Новое поколение сорбционных холодильных машин и тепловых насосов

Введение

Сорбционные холодильные машины и тепловые насосы наиболее перспективное направление использования вторичных энергоресурсов, солнечной и геотермальной тепловой энергии. В абсорбционных холодильных машинах процесс сорбции осуществляется во всём объёме абсорбента (на границе жидкой и паровой фаз), а в адсорбционных – на поверхности адсорбента, находящегося в твёрдой фазе. Сорбционные холодильные машины могут работать в режиме охлаждения или нагрева (тепловые насосы). Для работы холодильной машины используется внешняя энергия в форме тепла.

 К сорбционным машинам относятся: абсорбционные (AbRMS^m) и адсорбционные холодильные машины (AdRMS^m). В технической литературе такие машины называют сорбционными преобразователями теплоты (SHC) [Sorption Heat Converter] и относятся к группе теплоиспользующих машин и установок [1, 2, 3].

Преимуществом сорбционных машин заключается в том, что они не потребляют электроэнергию на реализацию холодильного цикла. Электроэнергия расходуется только на перемещение холодных или теплых сред, то есть на работу насосов и вентиляторов. Абсорбционные холодильные машины широко используют в промышленности для выработки технологического холода, для систем кондиционирования воздуха. Во всех случаях, выработка искусственного холода осуществляется за счет отводимой вторичной теплоты технологических процессов, теплоты тепловых электростанций в неотопительный период, солнечной энергии. Нередко, имеется экономическая целесообразность использовать абсорбционные машины на огневом обогреве. Наличие на объекте автономной котельной (газовой или работающей на любом топливе) для холодоснабжения с применением абсорбционных или адсорбционных холодильных машин не имеет альтернативы.

В таблице 1 приведен сравнительный анализ энергопотребления компрессорных и сорбционных холодильных машин.

Таблица 1

Как видно из таблицы 1, при всех равных данных по производительности и температурных режимов потребление энергии сорбционными холодильными машинами меньше.

В настоящее время на рынке присутствуют только водоаммиачные низкотемпературные сорбционные (абсорбционные) холодильные машины. Они позволяют получать температуры охлаждения от минус 10°С до минус 40°С. Бромистолитиевые абсорбционные холодильные машины и адсорбционные, у которых водя является холодильным агентом работают в интервале температур кондиционирования воздуха. Для интервала температур от −18ºС до ‒5°С сорбционных машин холодильные машин на рынке нет. Это обстоятельство вызвано тем, что имеющиеся холодильные агенты на основе фреонов могут работать только с органическими абсорбентами (абсорбционные холодильные машины), например, ДМЭ-ТЭГ (диметиловый эфир тетраэтиленгликоля – С₁₀Н₂₂О₅). Проверка возможности использования рабочих растворов на основе фреонов была проведена на базе компании “AB-AD Cooling Systems” (Israel) специалистами Scientific-Engineering Center (City Ma’alot, Israel). Проверка работоспособности бинарной системы R22 / ДМЭ-ТЭГ показала, что органический абсорбент после периодического нагревания и охлаждения разлагается. Продукты разложения загрязняют поверхность теплообмена испарителя и резко ухудшают его работу [5].

Нашей компанией разработано новое поколение абсорбционных холодильных машин (AbRMS^m) - которые работают на основе раствора соли в спиртах. Использование рабочего раствора бромистый литий + метиловый спирт (LiBr / CH₃OH) позволяет получать в испарителе температуру кипения холодильного агента (метанола) +10°С до −18ºС. Также находятся в разработке семейство адсорбционных холодильных машин (AdRMS^m) с холодильным агентом CH₃OH (метанол) с такими же температурными интервалами, как и абсорбционные машины. Для сорбционных машин с холодильным агентом метиловый спирт требуется греющий источник температурой порядка 68-75°С.

С учетом принятой в холодильной технике классификации холодильных машин и тепловых насосов предусматривается разработка модельного ряда сорбционных машин:

Абсорбционные холодильные машины AbRMS^m 10-350 (10, 18, 35, 70, 150, 200, 350 кВт);

Адсорбционные холодильные машины AdRMS^m 8–75  (8, 15, 25, 40, 60, 75 кВт).

1.      Основные отличия предлагаемых сорбционных машин и тепловых насосов

1.1.  Абсорбционные холодильные машины и тепловые насосы

При разработке нового поколения сорбционных холодильных машин были изготовлено несколько конструкций абсорбционных машин. В нескольких образцах использовали общепризнанную компоновку, на которых провели проверку работоспособности с рабочими растворами R22 / ДМЭ-ТЭГ и LiBr / CH₃OH. Результаты проверки подробно изложены в работе [5]. На основании анализа результатов исследований остановились на перспективе использовать в абсорбционных холодильных машинах рабочий раствор LiBr / CH₃OH. Учитывая теплофизические и термодинамические свойства метанола, как холодильного агента и свойств рабочего раствора были разработаны принципиальные компоновочные схемы и некоторые конструкции основных элементов абсорбционных холодильных машин [7, 8, 9].

На рис.1 приведена схема абсорбционной холодильной машины производительностью 175 – 350 кВт, которая работает на растворе LiBr / CH₃OH и рассчитана на температуру кипения в испарителе до ‒12°С.

Конструкция AbRMS^m имеет ряд отличительных особенностей: 

1.1.1. Холодильная машина снабжена гидродинамическим нагнетателем струйного типа, который осуществляет подачу крепкого раствора из генератора в абсорбер. В гидродинамическом нагнетателе протекает интенсивный процесс абсорбции паров холодильного агента рабочим раствором LiBr / CH₃OH, что позволяет уменьшить габариты абсорбера на 25-30%. Гидродинамический нагнетатель обеспечивает заданную температуру кипения холодильного агента в испарителе за счет отсоса пара из испарителя.

1.1.2. Холодильная машина дополнительно снабжена переохладителем раствора, с совмещенным ресивером, к которому подключен насос подачи крепкого раствора из генератора в абсорбер.

1.1.3. Испаритель состыкован с абсорбером нагнетателем таким образом, что всасывающая камера нагнетателя размещена на паровом патрубке испарителя, а диффузор нагнетателя закреплен на входном патрубке абсорбера.

1.1.4. Корпус абсорбера, генератора, испарителя и конденсатора выполнены квадратной или прямоугольной формы, что позволяет на 30–35% снизить вес холодильной машины и уменьшить ее габаритные размеры по сравнению с традиционной двухкорпусной машиной.

На рис.2 приведена схема абсорбционной холодильной машины, которая служила верхней ступенью двухступенчатой холодильной машины. 

Рисунок 2. Абсорбционная холодильная машина производительностью 35÷70 кВт

Это компактная холодильная машина, с генератором и конденсатором вертикального типа. Испаритель стандартного типа с размерами парового патрубка, который учитывает теплофизические свойства паров метанола. Компактный абсорбер, который со стыкован с испарителем гидродинамическим нагнетателем. Данная холодильная машина прошла проверку в качестве ступени высокой температуры для двухступенчатой машины комбинированного типа. Указанная машина может быть использована в качестве верхнего каскада для каскадной холодильной машины. Более подробно двухступенчатая холодильная машина представлена в работе [6]. Основное преимущество холодильных машин комбинированного типа (КХМ) – их более высокая эффективность по сравнению с традиционными аналогами. КХМ меньше потребляют электроэнергии на 40–42%, у них в 2.0 раза выше холодильный коэффициент.

Сравнительные данные стандартной холодильной машины с машиной комбинированного типа представлены в таблице 2.

Таблица 2

Условные обозначения, приведенные в таблице: Hp-S – верхняя ступень сжатия; Lp-S – нижняя ступень сжатия; U-B – верхняя ветвь каскада; L-B нижняя ветвь каскада; t₀ – температура кипения в испарителе; Q₀ – холодопроизводительность; N_ec – эффективная мощность; N_ic – установленная мощность; N_tp – суммарная мощность; ε – холодильный коэффициент.

Указанные холодильные машины могут изготавливаться в широком диапазоне мощностей и интервале температур в соответствии с любыми требованиями различных пользователей. Рабочий интервал температур КХМ от ‒45°С до ‒80°С. Опытная проверка показала высокую эффективность КХМ для шоковой заморозки различных продуктов, например пельменей, мороженного и т. д. В серийном производстве машины комбинированного типа имеют такую же цену, как и двухступенчатые холодильные машины, которые присутствуют на рынке.

Опытная проверка абсорбционных холодильных машин с рабочим раствором LiBr / CH₃OH (холодильный агент метанол) показала эффективность его использования. В таких машинах тепловой коэффициент преобразования энергии - η_ht значительно выше, чем бромистолитиевых и водоаммиачных и достигает 0.81–0.84. Применение указанного выше рабочего раствора позволяет получить отрицательные температуры при не глубоком вакууме (не ниже, чем 0.04 бар при t₀ = −10°C) и отказаться от тяжелых фреонов. Кроме того, AbRMS^m, которые работают на растворе LiBr / CH₃OH на 18–20% легче, чем существующие бромисто-литиевые холодильные машины.

 1.2. Адсорбционные холодильные машины и тепловые насосы

1.2.1. В предлагаемых холодильных машинах в качестве холодильного агента используется метиловый спирт (метанол). Использование в качестве холодильного агента метилового спирта вместо воды, позволяет увеличить производительность холодильной машины (теплового насоса) в 2 раза (при одинаковых габаритных размерах адсорберов)

1.2.2. Адсорбентом является спеченный силикагель или модифицированный аналог активированного угля, который нанесен на теплообменную поверхность трубок адсорбера. Адсорбент, нанесенный на теплообменную поверхность трубок адсорбера, позволяет уменьшить габаритные размеры адсорбера на 20–25%. Модифицированный аналог активированного угля, обладающий высокими адсорбирующими свойствами, обеспечивает возможность использование адсорбционных холодильных машин в транспортной технике.

1.2.3. Для исключения периодичности работы адсорбционной холодильной машины в ней используют два адсорбера с вертикальным расположением теплообменных трубок.

1.2.4. Базовая конструкция адсорбционной холодильной машины представляет собой унифицированный модуль производительностью 15–20 кВт.

1.2.5. Конструкция холодильных машин модельного ряда большой производительности предусматривает компоновку из унифицированных модулей.

1.2.6. Аппараты адсорбционной холодильной машины работают с неглубоким вакуумом, который в зависимости от заданной температуры кипения холодильного агента (метанола) в испарителе составляет 35–45 мм рт.ст. Это позволяет не увеличивать толщину стенок аппаратов.

На рис.3 приведена принципиальная схема адсорбционного кондиционера с аккумулятором тепла и солнечной панелью на тепловых трубках.

Отличительной особенностью кондиционера является то, что все аппараты кондиционера и адсорберов имеют воздушное охлаждение. В схеме кондиционирования применена солнечная панель комбинированного типа. Панель содержит нагревающую часть и фотоэлектрическую, для выработки электроэнергии. Электроэнергия предназначена для работы вентиляторов, насоса и электроконтактных вентилей. Круглосуточная работа кондиционера обеспечивается аккумулятором тепла. Конструктивная компоновка кондиционера позволяет хорошо его адаптировать при применении на отдельных зданиях, небольших производствах, где требуются температуры кондиционирования.

 2. Экономическая целесообразность использования и изготовления сорбционных холодильных машин

Потенциальными пользователями нового поколения сорбционных (абсорбционных и адсорбционных) холодильных машин являются практически все возможные потребители холода. Это предприятия мясной промышленности, химической и нефтехимической промышленности, тепличные хозяйства для выращивания овощей и фруктов, склады для их хранения. Сорбционные холодильные машины, особенно адсорбционные (AdRMS^m), целесообразно использовать в транспортных средствах: автомобильных и железнодорожных рефрижераторах, морском и речном транспорте.

Учитывая широкую область для использования сорбционных холодильных машин, появляется большая экономическая целесообразность для изготовителей и приобретателей таких холодильных машин. Например, для предприятия по разработке и изготовлению сорбционных холодильных машин в зависимости от количества и холодильной производительности составляет 3–4 года.

Для пользователей сорбционных холодильных машин основная экономическая эффективность складывается в большой экономии электроэнергии. например, для AbRMS^m производительностью 120 кВт с заданными условиями температурного режима (температура кипения −5°С, температура конденсации +30°С) расход электроэнергии составляет 6.5 кВт. Для такой же компрессионной холодильной машины необходим электродвигатель 56 кВт. Таким образом, расход электроэнергии в AbRMS^m в 8,6 раза меньше, чем компрессионной холодильной машины. Годовая экономия электроэнергии составит порядка 360000 кВт час.

Адсорбционные холодильные машины в системе охлаждения производительностью 40 кВт (для таких же условий температурного режима, как и для абсорбционной машины) имеют только три дополнительных вентилятора по 0.8 кВт для предварительного охлаждения воды отводимой из адсорбера в процессе десорбции. Компрессионная холодильная машина такой производительности имеет электродвигатель 16–18 кВт. Годовая экономия составляет порядка 106000 кВт час.

Необходимо также учитывать надежность и простоту обслуживания сорбционных машин. Эксплуатационные расходы снижаются в несколько раз. Окупаемость при использовании сорбционных холодильных машин в зависимости от установленной холодильной производительности и стоимости электроэнергии составляет от 2-х до 3-х лет.

 Список использованной литературы:

1. Бадылькес И. С., Данилов Р. Л. Абсорбционные холодильные машины. М., Пищевая промышленность, 1966, 178 стр.;

2. Орехов И. И., Тимофеевский Л. С., Караван С. В., Абсорбционные преобразователи теплоты, - Л.: Химия, 1989, 208 стр.;

3. Галимова Л. В. Абсорбционные холодильные машины и тепловые насосы. Учебное пособие. Астрахань; Изд. АГТУ, 1997, 226 стр.;

4. Мирмов И. Н., Мирмов Н. И. Использование солнечной энергии и вторичных источников теплоты для получения холода. // Холодильная техника, 2011, № 9, стр. 42-48;

5. Мирмов Н. И., Мирмов И. Н. Абсорбционные холодильные машины для получения отрицательных температур. Известия БГТУ, Научный журнал. Выпуск 1. № 2 (198) 2017, стр. 328-339;

6. Мирмов И. Н., Мирмов. Н. И., Шипцов С. А. Двухступенчатые холодильные машины комбинированного типа. // Холодильная техника, № 9, 2018, стр. 42 – 46;

7. Патент Израиля № 248315 от 05.02.2018 «Абсорбционная холодильная машина с рабочим раствором метанол / бромид лития»

8. Патент РФ № 2690896 от 06.06.2019 «Низкотемпературная абсорбционная холодильная машина на основе раствора соли в спиртах»,

9. Патент РФ № 2784763 от 29.11.2022 «Компактная низкотемпературная абсорбционная холодильная машина».

Naum Mirmov, Dr. S., Chief of Science (Company "3R-Technology")

Ilya Mirmov, Ph.d,, (Company "3R-Technology")