<<< На главную <<<

Абсорбционные холодильные машины и тепловые насосы

Анализ работы компрессионной и абсорбционной холодильных машин показал, что в данных условиях абсорбционная холодильная машина работает более эффективно.
Использование абсорбционных холодильных машин для кондиционирования и теплоснабжения дало возможность осуществить их круглогодичную загрузку, упростить системы хладо- и теплоснабжения, создать экономичные, безопасные и малошумные машины.
На уровень эффективности холодильной системы оказывает влияние ряд факторов, непосредственно связанных с эксплуатацией. С одной стороны, это факторы, обусловленные конструкцией системы (надежность, уровень автоматизации и др.), с другой – ее влияние на окружающую среду.
Эксплуатационные показатели абсорбционной холодильной машины, связанные с надежностью и уровнем автоматизации, выше, чем у компрессионной, т.к. надежность компрессионной холодильной машины в значительной степени определяется надежностью механического компрессора.

Основы термодинамики растворов, принцип действия абсорбционной холодильной машины

В составе абсорбционной холодильной машины роль компрессора выполняется системой абсорбер-генератор. При этом процессы, связанные с работой компрессора, осуществляются с помощью растворов, состоящих из двух или трех компонентов.
В холодильной технике это, как правило, раствор, состоящий из двух (бинарный) компонентов с различными температурами кипения при одинаковом давлении. Один компонент, с более низкой температурой кипения, является холодильным агентом, другой – абсорбентом (поглотителем).
Раствор, обеспечивающий процессы в абсорбционной холодильной машине носит название ее рабочего вещества (тела).
К рабочим веществам абсорбционных холодильных машин предъявляются два основных требования:
- полная взаимная растворимость компонентов;
- значительное различие величин нормальных температур кипения компонентов.

Наибольшее применение в холодильной технике получили абсорбционные холодильные машины, работающие на растворах вода-аммиак (водоаммиачные), вода-бромистый литий (бромистолитиевые). В водоаммиачных холодильных машинах холодильным агентом является аммиак, в бромистолитиевых – вода.
Раствор при совершении цикла абсорбционной холодильногй машины меняет свое состояние.
Для определения состояния двухкомпонентных систем наряду с заданием таких параметров, как температура, давление необходимо также иметь данные о концентрации компонентов.
Концентрацией называется содержание одного из компонентов в единице количества смеси.

Для расчетов процессов, протекающих в абсорбционных холодильных машинах, удобно применять диаграммы энтальпия-концентрация. Концентрацию при этом выражают массовыми долями.
Рабочие вещества представляют две группы смесей: раствор аммиака в воде относится к первой группе, в нем оба компонента являются летучими; раствор бромистого лития в воде относится ко второй группе, в нем абсорбент (бромистый литий) характеризуется практически нулевой летучестью. В паровой фазе растворов первой группы присутствуют оба компонента, а во второй – только один.
Температура насыщения зависит от концентрации раствора и изменяется, возрастая от температуры насыщения первого чистого компонента до температуры насыщения второго чистого компонента. На рис.1.1. представлены диаграммы и состояния раствора первой (а) и второй (б) групп. Диаграмма ξ-і строится в соответствии с законом Рауля и законом Кирхгофа.
Согласно закону Рауля давление насыщенного пара над раствором зависит от состава раствора, а энтальпия прямо пропорционально температуре.
Для растворов первой группы в соответствии с первым законом Коновалова пар, находящийся в равновесии с жидкостью, богаче тем из компонентов, добавление которого к жидкости снижает температуру кипения смеси или повышает давление насыщенного пара над ней при постоянной температуре, таким образом, пар над раствором обогащен более летучим компонентом.
Как видно из диаграммы (а), изотерма в области влажного пара имеет наклон, следовательно, в паре холодильного агента больше, чем в жидкости. Обычно в этой области изотермы не наносятся. Для их построения имеется вспомогательная кривая (указана штрихами). Точка М определяет произвольное состояние влажного пара в процессе кипения, когда кипящая жидкость и насыщенный пар имею температуру t1 и концентрации ξF1 и ξD1.
Изобарное равновесие в ξ-і диаграмме для веществ второй группы (рис. 1.1, б) в общих чертах аналогично. Существенным отличием является то, что паровая фаза содержит только один летучий компонент, поэтому линия равновесия пара и жидкости лежит на оси энтальпий. Следует обратить внимание на то, что на рис. 1.1, б диаграмма не имеет области ξ=1. Это объясняется тем, что пар не имеет в своем составе нелетучего компонента, поэтому полный переход раствора с начальной концентрацией ξа в паровую область невозможен.
При сравнении диаграмм «а» и «б» очевидно, что они являются как бы зеркальным отражением друг друга. Причина заключается в том, что для водоаммиачного раствора массовая концентрация определяется по содержанию легкокипящего компонента (аммиака), а для водного раствора бромистого лития – по поглотителю (бромистому литию).
Перед рассмотрением отдельных процессов двухкомпонентных систем следует отметить следующее:
Как и для чистых веществ, методики нахождения таких термодинамических характеристик двухфазных сред, как энтальпия, энтропия и удельный объем аналогичны (различие состоит лишь в том, что для каждой из фаз эти величины при р=const и однокомпонентной среды не изменяются, а при двухкомпонентных - зависят от концентрации, что следует из правила Гиббса, поэтому процессы фазового перехода для неазеотропных систем происходят при переменной температуре);
общие закономерности термодинамики, которые не зависят от природы вещества, справедливы и для многокомпонентных систем;
термодинамическое состояние многокомпонентных систем описывают, применяя уравнения состояния, которые имеют дополнительные параметры концентрации компонентов.
Для изобарных процессов переноса теплоты общей закономерностью является равенство переданной теплоты и изменения полных энтальпий внутренней системы.
Поэтому для процесса нагрева 1 кг раствора с концентрацией ξA от температуры tA от до температуры tF

qAF=iF-iA (1.1)

Дальнейший нагрев раствора также происходит при переменной температуре, но характер изменения температур другой, так как происходит процесс парообразования. Различие составов паровой и жидкой фазы при сохранении общей концентрации ξA системы приводит к тому, что с увеличением паросодержания уменьшается концентрация в жидкости легкокипящего компонента. Например, для точки М концентрация раствора ξF1 и количество теплоты, подведенной извне,

qMF=iM-iF (1.2)

В состоянии Е для системы на рис.1.1 а, весь раствор превратится в пар. Дальнейший нагрев системы приведет к образованию перегретого пара (точка G).

qEG=iG-iE (1.3)

Для системы, предоставленной на рис. 1.1 б, процесс происходит до определенной максимальной иемпературы кипения tmax. Этой температуре соответствует максимальная концентрация раствора.

Процессы охлаждения и конденсации происходят в направлении, обратном нагреву и кипению, с последовательностью процессов, представленных на рис 1.1 а:
G-E - охлаждение пара до состояния насыщения;
E-F - конденсация при переменной температуре;
F-A - охлаждение раствора;
Аналогично на рис.1.1,б:
E-F - конденсация при переменной температуре;
F-A - охлаждение раствора;
В абсорбционных холодильных машинах процессы кипения осуществляют для разделения раствора на паровую и жидкую фазы (десорбция).
Паровая фаза веществ второй группы содержит чистый компонент. В этом случае простым выпариванием с разделением паровой и жидкой фаз получают чистый холодильный агент.
Для веществ первой группы (рис.1.1,а) из раствора с концентрацией ξF1 нельзя получить в процессе кипения пар с концентрацией выше ξD1.
Повышение концентрации пара можно достигнуть, если парожидкостную смесь состояния М разделить, отводя пар из обогреваемой части генератора, а затем провести процесс конденсации D1-K, что обеспечит концентрацию пара ξDD1. Повышение концентрации пара достигается в процессе ректификации. Ректификацией называется процесс обогащения паровой фазы одной или несколькими компонентами, основанный на фазовых превращениях генераторной системы с различным составом паровой и жидкостной фаз.
Обычно ректификацию выполняют жидкостью, подаваемой на испарение в генератор. Паровая фаза после разделения подается в ректификатор, где промывается жидким раствором. В результате происходящего тепло- и массообмена пар охлаждается и обогащается легкокипящим компонентом при сопутствующем нагреве и разбавлении раствора. Процессы изменения состояния пара и жидкости происходит за счет внутреннего теплообмена без дополнительных затрат на охлаждение и нагрев. Дальнейшее обогащение паровой фазы холодильным агентом (укрепление пара) происходит в дефлегматоре за счет отвода тепла конденсации водой.
В процессе абсорбции происходит поглощение паров холодильного агента жидкими поглотителями (абсорбентами). Считается, что абсорбция включает в себя два процесса – смешение жидкой и паровой фаз и поглощение пара жидкостью.
Для полной абсорбции паровой фазы необходимо, чтобы раствор, поступающий в абсорбер, находился в переохлажденном состоянии, и его было значительно больше, чем поглощаемого пара. С этой целью предусмотрен отвод тепла в абсорбере.
Анализ процессов, протекающих в абсорбционной холодильной машине, позволяет сформулировать принцип ее действия.
Эффект охлаждения в абсорбционной холодильной машине достигается вследствие трансформации тепла нагрева путем совмещения прямого цикла преобразования его в работу и обратного цикла – получения холода с затратой работы.
В осуществлении цикла машины участвуют три источника тепла: нагреватель, окружающая среда и охлаждаемый объект.
На рис. 1.2. представлена схема абсорбционной холодильной машины, которая может работать на бинарных смесях как первого, так и второго типа.
Раствор с большим содержанием легкокипящего компонента, образующийся в абсорбере, поступает в насос при давлении кипения, где его давление повышается до давления конденсации. За счет работы насоса к раствору подводится тепло qн. Концентрация раствора при этом не изменяется. Из-за несжимаемости жидкости энтальпия раствора до и после насоса остается постоянной. В рекуперативном теплообменнике раствор подогревается и с неизменной концентрацией подается в генератор. В генераторе при подводе тепла qh от греющего источника раствор кипит, его концентрация по легкокипящему компоненту уменьшается.
В абсорбционной машине, работающей на бинарных смесях первого типа, образующийся пар подвергается очистке в процессе ректификации, происходящей в специально предусмотренной для этого части генератора.
Пар из генератора направляется в конденсатор, где сжижается при давлении Pk и отводе тепла конденсации qk. Затем жидкость дросселируется в регулирующем вентиле РВ-1. При этом давление снижается от Рк до Ро. Процесс дросселирования происходит при постоянной энтальпии и концентрации. Холодильный агент переходит из состояния переохлажденной жидкости в состояние влажного пара и поступает далее в испаритель, где кипит при подводе тепла q0 от охлаждаемого объекта. Поток пара из испарителя направляется в абсорбер. Туда же поступает раствор из генератора после охлаждения в теплообменнике и дросселирования в регулирующем вентиле РВ-2. В абсорбере происходит поглощение пара раствором при отводе тепла qa. Концентрация по легкокипящему компоненту повышается, и на этом цикл замыкается.
Таким образом, можно считать, что абсорбер является всасывающей стороной компрессора, а генератор – нагнетательной. Уравнение теплового баланса одноступенчатой абсорбционной холодильной машины: qh+q0+qн=qk+qa+(qR), где qR - тепло, отводимое от пара при очистке его в дефлегматоре при работе абсорбционной холодильной машины на бинарной смеси первого типа.
Эффективность работы абсорбционной холодильной машины оценивается тепловым коэффициентом
ξ = q0/qh
Либо эксергетическим КПД.
Области применения абсорбционных холодильных машин определяются их особенностями. Так, бромистолитиевые холодильные машины используются для выработки охлажденной воды, а водоаммиачные – для получения отрицательных температур до -55оС.
Абсорбционные бромистолитиевые холодильные машины (АБХМ) представляют собой блочные комплектные агрегаты высокой заводской готовности. Серийно выпускаются АБХМ 1.0; 3.0; 5.8 МВт. Холодная вода, получаемая на АБХМ, применяется в системах кондиционирования воздуха, для технологических нужд на предприятиях химической, нефтехимической промышленности и др., при этом АБХМ ориентированы на использование в качестве греющих сред с относительно низкими температурными параметрами.
Водоаммиачные абсорбционные холодильные машины (АВХМ) применяются преимущественно в составе технологических линий. Это машины крупной единичной мощности, которые используют в качестве греющей среды вторичные тепловые ресурсы и индивидуально привязаны к конкретным условиям производств. Серийно эти машины не изготовляют, но элементы их стандартизированы.
Абсорбционные водоаммиачные машины (холодопроизводительностью 3..8 МВт при температуре -34оС с водяным охлаждением конденсаторов) комплектуют холодильные станции целого ряда технологических линий по производству аммиака.


Полная схема абсорбционной водоаммиачной холодильной машины.
Тепло и температура.

Яндекс.Метрика