Абсорбционные холодильные машины

В качестве рабочего тела в абсорбционных машинах используют так называемые бинарные растворы, т. е. растворы, состоящие из двух компонентов: холодильного агента и поглотителя (абсорбента).

Холодильные агенты, применяемые в абсорбционных машинах, должны отвечать общим требованиям (см. главу 2). Абсорбенты должны хорошо поглощать холо­дильный агент, но не вступать с ним в химическую ре­акцию. Температура кипения абсорбента должна быть значительно выше температуры кипения холодильного агента при одинаковом давлении. Это позволяет при вы­паривании раствора получить более чистый холодильный агент. В отличие от кипения однородных жидкостей, для которых каждому значению давления соответствует определенная температура кипения (и конденсации), би­нарные растворы при заданном давлении кипят с пере­менной температурой. Она зависит от массовой концен­трации рабочих веществ. Растворы, более концентриро­ванные по холодильному агенту, кипят при более низких температурах.

Концентрация холодильного агента в кипящем ра­створе уменьшается, так как в пар превращается в пер­вую очередь легкокипящий компонент, т. е. компонент с более низкой температурой кипения (холодильный агент). С понижением концентрации температура кипе­ния раствора при постоянном давлении повышается. Тем­пература пара, образующегося при кипении бинарного раствора, равна температуре этого раствора, но концен­трация холодильного агента в паре значительно больше, чем в кипящей жидкости.

При кипении растворов в абсорбционных машинах необходимо получить пар с возможно меньшим содержа­нием поглотителя, т. е. более чистый холодильный агент. Этого легче достичь, если температура кипения абсорбен­та в чистом виде больше отличается от температуры ки­пения холодильного агента при одинаковом давлении. Если при выпаривании раствора не удается получить чистый холодильный агент, то пар подвергают ректифи­кации. Ректификацией называют отделение (очищение) паров холодильного агента от поглотителя.

Процессы абсорбции (поглощения) холодильного агента сопровождаются выделением теплоты. Эту тепло­ту надо отводить, чтобы процессы абсорбции не затор­маживались, так как они протекают активнее при пони­женных температурах. Поглотители используют пре­имущественно жидкие, но они могут быть и твердые.

Водоаммиачные растворы, в которых холодильным агентом является аммиак, а поглотителем — вода, приме­няют для получения низких температур, раствор броми­стого лития в воде, где вода является холодильным аген­том, а бромистый литий — поглотителем, — в установках кондиционирования воздуха. Применяют также растворы хладона-22 в дибутилфталате или в диметилэфиртетраэтиленгликоле. По принципу действия абсорбционные машины разделяют на машины непрерывного и перио­дического действия. Машины непрерывного действия бывают насосные и безнасосные.

Водоаммиачные абсорбционные машины непрерывно­го действия с насосами имеют большую холодопроизводительность (35—1000 кВт). Их используют на пред­приятиях химической промышленности, крупных мясо­комбинатах и других предприятиях, потребляющих значительное количество холода. Водоаммиачные маши­ны периодического действия средней холодопроизводительности (до 12 кВт) применяют в сельском хозяйстве для охлаждения продуктов. Малые водоаммиачные ма­шины безнасосные (абсорбционно-диффузионные) холодопроизводительностью 20—55 Вт предназначены для охлаждения домашних холодильников и торгового обо­рудования. Бромистолитиевые насосные абсорбционные машины непрерывного действия холодопроизводительностью 450—3000 кВт применяют в установках конди­ционирования воздуха.

Машины непрерывного действия

Принципиальная схема водоаммиачной абсорбцион­ной холодильной машины. В эту схему (рис. ) входят конденсатор КД, регулирующий вентиль РВ₁, испаритель И, абсорбер Аб, водоаммиачный насос Н, кипятильник КП (или генератор) и дроссель слабого раствора — регу­лирующий вентиль РВ₂. Холодильным агентом является аммиак.

Назначение и устройство конденсатора, регулирующе­го вентиля и испарителя в абсорбционных машинах такое же, как в компрессорных холодильных машинах. Скон­денсировавшийся аммиак, пройдя регулирующий вентиль РВ₁, поступает в испари­тель, где кипит за счет теп­лоты Q₀, взятой от охлаж­даемой среды.

Рис. .

Принципиальная схе­ма

абсорбционной холодиль-­

ной машины.

Из абсорбера насыщенный водоаммиачный раствор насосом перекачивается в кипятильник. Насос не только перемещает раствор, но и повышает его давление от р₀ до р_к. В результате подвода теплоты Q_кп богатый аммиаком раствор кипит в кипятильнике, выделяя пар почти чистого аммиака как легкокипящего компонента. Этот пар поступает в конденсатор, где сжижается при отводе теплоты Q_кд, а обедненная жидкость возвращается из кипятильника в абсорбер через регулирующий вентиль РВ₂. Давление в кипятильнике равно давлению в кон­денсаторе р_к.

Таким образом, в абсорбционной машине совершают­ся круговой процесс аммиака и круговой процесс раство­ра. Прямой круговой процесс раствора реализуется в си­стеме абсорбер — насос — кипятильник — регулирующий вентиль РВ₂. Обратный круговой процесс аммиака осу­ществляется в системе конденсатор — регулирующий вентиль PB₁ — испаритель — система (абсорбер — гене­ратор). В этом холодильном цикле компенсирующим яв­ляется прямой круговой процесс раствора, совершаемый при затрате теплоты в кипятильнике-генераторе и затра­те работы в насосе.

В процессе работы абсорбционной холодильной машины к рабо­чему телу теплота подводится в кипятильнике Q_кп и испарителе Qo, а также теплота, эквивалентная работе L_н, затраченной в насосе, отводится теплота в конденсаторе Q_кд и абсорбере Q_aб. При уста­новившемся режиме работы машины количество подведенной теп­лоты должно быть равно количеству отведенной, т. е. выполняется условие теплового баланса.

Q_кп+ Q₀ + L_н = Q_кд + Q_a6.

Эффективность цикла абсорбционной машины характеризуется тепловым коэффициентом ζ, который равен отношению количества полученного холода Q₀ к количеству теплоты Q_кп, затраченной в ки­пятильнике, и работы L_н, затраченной в насосе,

Относительно малой величиной L_н можно пренебречь. Тогда

Тепловой коэффициент абсорбционной машины зависит от тем­ператур кипения (в испарителе) и конденсации, а также от темпе­ратуры греющего кипятильник источника. При понижении темпера­туры кипения холодильного агента в испарителе тепловой коэффи­циент машины уменьшается, хотя и незначительно. Например, для абсорбционной машины непрерывного действия холодопроизводительностью 35 кВт при температуре кипения аммиака —10° С теп­ловой коэффициент равен 0,4, а при температуре кипения —20 ^оС — 0,37.

Абсорбционные машины можно сравнивать с комп­рессорными по тепловым коэффициентам [формулы (52) и(3)].

Тепловой коэффициент абсорбционных машин меньше, чем компрессорных. Кроме того, низкотемпературные абсорбционные машины работают не на совершенном ра­бочем теле — водоаммиачном растворе, недостатки ко­торого обусловлены сравнительно небольшой разностью между температурами кипения компонентов в чистом виде, что затрудняет получение чистого холодильного агента при выпаривании в кипятильнике. Но абсорбцион­ные машины могут работать на дешевых источниках теп­ла (отходящие газы, отработавший пар, горячая вода), и в этом случае они значительно экономичнее

компрессорных. Абсорбционные машины просты в обслуживании, но более тяжелые и громоздкие.

Полная схема абсорбционной холодильной машины.

Для повышения экономичности и надежности работы абсорбционной машины в схему (рис. ) дополнитель­но включают вспомогательные аппараты (теплообмен­ник раствора и ректификатор).

Рис. . Схема абсорбционной холодильной машины с теплообмен­ником и ректификатором:

1— теплообменник; 2 — ректификационная колонка; 3 — дефлегматор.

Теплообменник устанавливают между абсорбером и кипятильником. Через кожух теплообменника проходит горячий раствор из кипятильника, а по расположенным в кожухе трубкам — холодный раствор из абсорбера. Меж­ду ними происходит теплообмен, в результате чего раствор, поступающий в кипятильник, подогревается, а иду­щий в абсорбер — охлаждается. При этом уменьшаются расход тепла в кипятильнике и расход воды для охлаж­дения абсорбера.

Ректификатор устанавливают в тех машинах, где при кипении раствора в кипятильнике выделяется пар с за­метным содержанием абсорбента. Его размещают между кипятильником и конденсатором. В ректификаторе пары абсорбента отделяются от паров холодильного агента, в результате чего получают чистый холодильный агент, ко­торый должен поступать в систему конденсатор — регу­лирующий вентиль — испаритель. Присутствие абсорбен­та в этой системе приводит к повышению температуры кипения в испарителе и постепенному ухудшению его работы. В испарителе из высококонцентрированного ра­створа выпаривается чистый холодильный агент, а аб­сорбент накапливается и выключает часть поверхности испарителя из активного теплообмена. Разделение паров абсорбента и холодильного агента достигается охлаж­дением ректификатора водой, воздухом или холодильным раствором, поступающим из абсорбера.

Схема машины с ректификационной колонкой, объе­диненной с кипятильником, и отдельным ректификато­ром-дефлегматором, охлаждаемым водой, приведена на рис. . В колонке ректификация происходит путем кон­такта пара, выходящего из кипятильника, с холодным крепким раствором. В дефлегматоре (при охлаждении водой) выходящий из ректификационной колонки пар частично конденсируется. При этом в жидкость в первую очередь превращаются пары абсорбента (водяной пар), так как конденсация его происходит при более высокой температуре, чем конденсация паров холодильного аген­та (аммиака). Освобожденный от абсорбента пар холо­дильного агента направляется в конденсатор, а образо­вавшаяся жидкость (флегма) стекает обратно в кипя­тильник. Эта жидкость имеет самую высокую концентра­цию в машине.

Для повышения концентрации пара, выходящего из кипятильника, флегма из ректификатора и концентриро­ванный раствор из теплообменника подаются в ректифи­кационную колонку, установленную на выходе пара из генератора. Колонка имеет насадку, с помощью которой осуществляется контакт выходящего пара с самой холодной и концентрированной жидкостью. Этим достигается охлаждение и ректификация, что в конечном счете повы­шает концентрацию пара.

Включение в схему теплообменника и ректификатора приводит к увеличению теплового коэффициента машины.

Рис. . Схема

бромистоли­тиевой

абсорбционной

маши­ны.

Схема бромистолитиевой абсорбционной машины по­казана на рис. . Раствор бромистого лития, насыщен­ный водой, выпаривается в генераторе 1 при обогреве паром или горячей водой.

Из раствора выделяется практически чистый водяной пар, который поступает в конденсатор 2, а выпаренный раствор насосом 6 направляется в абсорбер 4 через теп­лообменник 5. В конденсаторе водяной пар сжижается при отводе теплоты водой, циркулирующей по трубкам конденсатора. Сконденсировавшаяся вода через гидрав­лический затвор попадает в испаритель 3. В него же по­ступает отепленная вода от охлаждаемого объекта. Эта вода распыляется в испарителе. Испаритель сооб­щен с абсорбером 4, где находится раствор бромистого лития поглощающий пары воды. Упругость водяных паров над раствором в абсорбере ниже упругости водя­ных паров в испарителе, которая соответствует темпера­туре воды в испарителе. Это обусловливает непрерывный отсос пара из испарителя и непрерывное парообразова­ние в нем, в результате чего вода в испарителе охлажда­ется и снова подается в охлаждаемый объект насосом 8.

Из абсорбера насыщенный водяным паром раствор насосом 7 подается в генератор. Для получения более концентрированного раствора рекомендуется рециркуля­ция части раствора через абсорбер. Поэтому насос 7 подает раствор из абсорбера по двум направлениям: одна часть раствора проходит через теплообменник 5 в гене­ратор для выпаривания водяных паров, а другая смешивается с выпаренным раствором, идущим из генератора, и поступает в форсунки абсорбера.

Теплота абсорбции отводится водой, циркулирующей по трубкам аппарата. С верхней точки конденсатора и абсорбера вакуум-насосом отводится паровоздушная смесь.

Воздух неизбежно попадает в систему, так как рабочие процессы в аппаратах протекают при глубоком вакууме В испарителе вакуум поддерживается вследствие поглощения паров воды раствором бромистого лития, а также вакуум-насосом, отсасывающим воздух из абсор­бера.

Машины периодического действия

В схемах машин периодического действия (рис. ) насос отсутствует, что значительно упрощает эксплуата­цию абсорбционных холодильных машин. Цикл осу­ществляется без помощи движущихся механизмов. В этой схеме аппарат 1 поочередно выполняет функции кипя­тильника и абсорбера.

В период зарядки аппарат 1 обогревается и играет роль кипятильника. В нем из концентрированного раствора выпаривается холодильный агент. Через открытый запорный вентиль 2 образовавшийся пар направляется в конденсатор 3, который охлаждается водой (или возду­хом). Из конденсатора жидкость сливается в испаритель 4. В период зарядки вентиль 5 закрывают и в испарителе накапливается жидкий холодильный агент. Затем обогрев кипятильника прекращается, и период зарядки За­канчивается. При этом закрывают вентиль 2 и открыва­ют вентиль 5.

В период разрядки аппарат 1 охлаждается водой, и тогда он выполняет функции абсорбера. Охлажденный в абсорбере слабый раствор поглощает пары холодильно­го агента из испарителя 4, поэтому давление в системе падает. При пониженных давлении и температуре в испарителе холодильный агент кипит. Тепло­та, необходимая для кипения, бе­рется от охлаждаемой среды. Таким образом, в машинах пери­одического действия процессы выпаривания и конденсации (пе­риод зарядки) чередуются с про­цессами кипения и абсорбции (период разрядки, обеспечиваю­щий охлаждение).

Рис. . Схема абсорб­ционной холодильной машины периодического

действия.

Для уменьшения колебания температуры в охлаждае­мой среде применяют две сдвоенные машины, циклы ко­торых сдвинуты по времени: когда в одной машине про­исходит зарядка, в другой — разрядка (охлаждение).

Абсорбционные машины периодического действия имеют низкий тепловой коэффициент, что можно объяс­нить отсутствием теплообмена между слабым и крепким растворами, а также потерей теплоты, затраченной на разогрев кипятильника-абсорбера, при переключении цикла с зарядки на разрядку.

Малые абсорбционные холодильные машины

Особенностью малых абсорбционных машин является отсутствие в их схемах насоса. Безнасосные абсорбци­онные машины бывают периодического и непрерывного действия. В малых машинах периодического действия можно использовать как жидкий, так и твердый абсор­бент.

Схема малой водоаммиачной машины непрерывного действия показана на рис. . Кроме водоаммиачного раствора в их систему вводят инертный к аммиаку и воде газ — водород. Водород скапливается в испарителе и аб­сорбере (в аппаратах низкого давления) и тем самым выравнивает давление во всех аппаратах машины при разном содержании в них аммиака. В кипятильнике и конденсаторе (аппаратах высокого давления) давление создает только чистый аммиак в зависимости от темпе­ратуры среды, охлаждающей конденсатор, а в испарите­ле и абсорбере (аппаратах низкого давления) — смесью насыщенного пара аммиака и водорода. Таким образом, при одинаковом общем давлении парциальное давление аммиака в испарителе значительно ниже давления ам­миака в конденсаторе.

Рис. . Схема малой абсорбционной холодильной машины непре­рывного действия для домашнего холодильника:

Q_о и Q_кп — теплота, подведенная в испарителе и кипятильнике;

Q_к, Q_а. и Q_р — теплота, отведенная в конденсаторе, абсорбере и ректификаторе.

Применение инертного газа, выравнивающего давле­ние во всех аппаратах машины, дало возможность получить агрегат, не имеющий насоса, вентилей и других дви­жущихся частей. В испарителе таких систем происходит не кипение, а испарение аммиака, так как давление пара аммиака в нем ниже общего давления в аппарате. Образовавшийся в испарителе пар аммиака диффунди­рует в водород, поэтому машины с инертным газом назы­вают абсорбционно-диффузионными.

В абсорбционно-диффузионной машине крепкий водоаммиачный раствор кипит в кипятильнике 3, обогревае­мом электрическим или газовым нагревателем 1. Образо­вавшиеся пары поступают в охлаждаемый воздухом ректификатор 4, где уменьшается содержание поглоти­теля в паре. В конденсатор 5 приходит почти чистый пар аммиака. Из конденсатора жидкий аммиак направляет­ся в испаритель 7, расположенный в охлажденном шкафу (прилавке) 8. Между конденсатором и испарителем дрос­сельного устройства не устанавливают, так как общее давление в них одинаковое. Но конденсатор размещают выше испарителя для того, чтобы жидкость стекала в испаритель. В испарителе жидкий аммиак испаряется за счет теплоты Q_o, взятой от охлаждаемой среды, а пар диффундирует в водород, образуя аммиачно-водородную смесь. Эта парогазовая смесь через газовый теплообмен­ник 9 направляется в абсорбер 10 снизу. В абсорбере ам-миачно-водородная смесь соприкасается со слабым водоаммиачным раствором, который поступает из кипятиль­ника и протекает сверху вниз, не занимая всего сечения трубы. Слабый раствор поглощает аммиак из парогазо­вой смеси, при этом выделяется теплота абсорбции, ко­торая отводится воздухом.

Водород, освобожденный от аммиака в абсорбере, под­нимается и через газовый теплообменник возвращается в испаритель. Водород циркулирует вследствие разности между плотностями крепкой холодной и слабой нагретой парогазовой смесей. Перед поступлением в испаритель водород охлаждается в теплообменнике 9 парогазовой смесью, выходящей из испарителя, что способствует по­вышению экономичности работы машины.

Крепкий водоаммиачный раствор, полученный в аб­сорбере, через теплообменник раствора 12 направляется в кипятильник, и круговой процесс повторяется. Назна­чение теплообменника раствора 12 такое же, как и у ра­нее рассмотренных абсорбционных машин.

Для беспрепятственного стока обедненного раствора из кипятильника в абсорбер уровень жидкости в кипя­тильнике должен быть выше уровня жидкости в абсор­бере на величину ΔН. Крепкому раствору, направляюще­муся из абсорбера в верхнюю часть кипятильника, необходимо преодолеть разницу в уровнях жидкости в кипятильнике и сборнике абсорбера 11. Для подъема крепкого раствора используют термосифон 2. Он пред­ставляет собой трубку малого диаметра (4—5 мм), обо­греваемую нагревателем кипятильника (2—3 витка вок­руг внутренней трубы кипятильника). Когда раствор за­кипает в термосифоне, пузырьки пара как поршеньки проталкивают жидкость в верхнюю зону кипятильника.

В абсорбционно-диффузионной машине имеются три кольца циркуляции: циркуляция холодильного агента, циркуляция раствора и циркуляция водорода. Аммиак проходит все элементы машины, раствор циркулирует между кипятильником и абсорбером, а водород — между испарителем и абсорбером. Сборник водорода 6 предназ­начен для регулирования давления в агрегате при изме­нении температуры окружающего воздуха. При ее повы­шении аммиак вытесняет водород из сборника 6 в испа­ритель и абсорбер, в результате чего в этих аппаратах повышается общее давление.

Преимущества абсорбционно-диффузионных машин — отсутствие движущихся частей, простота изготовления и полная бесшумность работы. Но машины с инертным газом менее экономичны по сравнению с абсорбционны­ми машинами с насосом. Особенно неэкономичны такие машины на электрическом подогреве. В этом случае они потребляют энергии в 2 раза больше, чем компрессорные. Однако, используя для обогрева вместо электрического тока бытовой газ или керосин, стоимость эксплуатации абсорбционно-диффузионных машин можно сократить в 4—5 раз.