8425

10

1)в процессе кипения в генераторе происходит полное разделение раствора,

т.е. отделение паров рабочего тела от абсорбента;

2)во всех аппаратах установки (генераторе, конденсаторе, испарителе,

абсорбере) процессы подвода и отвода теплоты происходят изотермически.

Тепловой баланс идеальной установки:

где Qc – суммарное количество отведенной или подведенной теплоты; Qн, Qв

– количество теплоты низкого и высокого потенциалов соответственно,

подведенной в испарителе и генераторе; Qa, Qк – количество теплоты,

отведенной в абсорбере и конденсаторе соответственно.

В идеальном трансформаторе теплоты потери эксергии отсутствуют,

следовательно эксергия на входе в установку равна эксергии на выходе:

Eвх = Eвых. Поэтому уравнение эксергетического баланса идеальной установки:

. (1.2)

Эксергия теплоты определяется уравнением:

(1.3)

где коэффициент работоспособности теплоты:

(1.4)

Поэтому уравнение эксергетического баланса (1.2) можно представить в

где τе,н, τе,в, τе,с – коэффициенты работоспособности тепловых потоков Qн, Qв,

Qс с температурами Тн, Тв, Тс соответственно.

11

Совместное решение уравнений (1.1), (1.4) и (1.5) позволяет определить удельные энергозатраты в идеальном повышающем трансформаторе теплоты.

Удельный расход теплоты Qв высокого потенциала (в генераторе установки), отнесенный к единице теплоты Qн низкого потенциала (в

испарителе установки),

Уравнением (1.6) определяют удельный расход теплоты на получение единицы холода в идеальной абсорбционной холодильной установке.

В абсорбционном тепловом насосе путем использования теплоты Qв

высокого потенциала, подводимой в генератор на температурном уровне Тв,

и теплоты Qн низкого потенциала, подводимой в испаритель на температурном уровне Тн, вырабатывается полезная теплота Qс, которая отводится из конденсатора и абсорбера на температурном уровне Тс.

Удельный расход теплоты высокого потенциала в идеальном тепловом насосе на получение единицы теплоты среднего потенциала определяется уравнением:

Поскольку Тн < Тс , при одинаковых значениях Тв величина эс < эн.

Уравнения (1.6) и (1.7) показывают, что удельный расход теплоты высокого потенциала в идеальном абсорбционном повышающем трансформаторе теплоты зависит только от температур источников и приемников теплоты.

Эксергия теплоты Qв высокого потенциала:

(1.8)

Коэффициент работоспособности теплоты Qв при температуре Тс

отвода теплоты из установки:

12

(1.9)

Удельный расход эксергии Ев на выработку единицы холода:

(1.10)

С учетом уравнений (1.6), (1.8), (1.9) получим:

⁄

Удельный расход эксергии в компрессионной установке определяется в общем случае уравнением:

(1.12)

Поскольку в данном случае отвод теплоты из установки происходит при

⁄

Из уравнений (1.11) и (1.13) следует, что при одинаковых температурах

Тн = const и Тс = const удельные расходы эксергии на выработку единицы холода в идеальных абсорбционной и компрессионной установках равны между собой.

В отличие от величин эн и эс удельных расходов теплоты, зависящих от температуры ее подвода Тв, величина ен удельного расхода эксергии на выработку единицы холода не зависит от этой температуры. Это объясняется прямо противоположным влиянием температуры Тв на величины эн и τе,в.

Удельный расход эксергии ен уменьшается при повышении температуры Тн и снижении температуры Тс. Если Тн = Тс расход эксергии

ен = 0, так как в этом случае отпадает необходимость трансформации теплоты. При Тн → 0 удельный расход эксергии ен → ∞ из-за увеличения перепада температур в процессе трансформации теплоты.

14

Трансформатор включает абсорбер I, насос II, генератор III, детандер IV,

теплообменник V, испаритель VI, конденсатор VII.

Водяной пар среднего давления с теплотой Qа и с температурой Tс

подается из источника (паровой котел или паровая турбина) в абсорбер I, где он поглощается (абсорбируется) абсорбентом, поступающим из испарителя

VI через теплообменник V. Процесс абсорбции происходит экзотермически,

т.е. с выделением теплоты. В результате абсорбции получается смесь с повышенной температурой Tв. Жидкая смесь насосом II перекачивается в генератор III, в котором теплота Qв передается от этой смеси через поверхность нагрева кипящей воде. В генераторе вырабатывается водяной пар с температурой Tв > Tс, который отводится потребителю.

Из генератора смесь подается через детандер IV и теплообменник V для выпаривания в испаритель VI, куда поступает также водяной пар среднего давления. Этот пар передает кипящей смеси теплоту Qи, а сам конденсируется. В результате выпаривания смесь разделяется на водяной пар и абсорбент. Водяной пар поступает в конденсатор VII, где конденсируется при температуре Tн вследствие отдачи теплоты Qн потребителю низкопотенциальной теплоты. Конденсат водяного пара возвращается источнику для дальнейшего использования. Абсорбент поступает из испарителя IV через теплообменник V в абсорбер I.

Для привода насоса II используется энергия, полученная в детандере IV.

Таким образом, для работы расщепляющего трансформатора теплоты используется внешняя энергия в виде потоков Qа и Qи среднепотенциальной теплоты водяного пара.

15

1.4.Удельные энергозатраты в абсорбционном расщепляющем трансформаторе теплоты

Уравнение теплового баланса идеального абсорбционного расщепляющего трансформатора теплоты:

(1.16)

где Qа, Qи – количество теплоты, подведенной к абсорберу и испарителю установки соответственно; Qн, Qв – количество теплоты, отведенной из конденсатора и генератора соответственно.

Уравнение эксергетического баланса установки:

(1.17)

где величины коэффициентов работоспособности τe определяют по уравнению (1.4).

Совместное решение уравнений (1.4), (1.16), (1.17) позволяет

определить удельные энергозатраты в идеальном абсорбционном расщепляющем трансформаторе теплоты.

Удельный расход теплоты среднего потенциала для получения

единицы теплоты высокого потенциала в генераторе установки:

Удельный расход эксергии теплоты среднего потенциала на единицу

теплоты высокого потенциала, вырабатываемой в генераторе установки:

17

VI – конденсатор, VII – ресивер, VIII – охладитель, IX – дроссельный вентиль рабочего тела, X – испаритель, XI – дроссельный вентиль слабого раствора,

XII – теплообменник.

Процесс работы этого трансформатора показан на рис. 2.1,б в диаграмме h-ξ. На оси абсцисс этой диаграммы отложена массовая концентрация ξ легкокипящего компонента в растворе, т.е. отношение массы легкокипящего компонента (обычно рабочего тела) к массе раствора. На оси ординат отложена энтальпия h раствора.

Две верхние пограничные кривые П (линии насыщения) на рис. 2.1,б

показывают состояние сухого насыщенного пара над кипящим раствором при двух давлениях: pк – в генераторе и конденсаторе и pо – в испарителе и абсорбере.

Две нижние пограничные кривые Ж (линии кипения) на диаграмме показывают состояние кипящей жидкости при тех же давлениях pк и pо.

Между верхними и нижними пограничными кривыми находится область влажного пара при давлениях pк и pо соответственно.

Равновесие между кипящей жидкостью и сухим насыщенным паром определяется при любом давлении изотермой, соединяющей соответствующие точки на пограничных кривых для данного давления.

Например, такой изотермой является прямая 1-8, соединяющая точку 1

сухого насыщенного пара с точкой 8 кипящей жидкости, в которых одинаковое давление pк и равные температуры T1 = T8.

Установка работает следующим образом. К ректификационной колонне

IV подводится из абсорбера I крепкий раствор повышенной концентрации давлением pк в состоянии 14, представляющий собой смесь рабочего тела

(аммиака) и абсорбента (воды) с концентрацией ξк. Этот раствор проходит через ректификационную колонну. В результате тепломассообмена между раствором и противоточно движущимся паром концентрация аммиака в паре повышается, а в жидком растворе – снижается. Затем раствор стекает в генератор III, где из него выпаривается аммиак в результате подвода внешней

18

теплоты Qг. Содержание аммиака в жидком растворе при этом существенно уменьшается, и раствор из крепкого превращается в слабый (по концентрации аммиака).

Изменение состояния раствора в ректификационной колонне и генераторе изображается на диаграмме h-ξ линией 14-8-9. Подогрев крепкого раствора до температуры кипения происходит по линии 14-8 при постоянной концентрации ξк. При дальнейшем подводе теплоты раствор кипит по линии

8-9. При этом температура раствора возрастает от t8 до t9 в результате снижения его концентрации от ξк до ξс.

В процессе кипения раствор переходит частично в пар. Концентрация получаемого пара зависит от концентрации кипящей жидкости, с которой он находится в равновесии, и от термодинамических свойств кипящего раствора, характеризуемых разностью ts нормальных температур кипения абсорбента и рабочего тела. Как правило, концентрация пара больше концентрации жидкости: ξп ˃ ξж.

При кипении растворов, у которых разность нормальных температур кипения невелика (например, у водоаммиачного раствора ts = 133,4 °С), по мере снижения концентрации кипящей жидкости от ξк до ξс снижается концентрация получаемого пара, хотя неравенство ξп ˃ ξж сохраняется.

Для повышения концентрации аммиака пар направляется из генератора в ректификационную колонну, представляющую собой вертикальный цилиндр, внутри которого установлены ректификационные тарелки или насадка из колец, или то и другое вместе. Пар в колонне проходит противотоком к крепкому раствору.

В процессе тепломассообмена между паром и крепким раствором,

происходящего на тарелках или в насадке, пар передает теплоту раствору и охлаждается, а крепкий раствор нагревается.

При отводе теплоты от пара из него выпадает жидкость (флегма),

концентрация которой по аммиаку меньше концентрации пара. При

19

нагревании крепкого раствора из него выделяется пар, концентрация которого по аммиаку больше концентрации жидкого раствора.

В результате тепломассообмена между жидкостью и паром в ректификационной колонне концентрация легкокипящего компонента

(рабочего тела – аммиака) возрастает в паре и снижается в жидкости.

Состояние пара на выходе из ректификационной колонны на рис. 2.1,б

показано точкой 1. Этот пар практически находится в равновесии (на одной изотерме) с кипящим крепким раствором (точка 8).

Из ректификационной колонны пар в состоянии 1 поступает в дефлегматор V, где дополнительно охлаждается путем отвода от него теплоты Qд через поверхность к холодной воде, холодному крепкому раствору или другой среде. Выделяющаяся из пара флегма течет вниз навстречу пару.

Концентрация рабочего тела (аммиака) в паре повышается, а его температура понижается. Чем глубже охлаждается пар в дефлегматоре, тем больше выпадает флегмы и выше концентрация пара после дефлегматора.

Одновременно возрастают удельный отвод теплоты qд в дефлегматоре и удельный расход теплоты qг в генераторе на единицу расхода рабочего пара,

поступающего из дефлегматора в конденсатор.

Довести концентрацию рабочего тела в дефлегматоре до единицы, т.е.

получить после дефлегматора идеально чистый пар аммиака, без примеси абсорбента (воды), невозможно, так как для этого пришлось бы сконденсировать в дефлегматоре весь пар. Поэтому концентрацию пара в дефлегматоре доводят до значения, отличающегося от единицы на доли процента.

При такой высокой концентрации температура пара после дефлегматора весьма незначительно отличается от температуры конденсации чистого вещества (аммиака NH3) при данном давлении.