Тема 1.4. Регенеративные теплообменные аппараты 6 страница

Абсорбционные тепловые насосы имеют высокий к.п.д., могут работать по расщепительной схеме, у них отсутствуют движущиеся части, оборудование может быть легко изготовлено. Однако абсорбционные тепловые насосы требуют большой удельной затраты металла, что делает их громоздкими. Возможность коррозии металла требует изготовления аппаратуры из легированной стали. Циркулирующий в установке раствор щелочи может вызвать загрязнения вырабатываемого пара и усложняет условия эксплуатации. Поэтому абсорбционные тепловые насосы не получили широкого распространения в промышленности

Довольно широко применяются тепловые насосы в выпарных установках пищевой, химической, фармацевтической, текстильной и бумажной промышленности. Весьма целесообразно применение трансформаторов теплоты, осуществляющих комбинированное производство теплоты и холода (например, зимой – выработка теплоты для отопления зданий, летом – выработка холода для кондиционирования воздуха). При этом годовое число часов работы оборудования увеличивается примерно вдвое.

Целесообразно также комплексное (одновременное) производство теплоты и холода. В этом случае необратимые потери в холодильном цикле утилизируются тепловым насосом; последний получает постоянно теплоту за счет работы холодильной машины. Большие возможности эффективного применения тепловых насосов имеются при использовании природных энергетических ресурсов: солнечной энергии и термальных вод.

Тема 6.3 Холодильные установки

Газовые компрессионные холодильные машины. В воздушных холодильных машинах получение низких температур осуществляется за счет адиабатного расширения воздуха при совершении внешней работы. Схема работы воздушной холодильной машины приведена на рис. 9-3.

Воздух из охлаждаемого помещения 4 засасывается компрессором 1 и после адиабатного сжатия до давления Р1 подается в охладитель 2, где охлаждается водой при постоянном давлении до температуры Т3. Затем сжатый охлажденный воздух поступает детандер (расширитель), где совершает полезную работу при адиабатном расширении до первоначального давления Ро.

При расширении воздух охлаждается до температуры Т4 (до -60 ÷ 70˚С) и вновь поступает в охлаждаемое помещение, где нагревается при постоянном давлении до температуры Т1. Далее процесс повторяется.

Воздушные холодильные машины громоздки, так как на единицу выработанного холода из-за малой теплоемкости воздуха его требуется подать значительное количество. Вследствие указанных недостатков поршневые воздушные холодильные машины в настоящее время не применяются. Распространение получили воздушные холодильные машины с турбокомпрессорами из-за их компактности и способности перемещать большие объемы циркулирующего воздуха.

Паровые компрессионные холодильные машины. В цикле паровой холодильной компрессионной машины происходит непрерывное фазовое превращение рабочего тела (кипение, а затем конденсация). Принципиальная схема одноступенчатой паровой холодильной машины и ее рабочий цикл приведены на рис. 9-4.

Основными элементами оборудования являются компрессор, конденсатор, детандер (расширитель) и испаритель. Цикл машины, представляющий собой обратный цикл Карно, происходит в области влажного пара.

Холодильный агент кипит в испарителе 1 при давлении Ро и температуре То, при этом отводится теплота qо от охлаждаемого тела.

Влажный пар из испарителя засасывается компрессором 2 и сжимается адиабатически до давления Р1 с повышением температуры до Т . Компрессор нагнетает сжатый пар в конденсатор, где пар конденсируется при постоянных давлении Р и температуре Т, отдавая охлаждающей воде теплоту q . Жидкий хладоагент поступает в детандер 4 и расширяется адиабатно до давления Ро и температуры То, производя полезную работу за счет внутренней энергии. Далее хладоагент поступает в испаритель 1 и цикл повторяется.

Струйные ( пароэжекторные) холодильные машины. Особенность пароэжекторной холодильной машины состоит в том, что для ее работы используется кинетическая энергия струи рабочего пара. В этих машинах в качестве хладоагента обычно применяют воду. Принципиальная схема пароэжекторной холодильной установки приведена на рис. 9-5.

Рабочий пар повышенного давления Р1, образующийся в парогенераторе с затратой теплоты Q1, направляется в эжектор, где расширяется до давления Ро; при этом потенциальная энергия пара преобразуется в кинетическую энергию струи. В камере смешения струя рабочего пара захватывает пар из испарителя и, смешиваясь с ним, поступает в диффузор. В диффузоре кинетическая энергия рабочего пара затрачивается на сжатие смеси потоков пара от давления Ро в испарителе до давления Рк в конденсаторе. Пар в конденсаторе конденсируется при температуре tн.к., отдавая охлаждающей воде теплоту Qк. Образовавшийся конденсат разделяется на два потока: один дросселируется в регулирующем вентиле до давления Ро и поступает в испаритель, где вскипает за счет подвода теплоты Qо , а другой питательным насосом подается в парогенератор; при этом затрачивается работа lн.

Отсутствие в пароэжекторных машинах промежуточного теплоносителя позволяет получить температуру охлаждаемой воды. Равную температуре кипения в испарителе, что повышает эффективность и экономичность холодильной машины. К достоинствам пароэжекторной холодильной машины следует отнести также простоту конструкции и обслуживания в работе. Однако пароэжекторные машины имеют ограниченную область применения: получение холода при положительных температурах 0-10˚С.

Но даже и при этих температурах кипения воды в испарителе нужно поддерживать весьма низкое давление ( 0,0006 – 0,0015 МПа), что приводит к значительным расходам рабочего пара, а также вызывает подсос воздуха в установку. Большой удельный объем пара низкого давления требует завышенных размеров оборудования и коммуникаций установки. Пароэжекторные холодильные машины используются обычно в установках кондиционирования воздуха.

Абсорбционные холодильные машины. В таких машинах применяется бинарная смесь, компоненты которой имеют резко различные температуры кипения при одинаковом давлении. Холодильный агент должен иметь низкую температуру кипения, абсорбент (поглотитель) – более высокую.

В холодильной технике обычно используются водоаммиачные и бромистолитиевые растворы.

Водоаммиачная абсорбционная машина работает на растворе, в котором аммиак является холодильным агентом, а вода – абсорбентом. Принципиальная схема водоаммиачной холодильной машины приведена на рис. 9-6.

Пары аммиака, образующиеся в испарителе при давлении Ро и температуре tо, засасываются в абсорбер, где поглощаются слабым водоаммиачным раствором. Теплота Qа, выделяющаяся при поглощении паров аммиака, отводится охлаждающей водой. Процесс абсобции происходит при постоянном давлении, несколько меньшим давления в испарителе Ро .

Полученный в абсорбере крепкий раствор насосом перекачивается в генератор (кипятильник). При этом насосом затрачивается работа lн.. В генераторе водоаммиачный раствор выпаривается при давлении, несколько большем, чем давление в конденсаторе Рк. Теплота Qг, затраченная на получение водоаммиачного пара, подводится от внешнего источника (пар, горячая вода, газы, электричество). Водоаммиачный пар с большой концентрацией аммиака поступает в конденсатор и в нем конденсируется, отдавая теплоту Qк охлаждающей воде. Из конденсатора жидкий аммиак через регулирующий вентиль (дроссель) 3, направляется в испаритель, где кипит, производя охлаждающий эффект Qо .

После генератора водоаммиачный раствор слабой концентрации (обедненный за счет испарения аммиака) дросселируется в регулирующем вентиле и при пониженном давлении возвращается в абсорбер для поглощения паров аммиака из испарителя.

Бромистолитиевые абсорбционные машины в качестве холодильного агента используют воду, а абсорбентом в них является водный раствор бромистого лития.

Рабочие процессы бромистолитиевых машин протекают так же, как и у аммиачных.

Принципиальная схема бромистолитиевой холодильной машины приведена на

рис. 9-7

Насыщенный водой раствор бромистого лития подается насосом 6 из абсорбера в генератор, где за счет подведенной внешней теплоты (пар, горячая вода, газы) происходит выпаривание раствора.

Образующийся чистый водяной пар, не требующий ректификации( в водоаммиачных машинах некоторое количество абсорбента циркулирует вместе с аммиаком) поступает в поверхностный конденсатор и там конденсируется охлаждающей водой. Конденсат через гидрозатвор перетекает в испаритель. Сюда же поступает теплая вода от потребителя холода. Давление (упругость) водяных паров над раствором в абсорбере ниже, чем в испарителе, так как температура воды, посупающей в испаритель, выше температуры раствора в абсорбере. Поэтому в испарителе происходит частичное испарение воды, вследствие чего основная масса ее охлаждается (обычно до температуры 3-5˚С).

Охлажденная вода из испарителя насосом 8 подается к потребителю холода, а образующийся пар поступает в абсорбер и поглощается раствором бромистого лития.

Процесс абсорбции водяного пара происходит экзотермически, т.е. сопровождается выделением тепла, которое отводится охлаждающей водой. Насыщенный водой (слабый) раствор бромистого лития подается насосом 6 по двум направлениям. Меньшая часть его, как было указано выше, направляется через теплообменник в генератор для выпаривания; другая часть смешивается с крепким раствором, идущим из генератора. Полученная смесь поступает в абсорбер через разбрызгивающие устройства.

Аппараты бромистолитиевой машины работают под вакуумом. Попадающий в установку воздух отводится из абсорбера и конденсатора вакуум-насосом 9.

Особенности бромистолитиевых холодильных машин:

1. в этих машинах концентрация рассола в генераторе возрастает, а в абсорбере понижается (в водоаммиачных машинах имеет место обратное явление);

2. так как в бромистолитиевых машинах холодильным агентом является вода, то температура кипения в испарителе должна быть выше 0˚С.

К недостаткам бромистолитиевых машин можно отнести:

1. агрессивность бромистого лития по отношению к черным металлам, вследствие которой приходится трубки в абсорбереии генераторе выполнять из нержавеющей стали или медноникилиевого сплава, а на поверхность корпуса аппаратов наносить специальные покрытия;

2. работа установки под глухим вакуумом, что усложняет ее эксплуатацию и требует расхода энергии на вакуум-насосы;

3. невозможность получения в установке холода сравнительно низкой температуры.

Однако бромистолитиевые машины имеют ряд положительных качеств. Основные преимущества бромистолитиевых машин:

1. бромистый литий не ядовит, не горюч и не взрывоопасен;

2. полученный в аппарате водяной пар свободен от примеси бромистого лития, в установке не нужен ректификатор, что повышает ее экономичность (тепловой коэффициент);

3. меньшая масса и большая компактность, чем у водоаммиачных холодильных машин.

Бромистолитиевые машины применяются в основном для охлаждения воды и, в частности, для установок кондиционирования воздуха.