8425

20

Чем выше концентрация пара по рабочему телу, тем ближе к изотермическому процесс конденсации пара в конденсаторе и процесс кипения (испарения) конденсата в испарителе.

Основное отличие процессов дефлегмации и ректификации заключается в том, что первый происходит с отводом теплоты на всех уровнях процесса, а второй является адиабатным.

Изменение состояния пара в дефлегматоре изображено на рис. 2.1,б

кривой 1-2.

Генератор, ректификационная колонна и дефлегматор обычно компонуются вместе таким образом, чтобы обеспечить естественное движение пара вверх, а флегмы и крепкого раствора – вниз.

После дефлегматора пар поступает в конденсатор VI. В результате внешнего отвода теплоты Qк пар конденсируется, превращаясь в жидкость

(процесс 2-3 на рис. 2.1,б). Из конденсатора жидкий аммиак в состоянии 3

поступает в ресивер VII, необходимый для регулирования работы установки при переменных режимах. Из ресивера жидкое рабочее тело поступает в охладитель VIII, где дополнительно охлаждается парообразным рабочим телом (паром аммиака), направляющимся из испарителя X в абсорбер I. Такое охлаждение возможно потому, что температура пара после испарителя в точке 6 ниже температуры жидкого рабочего тела после ресивера t6 < t3.

Процесс охлаждения рабочего тела в охладителе изображен в диаграмме h-ξ отрезком 3-4. В состоянии 4 охлажденный жидкий аммиак поступает в дроссельный вентиль IX, при прохождении через который его энтальпия и концентрация не изменяются. Поэтому точки 4 и 5 совпадают.

Однако при этом уменьшается давление рабочего тела от pк до pо. Поэтому состояния 4 и 5 относятся к разным пограничным кривым. В состоянии 4

рабочее тело представляет собой некипящую жидкость, так как точка 4

находится ниже кривой кипящей жидкости при давлении pк, а в состоянии 5

– смесь пара и жидкости (влажный пар), так как точка 5 находится выше кривой кипящей жидкости при давлении pо.

21

Массовые доли пара и жидкости в парожидкостной смеси,

изображенной точкой 5, можно определить по диаграмме h-ξ на основе правила рычага: точка смеси 5 делит отрезок изотермы 6-16 между верхней и нижней пограничными кривыми на участки, обратно пропорциональные массовым долям пара и жидкости в смеси.

В данном случае отношение массы пара Gп к массе жидкости Gж в

смеси определяется отношением

После дроссельного вентиля IX рабочее тело в состоянии 5 (влажный пар) поступает в испаритель X, где в результате подвода внешней теплоты Qо

оно превращается в сухой насыщенный пар (отрезок 5-6 на диаграмме h-ξ).

В состоянии 6 рабочий пар аммиака поступает в охладитель VIII, где перегревается за счет теплоты, подведенной к нему от жидкого аммиака

(отрезок 6-7), а затем в состоянии 7 направляется в абсорбер I.

В абсорбере происходит смешение паров рабочего тела со слабым раствором, поступающим в абсорбер в состоянии 15. При адиабатном смешении пара и жидкого раствора состояние смеси определяется точкой 11

пересечения прямой 7-15, соединяющей исходные состояния пара и раствора,

с ординатой, соответствующей концентрации ξк полученной смеси.

Из рис. 2.1,б видно, что точка 11 находится между верхней и нижней пограничными кривыми для давления pо. Следовательно смесь в этом состоянии представляет собой влажный пар. Для превращения влажного пара в жидкий крепкий раствор из абсорбера отводится теплота Qа.

Процесс отвода теплоты от влажного пара в абсорбере изображается в диаграмме h-ξ прямой 11-12. Крепкий раствор в состоянии 12 выходит из абсорбера и подается насосом II через теплообменник XII в

ректификационную колонну IV. В точке 12 раствор является жидкостью с давлением pо и температурой кипения, соответствующей этому давлению и концентрации ξк. Вследствие несжимаемости жидкости энтальпии раствора перед и за насосом практически одинаковы: h12 = h13. Поэтому на диаграмме

22

h-ξ точки 12 и 13 совпадают. Однако давление раствора в точке 13 равно pк.

Поскольку точка 13 находится ниже кривой кипящей жидкости при давлении pк, раствор в этой точке является некипящей жидкостью.

Процесс подогрева крепкого раствора в теплообменнике изображается отрезком 12-14. Противотоком к крепкому раствору через теплообменник проходит слабый раствор. Процесс охлаждения слабого раствора в теплообменнике изображается отрезком 9-10.

После теплообменника слабый раствор подается через дроссельный вентиль XI в абсорбер I, а крепкий раствор поступает в ректификационную колонну IV.

Применение теплообменника позволяет использовать слабый раствор для подогрева крепкого раствора. Благодаря этому снижаются подвод теплоты в генераторе и соответственно отвод теплоты в абсорбере, что повышает энергетическую эффективность данного устройства.

Поэтому с точки зрения экономичности процесс теплообмена между слабым и крепким растворами в теплообменнике должен быть возможно полнее. Однако температура крепкого раствора после теплообменника не должна превышать температуру его кипения при давлении pк в генераторе t14 ≤ t8, следовательно энтальпия точки 14 не должна превышать энтальпию точки 8: h14 ≤ h8 (рис. 2.1,б).

Если это условие не выполняется, то крепкий раствор закипает на выходе из теплообменника и концентрация жидкости, поступающей на верхнюю тарелку ректификационной колонны, снижается. Это в свою очередь приводит к снижению концентрации пара, поступающего в дефлегматор, увеличению отвода теплоты из него и повышению расхода теплоты в генераторе.

При выполнении условия t14 ≤ t8 теплота слабого раствора не всегда может быть достаточно полно использована в теплообменнике для подогрева крепкого раствора. В таких случаях тепловая экономичность абсорбционных установок может быть повышена за счет использования части теплоты

23

слабого раствора для генерации пара, т.е. путем частичной регенерации

теплоты Qг.

2.2.Основные отличия реального и идеального трансформаторов

теплоты

Реальные абсорбционные трансформаторы теплоты отличаются от идеального четырьмя основными факторами, вызывающими потери эксергии

при трансформации теплоты.

1. В генераторе реальной установки не происходит полное

отделение паров рабочего тела (аммиака) от абсорбента (воды), что вызывает

необходимость установки после генератора специальных устройств

(ректификационной колонны и дефлегматора) для обогащения (повышения концентрации) паров рабочего тела. Процесс обогащения вызывает дополнительный расход теплоты на работу установки.

Из-за неполного разделения рабочего тела и абсорбента в генераторе в абсорбер поступает не чистый абсорбент, а слабый раствор рабочего тела в абсорбенте, отчего возрастает количество теплоты, отводимой из абсорбера

на единицу полезной производительности установки.

Совершенство процесса разделения рабочего тела и абсорбента в

разделяются такие растворы, как смесь воды и бромистого лития H2O + LiBr с ts = 1212 °С или смесь воды и едкого натра H2O + NОH с ts = 1290 °С.

Полностью не разделяется водоаммиачный раствор H2O + NH3, у

которого ts = 133,4 °С.

2.В абсорбере и генераторе реальной установки процессы подвода

иотвода теплоты протекают не изотермически. В процессе подвода теплоты в генератор температура кипящего раствора растет по мере снижения его

24

концентрации. При отводе теплоты из абсорбера температура охлаждаемого раствора снижается по мере повышения его концентрации.

3. В реальной установке вместо детандеров используют дроссельные вентили. Такая замена упрощает установку, но увеличивает удельный расход эксергии на трансформацию теплоты. Одним из методов снижения потерь, вызванных заменой детандера на дроссельный вентиль на линии жидкого рабочего тела (перед испарителем) является установка охладителя.

Охлаждение жидкого рабочего тела увеличивает отбор теплоты qо от охлаждаемого тела в испарителе на единицу расхода рабочего тела. Это несколько снижает удельный расход эксергии на единицу трансформируемой теплоты.

4. Во всех аппаратах реальной установки существуют потери из-за необратимого теплообмена между греющей и нагреваемой средами,

происходящего при конечной разности их температур. Из-за этого в реальных абсорбционных установках удельный расход эксергии на трансформацию теплоты выше, чем в идеальных установках, где этот расход определяется уравнениями (1.11), (1.15), (1.19).

2.3.Коэффициенты полезного действия реальных установок

Коэффициент полезного действия реальной абсорбционной установки определяется отношением удельных расходов эксергии на трансформацию теплоты в идеальной абсорбционной установке и реальной установке при одних и тех же температурных уровнях теплоприемника и теплоотдатчика.

Коэффициент полезного действия абсорбционной холодильной установки:

где eн – удельный расход эксергии на выработку единицы холода в идеальной установке, определяется уравнением (1.11), eх – удельный расход эксергии на выработку единицы холода в реальной установке.

25

Коэффициент полезного действия абсорбционной теплонасосной установки:

где eс – удельный расход эксергии на выработку единицы теплоты среднего потенциала в идеальной теплонасосной установке, определяется уравнением

(1.15), eт.н. – удельный расход эксергии на выработку единицы теплоты среднего потенциала в реальной теплонасосной установке.

Коэффициент полезного действия абсорбционного расщепляющего

где eв – удельный расход эксергии на выработку единицы теплоты высокого потенциала в идеальном расщепляющем трансформаторе теплоты,

определяется уравнением (1.19), ер.т. – удельный расход эксергии на выработку единицы теплоты высокого потенциала в реальном расщепляющем трансформаторе теплоты.

2.4.Методика расчета водоаммиачной холодильной установки

Целью теплового расчета абсорбционного трансформатора теплоты является определение расходов рабочего тела и раствора, тепловых нагрузок отдельных элементов установки, удельных расходов теплоты и эксергии на трансформацию теплоты (в данном случае на выработку единицы холода) и

КПД установки.

Для расчета должны быть заданы:

1)холодопроизводительность Q0;

2)температуры теплоотдатчика (например, рассола) на входе в испаритель tн1 и на выходе из него tн2;

3)температуры tс2 охлаждающей среды (например, воды) на входе в конденсатор, абсорбер, дефлегматор и на выходе из этих аппаратов tс1;

4)температурный уровень tв внешнего источника теплоты (например,

температура конденсации греющего пара при заданном его давлении);

5)рабочее тело и абсорбент;

26

6) схема установки.

Кроме этого задают величины меньшей конечной разности температур

теплообменнике раствора tто (или определяют их на основе технико-

экономического расчета).

Задают также величину tд превышения температуры пара рабочего тела после дефлегматора над температурой конденсации этого пара в конденсаторе.

Расчет производят в следующей последовательности.

1.Вычисляют температуру tк конденсации рабочего тела (аммиака)

вконденсаторе и температуру t0 его испарения в испарителе по уравнениям:

(2.4)

(2.5)

где tс.к1 – температура охлаждающей среды на выходе из конденсатора, tн2 –

температура охлаждаемой среды (теплоотдатчика, например, рассола) на выходе из испарителя.

2.Определяют давления pк в конденсаторе и генераторе и p0 – в

испарителе и абсорбере по таблицам термодинамических свойств аммиака в состоянии насыщения, используя найденные значения температур tк и t0.

3.Находят температуру t12 крепкого раствора на выходе из абсорбера:

(2.6)

где tс.а2 – температура охлаждающей среды на входе в абсорбер.

4.Определяют концентрацию ξк = ξ12 и энтальпию h12 крепкого раствора на выходе из абсорбера по диаграмме h-ξ для водоаммиачного раствора, используя величины p0 и t12.

5.Определяют энтальпию h8 и температуру t8 кипящего в генераторе жидкого раствора по диаграмме h-ξ, используя величины ξ8 = ξ12 и pк.

27

6. Определяют параметры пара в точке 1 на выходе из ректификационной колонны. Этот пар находится в равновесии с кипящей в генераторе жидкостью, поэтому их давления и температуры одинаковы: p1 = p8 = pк , t1 = t8.

Энтальпию h1 и концентрацию ξ1 пара в точке 1 определяют по диаграмме h-ξ, используя величины p1 и t1.

Пример определения величин h1 и ξ1 для давления p = 2,0 МПа показан на диаграмме h-ξ приложения.

7. Определяют температуру t9 слабого раствора на выходе из генератора:

(2.7)

где tв1 – температура греющей среды на входе в генератор.

8. Определяют концентрацию ξс = ξ9 и энтальпию h9 слабого раствора на выходе из генератора по диаграмме h-ξ, используя величины pк и t9.

9.Определяют температуру пара t2 после дефлегматора:

(2.8) 10. Определяют концентрацию ξп = ξ2 и энтальпию h2 пара после

дефлегматора по диаграмме h-ξ, используя величины pк и t2.

где Gк = G12 и Gп = G2 – массовые расходы крепкого раствора и рабочего пара соответственно; ξп = ξ2 – концентрация рабочего пара после дефлегматора

(при правильно организованной дефлегмации ξп = ξ2 = 1,0); ξк = ξ12 –

концентрация крепкого раствора; ξс = ξ9 – концентрация слабого раствора.

28

12. Определяют удельный отвод флегмы φ из дефлегматора, равный отношению массовых расходов флегмы и пара на выходе из дефлегматора:

где ξф = ξ8 – концентрация флегмы на выходе из дефлегматора; ξп.ф = ξ1 –

концентрация пара, равновесного флегме, т.е. имеющего с ней одинаковые давление и температуру.

15.Определяют энтальпию h10 слабого раствора по диаграмме h-ξ,

где h12 – энтальпия крепкого раствора на выходе из абсорбера.

Если условие (2.13) не выдерживается, т.е. h14 > h8, то принимают h14 = h8 и определяют энтальпию h10 слабого раствора после теплообменника по уравнению:

Используя полученную величину h10 и определенную ранее величину

ξ10 = ξ9 = ξс, по диаграмме h-ξ уточняют температуру t10 слабого раствора после теплообменника.

17.Определяют удельную тепловую нагрузку теплообменника: