Абсорбционные холодильные машины: холод из тепла

Абсорбционные холодильные машины заслуживают того, чтобы более широко применять их при проектировании зданий общественного назначения с кондиционированием воздуха. Кроме того, что они практически не потребляют электрическую энергию, у них есть еще немало преимуществ. Они бесшумны в работе и не создают вибраций.

Люди, мало знакомые с холодильной техникой, нередко удивляются тому, что холод можно получить из тепла, ошибочно полагая, что такие извечные антагонисты, какими представляются им тепло и холод, не могут работать в одной упряжке. Но, на самом деле, могут, а по некоторым данным (возможно, несколько завышенным в рекламных целях), в 70 % японских зданий кондиционеры работают, используя холод, полученный из тепла в абсорбционных бромисто-литиевых холодильных машинах (АБХМ).

У нас АБХМ применяются пока еще нечасто, поэтому стоит напомнить нашим читателям о том, как эти машины работают. А чтобы напоминание не воскрешало в памяти лекционную скуку, свойственную, увы, некоторым представителям преподавательского корпуса, начнем с чайника. Каждый знает, что чайник служит для кипячения воды. Но, с другой стороны, кипящий чайник является охладителем продуктов сгорания газа. Если подвести к чайнику любой теплоноситель с температурой, превышающей 100 °C, вода в чайнике будет кипеть, а теплоноситель охлаждаться.

Если альпинист, находящийся высоко в горах, захочет вскипятить чайник, то он убедится, что вода в чайнике закипит при более низкой температуре, потому что в горах атмосферное давление ниже, чем на уровне моря, а чем ниже давление, тем ниже температура кипения воды.

Если давление понизить до 0,007 бар, то вода начнет кипеть при температуре всего 4 °C — таковы ее свойства. В этом случае достаточно было бы подвести к чайнику теплоноситель с температурой, например, 10 °C, и с помощью этого теплоносителя вода в чайнике закипела бы, как от пламени газовой горелки, а теплоноситель бы этот охладился, например, до температуры 7 °C, подобно тому, как охлаждаются под кипящим чайником продукты сгорания газа. Теплоноситель, охлажденный от 10 до 7 °C, называют холодоносителем, и его можно с успехом использовать, например, в системах кондиционирования.

В испарителе же АБХМ происходят именно такие процессы. В качестве холодильного агента в этой машине используются не фреоны, а как в чайнике — обыкновенная вода, которая кипит в испарителе, давление внутри которого близко к абсолютному вакууму.

Рис. 1. Схема АБХМ (А - абсорбер, И - испаритель, Г - генератор, К - конденсатор (1 - вакуум-насос, 2 - водяной насос холодильного агента, 3 - насос абсорбента, 4 - теплообменник), Х - потребитель холода, Т - источник тепла, Гр - градирня.

Вместе с тем, холодильная машина должна быть все же несколько сложнее чайника. Вакуум из испари теля исчезнет, как только из воды начнет образовываться пар. Чтобы этого не произошло, пар нужно удалять. В обычных компрессорных холодильных машинах пар, образующийся при кипении холодильных агентов, отсасывают компрессором. Теоретически можно было бы отсосать компрессором и водяной пар, но практически эту задачу решить сложно, потому что удельный объем водяного пара при низком давлении очень велик, и потребовался бы компрессор чрезмерно большого размера. На этом идея водяной холодильной машины могла бы уйти в область фантастики, если бы не было открыто такое вещество, как раствор бромистого лития в воде. Особенностью этого раствора является его способность жадно поглощать (по-научному — «абсорбировать») водяной пар. Если в одном объеме с испарителем распылять концентрированный раствор бромистого лития, называемый абсорбентом, то вакуум в этом объеме сохранится, поскольку пар перейдет в раствор. Правда, абсорбент очень скоро потеряет свою способность поглощать, тепло будет передано оборотной воде, циркулирующей через змеевик абсорбера, и отведено в атмосферу через градирню.

Слабый раствор из абсорбера А насосом 3 подается в генератор Г, через трубки которого циркулирует теплоноситель от источника тепла Т. Под воздействием этого тепла пар из слабого раствора испарится и через жалюзи устремится (показано стрелкой) в пространство охлаждаемого оборотной водой конденсатора К, на трубках которого пар сконденсируется, конденсат возвратится в испаритель И, а частично обезвоженный (концентрированный) раствор бромистого лития возвратится в абсорбер. Концентрация соли в растворе понижается, и вместе с этим ухудшается абсорбционная его способность. Чтобы поддерживать абсорбционную способность раствора на постоянном высоком уровне, нужно лишний пар из него выпарить. А для выпаривания нет более подходя щей энергии, чем тепловая.

Вот теперь круг замкнулся. Чтобы вакуумированный испаритель-чайник исправно выдавал холод, нужно затратить тепловую энергию. Посмотрим теперь, как задача получения холода из тепла решается в АБХМ. На рис. 1 показана принципиальная схема теплоиспользующей абсорбционной бромисто-литиевой холодильной машины.

Как мы уже знаем, холод в машине, где холодильный агент вода, возможно получить только в условиях глубокого вакуума. Поэтому непременной деталью машины является вакуум-насос 1, откачивающий воздух из герметичных аппаратов перед началом работы. Этих аппаратов всего два. Один из них включает в себя испаритель И, частично заполненный водой, и абсорбер А, частично заполненный водным раствором бромистого лития. Второй аппарат, размером поменьше, где циркулирует холодоноситель с начальной температурой, например, 13 °C. Для воды, находящейся под глубоким вакуумом, эта температура выше точки кипения. Поэтому, соприкоснувшись с поверхностью трубок, вода вскипит, и образующиеся при этом пары через жалюзи устремятся (показано стрелкой) в пространство абсорбера А.

Рис. 2. Диаграммы удельных тепловых потоков, отнесенных к единице холодильной мощности (при использовании компрессорных холодильных машин ХМ, потребляющих электроэнергию от тепловой станции ЭС - слева, и абсорбционных бромисто-литиевых холодильных машин АБХМ, работающих на тепле от котельной К).

Холодоноситель, охладившись в трубках подобно продуктам сгорания газа под чайником, поступит с температурой, например, 8 °C, к кондиционерам Х, в которых охлаждается воздух. В абсорбере водяные пары встретятся со струями концентрированного раствора бромистого лития и поглотятся ими. При этом концентрация раствора уменьшится. В процессе абсорбции выделится тепло. Холодный слабый раствор из абсорбера по пути в генератор и горячий концентрированный раствор из генератора по пути в абсорбер обмениваются теплом в рекуперативном теплообменнике 4, который повышает эффективность работы холодильной машины.

Поскольку температура раствора в генераторе выше, чем в абсорбере, то и вакуум в генераторе не столь глубок. Тем не менее, благодаря вакууму, раствор в генераторе кипит при температурах около 70 °C, а это позволяет использовать для выработки холода теплоноситель с относительно невысокими температурами, например, 88–83 °C. Диаграммы удельных тепловых потоков, отнесенных к единице холодильной мощности, при использовании компрессорных холодильных машин ХМ, потребляющих электроэнергию от тепловой электростанции ЭС (слева), и абсорбционных бромисто-литиевых холодильных машин АБХМ, работающих на тепле от котельной К.

Рис. 3. Схема АБХМ2 с двуступенчатым генератором (А - абсорбер, И - испаритель, Г1 и Г2 - генераторы первой и второй ступени, К - конденсатор (1 - вакуум-насос, 2 - водяной насос холодильного агента, 3 - насос абсорбента, 4 - теплообменник), Х - потребитель холода, Т - источник высокотемпературного тепла, Гр - градирня.

 Часто применяют машину АБХМ2 с генератором Г1, выполненным в виде котла, в топке которого сжигается природный газ. Такие машины работают с холодильным коэффициентом около 1,0. К достоинствам такого оборудования можно отнести способность работать зимой на теплоснабжение, выполняя функцию обыкновенного котла. Правда, температуры теплоносителя при этом не должны превышать 55–60 °C. При применении абсорбционных бромисто-литиевых холодильных машин с двухступенчатым генератором величина удельного расхода топлива, отнесенная к единице выработанного холода, приближается к значениям, используемой для выработки холода в АБХМ, открывает возможности использования солнечной энергии, которая в избытке как раз тогда, когда требуется холод для системы кондиционирования. Другой областью эффективного применения АБХМ являются здания с когенерационными установками, вырабатывающими электрическую и тепловую энергию. Если в таких зданиях применять для кондиционирования компрессорные холодильные машины, то в летнее время тепловую энергию придется сбрасывать в окружающую среду, и когенерация в этом случае не будет эффективной. В то же время, комплект оборудования «когенерационная установка + АБХМ», называемый тригенерацией, обеспечит высокий уровень использования энергии топлива.

Не исключается возможность использования АБХМ на объекте, где имеются водогрейные котлы. Нужно, однако, иметь в виду, что холодильный коэффициент АБХМ в обычном исполнении равен 0,7, а это означает, что с 1 кВт потребляемой тепловой энергии можно получить только 0,7 кВт холода. При этом 1,7 кВт будет передано в окружающую среду. Холодильный коэффициент компрессорных холодильных машин в пять раз выше. Правда, компрессорные машины потребляют не тепловую, а электрическую энергию, вырабатывающуюся с коэффициентом полезного действия, который в три раза меньше, чем КПД котла, но все равно удельный.

Эффективность АБХМ можно повысить, если, хотя бы частично, использовать теплоту абсорбции и конденсации, обычно отводимую в атмосферу через градирню, в системе горячего водоснабжения.

Рис. 4. Диаграмма удельных тепловых потоков, отнесенных к единице холодильной мощности, в системе АБХМ2 с двуступенчатым генератором.

Другой возможностью более эффективно использовать энергию, потребляемую при выработки холода в абсорбционной холодильной машине, можно воспользоваться, если имеется высокотемпературный источник тепла, например, пар высокого давления. В этом случае можно применить АБХМ с двухступенчатым генератором — для удобства изложения назовем ее АБХМ2. Принципиальная схема такой машины показана на рис. 3.

АБХМ2 состоит из тех же аппаратов, что и АБХМ, но отличается от нее тем, что слабый раствор концентрируется последовательно в двух генераторах. Сначала он попадает в генератор Г1, змеевик которого присоединен к источнику высокотемпературного тепла Т, а потом — в генератор Г2. Пар, образовавшийся в результате выпаривания раствора в генераторе Г1, поступает в греющий змеевик генератора Г2.

Таким образом, один из генераторов работает без подведения тепла извне, что обеспечивает более высокую эффективность холодильной машины. Ее холодильный коэффициент зависит от температуры.

Абсорбционные холодильные машины заслуживают того, чтобы более широко применять их при проектировании зданий общественного назначения с кондиционированием воздуха. Кроме того, что они практически не потребляют электрическую энергию, у них есть еще немало преимуществ. Они бесшумны в работе и не создают вибраций, они безопасны, потому что работают при давлении ниже атмосферного, они не создают угроз для озонового слоя атмосферы, потому что вместо фреона у них обыкновенная вода и, наконец, только они способны добывать холод из жарких солнечных лучей.

Правила использования материалов сайта