8.2.4. Ахм з теплообмінником розчинів та ректифікацією пари після генератора
Як зазначалося раніше, ефективність роботи АХМ, у якій поєднано прямий та зворотний цикли, може бути визначена добутком термічного коефіцієнта корисної дії прямого циклу та холодильного коефіцієнта зворотного циклу (8.3). У водоаміачних АХМ різниця нормальних температур кипіння холодильного агента та абсорбенту незначна – 133ºС. Це призводить до значного випаровування абсорбенту у генераторі та потрапляння його у конденсатор та випарник, і, як наслідок, до зменшення холодильного коефіцієнта зворотного циклу та теплового коефіцієнта машини загалом. Очищення пари холодильного агента від абсорбенту в АВХМ дозволить подавати у випарник чистий холодильний агент і підвищити значення холодильного коефіцієнта при постійній температурі охолодного середовища. Таке очищення називається ректифікацією, при цьому у парі зростає концентрація холодильного агента та зменшується концентрація абсорбенту. Ректифікація пари пов’язана з її охолодженням, що призводить до зниження ефективності прямого циклу та потребує додаткового обладнання. Однак, не дивлячись на останню обставину, у більшості випадків ректифікація призводить до зростання ефективності роботи АВХМ. На тепер існує декілька схем збільшення концентрації пари:
водою;
міцним розчином до його надходження у рідинний теплообмінник;
частиною міцного розчину, який подається у генератор минаючи рідинний теплообмінник;
рідким холодильним агентом, що надходить з конденсатора.
В самому генераторі підвищення концентрації пари від якогось середнього значення до концентрації рівноважній міцному розчину можна досягнути шляхом подавання міцного розчину в генератор зверху в протитечію парі, яка виходить з нього з утворенням розвинутої поверхні контакту пари та рідини. Здійснюється це у спеціальній ректифікаційній колонні, нижня частина якої заповнена шаром фарфорових кілець, а в верхній частині встановлено ковпачкові тарілки.
Ректифікація пари водою здійснюється у спеціальному апараті – дефлегматорі. Пара, що виходить з генератора охолоджується у ньому за рахунок контакту з холодними трубами, всередині яких циркулює охолодна вода. За рахунок охолодження пари відбувається його часткова конденсація. Конденсат (флегма) через гідрозапір повертається у генератор на ректифікаційні тарілки, а пара, концентрація якої зросла, направляється на конденсатор.
Схема включення дефлегматора та процеси АВХМ з теплообмінником та дефлегматором зображено на рис.8.4. Кількість флегми, яка повертається у генератор, знаходиться з матеріального балансу дефлегматора. Для 1 кг чистої пари холодильного агенту, що виходить з генератора матеріальний баланс запишеться так:
, (8.35)
де R – кількість флегми, яка виходить з генераторам разом з парою; 1', е' - концентрація пари на вході та виході з апарата, s – концентрація флегми, рівноважної парі на виході з дефлегматора. Тоді
. (8.36)
Рис.8.4. Схема абсорбційної водоаміачної холодильної машини з теплообмінником розчинів та водяним дефлегматором і її процеси у діаграмі h–
Кількість флегми, яка утворюється у дефлегматорі, незначна, порівняно з кількістю пари, яка проходить через апарат. Якщо вважати, що кількість флегми незначна і вона стікає у протитечії до пари то можна припустити, що між парою та флегмою відбувається ідеальний теплообмін і її температура на виході з дефлегматора дорівнює температурі пари, що поступає. У цьому випадку концентрація флегми буде рівноважною парі стану 1' та рівною г. Зробивши таке припущення можна записати
. (8.37)
Склавши тепловий баланс дефлегматора, можна визначити кількість теплоти, яка відводиться водою в цьому апараті
. (8.38)
З теплового балансу апарата
,
або
.
(8.39)
Використовуючи вираз для qд (8.38), питому теплоту, затрачену у генераторі АХМ з дефлегматором, можна визначити так:
. (8.40)
Якщо в машині ректифікація здійснюється лише у ректифікаційній колонні генератора, а ректифікація водою не застосовується, то концентрація пари на виході з колони буде рівноважною міцному розчину - 1’, а теплове навантаження генератора зменшиться:
. (8.41)
Однак ректифікація водою в цілому завжди збільшує тепловий коефіцієнт машини внаслідок більшого зростання холодопродуктивності у порівнянні із зростанням теплового навантаження генератора. В промисловості знайшла поширення схема АВХМ з дефлегмацією пари міцним розчином до його надходження в теплообмінник розчинів. У цій схемі, показаній на рис.8.5, а, холодний міцний розчин насосом подається у дефлегматор, де нагрівається від температури t4 до t4' сприймаючи теплоту ректифікації пари qд. Ентальпія міцного розчину на виході із дефлегматора може бути визначеною із теплового балансу останнього
. (8.42)
Температура t4' визначається з діаграми за відомою ентальпією h4' та концентрацією міцного розчину. Оскільки у теплообмінник розчинів міцний розчин поступає маючи більш високу температуру, t4', у цій схемі не повністю використовується теплота слабкого розчину. Його стан на виході з теплообмінника розчинів визначається концентрацією а та температурою t3= t4'+Δ t . Відповідно у абсорбер буде надходити більш гарячий слабкий розчин і теплове навантаження останнього зросте на величину qд. Таким чином, у цій схемі теплота ректицікації хоча і не виводиться з прямого циклу назовні, в дефлегматорі переводиться на нижчий температурний рівень та відводиться у абсорбері.
При цьому у генераторі витрачається така ж кількість теплоти, як і у схемі з дефлегмацією водою, тому така схема не має термодинамічних переваг у порівнянні з першою. Повне використання енергії слабкого розчину та регенерування теплоти ректифікації в деякій мірі може бути здійснене у схемі з ректифікацією пари частиною міцного розчину, який подається до ректифікатора оминаючи теплообмінник розчинів Така схема АВХМ наведена на рис.8.5, б.
В розглянутих раніше схемах через теплообмінник розчинів проходять різні кількості міцного та слабкого розчинів. Тому, не зменшуючи використання енергії слабкого розчину, частину холодного міцного розчину можна подати у ректифікатор, оминаючи теплообмінник, де він, сприймаючи теплоту ректифікації, нагрівається, повертаючи теплоту до прямого суміщеного циклу.
а) б) в)
Рис.8.5. Схеми АВХМ: а) з дефлегмацією пари міцним розчином до його надходження в теплообмінник розчинів; б) з ректифікацією пари частиною міцного розчину, який відводиться у генератор оминаючи теплообмінник розчинів; в) з ректифікацією пари частиною рідкого холодильного агента, який відводиться з конденсатора
Отримання в процесі ректифікації чистого холодильного агента і, відповідно, досягнення максимальної питомої холодопродуктивності та підвищення енергетичної ефективності машини може бути реалізовано у схемі з ректифікацією пари частиною рідкого холодильного агента, який відводиться з конденсатора. Така схема останнім часом знайшла широке використання (рис.8.5, в). Недоліком схеми є необхідність встановлення конденсатора вище ректифікаційної колони або включення до схеми насоса рідкого холодильного агента для його подавання у ректифікатор.