Сорбционни термопомпи

ОВКСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 2, 2008

 

Видове сорбционни термопомпи и характерни принципи на работата им.

Реално измеримите икономически и екологични ползи, които могат да се реализират чрез използването на термопомпени инсталации, до голяма степен обясняват днешната им пазарна актуалност, както и голямото разнообразие от предлагани видове. Постигането на добри резултати обаче е неразривно свързано с коректен избор на оптимален за конкретното приложение вариант. Термопомпите могат да се използват за отопление, за производство на гореща вода, за климатизация, както и за технологични цели. Необходимо условие е наличието на подходящ нискотемпературен източник на енергия. Независимо от различните видове, всички термопомпи работят на един и същ принцип, а именно преобразуване на топлинна с по-нисък топлинен потенциал в топлина с по-висок. Известно е, че съгласно втория принцип на термодинамиката, за осъществяването на подобен процес е необходимо в системата да се вложи допълнителна енергия. Процесът протича по обратния кръгов цикъл на Карно.

Сред широко използваните термопомпи са сорбционните. За разлика от компресорните термопомпи, при сорбционните за осъществяване на процеса в системата се подвежда топлинна, а не механична енергия. Функционирането на този вид термопомпи се основава на прилагането на бинерна система. Използват се две вещества - едното е работно тяло, наричано още хладилен агент и абсорбент. Повишаването на топлинния потенциал е следствие от използването на енергията на протичащите термохимични реакции. Характерен за сорбционните термопомпи е и фактът, че те не се произвеждат серийно като компресорните, а изпълнението им е в зависимост от конкретния случай на използване.

Видове сорбционни термопомпи

За класифицирането на сорбционните термопомпи се използват различни критерии. Например, според начина си на действие сорбционните термопомпи са с периодично и с непрекъснато действие. В зависимост от протичащите в термопомпата термохимични процеси се определят като абсорбционни, резорбционни и адсорбционни. Класифицират се и в зависимост от вида на контура на хладилния агент, според който са с отворен или със затворен контур. Сред най-често срещаните са сорбционните термопомпи с непрекъснато действие и затворена система на циркулация на хладилния агент и разтвора.

Особености на работния процес

При сорбционните термопомпи едновременно и на едно и също място се осъществяват правият и обратният кръгов цикъл на Карно. Основните елементи на системата са - генератор, кондензатор, абсорбер и изпарител.

В генератора се намира бинерният разтвор, от който при подаване на топлинна енергия QН се изпарява част от хладилния агент. Парите на хладилния агент се охлаждат в кондензатора, при което се отвежда топлина QС, вследствие на което те кондензират. От кондензатора хладилният агент попада в изпарителя, където се изпарява при ниско налягане и в условия на подвеждане на топлина QО от околната среда. Цикълът се затваря с абсорбирането на парите на хладилния агент от бинерния разтвор в абсорбера, при което се отвежда топлина на абсорбция QА.

Топлинен баланс и коефициент на трансформация

Чрез топлинния баланс и коефициента на трансформация може да се направи оценка за ефективността на процеса и на термопомпата като цяло. Уравнението на топлинния баланс на абсорбционна термопомпа има вида QН + QО = QС + QА. Коефициентът на трансформация на идеална абсорбционна термопомпа, за която е прието, че процесите в кондензатора и абсорбера протичат при една и съща температура, т.е. ТС = ТА = Тm е mАс = hc (jc - 1) + 1, където hc = ( ТН - Тm ) /ТН, jc = Тm / (Тm + ТО), а ТС - температура на кондензация. Във формулата ТА е температурата на абсорбация, ТН е температурата на бинерния разтвор, а ТО е температурата на изпарение.

Освен при тези температури, процесът би протичал и при друго съотношение на температурите. Например ТА > ТН = ТО > ТК. Такъв процес се реализира обикновено в абсорбционните трансформатори, при които в абсорбера се получава полезна топлинна енергия QА с температура ТА > ТН.

Хладилният агент да има висока топлина на изпарение

За да се осигурят оптимални параметри на работа на сорбционна термопомпа, елементите на бинерната система следва да отговарят на определени изисквания. Необходимо е хладилните агенти, които се използват в сорбционните термопомпи, да притежават висока топлина на изпарение, а разликата между наляганията на кондензация и изпарение да бъде минимална. Важна особеност е, че при сорбционите термопомпи специфичният обем на парите не оказва влияние върху размерите им.

Основно изискване към използваните сорбенти е да притежават способността при достатъчно висока скорост на сорбция да сорбират максмално хладилния агент. Необходимо е също така сорбентът да има нисък специфичен топлинен капацитет, с което се постига намаляване на топлоразмерните повърхности на апаратите и по-ниски разходи на топлина при първоначалното пускане на термопомпата. Препоръчително е използваният сорбент да е с минимално или никакво собствено налягане. По този начин се предотвратява образуването на пари на сорбента, което може да доведе до необходимост от включване на допълнителни апарати към схемата.

Бинерните разтвори могат да съдържат и трето вещество

В зависимост от вида на термопомпата се използват различни бинерни разтвори. В абсорбционните термопомпи, например, намират приложение предимно водоамонячен разтвор и воден разтвор на литиев бромид, докато в резорбционните термопомпи основно се използва водоамонячен разтвор.

Изискванията към бинерния разтвор включват поддържане на голяма разлика между температурата на кипене на чистия хладилен агент и чистия абсорбент при едно и също налягане; отсъствие на опасност от разлагане на компонентите; малка топлина на разтваряне и възможност за неограничено смесване на двете компоненти, без да се образуват азеотропни разтвори.

При определени условия към бинерните разтвори е възможно да се прибави и трето вещество. Обикновено това се прави в случаите, когато е необходимо да се повиши поглъщателната способност на абсорбента или да се предпази от замръзване и образуване на кристали, както и с цел изравняване на общото налягане в системата и предпазване от корозия.

Абсорбционна термопомпа с воден разтвор на литиев бромид

Този вид термопомпи (фиг. 1) се приемат като високоефективни и енергоспестяващи съоръжения. Използват се предимно за загряване на вода за отопление и битово горещо водоснабдяване, за загряване и охлаждане на технологични процеси в промишлеността и други. Работното вещество е вода, а сорбентът е воден разтвор на литиев бромид.

Принципът им на действие се основава на способността на абсорбента да поглъща водни пари с по-ниска температура от температурата на разтвора. Хладилният агент се изпарява в изпарителя, за сметка на въвежданата в системата околна топлина QО (топлината от нископотенциалния източник на енергия). Водните пари постъпват в абсорбера, където се поглъщат от абсорбента. Топлината на абсорбация QА се отдава като полезно топлопроизводство на идващия от кондензатора топлоносител. Процесите в изпарителя и абсорбера протичат при ниско налягане. Богатият на хладилен агент разтвор постъпва в генератора, където част от хладилния агент се изпарява. Процесът протича при високо налягане и с подвеждане на топлина QН. В кондензатора, отново при високо налягане, парите на хладилния агент кондензират и отдават топлината си на кондензация QС като полезно топлопроизводство на топлоносителя. След кондензатора хладилният агент отново се връща в изпарителя. Бедният на хладилен агент разтвор от генератора преминава през топлообменника на разтворите Т, отдава топлина и преди да постъпи в абсорбера, се смесва с част от богатия разтвор. Така полученият разтвор с междинна концентрация постъпва в абсорбера, където абсорбира парите на хладилния агент.

В топлообменника на разтворите Т бедният на хладилен агент разтвор, идващ от генератора, отдава топлина и се охлажда, след което постъпва в абсорбера. Богатият разтвор, идващ от абсорбера, се загрява и тогава постъпва в генератора.

Чрез помпата Р1 се осигурява циркулация на хладилния агент в изпарителя и равномерното му разпределение върху топлообменната повърхност посредством дюзи. След включване на помпата Р2 се осигурява циркулация на разтвора в абсорбера и равномерното му разпределение чрез дюзи върху топлообменната повърхност. С помпата Р3 се засмуква богатият разтвор от абсорбера и се подава в генератора.

Посредством вентила V1 се предотвратява възможността за кристализация на LiBr в разтвора в случаите, при които в резултат на преминаване на инсталацията от една топлинна мощност в друга в генератора е отделено по-голямо количество хладилен агент. Чрез вентил V2 се осигурява по-малък разход на топлина в генератора при режим на частично натоварване. Вентилът V3 е предназначен за изравняване на концентрацията на разтвора в машината при спирането й, с цел предотвратяване на кристализацията на LiBr.

Коефициентът на трансформация на абсорбционна термопомпа, работеща с воден разтвор на литиев бромид, се определя от израза mА = (QС + QА)/(QН + SNp), където SNp е изразходваната енергия за задвижване на помпите. Тъй като в абсорбционната термопомпа са обединени правият и обратният цикъл на Карно, този коефициент не може да се сравнява с коефициента на трансформация на компресорна термопомпа.

При абсорбционните термопомпи по-често се използва топлинният коефициент на трансформация, който би могъл да се сравнява с коефициента на полезно действие на една топлопроизвеждаща система като котелно или отоплителна централа например. В случая топлинният коефициент на трансформация се определя от отношението zА = (QС + QА)/(QН / hн) + SNp.

Абсорбционен трансфор-матор със затворен контур

работещ с воден разтвор на литиев бромид (фиг. 2). При него, за разлика от разгледаната абсорбционна термопомпа, в системата се поддържа вакуум чрез вакуумпомпа (PP). Също така, процесите в генератора и кондензатора протичат при ниско налягане, докато тези в изпарителя и абсорбера - при високо налягане. Последователността на протичане на процесите принципно не се различава съществено от разгледаната при абсорбционната термопомпа. И тук в генератора, при подвеждане на топлинна енергия, от разтвора се изпарява част от хладилния агент. Парите на хладилния агент от генератора постъпват в кондензатора, където кондензират и отдават топлината си на кондензация на охладителната вода. Чрез помпата P2 кондензиралият хладилен агент се подава към изпарителя. В изпарителя от топлинния източник се подвежда топлинна енергия и хладилният агент се изпарява.

Чрез помпата P3 бедният на хладилен агент разтвор от генератора се подава през топлообменника в абсорбера. Там той абсорбира идващите от изпарителя пари на хладилния агент, като отдава топлината на абсорбация като полезно топлопроизводство на топлоносителя. Богатият на хладилен агент разтвор се охлажда в топлообменника и постъпва в генератора.

При абсорбционния трансформатор за определяне на ефективността се използва топлинен коефициент, който се определя с израза
z
= QА / QН + QО + SNp.

Абсорбционен трансформатор с отворен контур

Основната разлика между абсорбционен трансформатор със затворен и отворен контур е, че при втория отсъстват изпарителят и кондензаторът на хладилния агент, т.е. трансформаторът работи само с абсорбер и генератор, като абсорберът е двустепенен.

Например, при абсорбционния трансформатор с отворен контур, работещ с бинерната система H2O – LiBr, топлинният източник - водна пара, се подава едновременно в абсорбера и генератора. Част от попадналата в първата степен на абсорбера водна пара барботира в бедния на хладилен агент литиевобромиден разтвор и се абсорбира от него. Във втората степен на абсорбера получената полезна топлина на абсорбция се отдава на топлоносителя. Намиращият се в него богат на хладилен агент разтвор се дроселира и постъпва в отворения генератор. В него от богатия разтвор се изпарява абсорбирното количество водна пара под въздействието на подвежданата топлинна енергия с помощта на водната пара. Полученият беден разтвор посредством помпа се подава в първата степен на абсорбера.

Резорбционна термопомпа

работеща с бинерната система NH3 – H2O (фиг. 3). Разликата между абсорбционните и резорбционните термопомпи е, че при вторите кондензаторът е заменен с резорбер, а изпарителят с дегазатор. Процесът при резорбционните термопомпи протича през няколко последователни етапа. В генератора се подвежда топлина QН , при което от разтвора се изпарява част от хладилния агент. Обеднелият на хладилен агент разтвор се отвежда от генератора, охлажда се в топлообменника Т1, дроселира се в терморегулиращия вентил RV1 и постъпва в абсорбера. Там разтворът абсорбира идващите от дегазатора амонячни пари, а топлината на абсорбация се отдава на топлоносителя като полезно топлопроизводство.

Амонячните пари от генератора попадат в резорбера, където се абсорбират от разтвора. Отделената в процеса топлина на абсорбция се отдава на топлоносителя като полезно топлопроизводство. Богатият разтвор от резорбера се охлажда в топлообменника Т2. Дроселира се в терморегулиращия вентил RV2 и постъпва в дегазатора. В дегазатора към разтвора се подвежда топлинна енергия от топлоизточника, при което от него се изпарява част от хладилния агент. Така полученият разтвор от дегазатора се загрява отново през топлообменника Т2 и се смесва с разтвора от абсорбера. В разгледаната схема полученият разтвор преминава през топлообменник Т1, след което се разделя на два потока – единият се отправя към генератора, а другият към резорбера. В общия случай такова смесване не се извършва.

Коефициентът на трансформация е mR = (QА + QR)/(QН + SNp).

Сорбционно-компресорна термопомпа

При абсорбционните термопомпи процесът в кондензатора зависи до голяма степен от температурните условия на околната среда. Областта им на приложение значително се разширява, ако се постигне независимост на процеса от температурата. Именно подобна независимост е характерна за сорбционно-компресорните термопомпи. Този вид помпи обединяват сорбционна и компресорна част. Сорбционната част представлява абсорбционен трансформатор, работещ с бинерната система H20-LiBr. Компресорната част е компресорна термопомпа. Двете отделни системи се обединяват чрез кондензатор-изпарител, на който кондензаторната част се отнася към абсорбционния термотрансформатор, а изпарителната част - към компресорната термопомпа.

При този вид термопомпи топлината от топлинния източник се използва последователно в изпарителя и генератора, а полезното топлопроизводство представлява топлината на кондензация Qcc и топлината на абсорбция QА. Коефициентът на трансформация при сорбционно-компресорните термопомпи е m = (QА + QСС )/(N + SNp).

Компресорна

термопомпа с

циркулация на разтвора

При този вид сорбционни термопомпи изпарителят, кондензаторът и помпата за хладилен агент от абсорбционния трансформатор са заменени с компресор. Обикновено се използва работната система NH3 – H2O.

Компресорът засмуква парите на хладилния агент от генератора и ги нагнетява в абсорбера, където те се абсорбират от бедния на хладилен агент разтвор. Отделената топлина на абсорбация се подава като полезно топлопроизводство на топлоносителя. Коефициентът на трансформация е m = QА /N + SNp.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top