Теория тепловых насосов (часть 4)

8. АБСОРБЦИОННЫЙ ЦИКЛ

 

В процессах охлаждения абсорбционный цикл уже нашел применение в различных схемах и конструкциях, но в качестве теплового насоса он еще требует проверки эффективности. При объяс¬нении цикла неизменно приходится его упрощать. Основные принципы абсорбционного цикла описываются на основе лучшего из известных—холодильного цикла Платен — Мунтерс или «Электролюкс». На рис. принципиальная схема абсорбционного цикла сопоставлена с компрессионной. Очевидно, что абсорбционный тепловой насос содержит испаритель и конденсатор, которые работают точно так же, как в парокомпрессионном цикле. Теплота подводится к испарителю, вызывая кипение хладоагента при низком давлении. Полезное тепло отводится от конденсатора, внутри которого происходит конденсация при высоком давлении. Однако в абсорбционном цикле используется дополнительный контур, в котором течет жидкий абсорбент, или растворитель: Испарившийся хладоагент поглощается жидкостью при низком давлении. Затем жидкость специальным насосом перекачивается в область высокого давления, где происходит подвод тепла, и несмотря на высокое давление, пары хладоагента выделяются из жидкости. Поскольку смесь жидкого абсорбента и хладоагента практически несжимаема, затраты мощности на насос пренебрежимо малы и источником первичной энергии является только теплота, подводимая к генератору пара, который всегда име¬ет максимальную температуру цикла. Теплота, выделившаяся в абсорбере, суммируется с теплом от конденсатора, поэтому КОП цикла всегда больше единицы.

3cp_teoria8

Как и все другие циклы, этот цикл можно сравнить с идеальным циклом Карно. Абсорбционный тепловой насос —это просто тепловая машина, объединенная с тепловым насосом; его характерные температуры указаны на рис. При этом

 

КОПк = 1 + Te(Tg-Ta) / Tg(Tg-Te)

 

Некоторые значения приведены в табл., они типичны для домашнего отопления с учетом обычного упрощающего допущения, что ТА = Тс. Эти значения не очень велики, если принять во внимание, что они характеризуют теоретический максимум. Температура генератора ограничена 150° С, что обусловлено стабильностью материалов и уровнем напряжений, вызванных давлением. Первым шагом в повышении КОП должно быть повышение Тс.

 

Таблица КОП цикла Карио абсорбционного теплового насоса при Tg = 150оС

3cp_teoria9

Практически ограничение цикла можно продемонстрировать на диаграмме давление — температура — концентрация (р—/—х). Основные моменты показаны на упрощенной диаграмме/ На практике р—I—х диаграммы для реальных пар хладоагент — абсорбент существенно отклоняются от прямых из-за химического сродства компонентов.

Два характерных давления системы показаны двумя горизонталями. Верхняя — давление в генераторе и конденсаторе и нижняя— в абсорбере и испарителе. Давление в конденсаторе соответствует 100% хладоагента, и температура в испарителе также соответствует 100% хладоагента при низком давлении. Две верти¬кальные линии показывают концентрации в идеальных условиях, достижимые при температуре и давлении абсорбера и генератора.

Положим, что температура генератора фиксирована. По мере снижения температуры испарителя обе концентрации сближаются, что снижает эффективность цикла, поскольку данный расход цир¬кулирующей жидкости переносит меньше хладоагента. Если повышать температуры абсорбера или конденсатора, эффект будет таким же. Таково простое объяснение причин, почему этот тепловой насос имеет низкое значение КОП.

3cp_teoria10

Отсюда можно также видеть, что при некоторых комбинациях температур абсорбционный цикл вообще неработоспособен, поскольку нет разницы концентраций между абсорбером и генератором. При достижении этого предела КОП падает до единицы.

Реальные циклы в некоторых отношениях отличаются от описанного, так как пары хладоагента и растворителя специально подбираются с сильным взаимным сродством. Требования к свойствам рабочих тел таковы:

1) сильное сродство для получения больших изменений концентраций в растворах;

2) высокое значение летучести для повышения КПД генератора;

3) умеренное рабочее давление, определяющее давление паров хладоагента;

4) химическая стабильность для предотвращения разложения в генераторе.

Абсорбционный цикл широко применяется для кондиционирования воздуха и охлаждения с двумя парами хладоагент—растворитель: аммиак — вода и вода — бромистый литий. Обе пары веществ имеют ряд преимуществ, но при использовании в тепловых насосах также и существенные недостатки, указанные ниже:

Аммиак — вода

1. Поскольку как аммиак, так и вода дают пар в генераторе, требуется рефлюкс-конденсатор для разделения потоков.

2. Аммиак дает пар слишком высокого давления (около 2 МПа при 50°С).

3. Пары аммиака заметно токсичны, что требует определенных мероприятий безопасности.

4. Аммиак вызывает коррозию меди, и ее нельзя применять в теплообменной аппаратуре.

Вода — бромистый литий

1. Эффективность цикла ограничивается началом кристаллизации, определяющей достижимую концентрацию.

2. Вода как хладоагент имеет очень низкое давление паров, поэтому весь цикл проходит при давлении ниже атмосферного.

3. Вода замерзает при 0° С, поэтому испаритель не может работать при более низких температурах. Это исключает применение абсорбционного теплового насоса при использовании низкопотенциального тепла воздуха.

Исследовано много других комбинаций, среди которых оказались перспективными хладоагенты К21 или К22 с органическими растворителями. Недостатком фтороуглеродных хладоагентов является более низкая стабильность при высоких температурах генератора. Они склонны к разложению.

С учетом требований, налагаемых выбором рабочих тел цикла, его реальная схема усложняется.

В этом водоаммиачном цикле промежуточный теплообменник играет такую же роль, как и в парокомпрессионном цикле, он позволяет приблизить испарение к изотермическим условиям. Жидкостный теплообменник очень важен для повышения экономичности. Поскольку растворитель непрерывно циркулирует между генератором и абсорбером, он создает утечку тепла от генератора на более низкий температурный уровень, что понижает КПЭ системы. Назначение жидкостного теплообменика состоит в снижении этой потери тепла.

Генератор изображен здесь схематически в виде дистилляционной колонны для разделения аммиака и воды. Показанный на рис. ректификатор иногда называют рефлюксконденсатором или, когда он размещен вне генератора, дефлегматором. Последнее название специально подчеркивает отделение воды от аммиака. Назначение ректификатора и трубопроводов, отводящих жидкость от нижней части турбогенератора, состоит в поддержании распределения температуры внутри колонны таким, чтобы раствор аммиака эффективно испарялся и затем охлаждался. В каждой ступени обезвоживание аммиака повышается.

3cp_teoria11

Существенно, что хладоагент, покидающий генератор, должен быть свободен от растворителя. В противном случае испаритель не сможет работать. В нем испаряется прежде всего хладоагент, а в жидкой фазе накапливается растворитель, что ведет к прогрессивному повышению температуры испарения или снижению давления. Оба эти явления существенно снижают эффективность системы.

3cp_teoria12

Наиболее известной абсорбционной системой является холодильник Платен—Мунтерса или «Е1ес1го1их». Это трехжидкостная система, работающая на одном уровне давления (если отвлечься от явлений конвекции при всплывании пузырьков). Испарение аммиака происходит при смешивании жидкости с газообразным водородом в одной из частей контура. Поскольку жидкий аммиак при испарении повышает парциальное давление, он испаряется так, как будто бы давление фактически понижено, т. е. в условиях пониженной температуры. Такое изящное решение исключает необходимость в каких бы то ни было движущихся деталях. Полное описание этой интересной системы заняло бы слишком много места, и рекомендуется обратиться к диаграммам цикла на рис. .

 

Мы реализуем теплообменники, компрессоры и прочее холодильное оборудование с 2001 года. 10 лет для компании – возраст, достаточный для того чтобы набраться опыта и иметь силы продолжать развиваться дальше;

Мы не только поддерживаем долгосрочное взаимовыгодное сотрудничество с партнерами за счет отличных условий, но и привлекаем новых поставщиков, предоставляющих нам холодильные машины, воздухоохладители и испарители под реализацию;

Нам доверяют дилерские полномочия производители с мировым именем, известные высочайшим качеством и надежностью холодильного оборудования и сопутствующих систем обслуживания.