Абсорбційні холодильні машини

Об’єкти

Абсорбційні холодильні машини

У районах з високими піковими навантаженнями на систему електропостачання застосування компресорних холодильних машин часто утруднене. Однією із пропозицій щодо зниження навантаження на систему електропостачання будівель, зроблених останніми роками, було застосування абсорбційних холодильних машин. Ці машини відрізняються значно меншою витратою електричної енергії і їх застосування дозволяє знизити як експлуатаційні витрати, так і вартість введення в експлуатацію за рахунок зменшення вартості підключення до електричної мережі.

Зниження споживання електричної енергії – основна перевага холодильних абсорбційних машин (АБХМ). У цих машинах охолодження досягається за рахунок витрат не електричної (як у компресорних холодильних машинах), а теплової енергії. Теплова енергія може бути отримана за рахунок безпосереднього спалювання палива (наприклад, природного газу), так і за рахунок утилізації.

В останньому випадку може бути утилізована теплова енергія, яка є побічним продуктом технологічного процесу, наприклад димові гази, що утворюються при спалюванні побутових відходів.

Нижче розглянемо принцип дії, класифікацію та доцільну сферу застосування абсорбційних холодильних машин.

Одна з можливих областей застосування абсорбційних холодильних машин – будинки з високими піковими навантаженнями на систему електропостачання. Витрати електричної енергії на кондиціювання повітря складають істотну частину загального електричного навантаження будівлі. При обмеженні максимальної електричної потужності використання абсорбційних холодильних машин є добрим способом мінімізації або згладжування пікового електричного навантаження. Також використовуються і гібридні системи, в яких базове холодильне навантаження забезпечується електричними чиллерами, а пікова – абсорбційними холодильними машинами, що працюють на природному газі.

Абсорбційні холодильні машини можуть використовуватися як у складі системи холодопостачання, так і як частина інтегрованої системи тепло- та холодопостачання. Додаткову економію енергії можна досягти за рахунок утилізації теплової енергії.

Найпростіші холодильні машини цього типу використовуються в деяких моделях побутових холодильників, що працюють на природному газі без витрат електричної енергії.

Історія питання

Перша абсорбційна холодильна машина була створена у Франції в 1859 році і запатентована в 1860 році Фердинандом Карре (Ferdinand Carre). Як робоче тіло використовувалася суміш аміаку і води. Через високу токсичність аміаку такі холодильні машини на той час не набули широкого поширення для домашнього застосування і використовувалися для промислового виробництва льоду.

В установках кондиціювання повітря абсорбційний холодильний цикл почав використовуватися понад п’ятдесят років тому.

У виробничих процесах, у яких вимагалося підтримання низьких температур, почали застосовувати аміачно-водяні АБХМ.

Наприкінці 1950-х років було створено першу двоступінчасту бромистолітієву абсорбційну холодильну машину. Пізніше бромистолітієві АБХМ стали використовуватися не тільки для охолодження приміщень, але і як джерело гарячої води.

У 1960-х роках розпочалося активне просування газодобувними компаніями технологій, що передбачають використання природного газу. При просуванні ринку АБХМ, які працюють на природному газі, відзначалися такі їх переваги, як низькі експлуатаційні витрати і краща продуктивність. Однак удосконалення компресорів, підвищення ефективності електродвигунів, пристроїв керування дозволили підвищити ефективність компресорних холодильних машин та знизити вартість їх експлуатації. Крім того, свою роль у уповільненні поширення АБХМ на природному газі відіграла енергетична криза 1970-х років.

У 1987 році було підписано так званий «Монреальський Протокол» за речовинами, що руйнують озоновий шар, який обмежив застосування холодоагентів на основі хлорфторвуглецю (CFC) та гідрохлорфторвуглецю (HCFC). У цьому безупинно зростала вартість електричної енергії. Водночас вартість газу залишалася досить стабільною, а сама технологія абсорбційного охолодження вдосконалювалася. Перелічені фактори сприяли черговому підвищенню інтересу споживачів до АБХМ.

Холодильний цикл триступеневої абсорбційної холодильної машини з трьома конденсаторами та трьома генераторами був запатентований у 1985 році. Альтернативний цикл триступеневої абсорбційної холодильної машини з подвійним конденсатором було запатентовано у 1993 році. В даний час існують прототипи триступінчастих абсорбційних холодильних машин, ефективність яких перевищує двоступеневу ефективність на 30-50%.

Класифікація абсорбційних холодильних машин

Абсорбційна холодильна машина – пароконденсаційна холодильна установка. У цій установці холодоагент випаровується за рахунок його поглинання (абсорбції) абсорбентом. Процес випаровування відбувається з поглинанням теплоти. Потім пари холодоагенту за рахунок нагрівання (зовнішнім джерелом теплової енергії) виділяються з абсорбенту та надходять у конденсатор, де за рахунок підвищеного тиску конденсуються.

АБХМ бувають прямого та непрямого нагріву, одноступінчасті, двоступінчасті та триступінчасті. У машинах прямого нагріву джерелом тепла може бути газ або інше паливо, яке спалюється безпосередньо в установці. У машинах непрямого нагрівання використовується пара або інший теплоносій, за допомогою якого теплота переноситься від джерела. Як джерело може виступати бойлер, або, наприклад, використовувати теплову енергію, яка є побічним продуктом технологічного процесу. Крім того, існують комбіновані (гібридні) системи, до складу яких входять АБХМ та когенераторні установки на природному газі, що забезпечують вироблення теплової та електричної енергії; використання гібридних установок дозволяє оптимізувати навантаження на систему енергопостачання та забезпечити економію енергетичних ресурсів.

Існують бромистолітієві чи аміачні АБХМ. У бромистолітієвих АБХМ як холод-агент використовується вода, а як абсорбент – бромід літію LiBr. В аміачних АБХМ як холодоагент використовується аміак NH3, а як абсорбент – вода. В даний час найбільшого поширення набули бромистолітієві АБХМ.

Компонент системи, що поглинається абсорбентом у процесі абсорбції, зветься абсорбат. Відповідно, абсорбент – рідка фаза, що поглинає абсорбат у процесі абсорбції.

Одноступінчасті абсорбційні холодильні машини

У одноступінчастих АБХМ («single effect», в літературі іноді використовується термін «одноконтурні») холодоагент послідовно переміщається через чотири основні компоненти машини – випарник, абсорбер, десорбер та конденсатор. Холодильний цикл одноступінчастої АБХМ представлений на рис. 1.

Він дуже схожий на холодильний цикл парокомпресійної холодильної машини. Схема одноступінчастої АБХМ представлена на рис. 2. Холодоагент випаровується при зниженні тиску у випарнику 1. Цей процес йде з поглинанням теплоти. На відміну від парокомпресійної холодильної машини, процес зниження тиску у випарнику відбувається не за рахунок роботи компресора, а за рахунок об’ємного поглинання (абсорбції) холодоагенту рідким абсорбентом в абсорбері 2. Потім абсорбент з поглиненим ним холод-агентом (бінарний розчин) надходить у десор .У десорбері бінарний розчин нагрівається за рахунок горіння газу, пором і т. д., в результаті чого відбувається виділення хладагента з абсорбенту. Збіднений абсорбент із десорбера повертається до абсорберу. Хладагент надходить під великим тиском у конденсатор 4, де переходить у рідку фазу з виділенням теплоти, а потім через розширювальний клапан 5 надходить у випарник, після чого починається новий цикл.

Зміна концентрації холод-агента в абсорбері та десорбері супроводжується зміною температури насичення. Для зниження втрат енергії при циркуляції абсорбенту між абсорбером і десорбером встановлюється рекуперативний теплообмінник.

Ідеальна одноступенева АБХМ могла б забезпечити холодильний ефект, що дорівнює кількості теплової енергії, підведеної до генератора, проте через термодинамічні втрати в реальних установках холодильний ефект завжди буде нижчим, ніж витрати теплової енергії.

Коефіцієнт корисної дії одноступеневих АБХМ щодо низький, що дещо обмежує їх сферу застосування.

В даний час одноступінчасті АБХМ часто встановлюються в тих будинках, де є доступні джерела скидного тепла. Машини цього типу використовуються у складі систем кондиціювання повітря та як джерело охолодженої води для різних технологічних процесів. Настановна потужність одноступінчастих АБХМ становить, як правило, від 25 кВт до 5 МВт.

Двоступінчасті абсорбційні холодильні машини

Більш високою ефективністю порівняно з одноступінчастими відрізняються двоступінчасті АБХМ. У цих установках, на відміну від одноступінчастих холодильних машин, використовується два конденсатори або два абсорбери, щоб забезпечити більш ефективне виділення холодоагенту з абсорбенту при менших витратах теплової енергії.

Двоступінчасті АБХМ можуть бути різних конфігурацій. Дві основні конфігурації – системи з подвійним конденсатором та системи з подвійним абсорбером. Принцип їх дії заснований на тому, що охолодна здатність холодильної машини залежить, перш за все, від кількості холодоагенту, який може бути переведений в газову фазу у випарнику, і, використовуючи теплову енергію, що відводиться від конденсатора або утворюється на стадії абсорбції, можна підвищити кількість холодоагенту , що десорбується з абсорбенту.

Схема та холодильний цикл двоступінчастої АБХМ з подвійним конденсатором наведено на рис. 3.

У першому десорбері (Десорбер 1) за рахунок нагрівання від зовнішнього джерела утворюються пари холодоагенту при частковій десорбції холодоагенту з абсорбенту, які надходять до першого конденсатора (Конденсатор 1). Збіднена суміш абсорбенту та холодоагенту надходить у другий десорбер (Десорбер 2). У другому десорбері відбувається остаточна десорбція холодоагенту за рахунок теплової енергії, що утворюється при конденсації холодоагенту в першому конденсаторі (Конденсатор 1). Потім холодоагент і з першого конденсатора (Конденсатор 1) і другого десорбера (Десорбер 2) надходить у другий конденсатор (Конденсатор 2), в якому і відбувається остаточний процес конденсації.

Схема та холодильний цикл двоступінчастої АБХМ з подвійним абсорбером наведено на рис. 4.

У цьому випадку генератор розділений на низько- та високотемпературну секції. Пари холодоагенту з випарника надходять у другий абсорбер (Абсорбер 2), де частково абсорбуються. Пари холодоагенту, що залишилися, надходять в перший абсорбер (Абсорбер 1). Прихована (латентна) теплота пари холодоагенту в першому абсорбері використовується для десорбції парів холодоагенту з бінарного розчину в другому (низькотемпературному) десорбері (Десорбер 2), як показано на рис. 4.

У свою чергу, для десорбції парів холодоагенту з бінарного розчину високотемпературному десорбері (Десорбер 1) використовується теплова енергія від зовнішнього джерела. Пари холодоагенту і з другого (Десорбер 2), і з першого (Десорбер 1) десорбера надходять до єдиного конденсатора (Конденсатор).

Як джерело теплової енергії в машинах цього типу може використовуватися перегріта пара високого тиску або різні види палива, найчастіше природний газ. Двоступінчасті АБХМ доцільно використовувати у тих випадках, коли вартість електричної енергії висока щодо вартості природного газу (або іншого палива). Крім того, двоступінчасті АБХМ можуть застосовуватися у випадках, коли є джерело перегрітої пари високого тиску. Вони ефективніші, але при цьому відрізняються вищою вартістю порівняно з одноступінчастими. Більш висока вартість двоступінчастих АБХМ обумовлюється в тому числі застосуванням більш дорогих матеріалів високої корозійної стійкості (через більш високі робочі температури), з більшою площею поверхні теплообмінника, складнішими системами управління.

Триступінчасті абсорбційні холодильні машини

Триступінчасті АБХМ є подальшим логічним розвитком двоступінчастих АБХМ. В даний час ця технологія знаходиться на початковому етапі свого розвитку.

Триступінчаста АБХМ, як і двоступінчаста, може бути реалізована різними способами, кількість можливих конфігурацій тут ще більша порівняно з двоступінчастими АБХМ. Найпростіша триступенева АБХМ є комбінацією двох окремих одноступінчастих АБХМ, де теплова енергія від одного контуру використовується в іншому контурі. На рис. 5 наведені схема та холодильний цикл триступеневої АБХМ. Високотемпературний цикл забезпечує холодильний ефект за рахунок зовнішнього джерела теплової енергії, але водночас сам є джерелом теплової енергії для низькотемпературного циклу.

Системи з триступеневими АБХМ настільки ефективні, як і традиційні системи з електричними чиллерами. Однак при цьому вартість таких АБХМ буде вищою, тому економічна доцільність їхнього застосування має визначатися індивідуально залежно від особливостей конкретного об’єкта.

Гібридні системи

Гібридні системи мають переваги як абсорбційних, так і компресорних холодильних машин. У типовій гібридній установці холодильна машина з електричним приводом використовується в години внепікових навантажень на систему електропостачання. Найчастіше в цей час і тарифи на електричну енергію можуть бути нижчими, що призводить до зменшення експлуатаційних витрат. У години максимального пікового навантаження на систему електропостачання використовується головним чином АБХМ, а компресорна холодильна машина включається при необхідності, забезпечуючи покриття лише частини навантаження на систему холодопостачання. Специфіка застосування гібридних систем у конкретному проекті визначається характером навантаження на систему холодопостачання, особливостями місцевих тарифів на електричну енергію та газ (або інше паливо). Так, доцільно використання гібридних систем на великих промислових підприємствах, де обслуговування інженерного обладнання здійснюється висококваліфікованим обслуговуючим персоналом, здатним оптимізувати режими роботи обладнання для отримання максимального економічного ефекту.
Ефективність абсорбційних холодильних машин

Ефективність абсорбційних холодильних машин характеризується холодильним коефіцієнтом (coefficient of performance, COP), що визначається як відношення холодопродуктивності установки до витрат теплової енергії. Одноступінчасті АБХМ характеризуються величинами холодильного коефіцієнта, рівними 0,6-0,8 (при максимально можливому 1,0). Оскільки холодильний коефіцієнт установок цього типу завжди менший за одиницю, одноступінчасті АБХМ доцільно використовувати у випадках, коли є можливість утилізації теплової енергії, наприклад, скидна теплова енергія від електростанцій, котлів тощо.

Двоступінчасті АБХМ характеризуються величинами холодильного коефіцієнта, рівними приблизно 1,0 за максимально можливого 2,0. Ще не доступні для комерційного використання прототипи триступеневих АБХМ характеризуються величинами холодильного коефіцієнта від 14 до 16.

Ефективність традиційних компресорних холодильних машин також характеризується холодильним коефіцієнтом, однак, оскільки в них використовується електрична енергія від джерела централізованого електропостачання, необхідно враховувати ефективність вироблення електричної енергії та втрати її під час транспортування. З цих причин пряме порівняння ефективності компресорних холодильних машин з електроприводом та ефективності газових АБХМ некоректне. Можна порівняти холодильний коефіцієнт з урахуванням втрат при виробленні енергії та її транспортуванні.

Ефективність реальних холодильних машин значно нижча за ефективність ідеальної холодильної машини, багато в чому за рахунок складних незворотних процесів, що проходять у робочих рідинах. Для холодоагенту АБХМ крім звичайних пред’являється ряд специфічних вимог, обумовлених особливостями реалізації абсорбційного холодильного циклу. Серед цих вимог:

Висока розчинність в абсорбенті за заданої робочої температури абсорбера.
Низька розчинність в абсорбенті за заданої робочої температури десорбера.
Нездатність до хімічної реакції з абсорбентом у всьому діапазоні робочих температур.

Доцільна сфера застосування

Основна перевага АБХМ, що працюють на природному газі, – скорочення експлуатаційних витрат за рахунок скорочення споживання щодо дорогої електричної енергії та вирівнювання пікових навантажень на систему електропостачання. Крім того, використання газових систем охолодження дозволяє підвищити надійність систем кліматизації, оскільки в цьому випадку працездатність системи холодопостачання менше залежить від надійності одного джерела електропостачання, особливо у разі використання гібридних систем. Доцільно також застосування АБХМ як резервне джерело холодопостачання.

Системи охолодження, що працюють на природному газі, зрештою забезпечують повніше використання паливних ресурсів, ніж порівняні системи охолодження, що споживають електричну енергію. Типовий процес виробництва електричної енергії передбачає при виробленні та транспортуванні втрати приблизно 65-75% паливних ресурсів. Водночас у газовикористовуючих системах втрачається лише 5–10 % палива. Утилізація скидної теплової енергії значно збільшує рентабельність АБХМ.

АБХМ мають також низку конструктивних переваг, що не належать до галузі ефективного використання паливно-енергетичних ресурсів:

Екологічна безпека за рахунок відмови від використання холодоагентів на основі CFC (хлорфторвуглецю) та HCFC (гідрохлорфторвуглецю).
Знижений шум під час роботи обладнання, відсутність вібрацій.
Відсутність високого тиску у системі.
Відсутність потужних рухомих елементів.
Висока надійність установок.
Низька вартість обслуговування.

У процесі згоряння газу в АБХМ утворюється деяка кількість шкідливих викидів, проте дуже незначна, оскільки сучасні установки забезпечують повне згоряння. З іншого боку, ці викиди утворюються безпосередньо на місці функціонування установки, і цей фактор у деяких випадках може бути критичним.

АБХМ прямого нагріву можуть використовуватися, окрім вироблення охолодженої води, і для отримання гарячої води в тому випадку, якщо вони обладнані допоміжним теплообмінником і контур гарячої води обладнаний необхідними пристроями управління. Якщо система використовується подібним чином, то, як правило, загальні наведені витрати (включаючи капітальні витрати, витрати на пусконалагодження, експлуатаційні витрати) будуть нижчими, ніж витрати при використанні окремих холодильної машини та бойлера.

Відносно високі капітальні витрати обмежують широке поширення АБХМ. Низька ефективність одноступеневих АБХМ обмежує їхню конкурентоспроможність, за винятком випадків використання легкодоступної скидної теплової енергії. Навіть застосування двоступінчастих АБХМ економічно виправдане не у всіх ситуаціях.

Ще одне обмеження застосування АБХМ пов’язане із відносно високими витратами енергії на роботу насосів. Продуктивність водяного насоса конденсатора у загальному випадку є функцією потоку холодоносія. Технології охолодження, які відрізняються нижчим холодильним коефіцієнтом, зазвичай вимагають більш високого потоку холодоносія в порівнянні з технологіями, що забезпечують більш високий холодильний коефіцієнт, і, відповідно, більшої продуктивності (розмірів) циркуляційного насоса. Так само при використанні абсорбційних холодильних машин через більший обсяг холодоносія потрібні градирні більшого розміру, ніж при використанні холодильних машин з електроприводом компресорів.

Приклад використання

Розглянемо приклад побудови системи кліматизації з використанням (утилізацією) теплової енергії від спалювання відходів абсорбційного охолодження. Така система була реалізована у Бельгії. В даному випадку було використано АБХМ потужністю 600 кВт. На рис. 7 наведено схему установки.

До складу системи кліматизації спочатку входили три компресорні холодильні машини, кожна з яких обладнана чотирма поршневими компресорами. У ході модернізації паралельно цим холодильним машинам було встановлено бромистолітієву АБХМ. Середнє холодильне навантаження об’єкта становить 321 кВт•год., максимальне 790 кВт•год. Оскільки потужність АБХМ перевищує середнє холодильне навантаження, воно може використовуватися протягом більшої частини року, за розрахунками приблизно 80 % року. При холодильному навантаженні 321 кВт·год на абсорбційне охолодження необхідні витрати теплової енергії в 497 кВт·год при холодильному коефіцієнті 0,65.

У системі використовується градирня продуктивністю 1376 кВт • год. Для підвищення ефективності установки було встановлено бак-акумулятор охолодженої води ємністю 8000 л.

Для передачі теплоти димових газів проміжному теплоносія (воді) використовується чотирирядний теплообмінник із сталевих ореброваних труб. Теплообмінник встановлений у секції очищення димових газів з байпасуванням. Байпасування регулюється клапанами з контролером, що дозволяє шляхом часткового відкриття клапанів підтримувати постійну температуру теплоносія після теплообмінника вище 110 °С.

У холодну пору року, коли потреба в холодопостачанні невелика, теплоносій, що перегрітий димовими газами використовується як джерело теплової енергії для системи водяного опалення через теплообмінник.

При використанні (утилізації) теплоти димових газів для абсорбційного охолодження через нижчу температуру димових газів на вході витяжного вентилятора забезпечується додаткова економія електричної енергії на обертання вентилятора. Так, при утилізації 497 кВт•год. теплової енергії димових газів необхідна потужність вентилятора зменшується на 8 кВт (з 14 до 6 кВт).

Вибір потужності абсорбційної холодильної машини визначався відношенням середнього холодильного навантаження до максимального (пікового). Якщо пікова навантаження спостерігається лише протягом короткого періоду, то абсорбційне охолодження економічніше у разі, якщо воно покриває саме середнє холодильне навантаження. При середньому холодильному навантаженні 321 кВт·год і при середньому холодильному коефіцієнті 2,9 для компресорних холодильних машин для зняття холодильного навантаження потрібно 110 кВт електричної потужності. У разі використання (утилізації) теплової енергії від спалювання відходів для абсорбційного охолодження ця електрична енергія не використовується. Додаткова економія, як було зазначено вище, утворюється за рахунок зменшення температури відпрацьованих газів, при якій електричне навантаження витяжного вентилятора зменшується на 8 кВт. Однак при абсорбційному охолодженні потрібне і додаткове електропостачання – 8,2 кВт безпосередньо для забезпечення роботи АБХМ, 2 кВт для вентилятора градирні, 7,8 кВт на роботу циркуляційних насосів. Таким чином, чисте зниження електричного навантаження становить 101 квт.

У даному випадку вартість електричної енергії склала 2,9 бельгійських франків за 1 кВт•год (проект був реалізований до введення єдиної європейської валюти). Лінія зі спалювання відходів функціонує сім днів на тиждень у три зміни (практично цілодобово), та її час роботи на рік становить 8064 год при коефіцієнті завантаження 0,868. Таким чином, річний економічний ефект від впровадження утилізації теплоти димових газів на абсорбційне охолодження становив 2050168 бельгійських франків. Вартість установки (капітальні витрати) склала 6830360 бельгійських франків. Період окупності (без урахування фактора дисконтування), таким чином, становив менше чотирьох років. Однак слід зазначити, що оскільки АБХМ використовується лише для покриття середнього холодильного навантаження, для покриття пікових навантажень необхідно використовувати компресорні холодильні машини, і цей факт необхідно враховувати при оцінці ефективності проекту в цілому.

Використані матеріали сайту: “http://abok.ru”

Компанія “МПК Інжінірінг” заснована у 2009 році.