Абсорбционные холодильные машины
Николай Шилкин
Абсорбционные холодильные машины с успехом применяют в районах с высокими нагрузками на систему электроснабжения в качестве альтернативы компрессорным машинам.
Absorption chilling machines are successfully used in districts with high loads on the power supply system as an alternative to compressor plants. Thermal energy is produced directly from combustion of fuel, as well as from recuperation of heat generated as a byproduct of technological processes.
В установках, работающих по принципу абсорбции, холод образуется за счёт тепловой энергии, а не электрической (как в компрессорных холодильных машинах). При этом тепловую энергию получают как с помощью непосредственного сжигания топлива (например, природного газа), так и при утилизации. В последнем случае может быть утилизирована тепловая энергия, являющаяся побочным продуктом технологического процесса.
Абсорбционная холодильная машина (АБХМ) – пароконденсационная холодильная установка, в которой хладагент испаряется за счёт его поглощения (абсорбции) абсорбентом. Процесс испарения происходит с поглощением теплоты. Затем пары хладагента посредством нагрева (внешним источником тепловой энергии) выделяются из абсорбента и поступают в конденсатор, где за счёт повышенного давления конденсируются.
Одна из возможных областей применения установок – здания с высокими пиковыми нагрузками на систему электроснабжения. Затраты электроэнергии на кондиционирование воздуха составляют существенную часть общей электрической нагрузки здания. При ограничении максимальной электрической мощности использование АБХМ является хорошим способом минимизации или «сглаживания» пиковой электрической нагрузки.
Применяют также и гибридные системы. В типичной установке холодильную машину с электрическим приводом используют в часы внепиковых нагрузок на систему электроров в установке.
В одноконтурных, или одноступенчатых, АБХМ (single effect) хладагент последовательно перемещается через четыре основных компонента машины – испаритель, абсорбер, десорбер и конденсатор.
Идеальная одноконтурная АБХМ могла бы обеспечить холодильный эффект, равный количеству тепловой энергии, подведённой к генератору, однако из-за термодинамических потерь в реальных установках холодильный эффект всегда будет ниже, чем затраты тепловой энергии.
СРАВНЕНИЕ АБХМ, РАБОТАЮЩИХ НА ПРИРОДНОМ ГАЗЕ, С КОМПРЕССОРНЫМИ ХОЛОДИЛЬНЫМИ МАШИНАМИ, ОСНАЩЁННЫМИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯМИ |
|
Преимущества АБХМ• Сокращение эксплуатационных расходов за счёт снижения потребления относительно дорогостоящей электроэнергии. • Выравнивание пиковых нагрузок на систему электроснабжения. • Повышение надёжности систем климатизации (система холодоснабжения меньше зависит от надёжности единственного источника электроснабжения, особенно в случае использования гибридных систем). • Более полное использование топливных ресурсов (типичный процесс производства электроэнергии предполагает при выработке и транспортировке потери примерно 65–75 % топливных ресурсов. В то же время в газоиспользующих системах теряется всего 5–10 % топлива). • Увеличение рентабельности за счёт утилизации сбросной тепловой энергии. • Экологическая безопасность за счёт отказа от использования хладагентов на основе хлорфторуглерода и гидрохлорфторуглерода. • Пониженный шум при работе оборудования, отсутствие вибраций. • Отсутствие высокого давления в системе. • Отсутствие массивных движущихся частей. • Высокая надёжность установок. • Низкая стоимость обслуживания. |
Недостатки АБХМ• Высокие капитальные затраты. • Более низкий холодильный коэффициент (при учёте потерь энергии при выработке и транспортировке данный коэффициент сравним со значением для компрессорных охладителей). • Высокие затраты энергии на работу насосов. • Низкая эффективность одноконтурных АБХМ при отсутствии легкодоступной сбросной тепловой энергии. • Увеличенное водопотребление системой. • Образование вредных выбросов на месте функционирования установки, пусть и незначительное. • Больший вес установки.
|
Коэффициент полезного действия одноконтурной АБХМ относительно низок, что несколько ограничивает их область применения. В настоящее время их часто устанавливают в тех зданиях, где имеются легкодоступные источники сбросной теплоты. Машины этого типа используются в составе систем кондиционирования воздуха и в качестве источника охлаждённой воды для различных технологических процессов. Установочная мощность одноконтурных АБХМ составляет, как правило, от 25 до 5 000 кВт.
В двухконтурных АБХМ происходит более эффективное выделение хладагента из абсорбента при меньших затратах тепловой энергии.
Двухконтурные АБХМ могут быть разных конфигураций. Две основные конфигурации – системы с двойным конденсатором и системы с двойным абсорбером. Принцип их действия основан на том, что охлаждающая способность холодильной машины зависит прежде всего от количества хладагента, который может быть переведён в газовую фазу в испарителе, и, используя тепловую энергию, отводимую от конденсатора или образующуюся на стадии абсорбции, можно повысить количество хладагента, десорбируемого из абсорбента.
В качестве источника тепловой энергии в машинах этого типа может использоваться перегретый пар высокого давления либо различные виды горючего топлива, чаще всего природный газ. Двухконтурные АБХМ целесообразно использовать в тех случаях, когда стоимость электроэнергии высока относительно стоимости природного газа (либо другого топлива).
Кроме того, двухконтурные АБХМ могут применяться в случаях, когда есть источник перегретого пара высокого давления. Они более эффективны, но при этом отличаются более высокой стоимостью по сравнению с одноконтурными. Более высокая стоимость двухконтурных АБХМ обуславливается в том числе применением более дорогостоящих материалов высокой коррозионной стойкости (из-за более высоких рабочих температур), с большей площадью поверхности теплообменника, более сложными системами управления.
Трёхконтурные АБХМ являются дальнейшим логическим развитием двухконтурных АБХМ. В настоящее время эта технология находится на начальном этапе своего развития.
Трёхконтурная АБХМ, как и двухконтурная, может быть реализована различными способами, число возможных конфигураций здесь ещё больше по сравнению с двухконтурными АБХМ.
Системы с трёхконтурными АБХМ столь же эффективны, как и традиционные системы с электрическими чиллерами. Однако при этом стоимость таких АБХМ будет выше, поэтому экономическая целесообразность их применения должна определяться индивидуально в зависимости от особенностей конкретного объекта.
| ТИПЫ АБХМ |
|
По количеству контуров: По варианту нагрева: В зависимости от абсорбента: По совмещению с другими системами: |
Эффективность установок
Эффективность АБМХ характеризуется холодильным коэффициентом (coefficient of performance, COP), определяемым как отношение холодопроизводительности установки к затратам тепловой энергии. Одноконтурные АБХМ характеризуются величинами холодильного коэффициента, равными 0,6–0,8 (при максимально возможном 1,0). Поскольку холодильный коэффициент установок этого типа всегда меньше единицы, одноконтурные АБХМ целесообразно использовать в случаях, когда есть возможность утилизации тепловой энергии (например, сбросная тепловая энергия от электростанций, котлов и т. п.).
Двухконтурные АБХМ характеризуются величинами холодильного коэффициента, равными примерно 1,0 при максимально возможном 2,0. Ещё не доступные для коммерческого использования прототипы трёхконтурных АБХМ характеризуются величинами холодильного коэффициента от 1,4 до 1,6.
Эффективность традиционных компрессорных холодильных машин также характеризуется холодильным коэффициентом, однако, поскольку в них используется электроэнергия от источника централизованного электроснабжения, необходимо учитывать эффективность выработки электроэнергии и потери её при транспортировке. По этим причинам прямое сравнение эффективности компрессорных холодильных машин с электроприводом и эффективности газовых АБХМ некорректно. Можно сравнить холодильный коэффициент с учётом потерь при выработке энергии и её транспортировке.
Эффективность реальных холодильных машин значительно ниже эффективности идеальной холодильной машины, во многом за счёт сложных необратимых процессов, проходящих в рабочих жидкостях. Для хладагента АБХМ, помимо обычных, предъявляется ряд специфических требований, обусловленных особенностями реализации абсорбционного холодильного цикла. Среди этих требований:
• Высокая растворимость в абсорбенте при заданной рабочей температуре абсорбера.
• Низкая растворимость в абсорбенте при заданной рабочей температуре десорбера.
• Неспособность к химической реакции с абсорбентом во всём диапазоне рабочих температур.
Пример использования
Cистема климатизации с использованием (утилизацией) тепловой энергии от сжигания отходов для абсорбционного охлаждения может быть построена в соответствии с примером, реализованным в одном из промышленных зданий Бельгии. В данном случае применена АБХМ мощностью 600 кВт.
В состав системы климатизации первоначально входили три компрессорных холодильных машины, каждая из которых была оборудована четырьмя поршневыми компрессорами. В ходе модернизации параллельно этим холодильным машинам установили бромистолитиевую АБХМ.
Средняя холодильная нагрузка объекта составляет 321 кВт•ч, максимальная – 790 кВт•ч. Поскольку мощность АБХМ превышает среднюю холодильную нагрузку, она может использоваться в течение большей части года, по расчётам примерно 80 % времени. При холодильной нагрузке 321 кВт•ч на абсорбционное охлаждение необходимы затраты тепловой энергии в 497 кВт•ч при холодильном коэффициенте 0,65. В системе имеется градирня производительностью 1 376 кВт•ч. Для повышения эффективности системы установлен бак-аккумулятор охлаждённой воды ёмкостью 8 000 л.
Для передачи теплоты дымовых газов промежуточному теплоносителю (воде) используют четырёхрядный теплообменник из стальных оребренных труб. Теплообменник установлен в секции очистки дымовых газов с байпассированием. Байпассирование регулируется клапанами с контроллером, позволяющим путём частичного открытия клапанов поддерживать постоянную температуру теплоносителя после теплообменника выше 110 °C.
В холодное время года, когда потребность в холодоснабжении невелика, перегретый дымовыми газами теплоноситель применяют в качестве источника тепловой энергии для системы водяного отопления через теплообменник.
При использовании (утилизации) теплоты дымовых газов для абсорбционного охлаждения из-за более низкой температуры дымовых газов на входе вытяжного вентилятора обеспечивается дополнительная экономия электроэнергии на вращение вентилятора. Так, при утилизации 497 кВт•ч тепловой энергии дымовых газов требуемая мощность вентилятора уменьшается на 8 кВт (с 14 до 6 кВт).
Выбор мощности абсорбционной холодильной машины определялся отношением средней холодильной нагрузки к максимальной (пиковой). Если пиковая нагрузка наблюдается лишь в течение короткого периода, то абсорбционное охлаждение более экономично в случае, если оно покрывает именно среднюю холодильную нагрузку. При средней холодильной нагрузке 321 кВт•ч и при среднем холодильном коэффициенте 2,9 для компрессорных холодильных машин для снятия холодильной нагрузки требуется 110 кВт электрической мощности. При использовании (утилизации) тепловой энергии от сжигания отходов для абсорбционного охлаждения эта электроэнергия не применяется. Дополнительная экономия, как было указано выше, образуется за счёт уменьшения температуры дымовых газов, при которой электрическая нагрузка вытяжного вентилятора уменьшается на 8 кВт. Однако при абсорбционном охлаждении требуется и дополнительное электроснабжение – 8,2 кВт непосредственно для обеспечения работы АБХМ, 2 кВт для вентилятора градирни, 7,8 кВт на работу циркуляционных насосов. Таким образом, чистое снижение электрической нагрузки составляет 101 кВт.
СХЕМЫ АБХМ |
|
Одноконтурная АБХМ с рекуперативным теплообменникомХладагент испаряется при понижении давления в испарителе. Этот процесс идёт с поглощением теплоты. Процесс понижения давления в испарителе происходит за счёт объёмного поглощения (абсорбции) хладагента жидким абсорбентом в абсорбере. Затем абсорбент с поглощённым им хладагентом (бинарный раствор) поступает в десорбер. В десорбере бинарный раствор нагревается за счёт горения газа, паром и т. д., в результате чего происходит выделение хладагента из абсорбента. Обеднённый абсорбент из десорбера возвращается в абсорбер. Изменение концентрации хладагента в абсорбере и десорбере сопровождается изменением температуры насыщения. Для снижения потерь энергии при циркуляции абсорбента между абсорбером и десорбером устанавливается рекуперативный теплообменник. Хладагент поступает под большим давлением в конденсатор, где переходит в жидкую фазу с выделением теплоты, а затем через расширительный клапан поступает в испаритель, после чего начинается новый цикл.
Двухконтурная АБХМ с двойным конденсаторомВ десорбере 1 за счёт нагрева от внешнего источника образуются пары хладагента при частичной десорбции хладагента из абсорбента, которые поступают в конденсатор 1. Обеднённая смесь абсорбента и хладагента поступает в десорбер 2, где происходит окончательная десорбция хладагента за счёт тепловой энергии, образующейся при конденсации хладагента в конденсаторе 1. Затем хладагент из конденсатора 1 и из десорбера 2 поступает в конденсатор 2, в котором и завершается процесс конденсации.
Трёхконтурная АБХМПростейшая трёхконтурная АБХМ представляет собой комбинацию двух отдельных одноконтурных АБХМ, где тепловая энергия от одного контура используется в другом контуре. Высокотемпературный цикл обеспечивает холодильный эффект за счёт внешнего источника тепловой энергии, но в то же время сам является источником тепловой энергии для низкотемпературного цикла. |
В рассматриваемом случае стоимость электроэнергии составила 2,9 бельгийских франка за 1 кВт•ч (проект был реализован до введения единой европейской валюты). Линия по сжиганию отходов функционирует семь дней в неделю в три смены (практически круглосуточно), и её время работы в год составляет 8 064 ч при коэффициенте загрузки 0,868.
Таким образом, годовой экономический эффект от внедрения утилизации теплоты дымовых газов на абсорбционное охлаждение составил 2 050 168 бельгийских франков. Стоимость установки (капитальные затраты) составила 6 830 360 бельгийских франков. Период окупаемости (без учёта фактора дисконтирования) составил менее четырёх лет.
| ОБ АВТОРЕ |
| Николай Шилкин – канд. техн. наук, профессор МАрхИ. |
Однако следует отметить, что, поскольку АБХМ используют лишь для покрытия средней холодильной нагрузки, для покрытия пиковых нагрузок необходимо включение компрессорных холодильных машин, и этот факт нужно учитывать при оценке эффективности проекта в целом. ●