АБСОРБЦИОННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ
5.4.1. Общие сведения. Интенсификация процессов в абсорбционных термотрансформаторах
Вопросы теории и практики термотрансформаторов интенсивно развивались в течение последних 40 лет [18-21].
Действительный рабочий процесс абсорбционного термотрансформатора (АТТ) является довольно сложным, так как осуществляется бинарным раствором.
Соблюдая структуру теплового насоса, абсорбционный термотрансформатор условно можно разбить на следующие части:
- термохимический компрессор (генератор, абсорбер и связывающие их линии крепкого раствора через насос и слабого раствора через дроссельный вентиль, а также теплообменники на линии крепкого и слабого растворов);
- основная часть (конденсатор, дроссельный вентиль и испаритель, связанные линией хладагента и теплообменники на ней).
Абсорбционных термотрансформаторов имеется большое разнообразие главным образом из-за применения различных типов термохимического компрессора.
Особенностью абсорбционных систем является то, что, располагая одним источником высокопотенциальной теплоты, можно получить кроме холода еще три уровня теплоты: конденсации, абсорбции и дефлегмации. Это несколько осложняет проблему эксплуатации установки, но для теплового насоса имеет свои преимущества: нет шума во время работы, большой срок эксплуатации, удобство автоматизации системы.
Эксергетический анализ абсорбционного водоаммиачного термотрансформатора [22] показал, что основные потери происходят в генераторе — 19 %, ректификаторе — 16, абсорбере— 16 %. Поэтому при интенсификации процессов в абсорбционных термотрансформаторах основное внимание надо обращать на эти элементы.
При дефлегмации происходит раздельная конденсация компонентов бинарной смеси при температурах, соответствующих их парциальным давлениям.
Степень насыщения π любого компонента паровой смеси определяется отношением парциального давления данного компонента в смеси к давлению насыщения его, если он один занимает весь объем при той же температуре.
Для водоаммиачной смеси
Совпадение экспериментальных данных с результатами расчетов по формуле (5.41) приведены в работе [18].
Поскольку дефлегмация состоит из двух процессов, то интенсификация одного из них приводит к качественному изменению флегмы — при ускорении конденсации водяных паров флегма обедняется. Образование флегмы дает возможность организовать адиабатный тепло- и массообмен между поступающей в дефлегматор паровой смесью и флегмой. Адиабатная ректификация уменьшает содержание паров абсорбента в смеси и рабочего агента во флегме. Вследствие этого можно сократить поверхности охлаждения дефлегматора и уменьшить расход теплоты на осуществление процесса кипения в генераторе.
Тепломассообмен между паром и флегмой может происходить как отдельно в дефлегматоре и ректификаторе, так и совместно. Для интенсификации процесса кипения смеси в генераторе и дальнейшего укрепления и очищения пара рационально все три аппарата совместить в одном кожухе, что уменьшит влияние окружающей среды на процессы теплообмена.
Рис. 5.17. Схемы отведения теплоты дефлегмации частью крепкого раствора:
а — теплообменом; б — тепломассообменом; ВД — водяные дефлегматоры; РД — растворные дефлегматоры; Н — насосы; Г — генераторы; Р — ректификаторы; А — абсорберы; РТО — регенеративные теплообменники; ДВ — дроссельные вентили
Отбираемый до регенеративного теплообменника растворов холодный крепкий раствор рационально использовать для уменьшения теплоты ректификации следующими способами: для охлаждения дефлегматора (рис. 5.17, а); смешением с ректифицируемым паром, благодаря чему концентрация последнего будет дополнительно повышаться;
комбинированием указанных методов (рис. 5.17, б).
Следует подчеркнуть, что приведенные выше рекомендации по организации процессов уменьшают теплоту нагрева, но несколько усложняют конструкцию аппарата.
Пути совершенствования абсорбционной системы тепло- хладоснабжения лежат в средствах донасыщения крепкого раствора до его поступления в дефлегматор. Самым оптимальным вариантом режима работы является тот, когда теплота дефлегмации отводится исключительно раствором при полном отсутствии отвода ее в окружающую среду. В работе [23] приведены логическая структура оптимизации системы дефлегмации и ее связи с абсорбером (рис. 5.18).
Все предлагаемые усовершенствования относятся к абсорбционной машине, работающей в режиме теплового насоса.
Рис. 5.18. Перспективные направления повышения эффективности системы «дефлегматор—абсорбер»
В термохимических компрессорах простых абсорбционных термотрансформаторов предусмотрены один восходящий поток крепкого раствора и один нисходящий поток слабого раствора (см. рис. 5.17). При этом имеются соответственно один дроссельный вентиль на потоке слабого раствора и один насос на потоке крепкого раствора.
В системах с донасыщением крепкого раствора количество восходящих потоков увеличивается.
На рис. 5.19, а изображена схема АТТ с донасыщением крепкого раствора, которое протекает при давлении кипения р0. В схеме 5.19, б обращенный ректификатор работает под давлением, равным давлению в основном абсорбере.
Чтобы работа абсорбционного термотрансформатора не зависела от температурного уровня охлаждающей среды, предложено заменить внешний источник охлаждающей средой, а для обращенного ректификатора — ресурсами установки [24]. Это было достигнуто установкой дополнительной ступени дросселирования жидкого хладоагента до промежуточного давления между конденсатором и испарителем (рис. 5.20). С этой целью после дроссельного вентиля установлен отделитель жидкости, соединенный со входом в охлаждающий змеевик обращенного ректификатора, а паровая сторона отделителя — с выходом из змеевика.
Рис. 5.19. Схемы с термохимическим компрессором абсорбционного термотрансформатора с донасыщением крепкого раствора:
а — в основном абсорбере с использованием охлаждающей среды пониженного температурного уровня; б — в обращенном ректификаторе; обозначения те же, что и на рис. 5.17
Рис. 5.20. Абсорбционный термотрансформатор с обращенным ректификатором:
Д — дефлегматор; ТО — теплообменники; ОР — обращенный ректификатор; КЦ — концентратор; К — конденсатор; ПО — переохладитель; ОЖ — отделитель жидкости; остальные обозначения те же, что и на рис. 5.17
Тем самым требуемая для производства дополнительного холода энергия получается за счет использования низкопотенциальной теплоты, которая не может быть использована в основном процессе. Кроме того, образовавшиеся пары в охлаждающем змеевике обращенного ректификатора и пары из паровой области отделителя жидкости могут быть возвращены в основной процесс. Для этого нужно установить компрессор, который обеспечит их сжатие до давления конденсации. Это удорожает машину, повышает расход электроэнергии и увеличивает металлоемкость.
В некоторых случаях на проводе крепкого раствора требуется установка дополнительного подогревателя (на рис. 5.20 показан штриховой линией).
Кратность циркуляции раствора высшей концентрации, отводимого из обращенного ректификатора в дефлегматор, охлаждаемый раствором, определяется соотношением
(5.42)
где </д — действительная теплота дефлегмации; г]д — КПД, учитывающий тепловые потери в дефлегматоре; Айд — приращение энтальпии раствора наивысшей концентрации в змеевике дефлегматора.
Режим, в котором φ = 1, является оптимальным, так как дает возможность отказаться от водяного дефлегматора.
Выполненный анализ [23] позволяет сделать вывод, что наиболее экономичным является система донасыщения крепкого раствора парами хладоагента в дополнительном абсорбере.
Термодинамический анализ водоаммиачных термотрансформаторов абсорбционного типа рекомендуется выполнить на основе метода циклов [32], состоящего в рассмотрении ряда обратимых циклов: цикла Лоренца, обобщенного цикла Карно и как их совместное решение — обобщенного цикла Лоренца (табл. 5.4).
В любом термотрансформаторе существуют следующие необратимости: внешняя — в процессе теплообмена с внешними источниками энергии при наличии конечной разности температур; внутренняя — в процессе расширения (дросселирования) и в процессе сжатия в компрессоре (в данном случае термохимическом).
Таблица 5.4. Выбор образца
Цикл-образец представляет собой соединение двух циклов
В работе [32] доказана правомерность замены цикла Карно—Карно на обобщенный Карно — обобщенный Карно. Условием выбора цикла-образца Лоренц—Карно является соблюдение термического равновесия между рабочей теплотой и источником теплоты.
На рис. 5.21 приведены схема действительного АТТ, изображение цикла в диаграмме h—ξ и цикла-образца Карно с РТО — Карно с РТО.
Рис. 5.21. Действительный абсорбционный термотрансформатор:
а — схема его; б — цикл в диаграмме h—ξ; в — цикл-образец Карно с РТО — Карно с РТО
