ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 1
ИЗУЧЕНИЕ КОНСТРУКЦИИ АБСОРБЦИОННО-ДИФФУЗИОНОЙ
ХОЛОДИЛЬНОЙ МАШИНЫ
Цель работы: изучение устройства и принципа действия абсорбционной холодильной машины; изучение особенностей конструкции абсорбционно-диффузионной холодильной машины; ознакомление с устройством бытовых абсорбционных холодильников.
Оборудование: учебный стенд, трехмерная компьютерная модель, холодильный контур с разрезами, схемы абсорбционных холодильных машин.
1. Общие сведения
Принцип действия и типы абсорбционных холодильных машин
Абсорбционные холодильные машины (АХМ) изобретены Лесли (1810 г.) и Карре (1850 г.). Водоаммиачные абсорбционные холодильные машины Карре появились на 25 лет раньше аммиачных компрессионных машин (Линде, 1875 г.).
Круговой процесс абсорбционных машин осуществляется рабочей смесью веществ (растворов), состоящей из двух компонентов. Эти вещества имеют разные температуры кипения при том же давлении. Один компонент является холодильным агентом, другой – поглотителем (абсорбентом).
В поглотитель (абсорбер) поступает раствор с малой концентрацией холодильного агента и поглощает (абсорбирует) пары, образующиеся в испарителе. Абсорбер заменяет здесь всасывающую сторону механического компрессора. Крепкий раствор из абсорбера подается в кипятильник, обогреваемый источником тепла. Раствор выпаривается, образующиеся пары сжижаются в конденсаторе. Кипятильник, таким образом, выполняет работу нагнетательной стороны механического компрессора (рисунок 1.1).
Рисунок 1.1. – Сравнительные схемы компрессионной (а) и абсорбционной (б)
холодильной машины.
Следовательно, в абсорбционной холодильной машине механический компрессор преобразуется в термический.
Круговой процесс абсорбционных холодильных машин характеризуется следующими особенностями:
– температуры абсорбции и выпаривания при постоянных давлениях рк и р0 переменны и зависят от начальных и конечных концентраций раствора;
– слабый раствор поглощает пар, имеющий при том же давлении более низкую температуру.
В простейшей абсорбционной холодильной машине непрерывного действия (рисунок 1.2) между кипятильником Кп, обогреваемым обычно паром, и абсорбером Аб, охлаждаемым водой, циркулирует рабочий раствор, например, аммиака в воде, весовая концентрация которого ξ изменяется. Аммиак является холодильным агентом, а вода — абсорбентом.
Водоаммиачный насос Н подает в кипятильник крепкий раствор большой концентрации ξr при давлении конденсации рк и температуре t1. Значительная часть образующихся в кипятильнике паров аммиака при температуре поступает в конденсатор Кд, в котором вместе с парами воды сжижается. Слабый раствор концентрации ξa при температуре t2 дросселируется в регулирующем вентиле РВ1 до давления кипения p0 и температуры, затем направляется в абсорбер Аб, где абсорбирует пары, поступающие из испарителя И. Тепло абсорбции отводится охлаждающей водой.
Рисунок 1.2. – Простейшая схема абсорбционной холодильной машины:
точки 1…8 – состояния рабочего вещества.
Раствор становится крепким ξr, и при температуре t4 подается насосом обратно в кипятильник Кп. Этим цикл раствора, протекающий при переменных температурах абсорбции и выпаривания, завершается.
Образующийся в кипятильнике Кп пар концентрации ξ5 сжижается в конденсаторе Кд и жидкость поступает через дроссельный вентиль РВ2 в испаритель И. Пар из испарителя И поглощается в абсорбере Аб слабым раствором концентрации ξa. Элементы кругового процесса Кд, РВ2 и И не отличаются от тех же элементов компрессионной холодильной машины.
Такая абсорбционная холодильная машина непрерывного действия по сравнению с другими наиболее проста, но энергетически не совершенна.
Тепловая экономичность абсорбционной холодильной машины может быть повышена ректификацией выпариваемого раствора (отделением паров аммиака от воды). Тогда в конденсатор Кд поступают почти чистые пары аммиака концентрации ξ, близкой к 1. Применяют также регенеративный теплообменник, в котором крепкий раствор нагревается до поступления в кипятильник, уходящим из него слабым раствором. Возможны и более сложные регенеративные процессы.
Движущим механизмом абсорбционных холодильных машин непрерывного действия является только насос Н, перекачивающий крепкий раствор в кипятильник.
2. Рабочие вещества абсорбционных холодильных машин
Выбор рабочих веществ для различного типа АХМ определяется прежде всего уровнями температур в основных аппаратах.
Во всех странах до сих пор преимущественно применяются для разных целей две классические рабочие пары (летучий компонент — абсорбент): NН3—Н2О и Н20—LiBr, и большинство разработок систем АХМ основывается на одной из них. Поиск новых рабочих веществ объясняется лишь хорошо известными недостатками обеих пар.
В последние два десятилетия предложены десятки новых рабочих веществ и проведена оценка термодинамической эффективности АХМ с использованием этих веществ.
Одним из важных направлений исследования и усовершенствования АХМ признано улучшение свойств известных рабочих веществ путем введения в них добавок с целью увеличения производительности или расширения области действия АХМ без кристаллизации веществ в аппаратах. Однако основным направлением поиска считается получение температур в испарителе ниже 0 °С, причем предпочтение отдается органическим веществам.
Чаще в литературе встречается классификация рабочих веществ АХМ по типу летучего компонента. Такая классификация более универсальна, так как позволяет включать системы с еще не до конца исследованными и определенными областями применения. Рабочие вещества по типу летучего компонента делят на следующие группы: аммиачные, спиртовые, водные, хладоновые и углеводородные.
Аммиачные системы. К этой группе относятся системы, в которых в качестве летучего компонента используется не только аммиак NН3, но и его производные — амины: метиламин СН3NН2 и этиламин С2Н5NН2.
Система NН3—Н2О — одна из наиболее изученных. В 1860 г. Ф. Карре изобрел и сконструировал первую абсорбционную водоаммиачную холодильную установку. С тех пор система NН3—Н2О тщательно исследовалась, и усовершенствовались конструкции водоаммиачных АХМ. Главными достоинствами NН3—Н2О является возможность получения отрицательных температур (около —35 °С) и большая абсолютная теплота парообразования летучего компонента. Она широко применяется в АХМ любого типа. Основными недостатками данной системы являются токсичность аммиака и близость температур кипения компонентов, поэтому необходимо предусматривать устройство для ректификации. Кроме того, аммиак вызывает коррозию меди и ее сплавов, смеси NН3 с воздухом горючи и взрывоопасны. Однако возможность получения отрицательных температур объясняет неослабевающий интерес к этой системе.
Водные системы. Вода безвредный, доступный и дешевый летучий компонент, имеющий большую абсолютную теплоту парообразования. В качестве абсорбентов для воды предложено применять соли: LiСl, LiВг, LiI, СаСl2 и другие, смеси солей, а также Н2SO4 и NаОН. Кислоты и щелочи малоперспективны для использования в АХМ из-за их токсичности и высокой коррозионной активности.
Наибольшее применение в различного типа АХМ имеет система Н20—LiВr. Теплофизические свойства ее хорошо изучены и наиболее благоприятны для применения в АХМ. Первая абсорбционная установка на Н2О—LiBr в ее современном виде была сконструирована в США в 1945 г., и с тех пор продолжается ее усовершенствование. Для расширения рабочей зоны АХМ к LiBr предложено добавлять соли и органические вещества.
Добавка органических веществ, как правило, приводит к уменьшению растворимости неорганических солей в воде, что имеет место, например, при добавке этиленгликоля в раствор Н2О—LiBr. При использовании этой системы в абсорбционной холодильной машине, с одной стороны, происходит сужение рабочей зоны, а с другой — увеличиваются теоретические тепловые коэффициенты.
Большой интерес представляет использование в АХМ системы Н2О—LiСl, что связано с большей термической стабильностью LiС1 по сравнению с LiВr и LiI. Из-за меньшей растворимости LiСl АХМ имеют более узкую область применения. В настоящее время Н2О—LiСI в основном применяют для выработки холода с относительно высокой температурой в солнечных абсорбционных холодильных машинах.
Система Н2О—LiI, также как и предыдущая, предложена для использования в АХМ для получения холодной технологической воды и кондиционирования воздуха, но при этом для обогрева генератора требуется теплота более низкого потенциала. Однако ограниченная растворимость LiI, его высокая стоимость и наименьшая среди галогенидов лития термическая стойкость делают эту систему наименее перспективной из них для использования в АХМ.
При циркуляции воды по замкнутому контуру в системе охлаждения АХМ, обеспечивающей в летнее время охлаждение воды до температуры не выше 25 °С, рекомендуется система Н2О—СаСl2, причем для снижения теплопередающей поверхности конденсатора и избежание работы под вакуумом предлагается поддерживать температуру конденсации водяного пара на высоком уровне — около 100 °С. Хотя система Н2О—СаСl2 очень дешевая, нетоксичная и доступная, но практического применения в АХМ не нашла из-за малой растворимости и большой опасности кристаллизации плохорастворимых кристаллогидратов СаСl2·хН2О в аппаратах, а также значительной коррозионной активности.
В связи с отсутствием надежных ингибиторов коррозии в жидкой и паровой фазах для применяемых в настоящее время материалов АХМ наиболее надежными в эксплуатации следует считать водные растворы солей щелочных металлов и их смесей (исключая, как указывалось выше, термически нестойкие роданиды и взрывоопасные в безводном состоянии перхлораты). Соли двухвалентных металлов (Мg, Са, Zn в другие) в водных растворах подвергаются гидролизу в значительно большей степени, чем соли лития, поэтому их введение приводит к подкислению раствора, что обычно усиливает коррозионное воздействие его на конструкционные материалы АХМ.
Введение нитрат-ионов в различных комбинациях солей не только увеличивает общую растворимость солей из-за особенностей строения этого нона, но и уменьшает коррозию. Однако при температурах выше 130 °С возможен и обратный эффект. Поэтому все многокомпонентные системы с добавками нитратов рекомендованы только для использования в АХМ для получения холода. Учитывая эксплуатационные требования, наиболее перспективной для этих целей следует считать систему Н2О—LiС1—LiNО3.
Достоинства водно-соленых систем, кроме указанных выше:
абсолютно безвредный, доступный летучий компонент — вода, имеющая очень большую абсолютную теплоту испарения; большая разница в температурах кипения компонентов, поэтому нет необходимости в ректификационном узле; высокие теоретические коэффициенты трансформации.
Недостатки водных систем: невозможность получения в испарителе температур ниже 0 °С; достаточно высокое коррозионное воздействие водных систем на конструкционные материалы АХМ, особенно в газовой фазе и по ватерлинии.