Абсорбционные холодильные машины (АХМ)

Рабочим телом в такой холодильной машине является бинарная смесь, один из компонентов которой (более летучий) называется холодильным агентом, а другой – абсорбентом, при этом жидкий абсорбент может поглощать пар холодильного агента

К этой паре веществ предъявляется два весьма важных требования:

– их нормальные температуры кипения t_s должны как можно больше отличаться друг от друга;

– компоненты должны неограниченно растворяться друг в друге.

Кроме того, к легкокипящему холодильному агенту АХМ предъявляется весь набор требований, типичных для рабочего тела парокомпрессионной холодильной машины.

Наиболее распространенными бинарными растворами АХМ являются аммиак – вода и вода – бромистый литий. Причем аммиак в первом растворе и вода во втором являются холодильными агентами.

Простейшая схема АХМ (рис. 8.5) работает следующим образом.

Рассмотрим для примера водоаммиачную АХМ. К генератору Г, заполненном водоаммиачным раствором, подводится низкопотенциальная теплота Q_г, в результате чего из раствора будет преимущественно выкипать легкокипящий компонент (аммиак).

Д₁

Д₂

Рис. 8.5. Принципиальная схема простейшей абсорбционной холодильной машины

Далее пар аммиака поступает в конденсатор К, сжижается с отводом теплоты фазового перехода, дросселируется в Д ₂ и кипит в испарителе И, вырабатывая при этом искусственный холод. Образовавшиеся пары аммиака поступают из испарителя в абсорбер Аб, где поглощаются и растворяются в слабом (с минимальным содержанием аммиака) водоаммиачном растворе, поступающем из генератора Г, через дроссельный вентиль Д 1

Интенсивность процесса поглощения и растворения пара аммиака в воде (процесс абсорбции) зависит от температуры раствора – с повышением температуры растворимость резко падает. Для сохранения высокой поглотительной способности пара аммиака через абсорбер прокачивают проточную холодную воду, с помощью которой отводят теплоту абсорбции Q_аб.

Образовавшийся в абсорбере крепкий (с максимальным содержанием аммиака) водоаммиачный раствор насосом Н подаётся в генератор Г. При этом давление раствора возрастает с Р ₀ до Р_к. По мере продвижения крепкого водоаммиачного раствора внутри генератора концентрация аммиака в нём уменьшается – он становится слабым и через дроссельный вентиль Д ₁ возвращается в абсорбер Аб.

Анализ рассмотренной схемы показывает, что, если элементы Г, Д ₁, Аб и Н объединить и представить как некоторый компрессор, то она трансформируется в простейшую паровую компрессорную холодильную машину, состоящую из компрессора, конденсатора, дроссельного вентиля и испарителя. По этой причине иногда говорят, что перечисленные выше элементы, представляют собой термохимический компрессор АХМ.

При составлении теплового баланса АХМ следует учитывать, что к рабочему телу теплота подводится в генераторе Q_г, испарителе Q_и и насосе Q_н, а отводится – в конденсаторе Q_к и в абсорбере Q_аб:

Q_г + Q_о + Q_н = Q_к + Q_аб. (8.7)

Исходя из (8.7), выражение для теплового коэффициента АХМ следовало бы записать так:

.

Однако, учитывая, что Q_г значительно превосходит тепловой эквивалент работы сжатия богатого раствора в насосе Q_н, можно с достаточной долей истины считать, что

. (8.8)

Рис. 8.6. Принципиальная схема реальной абсорбционной холодильной машины

Рассмотренная схема простейшей АХМ не лишена ряда недостатков, наиболее существенным из которых является попадание из генератора в конденсатор, наряду с парами аммиака, некоторого количества водяного пара, который вызывает рост температур в испарителе. Для предотвращения этого неблагоприятного момента в схемы реальных АХМ включают дефлегматор Де и ректификатор РК (рис. 8.6). Кроме того, с целью экономии теплоты, подводимой в генераторе Г, в схему часто включают и регенеративный теплообменник ТР, что способствует повышению экономичности АХМ.

Такая схема АХМ работает следующим образом.

Из генератора Г пар аммиака с незначительными примесями водяного пара попадают в ректификатор РК, представляющий собой по сути обычную ректификационную колонку. В ней охлажденный слабый водоаммиачный раствор стекает по тарелкам навстречу восходящему потоку пара, идущему из генератора. При этом менее летучие пары воды конденсируются первыми, повышая при этом концентрацию аммиака в потоке.

По аналогичному принципу работает и дефлегматор, представляющий собой небольшой кожухотрубный конденсатор. На его холодных трубках первыми конденсируются оставшиеся после ректификатора пары воды. Наличие в схемах современных АХМ РК и Де позволяет практически полностью избавиться от примесей водяного пара в потоке пара, следующего в конденсатор.

Включение в схему АХМ регенеративного теплообменника ТР позволяет использовать теплоту слабого водоаммиачного раствора для подогрева крепкого, поступающего в генератор. Очевидно, что при этом имеет место экономия подводимой энергии, что приводит, согласно (8.8), к увеличению теплового коэффициента цикла АХМ.

Рис. 8.8. Абсорбционная безнасосная холодильная машина непрерывного действия с инертным газом: 1 – генератор; 2 – дефлегматор; 3 – конденсатор; 4 – испаритель; 5 – газовый теплообменник; 6 – абсорбер; 7 – теплообменник растворов; 8 – термосифон

Преимуществами АХМ является высокая экономичность, надежность, простота конструктивных элементов, экологическая безопасность рабочих агентов, а недостатками – громоздкость и повышенная металлоемкость. Определённым недостатком считается и наличие в схеме насоса Н, использующего для своего привода электроэнергию.

Однако от последнего недостатка удалось избавиться, применив в схемах АХМ описанные в схемах ПЭХМ способы подачи жидкости в генератор без использования электроэнергии.

Кроме того, в торговой холодильной технике и бытовых холодильниках широко применяются безнасосные абсорбционные холодильные машины малой холодопроизводительности. Основной особенностью этих машин является отсутствие насоса для подачи раствора из абсорбера в генератор. Это делает машины более надежными в эксплуатации и долговечными.

Конструкция непрерывно действующей безнасосной водоаммиачной холодильной машины представлена на рис. 8.8. Агрегат, кроме водоаммиачного раствора, заполняется и инертным газом, в качестве которого традиционно используют водород. Процесс кипения жидкого аммиака в испарителе машины сопровождается диффузией пара в водород, находящийся в нем. Суммарное давление компонентов парогазовой водородоаммиачной смеси в испарителе равно давлению в конденсаторе (пара аммиака). Холодная водородоаммиачная смесь с высоким содержанием аммиака, как более тяжелая, из испарителя поступает в газовый теплообменник, а затем в абсорбер. В него же из генератора поступает слабый раствор, охлажденный в теплообменнике растворов. В абсорбере, охлаждаемом воздухом, слабый раствор, стекая по полочкам, поглощает аммиачный пар из водородоаммиачной смеси. Водород, освободившись от аммиака, как более легкий, возвращается через газовый теплообменник в испаритель. Крепкий раствор, образующийся в абсорбере, пройдя через теплообменник растворов, поступает в генератор. Вследствие того, что во всех аппаратах машины давление одинаково, для поступления раствора из абсорбера в генератор требуется лишь преодоление сопротивлений в теплообменнике растворов и соединительных трубопроводах. Для этого перед входом в генератор трубка, по которой проходит крепкий раствор, наматывается на электрическую грелку либо обогревается газовой горелкой. За счет местного нагревания трубки греющим источником создается термосифон, в котором при мгновенном вскипании жидкости возникает разность плотностей холодного крепкого раствора и образующейся парожидкостной эмульсии. Водоаммиачный пар из генератора, обогреваемого электричеством или газом, проходит через ректификатор, а затем поступает в конденсатор с воздушным охлаждением. Конденсат направляется в испаритель, заполненный водородом.

АХМ непрерывного действия не имеют в конструкции движущих элементов, поэтому бесшумны в работе, надежны в эксплуатации и имеют длительный ресурс эксплуатации.

Кроме водоаммиачных АХМ в настоящее время нашли широкое применение бромистолитиевые безнасосные АХМ непрерывного действия. Применяют их преимущественно для систем кондиционирования воздуха.

В совершенствование и внедрение в производство теплоиспользующих холодильных машин существенный вклад внесли учёные ОДАХ (В.З. Жадан, Г.Ф. Смирнов, В.А. Петренко и др.) и ОНАПТ (В.Ф. Чайковский и О.Г. Бурдо). При кафедре ТХТ ОНАПТ с 1990 года существует лаборатория малых абсорбционных холодильных машин, научный руководитель которой доцент А.С. Титлов разработал и внедрил в серийное производство Васильковского завода холодильников (Киевская область) целый ряд промышленных изделий на основе безнасосных АХМ. По этой тематике коллективом ученых этой лаборатории опубликовано более 400 научных работ, получено свыше 50 патентов и авторских свидетельств СССР, Украины, России, защищены три кандидатские диссертации, а А.С. Титловым подготовлена к защите докторская диссертация.

Вопросы для самоконтроля:

1. Какие холодильные машины называют теплоиспользующими? Перечислите их названия.

2. Каким коэффициентом определяется термодинамическая эффективность теплоиспользующих холодильных машин?

3. Из каких частей состоит струйный компрессор?

4. Какие рабочие вещества используются в современных ПЭХМ?

5. Назовите требования к паре веществ, использующихся в качестве рабочего тела АХМ.

6. Объясните для чего через абсорбер необходимо прокачать проточную воду?

7. Запишите уравнение теплового баланса АХМ.

8. Перечислите известные Вам схемные решения АХМ, позволяющие обходиться без электроэнергии.

9. Чем заполнен холодильный агрегат безнасосной АХМ бытового холодильника?

Литература: [1, с. 387...420, 2; с. 282...299]

Лекция 9. Холодильники.
классификация, устройство и планировки

Холодильником называют самостоятельное предприятие, либо один из его цехов, предназначенный для холодильной обработки и холодильного хранения скоропортящихся пищевых продуктов (СПП). Под холодильной обработкой будем понимать либо охлаждение (понижение температуры не ниже криоскопической – обычно 0...плюс 5 °С), либо замораживание (понижение температуры СПП значительно ниже криоскопической – в настоящее время это, как правило, минус 25...минус 18 °С). При этих температурах СПП и хранятся, соответственно, в камерах хранения охлажденных и замороженных грузов.

Холодильники классифицируют по нескольким признакам.

1. В зависимости от размеров (емкости) различают холодильники мелкие (в которых можно разместить до 50 т некоего условного груза), малые – до 500 т, средние – до 5000 т, крупные – до 18000 т и большие – в камерах которых можно разместить свыше 18000 т условного груза.

2. Холодильники могут быть выполнены одно- и многоэтажными. Понятно, что для одноэтажного холодильника требуется больший участок земли, зато для многоэтажного следует предусмотреть дорогое и энергоемкое лифтовое хозяйство. Поэтому вопрос с этажностью холодильника в каждом случае решается индивидуально. Тем не менее, большинство крупных и больших холодильников выполняют 4...6-этажными.

3. По функциональному назначению различают:

– распределительные холодильники, предназначенные для равномерного снабжения СПП городов и промышленных центров в течение всего года;

– базисные (холодильники госрезервов), предназначенные для создания долгосрочных запасов СПП;

– портовые, служащие для краткосрочного хранения грузов, при необходимости их перегрузки с одного вида транспорта на другой, например, с водного на железнодорожный холодильный транспорт и т.д.;

– производственные холодильники (чаще всего создаваемые в ранге цехов на пищевых предприятиях) – предназначены для первичной термической обработки и краткосрочного хранения готовой продукции предприятия, либо заготавливаемого впрок сырья;

– заготовительные – для хранения запасов сезонного сырья и продукции непосредственно на местах их производства, например, холодильники для хранения фруктов, птицы, яиц и т.п.

Особенностью холодильного хранения СПП является необходимость непрерывного воздействия на них холодом с момента их производства до момента потребления, что в масштабах страны возможно только при наличии «непрерывной холодильной цепи» – НХЦ. Перечисленные выше типы холодильников, а также холодильный транспорт (морской, железнодорожный, автомобильный), торговые и бытовые холодильники являются важными звеньями такой НХЦ и отсутствие любого из них делает невозможным длительное хранение СПП и реализацию идеи НХЦ. Нетрудно представить ситуацию, когда рыба, выловленная, например, в далекой Атлантике не дойдет до нашего стола, если будет отсутствовать хотя бы одно звено в цепи: производственный холодильник на самом рыбодобывающем траулере – перевозка замороженной рыбы холодильным морским транспортом – портовый холодильник – перевозка железнодорожным холодильным транспортом в какой-либо город на континенте – распределительный холодильник в этом городе – торговый холодильник – бытовой холодильник и только после этого дефростация (разморозка) рыбы и ее употребление в пищу. И таких примеров можно придумать множество. Каждая страна имеет более или менее развитую систему НХЦ, в зависимости от ее экономических возможностей, климатических условий, традиций и т.п.

Дата добавления: 2014-01-04