Абсорбционная холодильная машина (АБХМ)

Содержание

1. Общее описание абсорбционной холодильной машины

2. Физические принципы функционирования АБХМ

3. Устройство и принцип работы АБХМ

4. Повышение эффективности АБХМ

5. КПД АБХМ

5. Преимущества и недостатки АБХМ

5.1. Преимущества АБХМ

5.2. Недостатки АБХМ

1. Общее описание абсорбционной холодильной машины

Абсорбционный холодильная машина — АБХМ, функционирует по принципу повышения давления хладагента посредством теплоты — тепловой энергии, вместо компрессорного сжатия - электромеханической энергии (как в парокомпрессионных холодильных установках — ПХУ). Данный принцип в абсорбционных чиллерах называют “термическим сжатием”. Принцип абсорбции заключается в том, что два вещества со взаимной растворимостью могут быть более растворимы при низких температурах и менее растворимы при высоких температурах.  В абсорбционных системах используется раствор из бромида лития и воды или аммиака и вода (в парокомпрессионных чиллерах, в большинстве случаев, применятся фреон). 

В процессе абсорбционного охлаждения, абсорбент находится в жидкой фазе, а хладагент в газовой фазе. Абсорбент поглощает парообразный хладагент, далее, смесь нагревают, тем самым повышая давление (нагрев, вместо компрессорного сжатия).

В паре вода и бромид лития, вода является хладагентом, а бромид лития абсорбентом. В паре вода и аммиак, аммиак является хладагентом, а вода абсорбентом.

Смесь воды и бромида лития наиболее применима, по причине большей безопасности.

(примечание) Раньше, в качестве абсорберов применяли силикагель (в чиллерах применяли твердый состав) или цеолит, а воду в качестве хладагента. 

2. Физические принципы функционирования АБХМ

При вскипании, вода переходит из жидкого состояния в парообразное. Вода вскипает при различной температуре, в зависимости от окружающего давления. При росте окружающего давления, вода вскипит, при более высокой температуре, при снижении давления вода вскипит при более низкой температуре.

При атмосферном давлении (~101кПа — это приблизительно на высоте уровня моря), вода вскипит, при +100°C. Для сравнения, на вершине Эвереста давление будет составлять ~ 35 кПа, вода при таком окружающем давлении, вскипит приблизительно при +70°C. Следовательно, при снижении окружающего давления вода быстрее вскипает. Если искусственно нагревать воду в вакуумном пространстве, то она будет вскипать, при очень низкой температуре (относительно вскипания, при атмосферном давлении).

Этот принцип и применяет в абсорбционном чиллере, где поддерживается давление близкое к вакууму (~0.85 кПа), что позволяет вскипать воде, приблизительно, при +4.5°C, в этой связи, для нагрева воды до температуры кипения требуется небольшое количество теплоты (нарп. электроэнергии). Таким образом, кипящая вода может не обжигать, а охлаждать.

Вследствие принудительного циклически — поочередного изменения давления внутри абсорбционной холодильной установки, вода меняет фазы (жидкость/пар), тем самым обеспечивая испарительный эффект, который и приводит к охлаждению (пар отводит теплоту от объекта соприкосновения).

 (пример с водой и бромидом лития) Бромид лития (абсорбер), по сути является жидкой солью, которая притягивает влагу. Как следствие, при распылении бромида лития в водяной пар, он будет притягивать парообразную воду и смешается с ней, образуя смесь. Однако, при нагреве такой смеси, она снова распадается на исходные компоненты — воду и бромид лития. Вода вскипит и в парообразной форме поднимается вверх, а жидкий бромид лития осядет вниз. В таких промышленных чиллерах, с учетом температуры кипения воды ~ +4.5°C, жидкий хладоноситель может быть охлажден, приблизительно до +6.5°C / +7.5°C.

 (пример с водой и аммиаком) В данном составе, аммиак является хладагентом, а вода абсорбентом. Применение аммиака в качестве хладагента позволяет достигнуть более низкой температуры испарения (до -40°C), следовательно более низкой конечной температуры охлаждения хладоносителя в чиллере. 

(Примечание) В 1859 году француз Феринан Карре запатентовал первый в мире аммиачно-водяной охладитель.

3. Устройство и принцип работы АБХМ

Для упрощения понимания материла, ниже, схематично и поэтапно разберем все элементы АБХМ и постепенно объединим их в единую систему.

Испаритель

Хладагент, выходящий из конденсатора в жидкой фазе с высоким давлением, проходит через дроссельное устройство/клапан (назначение такое же как у ТРВ или капиллярной трубки в ПХУ), снижая свое давление. Далее, после дросселя, распыленный хладагент поступает в пространство внутри испарителя, в жидкой фазе, с низким давлением — мелкодисперсная вода. При сниженном давлении, распылённые капельки хладагента вскипают и испаряясь, отбирают теплоту у объекта соприкосновения — теплообменника. Через теплообменник прокачивается охлаждаемая жидкость — хладоноситель. Таким образом, через стенки теплообменной поверхности, пар вскипающего и испаряющегося хладагента поглощает теплоту у охлаждаемой жидкости. Пар хладагента нагревается — жидкий хладоноситель охлаждается.

Некоторая, неиспарившаяся часть распыленного над теплообменной поверхностью хладагента — падает на дно испарителя, откуда рециркулирует для повторного распыления.

 

(Нажмите на изображение, чтобы увеличить)

(Примечание) Жидкий хладоноситель охлаждают в чиллерах, также можно охлаждать воздушный поток в целях кондиционирования, прокачивая воздух через теплообменник испарителя (воздушный теплообменник отличается от жидкостного).

Теплообменная поверхность производится из материалов с высоким коэффициентом теплопроводности, как правило оребрения медь. Для агрессивных сред может применяться титан, нержавеющая сталь или термопластик.

Абсорбер

Нагретый пар хладагента из испарителя, притягивается к абсорбенту, распыляемому в абсорбере. Например, концентрированный раствор бромида лития и водяной пар сильно притягиваются, по типу как магнит и железо. Абсорбент поглощает нагретый водяной пар, поступающий из испарителя. Тем самым, снижая объем и как следствие давление, таким образом, поддерживается низкое давление в абсорбере и испарителе, обеспечивая требуемое низкое давление вскипания хладагента. По мере поглощения водяного пара, раствор абсорбента становится все более разбавленным. В итоге получится насыщенный хладагентом (например, водой) раствор, который не сможет более поглощать пар.

Генератор (концентратор)

Далее, насыщенный раствор абсорбента — бромида лития (напр., ~50% и ~ 40% воды), поступает из абсорбера в генератор. Через генератор протекает некоторый источник тепловой энергии - горячая вода или горячий пар (~85°С), проток теплоносителя ходит через теплообменник внутри емкости генератора. Хладагент, который бал связан с абсорбентом — испаряется, поднимаясь вверх в конденсатор и высвобождает абсорбент. Нагретый абсорбент, оседает на дно генератора и с высоким давлением, возвращается в абсорбер, где снова распыляется и притягивает водяной пар, поступающий из испарителя.

Конденсатор

Водяной пар, из генератора поступает в конденсатор, где он охлаждается циркулирующей через встроенный внутрь теплообменник с проточной холодной водой. Сконденсированный хладагент возвращается в испаритель — цикл замкнулся. Движение пара из генератора в конденсатор обусловлено разностью давлений в сосудах, в конденсаторе давление ниже, по понятным причинам (температура + снижение объема в конденсаторе за счет конденсации пара хладагента).

4. Повышение эффективности АБХМ

Для повышения эффективности работы АБХМ применяют ряд методов для интенсификации протекающих процессов.

Теплообменник на линии абсорбер — генератор.

Как мы уже выяснили, горячий абсорбент, выходящий из генератора, после процесса отделения от него хладагента, путем нагрева, возвращается в абсорбер. Таким образом, возвращается жидкий нагретый абсорбент, а как мы писали выше, эффективность абсорбента, при нагреве снижается. В свою очередь, из абсорбера в генератор поступает насыщенный раствор (абсорбент + хладагент), который предстоит нагревать в генераторе. В этой связи, прокачивая эти два потока через теплообменник, они обмениваются теплотой. В итоге, возвращающийся нагретый абсорбент охлаждается, а насыщенный раствор, которому предстоит нагрев в генераторе (с более низкой температурой, чем у абсорбента после генератора) нагревается, как бы происходит предварительный нагрев.  Как следствие, происходит некоторая экономия энергии на нагрев насыщенного раствора в генераторе, а также охлаждающая вода меньше нагревается в абсорбере, так как абсорбент отдал часть теплоты насыщенному раствору в теплообменнике. В теплообменнике среды не смешиваются, но обмениваются теплотой через стенки теплообменной поверхности (трубки или пластины).

Теплообменник с циркулирующей холодной водой в абсорбере.

При поглощении абсорбером пара хладагента, выделяется некоторое количество теплоты. Циркулирующая холодная вода отводит данную теплоту и предотвращает повышение температуры абсорбирующей жидкости. Эта мера необходима, так как при повышении температуры абсорбирующей жидкости снижается эффективность поглощения ею пара хладагента. При прохождении охлаждающей воды через абсорбер до конденсатора, с целью предотвращения перегрева охлаждающей воды и поддержания необходимой температуры конденсации хладагента, объемный расход охлаждающей жидкости увеличивают. Данную дополнительную тепловую нагрузку учитывают, при проектировании АБХМ, с подобными доработками (схему см. выше).

На практике, некоторые элементы АБХМ объединяют в одном корпусе, разделяя перегородками (или жалюзями) те части процессов, которые не должны смешиваться и объединяя те, которые должны взаимодействовать, например абсорбер и испаритель. Испарившейся пар, беспрепятственно притягивается к абсорбенту в абсорбере, таким образом, экономится пространство за сечёт отсутствия паровой магистрали. Также нередко объединяют в одном корпусе с перегородкой — конденсатор и генератор, по тому же принципу. Вместо дроссельных форсунок внутри испарителя (для чистки или замены нужно вскрывать систему), на входе хладагента в испаритель монтируются дроссельный клапан, который снаружи легко отремонтировать или заменить и другие конструктивные улучшения. Каждый производитель проектирует свои модификации компоновок, для достижения компактности без ущерба эффективности.

5. КПД АБХМ

Энергоэффективность любой холодильной машины (КПД (η), k или COP) оценивается как отношение между производительностью (холодильной мощностью, напр., в [кВт]) и затраченной энергией.

(Примечание) k — коэффициент энергоэффективности. Такое обозначение распространено, например, в тепловых насосах, означает суть тоже самое что и η или COP — зарубежное обозначение (сoefficient of performance, пер. индекс энергетической эффективности). В ПХМ затраченная энергия является электроэнергией, затраченной на работу компрессора. КПД в ПХМ колеблется в районе 3 и более. Означает это, что на 1 кВт затраченной электроэнергии, холодильная машина отняла 3 кВт теплоты от охлаждаемого объекта. В случае с тепловыми насосами - 3 кВт теплоты получил отапливаемый объект. Для примера k у электрических радиаторов равен 1, другими словами, 1 кВт электроэнергии = 1 кВт тепла. Тепловой насос в качестве отопителя, минимум в три раза эффективней электрического.

Фактический КПД абсорбционной холодильной машины составляет приблизительно 0,7 — 0,8. В парадигме ПХМ можно назвать такой КПД отрицательным. Тогда в чем смысл этих установок? Дело вот в чем, основное направление применения данных машин в тех областях промышленности, где есть возможность применения уже имеющейся тепловой энергии, как побочного продукта уже работающего производства, например, ТЭЦ или иной источник условно бесплатной или очень дешевой тепловой энергии, например, геотермальной или солнечной. Таким образом, исключается потребление электроэнергии на работу компрессора. Небольшие энергозатраты требуются только на работу насосного оборудования, которое необходимо для циркуляции жидкостей в АБХМ.

 Также существуют более сложные двух и трёхступенчатые абсорбционные холодильные машины. У двухступенчатых КПД варьируется 1.1 — 1.4, у трехступенчатый достигает 1.7. Но они исключительно редко применимы из- за высокой начальной стоимости (трехступенчатые только модели — прототипы). Абсорбционные чиллеры, итак, сильно дороже парокомпрессионных, а с дополнительными ступенями на 50-100% дороже одноступенчатых АБХМ. Потому, те кто располагает условно бесплатным источником теплоты - заказывают одноступенчатые АБХМ, большей холодопроизводительности, т.е. интенсифицируют не за счет увеличения КПД, а за счет увеличения холодопроизводительности (закупки более мощного оборудования), что все равно сильно дешевле ступенчатых моделей. Хотя и ступенчатые АБХМ находят свое применение, например, при работе от электротепловой энергии, если позволяет финансирование, и если плюсы АБХМ в сравнении с ПХМ перевешивают начальную цену чиллера.

 Ключевое отличие двухступенчатый абсорбционных чиллеров от одноступенчатых заключается в использовании пара высокого давления и генератора второй ступени. В двухступенчатых моделях давление пара должно быть не менее 400 кПа (4 бар), рабочее давление пара должно быть в пределах от 700 кПа (7 бар) до 900 кПа (9 бар).

(Примечание) Кроме того, иногда АБХМ применяют совместно с электротепловой энергией, вопреки низкой энергоэффективности, в связи с рядом их преимуществ перед ПХМ о которых будет написано ниже.

5. Преимущества и недостатки АБХМ

5.1. Преимущества АБХМ

•  Отсутствие значительных шума и вибраций из-за отсутствия механического компрессора;
•  Отсутствие механического износа и риска поломки самой дорогостоящей и подверженной износу комплектующей (в ПХМ) — компрессора, что в целом обеспечивает более длительный срок службы — более 25 лет;
•  Возможность использования условно бесплатной тепловой энергии вместо электротепловой, такие, как например: горячий пар ТЭЦ, продукты сгорания различного топлива на производствах (горячий дым, выхлопной газ и т.п.);
•  Более плавная регулировка производительности. У ПХМ, как правило, шаг регулировки холодопроизводительности составляет 25% или более. У АБХМ 10%.
•  Более экологичны из-а отсутствия в системе фреона;
•  Способность одновременно и нагревать, и охлаждать жидкости, данный аспект является плюсом, но он присущ не только АБХМ, но всем типам холодильных установок. И не является преимуществом как таковым (перед ПХМ). Любая холодильная установка переносит теплоту от одной среды (объекта) к другой среде (объекту), меняя лишь их температуру и потенциал, а значит одна среда охлаждается, а вторая неизбежно нагревается. Тип среды, в данном контексте - не принципиален.

5.2. Недостатки АБХМ

• Большие массогабаритные характеристики, в сравнении с ПМХ, при сопоставимой холодопроизводительности;
•  Высокая стоимость АБХМ, в ~ 1.5 — 2.5 раза выше, чем у ПХМ;
•  В водно-бромид-литиевых АБХМ, которые наиболее распространены и безопасны, жидкость возможно охладить до ~ +6°С, а водно-аммиачные АБХМ более опасны и прихотливы в эксплуатации, хотя в них возможно охлаждение до ~ -35°С;
• Значительная чувствительность к солевым концентратам;
•  Применяется вода в качестве хладагента (вода + бромид лития) или абсорбера (аммиак + вода), таким образом, размещение возможно исключительно в отапливаемом помещении (в климате с возможной температурой ниже +1°С);
• Если горячая вода от АБХМ (нагретая в конденсаторе и абсорбере) не применяется в технологическом процессе, где она остывает (отдает теплоту, как полезную, например, для отопления, или др.), на постоянной основе, во время работы АБХМ, то для ее охлаждения требуется установка градирни, чтобы постоянно или периодически (когда не требуется нагретая вода) охлаждать ее, что дополнительно увеличивает и без того значительные начальные затраты на оснащение производства. Кроме того, с градирней утрачивается существенное преимущество - отсутствие сильного шума от компрессора, так как вентиляторы механической градирни сильно шумят. Градирня с естественной тягой не производит шума, но ее начальная стоимость в разы выше АБХМ и такая пара целесообразна только для госпредприятий или сверхкрупных производств.