Andrzej Nowak i Cezary Czajkowski – doktoranci z Wydziału Mechaniczno-Energetycznego – pracują nad wymiennikiem ciepła, który pozwoli odzyskiwać energię w procesie regazyfikacji ciekłego gazu ziemnego. Ich projekt zdobył drugą nagrodę w V edycji konkursu „Młodzi Innowacyjni dla PGNiG”.

Zanim gaz ziemny trafia do przeciętnego gospodarstwa domowego, przechodzi długą drogę. Najpierw jest transportowany gazociągiem z podziemnego złoża i skraplany, a następnie w takiej formie (i w bardzo niskiej temperaturze) magazynowany. By mógł zostać wykorzystywany, przechodzi proces regazyfikacji, czyli ogrzania w wymiennikach ciepła (inaczej nazywanych parownicami) i w ten sposób ponownie przekształca się w fazę gazową.

– Regazyfikacja powszechnie wiąże się ze stratami energii – podkreśla Cezary Czajkowski, doktorant na Wydziale Mechaniczno-Energetycznym PWr w Katedrze Techniki Cieplnej. – Szacuje się, że około 1,5 proc. gazu w danym zbiorniku jest wykorzystane na podgrzanie pozostałej części w wymienniku ciepła, a to oznacza, że 1,5 proc. gazu po prostu wyrzucamy w atmosferę. To tak naprawdę podwójna strata. Musimy przeznaczyć konkretną ilość gazu na podgrzanie pozostałej części, której niska temperatura nie jest zagospodarowana. LNG w formie ciekłej ma bowiem poniżej -160 stopni Celsjusza i to jest ogromna energia, która mogłaby być wykorzystywana, a obecnie jest po prostu marnowana.

By zaradzić temu problemowi, Cezary Czajkowski i Andrzej Nowak (także doktorant w Katedrze Techniki Cieplnej) zaprojektowali wymiennik ciepła, który pozwala na wykorzystanie tej energii termicznej, skumulowanie lub przetworzenie jej na energię elektryczną.

– Jeśli nasz wymiennik byłby zamontowany np. w przydomowej instalacji regazyfikacji, chłód z gazu w skroplonej formie mógłby być wykorzystywany choćby w klimatyzacji czy do zamrażania spożywczego – tłumaczy Andrzej Nowak.

Prosta konstrukcja, pasywne działanie

Obecnie do odparowania skroplonej postaci gazu powszechnie wykorzystuje się wymienniki konwekcyjne. Doktoranci z PWr w swoim prototypie postanowili użyć pulsacyjnej rurki ciepła. To kapilara, czyli bardzo cienka rurka, powyginana w kształt litery „U”. Może powstać z dowolnego materiału – szkła, miedzi czy innego metalu – zgodnie z zapotrzebowaniem. Kluczowe znaczenie ma wielkość jej przekroju, która sprawia, że we wnętrzu zachodzą zjawiska kapilarne, w praktyce oznacza to, że: powstające w środku bąbelki pary pchają do góry ciecz i dzieje się to w sposób pulsacyjny, czyli cykliczny. Skojarzenia z gotowaniem się wody w czajniku są jak najbardziej słuszne – w pulsacyjnej rurce wygląda to podobnie: para podnosi do góry ciecz, pchając ją coraz dalej.

– Dzięki temu nasz wymiennik jest wysoko sprawny – wyjaśnia Czajkowski. – Może przenieść bardzo duży strumień ciepła, bo przekazujemy zarówno ciepło utajone w postaci pary, czyli przemiany fazowej, jak i ciepło jawne w postaci podgrzanej cieczy.

Co będzie tą cieczą, która ogrzeje skroplony gaz? Wszystko zależy od tego, jaka różnica temperatury będzie potrzebna w instalacji. Autorzy rozwiązania prowadzili już testy m.in. z wodą, acetonem i alkoholem etylowym.

Najważniejszą zaletą wykorzystania pulsacyjnych rurek ciepła – obok prostoty konstrukcji – jest jej pasywne działanie.

– Instalacja nie wymaga żadnej energii napędowej, bo nie ma w niej pompy obiegowej jak np. w zwykłych układach ogrzewania domowego – tłumaczy Nowak. – Czyli nie musimy dostarczać do niej energii z zewnątrz, by układ działał.

Poziomy instalacji

Opracowana przez młodych naukowców instalacja na potrzeby przemysłowe miałaby układ hybrydowy – pozwoliłoby to na pozyskiwanie chłodu ze skroplonego gazu. „Pierwszy poziom” pulsacyjnych rurek ciepła (wykonanych prawdopodobnie ze stali nierdzewnej, w których czynnikiem roboczym mógłby być azot – to jednak kwestia, która wymagałaby dopracowania) ma pozwalać na wykorzystanie energii gazu o temperaturze -160 stopni C – np. do skroplenia gazów technicznych. Firma korzystająca z instalacji mogłaby więc np. skroplić z powietrza jakiś gaz, którego potrzebuje w danym procesie technologicznym.

W następnym poziomie (gdzie używane byłyby już rurki wypełnione innym czynnikiem) gaz płynący w instalacji mógłby mieć około -120÷-80 stopni i mógłby zostać użyty już do innych celów np. krioterapii. Kolejnym poziomem mogłoby być 0 stopni czy nawet temperatura na plusie.

– Sposób wykorzystania i dostarczany chłód mogą więc być dowolne. Instalacja zostałaby tak przygotowana, żeby odpowiadać potrzebom użytkownika – opowiada Nowak.

Druga nagroda od PGNiG

Projekt został doceniony przez Polskie Górnictwo Naftowe i Gazownictwo – największą spółkę w Polsce zajmującą się poszukiwaniem i wydobywaniem gazu ziemnego i ropy naftowej. Firma nagrodziła doktorantów PWr drugą nagrodą w swoim konkursie „Młodzi Innowacyjni dla PGNiG”. To program skierowany do studentów i doktorantów pracujących nad innowacyjnymi inicjatywami o charakterze badawczo-rozwojowym, które odpowiadają obszarom działalności tej spółki. Laureaci mogą liczyć nie tylko na nagrody finansowe, lecz także zainteresowanie rozwojem i wdrożeniem ze strony PGNiG, co oznacza wysokie dofinansowanie pozwalające na realizację projektu.

– Jeśli PGNiG zdecyduje się zainwestować w nasz projekt, przygotujemy już prototyp laboratoryjny, a kolejnym krokiem byłyby instalacje przemysłowe, czym zajęłaby się zapewne firma – podkreśla Nowak. – Mamy nadzieję, że spółka będzie zainteresowana, bo nasze rozwiązanie jest łatwe w serwisie, jego skalowalność nie jest problemem, a do tego wiązałoby się z oszczędnościami i działaniami proekologicznymi.

Przyszłość rurek pulsacyjnych

Wymiennik ciepła do procesu regazyfikacji nie jest pierwszym projektem wykorzystującym pulsacyjne rurki ciepła, w którego opracowaniu uczestniczyli Czajkowski i Nowak. Wcześniej wspólnie ze swoim promotorem dr hab. inż. Sławomirem Pietrowiczem, prof. uczelni przygotowali dla dolnośląskiej firmy Globimix technologię umożliwiającą miejscowy odbiór ciepła w urządzeniach mieszających.

– To właśnie nasz promotor zainspirował nas do zajęcia się pulsacyjnymi rurkami ciepła – opowiada Czajkowski. – To jest niezwykle ciekawy temat. Rurki te zostały opatentowane w 1990 r. przez Japończyka Hisateru Akachii i w zasadzie przez wiele lat nic się wokół nich nie działo. Dopiero na początku tego wieku naukowcy zainteresowali się nimi i zaczęto widzieć w ich wykorzystaniu duży potencjał m.in. w projektach kosmicznych. W Polsce natomiast poza nami jest może kilka osób, które ten temat badają. Myślę, że nasz zespół może być jednym z pierwszych w kraju, który wdrożył do produkcji technologię wykorzystującą pulsacyjne rurki ciepła.

Doktoranci podkreślają, że przed nimi jeszcze wiele badań związanych z tą tematyką. Chcą m.in. badać strukturę przepływu w pulsacyjnej rurce, by powiązać ją z wydajnością opracowanego przez siebie wymiennika ciepła.

Lucyna Róg