АДСОРБЦИОННЫЕ ТЕРМОТРАНСФОРМАТОРЫ
5.5.1. Общие сведения
В последнее время все больше стали проявлять интерес к системам теплохладоснабжения, основанным на явлении адсорбции. Они используют нетрадиционные источники энергии, в том числе солнечную. Эти установки не имеют движущихся механизмов, не требуют квалифицированного обслуживания и при их работе не используется электроэнергия. Особое распространение получили сорбционные холодильные установки небольшой мощности, в том числе индивидуального пользования.
Первые установки созданы на базе хлорида кальция и аммиака. Хлорид кальция в безводном состоянии может поглощать большое количество аммиака с образованием аммиакатов. Наивысшей степенью насыщения обладает октоаммиакат (CaCl2-8NH3). Несколько лучше показатели у хлорида стронция с наивысшей степенью насыщения аммиаком SrCl-8NH3.
Высокая сорбционная емкость достигается при применении в качестве адсорбента солей. Рабочая пара сульфид серы — вода может применяться как в холодильном, так и в теплонасосном цикле. Вода образует с сульфидом серы соединение Na2S-5H2O, которое при нагреве разлагается по уравнению
Na,S-5H2O -> Na2S + 5Н2О.
Хорошо зарекомендовала себя в экспериментальных исследованиях также система хлорид магния — вода.
Весьма перспективным в качестве хладагента является метиловый спирт. Адсорбентом в сочетании с метаном могут служить хлорид, бромид или йодит кальция, стронция, лития и магния. Преимущество метанола в качестве хладагента по сравнению с аммиаком состоит в том, что при его применении достигается высокий термический КПД.
В качестве сорбента для метанола используется и цеолит NaX. Эта рабочая пара позволяет получить температуры испарения до -10 °C и обеспечивает стабильность циклов сорбции-десорбции. Недостатком NaX является малая сорбционная емкость по метанолу.
Более эффективным сорбентом является активированный уголь АС-35.
Весьма перспективна пара бромид лития — метанол. Для повышения эффективности этой сорбционной пары используются добавки связующих (СаСО3, А12О3) или пористые гранулы на основе различных наполнителей (базальтовое волокно, асбест, перлит), пропитанные жидким солевым раствором. Особо эффективен наполнитель на основе вспученного перлита. Пропитка гранул производится под вакуумом 40-процентным раствором бромида лития в метаноле [61].
Рис. 5.38. Солнечный адсорбционный холодильник
Для систем кондиционирования рекомендуется пара адсорбент — хладагент со слабой связью (типа твердый поглотитель — вода). Для производства льда или в холодильных установках, обеспечивающих низкую температуру, следует пользоваться парой с более сильной связью (типа твердый поглотитель — метанол).
Принципиальная схема гелиоадсорбционной холодильной установки приведена на рис. 5.38. Она состоит из генератора-адсорбера 1 типа «горячий ящик», воздушного конденсатора 2, ресивера 3 и испарителя 4, размещенного в холодильной камере 5.
На рис. 5.39 приведена схема адсорбционной гелиохолодильной установки [62] периодического действия. В дневное время за счет солнечной энергии адсорбент, помещенный в генераторе 1, нагревается и десорбирует. Пары хладагента поступают в конденсатор 2, где охлаждаются. Из конденсатора хладагент сливается в ресивер 3, где накапливается в течение дня. В дневное время испаритель 4 заполнен жидким хладагентом. При температуре ниже критической терморегулирующий вентиль 6 закрыт. При температуре выше критической вентиль 6 открывается и вода из водопроводной линии по охлаждаемому трубопроводу 5 поступает внутрь генератора 1, отбирая избыточную теплоту от адсорбента и снижая его температуру и давление. Одновременно с этим вода днем нагревается и используется потребителем.
Для интенсификации нагрева адсорбента в дневное время и охлаждения в ночное в слой адсорбента вводят тепловую трубку (рис. 5.40), а между генератором-адсорбером и конденсатором — эжектор [63].
Рис. 5.39. Адсорбционная гелиохолодильная установка
Рис. 5.40. Гелиохолодильная установка
В дневное время в генераторе 1 адсорбент 2 нагревается солнечной энергией. Хладагент, испаряющийся при высоком давлении из адсорбента, через эжектор 3 поступает в конденсатор 4, где конденсируется. После снижения давления в дросселе 5 жидкий хладагент поступает в ресивер 6, а затем в испаритель 7, где кипит при низком давлении. Этим обеспечивается холодильный процесс. Образующиеся пары хладагента низкого давления отсасываются эжектором 3. Обратный клапан 8 при этом закрыт.
В ночное время в генераторе 1 адсорбент 2 охлаждается окружающим воздухом, омывающим как генератор 1, так и испарительную зону тепловой трубы. Давление в установке падает, хладагент, оставшийся в ресивере 6, поступает в испаритель 7 и кипит, обеспечивая холодильный процесс. Образующиеся при этом пары хладагента через обратный клапан 8 поступают в генератор 1, в котором поглощаются адсорбентом. Этим цикл замыкается.
Одна из последних схем гелиоадсорбционной холодильной установки изображена на рис. 5.41. Под действием солнечной энергии в генераторе 1 из твердого адсорбента при высоком давлении выделяются пары хладагента. В сопле эжектора 8 пары расширяются, что позволяет подсасывать из испарителя 5 по ветви 6 пары хладагента. Смесь паров из эжектора поступает в конденсатор 2, где конденсируется. Жидкий хладагент через регулирующий вентиль 3 поступает в ресивер 4 и сливается в испаритель 5. Обратный клапан 7 в это время закрыт под действием разности давлений между генератором и испарителем.
Рис. 5.41. Гелиоадсорбционная холодильная установка
Значительно больший интерес представляют адсорбционные системы с термотрансформатором-аккумулятором, позволяющие более длительно аккумулировать теплоту. В этих системах летом за счет солнечной энергии идет регенерация адсорбента, а теплота конденсации аккумулируется, например, в подземном теплообменнике. Зимой эта теплота направляется в испаритель, а теплота адсорбции используется для теплоснабжения при 50...60 °C. При этом нет необходимости в дублирующем источнике энергии, а потери сведены к минимуму.
Принципиальная схема установки сезонного действия приведена на рис. 5.42. Установка работает следующим образом.
Летний режим. Теплотрансформатор работает днем. Теплоноситель из гелионагревателя 1 поступает в адсорбер 3 через краны KI, К2, бак-аккумулятор 2, краны Кб, К7. В адсорбере происходит регенерация адсорбента в результате предварительного его нагрева в коллекторе. Образовавшийся пар поступает в конденсатор 4, где конденсируется. Полученная при этом теплота конденсации поступает в грунтовый аккумулятор 8 через краны К10 и К11. Конденсат накапливается в ресивере 5.
Зимний режим. Адсорбционный термотрансформатор работает круглосуточно. Из ресивера 5 конденсат через кран К5 подается в испаритель 7, где испаряется за счет теплоты, поступающей из грунтового аккумулятора 8 через краны К10, К11. Далее пары из испарителя 7 поступают в адсорбер 3, где поглощаются адсорбентом. При этом появляется теплота адсорбции, которая используется для нужд отопления потребителем 6. Теплоноситель поступает через краны Кб, К7.
Рис, 5,42, Схема адсорбционного теплового насоса для сезонного аккумулирования: летний режим; — зимний ре жим
Рис. 5.43. Схема адсорбционного теплового насоса с аккумулированием:
1 — гелионагреватель; 2 — бак- аккумулятор; 3 — адсорбер; 4 — конденсатор; 5 — котел; 6 — ресивер; 7—потребитель теплоты; 8 — испаритель; 9 — потребитель холода; 10 — грунтовый теплообменник; дневной режим;
------ — ночной режим
На рис. 5.43 приведена схема адсорбционного термотрансформатора с аккумулированием.
Дневной режим. Теплота от источника теплоты, в качестве которого могут служить электрокотел, вторичные энергоресурсы, геотермальная вода и пр. (на рис. 5.43, в частности, — гелионагреватель 7), поступает в адсорбер 3, где протекает регенерация адсорбента. Выделяющиеся пары направляются в конденсатор 4, где конденсируются. Выделяющаяся теплота конденсации через краны К9, К8 поступает к потребителю теплоты 7. Конденсат собирается в ресивере 6. При недостаточности теплоты от солнечного коллектора в систему теплоснабжения включают котел 5.
Ночной режим. Теплота от аккумулятора 10 при помощи насоса передается тепловому насосу, в котором конденсатор 9 служит потребителем холода. Из испарителя 8 теплоноситель направляется в адсорбер 3. Выделяющаяся теплота адсорбции при помощи теплоносителя через краны Кб, КЗ, К9 передается потребителю 7.
