Абсорбционно-диффузионные машины
В завершение рассмотрим адсорбционно-диффузионные машины, представляющие особый класс абсорбционных машин.
Принципиальное отличие схемы абсорбционно-диффузионной машины от абсорбционной состоит в том, что в термохимическом компрессоре абсорбционно-диффузионной машины используется термонасос, который осуществляет подачу слабого раствора из генератора в абсорбер, тогда как в абсорбционных машинах механический насос подает крепкий раствор из абсорбера в генератор.
В связи с этим абсорбционно-диффузионные машины иногда называют безнасосными (имея в виду отсутствие механического насоса).
Особенность процессов, происходящих в абсорбционно - диффузионных машинах, обусловлена использованием смеси «агент - абсорбент - неконденсирующийся газ» в качестве рабочего вещества.
Абсорбционно-диффузионные машины бывают только малой производительности (масштабный фактор проведения процессов не позволяет создать крупные машины), однако могут работать как в режиме «холодильная машина», так и «тепловой насос».
Идея создания непрерывно действующей абсорбционной машины без движущихся частей принадлежит Г. фон Гепперту (Германия), который в 1899 году впервые ввел в дополнение к рабочей смеси «агент-абсорбент» вспомогательный неконденсирующийся газ (первоначально для этих целей был предложен воздух, в связи с чем разработки фон Гепперта практического применения не получили). Первая реальная абсорбционно-диффузионная холодильная машина была создана в 1922 году на основании теоретических и экспериментальных разработок студентов, а в дальнейшем инженеров-исследователей КТН (Шведского Королевского Технологического института, Стокгольм) Б. фон Платена и К. Мунтерса. В качестве рабочего вещества они использовали смесь NH3-H20 с Н2 как неконденсирующимся газом. Малая плотность Н2 по сравнению со смесью NH3-H20 позволила обеспечить надежную циркуляцию рабочего вещества в машине.
На рис.22.36а представлена уже совершенствованная конструкция абсорбционно-диффузионной холодильной машины (охлаждение конденсатора и абсорбера воздушное), выполненная Платеном и Мунтерсом в 1929 году, которая легла в основу машин, начатых производиться фирмой «Electrolux» (Швеция) с 1931 года. На рис.22.366 представлена одна из современных конструкций абсорбционно-диффузионной холодильной машины фирмы «Electrolux» для домашнего холодильника.
Интенсивное развитие абсорбционно-диффузионные холодильные машины получили в 1930-50-ые годы в Швеции, Германии, Италии, Франции, Швейцарии, Англии и СССР. Результаты теоретических и экспериментальных исследований В. Бюхе, Э. Альтеркирха, М. Беккштрема, А. Каттаньо, Н. П.Третьякова (ЛТИХП) обобщил в 1959 году В. Нибергалл (Германия). Исследования, проведенные в 1960-ых годах на фирме «Sibir» (Швейцария) под руководством Г. Стирлина, послужили основой к дальнейшему, весьма перспективному, развитию и совершенствованию этих машин.
А) б) Рис.22.36. Абсорбционно-диффузионные холодильные машины*: а) конструкция Платена-Мунтерса; Б) современная конструкция «Electrolux» |
Достаточно указать, что величина СОР абсорбционно-диффу - зионных холодильных машин от ОД2...О, і7 (первые конструкции) была повышена до 0,65...0,7 (современные машины).
В бывшем СССР абсорбционно-диффузионные машины стали объектом исследований в Ленинградском технологическом институте холодильной промышленности, где внимание ученых было сосредоточено на изучении процесса испарения NH3 в парогазовый поток. Полученные критериальные уравнения для процессов тепломассообмена позволили проводить теплотехнические расчеты испарителя и абсорбера с точностью, достаточной для инженерной практики, кроме того были созданы основы для расчета термодинамических и теплофизических свойств смеси «агент-абсорбент-неконденсирующийся газ».
За рубежом научные исследования в этом же направлении принадлежат Н. Эберу и Г. Стирлину (Швейцария), Д. Коуременосу и
А. Стегоу-Сагиа (Греция). В результате проведенных работ были созданы уникальные диаграммы состояний h-X для смеси NH3~H2.
Значительный вклад в развитие теории и практики абсорб - ционно-диффузионных холодильных машин сделан при длительном научном сотрудничестве между кафедрой холодильных машин ОТИХП (ОГАХ), НИИЭМП «Веста» (г. Киев) и Васильковским заводом холодильников.
Абсорбционно-диффузионные машины пользуются славой машин с чрезвычайно сложной комбинацией термодинамических и гидродинамических процессов. Однако, если первоначально избежать углубления в анализ процессов и расчеты, то можно ясно представить основные принципы работы машины, оценить ее возможности и определить проблемы.
Принципиальная схема простейшей абсорбционно-диффузионной холодильной машины представлена на рис.22.37а.
Машина работает следующим образом. Крепкий раствор из абсорбера через теплообменник растворов поступает в термонасос (Н(Т)) и далее направляется в генератор. Частичная генерация пара и подъем жидкости происходят в термонасосе. После термонасоса крепкий раствор продолжает кипеть, разделяясь на пар и слабый раствор. Пар агента через ректификатор и дефлегматор направляется в конденсатор, слабый раствор через РТО-Р в абсорбер. Для функционирования термонасоса существует условие, что во всех элементах машины установливается единое давление, равное давлению конденсации агента рк. При кипении крепкого раствора в генераторе неконденсирующийся газ вытесняется из генератора и конденсатора, оставаясь в абсорбере и испарителе. Таким образом присутствие неконденсирующегося газа способствует обеспечению единого давления в машине.
После конденсатора агент через РТО-А поступает в испаритель. Сюда же после РТО-А поступает неконденсирующийся газ в виде обедненной парогазовой смеси с агентом.
В испарителе при собственном низком парциальном давлении агент испаряется в парогазовую смесь, производя холод. Обогащаясь парами агента в испарителе, парогазовая смесь повышает свою плотность. После испарителя парогазовая смесь через РТО-А направляется в абсорбер (к нижнему уровню). В абсорбере слабый раствор двигается противотоком к парогазовой смеси и абсорбирует из него агент, находящийся при собственном низком парциальном давлении. Образующиеся в процессе абсорбции крепкий раствор и обедненная паро-
Газовая смесь при дальнейшем продвижении замыкают контуры циркуляции.
Цикл абсорбционно-диффузионной холодильной машины в диаграмме T-s (рис.22.376) дает представление о процессах, происходящих в машине, однако для инженерных расчетов необходимо использовать специальные диаграммы.
Для анализа процессов удобно представить абсорбционно - диффузионную машину, состоящую из двух самостоятельных блоков:
высокотемпературного, где осуществляются процессы прямого термодинамического цикла. Рабочее вещество - смесь «агент- абсорбент». Процессы., происходящие? в этом блоке, подобны тем, которые происходят в соответствующих элементах обычных абсорбционных машин. Наличие термонасоса вносит особенности в конструкцию генератора, формирует самостоятельную теорию расчета, проектирования и оптимизации генератора с термонасосом;
низкотемпературного, где реализуется обратный термодинамический цикл. Рабочее вещество - смесь «агент - неконденсирующийся газ». Процессы, происходящие в этом блоке, специфичны, поэтому рассмотрим их подробно.
Метод получения низкой температурык абсорбционно - диффузионной холодильной машине - испарение жидкости в парогазовую смесь. В испаритель машины поступает поток жидкого агента и парогазовой смеси. Под действием разности потенциалов давлений и температур происходит испарение жидкого хладагента с понижением его температуры. При достижении динамического равновесия в процессе адиабатного тепломассообмена, устанавливается минимальная температура испарения агента - температура мокрого термометра. Уравнение теплового баланса описанного процесса имеет вид
А(Тпг - Т0тш) = гР(р0тіп-РпГ), (22.50)
Где а - коэффициент конвективной теплоотдачи от парогазовой смеси к поверхности жидкости; Тпг - температура поступающей парогазовой смеси вдали от жидкости; T0mm - температура испаряющегся агента, температура по «мокрому термометру»; p0mm - парциальное давление пара агента, равновесное насыщенной жидкости при Т0тш рп<тт ~ парциальное давление пара агента в парогазовом потоке вдали от поверхности жидкости; г - удельное тепло фазового перехода; коэффициент массоотдачи, отнесенный к разности парциальных давлений.
После этого происходит процесс получения холода путем испарения агента в парогазовый поток при теплообмене с охлаждаемым объектом.
На рис.22.38 представлена принципиальная схема процесса в испарителе, на рис.22.39 - обобщенный характер изменения температур и давлений в канале испарителя. На начальном участке испарителя I-II (процесс получения низкой температуры) происходит охлаждение жидкого агента от Тж до T0mm - При этом давление пара
Парогазовая смесь |
Парогазовая смесь |
Рис.22.38. Принципиальная схема процессов в испарителе абсорбционно-диффу - зионной холодильной машины |
О |
Процесс получения низкой температуры |
Т.'Щ
Цикл холодильной машины |
У| L - t ---- Ymax Г min ° J min 1 лг |
4-і - испаоит&ль Цикл холодильной машины |
Ш |
1 // |
Рис.22.39. Обобщенный
Характер изменения температур и давлений в канале испарителя абсорбционно - диффузионной холодильной машины ( агент; * • ■» парогазовая смесь)
■ • • ■
Над поверхностью жидкости изменяется от ровщ до роип. В канале испарителя 11-ТИ (процесс получения холода) при подводе тепла от охлаждаемого объекта температура жидкости агента и температура парогазовой смеси изменяются от Т0тт и Тп<тт до Т0пшх с соот- ретствующим изменением давлений ротш —>Р(Га pjnn —»Pn. nULX-
Процесс, происходящий в испарителе абсорбционно-диффу - 4ионной холодильной машины, характеризуется таким соотношением начальных параметров входящих потоков, когда по всей поверхности их контакта массоперенос направлен от жидкости к парогазовой і меси, а поток тепла меняет свое направление.
При расчете и проектировании величина Т0тш обычно задана как функция температуры в охлаждаемом объекте. Для получения м ой температуры (в соответствии с ур.(22.50)) в цикле абсорбционно - диффузионной холодильной машины необходимо предварительно vподготовить парогазовую смесь» с параметрамир„"пп и Тп"1т, освободив ее от паров агента, а пары агента сконденсировать.
Со щание низкотемпературных абсорбционно-диффузионных холодильных машин возможно только при значительном охлаждении обедненной парогазовой смеси путем внутренней регенерации тепла. Таким образом РТО-А представляет достаточно сложную конструкцию, в которой должны соединиться требования большой теплообменной поверхности и малых газодинамических сопротивлений.
Математическое моделирование процессов, происходящих в абсорбционно-диффузионных холодильных машинах, производится
Рис.22.40. Функциональная схема современной абсорбционно-диффушонной холодильной машины для домашнего холодильника «SIBIR-60»: 1 - сборник крепкого раствора; 2 - РТО-Р; 3 - термософионный насос; 4 - генератор; 5 ~ дефлегматор; 6 - конденсатор; 7 - трехпоточный РТО «богатая парогазовая смесь - бедная парогазовая смесь - жидкий агент», 8 - испаритель; 9 - абсорбер; 10 - воздушный охладитель; 11 - уравнительная линия; 12 - электронагреватель (источник первичной энергии), О - NH3-H20; * - Н2 |
На основании теорий, разработанных для абсорбционных машин совместно с элементами анализа некоторых химико-технологических процессов, частные случаи которых имеют место в абсорбционно - диффузионных машинах.
В качестве иллюстрации современных достижений в области абсорбционно-диффузионных холодильных машин, на рис.22.40 представлена функциональная схема агрегата для домашнего холодильника.
Ч |