Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Термодинамический расчет одноступенчатой абсорбционной бромистолитиевой холодильной машины (АБХМ)

ГЛАВА 8. ТРИГЕНЕРАЦИОННЫЕ УСТАНОВКИ

Основы тригенерации

Тепловая энергия может использоваться как в системах отопления для нагрева воздуха внутри помещений, так и в системах кондиционирования для охлаждения воздуха. В летний период при отсутствии отопительных нагрузок существующая нагрузка ГВС не может обеспечить требуемую утилизацию теплоты, отводимую от источника энергоснабжения, вырабатывающего в этот период только электрическую энергию. В то же время могут потребоваться затраты энергии на кондиционирование производственных и административ-

ных зданий. В этом случае целесообразно в схему генерирующей установки включить холодильную машину (трансформатор теплоты).

Такой способ использования первичного источника энергии, когда осуществляется выработка тепловой и электрической энергии, а также холода называется тригенерацией.

Промышленностью выпускаются различные типы трансфоматоров тепла, такие как компрессионные, абсорбционные, струйные. Однако для работы в составе когенерационных установок, рассмотренных выше наиболее подходящими являются абсорбционные холодильные установки. Это объясняется тем, что для их работы может быть использована внешняя энергия, передаваемая в форме тепла, отводимого, например, от газопоршневого или газотурбинного двигателя.

Этим абсорбционные установки принципиально отличаются от компрессионных трансформаторов тепла, в которых для повышения потенциала тепла используется более ценный вид энергии, а именно электрическая энергия, необходимая для привода компрессора.

На рис.8.1 представлены принципиальные схемы компрессионных и абсорбционных холодильных машин.

Рис.8.1. Принципиальные схемы холодильных машин:

а - парокомпрессионная холодильная машина; б - абсорбционная холодильная машина

Парокомпрессионная холодильная машина (ПХМ)

Парокомпрессионная холодильная машина состоит из следующих основных элементов: испарителя, компрессора, конденсатора, фильтр-осушителя и терморегулирующего дроссельного вентиля (ТРВ), соединенных между собой трубопроводами в замкнутую систему, заполненную низкокипящей рабочей жидкостью (хладоагентом).

В ПХМ осуществляется замкнутый цикл циркуляции хладоагента. В испарителе хладоагент кипит с переходом в парообразное состояние при пониженном давлении и температуре ниже температуры окружающей среды. Необходимая для кипения теплота отнимается от охлаждаемого тела, вследствие чего его температура понижается вплоть до температуры кипения хладоагента.

Хладоагент в парообразном состоянии поступает в компрессор, в котором сжимается с повышением давления до и повышением температуры до значений выше температуры окружающей среды.

Сжатые пары хладоагента из компрессора поступают в конденсатор, в котором охлаждаются водой или окружающим воздухом. Вследствие отвода теплоты пары хладоагента конденсируются.

Полученный жидкий хладоагент поступает в ТРВ. Процесс дросселирования жидкого хладоагента сопровождается частичным изменением его агрегатного состояния так, что часть жидкого хладоагента, прошедшая через дроссель, превращается в насыщенный пар. Таким образом, из ТРВ выходит смесь жидкости и насыщенного пара (влажный пар) при пониженном давлении, соответствующем давлению в испарителе. Жидкость в испарителе кипит при полученном давлении, поглащая тепло от воздуха через стенки испарителя. Пары, поступающие из дросселя и образовавшиеся при кипении, всасывает компрессор. Температура и давление кипения зависят от подачи компрессора и интенсивности теплообмена между кипящим хладоагентом и воздухом. Температура паров на выходе из компрессора зависит от разности давлений на входе и выходе из компрессора (степени повышения давления) и достигает 120 – 190 ^оС.

В конденсаторе происходит три процесса: охлаждение сжатых паров до состояния насыщения, их конденсация и переохлаждение жидкого хладоагента. Как правило, температура конденсации на 10 ^оС ниже температуры охлаждающей среды. Температура переохлаждения в воздушном конденсаторе достигает 4 – 6 ^оС. Далее жидкий хладоагент через фильтр-осушитель поступает в дроссель (ТРВ), и цикл повторяется.

На рис.8.2 представлена принципиальная схема ПХМ и цикл в Т-S диаграмме.

Рис.8.2. Принципиальная схема ПХМ и цикл Т-S диаграмме:

1–2 - действительный процесс сжатия в компрессоре; 1–2^/ - идеальный или изоэнтропийный процесс сжатия в компрессоре; 2–3 - процесс охлаждения перегретого пара (хладоагента) до состояния насыщения; 3–3^/ - процесс конденсации хладоагента; 3^/–4 - процесс переохлаждения жидкого хладоагента; 4–5 - процесс дросселирования жидкого хладоагента, характеризуемый постоянством энтальпии в начале и конце процесса [28]

Энергетический баланс ПХМ выражается следующим соотношением:

, (8.1)

где удельное количество теплоты, подведенное в испарителе (удельная холодопроизводительность);

удельная работа сжатия в компрессоре;

суммарное, удельное количество теплоты, отведенное от хладоагента в конденсаторе машины.

, т.к. , (8.2)

где энтальпия хладоагента на выходе из испарителя;

энтальпия хладоагента на входе в испаритель;

энтальпия хладоагента перед терморегулирующим дроссельным вентилем.

, (8.3)

где - теоретическая работа сжатия в компрессоре при изоэнтропийном процессе;

внутренний относительный (адиабатический) КПД компрессора.

, (8.4)

где энтальпия хладоагента на выходе из компрессора.

Внешняя удельная работа компрессора, определяемая с учетом электромеханических потерь, составит

(8.5)

где электромеханический КПД ( КПД электро-

двигателя, механический КПД компрессора).

Одним из показателей, характеризующих эффективность работы парокомпрессионных холодильных машин, является удельный расход электроэнергии на единицу вырабатываемого холода:

(8.6)

Величину обратную называют холодильным коэффициен-

том установки. Эта величина характеризует количество единиц холода, вырабатываемого в установке на единицу затраченной электроэнергии.

. (8.7)

Абсорбционные холодильные машины

Абсорбционные холодильные машины классифицируются по способу подвода тепловой энергии на машины прямого и непрямого нагрева. В машинах прямого нагрева источником тепла может быть газ или другое топливо, сжигаемое непосредственно в установке.

В машинах непрямого нагрева используется горячая вода, пар или уходящие газы от газотурбинных или газопоршневых двигателей.

По способу использования внутрицикловой тепловой энергии различают одноступенчатые и двухступенчатые холодильные машины.

Во всех типах абсорбционных холодильных машин используются рабочая жидкость, состоящая из хладоагента и абсорбента с близкими физическими свойствами. В настоящее время широко используются два вида рабочей жидкости:

1) бромид лития () и вода;

2) вода и аммиак.

В первом случае хладоагентом является вода, и поэтому в таких установках температура охлаждаемой среды может быть равной 3 – 9 ⁰С, что соответствует температуре насыщения воды при давлении в испарителе равном 0,6 – 1,2 кПа. В связи со значительной разницей в температурах кипения компонентов ( 1212 ⁰С) соль бромида лития не испаряется во всем диапазоне температур работы установки. Это обстоятельство позволяет не включать в схему установки ректификационные колонки и дефлегматоры, что упрощает бромистолитиевые холодильные машины.

Во втором случае в качестве хладоагента используется аммиак, и здесь можно получить предельно низкую температуру.

Разность температур кипения для этого бинарного раствора составляет всего 133 ⁰С. Вода, выполняющая роль абсорбента, в таких растворах испаряется в любом состоянии, что не желательно, и смешивается с парами аммиака. Поэтому в составе водоаммиачных холодильных машин имеются дефлегматоры, в которых за счет предварительного охлаждения пары воды выводятся из смеси, а концентрация паров аммиака доводится практически до единицы.

В обоих случаях рабочая жидкость циркулирует в контуре машины при высоком вакууме.

На рис.8.3 представлена схема одноступенчатой бромистоли-тиевой абсорбционной холодильной установки. Установка состоит из двух основных элементов, которые попарно размещаются в корпусе: генератор (Г) с конденсатором (К) и испаритель (И) с абсорбером (А) (поглотителем).

Высокотемпературный теплоноситель, например, охлаждающая жидкость системы охлаждения газопоршневого двигателя, подаются в трубный пучок генератора, над которым разбрызгивается рабочая жидкость холодильной машины (слабый по раствор), орошая поверхность нагрева. В результате нагрева из раствора выпаривается хладоагент – вода (в виде водяного пара), и раствор из слабого по превращается в крепкий (концентрированный).

Рис.8.3. Схема бромистолитиевой холодильной установки

Водяной пар, выпаренный в генераторе, поступает в конденсатор, в котором конденсируется за счет отвода теплоты водяным теплоносителем контура охлаждения. Отведенная теплота посредством контура охлаждения передается окружающей среде через радиаторы или градирни.

Конденсат хладоагента (вода) из конденсатора при давлении кПа проходит регулирующий вентиль, в котором давление понижается до кПа и поступает в испаритель. При таких давлениях в испарителе температура кипения воды не превышает ⁰С.

В испарителе конденсат вскипает за счет понижения давления и % поступившего конденсата превращается в пар. Оставшаяся часть конденсата попадает на трубный пучок испарителя и также частично превращается в пар. Неиспарившийся конденсат собирается в нижней части испарителя и циркуляционным насосом возвращается в верхнюю часть испарителя и разбрызгивается над трубным пучком, увеличивая тем самым плотность орошения трубного пучка. Тепловая энергия, необходимая для полного перевода конденсата в парообразное состояние, забирается от потока воды, поступающего в испаритель из системы кондиционирования. Температура этой воды на входе в трубный пучок испарителя лежит в пределах ⁰С, а на выходе - ^оС.

Полученная таким образом охлажденная вода из трубного пучка испарителя направляется в систему кондиционирования для охлаждения воздуха, циркулирующего внутри здания.

Далее водяной пар, полученный в испарителе, поступает в абсорбер (поглотитель), в котором смешивается и частично поглощается крепким по раствором, т.е. в результате смешивания получается двухфазная смесь при давлении . Процесс поглощения водяного пара крепким раствором протекает с выделением теплоты, которую отводят из абсорбера с помощью воды, циркулирующей в контуре охлаждения. Охлажденная двухфазная смесь превращается в слабый по раствор и отводится насосом в теплообменник. При этом давление раствора повышается от до , а концентрация раствора не меняется. После теплообменника слабый раствор направляется в генератор.

В теплообменнике слабый раствор подогревается крепким раствором, отводимым из генератора и имеющим более высокую температуру.

Процессы, протекающие в абсорбционных холодильных машинах, принято изображать в диаграмме, где энтальпия раствора; массовая концентрация воды в растворе:

На рис.8.4 представлена диаграмма с характерными точками и процессами, протекающими в абсорбционных бромистолитиевых холодильных установках.

Для данной холодильной установки считается, что чем выше концентрация воды (хладоагента) в растворе, тем он слабее.

Рис.8.4. диаграмма раствора

Две верхние пограничные кривые показывают состояние сухого насыщенного пара над кипящим жидким раствором при двух давлениях: в генераторе и конденсаторе, в испарителе и абсорбере.

Две нижние кривые на диаграмме изображают состояние кипящей жидкости при тех же давлениях и .

Как уже было сказано, в генераторе раствор кипит при давлении и температуре . Выпаренный из раствора водяной пар соответствует точке 1 на диаграмме. Горячий крепкий раствор, соответствующий точке 2, направляется через теплообменник и дроссель в абсорбер. Процесс охлаждения раствора в теплообменнике изображается отрезком 2-3.

В абсорбере смешиваются два потока: жидкий раствор в состоянии 4 и водяной пар, полученный в испарителе, в состоянии 13. При смешении получается двухфазная смесь, которая после охлаждения (процесс 4-5), за счет отвода теплоты , превращается в жидкий раствор с концентрацией , соответствующий точке 5 на диаграмме.

Полученный раствор отводится насосом с повышением давления до , при этом энтальпия и концентрация не изменяется, поэтому точки 5 и 6 на диаграмме совпадают. Процесс 6-7 соответствует подогреву слабого раствора (по бромистому литию) в подогревателе. С параметрами, характеризуемыми точкой 7, слабый раствор направляется в генератор.

Процесс 7-2 характеризует выпаривание воды из раствора. Полученный пар конденсируется в конденсаторе за счет отвода теплоты (процесс 1-8). Конденсат отводится из конденсатора в виде потока воды в состоянии, которое характеризуется точкой 8 на диаграмме.

Вакуум в испарителе образуется за счет поглощения паров воды раствором бромида лития и поддерживается путем отсасывания воздуха, проникающего в систему, вакуум-насосом. Удаление воздуха из конденсатора также осуществляется вакуум-насосом.

В настоящее время одноступенчатые АБХМ часто применяются на тех объектах, где имеются легкодоступные источники сбросного тепла. Машины этого типа используются в составе систем кондиционирования воздуха и в качестве источника охлажденной воды для различных технологических процессов. Установочная мощность одноступенчатых АБХМ составляет, как правило, от 25 кВт до 5 МВт.

Двухступенчатые абсорбционные холодильные машины обладают более высокой эффективностью, чем одноступенчатые. В этих установках используются два конденсатора или два абсорбера.

На рис.8.5 представлена принципиальная схема абсорбционной холодильной установки с двойным конденсатором.

Рис.8.5. Схема двухступенчатой абсорбционной холодильной машины с двойным конденсатором

Такое усложнение объясняется стремлением снизить количество тепловой энергии, выводимой из конденсатора и абсорбера холодильной машины и передаваемой окружающей среде. В первом генераторе за счет нагрева от внешнего источника образуются пары хладоагента при частичном выпаривании хладоагента из раствора, которые поступают в первый конденсатор. Обедненная смесь абсорбента (раствора) и хладоагента поступает во второй генератор. Во втором генераторе происходит окончательное выпаривание воды из раствора за счет тепловой энергии, выделившейся при конденсации хладоагента в первом конденсаторе. Затем жидкий хладоагент из первого конденсатора и парообразный хладоагент из второго генератора поступают во второй конденсатор, в котором происходит окончательный процесс конденсации. Следует иметь в виду, что давление в конденсаторе 1 будет выше, чем давление в конденсаторе 2.

На рис.8.6 представлена схема двухступенчатой АБХМ с двойным абсорбером.

В этом случае генератор разделен на низко-и высокотемпературную секции. Пары хладоагента из испарителя поступают в абсорбер 2, в котором частично поглощаются раствором. Оставшиеся пары хладоагента поступают в абсорбер 1. Скрытая теплота паров хладоагента в первом абсорбере используется для выпаривания паров хладоагента из бинарного раствора во втором низкотемпературном генераторе 2.

В свою очередь для выпаривания паров хладоагента из бинарного раствора в высокотемпературном генераторе 1 используется тепловая энергия от внешнего источника. Пары хладоагента из генераторов 1 и 2 поступают в единый конденсатор.

В качестве источника тепловой энергии в машинах этого типа используется перегретый пар высокого давления либо различные виды топлива, чаще всего природный газ. Двухступенчатые АБХМ целесообразно использовать в тех случаях, когда стоимость электрической энергии высока по отношению к стоимости топлива, однако капитальные затраты двухступенчатых установок значительно выше капитальных затрат одноступенчатых установок.

Рис.8.6. Схема двухступенчатой абсорбционной холодильной машины с двойным абсорбером

Термодинамический расчет одноступенчатой абсорбционной бромистолитиевой холодильной машины (АБХМ)

Тепловой баланс АБХМ определяется равенством следующих величин:

, (8.8)

где удельная тепловая нагрузка генератора;

удельная холодопроизводительность;

удельная тепловая нагрузка конденсатора;

удельная тепловая нагрузка абсорбера.

Уравнение теплового баланса генератора:

, (8.9)

где - кратность циркуляции раствора (удельное количество раствора, подаваемого в генератор на 1 кг водяного пара, выделенного в генераторе;

концентрация крепкого раствора (на выходе из генератора, соответствующего точке 2 на схеме установки);

концентрация слабого раствора, подаваемого в генератор, соответствующего точке 7 на схеме установки.

энтальпия пара на выходе из генератора;

энтальпия крепкого раствора на выходе из генератора;

энтальпия слабого раствора на входе в генератор.

Удельная тепловая нагрузка конденсатора, определяющая количество теплоты, необходимое для конденсации 1 кг пара, выпаренного в генераторе:

, (8.10)

где энтальпия сконденсировавшегося пара (воды) на выходе из конденсатора.

Удельная холодопроизводительность соответствует тому количеству теплоты, которое, например, отводится из кондиционируемого помещения и используется для испарения конденсата, поступающего в испаритель из конденсатора установки.

, (8.11)

где энтальпия воды (конденсата), поступающего из конденсатора;

энтальпия пара, отводимого из испарителя.

В абсорбере при поглощении раствором бромистого лития паров воды происходит выделение теплоты, которую необходимо отводить. Удельную тепловую нагрузку абсорбера можно определить, используя следующее уравнение:

. (8.12)

Следует иметь в виду, что .

Расход циркулирующего хладоагента (воды в растворе бромистого лития) в контуре установки может быть рассчитан по известной тепловой нагрузке генератора :