Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника
Посмотреть оригинал

Абсорбционные тепловые насосы, термодинамические основы

Абсорбционные термотрансформаторы (тепловые насосы) представляют собой сложную термодинамическую систему, состоящую из совмещённых прямого и обратного циклов, и подразделяются на понижающие и повышающие. Понижающие термотрансформаторы выполняются как с паровым (или водяным) обогревом генератора, так и с генератором, обогреваемым продуктами сгорания газообразного или жидкого топлива. Повышающие термотрансформаторы выполняются с водяным или паровым обогревом генератора и испарителя.

Обратный цикл термотрансформаторов осуществляется с помощью однокомпонентного рабочего вещества (растворителя), а прямой - с помощью раствора (абсорбента).

Схема понижающего термотраисформатора полностью соответствует схеме абсорбционной холодильной машины, но при выработке тепла в испаритель подводится тепло от источника окружающей среды или сбросного низкопотенциальпого источника, а в абсорбере и конденсаторе отводится тепло к источнику нагреваемого объекта; генератор обогревается при этом высокопотенциальпым греющим источником.

Повышающий трансформатор работает по обращённой схеме абсорбционной холодильной машины при условии, что температура источника нагреваемого объекта выше температуры греющего источника. В данном термотрансформаторе греющий источник подводится не только в генератор, но и в испаритель, источник окружающей среды (вода или воздух в холодное время года) подводится в конденсатор, а источник нагреваемого объекта в абсорбер.

В настоящее время широко применяется в абсорбционных термотрансформаторах только водный раствор бромистого лития. Однако с участием авторов был выполнен поиск новых рабочих веществ на основе водных и неводных растворов и исследованы их свойства. Ими являются водные растворы солей хлорида кальция - нитрата кальция, хлорида лития - хлорида кальция - нитрата кальция, хлорида лития - хлорида кальция - нитрата цинка, хлорида лития - хлорида цезия, холинхлорида, хлористого кальция - холинхлорида и др. [3.43; 3.54; 3.60].

Для оценки термодинамической эффективности различных рабочих веществ абсорбционного понижающего термотраисформатора рассмотрены теоретические циклы с полной рекуперацией тепла в растворных теплообменниках [3.61]. В циклах отсутствуют

необратимые потери в испарителе, генераторе, конденсаторе и абсорбере; температура нагреваемой в абсорбере среды равна низшей температуре абсорбции; температура конденсации пара равна температуре нагреваемой в конденсаторе среды, а высшая температура раствора в абсорбере равна температуре нагретой среды.

На основании сопоставлений величин теоретических

коэффициентов трансформации тепла в одноступенчатых циклах абсорбционных понижающих термотраисформаторов с различными водосолевыми растворами можно сделать общий вывод о том, что в зависимости от температур сред их значения составляют 1,85-1,98 и отличаются от значений теоретических коэффициентов трансформации в циклах тепловых насосов с водным раствором соли бромистого лития в большую или меньшую стороны в среднем на 3-4%.

В связи с тем, что водный раствор бромистого лития является широко апробированным рабочим веществом, он и принят для применения в термотрансформаторах нового поколения. Так как термодинамические и теплофизические свойства водного раствора бромистого лития исследованы не только различными авторами, но и в различных интервалах температур, давлений и концентраций, в работе [3.611 было выполнено обобщение указанных свойств в области температур 0-240 °С, давлений до 2 МПа и массовых концентраций 0- 70%.

Сопоставление данных разных исследователей показало также, что для создания унифицированной математической модели расчёта па ЭВМ процессов бромистолитиевых термотраисформаторов в широком диапазоне изменения параметров внешних источников наиболее приемлем метод расчёта фазового равновесия водного раствора бромистого лития:

где t и tp - температура соответственно водного раствора бромистого лития и насыщенного водяного пара, °С; А(х) и В (х) - постоянные коэффициенты.

Удельная энтальпи водного раствора бромистого лития определяется следующим выражением:

где i - удельная энтальпия, кДж/кг;

Т - температура,

К; an, bn, cn, d - постоянные коэффициенты;

?, - массовая доля бромистого лития, %.

Диапазоны изменения значений: -10 < Т <90° С; 40 < ^ < 75%; р< 2- давление, МПа.

Однако расчётные данные по уравнению (3.19) имеют расхождение с данными различных авторов, которое составляет 3,5- 7,5%.

С целью обобщения указанных данных выполнена

аппроксимация разности экспериментальных и расчётных значений удельной энтальпии, и получена зависимость, позволяющая согласовать их расхождение (3.41]

С учётом поправки (3.20) выражение (3.19) принимает вид

АТН подразделяются на два основных вида - водоаммиачиые и солевые [3.1; 3.36; 3.34]. В водоаммиачных машинах абсорбентом является вода, а хладагентом - аммиак. В солевых машинах абсорбентом является водный раствор соли, а хладагентом - вода. В мировой практике в настоящее время применяют преимущественно солевые ТН, в которых абсорбентом является водный раствор соли бромистого лития (HiO/LiBr) - АБТН (абсорбционные

бромистолитиевые тепловые насосы).

В АБТН процессы переноса теплоты совершаются с помощью совмещенных прямого и обратного термодинамического циклов, в отличие от парокомпрессионных ТН, в которых рабочее тело (хладон) совершает только обратный термодинамический цикл.

По отечественной классификации абсорбционные бромистолитиевые машины подразделяются на повышающие и понижающие термотрансформаторы. В настоящей работе

рассматривается понижающий термотрансформатор, как наиболее распространенный тип.

По виду потребляемой высокотемпературной теплоты АБТН подразделяются на машины:

  • - с паровым (водяным) обогревом;
  • - с огневым обогревом на газообразном или жидком топливе.

По термодинамическому циклу АБТН бывают с одноступенчатой или двухступенчатой схемами регенерации раствора, а также двухступенчатой абсорбцией.

Схема работы бромисто-литиевого теплового насоса такова. В трубное пространство испарителя подается низкотемпературная вода, где она охлаждается за счет кипения в вакууме и стекает в виде пленки по межтрубному пространству. Образовавшийся при этом пар абсорбируется (поглощается) водным раствором бромистого лития, стекающим по межтрубному пространству. При этом раствор нагревается и его теплота отводится водой, протекающей внутри труб абсорбера. Таким образом происходит перенос тепла с низкотемпературного уровня в испарителе на более высокий в абсорбере. Поглощая водяной пар, раствор бромистого лития становится слабым, снижается его концентрация. Для регенерации раствор подается через теплообменник в генератор, где он упаривается (концентрируется) за счет источника тепла или сжигаемого газообразного или жидкого топлива. Крепкий раствор подается в абсорбер через теплообменник. Полученный в генераторе пар направляется в межтрубное пространство конденсатора. Нагреваемая вода подается в абсорбер и конденсатор и отдается потребителю. Все процессы протекают под вакуумом.

Абсорбционные тепловые насосы работают на принципе поглощения водяного пара водными растворами щелочей (NaOH, КОН). Процесс абсорбции водяного пара происходит экзотермически, т.е. с выделением тепла. Это тепло расходуется на подогрев раствора до температуры, значительно превышающей температуру абсорбируемого пара. Нагретый раствор щёлочи по выходе из абсорбера направляют в поверхностный испаритель, где генерируется вторичный пар более высокого давления, чем первичный пар, поступающий в абсорбер. Таким образом, в абсорбционных тепловых насосах процесс получения пара повышенного давления осуществляется за счёт использования тепла, подведённого извне. Абсорбционные тепловые насосы представляют собой агрегатированные машины, в которых подводимая низкопотеициальпая теплота преобразуется в теплоту более высокого потенциала (до 90 °С). В качестве источника высокопотенциальной энергии, необходимой для осуществления термотрансформации, используется пар, сетевая вода, газообразное или жидкое топливо. В настоящее время находят широкое применение бромисто-литиевые абсорбционные тепловые насосы (АБТН).

Технологические элементы АБТН: испаритель, конденсатор, генератор, абсорбер, теплообменник.

Генератор - элемент, характерный только для абсорбционных тепловых насосов. Он предназначен для выпаривания хладагента высокой чистоты из крепкого раствора. В химическом производстве такой способ применяют для разделения различных веществ, поэтому и здесь начали использовать аппараты подобной конструкции. В случае применения пары рабочих веществ (например аммиак-вода), используемой исключительно в абсорбционных теплонасосных установках, необходимо учитывать высокое эксплуатационное давление в генераторе, в особенности для тепловых насосов в зависимости от рабочей температуры, связанной с давлением в конденсаторе; например, при рабочей температуре 60 °С и последовательном подключении конденсатора и абсорбера давление составляет 2,5-3 МПа.

В зависимости от способа обогрева генератора различают аппараты с обогревом паром (водяной пар), горячей жидкостью (в основном горячая вода) и горячим воздухом (в основном отработавшие и горючие газы). Поскольку при температуре выше 260 °С аммиак начинает разлагаться, а в присутствии железа уже при более низких температурах из водного раствора аммиака выделяется водород, максимальные температуры при использовании рабочей пары вещества аммиак-вода не должны превышать 180-200 °С или даже 160-170 °С. Возникновение более высоких температур при непосредственном сгорании горючих газов связано с большими потерями эксергии, поэтому теплонасосные установки такого типа применяют лишь в редких случаях.

При использовании рабочих пар веществ, где растворитель имеет лишь незначительное парциальное давление пара по сравнению с хладагентом, в процессе выпаривания выделяется пар хладагента высокой частоты. Однако рабочая пара веществ аммиак-вода не относится к этому случаю, поскольку вместе с паром аммиака выделяется водяной пар и поэтому требуется дополнительное подключение ректификационного устройства.

Абсорбционные технологии охлаждения и нагрева широко применяются в различных отраслях промышленности. Несмотря на продолжительную историю ATT, основным холодильным оборудованием являются парокомпрессиониые холодильные машины с электрическим приводом. Однако, благодаря последним разработкам, абсорбционные бромистолитиевые трансформаторы теплоты (АБТТ) стали альтернативой электроприводным во многих приложениях. Об этом говорит рост производства АБТТ в мире и расширение стран производителей. По данным, приведённым в обзоре Международного Энергетического Агентства (IEA), всего произведено около 12000 единиц АБТТ средней и крупной мощности, а на сегодняшний день их мировое производство достигло 15000 единиц. Основной прирост приходится на Китай и Южную Корею.

Широкое распространение в мире и непрерывный рост производства АБТТ объясняется их высокими потребительскими качествами: экологическая чистота, минимальное потребление дорогостоящей электроэнергии, бесшумность при работе, длительный срок службы. Рабочим веществом АБТТ является вода, а абсорбентом - водный раствор соли бромида лития (нетоксичного, пожаро- взрывобезопасного вещества). Все процессы в АБТТ протекают под вакуумом, что исключает попадание рабочего вещества и абсорбента во внешние теплоносители. АБТТ не имеют динамических нагрузок и поэтому могут располагаться на любом этаже здания.

В соответствие с Монреальским протоколом 1987 г.,

подписанным сорока тремя странами, фактически все хладопы, используемые в парокомпрессиопных машинах, проходят более тщательный контроль па «озонобезопасность» и «парниковый эффект» и облагаются жёсткими штрафами при их неправильном применении и утилизации. Поскольку в АБТТ хладагентом является вода, то они практически не влияют на озоновый слой атмосферы, и значительно меньшее влияние оказывают на создание парникового эффекта, чем парокомпрессионные хладоновые машины.

Высокие цены па электрическую энергию также является одной из основных причин возрастающей популярности АБТТ, поскольку они позволяют экономить 180-200 кВт ч электроэнергии на каждые 1000 кВт ч произведённого тепла.

Наибольшее применение находят теплоиспользующие абсорбционные бромистолитиевые тепловые насосы, имеющие наилучшие характеристики из АТН и использующие так называемые абсорбционные понижающие термотраисформаторы, позволяющие получить из теплоты высокого потенциала и, как правило,сбросной теплоты низкого потенциала, непригодной для прямого использования, теплоту среднего потенциала для конкретного потребителя.

Имеется еще один вид АПТ - абсорбционные бромистолитиевые повышающие термотрасформаторы (АБПТ), позволяющие в холодный период года, при наличии дешевых греющих источников теплоты с температурой 40-60 °С и охлаждающей среды (вода с температурой 15-20 °С, воздух с температурой не выше 10 °С), обеспечить температуру нагреваемой воды на 15-30 °С выше температуры греющего источника теплоты на входе в АПТ. При этом количество получаемой теплоты составляет около 50% от затраченной теплоты греющего источника. Такие АБПТ могут найти применение на энергоемких металлургических и химических производствах, имеющих большие объемы сбросной низкопотенциалыюй теплоты, а также в регионах с геотермальными источниками тепла.

Отсуствие в АБТН компрессорного оборудования, фторхлорсодержащих веществ расширяет границы их применения и диапазон производимых мощностей.

АБТН используются для нагрева воды систем теплоснабжения, для нагрева и охлаждения технологических сред в промышленности, энергетике, сельском хозяйстве и т.д. Это блочные компактные агрегаты высокой заводской готовности, полностью укомплектованные необходимым оборудованием, арматурой, КИПиА.

По виду используемой высокопотенциальпой тепловой энергии АБТН подразделяются на машины:

  • - с паровым обогревом генератора;
  • - с водяным обогревом генератора;
  • - с генератором на жидком или газообразном топливе.

По числу ступеней регенерации раствора бромистого лития на:

  • - одноступенчатые;
  • - двухступенчатые.

На рис. 3.14, 3.15 показаны принципиальные схемы,

соответственно, одноступенчатого АБТН с паровым обогревом генератора и двухступенчатого АБТН с генератором на газовом топливе.

АБТН работают следующим образом. В трубное пространство испарителя подается низкотемпературная вода, где она охлаждается за счет кипения (испарения) в вакууме рабочего тела (воды), стекающего в виде пленки по наружной поверхности труб в межтрубном пространстве. Образовавшийся при этом пар абсорбируется (поглощается) водным раствором бромистого лития, стекающего в виде пленки по наружной стенке труб в межтрубном пространстве абсорбера.

При этом раствор бромистого лития нагревается и для сохранения его абсорбирующей способности теплота, выделившаяся в результате абсорбции отводится водой, протекающей внутри труб абсорбера. Таким образом, происходит перенос теплоты с низкотемпературного уровня в испарителе на более высокий в абсорбере. Поглощая водяной пар, раствор бромистого лития разбавляется, становится слабым - концентрация его снижается. Для регенерации (восстановления концентрации) слабый раствор через регенеративный теплообменник (рис.3.14) или теплообменники (рис.3.15) подается в генератор (рис.3.14) или генератор I ступени

(рис.3.14), где упаривается (концентрируется) за счет тепла греющего источника - либо водяного пара (рис. 3.14), либо сжигания жидкого или газообразного топлива (рис.3.15). В одноступенчатом АБТН (рис.3.14) крепкий раствор через регенеративный теплообменник подается в абсорбер. Выпаренный водяной пар из генератора направляется в межтрубное пространство конденсатора, где конденсируется на наружной поверхности теплообменных труб.

Принципиальная схема одноступенчатого АБТН на паре

Рис.3.14. Принципиальная схема одноступенчатого АБТН на паре

Конденсат водяного пара через гидрозатвор поступает в испаритель. Нагреваемая вода подается последовательно в абсорбер и конденсатор, где нагревается до необходимой температуры и направляется потребителю. В двухступенчатом АБТН (рис.3.15) частично укрепленный раствор из генератора I ступени через регенеративный теплообменник направляется в генератор II ступени, где происходит дальнейшее укрепление (выпаривание) раствора за счет теплоты конденсации в трубах водяного пара, поступающего из межтрубного пространства генератора I. Таким образом, генератор II одновременно является конденсатором водяного пара, выпаренного в генераторе I, и теплота конденсации полезно используется для укрепления раствора, что позволяет снизить потребление топлива или тепловой энергии в двухступенчатой машине по сравнению с одноступенчатой.

Крепкий раствор из межтрубной части генератора II через регенеративный теплообменник направляется в абсорбер, в то время как образующийся конденсат из трубного пространства поступает в поддон конденсатора.

Выпар раствора (водяной пар) из генератора II конденсируется на наружной поверхности труб конденсатора. Весь конденсат из конденсатора подается в испаритель. Нагреваемая вода, также, как в одноступенчатом АБТН, последовательно проходит абсорбер и конденсатор и направляется потребителю.

Продукты сжигания топлива удаляются в атмосферу через дымовую трубу.

 
Посмотреть оригинал
 

Популярные страницы