0

TOKOVNICA 9 10

vir regulacijski ventil uparjalnik

cilj uparjalnik absorber

t/°C 10,00 42,92

p/kPa 1,23 1,23

qm/kg/s 0,30 0,30

w(LiBr)/% 0,0 0,0

7.3.5 Izračun pretokov pare in hladilne vode iz stolpov

Pretok pare v generatorju s tlakom p = 5 bar izračunamo z enačbo 7.7. Na iztoku izgeneratorja predpostavimo vodo s temperaturo t = 95 °C

ΦG = (Hg - Hl) qm,p (7.7)

Hg…entalpija pare/kJ/kg pri tlaku p = 5 bar


Hl…entalpija vode/kJ/kg pri temperaturi t = 95 °C

Hg = 2748,6 kJ/kg Hl = 397,96 kJ/kg

ΦG = 872,26 kW

Gm,p

g l

Φq

H H

qm,p = 0,3711 kg/s = 1,336 t/h

Pretok vode iz hladilnih stolpov v kondenzatorju in absorberju izračunamo z enačbo (7.8).Predpostavimo, da ima voda na vtoku v kondenzator in absorber temperaturots,1 = 25 °C, na iztoku pa ts,2 = 35 °C

Φ = (Hl,1 - Hl,2) qm,v (7.8)

ts,1 = 25 °C Hl,1 = 104,89 kJ/kg

ts,2 = 35 °C Hl,2 = 146,68 kJ/kg

qm,v,A = 19,81kg/s = 71,32 t/h

qm,v,c = 17,82 kg/s = 64,15 t/h

qm,v = qm,v,A + qm,v,c = 135,47 t/h

Za obratovanje absorpcijske hladilne naprave potrebujemo masni pretok pareqm,p = 1,336 t/h in skupni masni pretok vode iz hladilnih stolpov qm,v = 135,47 t/h. Podatki oentalpijah so iz preglednice A.11.1, ki je priložena.

7.3.6 Določitev površin cevi uparjalnika, kondenzatorja, generatorja in absorberja

Površine cevi uparjalnika (AU), kondenzatorja (AC), generatorja (AG) in absorberja (AA) smodoločili z naslednjo enačbo:

ΦA

T U ln

(7.9)

kjer je:

∆Tln – srednja logaritemska temperatura (K)

U – koeficient toplotne prehodnosti (W/(m2 K))

Na vtoku v kondenzator in absorber predpostavimo temperaturo vode iz hladilnih stolpovtS1 = 25 °C. Na iztoku iz kondenzatorja in absorberja pa predpostavimo temperaturohladne vode tS2 = 35 °C. Na vtoku v uparjalnik znaša temperatura vode tHV1 = 38 °C, naiztoku pa je zahtevana temperatura hladilne vode tHV2 = 15 °C. V uparjalnikupredpostavimo koeficient toplotne prehodnosti UU = 0,85 kW/(m2 K), v kondenzatorju ingeneratorju pa U = 2,5 kW/(m2 K) za kondenzacijo in U = 0,85 kW/(m2 K) za prenostoplote med paro in tekočino. V absorberju predpostavimo UA = 1,4 kW/(m2 K) [22]. Slika7.9 prikazuje graf odvisnosti površine uparjalnika (AU) od temperature uparjanja (tU) vuparjalniku. Slika 7.10 prikazuje odvisnost površine cevi kondenzatorja (AC) odtemperature kondenzacije (tC). Slika 7.11 prikazuje odvisnost površine absorberja (AA) odtemperature (tA) na izhodu iz absorberja.


Površina cevi generatorja pri temperaturi tG = 90 °C znaša AG = 9,742 m2.

Slika 7.9: Odvisnost površine cevi uparjalnika od temperature uparjanja.

Slika 7.10: Odvisnost površina cevi kondenzatorja od temperature kondenzacije.

0

50

100

150

200

250

0 5 10 15 20

AU/m

2

tU/°C

20

25

30

35

40

45

37 38 39 40 41 42 43 44

AC/m

2

tC/°C


Slika 7.11: Odvisnost površine cevi absorberja od temperature na izhodu absorberja.

7.3.7 Vpliv površine prenosnika toplote na učinkovitost COP

V vseh obravnavanih simulacijah smo imeli prenosnik toplote med absorberjem ingeneratorjem vedno nastavljen tako, da je bila učinkovitost prenosa toplote Eex = 0,8. Vnaslednji seriji simulacij pa smo spreminjali površino prenosnika toplote (s tem se jespreminjala tudi Eex) in zasledovali kako se spreminja učinkovitost COP. Vsi vhodnipodatki razen površine prenosnika toplote (ATP) so bili enaki kot v prejšnjem razdelku.Koeficient toplotne prehodnosti je znašal U = 850 W/(m2K). Rezultati simulacij so podani vpreglednici 7.8. Odvisnost COP od površine prenosnika toplote ATP je prikazana na sliki7.12.

Preglednica 7.8: COP v odvisnosti od površine prenosnika toplote ATP.

ATP/m2 Eex COP ATP/m2 Eex COP

2 0,2370 0,6842 26 0,8381 0,8124

4 0,3885 0,7123 28 0,8507 0,8158

6 0,4928 0,7332 30 0,8617 0,8184

8 0,5692 0,7492 32 0,8717 0,8206

10 0,6277 0,7622 34 0,8838 0,8241

12 0,6740 0,7723 36 0,8946 0,8267

14 0,7111 0,7811 38 0,9044 0,8298

16 0,7417 0,7882 40 0,9131 0,8318

18 0,7672 0,7942 45 0,9312 0,8371

20 0,7889 0,7999 50 0,9450 0,8409

22 0,8078 0,8046 60 0,9643 0,8469

24 0,8239 0,8090 70 0,9764 0,8499

30

40

50

60

70

80

30 35 40 45 50

AA/m

2

tA/°C


Slika 7.12: COP v odvisnosti od površine prenosnika toplote ATP.

7.3.8 Preračun kompresijske hladilne naprave

Za primerjavo smo izvedli tudi simulacijo enostopenjske kompresijske toplotne črpalke zenakima temperaturama uparjanja in kondenzacije kot pri absorpcijski hladilni napravi.Odločili smo se za hladilno snov R407c, ki je mešanica hladiv w(R32) = 23 %,w(R125) = 25 % in w(R134a) = 52 % [23]. V preglednici 7.9 so navedene fizikalne inkemijske lastnosti omenjenih hladiv.

Preglednica 7.9: Fizikalne in kemijske lastnosti hladilnih snovi [24].

Hladilnasnov

Kemijskaformula

M/(g/mol)Temperaturavrelišča/°C

Entalpijauparjanja/(kJ/kg)

Temperaturaledišča/°C

R32 CH2F2 52,0 -52,0 382,5 -136,2

R125 C2HF5 120,0 -48,9 159,7 -103,2

R134a C2H2F4 102,0 -26,4 216,1 -101,2

Rezultati izračuna kompresijske hladilne naprave

Na sliki 7.13 je prikazan model kompresijske hladilne naprave oblikovan v programuAspen Plus. V prvi seriji simulacij smo za uparjalnik (U) izbrali grelnik v katerem jepredpostavljen padec tlaka ∆p = 0, in na iztoku parna faza pri tlaku vrelišča. Zakondenzator C smo izbrali grelnik, v katerem je padec tlaka ∆p = 0 in na izhodu tekočinapri tlaku vrelišča. V drugi seriji simulacij pa smo na izhodu iz kondenzatorja predpostavilipodhlajeno tekočino s temperaturo 30 °C. V obeh primerih smo za reševanje uporabiliPeng – Robinsonovo termodinamično metodo.

0,65

0,70

0,75

0,80

0,85

0,90

0 10 20 30 40 50 60 70 80

CO

P

ATP/m2


Slika 7.13: Toplotna črpalka – model v programu Aspen Plus.

V simulaciji smo nastavili tlak kondenzacije hladilne snovi pC = 1750 kPa. Odgovarjajočatemperatura kondenzacije je bila tC = 40,2 °C. Predpostavljena je uporaba vijačnegakompresorja, ki ima mehanski izkoristek η = 0,6. Spreminjali smo tlak uparjanja (pU),posledično se je spreminjala temperatura uparjanja (tU). V preglednici 7.10 so podanirezultati simulacij kompresijske hladilne naprave s hladilno snovjo R407c. Na sliki 7.14 paje prikazana odvisnost hladilnega števila kompresijske toplotne črpalke (εR) odtemperature uparjanja. Hladilno število kompresijske hladilne naprave se izračuna zenačbo:

U

R

P

Φ (7.10)

Preglednica 7.10: Rezultati simulacij kompresijske hladilne naprave (R470c).

pU/kPa tU/°CεR

brez podhlajevanjakondenzata

εR

podhlajevanjekondenzata na

t = 30 °C

640 10,0 2,729 3,040

620 9,0 2,634 2,935

600 8,0 2,542 2,834

580 7,0 2,452 2,735

560 6,0 2,366 2,639

540 4,9 2,281 2,546

520 3,8 2,199 2,455

U

C

K

V

1

2

3

4 1A


Slika 7.14: Odvisnosti hladilnega števila od temperature uparjanja kompresijske hladilnenaprave s hladilno snovjo R407c.

2,0

2,2

2,4

2,6

2,8

3,0

3,2

2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0

ε R

tU/°C

brezpodhlajevanjakondenzata

podhlajevanjekondenzata nat = 30 °C


8 EKONOMSKA ANALIZA

Inženirji različnih strok se pri svojem delu pogosto srečujejo z vprašanji kako gospodarnoravnati in odločati. Pri tem ima ekonomska analiza ključno vlogo, saj na osnovi njeodločamo o industrijskem projektu: ali bo projekt uspel ali bo zavrnjen. Vsaka ekonomskaanaliza temelji na dveh osnovnih predpostavkah:

− investiciji, ki je enkraten znesek, potreben za uresničitev projekta v praksi in

− presežku prihodka nad odhodki, kar pomeni razliko med prihodki, ki jih prinaša projektter obratovalnimi stroški.

Ekonomska analiza projekta temelji na določitvi vrednosti obeh omenjenih predpostavk zmetodami, ki se razlikujejo po zahtevnosti in natančnosti in jih izberemo glede na stopnjorazvoja, v kateri je projekt v danem trenutku. V diplomskem delu so preračunaniobratovalni stroški enostopenjske absorpcijske hladilne naprave in primerjani zobratovalnimi stroški kompresijske hladilne naprave.

8.1 Obratovalni stroški

Za izračun obratovalnih stroškov so uporabljeni podatki podjetja Nafta – Petrochem d.o.o.,podani v preglednici 8.1. V preglednici 8.2 pa je navedena primerjava obratovalnihstroškov absorpcijske in kompresijske hladilne naprave, če delujeta pri temperaturikondenzacije tC = 40,2 °C in temperaturi uparjanja tU = 10 °C. Predvideno je obratovanje180 dni v letu. Slika 8.1 prikazuje odvisnost obratovalnih stroškov od cene plina v primeruuporabe generatorja na zemeljski plin. Upoštevana kurilna vrednost plina je 9,5 kWh/m3

[26].

Preglednica 8.1: Cene pogonskih sredstev.

Cena električne energije CE/(EUR/kWh): 0,122

Cena pare CP/(EUR/kg) 0,026

Cena vode iz hladilnih stolpov (CS/EUR/m3): 0,037

Preglednica 8.2:Pregled letnih obratovalnih stroškov.

VRSTA OBRATOVALNIHSTROŠKOV

Absorpcijska hladilnanaprava Ca/(EUR/a)

Kompresijska hladilnanaprava Ca/(EUR/a)

Električna energija 42,16 121 357,89

Para 150 055,03 0

Voda iz hladilnih stolpov 21 653,52 11 564,42

SKUPAJ 171 750,71 132 922,31


Slika 8.1: Odvisnost cene obratovalnih stroškov enostopenjske absorpcijske hladilnenaprave od cene plina.

8.2 Investicijski stroški

Preglednica 8.3 navaja orientacijske cene absorpcijske hladilne naprave z delovno snovjoLiBr/H2O, in kompresijske hladilne naprave za različne kapacitete hlajenja [25].

Preglednica 8.3: Primerjava cen absorpcijske in kompresijske hladilne naprave [25].

ΦU/kW 380 660 980 1250 1650 2000 2400

Absorpcijskahladilna naprava

/ -3(10 EUR)C67,11 79,43 93,23 106,97 127,12 150,75 169,65

Kompresijskahladilna naprava

/ -3(10 EUR)C42,09 60,36 82,68 105,52 143,50 165,53 196,84

y = 2,521E-06x - 5,469E-02R² = 1,000E+00

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 100000 200000 300000 400000 500000

Cplin

a/(

EU

R/m

3)

Cobratovani stroški/(EUR/a)


9 RAZPRAVA

Namen diplomske naloge je bil simulirati obratovanje absorpcijske hladilne naprave zaproizvodnjo industrijske hladilne vode. V prvi fazi smo spreminjali temperaturo generatorjain opazovali kako se spreminja učinkovitost COP absorpcijske hladilne naprave. Iz slike7.2 vidimo, da učinkovitost COP močno narašča do temperature generatorja tG = 90 °C, odte temperature naprej pa se le malo spreminja. Ugotovili smo, da je koncentracijaraztopine na iztoku iz generatorja odvisna od temperature na izhodu le tega. Izbrali smotemperaturo generatorja tG = 90 °C, da se izognemo kristalizaciji pri relativno visokiučinkovitost COP.

V drugi fazi simulacij smo spreminjali tlak v uparjalniku in absorberju in opazovali kako sespreminja temperatura uparjalnika – tU, absorberja – tA in COP. Iz slike 7.4 je razvidno, daz naraščanjem temperature v uparjalniku, ki je posledica naraščanja tlaka, naraščaučinkovitost COP. Zato je smiselno izbrati čim višjo temperaturo uparjalnika. Iz slike 7.9 jerazvidno, da površina uparjalnika narašča z višanjem temperature uparjanja. Pri izbiritemperature uparjanja gre za kompromis med investicijskimi in obratovalnimi stroški. Kerpotrebujemo za hlajenje urea – formaldehidnih lepil temperaturo hladilne vode tHV = 15 °Csmo izbrali temperaturo uparjanja tU = 10 °C. Pri tej temperaturi še ni izrazitega povečanjapovršine cevi uparjalnika.

V tretji fazi smo spreminjali tudi tlak – pvisoki v kondenzatorju in generatorju. Iz slike 7.6 jerazvidno, da z višanjem temperature kondenzatorja pada učinkovitost absorpcijskehladilne naprave COP. Zato je smiselno izbrati čim nižjo temperaturo kondenzacije, vobravnavanem primeru tC = 40,2 °C. Pri tem pa moramo vedeti, da z nižanjemtemperature kondenzacije narašča površina cevi kondenzatorja, kot je razvidno iz slike7.10. Ponovno gre za kompromis med investicijskimi in obratovalnimi stroški.

Ugotovili smo, da so toplotni tokovi v posameznih enotah linearno odvisni od masnegapretoka raztopine, kar prikazujeta sliki 7.7 in 7.8. Za kapaciteto hlajenja ΦU = 700 kW jepotreben masni pretok raztopine na iztoku iz absorberja qm = 3,58 kg/s. Ker v simulaciji niupoštevan padec tlaka, je potreben pretok raztopine v praksi nekoliko višji.

V naslednji seriji simulacij smo spreminjali površino toplotnega prenosnika medabsorberjem in generatorjem. Iz slike 7.6 je razvidno kako se spreminja COP v odvisnostiod površine toplotnega prenosnika ATP. Koeficient učinkovitosti COP strmo raste dopovršine ATP = 20 m2, nato pa naklon krivulje pada. Primerno je vgraditi toplotni prenosniks čim večjo površino, saj se posledično poveča izkoristek COP.

Izvedeni sta bili tudi primerjavi učinkovitosti za simulacijo kompresijske hladilne naprave inabsorpcijske hladilne naprave, pri istih temperaturah kondenzacije in uparjanja. Uporabilismo hladivo R407c in predpostavili mehansko učinkovitost kompresorja η = 0,6. Rezultatje bil koeficient učinkovitosti hlajenja εR = 2,73 (brez podhlajevanja kondenzata) inεR = 3,04, če smo kondenzat podhladili na t = 30 °C. Iz preglednice 8.2 je razvidno, da soobratovalni stroški enostopenjske absorpcijske hladilne naprave višji od obratovalnihstroškov kompresijske hladilne naprave. Iz preglednice 8.3 lahko razberemo, da soinvesticijski stroški absorpcijske hladilne naprave približno 30 % večji od kompresijskehladilne naprave. Iz navedenih razlogov investicija v enostopenjsko absorpcijsko hladilno


napravo, ki obratuje na paro ni ekonomsko upravičena. V primeru obratovanjaabsorpcijske hladilne naprave na zemeljski plin se obratovalni stroški izenačijo zobratovalnimi stroški kompresijske hladilne naprave pri ceni plina 0,2804 EUR/m3 obnespremenjeni ceni električne energije (CE = 0,122 EUR/kWh).


10 SKLEP

Cilj raziskave, ki jo zajema diplomsko delo, je bil ugotoviti ali obstaja možnost uporabeabsorpcijske hladilne naprave za proizvodnjo hladilne vode za hlajenje urea –formaldehidnih lepil za podjetje Nafta – Petrochem d.o.o. Ugotovili smo, da takšnamožnost obstaja, ker imajo v podjetju na voljo ustrezne količine toplote v obliki pareqm,p = 1,5 t/h pri tlaku p = 5 bar. Za obratovanje enostopenjske absorpcijske hladilnenaprave, z delovno snovjo LiBr/H2O, pri izračunanem izkoristku naprave COP = 0,8, pa zazagotovitev kapacitete hlajenja (ΦU ≈ 700 kW) potrebujemo qm,p = 1,32 t/h pare s tlakomp = 5 bar. Na osnovi simulacij in izračunov je razvidno, da ima enostopenjska absorpcijskahladilna naprava, ki obratuje na paro, višje obratovalne stroške, kot kompresijska hladilnanaprava. V primeru obratovanja enostopenjske absorpcijske hladilne naprave nazemeljski plin, je absorpcijska hladilna naprava ekonomsko učinkovitejša ob predpostavki,da je cena plina nižja od 0,2804 EUR/m3.

Če bi obratovali z dvostopenjsko absorpcijsko hladilno napravo (ali napravo s sistemomGAX), ki ima izkoristek COP ≈ 1,2 [7] bi bil masni pretok pare približno za tretjino manjšikot pri enostopenjski absorpcijski hladilni napravi, poraba hladne vode iz hladilnih stolpovpa bi ostala približno enaka. Takšna naprava bi bila s stališča obratovalnih stroškov boljšaod kompresijske hladilne naprave. Ob tem pa ne smemo zanemariti okoljskega vidika, vkaterem ima absorpcijska hladilna naprava prednost, pred kompresijsko hladilno napravo.


11 LITERATURA

[1] http://ec.europa.eu/energy/strategies/2007/2007_11_low_carbon_future_en.htm

[2] http://sl.wikipedia.org/wiki/Kjotski_protokol[3] http://www.gen-energija.si/strani.php?page_kat=50[4] Grobovšek, B. Solarno difuzijska – absorpcijsko hladilna naprava

http://gcs.gi-zrmk.si/Svetovanje/Clanki/Grobovsek/PT259.htm[5] Refrigerants, http://www.comfort.uk.com/refrigerants.htm[6] Goričanec, D. in Krope, J. PROCESNE NAPRAVE, Zbrano gradivo pri

predmetu Procesne naprave. Maribor: Univerza v Mariboru, Fakulteta za kemijoin kemijsko tehnologijo, 2006, str. 77-82.

[7] Pongsid, S., Satha, A., Chungpaibulpatana, S. A review of absorptionrefrigeration technologies, Renewable and Sustainable Energy Reviews 5(2001) 343 – 372

[8] http://sl.wikipedia.org/wiki/CFC[9] Somers C., SIMULATION OF ABSORPTION CYCLES FOR INTEGRATION

INTO REFINING PROCESSES, Faculty of the Graduate School of theUniversity of Maryland, College Park, in partial fulfillment of the requirements forthe degree of Master of Science 2009

[10] Darwish N. A., Al-Hashimi S. H., Al-Mansoori A.S., Performance analysis andevaluation of a commercial absorption–refrigeration water–ammonia (ARWA)system, International Journal of Refrigeration 31 (2008) 1214-1223

[11] Medrano M., Bourouis M., Coronas A., Double-lift absorption refrigerationcycles driven by low – temperature heat sources using organic fluid mixtures asworking pairs, Applied Energy 68 (2001) 173 – 185

[12] Romero R.J., Guillen L., Pilatowsky I., Monomethylamine – water vapourabsorption refrigeration system, Applied Thermal Engineering 25 (2005) 867–876

[13] DA-WEN SUN, Comparison of the performances of NH3-H2O, NH3-LiNO3 andNH3-NaSCN absorption refrigeration systems, Energy Convers. Mgmt., 1998Vol. 39. No.5/6 357-368

[14] De Lucas A., Donate M., Molero C., Villasenor J., F. Rodriguez J., Performanceevaluation and simulation of a new absorbent for an absorption refrigerationsystem, International Journal of Refrigeration 27 (2004) 324–330

[15] Donate M., Rodriguez L., De Lucas A., F. Rodriguez J., Thermodynamicevaluation of new absorbent mixtures of lithium bromide and organic salts forabsorption refrigeration machines, International Journal of Refrigeration 29(2006) 30–35

[16] Lee L. L., Refrigeration with electrolytic and immiscible liquid–liquid systems,Fluid Phase Equilibria 158–160 (1999). 401–409

[17] http://en.wikipedia.org/wiki/Injector[18] http://www.nafta-geoterm.si/default.asp?nad=2&pod=3[19] Robert H. Perry, Don W. Green, Perry's chemical engineers' handbook, 8th

Edition str. 11-91


[20] Knez Ž., Škerget M., TERMODIFUZIJSKI SEPARACIJSKI PROCESI, Zbranogradivo, Maribor: Univerza v Mariboru, Fakulteta za kemijo in kemijskotehnologijo, 2003, str. 289.

[21] Program Aspen Plus® 2006.5[22] Greiter I., Wagner A., Weiss V., Alefeld G., Experimental investigation of heat

transfer in a horizontal tube falling film absorber with aqueous solutions of LiBrwith and without surfactants, Int J. Refrig Vol 19, No5, pp. 331-341, 1996

[23] http://gukkon.com.ua/eng/refregerants/alternative4.html[24] Kulčar B., Izkoriščanje toplote nizkotemperaturnih geotermalnih virov s

toplotnimi črpalkami, Diplomsko delo, Maribor, 2005[25] Dr. Yousif HASSAN, Cold from Waste Energy The Absorption System,

Mechanical Department, Sudan University[26] http://www.adriaplin.si/o-zemeljskem-plinu-lastnosti.htm


12 PRILOGE


Priloga A

Preglednica A.12.1: Lastnosti nasičenih vodnih hlapov in vodne pare [20].


13 ŽIVLJENJEPIS

Europass

življenjepis

Osebni podatki

Ime / Priimek Peter TROP

Naslov Lahonci 36a,SI-2259 Ivanjkovci, Slovenija

E-pošta [email protected]

Državljanstvo slovensko

Datum rojstva 2.12.2985

Spol moški

Zaželena zaposlitev /zaželeno poklicno področje

Energetika

Delovne izkušnje

Obdobje 8/2007 – 10/2007

Zaposlitev ali delovno mesto Laborant (praksa)

Glavne naloge in pristojnosti Izolacije DNK, načrtovanje primerjev, reakcija PCR, iskanje podatkovpo različnih bazah, urejanje tabel, računanje statističnih podatkov.

Naziv in naslov delodajalca Medicinska fakultetaUniverza v MariboruSlomškov trg 15

SI-2000 Maribor

Vrsta dejavnosti ali sektor Center za humano molekularno genetiko in farmakogenomiko


Izobraževanje inusposabljanje

Obdobje 2004 – 2009

Naziv izobrazbe in/ali nacionalnepoklicne kvalifikacije

Univerzitetni diplomirani inženir kemijske tehnologije

Glavni predmeti/pridobljenoznanje in kompetence

Prenosni pojavi, prenos snovi, termodifuzijska tehnika, gradiva,matematika, reakcijska tehnika, bioreakcijska tehnika, procesnaintegracija, industrijska mikrobiologija, molekularna biologija zgensko tehnologijo

Naziv in status ustanove, ki jepodelila diplomo, spričevalo ali

certifikat

Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo, univerza v Mariboru

Stopnja izobrazbe po nacionalniali mednarodni klasifikacijski

lestvici

VII

Druga znanja in kompetence

Materni jezik(i) Slovenščina

Drug(i) jezik(i)

Samovrednotenje Razumevanje Govorjenje Pisanje

Evropska raven (*) Slušnorazumevanje

Bralnorazumevanje

Govornosporazumevanje

Govornosporočanje

Angleščina B2 B2 B2 B2 B2

Nemščina A2 A2 A2 A2 A2

(*) Skupni evropski referenčni okvir za jezike

Računalniška znanja inkompetence

dobro poznavanje okolja Windows in programskih orodijMicrosoft Office, osnovna uporaba programa COREL DRAW

Vozniško dovoljenje A, B, F, G, H

absorpcijska hladilna naprava za proizvodnjo … · d i p l o m s k o d e l o |5 absorpcijska...

Documents