Чем является компонент бинарного раствора имеющий высокую температуру кипения в абсорбционной машине

Цикл абсорбционной холодильной установки

Рабочим веществом в абсорбционной машине является бинарный раствор, т.е. смесь, состоящая из двух полностью растворимых друг в друге веществ, причем эти вещества имеют резко различные температуры кипения.

Вещество с меньшей температурой кипения является холодильным агентом, а с более высокой температурой кипения – абсорбентом.

Основные элементы абсорбционной холодильной установки – парогенератор 1 с конденсатором 2 и абсорбер 5 – предназначены для непрерывного воспроизводства жидкости высокой концентрации, поступающей затем в испаритель 4 на парообразование, и жидкости низкой концентрации, служащей для абсорбции (поглощения) концентрированного пара.

Для испарения жидкости к парогенератору 1 подводится тепло q₀ при температуре t₁, которая должна быть не ниже температуры кипения при данном давлении.

Пар поступает в конденсатор 2, где конденсируется, отдавая тепло конденсации q / ₁ охлаждающей воде, имеющей температуру окружающей среды. Образовавшаяся жидкость высокой концентрации дросселируется в регулирующем вентиле 3 от давления p₁ до давления р₂. При дросселировании температура жидкости понижается до температуры более низкой, чем в охлаждаемом помещении.

После этого жидкость поступает в находящийся в охлаждаемом помещении испаритель 4. Вследствие того, что температура жидкости меньше температуры охлаждаемого помещения, жидкость испаряется, поглощая тепло q₂. Образующийся при этом пар, имеющий температуру t₂ и давление р₂, поступает из испарителя в абсорбер 5, где абсорбируется при температуре t₀ > t₂, отдавая тепло абсорбции q // ₁ охлаждающей воде.

При кипении жидкости в генераторе концентрация холодильного агента в жидкости понижается, а в абсорбере вследствие поглощения концентрированного пара, наоборот, повышается. Для поддержания концентраций в обоих аппаратах неизменными, между ними осуществляется циркуляция либо при помощи насоса 6, либо естественным путем за счет разности плотностей растворов разной концентрации. По пути из генератора в абсорбер жидкость дросселируется регулирующим вентилем 7.

С термодинамической точки зрения идеальная абсорбционная холодильная установка может рассматриваться как совокупность трех тепловых резервуаров.

В первой резервуар (генератор) поступает тепло q₀ (пл. 1-2-3-4-1) при наивысшей температуре Т₁;

во второй резервуар (испаритель) вводится тепло q₂. (пл. 4-5-6-7-4) при наинизшей температуре Т₂;

из третьего резервуара (конденсатора и абсорбера) отводится тепло q₁ = q₁+q // ₁ (пл. 1-8-9-7-1) при температуре охлаждающей воды Т₀, равное сумме подведенных теплот, т.е.

,

где q / ₁ – тепло, отведенное в конденсаторе; q // ₁ – тепло, отведенное в абсорбере.

Источник

Абсорбционные холодильные машины

В абсорбционных холодильных машинах применяется бинар­ная смесь, компоненты которой имеют резко различные темпе­ратуры кипения при одинаковом давлении. Холодильный агент должен иметь низкую темпера­туру кипения, абсорбент (погло­титель) – более высокую.

В холодильной технике обыч­но используются водоаммиачные и бромистолитиевые растворы.

Водоаммиачная аб­сорбционная машина работает на растворе, в котором аммиак является холодильным агентом, а вода – абсорбентом. Принципиальная схема водоаммиачной холодильной машины приведена на рис. 5.6.

Рис. 5.6. Принципиальная схема водоаммиачной холодильной ма­шины.

1 – генератор; 2 – конденсатор; 3, 7 – дроссель; 4 – испаритель; 5 – абсорбер; 6 –насос

Пары аммиака, образую­щиеся в испарителе при давле­нии р₀ и температуре t₀,засасы­ваются в абсорбер, где поглощаются слабым водоаммиачным раствором. Теплота Q_a, выделяющаяся при поглощении паров аммиака, отводится охлаждающей водой. Процесс абсорбции происходит при постоянном давлении, несколько меньшем дав­ления в испарителе р₀.

Полученный в абсорбере крепкий раствор насосом перека­чивается в генератор (кипятильник). При этом насосом затра­чивается работа l_н. В генераторе водоаммиачный раствор выпаривается при давлении, несколько большем, чем давление в конденсаторе р_к. Теплота Q_г, затраченная на получение водоаммиачного пара, подводится от внешнего источника (пар, го­рячая вода, газы, электричество). Водоаммиачный пар с боль­шой концентрацией аммиака поступает в конденсатор и в нем конденсируется, отдавая теплоту Q_к охлаждающей воде. Из конденсатора жидкий аммиак через регулирующий вентиль (дроссель) 3,направляется в испаритель, где кипит, производя охлаждающий эффект Q₀.

После генератора водоаммиачный раствор слабой концен­трации (обедненный за счет испарения аммиака) дросселиру­ется в регулирующем вентиле и при пониженном давлении воз­вращается в абсорбер для поглощения паров аммиака из испа­рителя. Тепловой баланс абсорбционной холодильной машины:

(5.17)

где Q_к, Q_a – теплота, отведенная водой из конденсатора и аб­сорбера; Q₀– тепловая нагрузка испарителя; Q_г– теплота, подведенная в генераторе; l_н– работа насоса. Тепловой коэффициент

(5.18)

Бромистолитиевые абсорбционные машины в качестве холодильного агента используют воду, а абсорбен­том в них является водный раствор бромистого лития.

Рабочие процессы бромистолитиевых машин протекают так же, как и у водоаммиачных.

Принципиальная схема бромистолитиевой холодильной ма­шины приведена на рис. 5.7. Насыщенный водой раствор бро­мистого лития подается насосом 6 из абсорбера в генератор, где за счет подведенной внешней теплоты (пар, горячая вода, газы) происходит выпаривание раствора.

Образующийся чистый водяной пар, не требующий ректифи­кации, поступает в поверхностный конденсатор и там конден­сируется охлаждающей водой. Конденсат через гидрозатвор перетекает в испаритель. Сюда же поступает теплая вода от потребителя холода. Давление (упругость) водяных паров над раствором в абсорбере ниже, чем в испарителе, так как температура воды, поступающей в испаритель, выше темпе­ратуры раствора в абсорбере. Поэтому в ис­парителе происходит частичное испарение воды, вследствие чего основная масса ее охлаждается (обычно до температуры 3–5 °С).

Рис. 5.7. Принципиальная схема бромистолитиевой холодильной машины:

1 – генератор; 2 – поверхностный конденсатор: 3 – испаритель; 4 – абсорбер; 5 – тепло­обменник; 6, 7 – насосы для раствора; 8 – насос для охлажденной воды; 9 –вакуум-насос

Охлажденная вода из испарителя насосом 8 подается к по­требителю холода, а образующийся пар поступает в абсорбер и поглощается раствором бромистого лития.

Процесс абсорбции водяного пара происходит экзотерми­чески, т. е. сопровождается выделением тепла, которое отво­дится охлаждающей водой. Насыщенный водой (слабый) рас­твор бромистого лития подается насосом 6 по двум направле­ниям. Меньшая часть его, как было указано выше, направляется через теплообменник в генератор для выпаривания; другая часть смешивается с крепким раствором, идущим из генератора. Полученная смесь поступает в абсорбер через разбрызгиваю­щие устройства.

Аппараты бромистолитиевой машины работают под вакуу­мом. Попадающий в установку воздух отводится из абсорбера и конденсатора вакуум-насосом 9.

Бромистолитиевые холодильные машины имеют следующие отличительные особенности:

1) в бромистолитиевых машинах концентрация рассола в ге­нераторе возрастает, а в абсорбере понижается (в водоаммиачных машинах имеет место обратное явление);

2) так как в бромистолитиевых машинах холодильным аген­том является вода, то температура кипения в испарителе дол­жна быть выше 0 °С.

К недостаткам бромистолитиевых машин можно отнести:

1) агрессивность бромистого лития по отношению к черным металлам, вследствие которой приходится трубки в абсорбере и генераторе выполнять из нержавеющей стали или медноникелевого сплава, а на поверхность корпуса аппаратов наносить специальные покрытия;

2) работа установки под глубоким вакуумом, что усложняет ее эксплуатацию и требует расхода энергии на вакуум-насосы;

3) невозможность получения в установке холода сравни­тельно низкой температуры.

Однако бромистолитиевые машины имеют ряд положитель­ных качеств, благодаря чему они получили широкое распро­странение как в нашей стране, так и за рубежом. Основные преимущества бромистолитиевых машин:

а) бромистый литий не ядовит, не горюч и не взрывоопасен;

б) полученный в аппаратуре водяной пар свободен от при­меси бромистого лития, в установке не нужен ректификатор, что повышает ее экономичность (тепловой коэффициент);

в) меньшая масса и большая компактность, чем у водоаммиачных холодильных машин.

Бромистолитиевые машины применяются в основном для охлаждения воды и, в частности, для установок кондициониро­вания воздуха.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое трансформаторы теплоты и по каким признакам они могут быть классифицированы?

2. Чем отличается холодильная установка от теплонасосной установки?

3. Что называется рабочими агентами в трансформаторах теплоты и ка­кие требования предъявляют к ним?

4. Что такое холодильный коэффициент? Напишите его выражение.

5. Что такое коэффициент преобразования компрессионного теплового насоса и его связь с холодильным коэффициентом?

6. Какой вид имеет теоретический цикл воздушной холодильной машины в h, S-диаграмме?

7. Что такое холодопроизводительность холодильной машины и как ее определить?

8. Опишите схему и принцип работы пароструйной холодильной машины.

10. Как работает абсорбционная холодильная машина?

11. В чем заключаются преимущества и недостатки бромистолитиевой хо­лодильной машины?

6.ОРГАНИЗАЦИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ И МОНТАЖА

Источник

Абсорбционные холодильные машины. Трансформация тепла в холод

В прошлых статьях мы поднимали тему утилизации низкопотенциального тепла в промышленном секторе с помощью теплонасосных установок и абсорбционных тепловых машин (АБТМ) в режиме работы тепловых насосов в частности. Такие установки могут использоваться в режиме холодильной машины (АБХМ), обеспечивая охлаждение жидких сред до 5°С, независимо от температуры окружающей среды.

Сегодня предлагаем вам несколько подробнее ознакомиться с технологией и областями ее применения.

Из истории вопроса

Первые абсорбционные холодильные машины, разработанные в XIX веке, использовали в качестве абсорбента серную кислоту. Уже в XX веке сам Альберт Эйнштейн приложил руку к созданию одного из таких аппаратов. Но пионером в этой области все же стал французский инженер Фердинанд Филипп Карре (1824–1900). В 1850 году он со своим братом Эдмондом изобрёл абсорбционную холодильную машину, работавшую на смеси воды и концентрированной серной кислоты. Усовершенствованная модель этой машины была запатентована им во Франции в 1859 году, а через несколько лет он представил холодильную машину, работающую на аммиачном цикле.

В наше время в качестве абсорбента наибольшее распространение получил водный раствор бромида лития (LiBr), применяемый в абсорбционных бромистолитиевых холодильных машинах (АБХМ). Аммиак (NH3) как рабочая среда используется и по сей день в водоаммиачных холодильных машинах (АВХМ), но, поскольку аммиак — взрывопожароопасное сильнодействующее ядовитое вещество, его применение строго регламентируется соответствующими правилами безопасности (ПБ 09-595-03 и т.п.). При этом промышленный объект (участок или площадка), где используется АВХМ, с большой долей вероятности должен иметь статус химически опасного объекта, что сопряжено с дополнительными трудностями для эксплуатирующей организации (вплоть до получения соответствующей лицензии).

Абсорбционные холодильные машины используют двухкомпонентный раствор хладагента и абсорбента. Примечательно, что бромид лития и аммиак в соответствующих типах холодильных машин (ХМ) играют разные роли. Бромид лития играет роль абсорбента, а в цикле АБХМ нагревается и испаряется хладагент — вода. В цикле АВХМ вода используется уже в роли абсорбента, а хладагентом же выступает аммиак. Собственно, физика этих процессов и обуславливает возможность цикла с бромидом лития охлаждать рабочую среду до температуры не ниже 5°С., в то время как на водоаммиачных холодильных машинах можно получить более глубокий порог охлаждения.

Не следует путать абсорбцию и адсорбцию. Мы рассматриваем именно абсорбционные холодильные машины, хотя отдельные производители предлагают и адсорбционные установки (в них в качестве хладагента используется вода, а в качестве адсорбента — твердый гигроскопичный силикагель).

Принцип действия АБХМ

Абсорбционная холодильная машина — пароконденсационная холодильная установка. Для простоты и однозначности толкования всех терминов рассматриваем одноступенчатую АБХМ (абсорбционную бромистолитиевую холодильную машину). Принцип действия АБХМ основан на способности хладагента (воды) испаряться за счет его поглощения (абсорбции) абсорбентом (бромидом лития). Процесс испарения — эндотермическая реакция — происходит в условиях вакуума с поглощением теплоты, подведенной к Испарителю с охлаждаемой водой (см. рис.1). Концентрированный раствор абсорбента, подающийся в Абсорбер, поглощает пары воды, превращаясь в слабый (разбавленный) раствор. При последующем его нагреве (от внешнего источника тепловой энергии — греющей среды) в Генераторе пары воды выделяются из абсорбента, поступая в Конденсатор, где конденсируются, превращаясь в воду, которая, расширяясь, поступает в Испаритель, тем самым замыкая цикл. Изменение концентрации хладагента в Абсорбере и Генераторе сопровождается изменением температуры насыщения. Для снижения потерь энергии при циркуляции абсорбента между Абсорбером и Генератором устанавливается рекуперативный теплообменник. Для обеспечения работы АБХМ необходимо присутствие еще одного контура — контура охлаждающей воды, предназначенного для отведения от АБХМ низкопотенциальной, «отработанной» тепловой энергии.

Все процессы в АБХМ протекают под вакуумом, что исключает попадание рабочего вещества и абсорбента во внешние теплоносители.

Классификация АБХМ

В описанной выше схеме охлаждаемая вода — это именно та среда, которую требуется охладить, а греющая среда — это внешний источник тепловой энергии, в качестве которого может использоваться пар (как низкопотенциальный, так и высокопотенциальный), вода различных параметров, горячие дымовые газы котлов, печей или выхлопные газы генераторных установок, а также непосредственно теплота сгорания топлива в самом контуре АБХМ (АБХМ прямого нагрева).

Такая вариативность возможных источников тепла как раз и определяет главную линию классификации, которой придерживаются все современные производители АБХМ:

Таким образом, АБХМ — это холодильная установка, работающая за счет тепловой энергии, а не электричества. Единственные потребители электроэнергии в АБХМ — перекачивающие насосы. Они же являются и единственными движущимися механизмами в составе ХМ.

Эффективность и критерии выбора

Эффективность АБХМ характеризуется холодильным коэффициентом СОР (coefcient of performance), т.е. отношением холодопроизводительности машины к потребляемой тепловой мощности.

Для одноступенчатых АБХМ коэффициент СОР составляет 0,6-0,8. Идеальная одноступенчатая АБХМ могла бы обеспечить холодильный эффект, равный количеству тепловой энергии, подведенной к ней (т.е. СОР=1,0), однако, из-за термодинамических потерь в реальных установках холодильный эффект всегда будет меньше затрат тепловой энергии. Поскольку холодильный коэффициент установок такого типа всегда меньше единицы, одноступенчатые АБХМ целесообразно использовать в случаях, когда есть возможность утилизации тепловой энергии (например, сбросного тепла производств).

В сравнении с одноступенчатыми АБХМ более высокой эффективностью обладают двухступенчатые модели, первый образец которых был разработан в 50-х годах ХХ века. В этих установках, в отличие от одноступенчатых холодильных машин, используется два конденсатора или два абсорбера с тем, чтобы обеспечить более эффективное выделение хладагента из абсорбента при меньших затратах тепловой энергии. В таких машинах коэффициент СОР достигает значения 1,4. В качестве источника тепловой энергии в машинах этого типа может использоваться перегретый пар высокого давления либо различные виды горючего топлива. Двухступенчатые АБХМ целесообразно использовать в тех случаях, когда стоимость электрической энергии высока относительно стоимости топлива. Кроме того, двухступенчатые АБХМ могут применяться в случаях, когда есть источник перегретого пара высокого давления. Их эффективность выше, но при этом они отличаются и более высокой стоимостью по сравнению с одноступенчатыми машинами, что обуславливается в том числе применением дорогостоящих материалов высокой коррозионной стойкости (из-за более высоких рабочих температур в цикле), большей площадью поверхности теплообмена, более сложной системой управления.

Следующий этап развития АБХМ — трехступенчатые абсорбционные холодильные машины. Их холодильный коэффициент СОР заявлен на уровне 1,8. Несмотря на то, что изобретение таких аппаратов пришлось на 80-е годы прошлого столетия, а первая трехступенчатая АБХМ была запатентована еще в 1985 году, аппараты такого класса до сих пор не производятся серийно (несмотря на наличие амбициозных заявлений отдельных производителей), а их назначенный ресурс не подтвержден опытно. Связано это по большей части с уже упомянутой проблемой применения в конструкции установок материалов, стойких к процессам коррозии, происходящим внутри аппаратов при высоких рабочих температурах, которые в трехступенчатых АБХМ еще выше, чем в двухступенчатых. Стоимость таких АБХМ значительна, поэтому экономическая целесообразность их применения должна определяться индивидуально в зависимости от особенностей конкретного объекта.

Воздействие на окружающую среду

Поскольку в АБХМ хладагентом является вода, то они практически не оказывают влияния на озоновый слой атмосферы и развитие так называемого парникового эффекта.

Выбросы (эмиссия) от абсорбционных холодильных машин зависят от условий их применения. Если холодильная машина интегрирована в когенерационную систему и питается тепловой энергией из этой системы, то такая ХМ никакого негативного накапливающегося эффекта для окружающей среды не имеет. Если же рассматривать отдельно взятую АБХМ прямого нагрева, то здесь определяющими факторами будут тип используемого топлива для получения тепловой энергии и применяемая технология сжигания. Природный газ как достаточно дешевый и чистый вид топлива получил наибольшее распространение в АБХМ прямого нагрева. Тем не менее, меры безопасности, касающиеся выбросов вредных газов (оксидов азота в частности), в подобных ХМ должны соблюдаться, а контроль должен проводиться в соответствии с действующими нормативами и регламентами.

В какой бы отрасли промышленности и в какой бы сфере не рассматривался вопрос о применении АБХМ, ключевым фактором всегда будет являться экономическая сторона. Несмотря на специфику задач и технологий различных отраслей, где сегодня находят применение АБХМ (а это металлургия, нефтехимия, энергетика, машиностроение, электроника, пищевая промышленность), ответ на вопрос об экономической целесообразности использования АБХМ везде определяется одинаково. Если на предприятии есть бросовые источники тепла (горячая вода, пар, дымовые и выхлопные газы), которые при ином раскладе доставляют только проблемы, эффект от внедрения холодильных машин ощутим и благоприятно влияет на производство в целом.

Источник

Рабочее вещество АБХМ BROAD

Кроме того, процесс теплообмена, происходящий в теплообменнике раствора, регулируется в зависимости от удельной теплоемкости жидкой смеси, протекающей через это устройство. Следовательно, любая неэффективность теплообменника представляет собой потерю производительности цикла абсорбции, которая напрямую связана с удельной теплоемкостью жидкой смеси. Тем самым подтверждается тот факт, что для эффективного функционирования цикла абсорбции желательно, чтобы рабочая смесь имела бы низкую удельную теплоемкость.

Свойства рабочей жидкости абсорбционных холодильных систем

Свойства рабочей жидкости определяются назначением, степенью надежности и условиями эксплуатации абсорбционных холодильных систем.

Пара хладагент/абсорбент не должна затвердевать в ожидаемом диапазоне концентрации и температуры. Если сформируется твердая фаза вещества (кристаллизация раствора), она остановит циркуляцию рабочего тела и отключит оборудование. Органы управления таких устройств должны предотвращать работу за пределами допустимого диапазона растворимости.

В рабочей смеси хладагент должен быть гораздо более летучим, чем абсорбент, чтобы их можно было легко разделить. В противном случае может возрастать стоимость оборудования и снижаться энергоэффективность. При этом большинство абсорбентов являются практически не летучими.

Абсорбент должен обладать высокой степенью так называемого сродства к хладагенту в условиях, в которых происходит процесс абсорбции. Сильное сродство позволяет циркулировать в холодильном контуре меньшему количеству абсорбента для того же эффекта охлаждения, уменьшая потери явной теплоты, и позволяет уменьшить поверхность теплообменника при передаче теплоты от абсорбента к находящемуся под давлением раствору хладагент/абсорбент. С другой стороны, с увеличением сродства требуется подводить в генератор дополнительное количество теплоты для отделения хладагента от абсорбента. При этом энергоэффективность цикла может снижаться.

Рабочее давление, определяемое термодинамическими свойствами хладагента, должно быть умеренным. Высокое давление требует увеличение толщины оболочек компонентов оборудования, а также потребуется значительная дополнительная электрическая мощность для перекачки рабочей жидкости со стороны низкого давления в сторону высокого давления. Вакуумные полости требует увеличения объемов компонентов оборудования, а также специальных средств для снижения гидравлического сопротивления в каналах, по которым происходит движение паров хладагента.

В одноступенчатой абсорбционной машине на базе водного раствора LiBr типичные рабочие давления ниже атмосферного. Давления внутри контура определяются характеристиками давления паров рабочий жидкости. Поскольку в конденсаторе и испарителе присутствует, по существу, чистая вода, температуру работы этих элементов машины определяет давление.

Низкие давления в абсорбционной машине первоначально достигаются путем откачки воздуха и других газов из парового пространства. Газы, растворенные в жидкостях, также должны быть удалены из полостей машины.

Требуется высокая химическая стабильность раствора, поскольку жидкости подвергаются воздействию в течение многих лет эксплуатации в тяжелых условиях. Нестабильность может привести к нежелательному образованию не конденсируемых газов, твердых или агрессивных веществ. Чистота всех компонентов, загружаемых в систему, имеет решающее значение для высокой производительности оборудования и предотвращения коррозии.

Большинство рабочих жидкостей, используемых в цикле абсорбции, являются агрессивными средами по отношению к большинству материалов, используемых в конструкции оборудования. Для снижения коррозионной активности рабочих жидкостей необходимо использовать ингибиторы коррозии.

В зависимости от региона, в котором применяется абсорбционные машины, существует нормативное регулирование мер безопасности персонала при эксплуатации оборудования, особенно если находящиеся внутри него жидкости и газы, имеют высокую токсичность, горючесть или находятся под высоким давлением.

Вязкость, поверхностное натяжение, температуропроводность и массовая диффузия являются важными характеристиками пары хладагент/абсорбент. Например, низкая вязкость способствует тепломассопереносу и снижает мощность привода насоса.

Скрытая (латентная) теплота паров хладагента должна быть достаточно высокой, чтобы скорость циркуляции хладагента и абсорбента могла бы быть сведена к минимуму.

Двумя параметрами, вызывающими наибольшую обеспокоенность с точки зрения защиты окружающей среды, являются потенциал глобального потепления (GWP) и потенциал истощения озонового слоя (ODP).

Источник