Oczyszczalnia ścieków PCM: Zasada działania i zastosowanie materiałów zmiennofazowych
- Szczegóły
W dzisiejszym świecie efektywne wykorzystanie energii odgrywa coraz większą rolę. Nasz świat wyrobił sobie nawyk posiadania wystarczającej ilości energii "na żądanie" z zasobów skończonych (ropa, węgiel itp.) lub z coraz bardziej przestarzałych modeli (energia jądrowa). Ten luksus jest jednak obciążeniem dla środowiska - wymaga niepotrzebnie dużych rezerw energetycznych, zwiększa emisję CO2 i powoduje dodatkowe obciążenia dla środowiska spowodowane wytwarzaniem, transportem i utylizacją tych źródeł energii.
Zapewnia nam to dostęp do wystarczającej ilości energii, ale ma ten problem, że podaż i popyt często nie są wyrównane w czasie. Takie różnice mogą być mierzone w czasie od kilku minut (np. Inaczej to wygląda w przypadku zapotrzebowania na słoneczną energię cieplną, która jest dostarczana w ciągu dnia, ale mało wykorzystywana, dramatycznie wzrasta w nocy. W tym miejscu pojawia się kwestia magazynowania np. w przemianie fazowej. Znaczące zastosowania wymiany fazowej można znaleźć w ogniwach paliwowych, pompach ciepła, elektrowniach kogeneracyjnych i innych.
Zasada działania PCM
PCM (materiały przemiany fazowej) są używane do magazynowania energii cieplnej. Magazynowanie utajone opiera się na zasadzie przemian fazowych odpowiedniego materiału (PCM => phase change material). Dlatego zmiana fazy odgrywa kluczową rolę.
Jeśli materiał ten znajduje się w stanie stałym (krystalicznym) i dostarczana jest do niego energia w postaci ciepła, temperatura PCM rośnie aż do momentu, gdy zaczyna się topić. Jest to punkt, w którym rozpoczyna się przemiana fazowa. Podczas tego procesu wiązania międzycząsteczkowe zostają termicznie przerwane, powodując upłynnienie PCM.
Od tego momentu PCM zaczyna absorbować energię cieplną, nie zmieniając temperatury (ciepło utajone). W zależności od PCM (parafina, hydraty soli itp.) siły wiązania ulegają energetycznemu pęknięciu po osiągnięciu określonej temperatury (tj. temperatury przemiany fazowej, która zależy od PCM). Nazywa się to procesem topienia. Proces ten odbywa się w stałej temperaturze. PCM zestali się, gdy tylko zostanie ponownie ostudzony. Oznacza to, że zmagazynowana energia jest pobierana w stałej temperaturze.
Przeczytaj także: Piotrkowska oczyszczalnia ścieków
Aby wskazać, ile energii można zmagazynować, przyjrzyjmy się lodowi wodnemu: tyle samo energii potrzeba, aby doprowadzić 1 kg wody z 0°C ciała stałego do 0°C cieczy i 1 kg wody z 0°C w stanie ciekłym do 80°C w stanie ciekłym. To jest efekt utajony tzw. ciepło utajone. Właściwa entalpia przemiany fazowej jest zatem stosunkowo wysoka w porównaniu do pojemności cieplnej właściwej (dla wody: entalpia topnienia 334 kJ / kg, pojemność cieplna właściwa ok. 92 Wh potrzebne są od 0°C ciała stałego do 0°C cieczy, to jest ok. Przy magazynowaniu wody np. (powyżej 0°C) wykorzystuje się stosunkowo duże ciepło jawne, które woda może odebrać. Wynosi ono 1,16 Wh/kg*K. Oznacza to, że im wyższa różnica temperatur, tym więcej energii cieplnej jest magazynowane.
Zalety i ograniczenia magazynowania utajonego
Jednak dobry PCM może zaabsorbować nawet 50 Wh/kg w zakresie temperatur około zaledwie 10 K, dlatego zastosowanie magazynowania utajonego jest ograniczone do niskich różnic temperatur. Im mniejsza różnica temperatur, tym bardziej efektywne jest magazynowanie utajone, co sprawia, że obliczanie pojemności magazynowania PCM przy dużych różnicach temperatur jest kompletnym nonsensem. Tam, gdzie dostępne są większe różnice temperatur od około 20 K, zawsze wskazane jest porównanie pojemności/kosztów z wodnymi nośnikami ciepła.
Przy tak dużych różnicach temperatur nie ma sensu obliczać pojemności magazynowania utajonego, ponieważ właściwa funkcja, czyli przemiana fazowa, została zakończona, a przy różnicy temperatur 50 K około 40 K jest już uwzględnione jako ciepło jawne. Przykład: 1 kg PCM (baza parafinowa) ma ciepło jawne wynoszące około 0,6 Wh/kg*K (połowa tego, co woda!). 40 K * 0,6 Wh/kg*K = 24 Wh.
Porównanie z wodnymi nośnikami ciepła
Obecnie duże zbiorniki na wodę są wykorzystywane głównie do magazynowania ciepła. Jest to zalecana technika przy dużych różnicach temperatur. Jeżeli np. w zbiorniku wody przechowywana jest woda o temperaturze 90°C, a konsument korzysta z niej do temperatury 30°C, to jest to bardzo duża różnica temperatur, wynosząca 60K. Przy tak dużych różnicach temperatur nie ma rozsądnego alternatywnego zamiennika dla ciepła jawnego (wodnego) medium magazynującego. Systemy z dużymi różnicami temperatur są jednak coraz rzadsze (urządzenia starszego typu), ponieważ są to największe straty energii.
Nowoczesne systemy oparte na energii działają z niską różnicą energii, stawiając temperatury generatora i odbiornika bardzo blisko siebie i wymagając tylko minimum energii, aby przywrócić zużytą energię do obiegu poprzez lekkie podniesienie temperatury. Takie wydajne systemy działają z wykorzystaniem zaledwie ułamka energii pierwotnej, która kiedyś była zużywana. Jednak im mniejsza różnica temperatur, tym mniej energii mogą magazynować nośniki ciepła jawnego. Jeśli np. użytkowa różnica temperatur wynosi tylko 5K (np. od 5 do 10°C), to wodny nośnik magazynujący zmagazynuje około 5,8 Wh na kilogram wody.
Przeczytaj także: Wręczyca Wielka: wszystko o oczyszczalni
Właśnie tutaj swoje kluczowe zalety ujawnia magazyn utajony, zawierający "materiały zmiennofazowe" (PCM). Na przykład pojemność cieplna wody wynosi 1,16 Wh/kg*K (podgrzanej o 1°C). Przy temperaturze 5K jest to zatem (5 K*1,16 Wh =) 5,8 Wh na kilogram wody. Jeśli natomiast weźmiemy pod uwagę główną temperaturę topnienia typowego PCM, takiego jak oparty na parafinie ATP 62 firmy Axiotherm, otrzymamy zdolność magazynowania 53 Wh na kg PCM przy różnicy temperatur 5 K, a więc nieco ponad dziewięć razy więcej na kilogram w porównaniu z wodą. Przy wyższych różnicach temperatur korzyści maleją, osiągając na przykład 5,2-krotność pojemności przy różnicy temperatur 10K.
Wyzwania i rozwiązania
Słabe przewodnictwo cieplne PCM sprawia, że nie ma sensu wypełniać pojemnika w całości PCM i na przykład używać spiralnej rury z przepływającą do niej wodą w nadziei, że w ten sposób uda się pozyskać i zmagazynować ciepło i zimno. Było już mnóstwo takich podejść, które w mniejszym lub większym stopniu nie spełniały oczekiwań ze względu na warunki fizyczne. W takich strukturach słaba przewodność cieplna PCM uniemożliwia ciągłe doprowadzanie (magazynowanie) energii, a jeszcze bardziej uniemożliwia odprowadzanie (pobieranie) energii.
Można to porównać do ugotowanego jajka - powstające w wyniku procesu gotowania warstwy stałe powodują spadek dopływu ciepła do rdzenia jajka, a dopiero dzięki dużym różnicom temperatur powstaje stosunkowo niewielki strumień ciepła. Te makrokapsułki są zaprojektowane tak, aby grubość warstw PCM była jak najmniejsza przy zachowaniu dużej powierzchni, co pozwala całej masie PCM uczestniczyć w procesie zmiany fazy, a jednocześnie umożliwia pakiety, które zapewniają pełną ekspozycję powierzchni i łatwość przepływu (poprzez ułożenie makrokapsułek jedna na drugiej). Woda zawarta w medium magazynującym służy również do zarządzania bilansem energetycznym i dynamiką. Masa ta służy do przechowywania odpowiednich ilości energii we wszystkich zakresach temperatur w komponencie wodnym, w zależności od różnicy temperatur.
Pomysł wykorzystania materiałów utajonych do przechowywania energii istnieje od wielu dziesięcioleci. Opracowano i przetestowano już wiele rozwiązań do zastosowań w ogrzewaniu i chłodzeniu. Żadne z nich nie było w stanie przebić się na rynku, ale dlaczego? Wiele materiałów PCM może przechowywać dużą ilość energii dzięki wykorzystaniu ciepła utajonego, ale często mają one również słabe przewodnictwo cieplne, co czyni je dobrymi izolatorami. W przypadku akumulatora ciepła lub zimna ważne jest, aby oprócz wykorzystania całego potencjału energetycznego, osiągnąć najwyższą możliwą wydajność transferową.
Nasze HeatStixx optymalnie łączą te właściwości. W naszym autorskim formacie, sprawdzonym przez lata badań i walidacji, łączymy wysoką moc przenoszoną dzięki dużej powierzchni z największą możliwą ilością PCM, którą możemy wprowadzić do buforów. Stosunek powierzchni do objętości odgrywa decydującą rolę. Nasze heatStixx i heatSel są dostępne dla różnych zakresów temperatur.
Przeczytaj także: Budowa kanalizacji - Jabłowo
Przykłady zastosowań
Zakres temperatur w zasobniku - przykład Min. -10 °C (min. Maks. Zbiornik buforowy o poj.1 m³, napełniony 1500 heatStixx PKS-6 °C przechowuje ok. Ilość: na 1.000 I pojemności zbiornika ok. 1.000 szt. Przykład:Dzięki zastosowaniu coolBoxx-hS 2200 z wypełnieniem HeatSel ATS -6 można zminimalizować objętość magazynowania konwencjonalnego zbiornika chłodniczego na wodę/glikol z 9020 I do 2200 I. To nie tylko oszczędność miejsca, ale także zmniejszenie liczby zbiorników magazynowych.
Ponieważ temperatura topnienia wody, o której wiadomo, że wynosi 0°C i jest nieodpowiednia dla większości zastosowań, jako PCM stosuje się specjalnie opracowane sole, estry lub parafiny. W zależności od konstrukcji mają temperaturę przemiany fazowej od -51°C do +89°C i są nieszkodliwe dla zdrowia. Niska gęstość (ok. Niska gęstość (ok. HeatStixx i HeatSel są dostępne dla różnych temperatur przemiany fazowej. Obejmuje to bardzo szeroki zakres zastosowań i możliwości przechowywania ciepła i zimna.
Zmiana fazy zawsze zachodzi w określonej temperaturze. Aby to jednak osiągnąć, musi nastąpić określony spadek temperatury od medium nośnego do PCM, tj. od temperatury otoczenia do temperatury przemiany fazowej.Jest to ważne zarówno dla zużycia energii, jak i jej produkcji. Jeśli normalnie eksploatujesz zbiornik w temperaturze od 40°C do 60°C, optymalna temperatura PCM powinna wynosić ok. 50°C.Twój zbiornik będzie wtedy nadal rozładowywany w temperaturze 40°C i całkowicie naładowany w temperaturze 60°C, ale proces ten będzie trwał znacznie dłużej. Skutkuje to możliwą ciągłą wydajnością ok. Ponadto ważne jest, aby w celu uzyskania wydajności ciągłej nie należy przekraczać współczynnika 1,5 przepływu objętościowego do rozmiaru zbiornika. Oczywiście wyższe wydajności mogą być również osiągnięte w krótkim czasie, np.
Redukcja kosztów operacyjnych - Obniżanie wartości szczytowych (w odniesieniu do mocy znamionowej) w celu korzystania z tańszych taryf za energię elektryczną (np.
Phase Change Materials przeznaczone są do pochłaniania i uwalniania dużych ilości energii cieplnej w stałych temperaturach. Ponad 30 organicznych (ATP) i nieorganicznych (ATS) wysokowydajnych PCM w zakresie temperatur od -40°C do 120°C.
| Typ PCM | Zakres temperatur (°C) |
|---|---|
| Organiczne (ATP) | -40 do 120 |
| Nieorganiczne (ATS) | -40 do 120 |
tags: #oczyszczalnia #ścieków #pcm #zasada #działania
