Sorption thermotransformers: from theory to practice
- Authors: Morozyuk L.I.1, Morozyuk T.V.1
-
Affiliations:
- Odessa State Academy of Refrigeration
- Issue: Vol 89, No 10 (2000)
- Pages: 10-12
- Section: Articles
- URL: https://freezetech.ru/0023-124X/article/view/107989
- DOI: https://doi.org/10.17816/RF107989
- ID: 107989
Cite item
Full Text
Abstract
In order to be able to “raise” a known amount of heat from a low temperature level to a high one, it is necessary to perform a compensating process so that the total entropy of the substances involved in all processes remains at least unchanged [4]. The second law of thermodynamics does not determine the nature of the compensating process, so that specialists have maximum freedom of choice.
Of the many thermotransformers known in the art, the thermochemical compensating process is realized in sorption ones.
Despite the fact that these thermal transformers have a history of a century, their real development began in the 30s. The first researchers were V. Mollier, F. Merkel, F. Bosnjakovic, whose work in the direction of the search for the working substance (more precisely, the agent-sorbent pair), the creation of thermodynamic foundations, and calculation methods largely predetermined the further development of sorption technology. Ed.Altenkirch also made a big contribution. His merits include the development of the theory of absorption machines for air conditioning; creation of absorption machines without mechanical pumps and machines with auxiliary gas; development of the theory of solution circulation with the help of thermosiphon pumps, solution return to the absorber and generator, machines with temperature overlap, secondary introduction of rectification heat into the working process by cooling steam with a strong solution, absorption heat pumps; creation of thermodynamic diagrams for mixtures of working substances.
The greatest interest in sorption technology is observed abroad and in the former USSR in the 50-60s, when the fundamental textbooks and monographs on sorption machines F.Bosnjakovic, Ed.Altenkirch, W.Niebergall, L.M. Rosenfeld, B. .M.Blier, I.S.Badylkes [1, 3, 4, 7, 9, 11]. These publications attracted a new generation of scientists to the development of absorption thermotransformers.
So far, it has not been possible to create a unified classification of sorption thermotransformers. The first attempts to develop a narrow-profile classification of large water ammonia machines are reflected in the dissertation of B.A. Minkus, and small absorption-diffusion machines - in the dissertation of L. I. Morozyuk. This article presents only little-studied and little-known areas in the field of absorption thermotransformers and modern promising areas of research for these types of machines.
Full Text
АДСОРБЦИОННЫЕ ТЕРМОТРАНСФОРМАТОРЫ
Простота устройства сорбционных машин с сухими поглотителями, работающих на чистых рабочих веществах без применения ректификации, издавна привлекала внимание специалистов. Однако периодичность работы, свойственная этим машинам, позволяла использовать их лишь в сравнительно узкой области “малых холодильных шкафов”. Одну из первых сорбционных машин в Европе предложил R.Plank. Рабочим веществом являлась пара CaCI2-NH3, коэффициент преобразования (СОР) составил 0,21. Стремление к обеспечению равномерности работы привело к созданию машин с двумя генераторами, в результате чего СОР увеличился до 0,3.
Единственные в мире сорбционные машины промышленной производительности выпускались в СССР. Их разработкой и внедрением руководил Б.М.Блиер [2].
Безотказность, компактность и другие положительные характеристики этих машин привели к тому, что сорбционные холодильные машины стали объектом закрытого изучения, и на протяжении многих десятков лет, а точнее, до 1992 г., публикации в мире в этом направлении отсутствуют.
Конференции Международного института холода 1992 г. в Париже [9] и 1996 г. в Монреале [11] дали возможность специалистам представить результаты своей работы. Лидерами всестороннего изучения сорбционных холодильных машин оказались турецкие ученые, работавшие под руководством S.UIku (СОР создаваемых ими машин простого действия достиг 0,3-0,35) и группа французских ученых, возглавляемая F.Menieur (машины двойного действия с СОР, равным 1,06).
Максимальное значение СОР, равное 1,20... 1,30 для машин с сухими сорбентами, получено в 1979 г. в лаборатории реактивных двигателей Калифорнийского технологического института. Весьма специфична и оригинальна роль такой машины - создание криогенных устройств с неограниченным сроком действия для охлаждения чувствительных элементов инфракрасного излучения, предназначенных для межпланетных полетов. Однако спустя 10 лет эта же машина была разработана в качестве бытового теплового насоса [2].
Проведенные в Европе исследования пары агент- сухой сорбент выявили, что наилучшие показатели имеют машины с рабочей смесью активированный уголь-NH , [14].
АБСОРБЦИОННЫЕ ТЕРМОТРАНСФОРМАТОРЫ
Основным классификационным признаком для абсорбционных термотрансформаторов являются рабочие смеси, среди которых наиболее широко используются Н2О—LiBr и NH3-H2O [14].
Бромисто-литиевые машины нашли применение в основном в системах кондиционирования воздуха. В бывшем СССР приоритет в их разработке принадлежал Л.М.Розенфельду, Б.И.Псахису [7], коллективу ученых кафедры холодильных машин ЛТИХП (ныне Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий) [12].
Теория бромисто-литиевых термотрансформаторов в некоторой степени достигла своего предела, а температурный уровень практического применения составил О °C. Однако “примитивность” свойств рабочей смеси - отсутствие паров абсорбента, т.е. процесса ректификации, а также теплоты смешения - делают эту смесь идеальным научно-исследовательским материалом для создания математических моделей расчета и проверки их адекватности, методик термодинамического и термоэкономического анализа и т.д.
Наиболее перспективен для применения водоаммиачный раствор [14].
Не будем останавливаться на простых водоаммиачных термотрансформаторах ввиду их известности и многократного описания в работах. Все новое и современное в области водоаммиачных абсорбционных термотрансформаторов - незабытые старые идеи, высказанные еще в 20-30-е годы E.AItenkirch и реализуемые только сейчас благодаря современному уровню техники, технологии, науки.
Специальные типы абсорбционных термотрансформаторов Многоступенчатые абсорбционные термотрансформаторы более известны в мире как “thermotransformer with double and triple-effect”, что очень часто неверно переводится как машины, производящие одновременно тепло и холод (на нескольких температурных уровнях). Принципиальное отличие многоступенчатых абсорбционных термотрансформаторов от термотрансформаторов со ступенчатыми процессами заключается в том, что давление генерации предыдущей ступени равно давлению абсорбции последующей. При этом каждый генератор (если того требует рабочее вещество) дополняется системой “очистки пара”, т.е. ректификационным устройством. Именно поэтому водоаммиачные абсорбционные термотрансформаторы с “double and triple-effect” рассматриваются лишь теоретически. Бромистолитиевые термотрансформаторы, другие абсорбционные и адсорбционные термотрансформаторы с подобными эффектами зарекомендовали себя надежными и экономичными машинами [3, 6, 14].
Термотрансформаторы, работающие с превышением температур, с многократным обогревом, с применением обратной подачи растворов, каскадные и “Компаунд”, термоконденсационные машины и многие другие специальные типы абсорбционных термотрансформаторов, теория которых была рассмотрена Б.М.Блиером, Л.М.Розенфельдом и Б.А.Минку- сом, еще требуют пристального изучения специалистами. Недостаток рассматриваемых машин - большая металлоемкость, однако с появлением новых типов компактных тепло- и масообменных аппаратов они могут оказаться намного эффективнее ныне известных и применяемых машин.
Отрадно отметить, что именно одесской школе абсорбционщиков принадлежит приоритет в изучении этих типов термотрансформаторов.
Многопоточные абсорбционные термотрансформаторы Во всех существующих термохимических компрессорах абсорбционных термотрансформаторов использован кругооборот из одного восходящего потока крепкого раствора и одного нисходящего потока слабого раствора. Между тем возможно создание термохимического компрессора с несколькими восходящими потоками крепкого раствора и несколькими нисходящими потоками слабого раствора. При этом число восходящих и нисходящих потоков может быть как равным, так и неравным друг другу.
Потоки слабого раствора получаются в результате нагревания отдельных частей раствора до разных температур, потоки крепкого раствора - в результате охлаждения отдельных частей раствора в процессе абсорбции до различных температур. Число регулирующих вентилей для слабого раствора равно числу нисходящих потоков, а число насосов для подачи крепкого раствора - числу восходящих потоков.
Циклы с многопоточной подачей раствора более известны как “циклы с расширенной зоной дегазации”. При этом основной процесс абсорбционного термотрансформатора может быть связан с процессами в термохимическом компрессоре, а может проходить совершенно самостоятельно.
Особый интерес представляет трехпоточный (один нисходящий и два восходящих потока) абсорбционный термотрансформатор с обращенным ректификатором. Исследованиями этих термотрансформаторов занимаются три научные школы:
- Technische Universitaet Munich (Германия) - до 1995 г. это направление возглавлял профессор G.AIefeld, а в настоящее время его многочисленные ученики идею обращенной ректификации воплощают в других областях, связанных с абсорбцией;
- Ecole des mines de Nancy (Франция) - в этом направлении с начала 70-х годов работают профессор P.Le Goff и его ученик J.Labidi в Канаде (для различных рабочих смесей);
- Одесская государственная академия холода.
Одесским ученым принадлежит приоритет в термодинамическом исследовании и анализе процессов обращенной ректификации. Они установили, что главный вопрос по поводу необходимости охлаждения обращенного ректификатора может быть решен через призму химических свойств рабочих веществ.
Термотрансформаторы с последовательной абсорбцией, с последовательной генерацией, с многоступенчатой материальной регенерацией и т.п. находят сейчас все большее применение.
Абсорбционно-компрессорные термотрансформаторы
Показателем эффективности работы абсорбционного термотрансформатора служит величина зоны дегазации - разность концентраций крепкого и слабого растворов, которая зависит от сочетания температур греющего источника, охлаждающей среды и производимого холода. В свою очередь, на основании второго закона термодинамики температура греющего источника определяется двумя другими, т.е. из трех температурных уровней только два выбирают произвольно. При нулевом и отрицательном значениях величины зоны дегазации простейший одноступенчатый цикл неосуществим даже теоретически, однако эти случаи наиболее часто встречаются при современных температурных режимах работы - при использовании нетрадиционных и возобновляемых источников энергии в качестве греющего источника, а также охлаждающей среды с повышенной температурой (отопление и горячее водоснабжение).
При создании абсорбционных термотрансформаторов на рассматриваемых температурных уровнях эксплуатации применяют гибридные схемы: абсорбционно-компрессорные и их частный случай - абсорбционно-эжекторные.
Компрессор в качестве дожимающего устройства между испарителем и абсорбером применяют в низкотемпературных холодильных машинах. Вначале для привода компрессора использовали электроэнергию. Известно также и применение с этой целью эжектора. Низкотемпературные водоамми- ачные абсорбционные холодильные машины широкого применения не нашли, поэтому развитие гибридных абсорбционных термотрансформаторов идет в направлении тепловых насосов и теплофикационных машин. Многообразие схемных решений основано на термодинамическом анализе циклов.
Если располагаемые исходные температуры обеспивают величину зоны дегазации больше 6%, то возможно организовать внутренний энергопроизводящий контур с целью выработки механической энергии для привода компрессора и избежать дополнительного подвода электрической энергии (кроме привода насосов). Таким образом, гибридный термотрансформатор становится работоспособным и полностью теплоиспользующим при любом сочетании исходных температурных уровней его работы.
Абсорбционно-диффузионные холодильные машины
В состав малой абсорбционной холодильной техники входят абсорбционно-диффузионные холодильные машины и тепловые насосы. СОР первых машин составлял 0,12-0,17. Особенно интенсивно малая абсорбционная техника развивалась в 50-е годы. В 1962 г. фирма Sibir (Швейцария) представила на рынок машины с СОР, равным 0,37, а в 1968 г. выпустила холодильный агрегат с коэффициентом преобразования 0,51. В настоящее время она поставляет на рынок абсорбционно-диффузионные тепловые насосы тепло- производительностью 3 кВт или холодопроизводительностью 1 кВт.
Большую роль в развитии этих машин сыграла ленинградская школа под руководством Н.П.Третьякова. Ей принадлежат работы по совершенствованию энергетических характеристик генераторов, улучшению процессов в парогазовом теплообменнике, созданию основ теплотехнических расчетов испарителя и абсорбера с помощью критериальных уравнений, точность которых достаточна для инженерной практики, а также прикладных программ для расчета на ЭВМ термодинамических и теплофизических свойств рабочих веществ.
За рубежом научные исследования в тех же направлениях проводили N.Eber, D.A.Kouremenos, A.Stegou-Sagia, сотрудники фирмы Sibir. Среди современных исследователей абсорбционно-диффузионных холодильных машин особо следует отметить H.Stierhn - генерального директора фирмы Sibir. Он разработал основы термодинамического анализа абсорбционных систем, исследовал особенности циркуляции парогазовой смеси в низкотемпературных машинах. Именно его работы послужили основой для создания нового поколения абсорбционно-диффузионных холодильных машин.
Теоретические исследования в области термодинамического анализа циклов, процессов в генераторах и парогазовых контурах, изучение влияния психрометрической разности температур в парогазовом контуре на его схему и цикл всей машины, создание инженерной методики теплотехнических расчетов и систематизации схем для последующего функционального проектирования и оптимизации принадлежат одесской школе [5].
Абсорбционно-диффузионные холодильные машины малой производительности являются новым и перспективным направлением в научной деятельности уже упоминавшейся французской школы. Работы, проведенные в ОГАХ, включены в базу данных по этим машинам в части термодинамического анализа и синтеза систем, теории проведения испытаний и конструкции экспериментальных стендов.
About the authors
L. I. Morozyuk
Odessa State Academy of Refrigeration
Author for correspondence.
Email: info@eco-vector.com
Russian Federation
T. V. Morozyuk
Odessa State Academy of Refrigeration
Email: info@eco-vector.com
Russian Federation
References
Supplementary files
