Абсорбционные холодильные установки

Рабочим телом в абсорбционных холодильных машинах служит бинарная смесь хладагента (обычно аммиак или вода) и абсорбента, способного растворять хладагент и поглощать его пары из бинарной паровой смеси (для аммиака абсорбентом является вода, для воды — бромистый литий). Подчеркнем, что температуры кипения хладагента /_нх и абсорбента г_на должны быть существенно разными и /_нх << /_на.

Чтобы понять принцип работы абсорбционного холодильника, рассмотрим сначала некоторые термодинамические свойства бинарных смесей. На рис. 7.13 приведена фазовая /—С-диаграмма бинарной смеси при некотором фиксированном давлении р. На ней линия ЛаВ отражает зависимость температуры кипения смеси от массовой концентрации хладагента С_х. При С_х = 0 (точка А) это температура кипения абсорбента /_на, а при С_х= 1,0 (точка В) — температура кипения чистого хладагента /_нх; при 0 < С_х < 1,0 температура кипения смеси /_нсм имеет некоторое промежуточное значение. Область, лежащая ниже линии АаВ, отражает состояния бинарной жидкой смеси.

Понятно, что при нагреве до температуры насыщения (например, до температуры точки а) жидкая смесь начинает кипеть, но интенсивность парообразования каждой из составляющих этой смеси неодинакова, и та из них (в нашем случае хладагент), температура кипения которой ниже, выкипает интенсивней. В результате при равновесном состоянии системы «жидкость — пар» концентрация хладагента в паровой фазе С„ будет намного большей, чем концентрация его С_ж в жидкой смеси (точка Ь). Состояния сухого насыщенного пара смеси отражены линией АЬВ. Если сухой насыщенный пар далее нагревать, то образуется перегретый пар с определенной концентрацией компонентов. Область такого пара расположена выше линии АЬВ. В процессе кипения в закрытой системе концентрация хладагента уменьшается, и процесс идет от точки а к точке 1 с повышением температуры насыщения.

Установив, что при парообразовании концентрация хладагента в паровой фазе больше, чем в жидкой смеси, посмотрим теперь, что происходит при конденсации насыщенного пара бинарной смеси. Если насыщенный пар с достаточно высокой концентрацией хладагента (точка Ь) соприкасается с жидкостью, концентрация хладагента в которой гораздо меньше, чем у пара (например, в точке /), то он, имея более низкую температуру насыщения по отношению к жидкости, является переохлажденным и поэтому будет конденсироваться, а точнее — поглощаться или абсорбироваться жидкостью. Естественно, что концентрация хладагента в жидкой смеси будет постепенно увеличиваться за счет избытка его в абсорбируемом паре и процесс пойдет по линии 1 — а. Отметим, что для выпаривания раствора необходимо подводить теплоту, а при обратном процессе — адсорбции хладагента выделяется теплота парообразования.

На рис. 7.14 приведена структурная схема абсорбционной водоаммиачной установки, позволяющая прокомментировать работу и термодинамический цикл абсорбционного холодильника.

В парогенераторе / с помощью электронагревателя /?,, концентрированный водно-аммиачный раствор нагревается до температуры примерно 80°С, при этом раствор закипает и происходит выделение паров воды и аммиака. Концентрация паров аммиака в получающейся паровой смеси будет очень большая, во много раз больше, чем в растворе. Концентрация водяного пара, наоборот, будет минимальна:

с_й=-с_х.

• 3
• 5

Рис 7.14. Схема абсорбционной водоаммиачной холодильной установки

Из парогенератора бинарная паровая смесь направляется в конденсатор 2, который охлаждается, например, проточной водой. В результате пар конденсируется и получается жидкая бинарная смесь с очень высокой концентрацией аммиака. И хотя при конденсации давление рабочего тела заметно уменьшается, все же оно остается достаточно высоким, практически равным давлению насыщения аммиака при температуре в конденсаторе (для аммиака, например, при /_к = 20°Ср_н = 0,8572 МПа). Далее жидкость направляется в дроссель-

ное устройство 3, где происходит ее дросселирование и значительное захолаживание благодаря большому положительному дроссель-эффекту аммиака.

Из дроссельного устройства захоложенная парожидкостная смесь направляется в испаритель 4, расположенный в охлаждаемом помещении 5. Здесь за счет тепла, забираемого из охлаждаемого помещения, происходит испарение жидкости, а образовавшийся пар с высокой концентрацией хладагента по трубам направляется в абсорбер 6. Сюда же после предварительного охлаждения и дросселирования в дроссельном вентиле 7 направляется и слабый водоаммиачный раствор, полученный в результате выпаривания в парогенераторе. При дросселировании в вентиле 7 он также несколько захолаживается.

Таким образом, в абсорбере 6 при сравнительно низкой температуре оказываются жидкая смесь со слабой концентрацией аммиака и пар с очень высокой его концентрацией. В результате здесь происходит поглощение (абсорбция) хладагента и рост концентрации его в жидкой смеси, которая к тому же и нагревается за счет теплоты конденсации. Из абсорбера концентрированная смесь циркуляционным насосом 8 направляется снова в парогенератор /, и цикл повторяется.

Теплоту, которую несет с собой слабый раствор, выходящий из парогенератора, утилизируют в теплообменнике 9 для дополнительного нагревания концентрированного раствора, полученного в абсорбере. Наличие такого теплообменника обеспечивает лучшую циркуляцию смеси по системе за счет свободной конвекции. Следует учитывать еще и то, что плотность концентрированного раствора всегда больше плотности малоконцентрированного раствора, и, тем более, плотности пара. Поэтому, располагая аппараты соответствующим образом по высоте, можно создать установку, в которой циркуляция жидкости будет осуществляться только за счет естественной конвекции при отсутствии циркуляционного насоса и любых движущихся деталей.