8.2. Абсорбционные холодильные машины (ахм)

Рабочим телом в такой холодильной машине является бинарная смесь, один из компонентов которой (более летучий) называется холодильным агентом, а другой – абсорбентом, при этом жидкий абсорбент может поглощать пар холодильного агента

К этой паре веществ предъявляется два весьма важных требования:

–  их нормальные температуры кипения t_sдолжны как можно больше отличаться друг от друга;

–  компоненты должны неограниченно растворяться друг в друге.

Кроме того, к легкокипящему холодильному агенту АХМ предъявляется весь набор требований, типичных для рабочего тела парокомпрессионной холодильной машины.

Наиболее распространенными бинарными растворами АХМ являются аммиак – вода и вода – бромистый литий. Причем аммиак в первом растворе и вода во втором являются холодильными агентами.

Простейшая схема АХМ (рис. 8.5) работает следующим образом.

Рассмотрим для примера водоаммиачную АХМ. К генератору Г, заполненном водоаммиачным раствором, подводится низкопотенциальная теплотаQ_г, в результате чего из раствора будет преимущественно выкипать легкокипящий компонент (аммиак).

Д1 Д2

Рис. 8.5.  Принципиальная схема простейшей абсорбционной холодильной машины

Далее пар аммиака поступает в конденсаторК, сжижается с отводом теплоты фазового перехода, дросселируется вД₂и кипит в испарителеИ, вырабатывая при этом искусственный холод. Образовавшиеся пары аммиака поступают из испарителя в абсорберАб, где поглощаются и растворяются в слабом (с минимальным содержанием аммиака) водоаммиачном растворе, поступающем из генератораГ, через дроссельный вентильД1

Интенсивность процесса поглощения и растворения пара аммиака в воде (процесс абсорбции) зависит от температуры раствора – с повышением температуры растворимость резко падает. Для сохранения высокой поглотительной способности пара аммиака через абсорбер прокачивают проточную холодную воду, с помощью которой отводят теплоту абсорбции Q_аб.

Образовавшийся в абсорбере крепкий (с максимальным содержанием аммиака) водоаммиачный раствор насосом Нподаётся в генераторГ. При этом давление раствора возрастает сР₀доР_к. По мере продвижения крепкого водоаммиачного раствора внутри генератора концентрация аммиака в нём уменьшается – он становится слабым и через дроссельный вентильД₁возвращается в абсорберАб.

Анализ рассмотренной схемы показывает, что, если элементы Г,Д₁,АбиНобъединить и представить как некоторый компрессор, то она трансформируется в простейшую паровую компрессорную холодильную машину, состоящую из компрессора, конденсатора, дроссельного вентиля и испарителя. По этой причине иногда говорят, что перечисленные выше элементы, представляют собой термохимический компрессор АХМ.

При составлении теплового баланса АХМ следует учитывать, что к рабочему телу теплота подводится в генераторе Q_г, испарителеQ_ии насосеQ_н, а отводится – в конденсатореQ_ки в абсорбереQ_аб:

Q_г + Q_о + Q_н = Q_к + Q_аб. (8.7)

Исходя из (8.7), выражение для теплового коэффициента АХМ следовало бы записать так:

.

Однако, учитывая, что Q_гзначительно превосходит тепловой эквивалент работы сжатия богатого раствора в насосеQ_н, можно с достаточной долей истины считать, что

. (8.8)

Рис. 8.6.  Принципиальная схема реальной абсорбционной холодильной машины

Рассмотренная схема простейшей АХМ не лишена ряда недостатков, наиболее существенным из которых является попадание из генератора в конденсатор, наряду с парами аммиака, некоторого количества водяного пара, который вызывает рост температур в испарителе. Для предотвращения этого неблагоприятного момента в схемы реальных АХМ включают дефлегматор Де и ректификатор РК (рис. 8.6). Кроме того, с целью экономии теплоты, подводимой в генераторе Г, в схему часто включают и регенеративный теплообменник ТР, что способствует повышению экономичности АХМ.

Такая схема АХМ работает следующим образом.

Из генератора Г пар аммиака с незначительными примесями водяного пара попадают в ректификатор РК, представляющий собой по сути обычную ректификационную колонку. В ней охлажденный слабый водоаммиачный раствор стекает по тарелкам навстречу восходящему потоку пара, идущему из генератора. При этом менее летучие пары воды конденсируются первыми, повышая при этом концентрацию аммиака в потоке.

По аналогичному принципу работает и дефлегматор, представляющий собой небольшой кожухотрубный конденсатор. На его холодных трубках первыми конденсируются оставшиеся после ректификатора пары воды. Наличие в схемах современных АХМ РК и Де позволяет практически полностью избавиться от примесей водяного пара в потоке пара, следующего в конденсатор.

Включение в схему АХМ регенеративного теплообменника ТР позволяет использовать теплоту слабого водоаммиачного раствора для подогрева крепкого, поступающего в генератор. Очевидно, что при этом имеет место экономия подводимой энергии, что приводит, согласно (8.8), к увеличению теплового коэффициента цикла АХМ.

Рис. 8.8.  Абсорбционная безнасосная холодильная машина непрерывного действия с инертным газом: 1 – генератор; 2 – дефлегматор; 3 – конденсатор; 4 – испаритель; 5 – газовый теплообменник; 6 – абсорбер; 7 – теплообменник растворов; 8 – термосифон

Преимуществами АХМ является высокая экономичность, надежность, простота конструктивных элементов, экологическая безопасность рабочих агентов, а недостатками – громоздкость и повышенная металлоемкость. Определённым недостатком считается и наличие в схеме насоса Н, использующего для своего привода электроэнергию.

Однако от последнего недостатка удалось избавиться, применив в схемах АХМ описанные в схемах ПЭХМ способы подачи жидкости в генератор без использования электроэнергии.

Кроме того, в торговой холодильной технике и бытовых холодильниках широко применяются безнасосные абсорбционные холодильные машины малой холодопроизводительности. Основной особенностью этих машин является отсутствие насоса для подачи раствора из абсорбера в генератор. Это делает машины более надежными в эксплуатации и долговечными.

Конструкция непрерывно действующей безнасосной водоаммиачной холодильной машины представлена на рис. 8.8. Агрегат, кроме водоаммиачного раствора, заполняется и инертным газом, в качестве которого традиционно используют водород. Процесс кипения жидкого аммиака в испарителе машины сопровождается диффузией пара в водород, находящийся в нем. Суммарное давление компонентов парогазовой водородоаммиачной смеси в испарителе равно давлению в конденсаторе (пара аммиака). Холодная водородоаммиачная смесь с высоким содержанием аммиака, как более тяжелая, из испарителя поступает в газовый теплообменник, а затем в абсорбер. В него же из генератора поступает слабый раствор, охлажденный в теплообменнике растворов. В абсорбере, охлаждаемом воздухом, слабый раствор, стекая по полочкам, поглощает аммиачный пар из водородоаммиачной смеси. Водород, освободившись от аммиака, как более легкий, возвращается через газовый теплообменник в испаритель. Крепкий раствор, образующийся в абсорбере, пройдя через теплообменник растворов, поступает в генератор. Вследствие того, что во всех аппаратах машины давление одинаково, для поступления раствора из абсорбера в генератор требуется лишь преодоление сопротивлений в теплообменнике растворов и соединительных трубопроводах. Для этого перед входом в генератор трубка, по которой проходит крепкий раствор, наматывается на электрическую грелку либо обогревается газовой горелкой. За счет местного нагревания трубки греющим источником создается термосифон, в котором при мгновенном вскипании жидкости возникает разность плотностей холодного крепкого раствора и образующейся парожидкостной эмульсии. Водоаммиачный пар из генератора, обогреваемого электричеством или газом, проходит через ректификатор, а затем поступает в конденсатор с воздушным охлаждением. Конденсат направляется в испаритель, заполненный водородом.

АХМ непрерывного действия не имеют в конструкции движущих элементов, поэтому бесшумны в работе, надежны в эксплуатации и имеют длительный ресурс эксплуатации.

Кроме водоаммиачных АХМ в настоящее время нашли широкое применение бромистолитиевые безнасосные АХМ непрерывного действия. Применяют их преимущественно для систем кондиционирования воздуха.

В совершенствование и внедрение в производство теплоиспользующих холодильных машин существенный вклад внесли учёные ОДАХ (В.З. Жадан, Г.Ф. Смирнов, В.А. Петренко и др.) и ОНАПТ (В.Ф. Чайковский и О.Г. Бурдо). При кафедре ТХТ ОНАПТ с 1990 года существует лаборатория малых абсорбционных холодильных машин, научный руководитель которой доцент А.С. Титлов разработал и внедрил в серийное производство Васильковского завода холодильников (Киевская область) целый ряд промышленных изделий на основе безнасосных АХМ. По этой тематике коллективом ученых этой лаборатории опубликовано более 400 научных работ, получено свыше 50 патентов и авторских свидетельств СССР, Украины, России, защищены три кандидатские диссертации, а А.С. Титловым подготовлена к защите докторская диссертация.