Абсорбционная холодильная машина:схема устройства и принцип работы

Устройство абсорбционной холодильной машины

Абсорбционная холодильная машина по своему устройству значительно отличается от компрессионной. В ней отсутствует компрессор, а кроме хладагента в ее системе циркулирует также жидкость, называемая абсорбентом. Абсорбентом являются жидкости, обладающие хорошей поглотительной способностью хладагента.

В качестве хладагента в абсорбционных машинах обычно используют аммиак, а абсорбентом для него служит вода. Так, в одном объеме воды при 0 0 С растворяется более 1000 объемов аммиака. Вследствие хорошей растворимости аммиака в воде, хладагент и абсорбент находятся в системе абсорбционной машины в виде водоаммиачного раствора с различной концентрацией в нем аммиака в отдельных частях машины.

Основные узлы абсорбционной машины

Генератор (кипятильник), конденсатор, испаритель, абсорбер, два регулирующих вентиля, а также насос соединены между собой соответствующими трубопроводами и образуют замкнутую систему (рис. 1).

Абсорбционная холодильная машина работает следующим образом. В испарителе, находящемся в охлаждаемой среде, из имеющегося в нем водоаммиачного раствора выделяются пары кипящего аммиака. Происходит это потому, что температура кипения аммиака при одинаковом давлении значительно ниже, чем воды (температура кипения аммиака при атмосферном давлении минус 33,4 0 С).

Рис. 1. Упрощенная схема абсорбционной холодильной машины:

Г — генератор (кипятильник); АБ — абсорбер; КД — коденсатор; И -испаритель; Н — насос; РВ1 и РВ2 — регулирующие вентили

Выделяющиеся пары аммиака из испарителя непрерывно как бы отсасываются в абсорбер (давление в абсорбере несколько ниже, чем в испарителе) и поглощаются находящимся в абсорбере водоаммиачным раствором. Насыщение водоаммиачного раствора аммиаком сопровождается повышением температуры, что ухудшает растворимость аммиака. Во избежание этого абсорбер охлаждают водой или окружающим воздухом, поддерживая тем самым активное насыщение аммиаком водоаммиачного раствора в абсорбере.

Насыщенный аммиаком крепкий (концетрированный) водоаммиачный раствор абсорбционной холодильной машины перекачивается насосом в генератор (кипятильник), который обогревается каким-либо источником тепла (электронагревателем, паром и др.)

Абсорбционная холодильная машина: принцип работы

В абсорбционной холодильной машине результате нагрева водоаммиачный раствор в генераторе кипит. При кипении раствора из него выделяются пары аммиака высокого давления, которые поступают в конденсатор, а оставшийся в генераторе слабоконцентрированный раствор возвращается через регулирующий вентиль РВ1 в абсорбер, где снова насыщается парами аммиака, поступающими из испарителя.

В конденсаторе, охлаждаемом водой или окружающим воздухом, пары аммиака высокого давления превращаются в жидкость. Жидкий аммиак проходит через регулирующий вентиль РВ2, дросселируется и при низком давлении поступает в испаритель.

Таким образом, в замкнутой системе абсорбционной холодильной машины, также как и в компрессионной, циркулирует (не расходуясь) холодильный агент, который отбирает тепло от охлаждаемого объекта через испаритель и отдает его в окружающую среду через конденсатор.

Рассматривая принципиальные схемы компрессионной и абсорбционной холодильных машин, нетрудно заметить, что при наличии в них одинаковых частей -конденсатора, испарителя и регулирующих вентилей, имеющих в обеих машинах одинаковое назначение, в абсорбционной машине вместо компрессора применен узел генератор-абсорбер. При этом генератор как бы представляет нагнетательную часть компрессора, а абсорбер — всасывающую.

Сравнивая работу компрессионной и абсорбционной холодильной машин и циркуляцию хладагентов в их системах, следует обратить внимание на имеющиеся различия. Так, если в компрессионной машине по замкнутому кольцу ее системы циркулирует только хладагент, то в абсорбционной машине имеются два циркуляционных кольца. Одно из них — большое кольцо, по которому циркулирует хладагент; другое — малое, между абсорбером и генератором, по которому циркулирует водоаммиачный раствор различной концентрации (оно является звеном большого кольца).

Работа абсорбционной машины по схеме, приведенной на рис.1, оказывается недостаточно эффективной. Так, при кипении раствора в генераторе из него будут выделяться не только пары аммиака, но и водяные пары. Водяные пары, попадая вместе с парами аммиака в конденсатор, превратятся в воду, которая будет поглощать аммиак. Вследствие этого количество жидкого аммиака, поступающего в испаритель, уменьшится, а, следовательно, снизится эффективность работы испарителя.

Кроме того, при поглощении в конденсаторе аммиака водой будет выделяться тепло, из-за чего снизится эффективность работы конденсатора.Для устранения указанных явлений и повышения эффективности работы абсорбционной машины в ее системе устанавливают дополнительные аппараты — теплообменник растворов, ректификатор и дефлегматор.

Схема устройства такой абсорбционной холодильной машины показана на рис. 2. В теплообменнике тепло слабого водоаммиачного раствора, поступающего из генератора в абсорбер, используется для предварительного подогрева крепкого раствора, подаваемого насосом из абсорбера в генератор. Такой теплообмен между растворами повышает эффективность работы машины.

В ректификаторе и дефлегматоре пары аммиака очищаются от паров воды, в результате чего концентрация паров аммиака, поступающих в конденсатор, значительно повышается.

Рис. 2. Принципиальная схема абсорбционной холодильной машины:

Г — генератор (кипятильник); P — ректификатор; ДФ — дефлегматор; КД — конденсатор; РВ1, РВ2 — регулирующие вентили; ТО — теплообменник; Н — насос; АБ — абсорбер

В ректификаторе и дефлегматоре пары аммиака очищаются от паров воды, в результате чего концентрация паров аммиака, поступающих в конденсатор, значительно повышается.Пары аммиака, очищенные от воды, направляются в конденсатор, а вода (с незначительным содержанием аммиака) попадает в генератор и через теплообменник растворов возвращается в абсорбер.

«Бытовые машины и приборы» : учебное пособие ч.1/ Б.Е.Кочегаров, В.В. Лоцманенко, Г.В. Опарин – Владивосток : Изд-во ДВГТУ

Абсорбционная холодильная машина:схема устройства и принцип работы

Устройство абсорбционной холодильной машины

Абсорбционная холодильная машина по своему устройству значительно отличается от компрессионной. В ней отсутствует компрессор, а кроме хладагента в ее системе циркулирует также жидкость, называемая абсорбентом. Абсорбентом являются жидкости, обладающие хорошей поглотительной способностью хладагента.

В качестве хладагента в абсорбционных машинах обычно используют аммиак, а абсорбентом для него служит вода. Так, в одном объеме воды при 0 0 С растворяется более 1000 объемов аммиака. Вследствие хорошей растворимости аммиака в воде, хладагент и абсорбент находятся в системе абсорбционной машины в виде водоаммиачного раствора с различной концентрацией в нем аммиака в отдельных частях машины.

Основные узлы абсорбционной машины

Генератор (кипятильник), конденсатор, испаритель, абсорбер, два регулирующих вентиля, а также насос соединены между собой соответствующими трубопроводами и образуют замкнутую систему (рис. 1).

Абсорбционная холодильная машина работает следующим образом. В испарителе, находящемся в охлаждаемой среде, из имеющегося в нем водоаммиачного раствора выделяются пары кипящего аммиака. Происходит это потому, что температура кипения аммиака при одинаковом давлении значительно ниже, чем воды (температура кипения аммиака при атмосферном давлении минус 33,4 0 С).

Рис. 1. Упрощенная схема абсорбционной холодильной машины:

Г — генератор (кипятильник); АБ — абсорбер; КД — коденсатор; И -испаритель; Н — насос; РВ1 и РВ2 — регулирующие вентили

Выделяющиеся пары аммиака из испарителя непрерывно как бы отсасываются в абсорбер (давление в абсорбере несколько ниже, чем в испарителе) и поглощаются находящимся в абсорбере водоаммиачным раствором. Насыщение водоаммиачного раствора аммиаком сопровождается повышением температуры, что ухудшает растворимость аммиака. Во избежание этого абсорбер охлаждают водой или окружающим воздухом, поддерживая тем самым активное насыщение аммиаком водоаммиачного раствора в абсорбере.

Насыщенный аммиаком крепкий (концетрированный) водоаммиачный раствор абсорбционной холодильной машины перекачивается насосом в генератор (кипятильник), который обогревается каким-либо источником тепла (электронагревателем, паром и др.)

Абсорбционная холодильная машина: принцип работы

В абсорбционной холодильной машине результате нагрева водоаммиачный раствор в генераторе кипит. При кипении раствора из него выделяются пары аммиака высокого давления, которые поступают в конденсатор, а оставшийся в генераторе слабоконцентрированный раствор возвращается через регулирующий вентиль РВ1 в абсорбер, где снова насыщается парами аммиака, поступающими из испарителя.

В конденсаторе, охлаждаемом водой или окружающим воздухом, пары аммиака высокого давления превращаются в жидкость. Жидкий аммиак проходит через регулирующий вентиль РВ2, дросселируется и при низком давлении поступает в испаритель.

Таким образом, в замкнутой системе абсорбционной холодильной машины, также как и в компрессионной, циркулирует (не расходуясь) холодильный агент, который отбирает тепло от охлаждаемого объекта через испаритель и отдает его в окружающую среду через конденсатор.

Рассматривая принципиальные схемы компрессионной и абсорбционной холодильных машин, нетрудно заметить, что при наличии в них одинаковых частей -конденсатора, испарителя и регулирующих вентилей, имеющих в обеих машинах одинаковое назначение, в абсорбционной машине вместо компрессора применен узел генератор-абсорбер. При этом генератор как бы представляет нагнетательную часть компрессора, а абсорбер — всасывающую.

Сравнивая работу компрессионной и абсорбционной холодильной машин и циркуляцию хладагентов в их системах, следует обратить внимание на имеющиеся различия. Так, если в компрессионной машине по замкнутому кольцу ее системы циркулирует только хладагент, то в абсорбционной машине имеются два циркуляционных кольца. Одно из них — большое кольцо, по которому циркулирует хладагент; другое — малое, между абсорбером и генератором, по которому циркулирует водоаммиачный раствор различной концентрации (оно является звеном большого кольца).

Работа абсорбционной машины по схеме, приведенной на рис.1, оказывается недостаточно эффективной. Так, при кипении раствора в генераторе из него будут выделяться не только пары аммиака, но и водяные пары. Водяные пары, попадая вместе с парами аммиака в конденсатор, превратятся в воду, которая будет поглощать аммиак. Вследствие этого количество жидкого аммиака, поступающего в испаритель, уменьшится, а, следовательно, снизится эффективность работы испарителя.

Кроме того, при поглощении в конденсаторе аммиака водой будет выделяться тепло, из-за чего снизится эффективность работы конденсатора.Для устранения указанных явлений и повышения эффективности работы абсорбционной машины в ее системе устанавливают дополнительные аппараты — теплообменник растворов, ректификатор и дефлегматор.

Схема устройства такой абсорбционной холодильной машины показана на рис. 2. В теплообменнике тепло слабого водоаммиачного раствора, поступающего из генератора в абсорбер, используется для предварительного подогрева крепкого раствора, подаваемого насосом из абсорбера в генератор. Такой теплообмен между растворами повышает эффективность работы машины.

В ректификаторе и дефлегматоре пары аммиака очищаются от паров воды, в результате чего концентрация паров аммиака, поступающих в конденсатор, значительно повышается.

Рис. 2. Принципиальная схема абсорбционной холодильной машины:

Г — генератор (кипятильник); P — ректификатор; ДФ — дефлегматор; КД — конденсатор; РВ1, РВ2 — регулирующие вентили; ТО — теплообменник; Н — насос; АБ — абсорбер

В ректификаторе и дефлегматоре пары аммиака очищаются от паров воды, в результате чего концентрация паров аммиака, поступающих в конденсатор, значительно повышается.Пары аммиака, очищенные от воды, направляются в конденсатор, а вода (с незначительным содержанием аммиака) попадает в генератор и через теплообменник растворов возвращается в абсорбер.

«Бытовые машины и приборы» : учебное пособие ч.1/ Б.Е.Кочегаров, В.В. Лоцманенко, Г.В. Опарин – Владивосток : Изд-во ДВГТУ

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:

• АБХМ на горячей воде (hotwater-fredchiller), использующая в качестве источника тепла горячую воду (от 75°С.и выше);
• АБХМ на паре (steam-fredchiller), использующая в качестве источника тепла пар (75-200°С.);
• АБХМ на выхлопных газах (exhaust-fredchiller), использующая в качестве источника тепла дымовые газы котлов, печей или выхлопные газы генераторных установок (250-600°С.);
• АБХМ прямого нагрева (direct-fredchiller), использующая в качестве источника тепла топливо (природный газ, мазут, дизельное топливо).

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.