Абсорбционные холодильные машины

Принцип переноса тепла от температуры более низкой, соответствующей охлаждаемому помещению, до более высокой—температуры окружающей среды — в абсорбционных машинах существенно отличается от всех рассмотренных ранее. В воздушных, парокомпрессионных и пароэжекторных холодильных машинах рабочее тело (холодильный агент), забираемое при низкой температуре из охлаждаемого помещения, подвергается сжатию. При этом температура рабочего тела повышается до температуры, несколько более высокой, чем температура среды, вследствие чего оказывается возможным переход тепла от рабочего тела к окружающей среде, дающий возможность вернуть рабочее тело к исходному состоянию и тем самым замкнуть цикл.

Таким образом, принцип действия рассмотренных холодильных машин основывается на прямом толковании формулировки второю закона термодинамики о том, что тепла само собой не может переходить от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой.

В абсорбционной машине, на первый взгляд, беспрепятственно происходит процесс перехода тепла от тела с низкой температурой к телу с более высокой, однако этот процесс не противоречит второму закону термодинамики, так как сопровождается компенсирующим физико-химическим процессом.

Принцип действия абсорбционной машины основывается на свойствах растворов. Если раствор состоит из двух компонентов (бинарный раствор), полностью растворимых друг в друге, то в зависимости от концентрации одного из компонентов температура кипения раствора при данном давлении будет различна.

Для абсорбционных машин подбирают рабочее тело в виде раствора двух веществ с разными температурами кипения. При этом более легкокипящее вещество является холодильным агентом (например, аммиак), а вещество с более высокой температурой кипения — абсорбентом (например, вода).

Если обозначить концентрацию холодильного агента через с, то характер зависимости температуры кипения раствора от концентрации при постоянном давлении имеет вид кривой 1—а—2 на фиг. 19-19.

Рис. 19-19

Температуры в точке 1 и 2 представляют собой соответственно температуры кипения чистого абсорбента (для воды – 100 ⁰ С) и чистого холодильного агента (для аммиака –33,4 ⁰ С).

Кривая 1—а—2, является кривой кипящего раствора при разной концентрации, а кривая 1—b —2 представляет собой кривую состояний насыщенного пара холодильного агента при разной концентрации. Если состояние кипящего раствора при концентрации с изображается точкой А то состояние пара, находящегося с ней в равновесии по температуре характеризуется точкой В, которая также соответствует концентрации с_В.

Характер указанных закономерностей сохраняется и при других давлениях, но при повышенных давлениях кривые кипения и насыщения сдвигаются в сторону более высоких температур.

Принципиальная схема абсорбционной машины имеет вид, приведенный на фиг. 19-20.

Рис. 19-20

Схема содержит основной холодильный контур и вспомогательный. В основном контуре осуществляется собственно холодильный процесс. Пар холодильного агента образуется за счет кипения раствора в парогенераторе 1 при давлении р₂ более высоком, чем давление р₁ в охлаждаемом помещении 4, и абсорбере 5. Для испарения жидкости к генератору подводится тепло q₂ при температуре t₂, которая соответствует температуре кипения при данном давлении и данной концентрации. При кипении жидкости в генераторе ее концентрация за счёт выкипания легкокипящего агента понижается.

Горячий пар поступает в конденсатор 2, где конденсируется, отдавая тепло конденсации q_k охлаждающей среде, имеющей температуру окружающей среды. Пар сжижается и абсорбируется жидкостью. Получившаяся охлаждённая жидкость высокой концентрации дросселируется в регулирующем вентиле 3 и давление р₂ понижается до давления р₁ в абсорбере. В результате этого температура жидкости (которая не замерзает из-за высокой концентрации раствора) также понижается до температуры t₃, более низкой, чем в охлаждаемом помещении 4. Вследствие происходящего при этом поступления в неё тепла q₀ от охлаждаемого помещения пар из жидкости вновь испаряется и с параметрами p₁ и t₅ поступает в абсорбер, где конденсируется и абсорбируется при температуре t₁, отдавая тепло q_а, выделившееся при конденсации и абсорбции (абсорбция также сопровождается тепловыделением), охлаждающей среде. В абсорбере вследствие поглощения пара концентрация легкокипящего агента повышается. Далее насос 6 перекачивает обогащённый легкокипящим компонентом раствор высокой концентрации в генератор 1 и основной цикл замыкается.

Для поддержания неизменной концентрации в обоих аппаратах между ними осуществляется циркуляция по вспомогательному контуру 1 – 7 – 5 - 6 – 1.

Насос 6 может отсутствовать, тогда между агрегатами происходит естественная циркуляция, основанная на разности плотностей растворов разной концентрации. По пути из генератора в абсорбер жидкость дросселируется регулирующим вентилем 7, который регулирует поступление обеднённого раствора из генератора в абсорбер.

Параметры рабочего тела выбираются таким образом, что температура t₂ была несколько выше температуры окружающей среды, а температура t₃ несколько ниже температуры t₄ охлаждаемого помещения. При этом окажется возможной передача тепла от охлаждаемого помещения к жидкости высокой концентрации.

Все прочие элементы абсорбционной машины предназначены для непрерывного производства жидкости высокой концентрации, поступающей в испаритель 1 и производящей концентрированный пар, и для непрерывного производства жидкости низкой концентрации, которая абсорбирует (поглощает) концентрированный пар, образовавшийся в охлаждаемом помещении. Этот последний процесс происходит в абсорбере. Концентрация раствора в испарителе несколько ниже, чем в абсорбере.

Сравнение схем абсорбционной и компрессионной показывает, что роль компрессора во второй играет парогенератор 1 в первой.

С формально термодинамической точки зрения результат действия абсорбционной холодильной машины сводится к затрате тепла q₂ , к отводу тепла q₀ от охлаждаемого помещения и к компенсирующему процессу передачи некоторого количества тепла q_k +q_a окружающей среде. Последняя составляющая тепла соответствует потере по второму закону термодинамики.

Коэффициент теплоиспользования в абсорбционной машине такой же, как и в пароэжекторной.

.

Если бы все процессы в абсорбционной машине были обратимы, а температуры всех источников тепла постоянны, то холодильный коэффициент был бы получен при сочетании прямого и обратного циклов Карно, осуществляемых в указанных интервалах температур (затрата энергии на привод насоса в общем случае невелика и может вообще отсутствовать).

Так, например, для случая, когда температура подвода тепла к парогенератору Т_г =400 К, температура охлаждающей воды Т_а ==298° К и температура охлаждаемого помещения Т₄ == 258° К, коэффициент теплоиспользования равен

ζ = 1,64.

Вследствие потерь в реальной машине действительный коэффициент теплоиспользования оказывается значительно ниже.

Для реальной холодильной машины, построенной по простейшей схеме, изображенной на фиг. 19-20, использующей в качестве рабочего вещества водоаммиачный раствор и работающей в указанном интервале температур, коэффициент теплоиспользования окажется равным ζ = 0,169.

С помощью дополнительных усложнений ζ может быть доведен до величины 0,5.

Несмотря на сравнительно низкое термодинамическое совершенство, абсорбционные холодильные машины получили весьма большое распространение вследствие своей простоты и невысокой стоимости. Следует отметить, что холодильные шкафы для бытовых и торговых целей до недавнего времени, как правило, использовали принцип абсорбционной холодильной машины.

Число рабочих веществ, применяемых в абсорбционных машинах, достаточно велико, однако наиболее употребительным является водоаммиачный. раствор, в котором вода служит абсорбентом, а аммиак—холодильным агентом.