Абсорбционная бромистолитиевая холодильная машина

Принцип работы АБХМ — поясняем просто и понятно

Обновлено: 29 мая 2020.

Абсорбционные холодильные машины (АБХМ) работают за счет сжатия хладагента компрессором. Они используются там, где электропитание является недоступным или дорогостоящим, где есть источник тепловой энергии.

Принцип работы АБХМ (абсорбционной холодильной машины, чиллера, теплового насоса) основан на процессе абсорбции – поглощения одного вещества другим. Для его работы необходим источник тепла – отработанный теплый воздух, пар, природный газ, любые виды твердого топлива.

Виды АБХМ

Все абсорбционные холодильные машины можно разделить по следующим признакам:

Абсорбционные машины бывают одноконтурными, двухконтурными и трехконтурными. От количества контуров зависит разница температур, которую можно получить. Чем больше контуров, тем более эффективно будет охлаждать установка.

АБХМ прямого нагрева работают за счет сжигания газа, жидкого или твердого топлива в самом агрегате. Машины непрямого нагрева используют внешний источник тепла – пар, воду, излучаемое тепло. Комбинированные абсорбционные машины используют прямые и косвенные источники тепла.

Существуют бромистолитиевые и аммиачные абсорбционные холодильные машины. В первых хладагентом является вода, абсорбентом – бромид лития LiBr. Во вторых хладагентом является аммиак NH3, абсорбентом – вода.

Базовые принципы (это надо знать)

Наиболее распространенными являются бромистолитиевые АБХМ. Чтобы понять их принцип работы, нужно знать некоторые базовые моменты.

Когда мы кипятим воду, она переходит из жидкого в газообразное состояние. Точка кипения воды зависит от давления. Если мы повысим давление, то температура закипания повысится, если снизим давление, то вода будет кипеть при температуре ниже +100 градусов.

В абсорбционных машинах вода находится под давлением 6 мм. рт. ст., что близко к вакууму. При таких условиях она превращается в пар (закипает) при температуре +4 °С.

Бромид лития — это соль, но в жидком агрегатном состоянии. Любая соль поглощает влагу. Если распылить его в водяном паре, молекулы притянутся и смешаются.

Вода и бромид лития хорошо смешиваются до однородного раствора. Но если их нагревать, вода будет подниматься вверх и испаряться, а бромид лития останется в жидком состоянии.

При кипении любая жидкость охлаждается, отбирая тепло у окружающей среды. Наглядный пример:

Когда вы летом после купания выходите из водоема на берег, вам становится прохладно. Это потому, что вода испаряется с кожи и охлаждает ее.

Конструкция АБХМ

Абсорбционная холодильная машина состоит из двух камер, теплообменника и трех контуров. В верхней камере находится конденсатор и генератор, в нижней – испаритель и абсорбер.

Генератор служит для нагрева смеси хладагента и теплоносителя. Влага испаряется из раствора, концентрация бромида лития увеличивается.

Конденсатор нужен для охлаждения водяных паров и сбора влаги для дальнейшего использования.

Испаритель – источник холода, в нем давление воды резко снижается, она переходит в состояние газа.

В теплообменнике происходит охлаждение потока подогретого концентрированного бромида лития, поступающего из генератора в абсорбер и нагрев охлажденной смеси, идущей из абсорбера в генератор.

Назначение и обозначение контуров:

Принцип работы АБХМ

Основные компоненты АБХМ – конденсатор и генератор, которые находятся в верхней камере. Испаритель и абсорбент расположены в нижней. Отдельно расположен теплообменник, с помощью которого происходит отбор тепла.

Начальная концентрация раствора в абсорбере содержит около 45% воды и 55% бромида лития.

При запуске АБХМ смесь бромистого лития и воды проходит из абсорбера в теплообменник, где нагревается от потока концентрированного раствора, поступающего из генератора. Из теплообменника смесь поступает в генератор.

В генераторе находится частично заполненный резервуар с бромидом лития. Внутри генератора находится теплообменник, по которому движется теплый воздух или любой другой теплоноситель из контура К3.

Под влиянием тепла раствор начинает частично закипать. Водяные пары поднимаются вверх, в конденсатор, а абсорбент остается в генераторе.

Бромистый литий концентрируется в нижней части генератора и по отдельному каналу перетекает в теплообменник. Там он охлаждается, отдавая тепло смеси, которая поступает из абсорбера. Затем он попадает в абсорбер, в котором через форсунку распыляется для лучшего поглощения водяного пара.

В секции конденсатора находится охлаждающий теплообменник (змеевик, катушка или радиатор). В нем циркулирует вода, которая по замкнутому контуру К1 прокачивается через градирню. Она служит для охлаждения конденсатора.

При соприкосновении с теплообменником конденсатора водяной пар переходит в жидкое состояние и скапливается в поддоне.

Из поддона конденсатора вода попадает в испаритель через клапан. В испарителе поддерживается давление порядка 6 мм. рт. ст. или 0,008 бар. При таком давлении она моментально закипает, превращается в пар. Ее температура падает до +4 градусов.

В испарителе находится такой же теплообменник для охлаждения, как в конденсаторе, по которому циркулирует вода из контура К2. Он выполняет функцию съема тепловой энергии с климатических устройств (фанкойлов, установок кондиционирования и т.д.) Температура воды в теплообменнике контура К2 – порядка +12 °С.

При контакте с контуром К2, вода в испарителе отбирает у него тепло. По контуру К2 охлажденный хладагент возвращается к климатическим устройствам.

В абсорбере находится бромид лития в жидком состоянии. Он поглощает водяной пар, причем сила притяжения молекул настолько велика, что в испарителе практически не остается газообразной воды.

При поглощении пара теплоноситель выделяет тепло, поэтому контур К1 проходит через абсорбер чтобы охлаждать раствор.

Смесь бромистого лития и воды далее проходит повторный цикл.

Одноступенчатая АБХМ косвенного нагрева

В одноступенчатой системе рабочий контур, по которым циркулирует вода для климатических систем, охлаждается только один раз.

Концентрированный раствор попадает в абсорбер из генератора, где поглощает воду и становится разбавленным. Выделяемое тепло при этом поглощается контуром, по которому циркулирует вода, охлажденная в градирне.

Раствор попадает в теплообменник, после в генератор, где нагревается от контура обогрева. Вода испаряется и попадает в конденсатор, откуда перетекает в испаритель. За счет испарения концентрация раствора увеличивается, он возвращается в абсорбер.

Принцип работы двухступенчатой АБХМ косвенного нагрева

В двухступенчатой абсорбционной холодильной машине есть вспомогательный и основной цикл. Каждый из них обеспечивается отдельным генератором (1`st Generator и 2`nd Generator). Кроме них есть дополнительный генератор (Aux. Generator), работающий в комплексе с первым.

Разбавленный раствор из абсорбера попадает в низкотемпературный теплообменник, из которого проходит через высокотемпературный теплообменник.

Нагретая смесь попадает в первый генератор, где частично испаряется вода. Она конденсируется контуром охлаждения и попадает в испаритель.

Через высокотемпературный теплообменник жидкая смесь воды и бромида лития попадает во второй генератор, где нагревается контуром от источника тепла – теплого воздуха или воды.

Во втором генераторе температура выше чем в первом, поэтому испаряется больше воды и раствор бромида лития становится более концентрированным.

Пары воды абсорбируются в дополнительном абсорбере (Aux. Absorber) и возвращаются в дополнительный генератор. Концентрированный раствор возвращается в абсорбер, откуда возвращается в первый генератор.

Одноступенчатая АБХМ прямого нагрева

Эта система действует по тому же принципу что и одноступенчатая. Существует два варианта исполнения АБХМ.

В первом за счет тепла сгорания топлива нагревается вода, которая используется для подогрева бромида лития в генераторе.

Во втором варианте теплообменник в генераторе нагревается за счет циркуляции продуктов горения. Он редко применяется, так как его эффективность ниже.

Принцип работы двухступенчатой АБХМ прямого нагрева

С помощью насоса вода распыляется на трубы испарителя, что повышает уровень теплопередачи между ней и водой, используемой для климатических установок.

Водяные пары поглощаются бромидом лития в абсорбере, после чего раствор разделяется на два потока. Один проходит прямо в генератор. Второй поток проходит поочередно через три теплообменника:

После этого раствор из второго потока догревается в высокотемпературном генераторе. Часть воды испаряется и пар проходит по змеевику через низкотемпературный генератор, тем самым нагревая раствор в нем. Вода остывает, превращается в жидкость и попадает в лоток конденсатора.

Жидкий раствор перекачивается из высокотемпературного в низкотемпературный генератор, где нагревается, испаряя воду. Концентрированный раствор бромида лития возвращается в абсорбер. Вода из конденсатора попадает в испаритель, где охлаждает контур, который обеспечивает охлаждение климатических систем.

В статье мы постарались доступно рассказать, что такое АБХМ, описать особенности и принцип работы. Это климатическое оборудование используется в основном на промышленных предприятиях и для кондиционирования зданий. Но в скором будущем могут появиться модели, предназначенные для широкого применения в частных домах.

Не забудьте поделиться публикацией в соцсетях!

Источник

Абсорбционная холодильная машина

Абсорбционная холодильная машина (также абсорбционная бромистолитиевая холодильная машина, абсорбционный чиллер или АБХМ) — промышленная холодильная установка, предназначена для отбора и удаления избыточного тепла и поддержания заданного оптимального температурного и теплового режимов при работе различного рода производственного оборудования, технологических устройств, инструмента, оснастки, а также технологических процессов, связанных с повышенными тепловыми нагрузками. В качестве абсорбента в них используется раствор бромида лития (LiBr) в воде.

К абсорбционным холодильным машинам относятся так же аммиачные холодильные установки абсорбционного принципа действия.

Содержание

История создания АБХМ

Типы абсорбционных охладителей

Принцип действия

На представленной схеме охладитель состоит из двух камер.

Под действием тепла (HM) в генераторе из раствора бромида лития выделяются пары воды (хладагента), которые переносятся в конденсатор. Водяной пар конденсируется, отдавая тепло воде охлаждающего контура KüW. Охлажденная вода по линии 5 поступает в испаритель, где при низком давлении закипает при температуре +6 °C и забирает тепло от охлаждаемого контура чиллер-фанкойл (KW). Насос VD прокачивает воду на форсунки, что способствует более интенсивному теплообмену. В других типах АБХМ охлаждаемый контур не обрызгивается, а погружается в ванну хладагента.

Оставшийся концентрированный раствор бромида лития по линии 1-2 через растворный теплообменник/гидравлический затвор WT1 переходит в абсорбер. Для улучшения абсорбции раствор разбрызгивается форсунками и поглощает водяной пар из испарителя. Процесс абсорбции связан с выделением тепла, которая отводится охлаждающим контуром KüW в адсорбере АВ. Полученный раствор воды и бромида лития перекачивается по линии 3-4 в генератор через регулятор/теплообменник WT1, и цикл повторяется снова.

Преимущества

По сравнению с компрессионными холодильниками, АБХМ обладают следующими преимуществами:

Недостатки

Абсорбционные охладители, по сравнению с компрессионными охладителями отличает:

Источник

Мифы и доказанная реальность об абсорбционных холодильных машинах

Myths and Proven Facts About Absorption Refrigeration Machines

M. Kozlov, Head of Johnson Controls Representative Office in St. Petersburg and North-Western Region, L. Chemerchev, Candidate of Engineering, Head of Engineering and Technology Department at PAO Pigment

Keywords: absorption refrigeration machines, ARM, thermal power, refrigeration capacity, crystallization temperature

Absorption chillers have been around for 75 years already, and for 25 of them they are widely common in our country. Currently there are dozens of thousands of ARM units are installed and successfully operate all over the world. But still there is a number of traditional myths about the cost, operation and efficiency of this technology.

Aбсорбционные чиллеры существуют уже 75 лет, 25 из которых широко распространены в нашей стране. На данный момент десятки тысяч единиц АБХМ установлены по всему миру и успешно эксплуатируются. Но все же существует ряд устоявшихся мифов о стоимости, эксплуатации и эффективности данной технологии.

Мифы и доказанная реальность об абсорбционных холодильных машинах

М. Козлов, глава представительства Johnson Controls в Санкт-Петербурге и Северо-Западном регионе,

Л. Чемерчев, канд. техн. наук, начальник инженерно-технологического отдела ПАО «Пигмент»

Абсорбционные чиллеры существуют уже 75 лет, 25 из которых широко распространены в нашей стране. На данный момент десятки тысяч единиц АБХМ установлены по всему миру и успешно эксплуатируются. Но все же существует ряд устоявшихся мифов о стоимости, эксплуатации и эффективности данной технологии.

В данной статье мы попробуем развенчать эти укоренившиеся заблуждения и подробно рассмотрим отчет о внедрении энергосберегающих методов холодогенерации с использованием одноступенчатой АБХМ YORK в производстве смол и формалина на ПАО «ПИГМЕНТ» (Тамбов). Отчет, любезно предоставленный службой эксплуатации и на который я буду ссылаться, описывает причины, побудившие модернизировать систему холодоснабжения, выбор технологических решений и оборудования, а самое главное – достигнутые результаты за 2 года эксплуатации.

Для начала выбор в пользу АБХМ не всегда очевиден. Неоспоримым фактом является то, что стоимость одной единицы АБХМ всегда выше, а холодильный коэффициент ниже, и тут мы сталкиваемся с интересным фактом: затратив 1 кВт электрической энергии мы получаем 6,5 кВт холода на ПКХМ, а потратив 1 кВт тепловой энергии – всего 0,79 кВт холода на АБХМ. Но это – бросовое тепло, которое зачастую просто утилизируется в атмосферу и не используется. Аналогию можно привести с ветрогенераторами или солнечными батареями, которые используют «дармовую» энергию. Скептики меня остановят со словами «эти технологии применимы только в европейских странах, где стоимость ресурсов очень высока». С этим мнением инженеров и заказчиков мы также будем разбираться в этой статье, используя живой пример нашего российского завода, который столкнулся с вопросом наращивания производственных мощностей несколько лет назад. Модернизация и расширение производства идут за счет собственных средств, отсюда критерии оценки инвестиций, рисков и борьба за красоту решения.

Заказчик и эксплуатирующая организация: Завод по производству смол и формалина ПАО «Пигмент» (Тамбов).

Проектировщик: ООО «Завком-Инжиниринг» (Тамбов).

Ввод в эксплуатацию: декабрь 2017.

Базовая схема холодогенерации до реконструкции холодильных мощностей производства смол и формалина на ПАО «Пигмент»: два водяных фреоновых чиллера мощностью около 560 и 300 кВт по холодогенерации.

Стоимость холодогенерации (при условиях действующих цен на электрическую энергию 4 руб/кВт·ч): 1200–1250 руб/Гкал холода, или 240 руб/т готовой продукции.

Естественный рост производства смол и формалина в 2014–2015 гг. выявил недостаток холода для производства, проблема частично решалась оптимизацией буферных емкостей и перетоков захоложенной воды по цеху. В 2017 г. было принято решение о расширении холодопроизводства за счет внедрения дополнительных энергосберегающих решений. Выбор структуры схемы производства холода диктовался фактическими условиями энергетического хозяйства предприятия.

По факту на объекте имелись: собственный энергокомплекс на базе трех когенерационных установок для производства электрической энергии (мощностью по 2 МВт каждая), а также отдельные установки для производства тепла в виде пара и горячей воды для нужд технологии.

Тепловая энергия от когенерации в виде горячей воды полностью востребована в отопительный сезон, частично используется в межсезонье и является бросовой в теплый период года.

Мнемосхема установки, состоящая из оборудования зимнего и летнего контуров холодогенерации

Особенностью энергоснабжения комплекса является то, что есть доступ к сетевому электричеству, однако значительно выгоднее вырабатывать собственное, часть которого потребляется собственными нуждами, а часть – продается соседнему производству, график работы и электропотребления которого крайне нестабилен.

Очевидно, что в случае аварийных или запланированных остановок когенерационной установки вырабатываемого электричества может не хватить и выработка холода в этом случае не является приоритетной задачей, а требовалось обеспечить максимальную независимость и надежность схемы холодоснабжения при условии минимизации эксплуатационных затрат.

При этом нужно отметить особенности производства: непрерывный процесс производства формалина и периодические процессы производства смол (циклами по 28–30 часов). График работы завода: 24/7.

Существуют переменные: потребности по холоду производства, количество и температура бросовой горячей воды после когенерационных установок в зависимости от разбора электричества, количество и наличие технологического пара, а также свободных электрических мощностей для холодоснабжения.

Таким образом, с учетом имеющихся ресурсов и сложившихся условий их потребления была поставлена задача по переводу энергокомплекса на базу тригенерации: электрическая энергия + тепловая энергия + холодильная энергия – с обязательным условием гарантированного резервирования энергоносителей для производства смол.

Данная техническая задача была реализована проектными решениями инжиниринговой компании ООО «Завком-Инжиниринг», которая смогла максимально задействовать существующее инженерное оборудование и учесть неравномерность нагрузок.

Примененные решения

С целью максимально возможного снижения себестоимости холода в зимний период без значительных капитальных затрат было решено применить аппарат воздушного охлаждения мощностью 1000 кВт при температуре окружающей среды –5 °C. Итог: снижение себестоимости для производства холода с 1200–1250 до 340–360 руб/Гкал холода, т. е. приблизительно в 3 раза.

Для максимально эффективного использования бросовой тепловой энергии от трех когенерационных установок была подобрана АБХМ с обвязкой по горячей воде, позволяющей ее эксплуатировать в режимах:

Критерии окончательного выбора производителя для конечного потребителя:

Совокупность данных факторов и определила выбор одноступенчатой АБХМ обогреваемой горячей водой производства «HITACHI-YORK» модель YHAU-CL800EXW2ST мощностью 2000 кВт, поставка из Японии.

Итоговое снижение себестоимости генерации холода для летних условий – с 1200–1250 до 600– 650 руб/Гкал холода.

Данная модернизация позволила получить суммарный эффект по себестоимости смол и формалина около 15,5 млн руб/год при увеличении потенциальной мощности схемы с 35–38 до 80–85 тыс. т/год (без учета возможности задействовать резервные фреоновые чиллеры). (Данные основаны на системе мониторинга и учета службы эксплуатации ПАО «Пигмент».)

Расход горячей воды на входе в отделение АБХМ

Эксплуатационные характеристики схемы и выявленные особенности

Вода, охлажденная в АБХМ (температура от 6,5 до 9–10 °C), подается по общему коллектору на теплообменник для отвода тепла от установки производства формалина и в буферную емкость захоложенной воды для производства смол.

Температура горячей воды на входе в отделение АБХМ

Для обеспечения нормальной эксплуатации АБХМ в условиях переменных нагрузок по холоду и греющей горячей воде имеются контуры:

Расчетная тепловая мощность, отбираемая от контура горячей воды, производится на основании расхода, входной и выходной температуры горячей воды в отделение АБХМ (рис. 4).

Тепловая мощность, отбираемая из сети горячей воды (от 500 до 1500 кВт)

Итоговые параметры АБХМ приведены на рис. 5.

Холодопроизводительность АБХМ (от 400 до 1400 кВт)

Видно, что коэффициент полезной трансформации теплоты из горячей воды в холод захоложенной воды в среднем составляет от 80 до 83 %.

Надежность эксплуатации АБХМ на основании второго сезона работы пока абсолютная.

Схема холодоснабжения предусматривает использование существующих ПХМ (в виде резерва) и сухого охладителя (описано выше), а также позволяет сглаживать возможные пики температур захоложенной воды благодаря буферным бакам.

При данных показателях, учитывая увеличение объемов производства, наш заказчик окупит модернизацию системы холодоснабжения с применением АБХМ примерно за три года и далее получит ежегодную экономию на себестоимости готового продукта.

Самый главный вывод из опыта реальной эксплуатации АБХМ нашим заказчиком состоит в том, что утверждение о неэффективности и нерентабельности АБХМ неверно! В определенных условиях системы холодоснабжения с применением АБХМ на бросовом тепле или дешевом источнике энергии крайне эффективны и рентабельны.

Также можно развенчать миф о жестких эксплуатационных требованиях АБХМ. В последние годы гибкость технологии резко выросла, в частности, у АБХМ York появились следующие возможности:

Это правда, что абсорбционные чиллеры имеют более медленное время отклика из-за инерции раствора бромида лития при быстро изменяющейся нагрузке. Электрические чиллеры, безусловно, лучше реагируют на колебания нагрузки и быстрее выходят на проектную мощность, что делает их надежным выбором для критически важных объектов, например центров обработки данных. Использование абсорбционных чиллеров YORK на пассажирских судах наглядно иллюстрирует эволюцию технологии. Эти машины разработаны для преодоления качки и наклонов судна, демонстрируя истинную гибкость в эксплуатации.

Есть мнение о том, что абсорбционные чиллеры ненадежны из-за возможной кристаллизации LiBr. В действительности в правильно спроектированной системе машина не подвержена кристаллизации. В рабочем состоянии LiBr полностью растворяется в воде, но перегрев или переохлаждение определенных участков могут привести к его кристаллизации. Данный процесс чаще всего вызван низкой температурой воды на входе в конденсатор или наличием неконденсирующихся газов. Неконденсирующиеся газы в случае АБХМ York удаляются из машины благодаря полностью автоматической системе продувки. В штатном режиме органы управления чиллера и система автоматизации могут предотвратить перегрев/переохлаждение, однако нужно понимать, где именно таится опасность.

Предположим, АБХМ работает при полной нагрузке и содержит неконденсирующиеся газы, обычно это происходит из-за низкого уровня ингибиторов коррозии. Снижение температуры воды после градирни ниже критической приводит к переохлаждению агента и переходу в зону кристаллизации, а тут самое важное – это концентрация LiBr в воде. Значения концентрации солевого раствора напрямую влияют на температуру кристаллизации. Эту зависимость можно проследить в таблице 1.

Если температура раствора падает ниже температуры кристаллизации – раствор кристаллизуется.

57 %-ный раствор содержит 57 % соли и 43 % воды с температурой кристаллизации около –3 °C. 60 %-ный раствор имеет температуру, при которой происходит кристаллизация – около +10,5 °C. Разница лишь в 3 % содержания соли оказывает огромное влияние на температуру кристаллизации. Даже изменение от 0,5 до 1 % уже имеет большое значение. Риск кристаллизации обычно высок при полной или почти полной нагрузке и значительно меньше при частичной нагрузке, так как раствор при частичных нагрузках разбавленный. Чем ниже процентное содержание соли, тем лучше – потому что это означает, что температура кристаллизации ниже и температура, поступающая с градирни, может быть ниже. Однако эффективность АБХМ также снижается при уменьшении процентного содержания соли. Для производителей АБХМ это всегда делема: показать выше коэффициент эффективности и войти в зону риска или обезопасить процесс и гарантировать надежность машины.

Конечно, 57 %-ный раствор невозможно кристаллизовать в реальных условиях, потому что вода с градирни не будет опускаться до температуры кристаллизации до –3 °C. Однако если АБХМ спроектирован с высокой концентрацией в абсорбере в 63,5 % в случае двухступенчатого процесса, то температура кристаллизации такого раствора составляет +26 °C. Эта температура вполне возможна при повседневной работе, особенно если температура воды от градирни плохо контролируется. Данная зависимость хорошо видна на диаграмме Дюринга, где справа внизу находится зона кристаллизации и процесс проходит в пограничных зонах. Чем дальше от линии кристаллизации, тем лучше и безопаснее для АБХМ.

Конструкция АБХМ предусматривает работу при низком давлении, что также облегчает кипение раствора: не нужно нагревать его до очень высокой температуры, и автоматически низкая температура означает снижение коррозии (чем выше концентрация соли и выше температура раствора, тем агрессивнее процесс коррозии).

В АБХМ YORK предусмотрена механическая система перелива, которая защитит машину от роста концентрации раствора и от кристаллизации в любой ситуации, даже если органы автоматического управления не сработают. Комбинация низкого давления, низкой температуры и низкой концентрации обеспечивает превосходную защиту от кристаллизации и коррозии, а это напрямую влияет на надежность и продление срока службы оборудования, что является приоритетным для YORK.

Взвесьте все факторы

Пришло время развеять мифы о технологии абсорбционных чиллеров. Эти чиллеры надежны, гибки в использовании и безопасны. Они используют воду в качестве хладагента, приводятся в действие бросовым теплом, утилизируя избыточную энергию, или дешевым природным газом и бесшумно работают под вакуумом. Абсорбционные чиллеры экономически целесообразны при высоких затратах на электроэнергию. При выборе решения и поставщика уделите внимание не только первоначальным затратам и фактическому КПД, а окупаемости и надежной безотказной работе.

Заказчики выбирают абсорбционные чиллеры YORK не из-за низкой цены и высокого показателя СОР. Для нас приоритет – надежная, безотказная, автономная работа машины без «ручного вмешательства».

Источник