Efektywność pracy obrotowego osuszacza powietrza – badania doświadczalne

System SDEC

Obrotowe osuszacze powietrza, w których proces osuszania realizowany jest z wykorzystaniem zjawiska sorpcji wilgoci z powietrza na materiale higroskopijnym, tradycyjnie wykorzystywane są głównie w przemyśle [1]. W ostatnim czasie znajdują także zastosowanie w układach klimatyzacyjnych wykorzystujących energię słoneczną do ochładzania powietrza [2]. Jednym z nich jest system klimatyzacyjny SDEC [3, 4] (rys. 1).

W układach tego typu najistotniejszą funkcję pełni osuszacz powietrza (2 na rys. 1a). Skuteczność realizacji procesów wymiany ciepła i masy w nim zachodzących (rys. 1b, przemiany A®B oraz K®L) warunkuje wartość możliwego stopnia osuszenia powietrza, a pośrednio poziom schłodzenia powietrza klimatyzowanego.

Wymagana temperatura regeneracji wypełnienia sorpcyjnego oraz wartość strumienia powietrza regeneracyjnego decydują natomiast o powierzchni słonecznych kolektorów i potrzebie zastosowania dodatkowej nagrzewnicy powietrza regeneracyjnego.

Wszystko to przekłada się na wymierny rachunek ekonomiczny i ma wpływ na możliwość praktycznego zastosowania omawianego układu. Tym samym istotne jest określenie warunków pracy urządzenia pozwalających na zwiększenie efektywności realizacji procesów osuszania i regeneracji.

W układach SDEC często wykorzystuje się standardowe osuszacze, powszechnie stosowane w przemyśle. Jednak w tradycyjnych zastosowaniach z wykorzystaniem konwencjonalnych źródeł energii w celu uzyskania wysokiego stopnia osuszania temperatura powietrza regeneracyjnego może w zależności od materiału sorpcyjnego przekraczać 100°C.

Tymczasem układy chłodnicze wykorzystujące energię słoneczną do regeneracji wypełnienia sorpcyjnego (np. układy typu SDEC) pozyskują ją z instalacji słonecznych, gdzie typowe temperatury osiągane za kolektorem to 45−95°C [5].

Stanowisko pomiarowe

Badania zrealizowano w Politechnice Wrocławskiej (rys. 2) w ramach pracy [15]. Ich przedmiotem był obrotowy osuszacz powietrza ProFlute typu PPX z wypełnieniem sorpcyjnym opartym na silikażelu. Jest to wymiennik ciepła i masy, którego główny element stanowi wypełnienie higroskopijne o dużej powierzchni formowanej w kanaliki powietrzne.

Przepływ powietrza w rotorze realizowany jest przeciwprądowo w dwóch sektorach: procesowym i regeneracyjnym. W pierwszym wilgoć z powietrza jest adsorbowana na powierzchni wypełnienia, a w drugim następuje desorpcja wilgoci ze struktury wypełnienia do powietrza. Procesy te przebiegają w sposób ciągły w wyniku obrotu rotora. Główne dane charakteryzujące osuszacz podano w tabeli 1.

Układ pomiarowy stanowiły przetworniki wielkości mierzonych wraz z czujnikami, których lokalizację przedstawiono na rys. 2, a charakterystykę wraz z niepewnościami pomiaru zestawiono w tabeli 2.

Analiza efektywności osuszacza

Poniżej zestawiono przyjęte do analiz typowe wskaźniki stosowane dla tego typu zagadnień.

Strumień wilgoci usuwanej przy osuszaniu (np. [6, 9]):

gdzie:
m._ps,1 − strumień masy suchego powietrza procesowego [kg/h],
x_1,wej, x_1,wyj − zawartość wilgoci powietrza procesowego odpowiednio przed i po osuszaniu [kg/kg].

Wskaźnik DCOPt definiowany przez udział strumienia ciepła jawnego uwolnionego do powietrza procesowego w trakcie osuszania do strumienia ciepła jawnego potrzebnego do regeneracji wypełnienia (np. [10]):

gdzie:
m._ps,2 − strumień masy suchego powietrza regeneracyjnego [kg/h],
c_p,1, c_p,2 – ciepło właściwe powietrza procesowego i regeneracyjnego [kJ/(kg · K)],
t_1,wej,t_1,wyj,t_2,wej,t_2,wyj,− odpowiednio: temperatura powietrza procesowego przed i po osuszaniu oraz powietrza regeneracyjnego przed i po dostarczeniu energii do jego podgrzania [°C].

W obliczeniach zakładano, że t*_2,wej = 25°C.

Wskaźnik DCOPx definiowany przez udział strumienia ciepła utajonego usuniętego w trakcie osuszania w stosunku do strumienia ciepła jawnego potrzebnego do regeneracji wypełnienia (np. [10, 11]):

gdzie:
r      – ciepło parowania wody [kJ/kg].

Wskaźnik Q_reg/MRC definiowany przez udział strumienia ciepła jawnego potrzebnego do regeneracji wypełnienia do strumienia wilgoci usuwanej przy osuszaniu [12]:

Żeby dokonać właściwej analizy, należy w niej uwzględnić niepewności pomiarowe. Średnie względne niepewności rozszerzone na poziomie ufności » 95% powyższych wielkości wynoszą: 48,1% dla MRC, 9,1% dla DCOPt, 48,2% dla DCOPx i 48,2% dla Q_reg/MRC. 

Jak można zauważyć, największe niepewności wykazują wielkości, które określono na podstawie zawartości wilgoci powietrza. Wynika to z dużej niestabilności pomiaru wilgotności względnej w stosunkowo wysokich temperaturach 25–45°C, które występowały na ścieżce powietrza osuszanego.

Na rys. 3–9 zebrano wyniki analiz – obrazują one wpływ parametrów operacyjnych osuszacza na wybrane wskaźniki efektywności jego pracy. Pod każdym rysunkiem przedstawiono warunki, w których wykonano eksperyment.

Analizując wpływ parametrów powietrza procesowego (rys. 3–4), tj. powietrza zewnętrznego w zakresie zbliżonym do jego występowania w okresie letnim klimatu Polski – temperatury oraz zawartości wilgoci (t_1,wej, x_1,wej), można stwierdzić, że ich zmiana w małym stopniu wpływa na wydajność osuszania (MRC). 

Niemniej jednak, biorąc pod uwagę zmniejszanie się pojemności sorpcyjnej silikażelu, a także spadek potencjału chemicznego powietrza, którego gradient stanowi siłę napędową procesów wymiany masy między powietrzem a wypełnieniem [13] przy obniżaniu się wilgotności względnej powietrza, MRC zmniejsza się przy wzroście temperatury powietrza (rys. 3) i wzrasta przy większej wilgoci (rys. 4). 

Tym samym bardziej korzystna praca osuszacza (Q_reg/MRC) przebiega w niższej temperaturze i wyższej zawartości wilgoci powietrza procesowego. Przy wzroście x1,wej w warunkach Q_reg = const (rys. 4) wyraźnie uwidacznia się wzrost DCOPt spowodowany uwalnianym ciepłem sorpcji do powietrza procesowego w trakcie osuszania.

Spośród wszystkich analizowanych parametrów w największym stopniu na wydajność osuszania (MRC) wpływa temperatura powietrza regeneracyjnego (rys. 5).Wraz ze wzrostem temperatury regeneracji w podobnym stopniu zwiększa się wydajność osuszania − jednak do momentu, kiedy powietrze po osuszaniu osiąga już bardzo niską zawartość wilgoci. Wtedy dalszy wzrost temperatury w mniejszym stopniu wpływa na zmianę potencjału chemicznego powietrza.

Można zauważyć również, że zmiana temperatury regeneracji w szerokim zakresie nie skutkuje wyraźną zmianą efektywności osuszania (DCOPt, DCOPx), a tym samym wskaźnik Q_reg/MRC jest w przybliżeniu stały.

Podobnie jak przy wysokich temperaturach, tak i przy niskiej zawartości wilgoci powietrze regeneracyjne ma większą zdolność usuwania wilgoci z wypełnienia (potencjał chemiczny powietrza jest niższy). W wyniku czego (rys. 6) wzrost x_2,wej powoduje spadek wskaźników MRC, DCOPt, DCOPx oraz wzrost Q_reg/MRC. Pokazuje to, że w celu ograniczenia kosztów regeneracji wypełnienia sorpcyjnego powietrze wykorzystywane w tym procesie powinno mieć możliwie niską zawartość wilgoci.

Analiza wpływu zmian parametrów strumienia powietrza procesowego na efektywność osuszania (rys. 7) wykazała oczekiwane wyniki: wskaźniki MRC, DCOPt i DCOPx przyjmują maksymalne wartości przy maksymalnym strumieniu powietrza [14]. Zmiana strumienia powietrza procesowego (m_ps,1) nie zmienia ilości energii dostarczanej do regeneracji wypełnienia, dlatego wskaźnik Q_reg/MRC wraz ze wzrostem m_ps,1 maleje. Należy jednak podkreślić, że nie uwzględnia on zmiany oporów przepływu powietrza, tym samym zwiększenia energii elektrycznej wydatkowanej do przetłaczania powietrza wraz ze zwiększeniem strumienia powietrza.

Wydajność osuszania (MRC) w sposób istotny zależy od zmian strumienia powietrza regeneracyjnego (m_ps,2) (rys. 8). Im większy strumień, tym wartość wskaźnika MRC jest większa. Z drugiej strony, biorąc pod uwagę wskaźnik Q_reg/MRC, korzystniejsze jest utrzymywanie niższych wartości strumieni powietrza regeneracyjnego [14].

Prędkość obrotowa rotora (rys. 9) w istotny sposób wpływa na efektywność pracy osuszacza. Ponieważ jest ona powiązana z czasem przebywania wypełnienia w danym sektorze, decyduje o długości trwania procesu regeneracji i osuszania

Przy niskiej jej wartości znaczna część wypełnienia może stosunkowo szybko osiągnąć stan równowagi z powietrzem, a tym samym w sektorze procesowym zmniejszać ogólny efekt osuszenia, a w regeneracyjnym zwiększać temperaturę wypełnienia. Natomiast przy wyższych obrotach (> 9 obr/h, nie pokazano na rys. 9) zwiększenie skuteczności wymiany ciepła doprowadza do pogorszenia warunków realizacji procesów wymiany masy w sektorze regeneracyjnym. Tym samym istnieje optymalna prędkość obrotowa, przy której proces osuszania przebiega najefektywniej. W analizowanym przykładzie mieści się ona w przedziale 7–9 obr/h.

Wnioski

Przeprowadzone analizy wykazały zróżnicowany wpływ parametrów termodynamicznych strumieni powietrza procesowego i regeneracyjnego, a także prędkości obrotowej rotora na wybrane wskaźniki efektywności pracy obrotowego osuszacza powietrza. Niemniej parametry powietrza regeneracyjnego (t_2,wej, x_2,wej, m_ps,2) i prędkość obrotowa rotora wykazują większy wpływ na efektywność pracy urządzenia niż parametry powietrza procesowego.

Przy projektowaniu systemów klimatyzacyjnych SDEC wymagana jest decyzja dotycząca przyjęcia strumieni powietrza, temperatury powietrza regeneracyjnego i prędkości obrotowej rotora. Temperatura i zawartość wilgoci powietrza procesowego oraz zawartość wilgoci powietrza regeneracyjnego wynikają z lokalizacji obiektu oraz bilansu ciepła i wilgoci w pomieszczeniu, co powoduje, że ich wartości są najczęściej wynikowe. 

Zestawiając wszystkie parametry pracy urządzenia w systemie SDEC, należy wziąć pod uwagę, że wpływają one w sposób zróżnicowany na efektywność całego systemu. Dodatkowo nie zawsze większa efektywność osuszania (MRC) skutkuje uzyskaniem większego efektu chłodniczego systemu SDEC (rys. 1).

Taka sytuacja może wystąpić na przykład przy analizie wpływu zawartości wilgoci powietrza procesowego − większa zawartość wilgoci zwiększa efektywność osuszania, ale warunki pracy dla całego układu pod względem jego zdolności chłodniczych stają się coraz bardziej niekorzystne.

Kluczowym parametrem, którego optymalne określenie zwiększa efektywność zarówno osuszania, jak i chłodniczą systemu SDEC, jest prędkość obrotowa rotora. Dzięki jej określeniu w rzeczywistym systemie możliwe jest ograniczenie zapotrzebowania na energię do regeneracji.

Zasadniczą rolę w systemie SDEC odgrywa dostarczenie energii do regeneracji wypełnienia, które można zrealizować poprzez zmianę temperatury lub strumienia powietrza regeneracyjnego. Analizy wykazały, że istnieją zakresy ich pożądanych wartości, przy czym znaczne zwiększanie temperatury oraz strumienia powietrza regeneracyjnego nie jest korzystne (z punktu widzenia wskaźnika Q_reg/MRC). Należy je jednak ostatecznie określić na podstawie metod kompromisowej optymalizacji w powiązaniu z warunkami pracy konkretnej instalacji słonecznej.

Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach 2009–2013 jako projekt badawczy

Literatura

1. Harriman L.G. (ed.), The Dehumidification Handbook, Munters Corporation Dehumidification Division, USA 2002.
2. Kim D.S., Infante Ferreira C.A., Solar refrigeration options – a state-of-the-art review, „Int. J. Refrig.” No. 31(1), 2008.
3. Besler M., Kowalski P., Kwiecień D., Schwitalla A., Solarne systemy klimatyzacyjne SDEC, „Instal” nr 1/2008.
4. Kowalski P., Kwiecień D., Wykorzystanie kolektorów słonecznych w instalacjach klimatyzacyjnych, „Rynek Instalacyjny” nr 10/2008.
5. Kowalski P., Kwiecień D., Kolektory słoneczne w solarnych systemach klimatyzacyjnych, w: Air Conditioning Protection & District Heating 2008, XII International Conference, Wrocław-Szklarska Poręba, June 2008.
6. Angrisani G., Minichiello F., Roselli C., Sasso M., Experimental analysis on the dehumidification and thermal performance of a desiccant wheel, „Appl. Energy” No. 92, 2012.
7. Heidarinejad G., Pasdarshahri H., Delfani S., The effect of geometrical characteristics of desiccant wheel on its performance, „Int. J. Eng.” No. 22 (1), 2009.
8. Heidarinejad G., Pasdarshahri H., The effects of operational conditions of the desiccant wheel on the performance of desiccant cooling cycles, „Energy and Buildings” No. 42, 2010.
9. Slayzak S.J., Ryan J.P., Desiccant Dehumidification Wheel Test Guide, Technical, nr NREL/TP-550-26131, National Renewable Energy Laboratory, December 2000.
10. Enteria N., Yoshino H., Mochida A., Takaki R., Satake A., Yoshie R., Mitamura T., Baba S., Construction and initial operation of the combined solar thermal and electric desiccant cooling system, „Solar Energy” No. 83 (8), 2009.
11. Ge T.S., Ziegler F., Wang R.Z., A mathematical model for predicting the performance of a compound desiccant wheel (A model of compound desiccant wheel), „Appl. Therm. Eng.” No. 30 (8–9), 2010.
12. de Antonellis S., Joppolo C.M., Molinaroli L., Simulation, performance analysis and optimization of desiccant wheels, „Energy and Buildings” No. 42 (9), 2010.
13. Anisimov S., Kowalski P., Matematyczny model procesów wymiany ciepła i masy w przeciwprądowym osuszaczu powietrza, „Ochrona Środowiska” nr 4/2008.
14. Kowalski P., Wpływ zmian parametrów strumieni powietrza na efektywność pracy obrotowego osuszacza powietrza, w: „Aktualne kierunki badań systemów inżynieryjnych”, Anisimov S. red., Instytut Klimatyzacji i Ogrzewnictwa, Wydział Inżynierii Środowiska, Politechnika Wrocławska, Wrocław 2012.
15. Kowalski P., Wymiana ciepła i masy w obrotowym osuszaczu solarnego systemu klimatyzacyjnego, rozprawa doktorska, Politechnika Wrocławska, Wrocław 2013.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!