А бсорбционная холодильная установка

 

Для утилизации теплоты высокотемпературных энергоресурсов (ВЭР) при получении холода используют абсорбционные холодильные установки с термомеханическим компрессором. повышение давления рабочего агента в этих установках основано на использовании экзотермических процессов смешения в эндотермических процессах разделения веществ. В двух аппаратах – абсорбере и генераторе, – смешивая пары рабочего агента и поглотителя, а затем, разделяя их, получают пары рабочего агента с повышенной энтальпией и концентрацией. Схема установки приведена на рисунке 2.4.

Абсорбер (I) обеспечивает всасывание пара рабочего агента (например, аммиака) из испарителя (VIII) при давлении р­_о­ за счет поглощения абсорбентом – слабым водоаммиачным раствором, поступающим из генератора (II). Процесс абсорбции происходит при температуре Т_с и сопровождается выделением теплоты q_абс, которая должна быть отведена охлаждающей водой. Образующийся раствор (III) через теплообменник (IV) и дроссель (V) возвращается в абсорбер (I).

Пары аммиака, поступающие в конденсатор (VI), конденсируются за счет отвода теплоты охлаждающей водой. Дроссель рабочего агента (VII) способствует снижению давления от р_к до р_о и, следовательно, снижению температуры рабочего агента до Т_о, после чего он поступает в испаритель (VIII), в котором для испарения рабочего агента отбирается теплота от хладносителя.

устройства: I – абсорбер; II – генератор; III – насос крепкого раствора;

IV – теплообменник; V – дроссель слабого раствора; VI – конденсатор;

VII – дроссель хладагента; VIII – испаритель хладагента;

Процессы: 2-3 – конденсация; 3-4 – дросселирование; 4-1 – испарение;

7-8 – образование крепкого раствора; 8-9 – повышение давления;

9-10 – нагрев крепкого раствора; 10-5 – образование слабого раствора;

5-6 – охлаждение слабого раствора; 6-7 –дросселирование

Рисунок 2.4 – Принципиальная схема абсорбционной

холодильной установки

 

Энергетический баланс абсорбционной холодильной установки имеет вид

q_к + q_абс = q_г + q_о + ℓ _н,                        (2.2)

где q_к – удельная теплота конденсации аммиака;

q_абс – удельная теплота абсорбции паров аммиака в абсорбере;

q_г – удельная теплота подведенная в генераторе;

q_о – удельная холодильная мощность или теплота подведенная в испаритель охлаждаемого объекта;

ℓ _н – удельная работа насоса, затрачиваемая на перекачку раствора.

В сопоставлении с потоками удельной теплоты q_г и q_о работа насоса невелика, и при составлении баланса её значением можно пренебречь.

Из баланса потоков теплоты можно найти выражение для определения коэффициента , характеризующего эффективность абсорбционной – холодильной машины (АХМ) и называемого тепловым коэффициентом:

.                                        (2.3)

Поскольку в конденсаторе и абсорбере теплота отводится на температурном уровне Т_с и суммарное изменение энтропии в цикле АХМ равно нулю, получаем

.                              (2.4)

Учитывая уравнение баланса (2.2), получим выражение

.                              (2.5)

уравнение (2.5) показывает, что тепловой коэффициент идеального цикла АХМ увеличивается с повышение температуры Т_г и Т_о и уменьшается с повышение температуры охлаждающей воды Т_с.

водоаммиачные холодильные установки используются в промышленности для охлаждения объектов при температурах плюс 10 ºС…минус 30ºС. в системах кондиционирования (t_о = 4…10 ºС) используются бромисто-литиевые холодильные установки, в которых рабочим агентом является вода, а поглотителем бромистый литий. Эта установка может работать как для производства холода, так и для выработки теплоты при температуре 90…110 ºС.

 

Воздушная компрессорная холодильная машина

 

В настоящее время наиболее распространены компрессорные холодильные машины.

По роду используемого рабочего тела они делятся на два основных типа воздушные и паровые.

На рисунке 2.5 показаны четыре основных элемента установки воздушной холодильной машины.

 

 

Рисунок 2.5 – Схема устройства воздушной компрессорной

холодильной машины

 

Воздух из теплообменника, расположенного в охлаждаемом помещении D, засасывается компрессором А и подвергается адиабатному сжатию, в результате чего температура воздуха возрастает. Сжатый воздух выталкивается в воздухоохладитель В и охлаждается водой, после чего поступает в расширительный цилиндр (детандер) С, где расширяется до начального давления, производя при этом полезную работу. При расширении температура воздуха значительно падает, достигая, например, минус 60…минус 70 ºС (или ниже в зависимости от режима работы установки). Холодный воздух поступает в теплообменник D охлаждаемого помещения, нагревается, отнимает теплоту q₂ от охлаждаемых тел. Далее цикл повторяется.

Теоретический цикл воздушной холодильной машины представлен на диаграмме p-v (рисунок 2.6 а). Теоретическим этот цикл называется потому, что процессы сжатия и расширения в нем принимаются адиабатными обратимыми без учета необходимых потерь на теплообмен с окружающей средой и трением, имеющим место в реальных компрессорах и детандерах. Процессы нагрева и охлаждения рабочего тела так же считаются обратимыми. Постоянство давлений в процессах теплообмена, соответствующего линиям 2-3 и 4-1, обеспечивается балансом количества рабочего тела, входящего в теплообменник и выходящего из него, и постоянством режимов работы компрессора и детандера.

 

а – рабочая диаграмма; б – тепловая диаграмма:

6-4 – всасывание компрессором воздуха из охлаждаемого помещения;

4-1 – изобарное нагревание воздуха при отводе теплоты q₂ от

охлаждаемого тела (помещения); 1-2 – адиабатное сжатие воздуха от

начального давления р₁ до конечного давления р₂; 2-3 – изобарное

охлаждение сжатого воздуха в холодильнике; 3-4 – адиабатное

расширение воздуха в детандере; 3-5 – выталкивание сжатого воздуха в воздухоохладитель

Рисунок 2.6 – Цикл воздушной компрессорной холодильной машины

Площадь 5-2-1-6-5 соответствует работе компрессора ℓ _к, а площадь 5-3-4-6-5 – работе расширительного цилиндра ℓ _р, причем индикаторные линии 6-4; 5-3 соответствуют лишь перемещению поршня при всасывании воздуха в расширительный цилиндр и выталкиванию воздуха из него; отображаемые ими процессы не являются термодинамическими.

Таким образом, получаем обратимый обратный цикл 1-2-3-4-1, состоящий из двух адиабат и двух изобар.

Работа, затрачиваемая в воздушной холодильной машине, равна разности работ сжатия в компрессоре и расширения в детандере: . За счет этой работы совершается обратный цикл с холодильным агентом – воздухом, в результате которого теплота переносится от тела более холодного (охлаждаемого помещения) к телу более нагретому (воде в воздухоохладителе).

На рисунке 2.6 б, рассматриваемый цикл 1-2-3-4-1 изображен в диаграмме T-s.

Количество теплоты q₂, отводимое 1 кг агента от охлаждаемого помещения (удельная хладпроизводительность установки), соответствуют площади 5-2-3-6-5; количество теплоты q₁, отдаваемое 1 кг агента источнику большей температуры (воде), соответствует площади 6-4-1-5-6; количество затраченной работы – площади цикла 1-2-3-4-1.

Холодильный коэффициент этого цикла ε_х можно подсчитать, если учесть, что при постоянной теплоемкости воздуха

, ; :

.       (2.6)

Так как процессы сжатия 1-2 и расширения 3-4 происходят по адиабатам между одними и теми же давлениями р₁ и р₂, то , поэтому можно записать  тогда удельная работа цикл

В формуле (2.6) теоретического холодильного коэффициента разделим числитель и знаменатель первой части на разность     (Т₁ – Т₂).

Получим , отсюда,  следовательно,

.                           (2.7)

Рассмотренный цикл малоэффективен при постоянных температурах охлаждаемого помещения и среды (воды в воздухоохладителе).

В этих условиях изобарные процессы теплообмена можно полагать обратимыми лишь условно, поскольку они происходят при конечной разности температур между источником теплоты и рабочим теплом.

Реальная необратимость цикла связана с дополнительным расходом работы на обеспечение нужной холодопроизводительности установки, величину этого дополнительного расхода можно определить, сравнивая данный цикл с циклом Карно, осуществляемым в том же интервале температур источников.

В цикле 1-2-3-4-1 (см. рисунок 2.6 б) постоянная температура

охлаждающей воды не должна превышать величину Т₃, постоянная температура охлаждающего помещения не может быть ниже Т₁, иначе теплообмен между рабочим телом и источником был бы неосуществим. Поэтому температуры Т₁ и Т₃, являясь предельными температурами источников теплоты, могут быть приняты в качестве предельных температур для обратимого цикла Карно 1-2^|-3-3^|-1.

Как видно из рисунка 2.6 б, холодопроизводительность обратного цикла Карно, осуществляемого с теми же источниками теплоты, что и цикл воздушной холодильной машины, численно равна пл. 6-3^|-1-5-6 и больше холодопроизводительности цикла воздушной холодильной машины на величину пл. 4-3^|-1-4.

Затраченная работа в цикле Карно, соответствующая площади 3-2^|-1-3^|-3, меньше работы цикла воздушной холодильной машины на сумму площадей 3-2-2^|-3 и 3^|-1-4-3^|.

Холодильный коэффициент обратного цикла Карно 1-2^|-3-3^|-1

.                             (2.8)

Так как Т₃ всегда меньше Т₂, то сравнивая формулы (2.7); (2.8) видим, что ε_х.к больше ε_х.

Рассмотренный цикл воздушной холодильной машины термодинамически целесообразен при наличии источников переменной температуры, когда температура охлаждаемого помещения (тела) снижается во время процесса теплообмена его рабочим телом, а температура воды в воздухоохладителе повышается в процессе отдачи теплоты рабочим телом. В этом случае необратимые потери при использовании цикла существенно снижаются.

Нужно иметь в виду, что для обеспечения более или менее значительной хладпроизводительности машины приходится прогонять через нее весьма большое количество воздуха. Поэтому применение поршневых машин в качестве компрессора и детандера становится нецелесообразным из-за больших размеров и высокой стоимости этих машин.

Это обстоятельство долгое время препятствовало широкому распространению воздушных холодильных машин. В настоящее время есть возможность делать вполне экономичные воздушные машины с использованием турбокомпрессоров и турбодетандеров. Они полезны при быстрой заморозке на значительные отрицательные температуры.