Какую функцию выполняет легкокипящий компонент бинарного раствора в абсорбционной машине

Какую функцию выполняет легкокипящий компонент бинарного раствора в абсорбционной машине

Абсорбционная холодильная машина в качестве источника энергии для своей работы использует тепло. Необходимая тепловая энергия может быть получена как от электричества, так и непосредственно от источников теплоты, том числе низкопотенциальной, а также вторичной.

В рассмотренных ранее компрессорных холодильных машинах для переноса теплоты от тела с меньшей к телу с большей температурой использовалась механическая энергия компрессора, первоисточник которой определяет его привод (электродвигатель, двигатель внутреннего сгорания и т.п.). Тепловая энергия тоже является важнейшим видом энергии, известными способами трансформируемым в другие виды энергии. По этой причине она может применяться и для совершения работы по переносу теплоты в холодильных машинах. Использование тепловой энергии для совершения работы по переносу теплоты от тела менее нагретого к телу более нагретому реализуется в абсорбционных холодильных машинах (АХМ). Абсорбционные холодильные машины работают с использованием свойств бинарных растворов, компоненты которых имеют существенно различающиеся температуры кипения при равных давлениях, а взаимная растворимость их имеет также существенную зависимость от температуры. Причем растворимость снижается с повышением температуры. Схема АХМ приведена на рисунке.

Схема абсорбционной холодильной машины

При организации технологического процесса абсорбционной холодильной машины используется прямой и обратный термодинамический циклы. Котел К_m генерирует пар холодильного агента, который поступает в турбину Т, которая является приводом компрессора К_с. Далее пар поступает в устройство А, где конденсируется и насосом Н опять подается в котел. Это прямой термодинамический цикл, результатом которого является трансформация теплоты, подведенной к котлу К_m, в механическую энергию турбины.

В технической литературе элемент, называемый выше «котел», может называться также кипятильником или генератором. Компрессор К_с перемещает пары хладагента по тракту традиционного холодильного цикла: компрессор К_с – конденсатор К – регулирующий вентиль РВ (или другое расширяющее или дросселирующее устройство) – испаритель И. Это обратный термодинамический цикл.

В описанной выше технологической схеме путем трансформации теплоты получена механическая энергия, которая расходуется на совершение работы по переносу теплоты от тела менее нагретого (охлаждаемая в испарителе среда) к телу более нагретому (охлаждающая в конденсаторе среда). Тепловая энергия израсходована на отбор теплоты от охлаждаемой среды в испарителе. Описанную выше схему можно упростить, убрав из неё процессы, представленные на рисунке штриховыми линиями и совместив обратный и прямой термодинамические процессы. Совмещение прямого и обратного термодинамических процессов (отказ от турбины и компрессора) возможно при применении бинарных растворов. Бинарный раствор, как уже было отмечено выше, состоит из двух компонентов с высокой взаимной растворимостью, имеющих существенно отличающиеся температуры кипения. Совмещенный термодинамический цикл с использованием свойств бинарных растворов и применяется в абсорбционных холодильных машинах.

В котле К_m за счет подвода теплоты Q_k из бинарного раствора выделяется компонент с низкой температурой кипения. Состав следующих элементов на пути движения паров этого компонента раствора полностью аналогичен составу элементов парокомпрессорной холодильной машины. Путем изменения температуры в котле можно менять давление паров легкокипящего компонента и выбрать его таким, чтобы в процессе охлаждения в теплообменнике К была достигнута полная конденсация паровой фазы. По аналоги с парокомпрессионной холодильной машиной этот теплообменник называется конденсатором. Снижение давления конденсатора осуществляется в регулирующем вентиле РВ, при этом понижается и температура дросселируемого вещества. Следующий теплообменник И предназначен для отвода теплоты от охлаждаемой среды при кипени конденсата. Этот теплообменник называется испарителем. Легкокипящий компонент бинарного раствора выполняет в данной части цикла те же функции, что и в парокомпрессорной холодильной машине хладагент. В абсорбционной холодильной машине легкокипящий компонент тоже называется хладагентом.

Температура его снижается и при дросселировании его в регулирующем вентиле РВ1. Обогащенный хладагентом бинарный раствор с помощью насоса Н опять подается в котел. Далее цикл повторяется.

Абсорбционная холодильная машина имеет два контура циркуляции: холодильный контур циркуляции хладагента и тепловой контур циркуляции поглотителя. На участке перемещения их насосом из абсорбера в котел контуры совмещены. При циркуляции хладагента совершается обратный термодинамичаский цикл, при циркуляции поглотителя, прямой термодинамический цикл.

В цикле абсорбционной холодильной машины на компенсацию работы по переносу теплоты затрачивается тепловая энергия. Наличие вторичных тепловых ресурсов с необходимым температурным уровнем, определяемым режимом работы котла (кипятильника), определяет область применения абсорбционных холодильных машин.

1″ :pagination=»pagination» :callback=»loadData» :options=»paginationOptions»>

Источник

Абсорбционные холодильные машины BROAD в системе тригенерации

А.А.Алейникова, ведущий специалист ЗАО “Системы тепло и хладоснабжения”

При нынешних темпах потребления углеводородного топлива его запасов хватит лишь на несколько десятилетий. Кроме того, человек за прошлый век изменил природу Земли больше, чем за всю историю своего существования. Поэтому сегодня главными проблемами и, одновременно, задачами остаются энергоэффективность и экологическая безопасность. Пока нет экономически выгодных альтернативных источников энергии, необходимо максимально эффективно использовать существующие.
Едва мы привыкли к термину «Когенерация» — когенерационные установки (КУ) находят достаточно широкое применение, как появился новый — «Тригенерация». Что он означает?

ТРИГЕНЕРАЦИЯ

Тригенерация — это комбинированное производство электрической энергии, теплоты и холода. Показатели выработки этого «трио» в совместном режиме значительно выше, нежели в случае раздельного производства. Эффект от тригенерации усиливается, когда холод вырабатывается абсорбционной холодильной машиной (АБХМ), потребляющей тепловую, а не электрическую энергию. Тригенерация дает возможность утилизировать теплоту не только для отопления и горячего водоснабжения, но и для технологических нужд или кондиционирования помещений. Тем самым решается самая распространённая проблема эффективной когенерации — отсутствие тепловой нагрузки, особенно, летом. Это позволяет использовать когенерационную установку круглый год, ускоряя тем самым возврат инвестиций.

ПРОЦЕССЫ В АБХМ BROAD

Принцип действия АБХМ основан на использовании свойств бинарных растворов, компоненты которых при одинаковом давлении имеют существенно различающиеся температуры кипения, и их взаимная растворимость тоже существенно зависит от температуры. Один из компонентов раствора выполняет функции поглотителя (сорбента), второй — хладагента. При нагреве бинарного раствора с высокой концентрацией хладагента, его легкокипящий компонент (хладагент) выделяется из раствора и, имея на выходе “высокое” давление, далее проходит через аналогичную парокомпрессионной холодильной машине цепочку функциональных блоков. Параметры хладагента имеют собственное, отличающееся значение в характерных участках процесса.
В АБХМ за счёт одинаковых давлений генератор и конденсатор, а также абсорбер и испаритель объединяются в единые агрегаты. Для малых мощностей вся машина изготавливается в виде моноблока. Диапазон холодопроизводительности изменяется в интервале от десятков кВт до десятков МВт. Самым главным достоинством является то что, АБХМ практически не потребляет электрической энергии. Электропотребление составляет от 0,5 до 2,0% от уровня номинальной холодопроизводительности только для работы насоса и автоматики.

СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ АБХМ BROAD

Химия, нефтехимия, нефтепереработка — имеют большой избыток теплоты при одновременной потребности в холоде. При необходимости охлаждения потока какого-либо продукта имеет смысл использование его теплоты для привода АБХМ, а произведённого ею холода — для его (продукта) окончательного охлаждения.
Системы собственного электроснабжения — использование теплоты горячей воды из систем водяного охлаждения и выхлопных газов когенерационных установок для выработки холода для технологических нужд или кондиционирования помещений.
Теплосети — использование теплоты систем централизованного теплоснабжения для производства холода повышает загрузку теплосетей и, как следствие, их рентабельность.

АБХМ BROAD

Возможные варианты работы АБХМ в системе тригенерации:

Рис. 1. Утилизация горячей воды из системы охлаждения КУ. Горячая вода из рубашки охлаждения выходит с t = 95–105 °С и подается в АБХМ типа BDH. Температура воды на выходе из холодильной машины — 80–90 °С.

Рис. 2. Утилизация выхлопных газов с температурой 230–400 °С КУ. Серия BE.

Официальный представитель BROAD в Республике Беларусь — компания “Системы тепло и хладоснабжения”. Сертифицированный компанией BROAD персонал выполнит проектирование, поставку оборудования, монтаж и пусконаладочные работы, сервисное и гарантийное обслуживание.

Источник

Абсорбционные холодильные машины BROAD в системе тригенерации

Абсорбционные холодильные машины BROAD

в системе тригенерации

, ведущий специалист ЗАО “Системы тепло и хладоснабжения”

При нынешних темпах потребления углеводородного топлива его запасов хватит лишь на несколько десятилетий. Кроме того, человек за прошлый век изменил природу Земли больше, чем за всю историю своего существования. Поэтому сегодня главными проблемами и, одновременно, задачами остаются энергоэффективность и экологическая безопасность. Пока нет экономически выгодных альтернативных источников энергии, необходимо максимально эффективно использовать существующие.

Едва мы привыкли к термину «Когенерация» — когенерационные установки (КУ) находят достаточно широкое применение, как появился новый — «Тригенерация». Что он означает?

Тригенерация — это комбинированное производство электрической энергии, теплоты и холода. Показатели выработки этого «трио» в совместном режиме значительно выше, нежели в случае раздельного производства. Эффект от тригенерации усиливается, когда холод вырабатывается абсорбционной холодильной машиной (АБХМ), потребляющей тепловую, а не электрическую энергию. Тригенерация дает возможность утилизировать теплоту не только для отопления и горячего водоснабжения, но и для технологических нужд или кондиционирования помещений. Тем самым решается самая распространённая проблема эффективной когенерации — отсутствие тепловой нагрузки, особенно, летом. Это позволяет использовать когенерационную установку круглый год, ускоряя тем самым возврат инвестиций.

Процессы в АБХМ BROAD

Принцип действия АБХМ основан на использовании свойств бинарных растворов, компоненты которых при одинаковом давлении имеют существенно различающиеся температуры кипения, и их взаимная растворимость тоже существенно зависит от температуры. Один из компонентов раствора выполняет функции поглотителя (сорбента), второй — хладагента. При нагреве бинарного раствора с высокой концентрацией хладагента, его легкокипящий компонент (хладагент) выделяется из раствора и, имея на выходе “высокое” давление, далее проходит через аналогичную парокомпрессионной холодильной машине цепочку функциональных блоков. Параметры хладагента имеют собственное, отличающееся значение в характерных участках процесса.

В АБХМ за счёт одинаковых давлений генератор и конденсатор, а также абсорбер и испаритель объединяются в единые агрегаты. Для малых мощностей вся машина изготавливается в виде моноблока. Диапазон холодопроизводительности изменяется в интервале от десятков кВт до десятков МВт. Самым главным достоинством является то что, АБХМ практически не потребляет электрической энергии. Электропотребление составляет от 0,5 до 2,0% от уровня номинальной холодопроизводительности только для работы насоса и автоматики.

Сферы Применения АБХМ BROAD

Химия, нефтехимия
, нефтепереработка — имеют большой избыток теплоты при одновременной потребности в холоде. При необходимости охлаждения потока какого-либо продукта имеет смысл использование его теплоты для привода АБХМ, а произведённого ею холода — для его (продукта) окончательного охлаждения.

Системы собственного электроснабжения — использование теплоты горячей воды из систем водяного охлаждения и выхлопных газов когенерационных установок для выработки холода для технологических нужд или кондиционирования помещений.

Теплосети — использование теплоты систем централизованного теплоснабжения для производства холода повышает загрузку теплосетей и, как следствие, их рентабельность.

На сегодняшний день наиболее эффективными и освоенными в эксплуатации являются абсорбционные бромисто-литиевые холодильные машины — АБХМ. Признанный лидер в их разработке — китайская компания BROAD — уже более 20 лет занимается их внедрением по всему миру. Более 50 патентов по холодильным машинам, полученных компанией, зарегистрированы в десятках стран. Некоторые ключевые патенты стали основой мировых стандартов в проектировании АБХМ.

Отличительные особенности АБХМ BROAD:

· Высокая степень автоматизации обеспечивает поддержание заданных параметров и работу в энергосберегающем режиме без постоянного присутствия персонала. Изменение настроек и контроль состояния оборудования может осуществляться с удалённого диспетчерского пульта или даже по сети Интернет с использованием функции on-line менеджмент. Техническая исправность и эксплуатационные (расход энергоносителей) характеристики контролируются более чем по 10 параметрам, что позволяет избегать перерасхода энергии, оптимально планировать сервис и ремонт.

BROAD дает возможность утилизировать все виды сбросного тепла – выхлопные газы, горячая вода с рубашки охлаждения КУ, пар. Например, источником тепловой энергии для внедрённых на ОАО “Гродно Химволокно” двух АБХМ BROAD, вырабатывающих холод для поддержания температурного режима в цехах и в технологическом цикле, служит “бросовая” теплота от КУ.

· Внедрение АБХМ, использующих водный раствор LiBr (не относящийся к категории опасных веществ), — эффективное решение проблемы вывода из обращения экологически вредных хладагентов (фреонов и фреоносодержащих смесей), применяемых в традиционных системах холодоснабжения в качестве рабочего вещества.

· АБХМ не оказывают такого вредного шумового воздействия на человека. Отсутствие компрессора и вращающихся частей (в отличие от ПКХМ) обеспечивает “нулевую” вибрацию и настолько низкий уровень шума, что машины могут размещаться в непосредственной близости от мест постоянного пребывания людей.

· Абсорбционные машины работают не с избыточным давлением, а под вакуумом, что обеспечивает высокий уровень безопасности в случае аварийной разгерметизации.

· Абсорбционное оборудование BROAD поставляется в полной комплектности, в собранном виде, смонтированным на раме.

На сегодняшний момент на территории Республики Беларусь ведуны в эксплуатацию и готовятся к запуску порядка 8 АБХМ. Это такие объекты как:

Возможные варианты работы АБХМ в системе тригенерации:

Рис. 1. Утилизация горячей воды из системы охлаждения КУ. Горячая вода из рубашки охлаждения выходит с t = 95–105 °С и подается в АБХМ типа BDH. Температура воды на выходе из холодильной машины — 80–90 °С.

Рис. 2. Утилизация выхлопных газов с температурой 230–400 °С КУ. Серия BE.

Официальный представитель BROAD в Республике Беларусь — компания “Системы тепло и хладоснабжения”. Сертифицированный компанией BROAD персонал выполнит проектирование, поставку оборудования, монтаж и пусконаладочные работы, сервисное и гарантийное обслуживание.

Справки и консультации:

ЗАО “Системы тепло и хладоснабжения”

Источник

Абсорбционные холодильные машины

В районах с высокими пиковыми нагрузками на систему электроснабжения применение компрессорных холодильных машин зачастую затруднено. Одним из предложений по снижению нагрузки на систему электроснабжения зданий, сделанных в последние годы, было применение абсорбционных холодильных машин. Эти машины отличаются значительно меньшим расходом электрической энергии, и их применение позволяет снизить как эксплуатационные затраты, так и стоимость ввода в эксплуатацию за счет уменьшения стоимости подключения к электрической сети.

Снижение потребления электрической энергии – основное преимущество абсорбционных холодильных машин (АБХМ). В этих машинах охлаждение достигается за счет затрат не электрической (как в компрессорных холодильных машинах), а тепловой энергии. Тепловая энергия может быть получена как за счет непосредственного сжигания топлива (например, природного газа), так и за счет утилизации.

В последнем случае может быть утилизирована тепловая энергия, являющаяся побочным продуктом технологического процесса, например, дымовые газы, образующиеся при сжигании бытовых отходов.

Ниже рассмотрим принцип действия, классификацию и целесообразную область применения абсорбционных холодильных машин.

Одна из возможных областей применения абсорбционных холодильных машин – здания с высокими пиковыми нагрузками на систему электроснабжения. Затраты электрической энергии на кондиционирование воздуха составляют существенную часть общей электрической нагрузки здания. При ограничении максимальной электрической мощности использование абсорбционных холодильных машин является хорошим способом минимизации или «сглаживания» пиковой электрической нагрузки. Также используются и гибридные системы, в которых базовая холодильная нагрузка обеспечивается электрическими чиллерами, а пиковая – абсорбционными холодильными машинами, работающими на природном газе.

Абсорбционные холодильные машины могут использоваться как в составе системы холодоснабжения, так и как часть интегрированной системы тепло- и холодоснабжения. Дополнительная экономия энергии может быть достигнута за счет утилизации тепловой энергии.

Самые простые холодильные машины этого типа используются в некоторых моделях бытовых холодильников, работающих на природном газе без каких-либо затрат электрической энергии.

История вопроса

Первая абсорбционная холодильная машина была создана во Франции в 1859 году и запатентована в 1860 Фердинандом Карре (Ferdinand Carre). В качестве рабочего тела использовалась смесь аммиака и воды. Из-за высокой токсичности аммиака такие холодильные машины в то время не получили широкого распространения для домашнего применения и использовались для промышленного производства льда.

В установках кондиционирования воздуха абсорбционный холодильный цикл начал использоваться более пятидесяти лет назад.

В производственных процессах, в которых требовалось поддержание низких температур, стали применяться аммиачно-водяные АБХМ.

В конце 1950-х годов была создана первая двухступенчатая бромистолитиевая абсорбционная холодильная машина. Позже бромистолитиевые АБХМ стали использоваться не только для охлаждения помещений, но и в качестве источника горячей воды.

В 1960-х годах началось активное продвижение газодобывающими компаниями технологий, предусматривающих использование природного газа. При продвижении на рынок АБХМ, работающих на природном газе, отмечались такие их достоинства, как низкие эксплуатационные затраты и лучшая производительность. Однако совершенствование компрессоров, повышение эффективности электродвигателей, устройств управления позволили повысить эффективность компрессорных холодильных машин и снизить стоимость их эксплуатации. Кроме того, свою роль в замедлении распространения АБХМ на природном газе сыграл энергетический кризис 1970-х годов.

В 1987 году был подписан так называемый «Монреальский Протокол» по веществам, разрушающим озоновый слой, который ограничил применение хладагентов на основе хлорфторуглерода (CFC) и гидрохлорфторуглерода (HCFC). При этом непрерывно возрастала стоимость электрической энергии. В то же время стоимость природного газа оставалась достаточно стабильной, а сама технология абсорбционного охлаждения совершенствовалась. Перечисленные факторы способствовали очередному повышению интереса потребителей к АБХМ.

Холодильный цикл трехступенчатой абсорбционной холодильной машины с тремя конденсаторами и тремя генераторами был запатентован в 1985 году. Альтернативный цикл трехступенчатой абсорбционной холодильной машины с двойным конденсатором был запатентован в 1993 году. В настоящее время существуют прототипы трехступенчатых абсорбционных холодильных машин, эффективность которых превышает эффективность двухступенчатых на 30–50 %.

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.

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 представлен на рис. 1. Он очень похож на холодильный цикл парокомпрессионной холодильной машины. Схема одноступенчатой АБХМ представлена на рис. 2. Хладагент испаряется при понижении давления в испарителе 1. 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 2. Затем абсорбент с поглощенным им хлад-агентом (бинарный раствор) поступает в десорбер 3. 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 4, где переходит в жидкую фазу с выделением теплоты, а затем через расширительный клапан 5 поступает в испаритель, после чего начинается новый цикл.

Холодильный цикл одноступенчатой абсорбционной холодильной машины

Изменение концентрации хлад-агента в абсорбере и десорбере сопровождается изменением температуры насыщения. Для снижения потерь энергии при циркуляции абсорбента между абсорбером 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.

Схема одноступенчатой абсорбционной холодильной машины: 1 – испаритель; 2 – абсорбер; 3 – десорбер; 4 – конденсатор; 5 – расширительный клапан

Коэффициент полезного действия одноступенчатых АБХМ относительно низок, что несколько ограничивает их область применения.

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.

Схема и холодильный цикл двухступенчатой АБХМ с двойным конденсатором приведены на рис. 3.

Схема и холодильный цикл двухступенчатой абсорбционной холодильной машины с двойным конденсатором

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.

Схема и холодильный цикл двухступенчатой АБХМ с двойным абсорбером приведены на рис. 4.

Схема и холодильный цикл двухступенчатой абсорбционной холодильной машины с двойным абсорбером

В этом случае генератор разделен на низко- и высокотемпературную секции. Пары хладагента из испарителя поступают во второй абсорбер (Абсорбер 2), где частично абсорбируются. Оставшиеся пары хладагента поступают в первый абсорбер (Абсорбер 1). Скрытая (латентная) теплота паров хладагента в первом абсорбере используется для десорбции паров хладагента из бинарного раствора во втором (низкотемпературном) десорбере (Десорбер 2), как показано на рис. 4.

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 машины

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. На рис. 5 приведены схема и холодильный цикл трехступенчатой АБХМ. 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.

Схема и холодильный цикл трехступенчатой абсорбционной холодильной машины

Гибридные системы

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.

Эффективность абсорбционных холодильных машин

Эффективность абсорбционных холодильных машин характеризуется холодильным коэффициентом (coefficient of performance, COP), 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.

Целесообразная область применения

Основное преимущество работающих на природном газе АБХМ – сокращение эксплуатационных расходов за счет сокращения потребления относительно дорогостоящей электрической энергии и выравнивание пиковых нагрузок на систему электроснабжения. Кроме того, использование газовых систем охлаждения позволяет повысить надежность систем климатизации, поскольку в этом случае работоспособность системы холодоснабжения меньше зависит от надежности одного-единственного источника электроснабжения, особенно в случае использования гибридных систем. Целесообразно также применение АБХМ в качестве резервного источника холодоснабжения.

Системы охлаждения, работающие на природном газе, в конечном итоге обеспечивают более полное использование топливных ресурсов, чем сопоставимые системы охлаждения, потребляющие электрическую энергию. Типичный процесс производства электрической энергии предполагает при выработке и транспортировке потери примерно 65–75 % топливных ресурсов. В то же время в газоиспользующих системах теряется всего 5–10 % топлива. Утилизация сбросной тепловой энергии еще более увеличивает рентабельность АБХМ.

АБХМ имеют также ряд конструктивных преимуществ, не относящихся к области эффективного использования топливно-энергетических ресурсов:

• Экологическая безопасность за счет отказа от использования хладагентов на основе CFC (хлорфторуглерода) и HCFC (гидрохлорфторуглерода).

• Пониженный шум при работе оборудования, отсутствие вибраций.

• Отсутствие высокого давления в системе.

• Отсутствие массивных движущихся частей.

• Высокая надежность установок.

• Низкая стоимость обслуживания.

В процессе сгорания газа в АБХМ образуется некоторое количество вредных выбросов, однако весьма незначительное, поскольку современные установки обеспечивают достаточно полное сгорание. С другой стороны, эти выбросы образуются непосредственно на месте функционирования установки, и этот фактор в некоторых случаях может являться критическим.

АБХМ прямого нагрева могут использоваться, помимо выработки охлажденной воды, и для получения горячей воды в том случае, если они оборудованы вспомогательным теплообменником и контур горячей воды оборудован необходимыми устройствами управления. Если система используется подобным образом, то, как правило, общие приведенные затраты (включая капитальные затраты, расходы на пусконаладку, эксплуатационные затраты), будут ниже, чем затраты при использовании отдельных холодильной машины и бойлера.

Относительно высокие капитальные затраты ограничивают широкое распространение АБХМ. Низкая эффективность одноступенчатых АБХМ ограничивает их конкурентоспособность, за исключением случаев использования легкодоступной сбросной тепловой энергии. Даже применение двухступенчатых АБХМ экономически оправдано не во всех ситуациях.

Еще одно ограничение применения АБХМ связано с относительно высокими затратами энергии на работу насосов. Производительность водяного насоса конденсатора в общем случае является функцией потока холодоносителя. Технологии охлаждения, отличающиеся более низким холодильным коэффициентом, обычно требуют более высокого потока холодоносителя по сравнению с технологиями, обеспечивающими более высокий холодильный коэффициент, и, соответственно, большей производительности (размеров) циркуляционного насоса. Точно так же при использовании абсорбционных холодильных машин из-за большего объема холодоносителя требуются градирни большего размера, чем при использовании холодильных машин с электроприводом компрессоров.

Схема установки холодоснабжения с использованием тепловой энергии от сжигания отходов

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. На рис. 7 приведена схема установки.

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 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.

Источник

• ← Какую функцию выполняет крышка расширительного бачка в автомобиле
• Какую функцию выполняет лямбда зонд в автомобиле →