8.Абсорбційні холодильні машини

Абсорбційні холодильні машини, які відносяться до тепловикористовуючих холодильних машин, отримали поширення в різних галузях промисловості де є потреба у штучному холоді, особливо там де є дешеві джерела теплоти у вигляді відпрацьованої пари, гарячої води, димових газів від спалювання різного палива, вихлопних газів турбін та двигунів внутрішнього згоряння, теплоти хімічних реакцій та ін. Ефективність таких машин значно зростає, якщо використати їх для одночасного отримання теплоти та холоду за рахунок вторинних енергоресурсів підприємства.

Останніми роками значно зріс інтерес до таких машин, що пов’язано із значним зростанням цін на нафту та газ. На сьогодні відомо багато різноманітних схем абсорбційних машин, використання яких залежить від характеру та джерел теплоти та властивостей використовуваних робочих речовин. Найбільше поширення отримали водоаміачні (АВХМ) та бромисто-літієві (АБХМ) холодильні машини. У випадку змінних температур зовнішніх джерел теплоти, в ряді випадків, для отримання холоду можуть використовуватися абсорбційно-резорбційні холодильні машини. Широке використання, у випадку невеликої холодопродуктивності, знайшли безнасосні абсорбційні холодильні машини. Достатньо перспективним є використання абсорбційних машин як підвищуючих термотрансформаторів, що працюють за теплонасосною схемою.

8.1.Схема та принцип дії абсорбційної холодильної машини

Абсорбційні холодильні машини були винайдені Леслі (1810) та Карре (1850).

В абсорбційній холодильній машині (АХМ), подібно до ПКХМ, штучний холод отримують за допомогою суміщених прямого та зворотного циклів. Для роботи АХМ використовують розчини, які складається з двох, а іноді і трьох компонентів. Ці розчини за властивостями є не азеотропними сумішами і утворюється із виділенням теплоти (див. розділ 3). Найбільше поширення отримали машини, у яких використовують бінарні розчини. Один компонентів такого розчину виступає абсорбентом (поглиначем), другий – холодильним агентом. В найбільш поширених водоаміачних (АВХМ) та бромистолітієві (АБХМ) використовують водні розчини аміаку (NH₃) та бромистого літію (LiBr), причому у першому розчині аміак, а в другому – вода виступають холодильним агентом. Водоаміачні АХМ з’явилися на 25 років раніше від парокомпресорних Лінде, побудованих в США в 1875 році. АБХМ промислового типу були створені фірмою Каррієр у 1949 році. Однак до вказаних типів можна добавити хладонові, вуглеводневі та АХМ з неводними розчинами солей та ін.

Розчини називають міцними, якщо вони містять велику кількість холодильного агенту. Для розчинів, у яких холодильний агент вода, міцним називають розчин з великим вмістом абсорбенту. До абсорбентів є ряд вимог: повна та швидка розчинність у ньому холодильного агента, нормальна температура кипіння повинна бути значно вищою порівняно з холодильним агентом. Обмежена розчинність холодильного агента в абсорбенті призводить до скорочення можливості здійснення прямого термодинамічного циклу в машині, а зменшення різниці в нормальних температурах кипіння абсорбенту та холодильного агента тягне за собою необхідність ректифікації пари холодильного агента (очищення від абсорбенту), що значно ускладнює схему машини та знижує її економічну ефективність.

Найпростіша схема АХМ неперервної дії показана на рис.8.1. Машина працює так. В генераторі Г (кип’ятильнику) кипить міцний розчин (з великим вмістом холодильного агента) за рахунок підведення теплоти Q_h від гарячого джерела. Процес кипіння протікає за постійного тиску р_к та неперервному зменшенні концентрації розчину і зростанні температури його кипіння (від нижчої до вищої, яка в теоретичному циклі дорівнює температурі гарячого джерела). Пара з генератора поступає у конденсатор КД, де конденсується віддаючи теплоту Q_к в навколишнє середовище. Згідно першого закону Коновалова, концентрація пари за холодильним агентом буде значно вищою від концентрації киплячого розчину. Тиск кипіння та конденсації рівні між собою, та визначаються температурою навколишнього середовища і складом пари. Якщо різниця температур значна (понад 200–300°), то пара практично не містить абсорбенту, і її конденсація відбувається за постійного тиску та температури.

Рис.8.1. Схема найпростішої теоретичної абсорбційної машини безперервної дії

Рідина, отримана у конденсаторі розширюється у детандері Д1 від тиску р_к тиску р₀ та поступає у випарник В, де кипить відбираючи теплоту Q₀ від охолодного середовища. Тиск кипіння у випарнику визначається температурою охолодного середовища. Якщо рідина містить лише холодильний агент, то температура кипіння буде постійною.

Пара утворена у випарнику надходить до абсорбера А, куди розширившись у детандері Д2 поступає слабкий розчин (з малим вмістом холодильного агента) з генератора. Тиск у абсорбері р₀ підтримується постійним та однаковим з тиском у випарнику, оскільки вони з’єднані по паровому простору. В абсорбері слабкий розчин поглинає пару холодильного агента, в результаті чого його концентрація зростає до концентрації початку кипіння розчину у генераторі. Процес абсорбції супроводжується виділенням теплоти розчинення Q_а, яка, для протікання процесу, неперервно відводиться у навколишнє середовище. Температура розчину, по мірі зростання його концентрації, знижується (від вищою до нижчої, яка в теоретичному циклі дорівнює температурі навколишнього середовища). Міцний розчин з абсорбера насосом Н перекачується у генератор. Таким чином замикаються прямий та зворотний цикли і здійснюється неперервна робота холодильної машини.

В АХМ прямий термодинамічний цикл здійснюється за допомогою: генератора Г, детандера Д2, абсорбера А та насосу Н, а зворотний – конденсатора КД, детандера Д1 і випарника В. Поєднання прямого та зворотного циклу можна пояснити так. Пара з генератора могла б бути направлена до парової машини ПМ, де в результаті розширення від тиску р_к тиску р₀ вироблялася б робота W, після чого вона потрапляла б у абсорбер на поглинання слабким розчином. В той же час пара з випарника могла б надходити до компресора КМ, де за рахунок витрачання роботи W₀, стискалася б від тиску р₀ до тиску р_к та направлялася б до конденсатора. Так як уся робота, отримана в паровій машині прямого циклу повністю витрачається на привід компресора зворотного циклу (W= W₀), то подаючи пару із генератора безпосередньо у конденсатор, можна виключити із схеми парову машину та компресор тим самим об’єднавши прямий та зворотний цикли в один суміщений. Для підвищення ефективності циклу, робота розширення у детандерах витрачається на стискання пари у компресорі.

Тепловий баланс найпростішої АХМ можна записати так:

, (8.1)

де – теплота, підведена в генераторі від гарячого джерела; – теплота, підведена у випарнику від охолодного середовища; – теплота, еквівалентна роботі насосу подавання міцного розчину з абсорбера у генератор; – теплота, відведена у конденсаторі у навколишнє середовище, – теплота, відведена в абсорбері у навколишнє середовище.

Енергетична ефективність циклу АХМ визначається тепловим коефіцієнтом, яка визначається відношенням холодопродуктивності машини до сумарної затрати теплоти у генераторі та роботи насосу

. (8.2)

Оскільки в АХМ поєднано прямий та зворотний цикли, тепловий коефіцієнт машини може бути представлений через термічний коефіцієнт прямого та холодильний коефіцієнт зворотного циклів:

. (8.3)

Для випадку теоретичних прямого та зворотного циклів, коли втрати відсутні і цикли повністю оборотні, ефективність АХМ залежатиме лише від температур джерел

. (8.4)

Т_ос – абсолютна температура охолодного середовища, К; Т_нс – абсолютна температура навколишнього середовища, К, Т_h – абсолютна температура гарячого джерела, К.

Для дійсної АХМ, через значні необоротні втрати, які супроводжують процеси машини, тепловий коефіцієнт буде значно меншим від теоретичного. Характерними джерелами втрат є: неможливість довільного підвищення температури кипіння розчину в генераторі через рівність тиску в ньому та конденсаторі; неповнота процесу поглинання пари в абсорбері через обмежений час контакту пари та розчину; різниця температур у процесах теплообміну через обмежену площу теплообміну; необхідність ректифікації пари для підвищення її концентрації у прямому циклі, оскільки для суміщення циклів вона повинна бути такою ж, як у зворотному циклі. Останнє стосується лише АХМ, які працюють на розчинах з невеликою різницею нормальних температур кипіння абсорбенту та холодильного агента, наприклад, водному розчині аміаку.

Термодинамічні діаграми бінарних розчинів. Щоб виконати тепловий розрахунок АХМ необхідно спочатку визначити параметри стану робочої речовини у вузлових точках циклу. Для цього використовуються різноманітні термодинамічні діаграми та таблиці рівноважних станів для парової та рідкої фаз розчину. За допомогою діаграм значно спрощується, стає більш точним і наглядним аналіз робочих процесів циклів графічним методом. Для водоаміачного розчину є декілька діаграм: концентрація-ентропія (ξ-s), ентропія-температура (s-T), ентропія-ентальпія (s-h), концентрація-температура (ξ-T), температура-тиск (Т-lgр), концентрація-ентальпія (ξ-h). Крім того, для цього розчину є таблиці термодинамічних параметрів рівноважних фаз для різних тисків та температур.

Для розчину бромистого літію у воді є діаграми: ентропія-температура (s-T), концентрація-тиск (ξ-lgр), концентрація-ентальпія (ξ-h). Крім того, для цього розчину є таблиці термодинамічних параметрів рівноважних фаз для різних тисків та температур.

Теплові розрахунки процесів АХМ найбільш наглядно та просто виконувати за допомогою ξ-h діаграм, а їхній аналіз – за допомогою ентропійних діаграм.