Холод из тепла
Все мы хорошо знакомы с парокомпрессионными, или просто компрессорными, холодильными машинами - именно на этом принципе основаны практически все современные бытовые холодильники. Но мало кто знает, что исторически их предшественниками были абсорбционные холодильные машины (АБХМ). В 1810 г. англичанину Джону Лесли, профессору математики Эдинбургского университета, удалось получить первый искусственный лёд по технологии, основанной на процессе абсорбции (поглощения) сернистого газа водой. В установке Дж. Лесли отсутствовали движущиеся части, а в качестве источника энергии использовалась самая обычная для того времени угольная топка. Но первая устойчиво работающая холодильная машина абсорбционного типа была создана лишь спустя сорок лет, в 1850 г.
Интересно, что один из первых советских бытовых холодильников, «Север», производство которого началось в 1945 г., был именно абсорбционным. В нём в качестве хладагента использовался аммиак, а в качестве абсорбента - вода. Не имея компрессора и механического привода, холодильник работал абсолютно тихо. Его надёжность и долговечность были невероятно высоки. Самое же замечательное свойство этого удивительного агрегата заключалось в том, что он мог работать не только на электричестве, но и вообще на любом источнике тепла - газе, керосине и даже дровах.
Утилизируя тепло
АБХМ бывают прямого и непрямого нагрева, одноступенчатые, двухступенчатые и трёхступенчатые. Для машин прямого нагрева источником тепла может служить газ или другое топливо, сжигаемое непосредственно в установке. В машинах непрямого нагрева используется пар или другой теплоноситель, подаваемый от теплового источника. Кроме того, существуют тригенерационные энергетические системы, в состав которых входят АБХМ и когенерационные установки, обеспечивающие выработку тепловой и электрической энергии. Используя такие установки, можно оптимизировать нагрузку на систему энергоснабжения и экономить энергетические ресурсы. Например, летом получать холод для кондиционирования помещений сразу из тепла, минуя этап электрической генерации.
Способность АБХМ использовать практически любой источник тепла делает их особенно привлекательными там, где имеется «даровое» сбросное тепло (в том числе на любых тепловых энергетических объектах - ГРЭС, ТЭЦ, ГТУ, ПГУ и др.), несмотря на то, что по условному КПД, а точнее, холодильному коэффициенту (Coefficient of Performance, COP), т. е. соотношению полученного холода к затраченной на его производство тепловой энергии, они сильно уступают парокомпрессионным. Холодильный коэффициент у одноступенчатых АБХМ составляет 0,65-0,8, у двухступенчатых может достигать 1, а у трёхступенчатых - 1,6, тогда как любая современная парокомпрессионная установка на 1 кВт потребляемой электроэнергии производит не менее 3-4 кВт холода. Правда, в больших АБХМ совсем обойтись без электроэнергии не удаётся, поскольку она необходима для работы автоматики и насосов, перекачивающих рабочие среды, но её затраты на порядки ниже, чем у крупных компрессорных систем.
Контуры процесса
Рассмотрим принцип работы АБХМ на примере самой простой, одноступенчатой, или одноконтурной, установки (см. схему). Здесь хладагент последовательно перемещается через четыре основных компонента машины - испаритель, абсорбер, десорбер и конденсатор. Хладагент испаряется при пониженном давлении в испарителе. Этот процесс идёт с поглощением теплоты. В отличие от парокомпрессионной холодильной машины, где перепад давления создаётся компрессором, здесь давление в испарителе понижается благодаря объёмному поглощению (абсорбции) хладагента жидким абсорбентом в абсорбере. Затем абсорбент с поглощённым им хладагентом (бинарный раствор) поступает в десорбер. В десорбере бинарный раствор нагревается от источника тепла, в результате чего происходит выделение хладагента из абсорбента. Обеднённый абсорбент из десорбера возвращается в абсорбер. Хладагент же поступает под большим давлением в конденсатор, где переходит в жидкую фазу с выделением теплоты, а затем через расширительный клапан - в испаритель, после чего начинается новый цикл. Изменение концентрации хладагента в абсорбере и десорбере сопровождается изменением температуры насыщения. Для снижения потерь энергии при циркуляции абсорбента между абсорбером и десорбером устанавливают рекуперативный теплообменник.
Первым из хладагентов, используемых в промышленных АБХМ, как уже упоминалось, был аммиак. Кроме хороших холодильных качеств (удельная холодопроизводительность, температурный глайд и другие), он обладает высокой растворимостью в воде, которая служит абсорбентом. Сегодня находят всё более широкое применение появившиеся ещё в 1950-х годах АБХМ на основе комбинации бромистого лития (используется в качестве абсорбента) с водой (в качестве хладагента). Бромистый литий, независимо от того, в каком виде он находится (чистый или в растворе), обладает высокой избирательностью к воде (связывает только её молекулы), поэтому пары хладагента легко вновь переходят в раствор.
Объединяя технологии
На крупных предприятиях может быть выгодно использовать гибридные холодильные системы, которые обладают достоинствами как абсорбционных, так и компрессорных холодильных машин. В типичной гибридной системе холодильная машина с электрическим приводом используется в часы внепиковых нагрузок на систему электроснабжения. В это время тарифы на электрическую энергию понижены, что помогает сокращать эксплуатационные затраты. В часы пиковой нагрузки на систему электроснабжения задействуется главным образом АБХМ, а компрессорная холодильная машина включается по мере необходимости, если нагрузка на систему охлаждения превышает возможности абсорбционной установки.
И хотя с точки зрения расхода топливно-энергетических ресурсов компрессорные системы более эффективны, АБХМ имеют перед ними ряд конструктивных преимуществ:
- экологическая безопасность благодаря отказу от использования хладагентов на основе CFC (хлорфторуглеродов) и HCFC (гидрохлорфторуглеродов);
- пониженный шум при работе, отсутствие вибраций;
- отсутствие высокого давления в системе;
- низкая стоимость сервиса и невысокие требования к квалификации обслуживающего персонала.
Оптимальные решения
Широкое распространение АБХМ в промышленности ограничивается относительно высокими капитальными затратами, необходимыми при их внедрении. Из-за низкой эффективности одноступенчатые АБХМ часто оказываются неконкурентоспособными - за исключением тех случаев, когда можно использовать легкодоступную сбросную тепловую энергию. Даже применение двухступенчатых АБХМ экономически не всегда оправдано. Ещё одно ограничение для применения АБХМ связано с относительно высокими затратами энергии на работу насосов. Дело в том, что технологии охлаждения, отличающиеся более низким холодильным коэффициентом, обычно требуют более высокого потока хладагента и, соответственно, большей производительности циркуляционного насоса. Кроме того, при использовании абсорбционных холодильных машин из-за большего объёма хладагента требуются градирни большего размера, чем для традиционных холодильных машин с электроприводными компрессорами.
Новое направление применения АБХМ, появившееся сравнительно недавно, - использование их для повышения производительности газотурбинных и парогазовых энергетических установок на основе так называемых аэродеривационных (построенных на базе авиационных турбовентиляторных двигателей) газовых турбин в условиях высоких температур окружающего воздуха. Дело в том, что для таких турбин характерен практически постоянный объёмный расход воздуха, подаваемого в камеру сгорания. В то же время плотность воздуха, согласно закону Клайпейрона-Менделеева, обратно пропорциональна его температуре. С повышением температуры наружного воздуха снижается его массовый расход и, как следствие, мощность установки, причём повышение температуры на один градус влечет снижение мощности примерно на 0,8%. Номинальная мощность ГТУ рассчитывается, исходя из температуры воздуха 15 °C, так что при температурах 35-40 °C, вполне обычных для летнего периода в южных регионах, реальная мощность оказывается ниже номинальной на 16-20%. В мартовском «Энерговекторе» 2015 г. мы уже писали о такой АБХМ, введённой ООО «ЛУКОЙЛ-Астраханьэнерго» в состав комплексной воздухоочистительной установки ПГУ-110. Эта парогазовая установка построена на аэродеривационных турбинах General Electric и расположена в одном из самых жарких регионов России.
Читайте другие наши материалы
