Цикл абсорбционного теплового насоса
Немногие знают, что такое абсорбционный тепловой насос и его принцип работы. Устройство становится все более и более популярным. Можно предположить, что уже в ближайшем будущем АТН будет занимать лидирующие позиции в соответствующем сегменте рынка.
В этой статье мы постараемся в общих чертах рассказать что такое абсорбционный насос и как он работает. Подробный цикл работы будет описан в одной из последующих публикаций.
Принцип работы
Иногда АТН путают с адсорбционными тепловыми насосами, но это неверно. В отличие от последних, у абсорбционных тепловых насосов принцип работы основан на использовании жидкого абсорбента. В общих чертах абсорбционные тепловые насосы функционируют так же, как АБХМ.
Состоит оборудование из нескольких теплообменных приборов. Соединяются они контурами, которые способствуют циркуляции хладагентов и абсорбентов. Принцип функционирования заключается в поглощении абсорбентом пара, отличающегося более низкой температурой. Параллельно с этими процессами выделяется необходимое количество теплоты.
Как следствие – хладагент (теплоноситель) начинает закипать под вакуумом; в генератор попадает абсорбент, что приводит к устранению водяного пара, который недавно поглощался. Теперь абсорбер вновь принимает солевой концентрат, а испаритель – пары хладагента.
Упрощенный вариант схемы принципа работы абсорбционного теплового насоса
В качестве абсорбента обычно выступает раствор соли бромистого лития (LiBr) в воде. Поэтому такое оборудование называется абсорбционные бромисто-литиевые тепловые насосы (АБТН)
Благодаря происходящим процессам оборудование генерирует тепло. Область применения абсорбционных тепловых насосов – достаточно широкая. Главное – учесть конкретное назначение насоса, и для каких именно целей он предназначен.
Достоинства и недостатки абсорбционных тепловых насосов
Абсорбционный тепловой насос обладает массой преимуществ. Среди них наиболее значимыми являются:
- Нагрев среды до отметки в +60 / +80 °С;
- Широкий спектр тепловой мощности, который колеблется от нескольких киловатт до мегаватт;
- Большой срок службы, в особенности, если сравнивать с устройствами парокомпрессорного типа;
- Эффективность достигает 30-40% и определяется выбранным режимом функционирования;
- Масштабы применения постоянно увеличиваются;
- В качестве источника энергии используется кипяток, пар, некоторые виды газов;
- Принцип работы абсорбционного теплового насоса не предусматривает большого количества движущихся элементов, создающих шум в процессе функционирования.
Кроме преимуществ у такого оборудования есть недостатки:
- Высокая стоимость;
- Потребность в доступном низкотемпературном тепле;
- Большой срок окупаемости при нерегулярном использовании.
В основном абсорбционные тепловые насосы – довольно громоздкие агрегаты и используются в промышленности. Это обусловлено наличием большого количества низкотемпературного тепла на производствах, предприятиях, заводах.
Наконец, тепловые насосы абсорбционного типа отличаются надежностью. Детали изготавливаются из качественных материалов, прекрасно справляющихся со своими функциями. Корпус – прочный, способен выдерживать серьезные механические удары, стойкий к воздействиям вредных факторов внешней среды.
АТН в основном применяются в промышленности, но сейчас доступны абсорбционные тепловые насосы малой мощности для дома. Единственное ограничение в их использовании – необходимость наличия низкотемпературного тепла в том виде, в каком его может поглотить абсорбент.
Не забудьте поделиться публикацией в соцсетях!
Источник
Использование тепловых насосов для отопления, горячего водоснабжения представляет собой способ, альтернативный другим способам, таким, как традиционное сжигание органического топлива, широко распространенное центральное паровое или водяное отопление, электрообогрев и др. Тепловые насосы можно классифицировать по следующим признакам: по принципу действия; по используемым источникам низкопотенциального тепла; по сочетанию используемого низкопотенциального тепла с нагреваемой в тепловых насосах средой; по видам затрачиваемой энергии. По первому признаку различают парокомпрессорные, абсорбционные и термоэлектрические тепловые насосы. В качестве источников низкопотенциального тепла для тепловых насосов могут быть использованы: наружный воздух; поверхностные воды (река, озеро, море); подземные воды; грунт; солнечная энергия; низкопотенциальное тепло искусственного происхождения (сбросные воды, нагретые воды технологических процессов и др.). При классификации по сочетанию источников низкопотенциального тепла и нагреваемой среды различают следующие варианты: воздух-воздух; воздух-вода; грунт-воздух; грунт-вода; вода-воздух; вода-вода. По видам затрачиваемой энергии различают тепловые насосы, использующие электроэнергию, топливо того или иного вида, вторичные энергетические ресурсы. Энергетическую эффективность теплового насоса характеризует его отопительный коэффициент (коэффициент преобразования) ц, представляющий собой отношение теплопроизводительности к мощности, затрачиваемой на осуществление цикла, (3.32) Широкое распространение в технике получили компрессионные тепловые насосы (КТН). Значительные выгоды можно ожидать при использовании в тепловых насосах принципа абсорбционных холодильных машин Принцип работы АТН предполагает отвод тепла абсорбции на уровне температур более высоком, чем температура окружающей среды. Полная тепловая нагрузка абсорбера определяет теплопроизводительность теплового насоса. Эффективность работы АТН оценивается коэффициентом трансформации, равным отношению теплопроизводительности к количеству тепла, израсходованного в процессе работы. В зависимости от соотношения температур использованного и получаемого тепла различаются понижающий и повышающий тепловые насосы. Принципиальная схема абсорбционного теплового насоса представлена на рис.3.4. При условиях: Тh > Та >Тинт – понижающий АТН; Тh < Та >Тинт – повышающий АТН. Коэффициент преобразования понижающего АТН: (3.33) где Qk – тепловая нагрузка конденсатора, Qa – тепловая нагрузка абсорбера, Qh – тепловая нагрузка генератора, о – тепловой коэффициент холодильной машины. В этом случае на единицу затраченной высокопотенциальной теплоты приходится большее количество теплоты меньшего потенциала. Рис. 3.4 Принципиальная схема АТН: 1 – генератор; 2 – конденсатор; 3 – испаритель; 4 – абсорбер; 5 – теплообменник Тh Та Тинт – температуры греющей среды, отводимой теплоты, источника низкопотенциального тепла Повышающий термотрансформатор представляет собой обращенную абсорбционную холодильную машину (давление в конденсаторе ниже давления в испарителе). Движение потоков обеспечивается дополнительными насосами (рис. 3.4). Для осуществления режима повышающего трансформатора требуется источник низкой температуры (0.10°С), который обеспечивает низкую температуру конденсации. В этом случае греющей средой для выпаривания раствора в генераторе может быть горячая вода 50-60°С – бросовое тепло химического производства. Тепло того же источника подводится к испарителю, что обеспечивает высокое давление и температуру в абсорбере (70.90°С). Коэффициент трансформации: (3.34) Рассмотрим пример схемы повышающего термотрансформатора как машины, позволяющей использовать тепло низкого потенциала (возможно бросового) для получения эффекта съема тепла более высокого потенциала. Схема абсорбционного бромистолитиевого теплового насоса представлена на рис. 3.5 Рис. 3.5 Схема абсорбционного бромистолитиевого теплового насоса: 1 – генератор-конденсатор; 2 – абсорбер-испаритель; 3 – теплообменник; 4 – насос для подачи конденсата; 5 – насос крепкого раствора; 6 – насос слабого раствора; 7 – насос для отвода горячей воды; 8 – рециркуляционный насос. Основой Целью расчета цикла является определение тепловых потоков аппаратов АТН, температуры горячей воды, получаемой в абсорбере, twa. Исходными данными для расчета являются: Температура греющей воды 4,°С Температура охлаждающей воды в зимнее время года tw,°С Конденсатор АТН охлаждается водой низкой температуры, что обеспечивает низкое давление в генераторе, обогреваемом теплом низкого потенциала. Тепло такой же температуры подводится к испарителю, что обеспечивает высокое давление в абсорбере. Таким образом, создаются условия: (3.35) Процесс абсорбции, проходящий при высоком давлении, обеспечивает высокий нагрев охлаждающей воды, то есть снятие тепла высокого потенциала. Количество тепла, отводимого из абсорбера, определяет те-плопроизводительность теплового насоса. Цикл бромистолитиевого теплового насоса представлен на рис.3.6. В блоке генератор-конденсатор поддерживается глубокий вакуум, поэтому в расчете учитывается действие гидравлического сопротивления путей движения пара из генератора в конденсатор. Давление пара в генераторе, кПа, (3.36) При этом Рк определяется по зависящей от температуры охлаждающей воды,°С, (3.37) Давление в абсорбере с достаточной точностью принимается Равным давлению в испарителе, кПа, (3.38) где Ро определяется по t0 в зависимости от температуры греющего источника,°С, (3.39) Температура раствора на выходе из генератора,°С, Рис. 3.6 Цикл абсорбционного бромистолитиевого теплового насоса (3.40) По значениям Ph и t4 определяется теоретическая концентрация крепкого раствора. Действительная концентрация с учетом недовыпаривания, (3.41) Зона дегазации раствора в цикле принимается по опытным данным, приведенным в литературных источниках, Тогда действительная концентрация слабого раствора на выходе из абсорбера: (3.42) Теоретическая концентрация слабого раствора с учетом недонасыщения в абсорбере: (3.43) На пересечении линий Ра и находится точка 2*, характеризующая состояние раствора, выходящего из абсорбера в теоретическом цикле, точка 2 – действительное состояние. Разность температур слабого раствора после абсорбера и крепкого после теплообменника принимают с учетом рабочих параметров цикла: (3.44) Разность концентраций Досм между осм и оа в абсорбере принимают по опытным данным: (3-45) Изображая графически процессы, происходящие в абсорбере, в виде линий, соединяющих точки 8 и 2 и точки 1` и 9, получают высшую температуру раствора в абсорбере – t10. Кратность циркуляции раствора в цикле: (3-46) Уравнение теплового баланса теплообменника: (3.47) Отсюда определяется энтальпия слабого раствора на входе в генератор, кДж/кг, (3-48) В связи с тем, что слабый раствор при поступлении в генератор находится в состоянии влажного пара, при распылении в форсунках из него выделяется пар, равновесный раствору. Состояние пара и насыщенной жидкости определяется построением изотермы 7-3′, при этом точка 5 характеризует равновесное состояние раствора в начале процесса 5-4 изобарной десорбции. Положение точки 5 на изобаре Ph определяют методом последовательного приближения. Принимают значение температуры t5, проводят линию кипения 5-4. Далее определяют среднюю температуру раствора в генераторе,°С, (3-49) и соответствующее ему состояние пара (точка 3′). Изотерма 3′-7 должна пройти через выбранную точку 5. Удельные тепловые нагрузки аппаратов теплового насоса, кДж/кг, (3-50) (3-51) (3-52) (3-53) Уравнение теплового баланса цикла: (3.54) Коэффициент трансформации низкопотенциальной теплоты на более высокий температурный уровень: (3.55) Температура горячей воды, нагретой в абсорбере, на 4-5°С ниже высшей температуры в абсорбере,°С, (3.56) Температура воды на входе в абсорбер должна быть,°С, (3.57) В общем случае рациональность использования теплового насоса оценивается результатами анализа его экономической эффективности. При этом необходимо учитывать стоимость теплоты, расходуемой на обогрев генератора. Учет ведется путем сравнения с одной стороны системы, состоящей из котельной и абсорбционного теплового насоса, а с другой стороны – отопительной котельной. Результаты такого сравнения показывают, что абсорбционный тепловой насос практически всегда выгоднее. Если же для работы абсорбционного теплового насоса пользуются вторичные тепловые ресурсы, выгода от их применения становится большей, что и обусловливает необходимость использования в технике. |
Источник
Идеальный цикл абсорбционного теплового насоса.
Идеальный цикл абсорбционного теплового насоса можно представить с помощью комбинации двух диаграмм цикла Карно: диаграммы идеального цикла теплового двигателя и диаграммы идеального цикла охлаждения / теплового насоса. Предполагается, что тепловая энергия, вырабатываемая в цикле теплового двигателя равна тепловой энергии, выбрасываемой в цикле охлаждения / теплового насоса.
На Рисунке 3 представлена диаграмма температура-энтропия идеального цикла абсорбционной холодильной машины, которая вырабатывает холод (Q0) на температурном уровне T0. В этом цикле при подводе теплоты Q0 температурный уровень поднимается с T0 на T1 путем использования эксергии высокотемпературного источника теплоты с температурным уровнем Т2.
Суммарная теплота, образовавшаяся в процессе охлаждения = Q0 + W выбрасывается на температурном уровне Т1. Излишняя теплота, образовавшаяся в процессе генерирования энергии этого идеального комбинированного цикла, = Q2 – W также выбрасывается в окружающую среду на температурном уровне Т1. Таким образом, суммарное количество теплоты, выбрасываемое на температурном уровне Т1, состоит из двух порций: и .
Этот комбинированный цикл, представленный на рисунке 3, представляет собой теплонасосное устройство, которое приводится в действие только за счет подачи теплоты от внешнего источника. Это идеализированное представление, применимое к любой концепции теплового насоса с тепловым приводом. Примером может служить паровой тепловой компрессор с приводом от двигателя, комбинация паровой электростанции с электрическим паровым тепловым насосом и абсорбционным тепловым насосом. На основе модели, приведенной на рисунке 3, коэффициент энергетической эффективности при нагреве (СОР) определяется как
А коэффициент энергетической эффективности при охлаждении определяется как:
В указанных выражениях подстрочный индекс AHP обозначает абсорбционный тепловой насос, а индекс AR обозначает абсорбционный охладитель. Предполагая термодинамическую обратимость, и применив первый и второй законы термодинамики, не принимая в расчет Q0 или Q1, где , уравнения энергетической эффективности при нагреве и охлаждении могут быть преобразованы в выражения, которые зависят только от температуры.
В этих уравнениях все температуры являются абсолютными.
Как и в случае парокомпрессионных охладителей и тепловых насосов, отличие теплового насоса и охладителя зависит только от применения, а не от режима работы. Указанные выше уравнения можно преобразовать для абсорбционных систем:
COPAR + 1 = COPAHP
Система, идеальный цикл которой был проанализирован выше, иногда упоминается в литературе как «абсорбционный тепловой насос I типа».
Ограничения фазовых переходов рабочего раствора
Для абсорбционных циклов требуются как минимум два рабочих вещества: сорбент и жидкий хладагент; эти вещества подвергаются фазовым изменениям. Учитывая это ограничение, некоторые комбинации веществ не могут быть применены для реализации абсорбционных циклов.
Первый результат применения ограничений на изменение фазы состоит в том, что различные тепловые потоки принимают известные тождества. Как показано на рисунке 1, изменения фазы хладагента происходят в испарителе и конденсаторе, а фаза сорбента изменяется в абсорбере и десорбере (генераторе). Для прямого цикла абсорбции теплота с самой высокой температурой всегда подается в генератор,
Qhot ≡ Qgen
а теплота с самой низкой температурой подается в испаритель:
Qcold ≡ Qevap
Для обратного цикла абсорбции (также называемого тепловым трансформатором или циклом абсорбции II типа) теплота с наивысшей температурой отводится от абсорбера, а теплота с наименьшей температурой отводится от конденсатора.
Второе ограничение фазовых переходов состоит в том, что для всех известных хладагентов и сорбентов в представляющих интерес диапазонах рабочего давления,
Qevap ≈ Qcond и Qgen ≈ Qabs
Эти два соотношения верны, потому что скрытая теплота фазового перехода (пар ↔ конденсированная фаза) является относительно постоянной в том случае, если она находится далеко от критической точки. Таким образом, каждый подвод теплоты в абсорбционном цикле не может быть независимо отрегулирован.
Выражение для COP идеального прямого цикла абсорбции I типа будет выглядеть так:
Равенство выполняется только в том случае, если количество теплоты при каждой температуре можно отрегулировать до конкретных значений, что практически невозможно.
Третий результат применения ограничения изменения фазы состоит в том, что только три из четырех температур Tevap, Tcond, Tgen, и Tabs могут быть выбраны независимо.
Изменение температур в цикле
Одним из важных ограничений при проведении упрощенного анализа производительности абсорбционного цикла является предположение, что количество теплоты в разных точках цикла находится при фиксированных температурах. В большинстве реальных процессов, происходящих в абсорбционном цикле, в различных жидкостях, поставляющих или получающих теплоту, происходит изменение температуры (так называемый «температурный глайд»). Это легче всего описать, сначала рассмотрев ситуации, в которых отсутствует температурный глайд, то есть имеется в виду изотермические теплообменники. Примерами могут служить процессы конденсации или кипения чистых компонентов рабочих тел. Любой явный теплообмен зависит от изменения температуры: например, циркулирующая высокотемпературная жидкость в качестве источника теплоты; охлаждающая вода или воздух, отводящие из цикла излишнюю теплоту; или циркулирующий охлажденный водно-гликолевый раствор, циркулирующий во вторичном контуре охлаждения.
Когда величина изменения температуры одного из потоков жидкости мала по сравнению с величиной изменения температуры в самом цикле, этот поток может быть представлен средней температурой, и предыдущий термодинамический анализ, представленный выше, будет достаточно корректным.
Тем не менее, одним из преимуществ абсорбционных циклов, является тот факт, что они могут максимизировать выгоду от низкотемпературных источников теплоты с высокой степенью температурного глайда. Эта способность проистекает из того факта, что процесс десорбции, по сути, происходит с изменением температуры, и, следовательно, может быть адаптирован к изменениям температуры источника теплоты. Точно так же процесс абсорбции также характеризуется изменением температуры, которое может быть оптимизировано так, чтобы соответствовать изменению температуры теплоносителя контура конденсатора.
Анализ реверсивного цикла с переменными температурами
Анализ цикла, который был представлен выше, основан на предположении, что все процессы теплопередачи происходят при фиксированных температурах. Это предположение делает анализ простым, и полученные модели дают некоторое представление о термодинамике циклов абсорбции. Однако процессы теплопередачи в абсорбционной системе фактически происходят во всех компонентах при изменяющихся температурах. Рабочий раствор при прохождении через компоненты устройства испытывает изменения температуры из-за ряда факторов, включая изменения давления, изменения массовой доли, перегрев и переохлаждение. С точки зрения анализа обратимых процессов желательно определить среднюю температуру, которая может характеризовать процессы теплообмена с переменной температурой. Такой температурой принимают среднюю температуру процесса изменения энтропии, или среднюю энтропийную температуру.
Рассмотрим произвольный процесс теплопередачи, происходящий в некотором диапазоне температур. Простой пример – охлаждение протекающей по трубе горячей воды. Когда энергия передается из системы, температура снижается. Баланс энергии в системе позволяет определить общую скорость передачи тепловой энергии в зависимости от скорости потока и температуры в конечном состоянии. Анализ обратимых процессов, который проводился выше, основан на применении Второго закона термодинамики, который, в свою очередь, подразумевает, что известны значения температуры, при которой происходит теплообмен. Поскольку температура в реальной термодинамической системе является постоянно изменяющейся переменной, то необходимо рассматривать процесс на дифференциальной основе.
Рассмотрим более сложный, но произвольный процесс теплопередачи, показанный для зависимости температуры от кумулятивной скорости теплопередачи на рисунке 4. Накопленная скорость теплопередачи является интегралом теплового потока в области теплообменника с произвольно установленным нулем на одном конце устройства. Общая скорость изменения энтропии, протекающей с теплопередачей, может быть записана как
где скорость теплопередачи, dQ, происходит при температуре T. Температура T соответствует температуре границы системы, выбранной при проведении анализа. Средняя температура, Tsa, или средняя энтропийная температура, может быть определена так, чтобы энтропийный перенос был бы таким же, как если бы весь процесс теплообмена происходил бы при средней температуре. Эта температура определяется как:
Средняя энтропийная температура, определенная в данном уравнении, отражает термодинамическое «качество» теплопередачи, происходящей с переменной температурой. Таким образом средняя энтропийная температура является температурой, которая может быть использована всякий раз, когда процесс с переменной температурой должен анализироваться термодинамически, как если бы это был процесс с постоянной температурой. Эта формулировка сохраняет простоту модели постоянной температуры, что в итоге делает ее применимой к анализу процессов с переменной температурой.
Мы рады, если эта статья оказалась для Вас полезной. Обратившись в компанию CENTURY, Вы сможете получить консультацию по вопросам подбора, поставки, обслуживания и целесообразности применения абсорбционных чиллеров и абсорбционных тепловых насосов. Вы также сможете получить цену на АБХМ от производителя и купить абсорбционный чиллер на максимально выгодных для Вас условиях.
Связаться с нами можно по телефону +7(495)1087524 или отправить запрос на электронную почту @century.com.ru.
Источник