Теоретические процессы абсорбционных холодильных машин

В абсорбционных холодильных машинах с целью получения холода применяют фазовый переход холодильного агента из жидкого состояния в газообразное. Абсорбционными называются такие холодильные машины, в которых компонент в газовой фазе поглощается абсорбентом в жидкой фазе с образованием жидкой смеси. По виду используемой энергии абсорбционные холодильные машины относятся к теплоиспользующим.

Рабочие вещества абсорбционных холодильных машин являются смесями холодильных агентов и абсорбентов. Холодильные агенты кипят при более низкой температуре, чем абсорбенты. Холодильные агенты и абсорбенты могут быть как чистыми веществами, так и смесями нескольких чистых веществ. В качестве бытовых абсорбционных холодильных машин наибольшее распространение получили абсорбционно-диффузионные холодильники, в рабочих процессах которых кроме холодильного агента и абсорбента участвует неконденсирующийся инертный газ.

В абсорбционном холодильном цикле наиболее эффективными являются вещества, обладающие следующими свойствами:

1) высокой теплотой парообразования холодильного агента;

2) низкой теплотой смешения жидкого холодильного агента и абсорбента;

3) низкими значениями коэффициента кинематической вязкости и коэффициента поверхностного натяжения;

4) низкой плотностью смеси хладагента и абсорбента;

5) большими значениями разности между температурами кипения холодильного агента и абсорбента;

6) низкими значениями теплоемкости и высокой теплопроводностью рабочего вещества;

7) высокой разностью между плотностями неконденсирующегося газа и паров холодильного агента.

В бытовых абсорбционных холодильниках в качестве хладагента используется аммиак, в качестве абсорбента - вода, в качестве неконденсирующегося газа - водород.

Абсорбционную холодильную машину можно рассматривать как систему, состоящую из четырех основных аппаратов: испарителя и абсорбера на стороне низкого давления системы, генератора и конденсатора на стороне высокого давления. В абсорбционных холодильниках абсорбер и генератор осуществляют функции компрессора. В абсорбер поступает раствор с малой концентрацией холодильного агента. Этот раствор поглощает пары хладагента, образующиеся в испарителе. Абсорбер заменяет всасывающую сторону компрессора. Насыщенный раствор из абсорбера подается в генератор, где кипит (выпаривается) при давлении конденсации за счет подвода теплоты от внешнего источника. Таким образом, генератор выполняет функцию нагнетательной стороны компрессора. Внешняя тепловая энергия от электронагревателя или другого источника теплоты передается непосредственно генератору.

При добавлении третьего инертного компонента - водорода в систему холодильных аппаратов бытовые абсорбционные холодильники функционируют без насоса или других движущихся частей. Принцип работы абсорбционной машины, в которой применяется трехкомпонентное рабочее вещество, основан на законе Дальтона, который гласит, что общее давление смеси газов или паров равно сумме отдельных парциальных давлений, создаваемых каждым газом или паром в отдельности. В такой системе общее давление, создаваемое смесью газов или паров, одинаково во всех ее частях. В связи с присутствием водорода и парциального давления, создаваемого им на стороне низкого давления системы, т.е. в испарителе и абсорбере, парциальное давление паров аммиака в этих аппаратах ниже давления пара аммиака в генераторе и конденсаторе, в которых нет газообразного водорода. В связи с этим при одинаковом давлении во всей системе аммиак кипит при низком давлении и низкой температуре в испарителе, а конденсируется при высоком давлении и высокой температуре в конденсаторе.

Бытовая абсорбционная холодильная машина состоит из следующих основных узлов: генератора, ректификатора, дефлегматора, конденсатора, испарителя, змеевика абсорбера, ресивера абсорбера, газового и жидкостного теплообменников. Принципиальная схема абсорбционного холодильного агрегата показана на рисунке 1.

Рис. 1. Принципиальная схема абсорбционно - диффузионного холодильного агрегата бытового холодильника:

Г - генератор; А - абсорбер; ТО - теплообменники; Р - ректификатор; Д - дефлегматор; КД - конденсатор; И - испаритель.

Холодильный агрегат холодильника «Морозко-ЗМ» (рис. 3) абсорбционно-диффузионного действия представляет собой систему цельнотянутых стальных труб, герметично закрытую, без движущихся частей и в работе абсолютно бесшумную.

Рис. 3. Холодильный агрегат холодильника «Морозко-ЗМ»:

1 — теплообменник; 2 — сборник раствора; 3 — аккумулятор водорода; 4 — абсорбер; 5 — регенеративный газовый теплообменник; 6 — дефлегматор; 7 — конденсатор; 8 — испаритель; 9 — генератор; 10 — термосифон; 11 — регенератор; 12 — трубки слабого раствора: 13 — пароотводящая трубка; 14 — электронагреватель; 15—термоизоляция

Генератор абсорбционного холодильника состоит из электронагревателя и трубки термосифона, которые находятся в тепловом контакте. В генераторе происходит процесс кипения (выпаривания) водного раствора аммиака при высоком давлении и высокой температуре. Так как на вход в генератор подается водоаммиачный раствор с высокой концентрацией аммиака, в результате выпаривания раствора образуется смесь паров аммиака с небольшим содержанием паров воды. Увеличение концентрации паров холодильного агента после генератора осуществляется в ректификаторе и дефлегматоре.

В ректификаторе происходит процесс тепло- и массообмена между восходящим потоком водоаммиачных паров и нисходящим потоком водоаммиачного раствора низкой концентрации, стекающим из дефлегматора. Раствор, стекающий по стенкам трубопровода из дефлегматора, называется флегмой. В результате тепло- массообмена с флегмой основная часть паров воды конденсируется на контактных устройствах в виде тарелок или насадок внутри ректификационной колонны. За счет выделяемой при конденсации водяных паров теплоты дополнительно испаряется часть аммиака из флегмы. Таким образом, после ректификации повышается концентрация паров аммиака в смеси водоаммиачных паров.

Окончательное отделение паров хладагента от паров воды происходит в дефлегматоре. Дефлегмацией называется процесс конденсации паров высококипящего компонента, т.е. воды. Конденсация паров воды происходит за счет теплообмена с поверхностью насадок различных типов, в том числе, в виде колец Рашига. Одновременно с конденсацией паров воды может происходить конденсация небольшой части паров аммиака. Образующаяся флегма в виде слабого водоаммиачного раствора стекает вниз по стенкам ректификационной колонны и направляется в ректификатор. В результате процесса дефлегмации пары аммиака практически полностью отделяются от паров воды.

После дефлегматора пары хладагента направляются в конденсатор. В конденсаторе за счет теплообмена с окружающей средой пары хладагента охлаждаются и после достижения температуры конденсации при данном давлении начинают конденсироваться. Теплота, выделяемая при конденсации, отводится в окружающую среду.

После процесса конденсации жидкий холодильный агент поступает в испаритель. Одновременно с аммиаком на вход в испаритель направляется водород. В результате смешивания с водородом резко снижается давление аммиака и начинается процесс его кипения при низкой температуре за счет теплоты, поглощаемой от охлаждаемого объекта. Образовавшиеся в результате кипения пары аммиака в смеси с водородом проходят через газовый теплообменник и поступают в абсорбер.

Отделение водорода от паров аммиака происходит в змеевике абсорбера за счет абсорбции, т.е. поглощения паров аммиака водоаммиачным раствором низкой концентрации, поступающим из генератора через жидкостный теплообменник. Выделяющаяся теплота абсорбции отводится в окружающую среду. В результате абсорбции образуется водоаммиачный раствор высокой концентрации, который стекает в ресивер абсорбера и направляется через жидкостный теплообменник в генератор. Применение жидкостного теплообменника позволяет повысить эффективность цикла холодильного агрегата за счет повышения температуры раствора высокой концентрации, направляемого в генератор.

После отделения от паров аммиака водород направляется через газовый теплообменник в испаритель. Применение газового теплообменника приводит к повышению термодинамической эффективности цикла за счет снижения температуры водорода, направляемого в испаритель.