Глава XII

АБСОРБЦИОННЫЕ ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ

Принцип действия и классификация абсорбционных машин

Охлаждение абсорбционными холодильными машинами основано на том же физическом принципе, что и охлаждение компрессионными машинами, - на поглощении внешнего тепла рабочим веществом при его кипении. Абсорбционная машина, как и компрессионная, имеет испаритель, конденсатор и в большинстве случаев регулирующий вентиль. Но рабочий цикл абсорбционных машин осуществляется не за счет затраты механической энергии, а за счет затраты тепловой энергии. В системе абсорбционной холодильной машины циркулируют два рабочих вещества: холодильный агент и абсорбент - поглотитель. Поглотитель растворяет холодильный агент или соединяется с ним.

Поглотители могут быть жидкими или твердыми телами. В машинах с твердым поглотителем холодильный агент не абсорбируется, а адсорбируется. Поэтому такие машины называются адсорбционными. Адсорбционные холодильные машины применяют очень редко и практического интереса они не представляют.

Абсорбционные машины делят в зависимости от принципа их действия на непрерывно и периодически действующие. Непрерывно действующие машины, в свою очередь, подразделяют на насосные и безнасосные (диффузионные).

Источником тепла для приведения в действие абсорбционных машин служит пар, газ, электричество. При этом не нужно располагать каким-либо ценным источником тепловой энергии, например паром высокого давления. В абсорбционных машинах можно использовать мятый, отработавший пар или другое отработавшее тепло. Абсорбционные машины особенно выгодны на предприятиях, где имеется достаточное количество отработавшего тепла.

В абсорбционных машинах холодильным агентом является главным образом аммиак, а поглотителем - вода. Применяют и другие вещества. В установках кондиционирования воздуха используют, например, абсорбционные холодильные машины, в которых абсорбентом служит водный раствор бромистого лития, а холодильным агентом - вода.

Абсорбционные машины непрерывного действия

Непрерывно действующие абсорбционные холодильные машины работают только на жидком абсорбенте. На рис.107 изображена схема машины непрерывного действия, в которой абсорбентом является вода, а холодильным агентом - аммиак.

В конденсаторе, регулирующем вентиле (РВ1) и испарителе машины происходят такие же процессы, как и в соответствующих частях компрессионных машин. Но процессы отсасывания паров холодильного агента из испарителя, повышения их давления и подачи в конденсатор осуществляются не компрессором, а с помощью системы абсорбер - кипятильник. Эта система состоит из абсорбера, насоса, кипятильника и регулирующего вентиля (РВ2); испаритель и конденсатор связаны с ней трубопроводами, причем испаритель присоединяют к абсорберу, а конденсатор - к кипятильнику.

В системе абсорбер - кипятильник циркулирует водоаммиачный раствор переменной концентрации. При этом в абсорбере поддерживается такое же давление, как в испарителе, а в кипятильнике такое же, как в конденсаторе. В абсорбер водоаммиачный раствор поступает с низким содержанием аммиака - слабый (бедный). Он поглощает пары аммиака, поступающие из испарителя, и становится крепким (богатым). Крепкий раствор перекачивают насосом в кипятильник, где из него выпаривается аммиак, который направляется в конденсатор, а далее происходят те же процессы, что и в компрессионных холодильных машинах.

Раствор в кипятильнике после выпаривания из него аммиака становится слабым и возвращается через регулирующий вентиль (РВ2) в абсорбер. Здесь раствор снова обогащается аммиаком, поступающим из испарителя, после чего снова подается в кипятильник.

На осуществление описанного рабочего цикла абсорбционной холодильной машины расходуется тепловая энергия и весьма незначительное количество механической энергии. Тепловая энергия затрачивается на выпаривание аммиака, а механическая - на приведение в действие насоса, перекачивающего крепкий раствор из абсорбера в кипятильник. Вода в этих машинах расходуется в конденсаторе и в абсорбере, где отводится от раствора выделяющаяся в значительном количестве теплота абсорбции.

П рактически абсорбционную холодильную машину дополняют некоторыми вспомогательными аппаратами. Основные из них - ректификатор и теплообменник. Ректификатор необходим для отделения воды от аммиака. Пар, поступающий из кипятильника в конденсатор, содержит не только аммиак, но и некоторое количество водяных паров, а вода отрицательно действует на работу холодильной машины, поэтому ее отделяют от аммиака. Теплообменник устанавливают для использования тепла горячего слабого водоаммиачного раствора для нагревания холодного крепкого раствора.

Ректификатор и теплообменник включают в схему абсорбционной машины, как показано на рис.108. Раствор из абсорбера поступает в кипятильник, пройдя предварительно теплообменник, через который противотоком проходит слабый горячий раствор из кипятильника. Теплообменник выполнен в виде двухтрубного противоточного аппарата. Над кипятильником находится ректификатор, который работает следующим образом. Из теплообменника часть крепкого раствора поступает непосредственно в кипятильник, а большая часть - в ректификатор, где он соприкасается с парами аммиака, идущими из кипятильника. Вследствие этого происходит не только теплообмен между поднимающимся паром и стекающей жидкостью, но и массообмен, так как из смеси паров выделяются водяные пары, а из раствора - пары аммиака. Благодаря этому раствор становится беднее, а пар богаче аммиаком.

Тепловой баланс и тепловой коэффициент абсорбционной машины. При осуществлении рабочего цикла рассмотренной абсорбционной машины тепло в ее систему подводится в кипятильнике, испарителе и насосе как эквивалент его механической работы, а отводится из системы в конденсаторе и абсорбере. По закону сохранения энергии уравнение теплового баланса абсорбционной машины представляется в следующем виде:

, (40)

где тепло: Q_рен - подводимое в кипятильнике, Вт;

Q₀ - подводимое в испаритель (холодопроизводительность машины), Вт;

Q_нас - эквивалентное работе насоса, Вт;

Q - отводимое в конденсаторе, Вт;

Q_абс - отводимое в абсорбере, Вт.

Величина Q_нас по сравнению с другими величинами весьма незначительна, поэтому ею можно пренебречь, и уравнение теплового баланса напишется так:

, (41)

Экономичность абсорбционной холодильной машины определяется ее тепловым коэффициентом ζ, который представляет собой отношение холодопроизводительности Q₀ к затрачиваемому теплу Q_затр.

. (42)

Если пренебречь величиной Q_нас,

. (43)

В абсорбционных холодильных машинах расходуется больше воды, они более громоздкие и тяжелые, чем компрессионные машины. К основным достоинствам абсорбционных холодильных машин следует отнести простоту конструкции, надежность всех элементов машины и возможность использования дешевых источников тепловой энергии и почти бесшумную работу.