Materiály pro akumulaci tepla ze spalování biomasy

Úvod

Spalování biomasy pro ohřev teplé užitkové vody (TUV) a vytápění je o hodně efektivnější, pokud je v okruhu zařazen akumulátor. Objem akumulátoru by měl být dostatečně velký. Pro běžný rodinný dům je doporučován objem alespoň 500 l a průtočný ohřev TUV. Při plném nabití akumulátoru je v závislosti na tepelné ztrátě objektu a spotřebě TUV možno na den či více dnů kotel odstavit a spotřebu tepla krýt z akumulátoru. Jako náplň se tradičně používá voda upravená přídavkem aditiv a inhibitorů, přestože jsou známy materiály s lepšími tepelně akumulačními vlastnostmi. Jedno z možných řešení nabízejí materiály s fázovou změnou tzv. PCM´s (Phase Change Materials). U těchto látek dochází během fázového přechodu k akumulaci, resp. uvolnění množství energie, které charakterizuje hodnota jejich latentního (skrytého) tepla. Obecně lze použít akumulaci do latentního tepla anorganických či organických sloučenin. Organické látky, především parafíny a mastné kyseliny, však vykazují výhodnější vlastnosti zvláště pro oblast teplot ohřevu TUV a vytápění. PCM´s díky svým termoakumulačním vlastnostem nacházejí uplatnění nejen v náplních zásobníků při spalování biomasy a akumulaci energie ze solárních kolektorů, ale i v oblasti teplotní stabilizace interiérů budov, kdy tvoří součást stavebních či omítkových směsí.

Problematika PCM´s

Latentní teplo

Během zahřívání PCM´s dochází ke zvyšování teploty a fyzického (sensible) tepla tuhé látky. K přechodu z pevného skupenství na kapalné dochází při dosažení teploty tání, (obr. 1). Navzdory vstupujícímu teplu se vlastní teplota materiálu během samotné fázové přeměny nemění. Jedná se o tzv. latentní (skryté) teplo, které současně během změny skupenství materiál pojme a následně při reverzním fázovém přechodu uvolní [1].

PCM´s – Phase Change Materials

PCM´s označujeme látky schopné uchovávat tepelnou energii s využitím tzv. latentního tepla fázové přeměny, obvykle mezi pevným a kapalným skupenstvím. Materiály vhodné pro termoakumulaci by měly dosahovat co největší akumulace tepelné energie v co nejmenším objemu materiálu, což vyjadřuje entalpie tání [kJ/m³]. Mezi další požadavky na PCM´s patří: cyklická stabilita, nehořlavost, nízké objemové změny spojené s fázovým přechodem, nekorozivní vlastnosti, nízký sklon k podchlazování a především vhodná teplota tání - v případě aplikace pro ohřev TUV by se minimální teplota tání měla pohybovat v rozmezí 55-60 °C.

Z důvodu minimalizace výskytu legionel by teplota na výstupu u spotřebitele neměla klesnout pod 55 °C [3]. Jinou možností je provozovat zásobník při ekonomičtější nižší teplotě například 50 °C. Pro splnění hygienických norem je pak ale nutné automaticky jednou měsíčně zvednout teplotu krátkodobě na 65 °C. V praxi se latentní materiály používají např. v nádržích na ohřev teplé užitkové vody (Obr. 2), jako je tomu v případě vrstveného zásobníku Latento firmy Regulus, s.r.o., který obsahuje 20 kg PCM´s. Materiál je ve svém množství schopen absorbovat 1,1 kWh latentní energie [4]. Cílem práce je studium vybraných organických materiálů, stanovení složení jejich eutektické směsi a posouzení jejich možného využití v oblasti termoakumulace.

Experimentální část

Za vybrané zástupce PCM´s byly zvoleny kyseliny stearová (C₁₇H₃₅COOH) a kyselina palmitová (C₁₅H₃₁COOH) p.a. od fy Merck a Penta Praha. Dále byly připraveny jejich směsi v daných hmotnostních poměrech (Tab.I) s cílem stanovit teplotu tání eutektické směsi těchto kyselin a prověřit její stabilitu. Vzorky byly testovány v platinových držácích při promývání pece vzduchem (100 ml/min). Zvolené rychlosti ohřevu (ochlazování) byly 10 °C/min. Jako experimentální zařízení byl použit horizontální DSC-TGA termogravimetr SDT Q600, TA Instruments. Cyklická stabilita byla testována ohřevem a ochlazováním nad a pod teplotu fázového přechodu s horní teplotou cyklu 100 °C.

Výsledky

Jak vyplývá z termogramu kyseliny stearové a palmitové, k tání dochází při teplotě 64,19 °C v případě kys. stearové a při 61,18 °C u kys. palmitové, což je blízko tabelovaným hodnotám. Naměřené hodnoty entalpií tání činily 180,5 J/g (kyselina stearová) a 189,2 J/g (kyselina palmitová). Při jednorázovém kontinuálním nárůstu teplot nastává tepelná degradace kys. stearové na vzduchu přibližně po dosažení teploty 160 °C, 180 °C v případě kys. palmitové (Obr.3). Kyselina stearová by tak nešla použít například v systémech s vakuovými kolektory, neboť 160 °C je jejich stagnační teplota.

Tepelnou degradací kyselin klesá entalpie tání. Produkt degradace bude obsahovat agresivnější organické kyseliny s kratšími řetězci. Pro potlačení korozního vlivu na materiál akumulátorů by tak musely být dodávány alkalizační přísady. Z grafu závislosti hm.% na teplotě tání směsi plyne, že eutektikum obsahuje 70 hm.% kys. palmitové a 30 hm.% kys. stearové s teplotou tání Ttání = 57,6 °C (Obr.4). To je o 3,6 °C níže, než je zjištěná teplota tání kyseliny stearové a o 6,6 °C níže než je teplota tání kyseliny palmitové.

Z hlediska cyklické termické analýzy prověřující stabilitu eutektické směsi (Obr.5) bylo zjištěno, že ve zkoumaném teplotním rozmezí je eutektikum dostatečně stabilní. Entalpie tuhnutí se držela po celou dobu vysoko nad hodnotami 200 J/g. V rámci zkoušek však byla vyšetřena pouze střednědobá stabilita. Při provozu zásobníku při ekonomičtější nižší teplotě 50 °C a ohřevu na teplotu 65 °C jednou měsíčně lze spočítat, že náplň projde celkem 120 teplotními cykly během plánované životnosti akumulátoru 10 let. Dlouhodobá stabilita tak musí být ještě zkoumána stejně jako další perspektivní materiály pro akumulaci tepla.

Poděkování

Řešení bylo podpořeno VZ MŠMT ČR MSM 6046137304

Literatura

[1] ŽEMLOVÁ T.: Stabilita materiálů s fázovou změnou pro termoakumulaci, Diplomová práce, Ústav energetiky, VŠCHT Praha, květen 2009

[2] Latent heat storage process [online], Rubitherm, [cit 20.01.2010]. Dostupné z URL: http://www.rubitherm.com/english/pages/04a_glossary_01.htm

[3] KOŽÍŠEK F.: Minimální teplota teplé vody, červen 2004, [cit 20.01.2010]. Dostupné z URL: http://www.szu.cz/o-szu/centrum-hygieny-zivotniho-prostredi/minimalni-teplotateple- vody

[4] Akumulační nádrž Latento, informační materiály firmy Regulus.s.r.o.,[cit 20.01.2010].

Článek byl zveřejněn ve sborníku konference Energetika a biomasa 2010.

Tweet

Regulace teploty plynových motorů

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky

Kam směřuje české odpadové hospodářství z pohledu prevence jejich vzniku?

Jak získat udržitelnou biomasu