seminarski- solarno hladjenej

Универзитет у БеоградуМашински факултет

Семинарски рад из предмета Соларна енергија

Тема:

СОЛАРНО ХЛАЂЕЊЕ

Ментор: Студент:

Проф. Др Милан Гојак Михаило Јелић 1607/13

Београд, децембар 2014.

2Соларна енергија Соларно хлађење

СадржајУвод......................................................................................................................................................................................................3

Технички потенцијал соларне енергије у Србији............................................................................................................................4

Соларно хлађење.................................................................................................................................................................................7

Соларни колектори...........................................................................................................................................................................13

Апсорпција.........................................................................................................................................................................................13

Адсорпција.........................................................................................................................................................................................14

Средства за сушење..........................................................................................................................................................................15

Слика 1. Капацитети обновљивих извора енергије не укључујући хидро потенцијал.................................................................3Слика 2. Средњи годишњи пораст капацитета обновљивих извора енергије и производње биогорива за период 2005. до 2010. године.........................................................................................................................................................................................4Слика 3. Годишња вредност трајања сијања Сунца на територији Републике Србије............................................................5Слика 4. Годишњи просек дневне енергије глобалног зрачења на хоризонталну површ за Републику Србију..........................5Слика 5. Просек дневне енергије глобалног зрачења на површину нагнутну под неким углом...................................................6Слика 6. Соларно зрачење у kWh на површини под нагибом..........................................................................................................6Слика 7. Расхладно оптерећење и дозрачена енергија Сунца по месецима.................................................................................7Слика 8. Потребе за хлађењем и дозрачена енергија Сунца по месецима....................................................................................7Слика 9. Шематски приказ могућиh начина коришћења соларне енергије..................................................................................8Слика 10. Зона угодности за боравак људи и ефективна температура......................................................................................9Слика 11. Шема поделе система за соларно хлађење према енергији коју користе за расхладног ефекта(жута поља – у комерцијалној употреби; сива поља – примењено на пилот постројењима )..............................................................................9Слика 12. Соларно топлотно хлађење............................................................................................................................................10Слика 13. Соларно електрично хлађење.........................................................................................................................................10

Табела 1. Водећих пет земаља по улагањима у одређену врсту обновљивог извора енергије.....................................................3Табела 2. Водећих пет земаља по капацитетима за одређену врсту обновљивог извора енергије...........................................4


УводСоларна енергија је енергија Сунчевог зрачења коју примамо у облику светла и топлоте, а која соларном технологијом обезбеђује топлоту, светлост, топлу воду, струју и хлађење објеката до којих се дистрибуира као енергент обновљивог извора. Постоје две врсте соларних система који се користе за покретање расхладних машина: соларне фотонапонске ћелије које конвертују соларно зрачење у електричну енергију путем соларних панела, и соларни термални системи који складиште Сунчеву топлоту.

Како је енергија Сунца један од обновљивих извора енергије, прво ћемо нешто рећи уопштено о обновљивим изворима енергије и о њиховој искоришћености. Термин „обновљив извор енергије“ се односи на оне изворе који се налазе у природи и имају могућност потпуног или делимичног обнављања. Глобално нова улагања у обновљиве изворе енергије су за 2008. годину износила 130 билиона долара, док су за 2010. била 221 билион долара. Снага обновљивих извора енергије је за 2008. годину износила 1150 GW док је за 2010. достигла 1320 GW. Производња електричне енергије на годишњем нивоу помоћу фото-напонских панела је за 2008. годину износила 6,9 GW док је за 2010. износила 24 GW. Капацитети соларних система који трансформису енергиу Сунаца у термичку енергију на годишњем нивоу су за 2008. годину износили 130 GW а у 2010. 185 GW. На слици 1. дати су капацитети по врсти обновљивих извора енергије за земаље у развоју, европску унију и пет водећих земаља у примени обновљивих извора енергије за 2010. годину .

Слика 1. Капацитети обновљивих извора енергије не укључујући хидро потенцијал

Из табеле 1. Можемо видети да је у 2010. години водећа земља по улагању у технологију за конверзију енергије Сунца у електричну енергију била Немачка, док је у технологију за конверзију Сунчеве енергије у термичку енергију највише уложила Кина.

Табела 1. Водећих пет земаља по улагањима у одређену врсту обновљивог извора енергије

Улагање у нове капцитете Ветар Солар PV Солар ТермалПроизводња

етанолаПроизводња биодизела

1 Кина Кина Немачка Кина Сад Немачка2 Немачка САД Италија Немачка Бразил Бразил

3 САД ИндијаЧешка

РепубликаТурска Кина Аргентина

4 Италија Шпанија Јапан Индија Канада Француска5 Бразил Немачка САД Аутралија Француска САД


На основу података из 2010. годину уочавамо да је водећа земља по капацитетима фото-напонских панела била Немачка, док је Кина била водећа по капацитетима соларних колектора (Табела 2.). На слици 2. је представљен средњи годишњи пораст капацитета обновљивих извора енергије и производње биогорива за период 2005. до 2010. године. Са слике уочавамо да овај пораст за фото-напонске панеле у 2010. износио 72 % . Пораст капацитета соларних колектора за грејање топле воде у 2010. години је износи 16 %. Максимални капацитети који се могу остварити применом фото-напонских панела који се постављају на кров неког објекта се креће од 2 до 5 kW, а типична цена оваквих система се креће од 13 до 27 еуро центи по киловат часу. За загревање воде и за грејање објеката се користе равни и вакумски колектори. За овакав системе примењене у објекту од 2 до 5 m2 цена система износи 1,5 до 16 еуро центи по киловат часу, док за објекте од 20 до 200 m2 износи 0,8 до 12 еуро центи по киловат часу. Цена система намењеног за загревање целих насеља се креће од 0,8 до 6 еуро центи по киловат часу.

Табела 2. Водећих пет земаља по капацитетима за одређену врсту обновљивог извора енергије

Обновљиви извори (не уклјучујући хидро

потенцијал)

Обновљиви извори

(уклјучујући хидро потенцијал)

Снага Ветра

Снага Биомасе

Геотермална Снага

Солар-PVСнага

Солар термалСнага

1 САД Кина Кина САД САД Немачка Кина2 Кина САД САД Бразил Филипини Шпанија Турска3 Немачка Канада Немачка Немачка Индонезија Јапан Немачка4 Шпанија Бразил Шпанија Кина Мексико Италија Јапан5 Индија Немачка/Индија Индија Шведска Италија САД Грчка

Слика 2. Средњи годишњи пораст капацитета обновљивих извора енергије и производње биогорива за период 2005. до 2010. године

Технички потенцијал соларне енергије у Србији

Број часова Сунчевог зрачења на територији Републике Србије износи између 1.500 и 2.200 часова годишње(слика 3.). Просечан интензитет Сунчевог зрачења је од 1,1 kWх/m2/дан на северу до 1,7 kWх/m2/дан на југу – током јануара, а од 5,9 до 6,6 kWх/m2/дан – током јула(слика 4.). Просечна вредност енергије зрачења износи од 1.200 kWх/m2/дан у северозападној Србији, до 1.550 kWх/m2/дан у југоисточној Србији, док у централном делу износи око 1.400 kWх/m2/дан. На слици 5. представљене су две карте просечне дневне енергије глобалног зрачења на нагнуте површине под неким углом за јануар и јул месец за Србију.

Технички искористив енергетски потенцијал за конверзију соларне енергије у топлотну енергију је процењен на 0,194 милиона тона еквивалентне нафте(1 тен = 11630 kWх) годишње уз претпоставку примене соларних термалних колектора на 50% расположивих објеката у земљи.


Слика 3. Годишња вредност трајања сијања Сунца на територији Републике Србије

Слика 4. Годишњи просек дневне енергије глобалног зрачења на хоризонталну површ за Републику Србију

Степен искоришћења зрачења зависи од карактеристика уграђеног пријемника топлоте, тако да се може усвојити просечна вредност расположиве корисне енергије у Републици Србији од 700 kWх/m2 годишње.У Републици Србији према попису из 2002. године има око 2,5 милиона домаћинстава. Ако би у просеку свако пето домаћинство уградило соларни пријемник површине 4 m2, годишње би се произвело око 1750 GWх/год топлотне енергије која би највећим делом заменила потрошњу електричне енергије, а делом фосилна горива која се користе за загревање санитарне воде, и омогућила смањење емисија угљен-диоксида за 2,3 милиона тона годишње.


Слика 5. Просек дневне енергије глобалног зрачења на површину нагнутну под неким углом

У наредном периоду је потребно спровести активности усмерене на промоцију коришћења соларне енергије за загревање санитарне воде и просторија, и развој соларних електрана за производњу електричне енергије. Енергија коју сунце током године емитује на 1 m2 крова куће у Србији је једнака енергији која се добије сагоревањем 130 литара нафте. Највећи потенцијал за коришћење соларне енергије имају градови у јужном делу Србије – Ниш, Куршумлија, Врање. Са слике 6. запажамо да је у јулу месецу највећа вредност дозрачене енергије на хоризонталну површину, при чему се њена вредност креће око 700 kWх. На хоризонталну површину најмање се енергије дозрачи у децембру при чему се она креће око kWх. Такође са слике се може учити да поршине испод одговарајућих кривих представљају укупну дозрачену енергију током године на површину нагнуту под одређеним углом. Видимо да је највише енергије дозрачено на површину под углом од 45°.

Слика 6. Соларно зрачење у kWh на површини под нагибом


Соларно хлађење

Увек присутни технолошки развој намеће задатак да нађемо нове, иновативне начине коришћења енергије Сунца, а соларно хлађење је дефинитивно један од њих. Дакле, соларно хлађење подразумева коришћење енергије Сунца за остваривање расхладног ефекта, уз минимално, или пак без коришћења електричне енергије.

Може се рећи да је Сунчево зрачење ефикасније када се користи за хлађење. Највише енергије за грејање Сунце даје лети, али потреба за грејањем лети готово да не постоји(Слика 7.). Период када је потреба за хлађењем најизраженија је управо онај када Сунце даје највише енергије, тако да се коришћењем ове енергије у сврхе хлађења њен потенцијал повећава, јер би у супротном она била неискоришћена.

Слика 7. Расхладно оптерећење и дозрачена енергија Сунца по месецима

На слици 8. је чисто илустративно показано како са мењају потребе за хлађењем и количина дозрачене енергије Сунца током дана. Са ове слике видимо да је највећа дозрачена количина енергије Сунца у 12 часова када је Сунце у зениту и тада оно прелази најкраћи пут до Земљине површине. Потребе за хлађењем су фазно померене. Највеће потребе за хлађењем се јављају између 13 и 14 часова. Такође на овој слици приказана је промена спољне температуре. Видимо да се њен максимум јавља око 14 сати, а њен миниму је у раним јутарнјим сатима.

Слика 8. Потребе за хлађењем и дозрачена енергија Сунца по месецима

Соларно хлађење може имати знатне предности у финансијском, друштвеном као и у смислу очувања животне средине, у односу на конвенционалне компресорске расхладне системе. Мане компресорских система су да троше доста електричне енергије и користе расхладне флуиде који оштећују озонски омотач. У неким земљама са великом потребом хлађења и високом ценом електричне енергије компресорски системи имају знатно велике експлоатационе трошкове.


Дуготрајна употреба система који "гутају" енергију, нарочито у часовима повишене потрошње, може изазвати испадање и прeоптерећење мреже.

Идеално решење представља комбинација техника грејања, хлађења и производње санитарне топле воде. Коришћењем Сунчеве енергије за грејање зими, и хлађење лети употпуњује се њен потенцијал.

Систем соларног хлађења се у принципу састоји од три подсистема: систем конверзије соларне енергије, расхладна машина и хлађени објекат. Који ће се тип соларног хлађења применити у одговарајућој ситуацији зависи од много фактора, као што су расхладна снага, температура хлађеног објекта, услова средине, итд... Шематски приказ могућих начина коришћења соларне енергије приказан је на слици 9.

Слика 9. Шематски приказ могућиh начина коришћења соларне енергије

Са ове слике видимо да Соларно хлађење има три области у којима се примењује и то у : климатизацији, за складиштење намирница и за замрзавање. Климатизација се по области примене може поделити на две области: комформну и индистријску климатизацију. У индустријској климатизацији сама технологија одређује параметре ваздуха потребне за њено остваривање, док је у комформној климатизацији главни фактор човек. У посебно топлим летњим данима, када спољна температура прелази вредности од 30°C и када је човек лако обучен, собна температура у опсегу 18-22 °C ће му бити превише ниска. За летњи период вредност унутрашње пројектне температуре креће се у опсегу од 22-27°C, што је условљено наменом просторије, али и кретањем спољне температуре ваздуха. На слици 10. је представљена зона угодности у h-x дијаграму за влажан ваздух (према ASHRAE) која важи за лакши канцеларијски рад у седећем положају и брзини струјања ваздуха мањој од 0,2 m/s. Такође треба напоменути да је оптимална релативна влажност 50 %. За област климатизације се користе машине које се покрећу топлотом. У овим системима се примењују расхладне машине које раде по циклусу одвлаживања, ејектроске и апсорпцине расхладне машине, и машине које користе струју за погон, произведену по Rankine-овом циклусу. За ејекторске, апсорпционе и машине које раде по циклусу одвлаживања користе се равни и колектори са вакумским цевима, док се за остваривање Rankine-овог циклу искључиво користе соларни колектори са концетрацијом енергије. За скалдиштење намирница се користе и системи који користе топлоту за остваривање расхладног ефекта и они који користе струју. Од машина које користе топлоту за остваривање расхладног ефекта користе се апосрбционе и адсорпционе расхладне машине. Оне које користе струју за остваривање расхладног ефекта могу радити по принципу термо-


електричног ефекта или могу бити компресорске расхладне машине чиуји се компресор погони помоћу фото-напонских панела. За замрзавање се користе углавном машине које користе елктречну енергију добијену помоћу фото-напонских панела.

Слика 10. Зона угодности за боравак људи и ефективна температура

Соларно хлађење може бити активно и пасивно. У овом раду искључиво ћемо се бавити активним системима. Полазећи од "прилива" соларне енергије, постоје два значајна правца у циљу остваривања расхладног ефекта; соларно топлотно xлађење (топлота као погонска енергија) или соларно електрично xлађење (слика11.).

Слика 11. Шема поделе система за соларно хлађење према енергији коју користе за расхладног ефекта(жута поља – у комерцијалној употреби; сива поља – примењено на пилот постројењима )


Системи соларног топлотног xлађења (слика 12.) користе топлоту за остваривање расxладног учинка. Соларни колектор обезбеђује топлоту за погон "топлотног компресора". Ефикасност соларног колектора у првом реду је дефинисана његовом радном температуром. При високим температурама, услед губитака, ефикасност опада, док је са друге стране, топплотни компресор ефикаснији при вишим температурама. Ове две супротноси треба ускладити и наћи оптимум при пројектовању ових система.

Слика 12. Соларно топлотно хлађење

Систем соларног електричног хлађења (слика 13.), који дакле, за погон користи електричну енергију, најчешће се састоји од панела са фотонапонским ћелијама и расхладног уређаја који користи електричну енергију за погон. Ове ћелије су у основи полупроводници чија ефикасност и цена зависе од врсте материјала и начина производње. Већина ових ћелија, које се данас могу наћи на тржишту, су од силицијума. Степен корисности им износи свега 10-15%, али у спрези са нпр. парно-компресорском машином укупна ефикасност система може бити задовољавајућа.

Слика 13. Соларно електрично хлађење

Код соларних топлотних колектора, различити типови колектора обезбеђују различите температуре преносног флуида. Ово указује да различите захтеве можемо остварити на различите начине. Нпр, Ранкинов циклус захтева високе температуре за погон, док код циклуса одвлаживања (desiccant cycle) то може бити остварено при нижим температурама. Посматрајући са стране хлађеног објекта постоје одређена ограничења у раду. Из разлога што неки циклуси користе воду као радни флуид, немогуће је остварити температуре испод 0 °С. Примена соларног (топлотног) хлађења у области климатизације заснива се углавном на апсорпционим и адсорпционим процесима, Ранкиновом циклусу, циклусу одвлаживања, ејекторском циклусу. Затим, у области складиштења хране при температурама од 0 до -8 °С, могу се применити разни циклуси; нпр, парно-компресорски, термо-електрични циклус (Peltier), апсорпциони и адсорпциони циклуси, циклуси са одређеним хемијским


реакцијама. Степен корисности самих циклуса хлађења са слике 10., који за погон користе електричну енергију је довољно висок, али они захтевају употребу панела са фотонапонским ћелијама који су веома скупи. Са друге стране, циклуси хлађења који користе топлоту за погон су мање ефикасни, али колектори достижу знатно виши степен конверзије него панели са фотонапонским ћелијама.

У наставку овог рада бавићемо се расхладним машинама које корите топлоту као погонску енергију. Такође биће обрађени само системи који су у комерцијаној употреби и који се користе за климатизацију.


Соларно хлађење у области климатизације

Главне расхладне технологије погоњене топлотом укључују:– системе са затвореним циклусом; примери су апсорпциони и адсорпциони циклуси. Они производе хладну воду која може да се користи у комбинацији са било којом опремом за климатизацију као што су клима-комора, системи са fan-coil-има, хлађене таванице итд.;– системе са отвореним циклусом; системи за сушење представљају један од примера. Термин “отворени” циклус се користи да укаже да се расхладни флуид избацује из система након што обезбеди расхладни ефекат, и да на његово место долази нови расхладни флуид у циклусу са отвореним крајем.

Соларни расхладни системи користе соларне термичке колекторе прикључене на топлотом погоњене расхладне уређаје. Они се састоје од неколико главних компоненти (слика 1): соларних колектора, акумулатора топлоте, система за дистрибуцију топлоте, топлотом погоњеног расхладног агрегата, опционог акумулатора топлоте хлађења, система за климатизацију са одговарајућим системом за дистрибуцију и помоћног подсистема (интегрисаног на различитим местима у целом систему, било као помоћни грејач паралелно са колектором, или колектор/акумулатором, или као помоћни уређај за хлађење, или оба). Свака технологија има специфичне карактеристике које одговарају пројекту КГХ зграде, оптерећењима и локалним климатским условима. Добар пројекат мора прво да искористи све расположиво соларно зрачење, а онда да конвенционалним изворима покрије преостало оптерећење.Одговарајући прорачуни колектора и величине акумулатора зависе од коришћене технологије соларног хлађења. Акумулатор топле воде може бити интегрисан између соларних колектора и топлотно погоњеног чилера, да би ублажио флуктуације температуре повратне воде из чилера.Величина акумулатора зависи од примене. Када се расхладно оптерећење јавља током читавог дана, потребан је мањи акумулатор него када се максимум оптерећења јавља поподне. Грејање акумулатора топле воде помоћним топлотним извором треба строго избегавати. Једина функција акумулатора је да складишти вишак топлоте соларног система и да га учини расположивим када нема довољно топлоте од Сунца. Средња електрична енергија потребна за помоћну опрему (вентилаторе и пумпе) износи око 22,5% расхладног капацитета. Средња специфична потрошња воде износи 5,3 kg/h по kW средњег расхладног капацитета. Већина пројеката троши 4 до 6 kg/h по kW расхладног капацитета у зависности од примењене технологије. Цифре показују да постоји значајан потенцијал за будућа побољшања имајући у виду велике разлике у помоћној енергији и потрошњи воде.

Слика 14. Соларни климатизациони системи – опис интеграције различитих компоненти; 1 – други топлотни извори; 2 – соларни колектор, 3 – производња топлоте, 4 – акумулација топлоте, 5 – дистрибуција топлоте, 6 – производња топлоте

хлађења, 7 – акумулација топлоте хлађења, 8 – дистрибуција топлоте хлађења, 9 – топлотно оптерећење зграде, 10 – клима-комора, 11 – кондиционирани ваздух, 12 – топла вода; 13 – хладна вода


Табела 3 сумира опште карактеристике репрезентативних инсталација, текућих европских и IEA програма. Већина инсталација је направљена уз финансијску помоћ владиних програма или других извора. Табела 3. Карактеристике репрезентативних европских инсталација за солрано хлађење


Соларни колектори

За соларне системе, важно је одабрати одговарајући тип соларног колектора да би се ускладио са потребама расхладне машине у погледу температуре. На пример, циклуси двоструког дејства захтевају концентрационе колекторе високе ефикасности.

Уобичајени равни соларни колектори се користе за постизање погонске температуре од 60 до 90°C, због њихових ниских инвестиционих трошкова. Са равним колекторима са селективном површином, може се постићи погонска температура до 120°C. Међутим, ефикасност колектора је мала на овом температурском нивоу. Стационаран раван соларни колектор са вакуумским цевима обично се користи за температуре од 80°C до 120°C, и може да достигне више температуре, али са нижом ефикасношћу колектора. Сложени параболични концентратори могу достићи од 97°C до 165°C. Промена коефицијента хлађења система са погонском температуром приказана је на слици 3. Као што је очекивано, коефицијент хлађења расте са порастом погонске температуре.

Средња специфична површина соларног колектора у разматраним пројектима била је 3,6 m2/kW, крећући се између 0,5 до 5,5 m2/kW. Адсорпциони и апсорпциони системи уобичајено троше више од 2 m2/kW и мање од 5 m2/kW. Уопштено говорећи, системи са H2О/NH3 захтевају већу специфичну површину колектора него системи са LiBr/ H2О. Као резултат, инсталације су уобичајено скупље (слика 3). Средњи инвестициони трошкови разматраних пројеката по инсталисаном расхладном капацитету у kW крећу се око 4000 евра по kW, не рачунајући трошкове за дистрибутивну мрежу.


Апсорпција

Апсорпционе расхладне машине, односно топлотне пумпе, за свој погон користе ексергију топлоте; због тога њихов циклус у суштини представља својеврстан обједињени левокретни и деснокретни циклус. Радне материје апсорпционих машина су најчешће бинарне мешавине. Лакше испарљива компонента мешавине је расхладни флуид, а теже испарљива је апсорбент. У индустрији се углавном користе вода/амонијак апсорпционе машине(вода као апсорбент), а у климатизацији литијумбромид/вода апсорпционе машине(вода као расхладни флуид). Апсорпционе машине које раде са другим мешавинама срећу се веома ретко.

Пожељно је да разлика температура испаравања компонената (апсорбента и расхлдног флуида) на притиску кондензације буде што већа (нпр. близу 200ºC). То осигурава боље раздвајање двофазне смесе током процеса њеног кључања у гененератору паре. Код смеше амонијак/вода, та разлика је мања, типично износи око 133ºC.

Принцип рада апсорпционих машина биће приказан на најједноставнијој једностепеној континуалној апсорпционој расхладној машини (без додатних размењивача топлоте и ректификационе колоне са дефлегматором), са мешавином амонијака и воде као радном материјом (сл).

Шема једноставне апсорпционе расхладне машине континуалног дејства

Основни елементи апсорпционе расхладне машине су генератор , апсорбер, кондензатор , испаривач , циркулациона пумпа раствора и пригушни вентили.Генератору се на p = pk и t = tg доводи погонска топлота Qg која се троши за испаравање богатог (јаког) раствора у њему. Пара стања 5 (сл. 3.1.1.), у количини D kg/s са саставом ξd (практично чисти амонијак, са малим садржајем воде) иде у кондензатор где се кондензује на p = p k и t = tk предајући околини топлоту кондензације Qк; након тога кондензат стања 6 се пригушује у пригушном вентилу до притиска испаравања po, и као влажна пара стања 7 са температуром t7 улази у испаривач где испарава узимајући од хлађеног објекта топлотухлађења Qо као расхладни учинак. Према томе, појаве у кондензатору и испаривачу апсорпционог расхладног уређаја (АРМ) се подударају са онима у компресорским расхладним машинама, с тим да су температуре кондензације и испаравања чистог амонијака (у КРМ) при сталним притисцима константне, а код смесе вода/амонијак (АРМ) мање или више променљиве.

Хладна пара из испаривача(стање 8) одводи се у апсорбер где се изобарски меша са слабим раствором стања 3 (односно, апсорбује се у слабом раствору 3) уз одвођење топлоте апсорпције Qа. Из генератора излази (F - D), kg/s, кључалог осиромашеног (слабог) раствора


стања 2 (сл. 3.1.1.) са максималном температуром t2max = tg и равнотежним саставом ξа (tg, pк), пригушује се у пригушном вентилу од притиска pк у генератору до притиска pо у апсорберу и као влажна пара стања 3 улази у апсорбер где се обогаћује апсорбујући пару стања 8 из испаривача. Циркулациона пумпа усисава из апсорбера F, kg/s, кључалог обогаћеног раствора стања 4 и са стањем 1 потискује га у генератор паре. Пошто је специфична запремина раствора мала у односу на специфичну запремину паре утрошак механичког рада Wp за погон циркулационе пумпе је веома мали и често се занемарује.

Уколико занемаримо пад притиска, онда апсoрпциона машина ради између два притиска, притиска испаравања и кондензације. Притисак у апсорберу је исти као у испаривачу, а притисак у генератору одговара притиску који влада у кондензатору.

Посматрајући "леви део" слике 3.1.1. (кондензатор, пригушни вентил и испаривач), долазимо до закључка да су ова два система слична. Ипак, разлика лежи у начину компресије на притисак кондензације (горњи притисак). Код парно компресорских машина, пара се компресује механички, помоћу компресора, док се код апсорпционих машина пара прво доведе у течно стање, а затим помоћу пумпе, подиже на притисак кондензације. Због мале специфичне запремине течности, при истој разлици притисака, рад потребан за погон пумпе је много мањи него рад компресора:

Из тог разлога, рад потребан за погон апсорпционих машина је доста мањи од рада потребног за погон компресорских машина. Међутим, апсорпционе машине захтевају релативно велику количину топлоте за погон (нискотемпературне). Дакле, компресорски системи користе механичку енергију за погон, а апсорпциони топлоту. Рад пумпе је често занемарљив у поређењу са количином топлоте која се доводи у генератору.

Гасом погоњени апсорпциони системи једноструког и двоструког дејства, пре свега произведени у САД, Кини, Јапану и Индији, доказане су и добро продаване технологије које могу да се прилагоде и интегришу у соларне инсталације. Типичан коефицијент хлађења („COP“) за велике машине једноструког дејства је 0,7 до 0,8. За унапређивање карактеристика на располагању су апсорпциони системи двоструког дејства са карактеристичним радним COP-ом од 1 до 1,2. Тренутна истраживања су фокусирана на системима троструког и четвороструког дејства, који представљају атрактиван потенцијал за побољшање перформанси хлађења, са ЦОП-ом од 1,7 до 2,2. За соларне системе, важно је одабрати одговарајући тип соларног колектора да би се ускладио са потребама расхладне машине у погледу температуре. На пример, циклуси двоструког дејства захтевају концентрационе колекторе високе ефикасности. Комерцијално расположиви апсорпциони чилери имају опсег капацитета од средњег (40 до 100 kW), до високог (300 kW и више). Бројни велики соларни расхладни системи за велике комерцијалне зграде и индустријску примену показали су се успешним и сада је неопходно подржати њихов продор на широко тржиште. Међутим, пораст захтева за хлађењем у стамбеним и малим зградама, обезбеђује растуће тржиште за опрему малих расхладних капацитета (мањих од 10 kW). Соларни расхладни системи малих капацитета могу бити расположиви током ове декаде или раније, уколико се обезбеди подршка истраживању и развоју.

Машине једноструког дејства дају најбоље резултате уколико се снабдевају топлотом на температурама од 80°C до 100°C. Машине двоструког и троструког дејства захтевају да ове температуре буду више. Дакле, уколико се изаберу ове машине, неопходни су колектори на вишим температурама. Међутим, код система двоструког дејства, уколико температура која се обезбеђује соларним колекторима падне испод 100°C, карактеристике падају нагло испод карактеристика система једноструког дејства. Већина великих уређаја (300 kW и више) користи LiBr/ H2О као радни флуид и обезбеђује хладну воду између 6°C и 7°C. Коефицијент хлађења је релативно већи него за H2О/NH3. Међутим, системи са ЛиБр морају бити хлађени водом, што обично захтева расхладну кулу, док системи са NH3 могу имати ваздухом хлађен кондензатор. Услед велике запремине водене паре као расхладног флуида, чилери са LiBr/ H2О обично имају велике димензије. За мала расхладна оптерећења и за примене где није могуће користити хлађење водом, најчешће се


користе системи са H2О/NH3. У системима са LiBr/ H2О системима, расхладни флуид се смрзава на 0°C. Због тога посебну пажњу треба обратити када машина не ради, нарочито током зиме. Други проблем је кристализација раствора ЛиБр при високим концентрацијама, што може бити резултат високих температура генератора или неадекватне контроле температуре у другим деловима машине. То је разлог што температуре на којима се врши снабдевање топлотом из соларних колектора или акумулатора топлоте морају бити адекватно контролисане. Температура расхладне воде, посебно за апсорбер, мора такође бити праћена. Капацитет чилера се може контролисати повишењем температуре на којој се врши снабдевање топлотом или снижењем температуре расхладне воде, имајући у виду да обе мере повећавају капацитет као и коефицијент хлађења. Котлови са сагоревањем горива обично покривају потребе за помоћним системом за грејање десорбера у топлотом погоњеним чилерима. Међутим, посебна пажња мора да се обрати будући да колектори повезани на ред са помоћним котлом могу да се претворе у топлотни понор уместо да буду топлотни извор, током периода са ниском расположивошћу соларног зрачења. Алтернативно, може се користити помоћни конвенционални чилер упоредо са соларном машином, али то захтева додатни чилер пуног капацитета, који може да остане неискоришћен у дужем временском периоду. Могуће решење за апсорпциони чилер једноструког дејства је да се укључи помоћни десорбер, коме се топлота доводи из помоћног извора, док оригинални десорбер користи топлоту сунца. Слаб раствор иде прво у десорбер који користи топлоту сунца што је више могуће и где му се повећава концентрација, а онда одлази у помоћни десорбер где се концентрација даље повећава уз коришћење топлоте из помоћног извора. Пара из оба десорбера иде у кондензатор.

Адсорпција

Адсорпциони чилери данас имају бољу ефикасност од апсорпционих при ниским погонским температурама (дефинисаним као средња температура грејног флуида између улаза и излаза из грејног система). Предност је што њихов унутрашњи циклус нема покретних делова (нема пумпи, нема електрично погоњених вентила). Такође, не може доћи до појаве кристализације као што је то случај код LiBr/ H2О апсорпционих чилера. Међутим, због њиховог рада са прекидима (периодични циклус), они захтевају више напора при пројектовању система и контроли рада. Додатно, у поређењу са апсорпционим машинама, оне су веће, теже и скупље по кW расхладног капацитета. Само неколико произвођача прави овакве системе, чиме је избор опреме лимитиран. Коефицијент хлађења комерцијално расположивих система, у зависности од радних услова креће се између 0,55 и 0,65.

Због периодичне природе адсорпционог циклуса, флуктуације се јављају на свим топлотним нивоима. За стабилан рад, препоручује се коришћење акумулације топлоте, макар на високим температурским нивоима и на страни расхладне воде. То чини управљање много стабилнијим и тако се избегава, на пример, пренос максимума високих температура на примарни циклус соларних колектора. Пумпе са променљивом брзином су неопходне да би се подесио запремински проток медијума за пренос топлоте кроз соларне колекторе и да би се обезбедила жељена излазна температура која одговара радним условима. Комерцијално расположиви адсорпциони чилери имају константан временски период између преласка са адсорпције на десорпцију и обрнуто. Уобичајени временски период је од 6 до 7 минута на пола циклуса. Међутим, при делимичном оптерећењу, продужење времена циклуса може повећати коефицијент хлађења, будући да је адсорпциони потенцијал сорпционих материјала боље искоришћен. То је могуће само ако је оптерећење мање од капацитета чилера. Коефицијент хлађења адсорпционог чилера може се повећати смањењем температуре расхладне воде. Да би се избегло замрзавање у испаривачу, неопходно је инсталирати акумулатор хладне воде, и тако повећати термичку инерцију система. То захтева правилну контролу пумпе за расхладну воду која треба да ради око 10 минута након завршетка циклуса загревања адсорпционог чилера, да би се избегло да регенерисани сорпциони материјал проузрокује наставак испаравања воде у испаривачу и хлађење испод температуре смрзавања.


Средства за сушење

Три врсте материјала се користе као средство за сушење ваздуха и то:силика гел, зеолит("молекуларна сита") и хлоридне соли литијума и калцијума. Силика гела или зеолит (("молекуларно сито") у облику гранула може да буде пакована у цилиндар чија су данца равна и перфорирана. Приликом проласка ваздуха кроз овакав цилиндар влага се апсорбује у силика гелу при чему се ослобађа топлота која повишава температуру тако осушеног ваздуха. Да би процес могао бити континуалан, цилиндар мора полако да ротира (један до три обртаја у минути), тако да силика гел који је апсорбовао влагу из ваздуха буде померен у струју ваздуха која је претходно загрејана. Топла струја ваздуха пролази кроз силика гел „натопљен“ водом приликом чега се услед разлике у концетрацијама влага ветри у ваздух који се испушта у атмосферу.Осушени силика гел полако поново ротира у струју ваздуха чију влажност треба смањити и процес се наставља.

Равнотежне изотерме за чврста и течна средства за сушење

Слика 1 приказана је веза између релативне влажности ваздуха и равнотежног садржај влаге(количину влаге коју може да апсорбује) за типична средства за сушење. За дату релативну влажност, равнотежни садржај влаге средства за сушење не знатно зависи од температуре. Евидентно је да за ниску релативну влажност, силика гел има ниски равнотежни садржај влаге и обратно, да има високи садржај влаге за високе релативне влажности ваздуха. Кружењем између ових услова, материјал за сушење може покупити влагу и потом се ослободити ње. Промена стања ваздуха који се проласком кроз средство за сушење загрева и исушује биће приказана на психрометријском дијаграму линијом 1-2.


Није било практичне примене чврстих материјала за сушење у комформној климатизацији. Основни разлог је недоступност потпуно развијеног система у којем је хлађење ваздуха интегрисано у јединицу за исушивање. Истраживање о системима кои се састоје од енталпијског точка, евапоративних хладњака и размењивача топлоте ваздух – ваздух су довела до неких комбинација које се могу показат практичним. Иако раде у температурнском опсегу компатибиланим са соларним снабдевање топлотном за регенерацију, системи овог типа нису радили са соларном енергијом као својим главним извором топлоте. Две комбинације са одвлаживањем ваздуха и евапоративним хлађењем су познати као вентилациони системи(раде са 100 % свежим ваздухом) и системи са рециркулацијом(са уделом свежег ваздуха). Шематски приказ ових система је представљен на сликама 3 и 5, док су промене стања ваздуха пиликом проласка ваздуха кроз поједине компоненте система представљене на психрометријском дијаграму на сликама 4 и 6. Основне компоненте у сваком систему су енталпијски точак, размењивач топлоте, два евапоративна хладњака и грејач за регенерисање ваздушне струје. Такође су потребни вентилатор за довод и одвод ваздуха.

Код система са 100% свежим ваздухом , Слике 3 и 4, спољни ваздух стања (1) прво се суши у енталпијском точаку, при чему долази до повећања температуре ваздуха.Тако загрејан ваздух и сув ваздух стања (2) се затим хлади ротацуионом размењивачу суве топлоте до стања (3). Температура ваздуха се даље смањује евапоративним хлађењем до стања (4) са којим улази у објекат који се климатизује. Приликом проласка кроз климатизовани простор температура и влажност се ваздуха се повећавају , при чему ваздух достижу стање (5) са којим се уводи у процес регенерације. Ваздух стања (5) за регенерацију средства за исушивање се прво евапоративно хлади до стања (6) тако да се може користити у ротационом размењивачу суве топлоте за хлађење свежег ваздуха за зграду. Након проласка кроз ротациони размењивач топлоте ваздух достиже стање (7) са којим иде на додатно загревање соларном енергијом или гориво или комбинацијом ова два извора, при чему достиже стање (8). Овако загрејан ваздух онда пролази кроз енталпијски точак при чему испарава већина апсорбоване воде из средства за сушење. Ваздух после проласка кроз енталпијски точак достиже стање (9) са којим се испушта у околину.


За разлику од система са 100 % свежим код система са рециркулацијом се уместо спољног ваздуха ваздухом у енталпијски точак а зати и ротациони размењивач топлоте(регенератор) уводи унутрашњи ваздух. Бројеви 5 и 6 на психрометријским дијаграмима за оба система представљају исту операцију. Унутрашњи ваздуха стања (6) прво се суши до (7), а затим хлади у размењивачу осетне топлоте до стања (8). Затим се овај ваздух евапоративно хлади до стањеа (9). Ваздух на уласку регенеративни процес је спољни ваздух стања (1), а не унутрашњи као што је то био случај код система 100 % свежим ваздухом. Кораци у регенеративном процесу су исти као они као код ветилационих система, али су услови обично другачији због више повољног извор ваздуха за регенерацију.

Коришћење сорпционог сушења ваздуха, коришћењем чврстог или течног средства за сушење, представља алтернативу конвенционалној опреми са сабијањем гаса. Комбиновање доводи до веће ефикасности повећањем температуре испаравања компресионог циклуса. Већина садашњих система за сушење користи чврсто средство за сушење, као што је силика гел. Будући да чврсто средство за сушење не може да се транспортује помоћу пумпе, ови системи најчешће користе точак са овим средством чиме се омогућава континуални рад уређаја. Коришћење средстава за сушење у чврстом стању има смисла ако је измена ваздуха и/или сушење унутрашњег ваздуха неопходно или строго прописано. Примери постоје у супермаркетима, музејима и великим холовима са пуно људи. Системи који користе течна средства за сушење много су мање распрострањени. У суштини то су апсорпциони системи са отвореним циклусом, где вода представља расхладни флуид.


Они имају различите предности, као што су:– мање компонената будући да се за кондензацију не користи кондензатор већ околину,– цео систем ради на атмосферском притиску, чиме се смањује потреба за заптивеним уређајима,– количина расхладног флуида (воде) који испарава у регенератору је независна од испаривача, чиме се обезбеђује већа флексибилност,– ефикасније коришћење топлоте на нижим температурама (до око 60°C до 70°C).

Међутим, ова технологија још увек није присутна на тржишту и даља оптимизација ових система је неопходна. Комерцијално расположиви системи се очекују ускоро. Климатизациона постројења на бази сушења захтевају добре управљачке системе са поузданом стратегијом управљања, која може да обезбеди економичан рад током целе године – климатизацију лети, грејање и овлаживање зими и вентилацију током међусезона уколико нема топлотних или расхладних оптерећења. Коефицијент хлађења система са сушењем се дефинише као промена енталпије третираног ваздуха (која је резултат смањења температуре и влажности), подељена са количином топлоте која се доводи у регенератору. Коефицијент хлађења расхладног система са сушењем строго зависи од стања спољашњег, доводног и повратног ваздуха. При просечним пројектним условима коефицијент хлађења је око 0,7 са расхладним капацитетом од 5 до 6 kW по 1000 m3/h доводног ваздуха.

Системи са течним средством за сушење могу бити јефтинији од точкова са чврстим средством за сушење када се пореде комерцијално расположиви производи. Системи са течним средством за сушење могу да акумулирају расхладни капацитет помоћу регенерисаног средства за сушење. Тако, хигроскопном раствору соли може да се повећа концентрација у периоду када је соларна енергија расположива, да се он складишти и да се касније користи за сушење процесног ваздуха. Када до обе ситуације дође истовремено, што је чест случај (климатизација се захтева у периоду када је на располагању соларно зрачење), средство за сушење може да тече директно од десорбера до апсорбера, заобилазећи акумулатор. Добро управљање мора да омогући ове различите радне модове.Акумулатор сланог раствора је најкомпактнији акумулатор топлоте хлађења. Он не захтева термичку изолацију и може да се примени увек. Складиштење може да се унапреди повећањем разлике концентрација између концентрованог и благог раствора хлађењем током процеса апсорпције. То захтева специјалну конструкцију апсорбера, који није више адијабатски и сличан је ономе у затвореном апсорпционом систему. Процес сушења може да се одвија све док постоји концентровано средство за сушење и независно од расположивости топлоте за регенерацију у исто време. Уколико је расположив и акумулатор топле воде и раствора, увек се може користити акумулатор раствора пре коришћења акумулатора топлоте који је подложан топлотним губицима.Потенцијални проблем код система са течним средством за сушење је кристализација раствора при високим концентрацијама, што може бити резултат високих температура у десорберу, или неадекватне контроле температуре у другим деловима машине. Због тога, температура на којој се машина снабдева топлотом од стране соларних колектора или акумулатора мора бити адекватно контролисана. Више температуре генерално повећавају капацитет и коефицијент хлађења.


Закључак

Даља истраживања и развој су неопходни да би стимулисали интеграцију тржишта и редуковали трошкове соларне климатизације у зградама. Соларно хлађење има велики потенцијал за значајну уштеду примарне енергије. Ова инвестиција може да постане финансијски атрактивнија макисмалним коришћењем соларних система за грејање и хлађење током целе године.


Литература

seminarski- solarno hladjenej

Documents