1 Парокомпрессионные холодильные машины

Парокомпрессионные холодильные машины имеют наибольшее применение для охлаждения в широком интервале температур: от 278 К (одноступенчатые холодильные машины) до 113 К (каскадные холодильные машины). Их холодопроизводительность охватывает диапазон от нескольких десятков ватт (домашние холодильники) до нескольких тысяч киловатт (холодильные машины с центробежными компрессорами). Основной особенностью парокомпрессионных холодильных машин является то, что рабочее вещество, совершая обратный цикл, меняет свое агрегатное состояние и может находиться в состоянии влажного, сухого насыщенного или перегретого пара, а также в жидком состоянии. В качестве холодильных агентов (рабочих веществ) применяются вещества с низкой нормальной температурой кипения. В основном на крупных установках применяется аммиак, на малых и средних установках различные хладоны (фреоны). Основными элементами холодильной машины являются: компрессор, конденсатор, испаритель и устройство, в котором происходит расширение рабочего вещества.

2 Теплоиспользующие холодильные машины

Теплоиспользующие холодильные машины нашли широкое применение в различных отраслях промышленности. К ним относятся пароэжекторные (ПЭХМ), абсорбционные (АХМ) и сорбционные холодильные машины. Отличительной особенностью перечисленных типов машин от парокомпрессорных и газовых холодильных машин является принцип получения в них холода за счет использования теплоты греющих источников. Для привода насосов в ПЭХМ и АХМ необходимо небольшое количество электроэнергии, которое практически не учитывают в их тепловых балансах. В ПЭХМ и АХМ искусственный холод вырабатывается с помощью системы совмещенных прямого и обратного циклов.

В ПЭХМ совмещены пароэнергетическая установка с двигателем-эжектором и холодильная машина со струйным компрессором-эжектором. Пароэнергетическая установка включает в себя парогенератор, эжектор, конденсатор и насос. В состав холодильной машины входят эжектор, конденсатор, дроссельный (регулирующий) вентиль и испаритель.

В теоретической схеме АХМ функцию пароэнергетической установки выполняют генератор, расширительная машина (турбина), абсорбер, насос и растворный детандер. Функцию холодильной машины выполняют испаритель, компрессор, конденсатор и детандер. В действительной схеме АХМ расширительная машина в прямом цикле и компрессор в обратном взаимно исключают друг друга, а детандеры заменяются на дроссельные вентили. В результате получается единый контур теплоиспользующей машины - АХМ с совмещенными прямым и обратным циклами.

Лекция 4 «абсорбционные холодильные машины»

1 Абсорбция

Одним из основных процессов АХМ является абсорбция, которая в общем виде представляет собой поглощение газа (пара) жидким поглотителем (абсорбентом). В абсорбционных процессах участвуют две фазы - жидкая и газовая, и происходит переход вещества из газовой фазы в жидкую. При протекании абсорбционных процессов поверх­ность соприкосновения фаз должна быть как можно большей, что реализуется в конструкциях абсорбционных аппаратов.

Движущей силой процесса переноса вещества является от­клонение системы от равновесия. Применительно к АХМ в паровой фазе ею является разность давлений пара хладагента в об­щем объеме и непосредственно у поверхности соприкосновения фаз, в жидкой фазе - разность концентраций хладагента у поверхности контакта фаз и в общем объеме абсорбента.

Вследствие разности давлений молекулы пара подлетают к поверхности соприкосновения фаз и захватываются (притягива­ются) абсорбентом. Это происходит в результате того, что в растворе между молекулами абсорбента и хладагента всегда имеет место физическое взаимодействие, выражающееся во взаимном притяжении молекул. На поверхности абсорбента пар хладаген­та превращается в жидкость с выделением теплоты фазового перехода. И далее жидкий хладагент в результате наличия градиента концентраций растворяется в абсорбенте с выделением теплоты растворения. Таким образом, теплота абсорбции на 1 кг хладагента в основном включает в себя удельную теплоту конденсации хладагента и дифференциальную теплоту растворения хладагента в абсорбенте.

При абсорбции чистых компонентов, что имеет место в АХМ, сопротивление переносу массы преимущественно определяется сопротивлением жидкой фазы, зависящим, как правило, от молекулярной и конвективной диффузий хладагента в абсорбенте.

Эффективность применения теплоиспользующих холодильных машин в значительной степени зависит от стоимости теплоты греющих источников, требуемых температурных потенциалов и практически всегда является высокой при использовании вторичных энергетических ресурсов (ВЭР), а также при одновременной выработке холода и теплоты.

Схема и принцип работы ХМ

На рис. 1 представлена схема абсорбционной холодильной машины, которая может работать на бинарных смесях как первого, так и второго типа.

Раствор с большим содержанием легкокипящего компонента, образующийся в абсорбере, поступает в насос при давлении кипения, где его давление повышается до давления конденсации. За счет работы насоса к раствору подводится тепло q_и. Концентрация раствора при этом не изменяется. Из-за несжимаемости жидкости энтальпия раствора до и после насоса остается постоянной.

В рекуперативном теплообменнике раствор подогревается и с измененной концентрацией подается в генератор. В генераторе при подводе тепла q_h от греющего источника раствор кипит, его концентрация по легкокипящему компоненту уменьшается.

В абсорбционной машине, работающей на бинарных смесях первого типа, образующийся пар подвергается очистке в процессе ректификации, происходящей в специально предусмотренной для этого части генератора.

Пар из генератора направляется в конденсатор, где сжимается при давлении Р_к и отводе тепла конденсации q_к. Затем жидкость дросселируется в регулирующем вентиле РВ-1. При этом давление снижается от Р_к до Р₀. Процесс дросселирования происходит при постоянной энтальпии и концентрации. Холодильный агент переходит из состояния переохлажденной жидкости в состояние влажного пара и поступает далее в испаритель, где кипит при подводе тепла q_а. Концентрация по легкокипящему компоненту повышается, и на этом цикл замыкается.

Таким образом, можно считать, что абсорбер является всасывающей стороной компрессора, а генератор – нагнетательной.

Уравнение теплового баланса одноступенчатой абсорбционной холодильной машины:

q_h + q₀ + q_и = q_к + q_a + (q_R),

где q_R – тепло, отводимое от пара при очистке его в дефлегматоре при работе абсорбционной холодильной машины на бинарной смеси холодильного типа.

Эффективность работы абсорбционной холодильной машины оценивается тепловым коэффициентом

ξ = q₀/q_h

Два вида холодильных машин:

1. Водоаммиачные (Н20+NH3)

2. Бромисто-литиевая абсорбционная машина (LiBr+Н₂О)

Абсорбционные бромисто-литиевые холодильные машины (АБХМ) применяется при температурах кипения t_о > 0 ^оС. Охлаждение до 2-4 ^оС происходит за счет кипения воды при давлении 5-6 мм рт ст. АБХМ могут работать на бросовом тепле, что делает применение их в данном режиме крайне экономичным. ПВ отличие от водоаммиачных более компактны и имеют меньшую массу, но рабочие процессы в них подобны. Из-за коррозионной активности LiBr кипятильник и абсорбер изготавливают из медно-никелевого сплава или коррозионно-стойкой стали, а кожухи аппаратов изнутри покрывают слоем никеля и несмотря на это в системе должны быть ингибиторы. Ингибиторами являются хромат, арсенат, молибдат лития.

Для объяснения сущность физико-химического процесса получения холода в АБХМ воспользуемся рисунком 1.

Рисунок 1. Простейшая схема АБХМ

(P2 = Р1, T2 > T1)

Основными элементами в АБХМ являются испаритель () и абсорбер (). В испарителе, содержащем разбавленный раствор LiBr, создается вакуум, достаточный для кипения раствора при температуре Т1. Пары воды поглощаются в абсорбере концентрированным раствором LiBr, что приводит к его нагреву до Т2 и разбавлению раствора. Для восстановления концентрированного раствора он пропускается через теплообменник для нагрева , под действием внешнего источника энергии (горячая вода, пар, выхлопные газы, теплота сгораемого топлива и др.), далее попадает в генератор, где излищки воды испаряются. Концентрированный раствор снова попадает в абсорбер и цикл повторяется.

Преимущества АБХМ: отсутствие компрессора, что делает его бесшумным и исключает вибрацию, экономичность, высокая надежность, долговечность и экологическая чистота.

Адсорбция – это поглощение на поверхности.

Абсорбция – это поглощение всем объемом абсорбента.

1. Свойства водоаммиачных растворов.

Т2>T1

Н2О выполняет функцию растворителя.

NH3 – растворенного вещества.

Теплофизические характеристики аммиака:

- Мольная масса М(NH3)=17г/моль

-Критическая температура Т=405К

-Критическое давление Р= 11МПа

При критических Т и Р свойства жидкости и газа совпадают.

-Температура кипения Т=240К

-Температура 3-й точки Т=195К

В 3-й точке одновременно существуют три фазы: твердая, жидкая и газообразная.

-Давление в 3-й точке Р=6000 Па

-Удельная теплота парообразования 1372 КДж/кг. Свойства растворов бромистого лития.

Следует обратить внимание на то, что литий по положению в электрохимическом ряду самый активный металл (φ⁰ = –3,045 В), хотя по положению в периодической таблице он, в сравнении с остальными щелочными металлами, является самым слабым восстановителем. Это является следствием того, что положение металла в электрохимическом ряду определяется суммой трех величин:

1) энергии разрушения кристаллической решетки;

2) энергии ионизации металла;

3) энергии гидратации образовавшегося иона.

Энергии разрушения кристаллической решетки для данных металлов примерно одинаковы. Энергия ионизации атома лития в подгруппе самая высокая (Е = 5,39 эВ), но энергия гидратации иона лития, благодаря малому радиусу, аномально высокая. По сумме данных трех величин литий в водном растворе электрохимически самый активный металл.

Литий бром обладает очень высокой энергией гидратации, т.е эта энергия которая выделяется при взаимодействии.

-Q + LiBr + xH2O à LiBr * nH2O+Br * (x-n)*H2O +Q

В этом соединении самой высокой энергией гидратации обладает ион лития (Li+)

Энергия гидратации складывается из трех величин:

1. Разрушение кристаллической решетки LiBr ( -Q)

2. Диффузия ионов лития по всему объему раствора (-Q)

3. Гидратация (+Q)

Преимущество литийбромидных машин в том, что они могут использовать вторичные источники. А основная проблема – коррозия.