7.2. Схема и принцип действия идеальной абсорбционной холодильной установки

Схема такой установки приведена на рис. 7.1.

Рис. 7.1. Схема идеальной абсорбционной холодильной машины:

1 – абсорбер; 2 – генератор; 3 – конденсатор; 4 – испаритель; 5, 6 – гидромоторы (детандеры); 7 – насос; 8 – охладитель абсорбента.

В испарителе 4 к рабочему агенту подводится теплота q_н низкого потенциала. Под воздействием этой теплоты хладагент кипит при Т_н и Р_н (низшие значения температуры и давления цикла). Пары ХА попадают в абсорбер и смешиваются с абсорбентом, который поступает из охладителя 8 через детандер 6.

При поглощении ХА абсорбентом выделяется теплота абсорбции q_а, которую отводят при температуре Т_с (Т_сТ_н) охлаждающей средой. Полученный в абсорбере крепкий раствор, находящийся под давлением Р_н, перекачивают насосом 7 через охладитель абсорбента 8 в генератор (кипятильник) 2, находящийся под более высоким давлением Р_в. В теплообменнике 8 крепкий раствор подогревается.

В генераторе из раствора выпаривается ХА за счет подведенной извне теплоты q_в. с температурой Т_в (Т_вТ_с). Если температуры кипения ХА и абсорбента существенно отличаются (на 200-300 C), то пар состоит из практически чистого хладагента. Пар ХА направляется в конденсатор 3, где он конденсируется. Теплота конденсации q_с отводится в окружающую среду водой или воздухом при температуре Т_с.

Горячий абсорбент (слабый раствор) проходит теплообменник 8, где он охлаждается, и поступает в абсорбер.

В идеальном случае работа насоса 7 равна сумме работ детандеров 5 и 6, т.к. равны перепады давлений и производительность насоса равна сумме расходов через детандеры.

Характерными источниками необратимых потерь в абсорбционной машине являются следующие:

- невозможность произвольного повышения температуры кипения раствора в генераторе вследствие равенства давлений в нем и в конденсаторе;

- неполнота процесса поглощения пара в абсорбере вследствие конечного времени контакта пара и раствора и конечной поверхности теплообмена;

- необходимость ректификации пара для повышения его концентрации перед подачей его в конденсатор.

Последнее замечание относится к машинам, работающим на бинарных растворах, в которых невелика разность между нормальными температурами кипения хладагента и абсорбента (например, на водоаммиачном растворе).

7.3. Схема и рабочий процесс реальной одноступенчатой водоаммиачной абсорбционной холодильной установки

Для выполнения теплового расчета машины необходимо прежде всего определить параметры состояния веществ в узловых точках схемы (циклов). Для этого применяют различные термодинамические диаграммы и таблицы равновесных состояний для паровой и жидкой фаз раствора. Термодинамические диаграммы значительно упрощают и делают более точным анализ рабочих процессов холодильных машин.

Тепловые расчеты процессов абсорбционных ХМ наиболее наглядно и просто выполнять с помощью , i-диаграмм, а их термодинамический анализ с помощью энтропийных диаграмм.

С хема одного из вариантов водоаммиачной установки и термодинамическая диаграмма ее работы приведена на рис. 7.2.

Рис.7.2. Принципиальная схема одноступенчатой водоаммиачной абсорбционной ХМ и ее рабочие процессы в i, -диаграмме:

I – абсорбер; II – насос; III – дроссельный вентиль; IV – охладитель слабого раствора; V – генератор; VI – ректификационная колонна; VII - дефлегматор; VIII – конденсатор; IX – линейный ресивер; X – охладитель жидкого аммиака; XI – дроссельный вентиль; XII – испаритель;

На диаграмме:   массовая концентрация легкокипящего компонента (ХА), отнесенная к массе раствора; i – удельная энтальпия раствора и смеси паров; P_к – давление в генераторе и конденсаторе; P₀ – давление в испарителе и абсорбере.

Верхние кривые – состояние сухого насыщенного пара над кипящей жидкостью при давлениях P_к и P₀. Над ними перегретый пар (П).

Нижние кривые – состояние кипящей жидкости (Ж) при тех же давлениях. Под ними область жидкости. В промежутке – область влажного пара (П+Ж) при тех же давлениях P_к и P₀.

Равновесие между паром и кипящей жидкостью при заданном давлении определяется изотермой (11-1). Концентрация легкокипящего компонента в паре всегда выше, чем концентрация его в жидкости, т.е. при равновесии всегда _п  _ж.

В отличие от идеальной установки здесь полного разделения абсорбента и рабочего агента не происходит. Поэтому процессы ограничены линиями концентраций _с – слабая концентрация (слабый раствор) и _к – крепкий раствор

Работа схемы

К колонне VI подводится крепкий раствор с концентрацией _к и давлением Р_к. На входе в колонну он приобретает параметры кипения, т.е. соответствует параметрам точки 11 на диаграмме.

В колонне происходит повышение концентрации паров NH₃, которые поступают из генератора. На выходе из колонны они достигают равновесного состояния с кипящей жидкостью, т.е. это параметры в точке 1. В то же время из жидкости происходит выпаривание легкокипящего компонента и происходит снижение его концентрации в растворе до _с. Таким образом в колонне и генераторе одновременно протекают процессы 11-1 и 11-12 (10-11 – нагрев до кипения).

Пар из колонны поступает в дефлегматор VII, где концентрация пара доводится до максимальной (она тем выше, чем больше разница температур кипения компонентов, но она всегда меньше 1,0 хоть на доли процента, иначе в дефлегматоре пришлось бы сконденсировать весь пар). Это процесс дефлегмации 1-2 ¹.

Из дефлегматора пар поступает в конденсатор VIII, где отводится теплота q_к, конденсат стекает в линейный ресивер IX – это процесс 2-3. Ресивер необходим для регулирования работы при переменных режимах.

Затем жидкий аммиак поступает в охладитель X, где он охлаждается паром до температуры t₄ при давлении Р_к. Это процесс 3-4.

Далее рабочий агент дросселируется от Р_к до Р₀ в дросселе XI, процесс 4-5. Так как процесс протекает при i=const, то положение точек 4 и 5 на диаграмме совпадают, хотя состояния ХА разные. В т. 4 – жидкость, а в т. 5 – смесь жидкости с паром. Количество образовавшегося при дросселировании пара можно определить по правилу рычага:

(7.1)

После дросселя рабочий агент поступает в испаритель XII, где за счет теплоты теплоотдатчика q₀ превращается в сухой насыщенный пар. Это процесс 5-6. Пар перегревается в теплообменнике X до температуры t₇, процесс перегрева 6-7.

Перегретый пар аммиака подается в абсорбер I где смешивается со слабым раствором поступающим из генератора с концентрацией _с (параметры т. 14). Параметры смеси получаем на пересечении линии 7-14 и линии концентрации _к=const – это точка 15 (влажный пар). Нагретый экзотермической реакцией крепкий раствор охлаждается (процесс 15-8) и скапливается на дне абсорбера с параметрами т.8.

Насосом II крепкий раствор прокачивается через теплообменник IV и подается в ректификационную колонну. Нагрев раствора в насосе, теплообменнике и колонне – это процессы 8-9-10-11.

Горячий слабый раствор с параметрами т. 12 поступает из генератора через теплообменник IV и дроссель III в абсорбер. При этом он охлаждается (процесс 12-13) и дросселируется (13-14). Насыщение слабого раствора в абсорбере – процесс 14-15.

Использование теплообменника для охлаждения слабого раствора увеличивает тепловую экономичность установки. Важно только следить, чтобы соблюдалось условие t₁₀  t₁₁ (т.е i₁₀i₁₁), иначе будет снижаться концентрация пара, поступающего в дефлегматор. Это увеличит отвод теплоты в нем и увеличит расход теплоты в генераторе.

В отличие от идеальной установки здесь:

1) не происходит полного отделения рабочего агента от абсорбента, что влечет увеличение расхода теплоты на установку;

2) процессы отвода и подвода теплоты протекают не изотермически, т.е. с большими потерями;

3) детандеры заменены дроссельными вентилями, что упрощает установку, но увеличивает потери;

4) процессы теплообмена необратимы, поэтому КПД реальной установки всегда ниже идеальной.

Производство абсорбционных водоаммиачных холодильных машин пока не серийное. Их выпускают для типовых технологических линий химических и нефтехимических производств. Это из-за разнообразия греющих источников, их параметров, параметров испарения.

Принят параметрический ряд аммиачных ХМ с холодопроизводительностями от 600 до 10000 кВт. Расчетные температуры кипения в испарителе от –5 до -45 C.

В качестве греющего теплоносителя могут использоваться:

-водяной пар с давлением 0,12-1,1 МПа;

-горячая вода с температурой 115-180 C;

-парогазовые смеси с температурой до 500 C.

Охлаждаются конденсаторы водой или воздухом.

Пример обозначения абсорбционной водоаммиачной холодильной машины  АВХМ-2500/25-Iк, где:

2500 – холодопроизводительность в тыс.ккал/час (2900 кВт);

25 – расчетная температура испарения –25 C;

I – греющая среда пар (горячая вода – II, парогазовая смесь – III);

к – конденсация водой (воздухом – в).