4.2.1. Схема и принцип действия абсорбционной холодильной машины

В отличие от компрессорной холодильной машины, соверша­ющей только обратный термодинамический цикл, в абсорбционной машине, так же как и в пароэжекторной, искусственный холод получается с помощью совмещенных прямого и обратного циклов. Процессы и циклы абсорбционной холодильной машины осуще­ствляются с помощью раствора, состоящего из двух, а иногда и трех компонентов. Наиболее распространенными являются машины, работающие на бинарном растворе, состоящем из поглотителя (аб­сорбента) и хладагента. В качестве растворов для абсорбционных холодильных машин в настоящее время широкое применение полу­чили водные растворы аммиака и бромистого лития, причем в первом растворе аммиак, а во втором вода являются хладагентами. Водоаммиачный раствор с большим содержанием хладагента назы­вают крепким, а с меньшим - слабым. В растворе «бромистый ли­тий - вода» концентрация указывается по содержанию бромистого лития, т.е. абсорбента. Основными требованиями, предъявляемыми к абсорбентам, являются следующие: более полная и быстрая рас­творимость в нем хладагента; значительно более высокая нормальная температура кипения абсорбента по сравнению с хладагентом. Ограниченная растворимость хладагента в абсорбенте приводит к сокращению возможности осуществления прямого термодинамиче­ского цикла в машине, а уменьшение разности в нормальных тем­пературах кипения абсорбента и хладагента влечет за собой необ­ходимость ректификации последнего, т.е. усложняет схему машины и вносит дополнительные необратимые потери в действительный прямой цикл.

Простейшая схема абсорбционной холодильной машины непре­рывного действия показана на рис. 4.6. Машина работает следу­ющим образом. В генераторе (кипятильнике) Г происходит кипение крепкого (по хладагенту) раствора за счет подвода теплоты Q_г от внешнего источника. Процесс кипения протекает при постоянном давлении р_к и непрерывном уменьшении концентрации раствора и повышении температуры его кипения. Образующийся при этом пар хладагента и абсорбента поступает в конденсатор Кд, где конденсируется вследствие отвода от него теплоты Q_к источником, имеющим температуру окружающей среды. Согласно первому закону Д.П. Коновалова, концентрация пара, поступающего в конденсатор, будет значительно выше концентрации кипящего раствора. Конденсация пара в конденсаторе происходит при давлении р_к, соответствующем температуре конденсации смеси, причем если нормальные температуры кипения хладагента и абсорбента отли­чаются существенно (на 200-300 °С), то пар практически состоит только из хладагента и его конденсация проходит при постоянной температуре, а следовательно, и при постоянном давлении. Жидкость, полученная в конденсаторе, дросселируется в дроссельном вентиле Д₁ (а в обратимом цикле расширяется в расширителе) от давления р_н в конденсаторе до давления р₀ в испарителе И и поступает в последний. Давление в испарителе зависит от температуры ки­пения хладагента, которая, в свою очередь, определяется температурой охлаждаемого источника. В результате под­вода теплоты Q₀ от охлажда­емого источника в испарителе происходит кипение жидкос­ти. Образовавшийся при этом пар поступает в абсорбер А. Слабый (по хладагенту) ра­створ из генератора через дроссельный вентиль Д₂ (или расширитель в обратимом цикле) также подается в аб­сорбер. В генераторе машины поддерживается давление р_к, а в абсорбере - давление р₀, так как эти аппараты по паровому пространству соединены соответст­венно с конденсатором и испарителем.

Рис. 4.6. Простейшая схема абсорбционной холодильной машины

непрерывного действия:

Г - генератор; Кд - конденсатор; И - испари­тель; А - абсорбер; Д₁ - регулирующий вентиль хладагента;

Д₂ - регулирующий вентиль раство­ра; ПМ - паровая машина; КМ - компрессор; Н - насос раствора

В абсорбере происходит поглощение пара слабым раствором, в результате чего его концен­трация повышается и доходит до концентрации, равной началь­ной в процессе кипения в генераторе. Процесс абсорбции сопро­вождается, как правило, выделением теплоты абсорбции Q_а, кото­рая отводится источником, имеющим температуру окружающей среды. Крепкий раствор из абсорбера насосом Н перекачивается в гене­ратор. Таким образом, замыкаются прямой и обратный циклы и осу­ществляется непрерывная работа машины.

В абсорбционной холодильной машине с помощью ее основных элементов: генератора, дроссельного вентиля Д₂, абсорбера и насоса совершается прямой термодинамический цикл, а с помощью кон­денсатора, дроссельного вентиля Д₁ и испарителя - обратный термо­динамический цикл. Необходимо пояснить это подробнее.

Пар из генератора можно было бы направить в паровую машину ПМ, где после расширения от давления р_к до р₀ получалась бы внешняя работа L, после чего он направлялся бы в абсорбер на поглощение слабым раствором. В то же время пар из испарителя мог бы поступать в компрессор КМ, где за счет затраты работы L₀ сжимался бы от давления р₀ до р_к и подавался в конденсатор. Так как вся работа, полученная в паровой машине прямого цикла, пол­ностью расходуется на привод компрессора обратного цикла, т.е. L = L₀, то, подавая пар из генератора непосредственно в конденса­тор, можно исключить из схемы паровую машину и компрессор и тем самым совместить прямой и обратный циклы. Тепловой баланс простейшей абсорбционной холодильной машины можно записать так:

Q_г + Q₀ + L_н = Q_к + Q_а, (4.25)

где Q_г - теплота, подведенная в генераторе от греющего источника; Q₀ - теплота, подведенная в испарителе от охлаждаемого источ­ника, или холодопроизводительность машины; L_н - работа насоса для подачи крепкого раствора из абсорбера в генератор; Q_к - теплота, отведенная в конденсаторе охлаждающей водой (окружа­ющей средой); Q_а - теплота, отведенная в абсорбере охлаждающей водой (окружающей средой).

Энергетическая эффективность циклов абсорбционной холодиль­ной машины определяется тепловым коэффициентом, представля­ющим отношение холодопроизводительности к сумме затраченной в генераторе теплоты и работы насоса:

ζ = Q₀ / (Q_г + L_н).

В связи с тем, что величина L_н по сравнению с Q_г очень мала, ее можно не учитывать. Тогда тепловой коэффициент машины

ζ = Q₀ / Q_г. (4.26)

Как следует из рассмотренного выше, абсорбционную холодиль­ную машину можно сравнивать с системой получения искусствен­ного холода, состоящей из теплового двигателя и компрессорной холодильной машины. Следовательно, тепловой коэффициент абсорбционной холодильной машины можно также выразить произ­ведением термического КПД прямого цикла и холодильного коэф­фициента обратного цикла:

ζ = η_тε. (4.27)

В случае совершения обратимых прямого и обратного циклов эффективность абсорбционной холодильной машины зависит только от отношения абсолютных температур греющего и охлаждаемого источников и окружающей среды:

, (4.28)

где Т_h - абсолютная температура греющего генератор источника; T_инт - абсолютная температура источника низкой температуры (охлаждаемого источника); Т_o.с - абсолютная температура окружающей среды.

В действительных циклах абсорбционной холодильной машины тепловой коэффициент ζ_д из-за ряда необратимых процессов всегда будет меньше ζ₀.

Коэффициент полезного действия машины (коэффициент обрати­мости циклов) η_обр выражается отношением:

η_обр = ζ_д / ζ_o. (4.29)

Характерными источниками необратимых потерь в абсорбционной машине вследствие совмещения прямого и обратного циклов являются следующие: невозможность произвольного повышения температуры кипения раствора в генераторе вследствие равенства давлений в нем и в конденсаторе; неполнота процесса поглощения пара в абсорбере вследствие конечного времени контакта пара и раствора и конечной поверхности теплообмена; необходимость рек­тификации пара для повышения его концентрации в прямом цикле, так как для совмещения циклов она должна быть такой же, как и в обратном цикле. Последнее относится лишь к машинам, работа­ющим на бинарных растворах, в которых разность между нормаль­ными температурами кипения хладагента и абсорбента незначи­тельна (например, на водоаммиачном растворе).