Теплонасос

АБСОРБЦИОННЫЙ ЦИКЛ

В процессах охлаждения абсорбционный цикл уже нашел при­менение в различных схемах и конструкциях, но в качестве тепло­вого насоса он еще требует проверки эффективности. При объяс­нении цикла неизменно приходится его упрощать. Основные прин­ципы абсорбционного цикла описываются на основе лучшего из известных—холодильного цикла Платен — Мунтерс или «Элек­тролюкс». На рис. 2.12 принципиальная схема абсорбционного цикла сопоставлена с компрессионной. Очевидно, что абсорбци­онный тепловой насос содержит испаритель и конденса­тор, которые работают точно так же, как в парокомпрессионном цикле. Теплота подводится к испарителю, вызывая кипение хладо - агента при низком давлении. Полезное тепло отводится от конден­сатора, внутри которого происходит конденсация при высоком давлении. Однако в абсорбционном цикле используется дополни­тельный контур, в котором течет жидкий абсорбент, или раство­ритель: Испарившийся хладоагент поглощается жидкостью при низком давлении. Затем жидкость специальным насосом перека­чивается в область высокого давления, где происходит подвод
тепла, и несмотря на высокое давление, пары хладоагента выде­ляются из жидкости. Поскольку смесь жидкого абсорбента и хла­доагента практически несжимаема, затраты мощности на насос пренебрежимо малы и источником первичной энергии является только теплота, подводимая к генератору пара, который всегда име­ет максимальную температуру цикла. Теплота, выделившаяся в абсорбере, суммируется с теплом от конденсатора, поэтому КОП цикла всегда больше единицы.

Как и все другие циклы, этот цикл можно сравнить с идеаль­ным циклом Карно. Абсорбционный тепловой насос —это просто

Рис. 2.12. Сопоставление простого абсорбционного и парокомпрессион - иого циклов.

1 — компрессор; 2 — испаритель: 3 — кон­денсатор; 4— абсорбер; 5 —насос; 6 — ге­нератор.

Тепловая машина, объединенная с тепловым насосом; его харак­терные температуры указаны на рис. 2.13. При этом

Te<TG-Ta)

TG (ТС-ТЕ)

Некоторые значения приведены в табл. 2.1, они типичны для домашнего отопления с учетом обычного упрощающего допуще­ния, что ТА = Тс. Эти значения не очень велики, если принять во внимание, что они характеризуют теоретический максимум. Темпе­ратура генератора ограничена 150° С, что обусловлено стабильно­стью материалов и уровнем напряжений, вызванных давлением. Первым шагом в повышении КОП должно быть повышение Те.

Практически ограничение цикла можно продемонстрировать на диаграмме давление — температура — концентрация (р—t—х). Основные моменты показаны на упрощенной диаграмме рис. 2.14. На практике р—і—х диаграммы для реальных пар хладоагент — абсорбент существенно отклоняются от прямых из-за химического сродства компонентов.

Два характерных давления системы показаны двумя горизон­талями. Верхняя — давление в генераторе и конденсаторе и ниж­няя— в абсорбере и испарителе. Давление в конденсаторе соот­ветствует 100% хладоагента, и температура в испарителе также
соответствует 100% хладоагента при низком давлении. Две верти­кальные линии показывают концентрации в идеальных условиях, достижимые при температуре и давлении абсорбера и генератора.

Положим, что температура генератора фиксирована. По мере снижения температуры испарителя обе концентрации сближаются, что снижает эффективность цикла, поскольку данный расход цир­кулирующей жидкости переносит меньше хладоагента. Если повы­шать температуры абсорбера или конденсатора, эффект будет таким же. Таково простое объяснение причин, почему этот тепло­вой насос имеет низкое значение КОП.

Рис. 2.14. Обобщенная диаграмма р—t—х.

Отсюда можно также видеть, что при некоторых комбинациях температур абсорбционный цикл вообще неработоспособен, пос­кольку нет разницы концентраций между абсорбером и генерато­ром. При достижении этого предела КОП падает до единицы.

Реальные циклы в некоторых отношениях отличаются от опи­санного, так как пары хладоагента и растворителя специально под­бираются с сильным взаимным сродством. Требования к свойствам рабочих тел таковы:

1) сильное сродство для получения больших изменений концен­траций в растворах;

2) высокое значение летучести для повышения КПД генера­тора;

3) умеренное рабочее давление, определяющее давление паров хладоагента;

4) химическая стабильность для предотвращения разложения в генераторе.

Абсорбционный цикл широко применяется для кондиционирова­ния воздуха и охлаждения с двумя парами хладоагент—раствори­тель: аммиак — вода и вода — бромистый литий (см. также гл. 5). Обе пары веществ имеют ряд преимуществ, но при использовании в тепловых насосах также и существенные недостатки, указанные ниже:

Аммиак — вода

1. Поскольку как аммиак, так и вода дают пар в генераторе, требуется рефлюкс-конденсатор для разделения потоков.

2. Аммиак дает пар слишком высокого давления (около 2 МПа при 50°С).

3. Пары аммиака заметно токсичны, что требует определенных мероприятий безопасности.

4. Аммиак вызывает коррозию меди, и ее нельзя применять в теплообменной аппаратуре.

Вода — бромистый литий

1. Эффективность цикла ограничивается началом кристалли­зации, определяющей достижимую концентрацию.

2. Вода как хладоагент имеет очень низкое давление паров, поэтому весь цикл проходит при давлении ниже атмосферного.

3. Вода замерзает при 0° С, поэтому испаритель не может рабо­тать при более низких температурах. Это исключает применение абсорбционного теплового насоса при использовании низкопотен­циального тепла воздуха.

Исследовано много других комбинаций, среди которых оказа­лись перспективными хладоагенты R21 или R22 с органическими растворителями. Недостатком фтороуглеродных хладоагентов яв­ляется более низкая стабильность при высоких температурах гене­ратора. Они склонны к разложению.

С учетом требований, налагаемых выбором рабочих тел цикла, его реальная схема усложняется (рис. 2.15).

В этом водоаммиачном цикле промежуточный теплообменник играет такую же роль, как и в парокомпрессионном цикле (рис. 2.16), он позволяет приблизить испарение к изотермическим условиям. Жидкостный теплообменник очень важен для повыше­ния экономичности. Поскольку растворитель непрерывно циркули­рует между генератором и абсорбером, он создает утечку тепла от генератора на более низкий температурный уровень, что понижает КПЭ системы. Назначение жидкостного теплообменика состоит в снижении этой потери тепла.

Генератор изображен здесь схематически в виде дистилляцион - ной колонны для разделения аммиака и воды. Показанный на рис. 2.15 ректификатор иногда называют рефлюксконденсатором или, когда он размещен вне генератора, дефлегматором. Послед­нее название специально подчеркивает отделение воды от аммиа­ка. Назначение ректификатора и трубопроводов, отводящих жид­кость от нижней части турбогенератора, состоит в поддержании распределения температуры внутри колонны таким, чтобы рас­твор аммиака эффективно испарялся и затем охлаждался. В каж­дой ступени обезвоживание аммиака повышается. Подробное опи­сание этого процесса можно найти в [6].

Существенно, что хладоагент, покидающий генератор, должен быть свободен от растворителя. В противном случае испаритель не сможет работать. В нем испаряется прежде всего хладоагент, а в жидкой фазе накапливается растворитель, что ведет к про­грессивному повышению температуры испарения или снижению давления. Оба эти явления существенно снижают эффективность системы.

Наиболее известной абсорбционной системой является холо­дильник Платен—Мунтерса или «Electrolux». Это трехжидкостная система, работающая на одном уровне давления (если отвлечься

Рнс. 2.16. Цнкл «Электролюкс».

1 — тепло от нагревателя; 2 — генератор; 3 — сепаратор; 4 — тепло к потребителю; 5 — кон­денсатор: 6 — тепло от низкопотенцнального источника; 7 — испаритель; 8 — теплообмен­ник; 9 — тепло к потребителю; 10 — абсорбер.

От явлений конвекции при всплывании пузырьков). Испарение ам­миака происходит при смешивании жидкости с газообразным во­дородом в одной из частей контура. Поскольку жидкий аммиак при испарении повышает парциальное давление, он испаряется так, как будто бы давление фактически понижено, т. е. в условиях пониженной температуры. Такое изящное решение исключает не­обходимость в каких бы то ни было движущихся деталях. Полное описание этой интересной системы заняло бы слишком много мес­та, и читателю рекомендуется обратиться к диаграммам цикла на рис. 2.16.