Классификация абсорбционных холодильных машин

1. Введение
2. Классификация абсорбционных холодильных машин
1. Одноступенчатые, двухступенчатые и трехступенчатые абсорбционные холодильные машины
3. Эффективность абсорбционных холодильных машин
4. Целесообразная область применения
5. Технологический расчет

5.1Термодинамический расчет цикла

     5.2 Тепловой расчет генератора

      5.3Расчет испарителя

     5.4 Гидравлический расчет тракта подачи исходной смеси в генератор

6.Заключение

7.Список  литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Введение

 

Абсорбция – поглощение газа в объёме, а так же избирательное поглощение одного или нескольких компонентов газовой смеси жидким поглотителем (абсорбентом). Поглощение происходит либо в результате растворения в абсорбенте, либо в результате химического взаимодействия. В 1-м случае процесс называется физической абсорбцией, во 2-м – хемабсорбцией.

Абсорбентами  служат однородные жидкости, либо растворы активного компонента в жидком растворителе.

К абсорбентам  предъявляют следующие требования: высокая абсорбционная способность; селективность; низкое давление паров; химическая инертность по отношению  к конструкционным материалам; нетоксичность; огне- и взрывобезопасность.

С технологической  точки зрения, лучшими являются те абсорбенты, расход которых для определённого  процесса наименьший, т.е. в котором  растворимость поглощаемого вещества выше. Поэтому абсорбенты выбирают по данным о растворимости в них  поглощаемых веществ.

Физическая  абсорбция газа чаще всего сопровождается выделением теплоты, следовательно, что  в результате повышения температуры  абсорбента возможно резкое понижение  растворимости газа. Поэтому для  поддержания производительности абсорбента прибегают к его охлаждению.

 

Преимущество  абсорбционной холодильной установки  передкомпрессионной является использование  для выработки холода тепловой энергии  как низкого, так и среднего потенциала.

В процессе абсорбции температура пара может  быть ниже температуры абсорбента, поглощающего пар. Для процесса важно  следующее: необходимо, чтобы концентрация абсорбируемого пара была равна или  больше равновесной концентрации этого  пара над абсорбентом.

Для возможности  применения абсорбента он должен с  достаточной скоростью поглощать  хладагент и при одинаковых давлениях  их температура кипения должна быть значительно выше температуры кипения  хладагента.

Наибольшее  применение получили водоаммиачные  абсорбционные установки, в которых  аммиак является хладагентом, а вода – поглотителем (абсорбентом). Аммиак сильно растворяется в воде. При 0⁰С в одном объёме воды растворяется 1148 объёмов парообразного аммиака.

Абсорбция жидкого аммиака в воде сопровождается выделением тепла (750 кДж на 1 кг аммиака). Ещё больше аммиака выделяется при растворении паров аммиака, т.к. происходит выделение теплоты парообразования (1250 кДж/кг).

При нагревании водоаммиачного раствора происходит не только выделение паров аммиака, но и испарение воды. Пока температура  низкая – выделяется в основном пар аммиака. Состав смеси паров  первоначальной стадии отличается преобладанием  аммиака, в дальнейшем количество водяных  паров начинает расти.

В генераторе за счёт подогрева происходит выпаривание  аммиачного раствора, в результате чего, образуется аммиачный пар с  незначительной примесью воды. Вследствие чего, содержание аммиака в растворе может уменьшаться, если его не пополнять  крепким концентрированным раствором. Полученный пар попадает в конденсатор, где за счёт внешнего охлаждения превращается в жидкость. Жидкий аммиак идёт в  регулирующий вентиль, где происходит понижение давления с частичным  испарением жидкого аммиака и  понижением его температуры. Далее  аммиак поступает в испаритель, где  он переходит в паровую фазу за счёт тепла, подводимого хладоносителем. Пары аммиака поступают в абсорбер, где поглощаются слабым раствором, поступающим из генератора. Для возможности  непрерывности процесса теплоту  абсорбции отводят с помощью  охлаждающей воды. В результате в  абсорбере образуется крепкий аммиачный  раствор, который насосом перекачивается в генератор. А взамен его из генератора через вентиль в абсорбер подаётся слабый раствор. Т.е., в простой абсорбционной установке имеется 2 аппарата, в которых тепло подводится к рабочему телу извне (генератор и испаритель) и 2 аппарата, в которых тепло отводится от рабочего тела (конденсатор и абсорбер).

Аппараты  абсорбционной холодильной установки.

Генераторы  для абсорбционных холодильных  установок выполняются в виде горизонтальных или вертикальных кожухотрубных  аппаратов или же в виде элементных двухтрубных аппаратов.

На рисунке  изображён трубчатый генератор  с ректификационной колонной, обогреваемой дымовыми газами. В межтрубном пространстве кипит аммиачная смесь. Эта смесь  поступает в аппарат через  ректификационную колонну.

Если  аппарат вертикальный, то газ или  греющий пар поступает в межтрубное пространство, а раствор кипит  в трубах. Исходный раствор поступает  в ректификационную колонну, расположенную  над греющей поверхностью. Колонны  генераторов в качестве насадок  используют тарелки или кольца Рашига.

В элементных генераторах греющий пар или  газ движется внутри трубок, а водоаммиачный  раствор кипит в межтрубном пространстве. Этот аппарат имеет выносной ректификатор, в некоторых случаях и дефлегматор.

Абсорберы выполняются как горизонтальными, так и вертикальными плёночными (противоточные). В горизонтальных оросительных абсорберах раствор поступает в  аппарат сверху и орошает трубки, внутри которых циркулирует охлаждающая  вода. Снизу подаётся пар, который поглощается раствором. Крепкий раствор в абсорбере отводится из нижней части.

Остальные аппараты (конденсатор, дроссельный  вентиль, испаритель, теплообменники) не имеют принципиального отличия  от аппаратов для компрессионной холодильной установки рассмотренной  ранее.

Параметрический ряд абсорбционных холодильных  установок водоаммиачных по мощности, кВт (ккал/ч): 580 (500); 1160 (1000); 1860 (1600); 2900 (2500); 4650 (4000); 7330 (6300); 9280 (8000).

Водоаммиачные машины холодильной мощностью 1,16 МВт  с температурой охлаждения 258 К работают на паре из отбора турбин ТЭЦ, на заводах  искусственного волокна, на машиностроительных заводах и используются в строительстве.

 

 

 

 

 

 

 

  2 Классификация абсорбционных холодильных машин

 

Абсорбционная холодильная машина – пароконденсационная  холодильная установка. В этой установке  хладагент испаряется за счет его  поглощения (абсорбции) абсорбентом. Процесс  испарения происходит с поглощением  теплоты. Затем пары хладагента за счет нагрева (внешним источником тепловой энергии) выделяются из абсорбента и  поступают в конденсатор, где  за счет повышенного давления конденсируются.

АБХМ  бывают прямого и непрямого нагрева, одноступенчатые, двухступенчатые  и трехступенчатые. В машинах  прямого нагрева источником тепла  может быть газ или другое топливо, сжигаемое непосредственно в  установке. В машинах непрямого  нагрева используется пар или  другой теплоноситель, посредством  которого теплота переносится от источника. В качестве источника  может выступать бойлер, или, например, использоваться тепловая энергия, являющаяся побочным продуктом технологического процесса. Кроме того, существуют комбинированные (гибридные) системы, в состав которых  входят АБХМ и когенераторные установки  на природном газе, обеспечивающие выработку тепловой и электрической  энергии; использование гибридных  установок позволяет оптимизировать нагрузку на систему энергоснабжения  и обеспечить экономию энергетических ресурсов.

Существуют  бромистолитиевые или аммиачные  АБХМ. В бромистолитиевых АБХМ в  качестве хлад-агента используется вода, а в качестве абсорбента – бромид лития LiBr. В аммиачных АБХМ в качестве хладагента используется аммиак NH3, а  в качестве абсорбента – вода. В  настоящее время наибольшее распространение  получили бромистолитиевые АБХМ.

Компонент системы, поглощаемый абсорбентом  в процессе абсорбции, носит название абсорбат. Соответственно, абсорбент  – жидкая фаза, поглощающая абсорбат в процессе абсорбции.

 

      2.1.Одноступенчатые, двухступенчатые и трехступенчатые абсорбционные холодильные машины

 

 

Одноступенчатые абсорбционные холодильные машины

         В одноступенчатых АБХМ («single effect», в литературе иногда используется термин «одноконтурные») хладагент последовательно перемещается через четыре основных компонента машины – испаритель, абсорбер, десорбер и конденсатор. Холодильный цикл одноступенчатой АБХМ очень похож на холодильный цикл парокомпрессионной холодильной машины. Схема одноступенчатой АБХМ: Хладагент испаряется при понижении давления в испарителе . Этот процесс идет с поглощением теплоты. В отличие от парокомпрессионной холодильной машины, процесс понижения давления в испарителе происходит не за счет работы компрессора, а за счет объемного поглощения (абсорбции) хладагента жидким абсорбентом в абсорбере . Затем абсорбент с поглощенным им хлад-агентом (бинарный раствор) поступает в десорбер . В десорбере бинарный раствор нагревается за счет горения газа, паром и т. д., в результате чего происходит выделение хладагента из абсорбента. Обедненный абсорбент из десорбера возвращается в абсорбер. Хладагент поступает под большим давлением в конденсатор где переходит в жидкую фазу с выделением теплоты, а затем через расширительный клапан поступает в испаритель, после чего начинается новый цикл.

Изменение концентрации хлад-агента в абсорбере  и десорбере сопровождается изменением температуры насыщения. Для снижения потерь энергии при циркуляции абсорбента между аб-сорбером и десорбером устанавливается  рекуперативный теплообменник.

Идеальная одноступенчатая АБХМ могла бы обеспечить холодильный эффект, равный количеству тепловой энергии, подведенной к  генератору, однако из-за термодинамических потерь в реальных установках холодильный эффект всегда будет ниже, чем затраты тепловой энергии.

В настоящее время одноступенчатые АБХМ часто устанавливаются в тех зданиях, где имеются легкодоступные источники сбросного тепла. Машины этого типа используются в составе систем кондиционирования воздуха и в качестве источника охлажденной воды для различных технологических процессов. Установочная мощность одноступенчатых АБХМ составляет, как правило, от 25 кВт до 5 МВт.

 

Двухступенчатые абсорбционные холодильные машины

   Более высокой эффективностью по сравнению с одноступенчатыми отличаются двухступенчатые АБХМ. 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.

Двухступенчатые АБХМ могут быть разных конфигураций. Две основные конфигурации – системы  с двойным конденсатором и  системы с двойным абсорбером. Принцип их действия основан на том, что охлаждающая способность  холодильной машины зависит, прежде всего, от количества хладагента, который  может быть переведен в газовую  фазу в испарителе, и, используя тепловую энергию, отводимую от конденсатора или образующуюся на стадии абсорбции, можно повысить количество хладагента, десорбируемого из абсорбента.

В первом десорбере (Десорбер 1) за счет нагрева  от внешнего источника образуются пары хладагента при частичной десорбции  хладагента из абсорбента, которые  поступают в первый конденсатор (Конденсатор 1). Обедненная смесь абсорбента и хладагента поступает во второй десорбер (Десорбер 2). Во втором десорбере  происходит окончательная десорбция  хладагента за счет тепловой энергии, образующейся при конденсации хладагента в первом конденсаторе (Конденсатор 1). Затем хладагент и из первого конденсатора (Конденсатор 1) и из второго десорбера (Десорбер 2) поступает во второй конденсатор (Конденсатор 2), в котором и происходит окончательный процесс конденсации.

В свою очередь, для десорбции паров хладагента из бинарного раствора в высокотемпературном  десорбере (Десорбер 1) используется тепловая энергия от внешнего источника. Пары хладагента и из второго (Десорбер 2), и из первого (Десорбер 1) десорбера  поступают в единственный конденсатор (Конденсатор).

В качестве источника тепловой энергии в  машинах этого типа может использоваться перегретый пар высокого давления либо различные виды горючего топлива, чаще всего природный газ. Двухступенчатые  АБХМ целесообразно использовать в  тех случаях, когда стоимость  электрической энергии высока относительно стоимости природного газа (либо другого  топлива). Кроме того, двухступенчатые  АБХМ могут применяться в случаях, когда есть источник перегретого  пара высокого давления. Они более  эффективны, но при этом отличаются более высокой стоимостью по сравнению  с одноступенчатыми. Более высокая  стоимость двухступенчатых АБХМ обуславливается в том числе  применением более дорогостоящих  материалов высокой коррозионной стойкости (из-за более высоких рабочих температур), с большей площадью поверхности  теплообменника, более сложными системами  управления.

 

Трехступенчатые абсорбционные холодильные установки

      Трехступенчатые АБХМ являются дальнейшим логическим развитием двухступенчатых АБХМ. В настоящее время эта технология находится на начальном этапе своего развития.

Трехступенчатая АБХМ, как и двухступенчатая, может  быть реализована различными способами, число возможных конфигураций здесь  еще больше по сравнению с двухступенчатыми АБХМ. Простейшая трехступенчатая АБХМ представляет собой комбинацию двух отдельных одноступенчатых АБХМ, где тепловая энергия от одного контура используется в другом контуре. Высокотемпературный цикл обеспечивает холодильный эффект за счет внешнего источника тепловой энергии, но в то же время сам является источником тепловой энергии для низкотемпературного цикла.

Системы с трехступенчатыми АБХМ столь же эффективны, как и традиционные системы  с электрическими чиллерами. Однако при этом стоимость таких АБХМ будет выше, поэтому экономическая  целесообразность их применения должна определяться индивидуально в зависимости  от особенностей конкретного объекта.

Гибридные системы обладают достоинствами  как абсорбционных, так и компрессорных  холодильных машин. В типичной гибридной  установке холодильная машина с  электрическим приводом используется в часы внепиковых нагрузок на систему  электроснабжения. Зачастую в это  время и тарифы на электрическую  энергию могут быть ниже, что приводит к уменьшению эксплуатационных затрат. В часы максимальной пиковой нагрузки на систему электроснабжения используется главным образом АБХМ, а компрессорная  холодильная машина включается по мере необходимости, обеспечивая покрытие лишь части нагрузки на систему холодоснабжения. Специфика применения гибридных  систем в конкретном проекте определяется характером нагрузки на систему холодоснабжения, особенностями местных тарифов  на электрическую энергию и газ (либо иное топливо). Так, целесообразно  использование гибридных систем на крупных промышленных предприятиях, где обслуживание инженерного оборудования осуществляется высококвалифицированным  обслуживающим персоналом, способным  оптимизировать режимы работы оборудования для получения максимального  экономического эффекта.

 

 

 

3 Эффективность абсорбционных холодильных машин

 

Эффективность абсорбционных холодильных машин  характеризуется холодильным коэффициентом, определяемым как отношение холодопроизводительности установки к затратам тепловой энергии. Одноступенчатые АБХМ характеризуются  величинами холодильного коэффициента, равными 0,6–0,8 (при максимально возможном 1,0). Поскольку холодильный коэффициент  установок этого типа всегда меньше единицы, одноступенчатые АБХМ целесообразно  использовать в случаях, когда есть возможность утилизации тепловой энергии, например, сбросная тепловая энергия  от электростанций, котлов и т. п.

Двухступенчатые АБХМ характеризуются величинами холодильного коэффициента, равными примерно 1,0 при  максимально возможном 2,0. Еще не доступные для коммерческого  использования прототипы трехступенчатых  АБХМ характеризуются величинами холодильного коэффициента от 1,4 до 1, 6.

Эффективность традиционных компрессорных холодильных  машин также характеризуется  холодильным коэффициентом, однако, поскольку в них используется электрическая энергия от источника  централизованного электроснабжения, необходимо учитывать эффективность  выработки электрической энергии  и потери ее при транспортировке. По этим причинам прямое сравнение  эффективности компрессорных холодильных  машин с электроприводом и  эффективности газовых АБХМ некорректно. Можно сравнить холодильный коэффициент  с учетом потерь при выработке  энергии и ее транспортировке.

Эффективность реальных холодильных машин значительно  ниже эффективности идеальной холодильной  машины, во многом за счет сложных необратимых  процессов, проходящих в рабочих  жидкостях. Для хладагента АБХМ, помимо обычных, предъявляется ряд специфических  требований, обусловленных особенностями  реализации абсорбционного холодильного цикла. Среди этих требований:

• Высокая  растворимость в абсорбенте при  заданной рабочей температуре абсорбера.

• Низкая растворимость в абсорбенте при  заданной рабочей температуре десорбера.

• Неспособность  к химической реакции с абсорбентом  во всем диапазоне рабочих температур.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Пример использования

 

Рассмотрим  пример построения системы климатизации с использованием (утилизацией) тепловой энергии от сжигания отходов для  абсорбционного охлаждения. Такая система  была реализована в Бельгии. В  данном случае была использована АБХМ мощностью 600 кВт.

В состав системы климатизации первоначально  входили три компрессорных холодильных  машины, каждая из которых оборудована  четырьмя поршневыми компрессорами. В  ходе модернизации параллельно этим холодильным машинам была установлена  бромистолитиевая АБХМ. Средняя холодильная  нагрузка объекта составляет 321 кВт  • ч, максимальная 790 кВт • ч. Поскольку  мощность АБХМ превышает среднюю  холодильную нагрузку, она может  использоваться в течение большей  части года, по расчетам примерно 80 % года. При холодильной нагрузке 321 кВт • ч на абсорбционное  охлаждение необходимы затраты тепловой энергии в 497 кВт • ч при  холодильном коэффициенте 0,65.

В системе  используется градирня производительностью 1 376 кВт • ч. Для повышения эффективности  установки был установлен бак-аккумулятор  охлажденной воды емкостью 8 000 л.

Для передачи теплоты дымовых газов промежуточному теплоносителю (воде) используется четырехрядный  теплообменник из стальных оребренных труб. Теплообменник установлен в  секции очистки дымовых газов  с байпассированием. Байпассирование  регулируется клапанами с контроллером, позволяющим путем частичного открытия клапанов поддерживать постоянную температуру  теплоносителя после теплообменника выше 110 °С.

В холодное время года, когда потребность  в холодоснабжении невелика, перегретый дымовыми газами теплоноситель используется в качестве источника тепловой энергии  для системы водяного отопления  через теплообменник.

При использовании (утилизации) теплоты дымовых газов  для абсорбционного охлаждения из-за более низкой температуры дымовых  газов на входе вытяжного вентилятора  обеспечивается дополнительная экономия электрической энергии на вращение вентилятора. Так, при утилизации 497 кВт • ч тепловой энергии дымовых  газов требуемая мощность вентилятора  уменьшается на 8 кВт (с 14 до 6 кВт).

 

 

Выбор мощности абсорбционной холодильной  машины

Выбор мощности абсорбционной холодильной машины определялся отношением средней  холодильной нагрузки к максимальной (пиковой). Если пиковая нагрузка наблюдается  лишь в течение короткого периода, то абсорбционное охлаждение более  экономично в случае, если оно покрывает  именно среднюю холодильную нагрузку. При средней холодильной нагрузке 321 кВт • ч и при среднем  холодильном коэффициенте 2,9 для  компрессорных холодильных машин  для снятия холодильной нагрузки требуется 110 кВт электрической мощности. При использовании (утилизации) тепловой энергии от сжигания отходов для  абсорбционного охлаждения эта электрическая  энергия не используется. Дополнительная экономия, как было указано выше, образуется за счет уменьшения температуры  дымовых газов, при которой электрическая  нагрузка вытяжного вентилятора  уменьшается на 8 кВт. Однако при  абсорбционном охлаждении требуется  и дополнительное электроснабжение – 8,2 кВт непосредственно для  обеспечения работы АБХМ, 2 кВт для  вентилятора градирни, 7,8 кВт на работу циркуляционных насосов. Таким образом, чистое снижение электрической нагрузки составляет 101 кВт.

В рассматриваемом  случае стоимость электрической  энергии составила 2,9 бельгийских  франка за 1 кВт • ч (проект был  реализован до введения единой европейской  валюты). Линия по сжиганию отходов  функционирует семь дней в неделю в три смены (практически круглосуточно), и ее время работы в год составляет 8 064 ч при коэффициенте загрузки 0,868. Таким образом, годовой экономический эффект от внедрения утилизации теплоты дымовых газов на абсорбционное охлаждение составил 2 050 168 бельгийских франков. Стоимость установки (капитальные затраты) составила 6 830 360 бельгийских франков. Период окупаемости (без учета фактора дисконтирования), таким образом, составил менее четырех лет. Однако следует отметить, что, поскольку АБХМ используется лишь для покрытия средней холодильной нагрузки, для покрытия пиковых нагрузок необходимо использовать компрессорные холодильные машины, и этот факт необходимо учитывать при оценке эффективности проекта в целом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

     

 

 

  5.Технологический расчет

 

       5.1. Термодинамический расчет цикла

 

Схема абсорбционной  холодильной установки изображена на рисунке 1. Процессы, протекающие  в абсорбционной холодильной  установке, показаны на рисунке 2.

Т.к. температура  охлаждаемого помещения  , то принимаем температуры рассола на входе и выходе из испарителя: и .

Температура испарения:

 

.

 

Т.к. температура  охлаждающей воды на входе в конденсатор  , то принимаем температуру воды на выходе .

Температура конденсации:

 

.

 

По таблицам состояния насыщения для аммиака:

 

,

 

Температура крепкого раствора на выходе из абсорбера:

 

.

 

         По давлению и температуре определяем концентрацию раствора и его энтальпию .

 

,

.

 

Температура слабого раствора на выходе из генератора, принимая давление греющего пара p_гр.п. = 0,35 МПа :

 

.

 

По давлению и по температуре определяем концентрацию слабого раствора и его энтальпию .

 

,

.

 

Кратность циркуляции (т.е. отношение массового  расхода крепкого раствора к массовому  расходу паров ХА из дефлегматора):

 

.

 

При правильно  организованном процессе дефлегмации  и ректификации , поэтому:

 

.

 

Температура пара после дефлегматора должна на превышать температуру конденсации чистого агента при давлении .

 

,

 

Его энтальпия  определяется по диаграмме по и .

 

.

 

По  диаграмме определяется параметры пара, равновесного кипящему крепкому раствору.

Жидкость:

 

, , , .

 

Пар:

 

, , , .

 

Удельный  отвод флегмы из дефлегматора (т.е. отношение  массового расхода флегмы к массовому  расходу пара на выходе из дефлегматора).

Флегмовое отношение:

 

.

 

Удельная  тепловая нагрузка дефлегматора , т.е. отвод теплоты из дефлегматора на единицу массового расхода пара из дефлегматора:

 

.

 

Параметры слабого раствора после теплообменника:

 

, , ,

,

.

 

Энтальпия крепкого раствора на входе в генератор, пренебрегая приростом энтальпии  раствора в насосе, вследствие малого значения этой величины, т.е. из условия  .

 

.

 

Энтальпия крепкого раствора не должна превышать  энтальпию кипящего раствора с концентрацией  при давлении .

Энтальпия слабого раствора после теплообменника:

 

.

 

Удельная  тепловая нагрузка теплообменника:

 

.

 

Удельная  тепловая нагрузка конденсатора:

 

 

,

 

где по диаграмме.

Температура паров ХА после охлаждения:

 

,

 

- температура жидкого ХА после  конденсатора, т.е.  .

Удельная  тепловая нагрузка охладителя:

 

,

 

энтальпия пара по диаграмме при и .

Энтальпия жидкого аммиака перед дросселем:

 

.

 

Удельная  холодопроизводительность установки:

_{абсорбционный дефлегматор  аммиак генератор}

.

 

Удельное  количество тепла, отводимое в адсорбере:

 

.

 

Энтальпия точки смешения: .

 

.

 

Удельная  тепловая нагрузка генератора:

 

 

Тепловой  баланс установки:

 

, ,

, ,

 

расхождение баланса  .

Расход  ХА (аммиака):

 

,

 

где .

Тепловые  нагрузки аппаратов:

 

- генератора  ,

- абсорбера  ,

- охладителя  ,

- конденсатора  ,

- дефлегматора  ,

- теплообменника  .