Determination of operating temperature in main generator of a two-stage absorption refrigeration machine working on an aqueous solution of lithium bromide

Full Text

Растущий спрос на энергию предвещает, с одной стороны, резкое сокращение запасов ископаемого топлива, а с другой – чрезмерное потребление этих источников привело к многочисленным экологическим проблемам, заставив весь мир искать альтернативные и, желательно, возобновляемые источники энергии. Одним из наиболее важных из этих источников является солнечная энергия, которая характеризуется способностью покрывать различные нагрузки, как тепловые, так и электрические [1, 2]. Например, системы кондиционирования и охлаждения, работающие с использованием парокомпрессионных холодильных установок, потребляют электрическую энергию [3]. В больших количествах используемые в них хладагенты оказывают вредное воздействие на окружающую среду, особенно на озоновый слой. Парокомпрессионная холодильная машина состоит из четырех основных элементов, как показано на рис. 1: компрессора, конденсатора, испарителя и расширительного (терморегулирующего) клапана. Контур работает на двух уровнях давления: низком (давлении испарения) и высоком (давление конденсации).

 

Рис. 1. Схема парокомпрессионной холодильной установки

Fig. 1. Steam Compression Refrigeration Unit Diagram

 

Важнейшим фактором в системах кондиционирования воздуха, отличающим одну установку от другой, является холодильный коэффициент (коэффициент энергоэффективности) ε (EER), который равен отношению отводимой энергии (холодопроизводительности) к потребляемой энергии.

Энергия, потребляемая в контуре холодильного оборудования под давлением, является электрической энергией. Причем следует отметить, что электрическая энергия является вторичной энергией, и, соответственно, не учитываются многочисленные потери, накопленные в результате процесса преобразования первичной энергии (например сжигание метана) во вторичную энергию (электрическую энергию). Поэтому высокое значение ε в схеме не считается достаточно приемлемым показателем для сравнения ее с другими холодильными схемами. Следует также отметить, что наиболее энергозатратным элементом (с энергетической точки зрения) в схеме является компрессор. Можно ли обойтись без него? И как другим способом поднять давление паров хладагента, вырабатываемых в испарителе, от низкого (давления испарения) до высокого (давления конденсации)? Этого можно достигнуть за счет использования свойств растворов, состоящих из двух веществ: абсорбента и абсорбированного в нем вещества (в данном случае хладагента). При нагреве раствора хладагент выделяется из раствора.

Существует несколько типов абсорбционных холодильных машин, самой простой из которых является одноступенчатая абсорбционная холодильная машина, показанная на рис. 2, имеющая два уровня давления, где компрессор заменен генератором и абсорбционной емкостью, а хладагент, используемый в парокомпрессионных холодильных машинах, заменяется двухкомпонентным раствором: охлаждающим элементом (хладагентом) и абсорбционным элементом (абсорбентом). Водный раствор бромида лития считается одним из наиболее широко используемых растворов.

 

Рис. 2. Схема одноступенчатой абсорбционной холодильной машины

Fig. 2. Diagram of a single-stage absorption refrigerating machine

 

При нагревании раствора в генераторе пары хладагента высвобождаются за счет подаваемого тепла, затем хладагент конденсируется в конденсаторе. Его давление снижается в расширительном клапане до давления испарения, а затем он испаряется в испарителе, возвращается в поглотительный резервуар (абсорбер) для поглощения раствором (абсорбентом) с низким содержанием хладагента, возвращающимся из генератора [4].

Необходимо отметить, что пар, образующийся в генераторе, имеет высокую температуру, поэтому в контуре образуются большие тепловые потери. Пар можно утилизировать путем пропускания через второй генератор для нагрева раствора, возвращающегося из основного генератора, при этом выделяется дополнительное количество паров хладагента, что способствует увеличению производительности охлаждения и, как следствие, увеличению теплового коэффициента полезного действия контура. Такая холодильная машина называется двухступенчатой. В данной работе проводится исследование подобного абсорбционного холодильного контура с целью увеличения его эффективности [5].

На рис. 3 показана принципиальная схема двухступенчатой абсорбционной холодильной машины, работающей на растворе воды и бромида лития. Машина работает при трех давлениях контура: низком давлении (давление испарения), среднем (давление конденсации) и высоком (давление вторичного генератора). Схема состоит из нескольких сосудов, в которых происходят различные процессы массо- и теплообмена: главный генератор – генератор 1, вторичный генератор 2, абсорбер, испаритель, основной теплообменник и вторичный генератор, насос и расширительный клапан [6, 7]. Раствор нагревается в главном генераторе, богатом газообразным хладагентом, что приводит к выделению паров хладагента в точке (1) при высокой температуре, используемой для нагрева раствора. Он возвращается от основного генератора в точке (11) к вторичному генератору, и таким образом дополнительный охлажденный пар высвобождается в точке (17), затем он конденсируется в конденсаторе, в то время как пар, вырабатываемый основным генератором, конденсируется во вторичном. Его объем добавляется к количеству, выделяющемуся во вторичном генераторе, и общий объем после конденсации в точке (4) поступает в испаритель для получения необходимого количества холода.

 

Рис. 3. Схема холодильного контура двухступенчатой абсорбционной холодильной машины, работающей на водном растворе бромида лития

Fig. 3. Diagram of the cooling circuit of a two-stage absorption refrigeration machine operating on an aqueous solution of lithium bromide

 

Любая тепловая схема описывается двумя основными параметрами: количеством (количеством тепла, измеряемым в джоулях) и уровнем (температурой, измеряемой в градусах Цельсия), которые иногда трудно определить однозначно количественно, что может привести к дефектам. При работе машины, работающей на водном растворе бромида лития, следует учитывать такое свойство, как явление кристаллизации, которое может возникнуть в контуре, в котором в качестве кристаллизующего агента используется литий. Абсорбционный элемент бромид лития – твердое (нелетучее) вещество, поэтому важно точно определить подходящую температуру для работы основного генератора.

В данном исследовании изучались тепловые характеристики контура охлаждения, а именно изменение эффективности контура охлаждения при различных температурах основного генератора (температура вторичного генератора остается постоянной). Исследование показало, что с увеличением температуры основного генератора холодильный коэффициент уменьшается, как показано на рис. 4. Но это нелогично и противоречит тепловым характеристикам схемы, так как повышение температуры основного генератора приводит к увеличению количества выделяемых паров хладагента. Таким образом, увеличение эффективности охлаждения превышает увеличение теплового потока, требуемого в главном генераторе, что должно приводить к высокому значению ε (EER). Такая схема термически неуравновешенна, поскольку температура вторичного генератора остается постоянной, в то время как температура основного генератора изменяется [8].

 

Рис. 4. Изменение холодильного коэффициента абсорбционного холодильного контура в зависимости от изменения температуры основного генератора

Fig. 4. Change in the refrigeration coefficient of the absorption refrigeration circuit depending on the change in the temperature of the main generator

 

Следовательно, температура вторичного генератора напрямую связана с температурой основного генератора. При изменении температуры основного генератора изменяется температура вторичного генератора, как показано на рис. 5, где видно, что зависимость между температурами основного и вторичного генераторов принимает линейную форму, а соотношение между ними колеблется в пределах от 1,49 до 1,52 и выражается в виде

$T_{g2}=0.6232\times T_{g1}+5.7827$. (1)

 

Рис. 5. Изменение температуры вторичного генератора в зависимости от изменения температуры основного генератора

Fig. 5. Change in temperature of the secondary generator depending on the change in temperature of the main generator

 

Поэтому для определения температуры вторичного генератора необходимо изучить тепловой баланс схемы в целом путем построения зависимости изменения температуры основного генератора с погрешностью, возникающей из-за теплового дисбаланса системы, которая рассчитывается по следующему уравнению (путем вычитания потоков энергии, выходящих из цепи, из потоков энергии, поступающих в цепь):

${\dot{Q}}_{G1}+{\dot{Q}}_E= {\dot{Q}}_A+ {\dot{Q}}_C$. (2)

По результатам расчета видно, что кривая сначала уменьшается, пока не достигнет предельной точки, с ошибкой теплового баланса, равной нулю, после чего ошибка снова увеличивается. Таким образом, в данной точке устанавливается рабочая температура вторичного генератора, как показано на рис. 6, следовательно, изменение температуры зависит от основного и вторичного генераторов.

 

Рис. 6. Изменение температуры основного генератора в зависимости от величины дисбаланса

Fig. 6. Change in the temperature of the main generator depending on the unbalance value

 

Далее производился тепловой расчет контура, где первоначально определяются давления, действующие в контуре: давление испарения, соответствующее температуре испарения, и давление конденсации, соответствующее температуре конденсации по логарифмической диаграмме log(p) – X – T для раствора бромида лития с водой. Как показано на рис. 7, при давлении конденсации выбирается точка, расположенная непосредственно перед точкой пересечения линии давления конденсации с кривой кристаллизации (чтобы гарантировать, что кристаллизации не происходит), которая представляет собой максимальную температуру вторичного генератора. В результате можно определить концентрацию раствора, выходящего из вторичного генератора, помимо его температуры, что также приводит к определению рабочего давления в основном генераторе.

 

Рис. 7. Диаграмма log(p) – X – T термодинамических связей раствора бромид лития – вода

Fig. 7. Log (p) - X - T diagram of thermodynamic bonds lithium bromide ‒ water solution

 

Таким образом определяется три рабочих давления в контуре, а рабочая температура в основном генераторе рассчитывается по описанному выше методу (расчет теплового баланса в каждой точке).

Затем рассчитывают значение коэффициента энергоэффективности ε (EER) при различных значениях температуры основного генератора [9], изучая его изменение в целом в зависимости от изменения температуры основного генератора (рис. 8).

 

Рис. 8. Изменение холодильного коэффициента в зависимости от температуры основного генератора

Fig. 8. Change in refrigeration coefficient depending on the temperature of the main generator

 

Из рис. 8 видно, что по мере увеличения температуры основного генератора холодильный коэффициент вначале значительно увеличивается, далее его прирост постепенно снижается с увеличением температуры основного генератора и затем начинает стабилизироваться, при этом наибольшее значение ε (EER) составляет 1,6 при температуре 150 °С. Как уже говорилось, особенность абсорбционной холодильной машины, работающей на системе бромид лития – вода, заключается в риске возникновения кристаллизации в контуре, в связи с чем безопасность контура должна быть обеспечена при этом значении.

Концентрация раствора, выходящего из основного генератора, составляет 58,43 % при температуре 150 °С, а концентрация раствора, выходящего из вторичного генератора, равна 66,14 %. Оба значения довольно далеки от кристаллизации в контуре, что показано на диаграмме термодинамических связей раствор бромид лития – вода (h-X-T) на рис. 9. Поскольку на линии раствора, выходящей из вторичного генератора, имеется теплообменник, раствор попадает в зону кристаллизации при температурах, превышающих 135 °С.

 

Рис. 9. Диаграмма (h-X-T) термодинамических связей раствора бромида лития в воде

Fig. 9. Diagram of (h-X-T) thermodynamic bonds of lithium bromide solution in water

 

Поэтому схема должна быть рассчитана на температуру ниже 135 °C. В результате решающим фактором при определении подходящей рабочей температуры для схемы является значение изменения эффективности схемы при изменении температуры основного генератора [10], как показано на рис. 10.

 

Рис. 10. Изменение эффективности схемы при изменении температуры основного генератора

Fig. 10. Change of circuit efficiency in case of main generator temperature change

 

Из рис. 10 видно, что по мере увеличения температуры основного генератора выходная мощность сначала резко увеличивается, пока не достигает экстремума, где выходная мощность стабилизируется, а затем начинает уменьшаться с увеличением температуры из-за роста тепловых потерь. При этом максимальное выходное значение составляет 0,2263 при температуре 123 °C.

Вывод.

Таким образом, для наибольшего эффекта проектирование должно осуществляться для температуры, соответствующей более высокому значению EER, и температуры, далекой от явления кристаллизации. Поэтому наиболее оптимальной будет схема при проектировании с температурой основного генератора 130 °C, что далеко от температуры кристаллизации и обеспечивает наибольшее соотношение температур 1,52 и эффективность 0,225.

About the authors

Feras Al Gogo

Samara State Technical University

Author for correspondence.
Email: feras.algogo@mail.ru

Postgraduate student of the Heat and Gas Supply and Ventilation Chair

Russian Federation, Samara, st. Molodogvardeyskaya, 244, 443100

Danila V. Zelentsov

Samara State Technical University

Email: tgv@samgtu.ru

PhD in Engineering Sciences, Associate Professor, Head of the Heat and Gas Supply and Ventilation Chair

Russian Federation, Samara, st. Molodogvardeyskaya, 244, 443100

References

Supplementary files