Принцип работы абсорбционных чиллеров и их преимущества

В условиях постоянного стремительного развития промышленных технологий актуальность энергоэффективных и экологически чистых систем промышленного холодоснабжения набирает обороты. В этом контексте абсорбционные чиллеры выделяются как инновационное решение, предлагая эффективный способ получения холода без привлечения значительных электроэнергетических ресурсов.

Эта статья рассмотрит определение, принцип работы, разновидности, обвязку и оснастку, а также область применения абсорбционных чиллеров, вдаваясь в детали их функциональности и преимуществ, которые делают их востребованными в различных отраслях промышленности. Вместе мы погрузимся в уникальные черты этих систем, которые содействуют сокращению эксплуатационных расходов, подчеркивая их значимость в современной энергосберегающей парадигме.

Общие сведения

Абсорбционная холодильная машина, или абсорбционный чиллер, создает холод путем использования невостребованного тепла. Принцип работы абсорбционного охлаждения заключается в конденсации холодильного агента в абсорбенте, что приводит к его существенному уменьшению объема по сравнению с первоначальным. В настоящее время этот метод применяется в крупных системах холодильной и климатической техники, где важны экономичность и простота эксплуатации. АБХМ могут работать на горячей воде, масле, прямом выхлопе, газе или паре.

Изобретателем абсорбционной холодильной машины и первого холодильника в привычном смысле стал баварский инженер Карл фон Линде. В 1871 году он применил систему охлаждения, разработанную им самим, на пивоварне Spaten в Мюнхене, чтобы обеспечить производство и хранение пива в летний период. Диметиловый эфир, или аммиак, был использован в качестве охлаждающего агента.

Принцип работы первой холодильной машины заключался в том, что паровой насос, двигаясь вниз, выкачивал аммиак из испарителя, а при подъеме поршня возвращал рабочее вещество в конденсатор. Здесь газ сжимался, выделяя тепловую энергию, и возвращался в испаритель в жидкой форме, где процесс повторялся.

Абсорбционное охлаждение основано на физических свойствах двух веществ — хладагента и абсорбента — и их способности взаимно взаимодействовать. Процесс начинается с направления охлаждаемой жидкости в испаритель. Трубы теплообменника покрываются холодильным агентом, который предварительно сконденсировался в виде воды и затем испаряется из-за понижения давления.

Образовавшийся холодный водяной пар направляется в абсорбер, где ранее концентрированный раствор в резервуаре поглощает его. Благодаря непрерывному процессу поддерживается низкое давление в абсорбере и испарителе, а высокое давление — в резервуаре и конденсаторе.

Особенности конструкции

Строение абсорбционных холодильных машин (АБХМ) включает в себя ключевые элементы: испаритель, конденсатор и расширительный элемент. Именно в этих компонентах осуществляется процесс преобразования тепла в холод. Холодильным агентом служит водный раствор. Для охлаждения рабочих элементов применяются градирни.

Область применения

Абсорбционные холодильные машины (АБХМ) находят широкое применение в различных секторах промышленного холодоснабжения. Они способны работать в диапазоне температур от -60 до +100°C и обеспечивают холодопроизводительность примерно 500 кВт на каждый автономный блок.

Эти устройства широко применяются в химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей и пищевой промышленности. АБХМ получают тепло из различных источников, таких как котельные, паровые выбросы на электростанциях и отработанное тепло технологических процессов в форме пара, горячих жидкостей или газов.

Схема абсорбционного чиллера

Принцип работы абсорбционного чиллера основан на преобразовании тепла в холод, осуществляемом изменением состава рабочего раствора.

Абсорбционный чиллер включает в себя четыре основных компонента:

1. Генератор. Здесь рабочее вещество поднимается в температуре до того момента, пока хладагент в нем не начинает испаряться. Образовавшийся загустевший раствор направляется в абсорбер.
2. Конденсатор. Пары холодильного агента поступают в конденсатор, где они преобразуются обратно в жидкость. Сжиженный холодильный агент затем подается в испаритель.
3. Испаритель. В испарителе холодильный агент превращается в пар, охлаждая при этом воду. Образованный газ направляется обратно в абсорбер.
4. Абсорбер. Пары хладагента конденсируются за счет охлажденной жидкости и поглощаются концентрированным раствором бромида лития или аммиака.
5. Генератор. Затем полученный раствор направляется в генератор, и весь цикл повторяется.

Принцип работы

Принцип функционирования данного оборудования основан на явлении абсорбции, когда холодильный агент поглощается, и десорбции, когда он удаляется из раствора. При кипении раствора происходит поглощение тепла, что создает полезный охлаждающий эффект.

Система, состоящая из абсорбера и десорбера в абсорбционных холодильных машинах, выполняет функции, аналогичные компрессору с электроприводом в обычных холодильниках. В зависимости от требуемых параметров хладагента, на рынке представлены коммерческие продукты, использующие бромистолитиевые или аммиачные растворы.

Холодильный цикл

Принцип работы абсорбционной холодильной машины (АБХМ) основывается на холодильном цикле. Тепло поступает в испаритель для образования пара из разбавленного раствора бромида лития. Полученный раствор высокой концентрации направляется в абсорбер, а пар под высоким давлением поступает в конденсатор.

Здесь пар конденсируется на стенках медных труб или пластин теплообменника, по которому циркулирует охлаждающая жидкость (часто поступающая из градирни, грунтового источника или вентиляторного охладителя), отводя тепло. Образовавшийся конденсат затем возвращается в испаритель, завершая цикл.

Одноконтурный чиллер

Одноконтурный чиллер, работающий по принципу абсорбции, состоит из основных компонентов: генератора, конденсатора, абсорбера и испарителя. В системе также присутствуют вспомогательные элементы, такие как запорные, дросселирующие и соленоидные вентили, а также система автоматики, обеспечивающие надежность и безопасность работы чиллера.

Обычно для таких чиллеров используется горячая вода с температурой около 80°С, которая является бросовой, выделяемой в процессе технологических процессов. В абсорбере слабая смесь воды и бромида лития поднимается в температуре, в результате чего часть воды испаряется и направляется в конденсатор. В генераторе остается крепкий раствор бромида лития.

В конденсаторе пары воды конденсируются, охлаждаются, а затем направляются в испаритель, где снова превращаются в пар. Этот пар затем поглощается крепким раствором бромида лития из генератора. Процесс повторяется, обеспечивая непрерывный цикл охлаждения.

Двухконтурный чиллер

Двухконтурный чиллер отличается от одноконтурного наличием двух генераторов, конденсатора, абсорбера и других вспомогательных элементов. В его принципе работы слабая смесь воды и бромида лития поднимается в высокотемпературный генератор, где нагревается и испаряется под воздействием тепла. Пары воды направляются в низкотемпературный генератор, где нагревают смесь воды и бромида лития средней концентрации.

Пары воды охлаждаются, конденсируются и поступают в конденсатор. Смесь из высокотемпературного генератора, после выпаривания воды, направляется в низкотемпературный генератор, где нагревается парами воды из высокотемпературного генератора. После выпаривания воды в низкотемпературном генераторе, крепкая смесь воды и бромида лития поступает в абсорбер, а пары воды направляются в конденсатор.

В конденсаторе они охлаждаются, конденсируются и смешиваются с водой, поступающей после высоко- и низкотемпературного генератора. Жидкая вода из конденсатора поступает в испаритель, где смешивается с крепкой смесью бромида лития. После этого слабая смесь насосом подается в высокотемпературный генератор, и цикл повторяется.

Разновидности по виду и типу

В промышленности существует большой спрос на разнообразные системы абсорбционных холодильных машин (АБХМ) на основе различных смесей. Наиболее распространены установки, использующие бромистолитиевые и аммиачные растворы.

Также АБХМ подразделяются на установки прямого и косвенного нагрева с одно-, двух- и трехступенчатым принципом работы. В установках прямого нагрева тепловой источник напрямую воздействует на установку. В установках косвенного нагрева тепло передается через пар или другой теплоноситель.

Количество «ступеней» (одна, две или три) обозначает количество основных компонентов. Например, в одноступенчатых чиллерах испаритель, абсорбер, десорбер и конденсатор представлены по одному. В двухступенчатых установках может быть два конденсатора или два адсорбера в зависимости от конфигурации. Трехступенчатые системы в простейшей форме состоят из двух одноступенчатых абсорбционных чиллеров, где выделенное тепло от первого контура используется во втором. Возможны и более сложные конфигурации.

Одноступенчатая АБХМ косвенного нагрева

Абсорбционные холодильные машины (АБХМ) с одной ступенью и косвенным нагревом включают в себя четыре основных компонента: испаритель, абсорбер, десорбер и конденсатор.

Охлаждающий цикл выполняется в рамках одного контура. Это приводит к невысокой энергоэффективности таких устройств и ограничивает их применение в ситуациях, где доступны источники утилизируемого тепла. Мощность таких систем обычно не превышает 25 киловатт — 5 мегаватт.

Одноступенчатая АБХМ прямого нагрева

Абсорбционные холодильные машины (АБХМ) с одной ступенью и прямым нагревом работают от источника тепловой энергии, который сжигается непосредственно в устройстве. Это приводит к упрощению многих процессов, обеспечивает более надежную работу и снижает риск кристаллизации. Также увеличивается срок службы чиллера, а процесс охлаждения осуществляется в рамках одного контура.

Двухступенчатая АБХМ косвенного нагрева

Устройства с двумя ступенями и косвенным нагревом предлагают повышенную эффективность. В таких абсорбционных холодильных машинах используются два конденсатора или два адсорбера. Эта конфигурация обеспечивает более эффективное производство холодильного агента из абсорбента при минимальном расходе тепловой энергии. Этот процесс приводит к экономии около 10% энергопотребления по сравнению с традиционной конструкцией с одной ступенью.

Двухступенчатая АБХМ прямого нагрева

Наиболее распространены абсорбционные холодильные машины с двумя ступенями и прямым нагревом, оснащенные двумя адсорберами или двумя конденсаторами. Эта конфигурация позволяет увеличить количество холодильного агента в испарителе и повысить коэффициент полезного действия (КПД) охлаждающего оборудования. Первая двухступенчатая абсорбционная холодильная машина появилась в 50-х годах XX века и использовалась для кондиционирования помещений.

Трехступенчатая АБХМ

Простая версия трехступенчатого абсорбционного холодильного чиллера представляет собой комбинацию двух одноступенчатых машин с передачей тепловой энергии из одного контура в другой. Первый прототип трехступенчатой абсорбционной холодильной машины с тремя конденсаторами и тремя генераторами появился в 1985 году.

В 1993 году изобретатели получили патент на более совершенную трехступенчатую абсорбционную холодильную машину с удвоенным конденсатором. Эффективность данного оборудования на 40-50% выше по сравнению с двухступенчатыми моделями.

Абсорбционные бромистолитиевые тепловые насосы (АБТН)

Тепловые насосы, основанные на абсорбции бромистолитиевых соединений (АБТН), способны эффективно производить высококачественное тепло путем использования тепла из низкоценных источников, таких как геотермальная вода, конденсационная вода дымовых газов и сточные воды промышленных процессов. Эти тепловые насосы, работающие на основе бромида лития, разделяются на две категории:

• АБТН 1-й категории способны использовать тепло от низкотемпературных источников и производить горячую воду с температурой от 40 до 100°С.
• АБТН 2-й категории способны использовать тепло от среднетемпературных источников и производить перегретую воду с температурой от 100 до 170°С.

Эти тепловые насосы могут производить горячую воду, которая может быть использована для различных промышленных процессов, а также для комфортного отопления и централизованного теплоснабжения.

АБХМ на выхлопных газах

Абсорбционные холодильные машины (АБХМ), работающие на выхлопных газах, используют тепло, выбрасываемое в окружающую среду в виде выхлопных газов. Этот тип оборудования представляет собой оптимальное и экономичное решение, особенно в случаях, когда неиспользуемое технологическое или сбросное тепло доступно. Он эффективно функционирует в ситуациях, где существует нехватка электроэнергии.

АБХМ на газе и дизеле

Абсорбционные холодильные машины (АБХМ), работающие на газе или дизельном топливе, функционируют путем сжигания природного газа или жидкого дизельного топлива. Они широко применяются в промышленности и производстве электроэнергии и тепла, где часто имеется избыток отходов или сбросной тепловой энергии.

АБХМ на паре

Абсорбционная холодильная машина (АБХМ), работающая на паре, использует насыщенный водяной пар. Процесс охлаждения осуществляется путем локального снижения температуры, вызванного испарением хладагента при давлении ниже точки кипения. Итоговый эффект охлаждения зависит от объема испаряемой жидкости.

АБХМ на горячей воде

В абсорбционных холодильных машинах (АБХМ) на горячей воде, процесс охлаждения происходит по аналогии с циклом испарения и конденсации, однако механическое сжатие среды заменяется химическими процессами, протекающими в условиях, близких к вакууму.

Принцип работы основан на зависимости температуры кипения от давления. При нормальном давлении (1013 гПа) вода кипит при температуре +100°С, но при снижении давления температура кипения воды также уменьшается. Например, при давлении 860 Па вода начинает кипеть при температуре +5°С.

Аммиачные холодильные установки

Промышленные холодильные системы, известные как аммиачные холодильные установки, функционируют исключительно с использованием аммиака в качестве хладагента, что делает их аммиачно-водяными машинами. Аммиак, применяемый в этой технике, отличается высокой степенью чистоты, достигающей 99,98%.

Практически отсутствие воды и других примесей является характерной особенностью этого аммиака. Аммиачные холодильные установки способны работать при широком диапазоне температур, от +15°С до -70°С.

АБХМ малой мощности

Для охлаждения небольших объектов применяются специальные серии холодильных машин малой мощности в рамках абсорбционных холодильных машин (АБХМ). Это оборудование широко используется в случаях, когда имеется доступ к недорогому источнику тепловой энергии. Оно потребляет минимум электроэнергии и отличается высокой надежностью.

Схема обвязки и оснастка

Оснастка и система управления абсорбционных чиллеров предлагают широкий спектр возможностей для адаптации к конкретным приложениям и особым требованиям заказчика. Встроенный системный контроллер обеспечивает удобство установки и ввода в эксплуатацию, а также предоставляет автоматизированный режим работы.

Автоматическая система регулирования давления поддерживает оптимальное уровень давления в системе. Дополнительные сведения о компоненте, связанном с фанкойлом, можно найти в дополнительной информации.

Энергоэффективность

В отличие от компрессорных чиллеров, АБХМ установки способны использовать энергию более низкого качества, которую можно извлечь из отходов или неиспользуемых источников тепла.

Ключевым моментом для повышения эффективности является применение компрессора с регулируемой скоростью, который всегда обеспечивает необходимую мощность охлаждения в конкретный момент времени.

Расчет энергоэффективности

Эффективность прибора определяется коэффициентом холодопроизводительности.

Для расчета используется формула: EO=QO/QW+PP, где:

• QO — холодопроизводительность;
• QW — тепловой поток, подводимый к котлу;
• PP — мощность привода насоса.

Влияние абсорбционных чиллеров на экологию

Абсорбционные чиллеры оказывают положительное воздействие на экологию, поскольку их преимуществом является производство холода без использования электроэнергии и снижение связанных с этим затрат. Этот механизм способствует экономии энергоресурсов и поддерживает устойчивость природной среды.

Холодильные установки АБХМ представляют собой экологически чистую альтернативу кондиционерам. Необходимость в экономии энергоресурсов и охране окружающей природы делает этот тип оборудования конкурентоспособным по сравнению с компрессорными чиллерами.

Преимущества

Промышленные абсорбционные чиллеры обладают рядом преимуществ по сравнению с компрессорными системами.

Среди наиболее значимых следующие:

• Простота в эксплуатации.
• Автоматическая работа.
• Не требуется постоянного контроля со стороны технического персонала.
• Эксплуатационная безопасность и надежность, обусловленные отсутствием подвижных частей (за исключением насосов).
• Повышенная управляемость, предоставляющая бесступенчатую и непрерывную регулировку мощности.
• Короткое время реакции при изменении нагрузки.
• Гибкость работы.

Дополнительным преимуществом абсорбционных систем является простота конструкции, отсутствие движущихся частей, бесшумная работа и отсутствие проблем с коррозией. АБХМ чиллеры отличаются экономичностью в эксплуатации, потребляя 5-10% электроэнергии по сравнению с компрессорными установками. Кроме того, они могут использовать разнообразные источники тепла, включая пар, жидкости и газы. Также устройства могут быть подогреты непосредственно природным газом или мазутом.

Заключение

В заключение статьи об абсорбционных чиллерах можно отметить, что эти устройства представляют собой инновационное решение в области промышленного холодоснабжения. Их принцип работы основан на эффективном преобразовании тепловой энергии в холод, что делает их экологически чистым и энергоэффективным вариантом. Обширная область применения абсорбционных чиллеров охватывает различные отрасли, включая химическую, нефтехимическую, нефтеперерабатывающую и пищевую промышленность.

Одной из ключевых особенностей абсорбционных чиллеров является возможность использования различных источников тепла, таких как отходы и неиспользуемые тепловые источники, что делает их альтернативой традиционным компрессорным установкам.

Важным преимуществом также является их автоматическая работа, простота эксплуатации и надежность, обеспечиваемая отсутствием подвижных частей, что снижает необходимость постоянного технического контроля. Эти факторы в сочетании с энергоэффективностью делают абсорбционные чиллеры привлекательным и экологически устойчивым выбором в области промышленного охлаждения.