Холодильники абсорбції побутового призначення
Холодильники абсорбції побутового призначення.
1. Пристрій, принцип роботи холодильників абсорбції.
Цикл абсорбційної холодильної машини подібний циклу парової компресійної машини тим, що вона працює на легкозакипаючої хладагенте (аміаку в аміачних машинах і вода в бромістолітіевих машинах), який поперемінно кипить при низькому тиску в випарнику, поглинаючи теплоту від охолоджуваного середовища і конденсується при високому тиску до конденсаторі , віддаючи теплоту навколишньому середовищу.
Основна відмінність між абсорбційними і компресійними машинами полягає в способі забезпечення циркуляції холодоагенту в системі і створення різниці між тисками конденсації і кипіння. У абсорбційної машині абсорбер і генератор здійснюють функції компресора. Абсорбер грає роль всмоктуючої сторони компресора, а генератор - нагнетательной боку компресора. Зовнішня енергія у формі електричної енергії для виробництва парокомпрессионного циклу підводиться до компресора, а зовнішня енергія в абсорбційному циклі у вигляді теплоти подається безпосередньо в генератор речовиною, що містить теплоту, що надходить в генератор, є водяна пара низького тиску або гаряча вода.
Холодильний агрегат холодильника абсорбції складається з 4 основних апаратів. Випарник і абсорбер на стороні низького тиску системи ігенератор і конденсатор на боці високого тиску. Робочою речовиною для здійснення холодильного циклу абсорбційної машини є розчин, що складається з двох компонентів з різними температурами кипіння при однаковому тиску. Компонент з більш низькою температурою кипіння є холодоагентом, а інший - абсорбентом (поглиначем). Холодоагент проходить з конденсатора у випарник, абсорбер і генератор, і повертається в конденсатор, а абсорбент надходить з абсорбера в генератор і рециркулируют назад в абсорбер.
Послідовність циклу роботи абсорбційної машини наступна: рідкий холодоагент при високому тиску подається з конденсатора у випарник через дросселирующий вентиль, що знижує тиск. Рідкий холодоагент у випарнику перетворюється в пар, відбираючи теплоту від охолоджуваного середовища. Пара, що утворилася низького тиску надходить з випарника в абсорбер, тому що тиск розчину в абсорбере трохи нижче. Тиск в абсорбере визначає тиск і температуру кипіння холодоагенту у випарнику. Тиск розчину в абсорбере залежить від властивостей абсорбенту, його температура і концентрації. Чим нижче температура абсорбенту та більше його концентрація в розчині, тим нижче тиск в розчині.
При поглинанні абсорбентом пара холодоагенту, що поступає з випарника, його обсяг зменшується і теплота, що виділяється в абсорбере (що дорівнює сумі прихованої теплоти пароутворення і теплоти розчинення холодоагенту в абсорбенту) передається навколишньому середовищу в конденсаторі.
Для передачі теплоти в абсорбере температура розчину повинна бути більше температури навколишнього середовища. ККД абсорбера підвищується при підвищенні температури розчину.
Пар хладагента, що поглинається абсорбентом, підвищує тиск розчину, тому концентрацію абсорбенту необхідно безперервно збільшувати. Це здійснюється безперервною подачею насосом міцного розчину з абсорбера в генератор. У ньому велика частина холодоагенту википає при нагріванні, а що утворюється слабкий розчин рециркулює (через регулюючий вентиль) в абсорбер і знову поглинає пар, що надходить з випарника. Підвищення тиску розчину відбувається при перекачуванні розчину з абсорбенту в генератор. Процес відбувається без стиснення холодоагенту, тому насос для подачі розчину споживає незначну потужність.
Холодоагент відділяється в генераторі від абсорбенту при нагріванні розчину і википає. Пара, що утворилася високого тиску надходить в конденсатор, де перетворюється в рідину, віддаючи теплоту навколишньому середовищу.
Слабкий розчин рециркулює в абсорбер через трубопровід і регулюючий вентиль. Концентрація слабкого розчину залежить від кількості теплоти, що подається в генератор.
При додаванні третього інертного компонента, наприклад водню, для вирівнювання тиску в системі, абсорбційна машина функціонує без насоса або інших рухомих частин. Робота абсорбційної машини, в якій застосовується трикомпонентну робоча речовина, заснована на законі Дальтона, який визначає, що загальний тиск суміші газів (або пари) складається з суми окремих парціальних тисків, створюваних кожним паром або газом окремо. У такій системі загальний тиск, що створюється сумішшю газів, однаково в усіх частинах. У зв'язку з присутністю водню (і парціального тиску, створюваного ним на стороні низького тиску - випарник і абсорбер) парціальний тиск, що створюється парою аміаку, нижче тиску пара аміаку в генераторі і конденсаторі. Тому при однаковому тиску у всій системі аміак кипить при низьких тиску і температурі в випарнику і одночасно конденсується при високому тиску і температурі в конденсаторі.
Схема і принцип роботи - по плакату.
Поділ суміші парів холодоагенту і абсорбенту після генератора здійснюється методом ректифікації і дефлегмації.
Ректифікація - процес розділення сумішей шляхом безпосередньої взаємодії пара і рідини на ректифікаційних тарілках або насадки з кілець Рашига. Початкова ректифікація парів холодоагенту здійснюється на насадці міцним розчином. Пара охолоджується від середньої температури в генераторі до більш низьких значень температури. Подальша ректифікація парів здійснюється на ректифікаційних тарілках флегмою, що надходить з дефлегматора.
У дефлегматоре підвищення концентрації парів проводиться шляхом їх часткової конденсації, при цьому утворюється флегма, що стікає назад в ректіфікатор.
2. Основи термодинаміки розчинів.
Розглянемо основні властивості застосовуваного в якості робочого тіла водоаміачного розчину. Однією з основних характеристик розчину, від якої залежать його термодинамічні властивості, є масова концентрація ξ - маса розчиненої речовини в одному кілограмі розчину.
Розчинність речовин залежить від температури. Гомогенна суміш певної концентрації часто розпадається на дві фази при температурі розшарування. Розглянемо процес пароутворення розчину при постійному тиску Р. При різних температурах кипіння складових компонентів розчин різної концентрації буде мати різну температуру кипіння. Геометричне місце точок температури кипіння розчину різної концентрації утворює криву ξ0 кипіння. На цій кривій утворюються перші бульбашки пара. У розчинів внаслідок різниці температур кипіння складових компонентів, концентрації рідини і пара при одній і тій же температурі різні. У водоаміачних розчині при одному і тому ж тиску холодоагент має нижчу температуру кипіння, ніж абсорбент. Концентрація перших бульбашок пари, що виділяються з розчину концентрації ξ, пріt 0 = t1 матиме значення ξ'1> ξ1. Пари концентрації ξ'1 починають конденсуватися пріt '= t1. Концентрація парів, що виділяються з розчину пріt0. називається рівноважної концентрацією розчину. Концентрація парів ξ'1 равновесна концентрації рідкого розчину ξ1. тому температура кипіння і конденсації мають однакове значення.
На відміну від процесу кипіння однокомпонентних робочих речовин, який протікає при постійному тиску і температурі, процес кипіння розчину можливий тільки при підвищенні температури від температури кипіння вихідної концентрації до температури конденсації пари тієї ж концентрації. Якщо нагріти 1 кг розчину концентрації ξ1 до температуриt1. то внаслідок виділення парів концентрації ξ1 концентрація рідини розчину знижується, що вимагає підвищення температури для підтримки процесу кипіння. Повний википання парів з розчину можливо тільки при його нагріванні отt1. яка називається початковою температурою кипіння до температури конденсації пари цієї ж концентрації (t3). При нагріванні розчину до температуриt4 утвориться деяка кількість парів концентрації ξ5 і залишається не випарувався, рідина концентрації ξ6. Якщо позначити через δ частку випарувався розчину, а φ - частка не випарувався рідкого розчину, то
,
Відрізок 4-6 - частка парів в розчині; 4-5 - частка рідкого розчину.
Криві кипіння і конденсації розчину при різних тисках ідентичні, проте з підвищенням тиску рівноважна концентрація парів зменшується.
Процес змішування двох речовин супроводжується виділенням або поглинанням тепла, називається інтегральною теплотою змішання qсм. Змішання холодоагенту з абсорбентом в процесі абсорбції відбувається при постійному тиску, отже, теплота змішання дорівнює різниці ентальпій до і після змішування. Сумарна ентальпія дорівнює
;
На малюнку показана изотермическая крива змішування.
У разі, коли змішуються два хімічних подібних речовини, при постійній температурі, теплота змішання дорівнює нулю (qсм = 0) і зміна ентальпії від концентрації розчину відіб'ється лініейab. Якщо змішуються два різнорідних речовини, теплота змішання більше нуля (qсм> 0), функція
3. Теоретичні цикли абсорбційної холодильної машини.
Графічне побудова теоретичних циклів абсорбційних холодильних апаратів проводиться в координатах
Концентрація рідкого холодоагенту, що надходить з конденсатора у випарник, дорівнює одиниці (ξ = 1) - проводиться лінія ξ = 1, потім ізотерми Тк. виходить точка 5, визначає тиск конденсації (Рк). Ізотерма Т0 - до перетину з ξ = 1 - точка 6, визначає і тиск кипіння (Р0). На перетині ізотерми Та з ізобарою Р0 виходить точка 1 - кінець процесу абсорбції. З точки 1 лінію постійної концентрації ξr до перетину з тиском конденсації - точка 2 - початок процесу википання в генераторі. Кінець википання - точка 3 - перетин ізотерми Тв з ізобарою Рк.
Результат процесу википання міцного розчину в межах температур Тв-Т2 є утворення слабкого розчину, спрямованого до абсорберу. Точка 3определяет концентрацію слабкого розчину ξа. Проводячи лінію ξа до перетину з тиском кипіння, отримаємо точку 4 - початок процесу абсорбції при температурі Тк і тиску Р0.
Теоретичний цикл абсорбційного апарату складається з замкнутого прямого кругообігу рідкого розчину 1-2-3-4-1 і зворотного кругообігу холодоагенту - 2-5-6-1-2.
На ділянці 2-3 ізобари Рк внаслідок википання міцного розчину утворюються пари холодоагенту, що прямують в конденсатор - до точки 5, і слабкий розчин ξа. прямує в абсорбер (до точки 4). На шляху руху в абсорбер тиск і температура слабкого розчину падають. Сконденсувалася холодоагент при вході у випарник знижує свій тиск і внаслідок цього закипає при тиску Р0. Постійний тиск підтримується тим, що пари холодоагенту постійно поглинаються слабким розчином на ділянці абсорбції 4-1. В результаті абсорбції утворюється міцний розчин ξr. який термонасосом подається в генератор.
1-2-3-4-1 - циркуляція рідкого розчину
1-2 - підвищення тиску і температури до температури рівної початку кипіння перед початком кипіння у випарнику;
2-3 - википання в генераторі при температурі від Т2 до Тв;
3-4 - зниження температури і тиску при проходженні в абсорбер;
4-1 - процес абсорбції.
2-5-6-1-2 - циркуляція холодоагенту
5-6 - зниження тиску і температури на вході у випарник;
6-1 - кипіння у випарнику.
Загальне рівняння теплового балансу:
Qв - кількість тепла, підведеного до генератора;
Q0 - кількість тепла, поглиненого випарником апарату з холодильної камери (холодопродуктивність);
Qн - кількість тепла, в рідинному теплообміннику;
Qк - тепло, відведений від конденсатора;
Qа - тепло, відведений від абсорбера;
Qр - тепло, відведений від ректіфікатора;
Qд - тепло, відведений від дефлегматора.
Тепловий баланс генератора:
,
де
Цикл руху розчину в ξ, iдіаграмме будується так.
Цикл руху розчину між кип'ятильником і абсорбером 1-2-3-4-1; 2-3 - процес википання міцного розчину; 4-1 - абсорбція парів холодоагенту слабким розчином.
Рівноважна концентрація парів, що виходять з генератора, ξк пріt2 і тиску конденсації визначається за допомогою кривої конденсації при тиску конденсації і допоміжної кривої Р'к = Рк. Поєднавши точки 5 і 2 прямої, отримаємо ізотерму початкової температури викіпаніяt2 в області вологої пари. Точка 5 - найвище значення ентальпії пари, що виходять з генератора. З'єднаємо точки 3 і 1 прямий до перетину з лінією ξк = const. Трикутники 3-1-ξа і 3-А-ξа подібні:
Кратність циркуляції міцного розчину пропорційна відрізку
Результати випробувань абсорбційного холодильника
(Режим роботи безперервний).
Опір нагрівача R = 400 Ом, потужність нагрівача
Вихід на режим через 280 хв. після включення з утеплення стану.
Перший режим випробування: U = 150 В, N = 56,25 Вт