А. В. Бараненко. Холодильные машины

тем. Такие низкотемпературные агрегаты по своим конструктив­ ным особенностям значительно отличаются от агрегатов, кото­ рые работают в одноступенчатых машинах.

Компрессорно-конденсаторные агрегаты для одноступенчатых

машин в зависимости от вида охлаждения подразделяют на аг­

регаты с воздушным и водяным охлаждением.

Агрегаты с воздушным охлаждением применяют, как прави­

ло, в диапазон~ холодопроизводительноСти qT 0,5 до 20 кВт. Для

большей холодопроизводительности объединять воздушный

конденсатор в одном агрегате с компрессором нецелесообразно

из-за крупных габаритных размеров конденсатора и больших

объемов прокачиваемого воздуха.

Конструктивные особенности воздушного конденсатора опре~

деляют общую компоновку агрегата на плоской опорной раме с расположением на ней компрессора, конденсатора и ресивера.

Приборы защиты и контроля размещаются на раме и корпусе ресивера. На малых агрегатах манометры не устанавливают. Вен­

тиляторы имеют автономные двигатели.

Компрессорно-конденсаторные агрегаты с водяным охлажде­

нием применяют в диапазоне холодопроизводительности 0,5-:- 200 кВт (86). Их выполняют чаще всего с верхним расположе­

нием компрессора и нижним расположением конденсатора.

В зависимости от холодопроизводительности агрегата компрес­

сор устанавливают либо на раме, которая служит опорой для

конденсатора, JIИбо на обечайке конденсатора [86]. В состав ком­

прессорно-конденсаторных агрегатов включают также необходи­ мую вспомогательную аппаратуру и коммуникации рабочего ве­

щества. Хладоновые агрегаты с водяным охлаждением имеют

в своем составе, как правило, и регенеративный теплообменник.

Компрессорно-испарительный агрегат - это блок, который объединяет элементы компрессорного агрегата и испарителя. Этот агрегат'компонуют так же, как и компрессорно-конденсаторный

агрегат с водяным охлаждением. Компрессорно-испарительные агрегаты применяют главным образом в холодильных машинах при холодопроизводительности свыше 100 кВт, чаще всего

в случаях, когда конденсаторы имеют воздушное охлаждение

и их располагают вне машинного зала.

Апцаратные агрегаты. Аппаратные агрегаты крупных холо­

дильных машин, предназначенных для охлаждения жидких хладоносителей, выполняют, как правило, в виде конденсатор­

но-испарительных агрегатов, которые включают в себя регули­ рующую станцию, вспомогательную аппаратуру и приборы кон­

троля, замыкая в своем составе Основные коммуникации жидкого

рабочего вещества. Конструктивно их выполняют чаще всего без­

рамными, с нижним расположением испарителя [86]. Трубопро­

воды и вспомогательную аппаратуру располагают в свободном

пространстве между испарителем и находящимся над ним кон­

денсатором на обслуживаемой стороне агрегата. Приборы, ком­ плектующие агрегат, располагают на приборном щите.

Аl')Iмиачные агрегаты, как правило, включают в свой состав отделители жидкости и мас.n:оотделители. Особенностью хладоно­ вых агрегатов является наличие регенеративного теплообменни­ ка. Для крупных конденсаторно-испарительных агрегатов исполь­ зуют регенеративные теплообменники кожухотрубного типа. Масло

из теплообменника в компрессор возвращается либо путем его

захвата всасываемым рабочим веществом', либо непосредственно

из нижней части теплообменника в картер через перепускной клапан, который открывается только при наличии над ним опре-

Комплексные холодильные машины. Комплексные холодиль­

ные машины используют для охлаждения жидких хладоносите­

лей [86]. По конструктивным особенностям агрегатирования дан­

ную группу машин можно разделить на две группы: одноагрегат­

ные и двухагрегатные машины. Область применения той или иной

группы определяется холодопроизводительностью и типом ком­

прессора. Для удобства транспортировки и эксплуатации круп­ ные машины делят на два агрегата.' При использовании сравни­ тельно тяжелых прямоточных компрессоров область при.менения

одноагрегатных машин ограничена холодопроизводительностью

150-200 кВт. При использовании быстроходных непрямоточных компрессоров, а также винтовых компрессоров область примене­ ния одноагрегатных машин расширяется до 500 кВт.

Одноагрегатные машины выпускают как рамной, так и без­ рамной конструкции. Машины рамной конструкции выполняют

ис нижним расположением компрессора, и с верхним.

В первом случае аппараты расположены в верхней части агрега­ та, а во втором - в нижней. Возможно расположение компрессо­

ра также и в средней части агрегата - между конденсатором и

испарителем. По занимаемой площади последняя компоновка предпочтительнее. Для увеличения холодопроизводительности в

одном агрегате отдельные фирмы включают в состав агрегата два

и более однотипных компрессоров с отдельными приводами, что

позволяет осуществлять ступенчатое регулирование производи­

тельности машины автоматическим пуском и остановом отдель­

ных компрессоров. Рамы машины выполняют как из труб, так и из фасонного проката. Трубчатые рамы используют для машин малой и средней производительности. Недостатками рамной кон­ струкции являются затруднение обслуживания компрессоров, электродвигателей и некоторое утяжеление конструкции.

Безрамная конструкция с расположением компрессора и электродвигателя на аппаратах более рациональна, так как обес­ печивает более удобный доступ к компрессору и электродвигате­ лю. Для машин холодопроизводительностью до 100 кВт в стан­

дартном режиме такая компоновка позволяет занимать минималь­

ную площадь. Приборы защиты, управления и контроля объеди­

няют в один или несколько щитов.

§ 13.2. ТЕПЛОИСПОЛЬ3УЮЩИЕ ХОЛОДИЛЬНЫЕ АГРЕГАТЫ

Агрегаты пароэжекторных холодильных машин и их эле­

менты. Пароэжекторные машины обычно выполняют в виде агрегатов, состоящих из испарителей конденсаторов, эжекторов и трубопроводов с регулирующей, запорной и защитной армату­

рой [68]. Агрегаты имеют несколько параллельно работающих

главных эжекторов, что позволяет уменьшить габаритные раз­

меры машин и регулировать их холодопроиЗводительность. Ком­

поновка агрегатов может быть выполнена различными способа­

ми. рхемы агрегатирования машин применяют для широкого диапазона производительности от 200 до 2000 кВт [68, 88].

При горизонтальном расположении главцых эжекторов пер­

пендикулярно к основным аппаратам из-за большой длины эжек­ торов агрегат занимает большую площадь и имеет два фронта обслуживания (рис. 13.1). Компактность агрегата существенно

повышается при горизонтальном расположении главных эжек­

торов параллельно основным аппаратам. Однако это приводит к неблагоприятному газораспределению, так как отсос пара из

испарителя и ввод в главный конденсатор односторонние.

Значительно компактнее машины с вертикальным расположени­

ем главных эжекторов и горизонтальным расположением основ­

ных аппаратов (рис. 13.2). В этом случае лучше организованы

отсос холодного пара из испарителя и ввод пара в конденсатор.

При такой компоновке фронт обслуживания агрегата оказывает­

ся единым при хорошем доступе ко всем его элементам.

Компоновка агрегата со смешивающими конденсатора~и для

машин большой холодопроизводительности (рис; 13.3) обеспечи­

вает равномерное газораспределение в основных аппаратах. При

верхнем расположении испарителя при противотоке в главном

конденсаторе сокращается высота агрегата.

Рис. 13.1_ Схема arрегатировавия пароэжекториой холодильной машины

с roризонтальным расположеиием главиых эжекторов:

1 - главный эжектор: 2 - главный конденсатор; 3 - испаритель

938

ОХАUII{8аю­

щаR 60iJa

торы

Компоновка агрегата современной пароэжекторной ХОЛОЩIЛЬ­

ной машины является наиболее компактной благодаря встроен­

ным в испаритель эжекторам. В конструкции такой машины (рис.

13.4) достигается хорошее газораспределение с одновре,менным

снижением гидравлических сопротивлений на пути движения хо­ лодного пара из испарителя в главный эжектор. Испаритель пред­

ставляет собой горизонтальный аппарат со встроенными главны­

ми эжекторами. Данная конструкция агрегата включает восемь

главнъiх эжекторов. Рабочий пар по коллектору 6 (рис. 13.4)

поступает к соплам через паровые коробки 7. Холодный пар под­ сасывается в приемную камеру эжектора в верхней части внут­

ренней полости испарителя, благодаря чему, из-за сокращения пути движения ХI()ЛОДНОГО пара, необратимые потери существен­

но сокращаются.

Конденсаторы пароэжекторных холодильных машин выпол­

няют поверхностного и смешивающего типов. Поверхностный конденсатор 1 (рис. 13.4) представляет собой горизонтальный

939

ГЛАВА 14

МАШИНЫ И СИСТЕМЫ

НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Низкопотенциальная энергетика представляет собой новое на­

учно-техническое направление, которое стало широко развивать­

ся в последние 20 лет. Оно связано с проблемами экономии топ­

ливно-энергетических ресурсов и защиты окружающей среды от

теплового загрязнения и базируется преимущественно на исполь­

зовании для получения холода, теплоты и электроэнергии нетра­

диционных источников тепловых ресурсов. К таким источникам

относятся вторичные энергетические ресурсы (ВЭР) и так назы­ ваемые возобновляемые источники теплоты - недр Земли (гео­ термальной энергии), Солнца и окружающей среды. Само поня­

тие низкопотенциаЛ:QНОЙ энергетики связано с температурным

уровнем нетрадиционных источников тепловых ресурсов, кото­

рый в зависимости от ~ида источника и времени года может иметь

пределы от О до 400 ОС. Этот диапазон температур источников

условный, так как некоторые новые виды источников теплоты, например теплота сгорания биогаза, также относят к нетрадици­

онным материальным ресурсам, позволяющим получить теплоту

с высоким температурным уровнем.

Вторичные энергетические ресурсы - это тепловые отходы

технологических производст:в промышленных предприятий, ком­

мунальных, бытовых, жилых и других объектов. К категории

ВЭР можно также отнести самоизливающиеся геотермальные воды,

горячие минеральные источники, теплота которых не использу­

ется в бальнеологии, сжигаемый попутный газ при нефтедобыче,

добываемую горячую нефть и др.

Проблема экономии топлива путем использования ВЭР в пос­

ледние годы стала очень актуальной и приобрела общегосударст­ венное значение. Промышленные потребители используют в на­

стоящее время свыше 60% всего добываемого топлива и около 70%

всей вырабатываемой электроэнергии. Коэффициент полезного

использования энергии в технологических процессах остается все

еще невысоким и составляет лишь 35-40%. Утилизация ВЭР в

промышленности за последние годы улучшилась, однако в наши

дни фактическая экономия топлива за счет теплоты ВЭР по отно­ шению к возможной составляет 30-32%, в том числе в нефте­ перерабатывающей и нефтехимической промышленности - 40% ,

вчерной металлургии - 40%, в химической - 25% [59, 84].

Одно из эффективных направлений утилизации теплоты' ВЭР -

производство холода для предприятий, технологические процес­ сы которых требуют его при различных температурах охлажде­

ния. Следует отметить, что большинство предприятий химичес-

кой, нефтехимической и других отраслей промышленности явля­

ются хладоемкими производствами и одновременно характеризу­

ются наличием достаточно большого количества неиспользуемых

ВЭР в виде пара, горячей воды, факельных сбросов, горячих газов и т.п. На базе таких источников ВЭР в ряде случаев холод

может быть выработан с помощью абсорбционных холодильных машин, серийно выпускаемых в нашей стране.

Решая вопросы рационального и эффективного использования ВЭР, следует обращать внимание на то, что наряду с получением холода могут быть осуществлены и процессы преобразования теп­ лоты с низкого температурного уровня на более высокий и наобо­ рот - с применением тех же абсорбционных холодильных ма­ шин, а также процессы выработки электроэнергии в турбоуста­ новках, работающих на различных хладонах, аммиаке и др.

Теплоту низкопотенциальных ВЭР можно использовать для теплоснабжения и горячего водоснабжения также с помощью ком­ прессорных тепловых насосов. В переходные и зимний периоды

года в качестве низкопотенциальных источников теплоты в ком­

прессорных тепловых насосах могут быть использованы источни­ ки окружающей среды [холодная вода из водоемов, артезианская вода, наружный воздух температурой свыше О ОС, а также гор­ ные породы (грунт)]. В последние годы большое внимание уделя­

ют использованию для целей хлад0- и теплоснабжения с помо­

щью холодильных машин и электроснабжения с помощью тур­

бин на неводяных парах рабочих веществ (хладаrентах) возоб­ новляемых источников теплоты - недр Земли (геотермальной энергии воды и горячих сухих горных пород) и Солнца.

§ 14.1 . .оСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НЕТРАДИЦИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ ТЕПЛОВЫХ РЕСУРСОВ ДJ!.Я ПОЛУЧЕНИЯ ХОЛОДА, ТЕПЛОТЫ И ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

ИЗ всех видов нетрадиционных источников теплоты, утилизи­ руемой в машинах и системах низкопотенциальной энергетики, наиболее распространенными являются источники ВЭР.

Структура ВЭР чрезвычайно многообразна. ВЭР, используе­

мые с помощью холодильных машин для различн~х целей, мож­ но разделить: по температурному уровню - на ВЭР низкого,

среднего и высокого потенциала; по агрегатному состоянию -

на жидкие, паро- и газообразные и твердые; по химическому воздействию на металлы, рабочие вещества и окружающую сре­

ду - на нейтральные и агрессивные; по содержанию приме­

сей - на чистые и загрязненные; по степени концентрации на объ­

ектах - на централизованные и децентрализованные; по услови­

ям выделения - на периодические и непрерывные.

ВЭР низкого потенциала имеют температуру 0-70 ОС. В ком­

прессорных тепловых насосах используют теплоту ВЭР с темпе­ ратурой 0-10 ос (наружный воздух) и 10-40 ос (водопроводная,

артезианская или геотермальная вода). В понижающих абсорб- . ционных термотрансформаторах температура вэр составляет 2570 ОС, в повышающих термотрансформаторах - 40-70 ОС. вэр среднего потенциала имеют температуру 70-150 ос и могут быть использованы для получения холода в абсорбционных ма­ шинах с одноступенчатой генерацией раствора в генераторе. вэр высокого потенциала с температурой 150-400 ос применяют для получения холода в абсорбционных машинах с многоступенчатой генерацией раствора в генераторе. Для выработки электроэнер­

гии в турбоагрегатах с применением рабочих веществ холодиль­

ных машин могут быть использованы вэр среднего (начиная с 80 ОС) и высокого температурного потенциала. Жидкие, паро- и газооб­ разные вэр есть на каждом крупном по энергоемкости промыш­ ленном предприятии. Твердыми источниками вэр могут быть го­

рячие металлические конструкции, горячие шлаки, горные по­

роды (грунт) и т. п. Нейтральные по воздействию на металлы источники вэр менее раСПР9Странены, чем агрессивные (кисло­ ты, растворы солей и т. п.; К этой же категории источников вэр относятся и радиоактивные газы и жидкости). Имеются загряз­ ненные источники вэр, требующие очистку от примесей или при­ менение оборудования теплоутилизационных установок со специ­

альным покрытием поверхностей контакта с источником, кото...

рое предотвращает их эрозию. По техническим и экономическим соображениям наиболее приемлемыми являются централизован­

ные источники вэр, так как децентрализованные источники тре­

буют дополнительных затрат для их сбора, если они не могут быть использованы непосредственно на объекте их образования. Источники вэр периодического выделения требуют создания до­ полнительных емкостей (аккумуляторных баков) для накаплива­ ния и выделяющегося источника (жидкостей), и охлажденного (или нагретого) в системах хладолибо теплоснабжения. Все пере­ численные источники вэр могут иметь изменяющуюся по време­

ни температуру -как в течение суток, так и в течение года.

Важным параметром любого источника вэр является его об­ щая теплоемкость. При малой общей теплоемкости приходится снижать температуру кипения рабочего вещества для получения

достаточного количества теплоты от источника, температура ко­

торого заметно снижается в процессе теплообмена, в то время как температура кипения обычно остается постоянной. Исполь­ зование источника вэр с малой общей теплоемкостью и с высо­

кой температурой может оказаться энергетически равнозначным

использованию источника с большей общей теплОемкостью и с более

низкой температурой или даже невыгодным. Использовать огра­ ниченный по общей теплоемкости высокопотенциальный источ­ ник вэр можно лишь при сравнительно небольшой холодо­ и теплопроизводительности. При работе с ограниченным по об­ щей теплоемкости источником вэр в термодинамическом отно­ шении целесообразно осуществлять процессы с переменными

температурами кипения рабочего вещества в испарителе или рас­

твора в генераторе. Источники геотермальной энергии могут быть

высокоминерализованными, содержать другие вредные вещества

и представлять большую опасность для окружающей среды. Поэ­

тому, как правило, после использования теплоты геотермальной

воды в машинах и системах низкопотенциальной энергетики ее

насосом закачивают по обратной скважине в водоносный пласт.

Самая чистая возобновляемая энергия - это солнечная энер­

гия. Но главными недостатками этого вида энергии являются

периодичность ее поступления в течение суток и изменяюtциеся

з~ачения солнечной радиации и температуры нагреваемого рабо­

чего вещества как в течение суток, так и в течение года.

Поэтому для выработки холода, теплоты и электроэнергии

используют машины и системы низкопотенциальной энергетики

периодического и непрерывного действия. В последнем случае в схему включают аккумуляторные баки для накапливания ох­

лажденного (или нагретого) теплоносителя в период работы ма­

шин и систем в дневное время суток.

§ 14.2. ПАРОКОМПРЕССОРНЫЕ ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ

При использовании низкопотенциальноц теплоты вэР. и дру_

гих источников наибольшее распространение получили тепловые

насосы компрессорного типа. При отводе теплоты от источников

низкого температурного потенциала и затрате механической (элект­

рической) энергии в них получают теплоту с. такой температу­

рой, при которой ее можно использовать для отопления, горяче­ го водоснабжения или для производственных нужд. Наиболее бла­

гоприятны условия примененил тепловых насосов для одновре­

менного получения теплоты и хоЛода там, где отношение потреб­

ности в них близко к отношению теПЛОПРОИЗВОДительности теп­

лонасосного цикла и ХОЛодопроизводительности. В машине в дан­

ном случае осуществляется комбинированный (теплофикацион­

ный) цикл с переменными температурами источников. Циклы

холодильных машин могут иногда рассмаТРИВflТЬСЯ как теплофи­

кационные, если используется теплота нагнетаемого компрессо­

ром газа (возду.шная холодильная машина, паровая с перегревом

пара в процессе сжатия). Применение холодильных машин для

теплофикационных целей на объектах, потребляющих холод

и теплоту, дает энергетический и экономический эффект.

Особенно эффективно использование тепловых насосов в систе­

мах круГЛогодичного кондиционирования воздуха, применяют их для различных технологических нужд, в технике опреснения и выпаривания водных растворов. За рубеЖОМ,значительное рас­ пространение получили теплонасосные машины для нагрева воз­ духа в холодное время года и охлаждения его в летний период в одноквартирных домах и отдельных комнатах. Их применяют для сушки зерна, в системах тепло- и хладоснабжения чайных

фабрик, в системах горячего водоснабжения бань, для термооб­

работки молока (подогрева его в процессе пастеризации и доох­

лаждения ледяной водой из испарителя теплового насоса) и дру­ гих целей [86].

Для тепловых насосов, потребляющих механическую энергию, величиной, характеризующей их эффективность, является коэф­

фициент преобразования, Т.е. отношение полученной теплоты

к затраченной работе ~ ;;: (QK/L) > 1. В качестве рабочих веществ в тепловых насосах применяют R717, R22, R142, Rll, смеси

хладонов и другие рабочие вещества. Коэффициент преобразова­

ния теплоты зависит QT параметров внешних источников - тем­

ператур воды на входе в испаритель tS1 и на выходе из конденса­

тора tw2 • Зависимости величины 11 от указанных температур для

одного из промышленных тепловых насосов с винтовым компрес­

сором приведены на рис. 14.1. Величина 11 существенно зависит от повышения темпера'lWРЫ в тепловом насосе, представляющей

разности температур от 20 до 80 ОС, Т.е. в четыре раза, приводит

к снижению величины 11 от 6,0 до 1,7, т. е. в 3,5 раза. Тепловые

насосы средней температуры работают по обычной ОДНОС'lWпенча­ той схеме, а тепловые насосы высокой темпера'lWРЫ выполняют по каскадной схеме с использованием в нижней ветви каскада

рабочих веществ среднего давления (R717, R22 и др.), а в верх­

ней ветви - смеси R142 и Rll или других рабочих веществ. Отечественные тепловые насосы работают по одноступенчатому

регенеративному циклу как в режиме теплоснабжения с получе­

нием горячей воды от 45 до 58 ос при температуре кипения в испарителе не ниже 6 ОС, так и в режиме хладоснабжения с по­

лучением хладоносителя с тем'пературой до -25 ос при охлаж-

Рис. 14.1. Зависимости коэффициента преобразоваиии 11 от температур ох­ лаждаемой в испарителе воды t'1 и нагретой в конденсаторе воды tW2 в тепло­

вых насосах с винто!!ыми компрессорами средней (а) и высокой (6) температуры

948

ности N. (6) от температуры t o дли теплового насоса НТ-80 (с поршневым компрессором) при температуре конденсации t" = 61 ос

дении конденсатора водой не выше 30 ·С. Отечественные тепло­

вые насосы состоят из компрессорно-конденсаторных, испаритель­

но-ресиверных агрегатов, станций переключений и щитов управления и сигнализации. Конденсаторы и испарители - кожухотрубного

типа. Характеристики теплового насоса НТ-80 приведены на рис. 14.2. Широкое внедрение тепловых насосов в нашей стране сдержи­

вается главным образом по следующим причинам: сравнительно

низкая по отношению к электроэнергии стоимость топлива; не­

значительная распространенность систем эл~ктрообогрева и ус­

тановок кондиционирования воздуха, замена которых теплона­

сосными установками может привести к наибольшему эффекту;

отсутствие низкотемпературных систем отопления в децентрали­

зованном теплоснабжении, в сочетании с которыми применение

тепловых насосов наиболее выгодно. Однако повышение стоимос­

ти топлива в последние годы приводит к необходимости тщатель­

ного анализа возможности использования тепловых насосов для

конкретных объектов, располагающих низкопотенциальными ис­

точниками теплоты.

В настоящее время с определенно'стью установлено, что отоп­

ление при помощи тепловых насосов не выдерживает конкурен­

ции с отоплением от ТЭЦ. С другой стороны; отопление электро­

нагревательНыми приборами неконкурентоспособно по сравнению

с теплонасосным отonлением. Поэтому наиболее возможным на­ правлением эффективного использования тепловых насосов явля­ ется замена ими систем отопления на базе котельных [6].

Несмотря на то что всегда 11 > 1 , делать вывод о безусловной целесообразности применения теплового насоса преждевременно. Необходимо иметь в виду, что действительный коэффициент пре­ образования зависит от многих факторов: температурного режи­

ма работы, вида термодинамического цикла, свойств рабочего вещества, объемных и энергетических коэффициентов компрессо­ ра и др. Поэтому для первоначальной оценки эффективности теп­

лового насоса следует исходить из условия получения в Н'ем мак­

симально возможной величины 11 при заданном режиме работы.

949

Затем необходимо сравJlИТЬ теплоснабжение с помощью тепло­

вого насоса с теплоснабжением на базе котельных с учетом КПД

котелЬНЬJх, стоимостных показателей на топливо, электроэнер­

гию, капитальных и других затрат.

Наибольший энергетический и экономический выигрыш от теп­ ловых насосов может быть достигнут применением комплексных систем теп.до- и хладоснабжения при получении холода на любом из возможных для данной системы температурном уровне. Такие

системы перспективны для многих производств химических, неф­

теперерабатывающих и других отраслей промышленности, кото­ рые располагают источниками низкопотенциальной теплоты (на­

пример, водой, нагреТой в процессе охлаждения технологических

аппаратов). Тепловой насос в этом случае mожет выполнять функ­

ции теплоснабжения и обратного охлаждения воды, подаваемой

в технологические аппараты. Такое совмещение выгодно с точки

зрения экономии капитальных и эксплуатационных затрат, а так­

же благодаря тому, что система водоснабжения становится зам­ кнутой и резко сокращаются потери воды, испаряющейся в гра­ дирнях. Экономический эффект при охлаждении воды в тепло­

вых насосах вместо градирен значительно возрастает при при­

ближении температуры охлажденной воды к нижнему темпера­ турному пределу возможностей градирен.

При решении вопроса о эффективности применения тепловых насосов, а также при выборе его параметров для конкретных усло)шй эксплуатации необходимо учитывать график теплопот­ ребления в течение года. В ряде случаев бывает нецелесообразно

покрывать тепловым насосом пиковые нагрузки, особенно при

кратковременном их характере, так как в остальное время он

будет работать вневыгодном нерасчетном режиме. В этом случае

более выгодно дополнительно подогревать теплоноситель либо вторым каскадом теплового насоса, либо традиционным йсточни­

ком теплоты [6].

§14.3. РЕ30РБЦИОННО-КОМПРЕССОРНЫЕ ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ

впоследние годы во всех развитых странах большое внимание уделяют исследованию и разработке резорбционно-компрессорных тепловых насосов. Они, как и парокомпрессорные тепловые насо­

сы, служат ,nля целей теплоснабжения на базе утилизации тепло­

ты низкопотенциа.льных источников. Однако, в отличие от паро­

компрессорных тепловых насосов, благодаря использованию в них

растворов достигаются более глубокое охлаждение низкопотенци­

ального источника теплоты и более высокая степень нагрева ис­

точника для целей теплоснабжения, так как соответствующие

процессы охлаждения и нагрева осуществляются при перемен­

ных температурах раствора. Благодаря тому что процесс конден­

сации пара в резорбционно-компрессорном тепловом насосе заме­

нен процессом резорбции, протекающим при более низком давле-

нии по сравнению с давлением конденсации, степень сжатия пара

в компрессоре резорбционно-компрессорного теплового насоса ока­

зывается ниже. Следует также отметить, что благодаря исполь­

зованию растворов высшая температура резорбции в резорбцион­

но-компрессорном тепловом насосе, при прочих равных услови­ ях, оказывается выше температуры конденсации пара в пароком­

прессорных тепловых насосах.

Недостатком резорбционно-компрессорных тепловых насосов

следует назвать наличие в них растворного контура с циркуля­

ционным насосом, теплообменника слабого и крепкого раст'воров

и растворного дроссельного вентиля.

В качестве рабочих веществ резорбционно-компрессорных теп­

На рис. 14.3 показаны схема резорбционно-компрессорного

теплового насоса с одноступенчатым сжатием пара и его процес­

сы на ~-i- диаграмме для водоаммиачного раствора. В дегазаторе 1 (рис. 14.3, а) за счет подвода к нему низкопотец:циальной теп­

лоты греющего источника с начальной температурой t кипит

Wh1

раствор, изменяя свою концентрацию от ~r до ~a при давлении Ph'

Греющий источник охлаждается при этом до температуры t •

wh

Таким образом, в дегазаторе образуются пар состояния 3' и Hli-

сыщенный раствор состояния 4. Пар поступ'nет в компрессор 2,

сжимается в нем до давления Р и в состоянии 7 подается в резор­

бер 3. Туда же насосом 5 из де!азатора через теплообменник рас­

творов 4 подается слабый раствор с концентрацией ~a' В теплооб­

меннике слабый раствор подогревается до состояния 5 за счет

теплоты, отводимой от горячего крепкого раствора, поступающе­

го из резорбера в теплообменникв состоянии 1. В резорбере пере-

дj i

Рис. 14.3. Резорбциоино-компрессорный водоаммиачный тепловой иасос

с ОДИОСтупенчатым сжатием пара: а - схема насоса; (j - процессы на ~-l-'

диаг.рамме

гретый пар абсорбируется подогретым раствором, а выделяющаяся

в процессе абсорбции теплота при высокой температуре отводит­

ся к источнику (воде), который нагревается от температуры tWP1

до температуры t ' Образовавшийся в резорбере горячий креп­

WP2

кий раствор с концентрацией ~r подается в дегазатор через тепло­

обменник растворов и дроссельный вентиль 6 за счет разности

давлений (р - Ph)' В теплообменнике раствор охлаждается от

состояния 1 ~o состояния 2, а после дроссеяирования и отделения

пара он имеет состояние 3. .

На рис. 14.3,6 на ~ - i-диаграмме приведены процессы ре­

зорбционно-компрессорного теплового насоса: 5-6 - адиабатно­ изобарная абсорбция пара в резорбере, 6-1- изобарная абсорб­

ция п&ра в резорбере с совместным тепломассопереносом; 1-2-

охлаждение крепкого раствора в теплообменнике; 3-4 - кипе­

ние раствора в дегазаторе; 4-5 - подогрев слабого раствора

в теплообменнике; 3' - 7 - изменение состояния пара в компрес­

соре в процессе сжатия от давления Ph до давления РР'

Таким образом, в процессе 3-4 кипения в дегазаторе раствор

повышает свою температуру"а в процессе 6-1 абсорбции пара в

резорбере раствор охлаждается от высшей температуры в точке 6

до низшей в точке 1. Чем больше будет зона дегазации раствора,

тем больше будет изменение температур в процессах кипения рас­

твора и абсорбции пара. Благодаря этому оказывается возмож­

ным при переменных температурах охлаждать греющий и подо­

гревать нагреваемый внешние источники. Такие противоточное

охлаждение и нагрев соответствующих сред приводят к сниже­

нию необратимости процессов теплообмена при существенном из­

менении температур греющего и нагреваемого источников. Кратность циркуляции крепкого раствора в цикле

1 = (~d - ~a)/(~r - ~a)'

Удельные тепловые потоки аппаратов:

дегазатора

резорбера

qp = i7 + li1 - (1 -1)i5 ;

теплообменника растворов

qтo = l(t1 - i 2) = (1 -1)(t5 - t4);

Адиабатическая работа сЖатия в компрессоре

lа = t7 - tз"

Удельная работа, потребляемая насосом циркуляции слабого

раствора.

где V4 - удельный объем слабого раствора на выходе из дегазатора. Теоретический коэффициент преобразования теплоты

IlT = qp/(la + lн)·

Тепловой баланс теплового насоса

qp = qд + lа + lH'

Массовый поток выпариваемого и абсорбируемого пара

Ga = Qp/qp,

где Qp - заданное значение теплового.потока резорбера. Тепловые потоки аппаратов:

дегазатора Qд = Gаqд;

теплообменника растворов Qтo = GaqTo;

Мощность, потребляемая компрессором,

N eK = Gala/rteK

где rteK - эффективный КПД компрессора.

МощнQCТЬ, потребляемая насосом циркуляции слабого раствора,

N eH = GalH/rteH'

где rteн - КПД насоса.

Действительный коэффициент преобразования теплоты без уче­

та потерь теплоты в окружающую среду

Ilд = Qp/(NeK + N eH )·

Как и в парокомпрессорных холодильных машинах и тепло­

вых насосах, припонижении давlIения кипения раствора в дега­

заторе или повышении давления абсорбции пара в резорбере

увеличиваются степень повышения давления1t = Рр/ Ph И разность

давленийрр - Ph В резорбционно-компрессорном тепловом насо­ се. Это приводит к необходимости перехода к многоступенчатому сжатию пара. Количество ступеней сжатия должно определяться

на основании технико-экономических расчетов, однако в первом

приближении можно принять, что при 1t ~ 8 необходимо перехо­

дить к многоступенчатому сжатию и в резорбционно-компрессор­

ном тепловом насосе, как это имеет место в парокомпрессорных

Схема резорбционно-компрессорного водоаммиа'чНого теплово­

го насоса с двухступенчатым сжатием пара и его процессы на

~ - i-диаграмме приведены на Rис. 14.4. В резорбереI (рис. 14.4, а)

паровая фаза (аммиак) поглощается слабым водоаммиачным раствором. Выделяемая в процессе. абсорбции аммиака теплота повышает температурный потенциал теплоносителя (нагревае­ мой воды), циркулирующего через трубные пучки резорбера. Из резорбера насыщенный горячий крепкий раствор направляется

в теплообменники растворов П, где охлаждается, отдавая тепло-

Рис. 14.4. Резорбциоино-компрессорны,й водоаммиачный тепловой насос

с двухступенчатым сжатием пара: а - схема насоса; (j - процессы на I;-l-диаграмме

ту холодному слабому раствору. Затем крепкий раствор, пройдя

через дроссельный вентиль IV, поступает в дегазатор V. В дегаза­

торе летучая фракция раствора выпаривается за счет теплоты,

подводимой греющим источником. Слабый раствор из дегазатора

насосом IП направляется в теплообменник растворов П, где нагре­

вается, а затем поступает в резорбер.

Образовавшаяся в дегазаторе паровая фаза поступает в ком­

прессор VI, в котором сжимается до промежуточного давленияРm•

Далее она направляется в промежуточный теплообменник VП,

где отводится теплота перегрева паровой фазы. Теплота перегре­

ва отводится к теплоносителю, который частично нагревается,

а затем направляется в дегазатор.

Охлажденная паровая фаза после промежуточного теплообмен­

ника поступает на вторую ступень компрессора и сжимается до

давления в резорбере. Сжатый пар после компрессора направля­

~ся в резорбер, и цикл повторяется.

Термодинамические процессы водоаммиачного резорбционно­

компрессорного теплового насоса на ~-i-диаграмме изображены

на рис. 14.4, б.

Цикл теплового насоса характеризуется точками 1-2-4-5-6- 7-8 (1 - состояние крепкого раствора на выходе из резорбера, 2 -

на выходе из теплообменника растворов, 3 - после регулирую­

щего вентиля). Точка 4' характеризует состояние паровой фазы на выходе из дегазатора с укрепляющей колонной. Точки 4, а и 4', а характеризуют соответственно состояние жидкой и паровой фаз при ИСПОJIьзовании дегазатора без укрепляющей колонны. Точка 5 определяет состояние раствора в конце кипения в дегазаторе; точка 6 - на выходе раствора из насоса и входе в теплообменник растворов; точка 7 - на выходе раствора из теплообменника; точка 9 - характеризует состояние паровой фазы на выходе из первой ступени компрессора; точка 10 - после охлаждения в промежуточном теплообменнике; точка 11 - на выходе из вто­ рой ступени компрессора. Точки 7, 8 и 7' определяют состояния жидкой фазы в начале и конце адиабатно-изобарного процесса

абсорбции и паровой фазы соответственно. .

Кратность циркуляции крепкого раствора' в цикле тепловоJ'О

резорбера qp = ill + (t -1)i.т - Л1,;

теплообменника растворов qTO = I(~ -~) = (1 -lXi.т - iв);

промежуточного теплообменника qп.то = ig - ~o.

Адиабатическая работа сжатия КОМпрессора la ;= (ig - i 4,) + (~1 - ~o).

Удельная работа, потребляемая насосом циркуляции слабого

раствора,

lн= V5(t -lХрр - Ph)'

где и5 - удельный объем слабого раствора на выходе из дегазатора. Теоретический коэффициент преобразования теплоты .

1.1= qpj(la + lн) =qp/[(ig - i 4,) +

+(~1 - ~o) + и5(1-lХрр - Ph)].