Абсорбционный холодильник
| Термодинамика |
|---|
 |
|
|
|
|
Абсорбционный холодильник — это холодильник , в котором используется источник тепла для обеспечения энергии, необходимой для управления процессом охлаждения. Солнечная энергия, сжигание ископаемого топлива, отходящее тепло заводов и системы централизованного теплоснабжения являются примерами удобных источников тепла, которые можно использовать. В абсорбционном холодильнике используются два хладагента: первый хладагент осуществляет испарительное охлаждение , а затем поглощается вторым хладагентом; тепло необходимо для возврата двух охлаждающих жидкостей в исходное состояние. Абсорбционные холодильники обычно используются в автодомах , кемперах и автофургонах , поскольку тепло, необходимое для их питания, может быть получено с помощью пропановой топливной горелки, низковольтного электрического нагревателя постоянного тока (от аккумулятора или электрической системы автомобиля) или с помощью работающего от сети электронагревателя, . Абсорбционные холодильники также можно использовать для кондиционирования зданий с использованием отработанного тепла газовой турбины или водонагревателя в здании. Использование отработанного тепла газовой турбины делает турбину очень эффективной, поскольку она сначала производит электричество , затем горячая вода и, наконец, кондиционирование воздуха — тригенерация .
В отличие от более распространенных парокомпрессионных холодильных систем, абсорбционный холодильник не имеет движущихся частей.
История
[ редактировать ]В первые годы XX века паропоглощающий цикл с использованием водно-аммиачных систем был популярен и широко применялся, но после разработки парокомпрессионного цикла он во многом потерял свое значение из-за низкого коэффициента полезного действия (около одной пятой больше, чем в парокомпрессионном цикле). Абсорбционные холодильники являются популярной альтернативой обычным компрессорным холодильникам там, где электричество ненадежно, дорого или недоступно или где шум компрессора является проблематичным; или там, где имеется избыточное тепло.
В 1748 году в Глазго Уильям Каллен изобрел основу современного охлаждения, хотя ему не приписывают полезного применения. Дополнительную информацию об истории охлаждения можно найти в разделе « Исследования холодильного оборудования» на странице «Охлаждение» .
Абсорбционное охлаждение использует тот же принцип, что и адсорбционное охлаждение , которое было изобретено Майклом Фарадеем в 1821 году, но вместо использования твердого адсорбера в абсорбционной системе абсорбер поглощает пары хладагента в жидкость.
Абсорбционное охлаждение было изобретено французским учёным Фердинандом Карре в 1858 году. [1] В оригинальной конструкции использовалась вода и серная кислота. В 1922 году два студента Королевского технологического института в Стокгольме , Швеция , Бальцар фон Платен и Карл Мунтерс усовершенствовали этот принцип, добавив трехжидкостную конфигурацию. Данная конструкция «Платен-Мунтерс» может работать без насоса.
Коммерческое производство началось в 1923 году недавно созданной компанией AB Arctic , которую купила Electrolux в 1925 году. В 1960-х годах абсорбционное охлаждение пережило ренессанс из-за значительного спроса на холодильники для автоприцепов (путевых прицепов). AB Electrolux основала дочернюю компанию в США под названием Dometic Sales Corporation. Компания продавала холодильники для автодомов (домиков) под брендом Dometic . В 2001 году Electrolux продала большую часть своей линейки товаров для отдыха венчурной компании EQT , которая создала Dometic как отдельную компанию. По состоянию на 2021 год компания Dometic все еще продавала абсорбционные холодильники. [2]
В 1926 году Альберт Эйнштейн и его бывший ученик Лео Сцилард предложили альтернативную конструкцию, известную как холодильник Эйнштейна . [3]
На конференции TED 2007 года Гроссер Адам представил свое исследование новой, очень маленькой холодильной установки для вакцин с «прерывистой абсорбцией» для использования в странах третьего мира. Холодильник представляет собой небольшой блок, помещенный над костром, который позже можно использовать для охлаждения 15 литров (3,3 имп галлона; 4,0 галлона США) воды до температуры чуть выше точки замерзания в течение 24 часов при температуре 30 ° C (86 ° F). [4] Концепция была похожа на раннее холодильное устройство, известное как Icyball .
Принципы
[ редактировать ]используется хладагент с очень низкой температурой кипения В обычных абсорбционных холодильниках , как и в компрессорных холодильниках, (менее -18 °C (0 °F)) . В компрессионных холодильниках обычно используются ГХФУ или ГФУ , тогда как в абсорбционных холодильниках обычно используется аммиак или вода , и им требуется по крайней мере вторая жидкость, способная поглощать охлаждающую жидкость, абсорбент , соответственно воду (для аммиака) или рассол (для воды). Оба типа используют испарительное охлаждение : когда хладагент испаряется (кипит), он забирает с собой часть тепла, обеспечивая охлаждающий эффект. Основное различие между двумя системами заключается в способе превращения хладагента из газа обратно в жидкость, чтобы цикл мог повториться. Абсорбционный холодильник превращает газ обратно в жидкость, используя метод, требующий только тепла и не имеющий движущихся частей, кроме жидкостей.
Цикл абсорбционного охлаждения можно описать тремя этапами:
- Испарение : Жидкий хладагент испаряется в среде с низким парциальным давлением , извлекая таким образом тепло из окружающей среды (например, из холодильной камеры). Из-за низкого парциального давления температура, необходимая для испарения, также низка.
- Абсорбция : вторая жидкость в обедненном состоянии высасывает теперь уже газообразный хладагент, обеспечивая тем самым низкое парциальное давление. В результате образуется жидкость, насыщенная хладагентом, которая затем поступает на следующий этап:
- Регенерация : насыщенная хладагентом жидкость нагревается, в результате чего хладагент испаряется.
- Испарение происходит на нижнем конце узкой трубки; Пузырьки газообразного хладагента выталкивают обедненную хладагентом жидкость в верхнюю камеру, из которой она под действием силы тяжести перетекает в абсорбционную камеру.
- Горячий газообразный хладагент проходит через теплообменник, передавая свое тепло за пределы системы (например, окружающему воздуху с температурой окружающей среды) и конденсируется в более высоком месте. Конденсированный (жидкий) хладагент затем будет течь под действием силы тяжести, обеспечивая фазу испарения.
Таким образом, система обеспечивает бесшумную механическую циркуляцию жидкости без использования обычного насоса. Третью жидкость, газообразную, обычно добавляют, чтобы избежать проблем с давлением при возникновении конденсации (см. ниже).
Для сравнения, тепловой насос на основе компрессора работает, перекачивая газообразный хладагент из испарителя в конденсатор. Это снижает давление и температуру кипения в испарителе и увеличивает давление и температуру конденсации в конденсаторе. Для работы компрессорного насоса необходима энергия электродвигателя или двигателя внутреннего сгорания. При сжатии хладагента эта энергия используется для совершения работы над газом, повышая его температуру. Теплый газ под высоким давлением затем поступает в конденсатор, где он претерпевает фазовый переход в жидкость, выделяя тепло в окружающую среду конденсатора. Теплый жидкий хладагент перемещается из конденсатора высокого давления в испаритель низкого давления через расширительный клапан, также известный как дроссельный клапан или клапан Джоуля-Томсона. Расширительный клапан частично испаряет хладагент, охлаждая его посредством испарительного охлаждения, а образующийся пар охлаждается посредством расширительного охлаждения. (Это комбинация охлаждения Джоуля-Томсона и работы, совершаемой расширяющимся газом, за счет внутренней энергии газа). Холодный жидкий хладагент низкого давления теперь будет поглощать тепло из окружающей среды испарителя и испаряться. Полученный газ поступает в компрессор, и цикл начинается заново.
Простая система соли и воды
[ редактировать ]В простой абсорбционной холодильной системе, распространенной на крупных коммерческих предприятиях, используется раствор соли бромида лития или хлорида лития и воды. Вода под низким давлением испаряется из теплообменников, подлежащих охлаждению. Вода поглощается водным раствором бромида лития. Система вытесняет воду из раствора бромида лития с помощью тепла. [5]
Абсорбционное охлаждение с водяным распылением
[ редактировать ]
В другом варианте используется воздух, вода и раствор соленой воды. Забор теплого влажного воздуха осуществляется через распыляемый раствор соленой воды. Спрей снижает влажность, но существенно не меняет температуру. Менее влажный и теплый воздух затем проходит через испарительный охладитель , состоящий из распыления пресной воды, который охлаждает и повторно увлажняет воздух. Влажность из охлажденного воздуха удаляют очередным распылением соляного раствора, обеспечивая выход прохладного сухого воздуха.
Солевой раствор регенерируется путем нагревания его под низким давлением, в результате чего вода испаряется. Вода, испаренная из раствора соли, повторно конденсируется и направляется обратно в испарительный охладитель.
Абсорбционное охлаждение с одним давлением
[ редактировать ]
1. Водород попадает в трубу с жидким аммиаком.
2. Аммиак и водород поступают во внутренний отсек. Увеличение объема вызывает уменьшение парциального давления жидкого аммиака. Аммиак испаряется, забирая тепло у жидкого аммиака (ΔH Vap ), понижая его температуру. Тепло передается от более горячей внутренней части холодильника к более холодной жидкости, способствуя дальнейшему испарению.
3. Аммиак и водород возвращаются из внутреннего отсека, аммиак возвращается в абсорбер и растворяется в воде. Водород может свободно подниматься.
4. Конденсация газообразного аммиака (пассивное охлаждение).
5. Горячий газообразный аммиак.
6. Теплоизоляция и дистилляция газообразного аммиака из воды.
7. Электрический источник тепла.
8. Емкость абсорбера (вода и раствор аммиака).
Абсорбционный холодильник с одним давлением использует тот факт, что скорость испарения жидкости зависит от парциального давления пара над жидкостью и повышается при более низком парциальном давлении. Имея одинаковое общее давление во всей системе, холодильник поддерживает низкое парциальное давление хладагента (следовательно, высокую скорость испарения) в той части системы, которая отбирает тепло из низкотемпературного внутреннего пространства холодильника, но сохраняет хладагент. при высоком парциальном давлении (следовательно, низкой скорости испарения) в той части системы, которая отводит тепло в воздух с температурой окружающей среды за пределами холодильника.
В холодильнике используются три вещества: аммиак , газообразный водород и вода . Цикл замкнут, весь водород, вода и аммиак собираются и бесконечно повторно используются. В системе создается давление, при котором точка кипения аммиака выше, чем температура змеевика конденсатора (змеевика, который передает тепло воздуху снаружи холодильника, поскольку он горячее наружного воздуха). Это давление обычно составляет 14– 16 стандартных атмосфер (1400–1600 кПа), при котором точка росы аммиака составит около 35 °C (95 °F).
Цикл охлаждения начинается с поступления жидкого аммиака комнатной температуры в испаритель. Объем испарителя превышает объем жидкости, при этом лишнее пространство занято смесью газообразного аммиака и водорода. Присутствие водорода снижает парциальное давление газообразного аммиака, тем самым снижая температуру испарения жидкости ниже температуры внутри холодильника. Аммиак испаряется, забирая небольшое количество тепла из жидкости и понижая температуру жидкости. Он продолжает испаряться, в то время как большая энтальпия испарения (тепло) перетекает из более теплого внутреннего пространства холодильника в более холодный жидкий аммиак, а затем в большее количество газообразного аммиака.
На следующих двух этапах газообразный аммиак отделяется от водорода, чтобы его можно было использовать повторно.
- Смесь аммиака (газа) и водорода (газа) поступает по трубе из испарителя в абсорбер. В абсорбере эта смесь газов контактирует с водой (технически — слабым раствором аммиака в воде). Газообразный аммиак растворяется в воде, а водород, который этого не делает, собирается в верхней части абсорбера, оставляя внизу уже крепкий раствор аммиака и воды. Водород теперь отделен, а аммиак теперь растворен в воде.
- На следующем этапе происходит разделение аммиака и воды. Раствор аммиака/воды поступает в генератор (котел), где применяется тепло для выпаривания аммиака, оставляя большую часть воды (которая имеет более высокую температуру кипения). Некоторое количество водяного пара и пузырьков остается смешанным с аммиаком; эта вода удаляется на заключительном этапе разделения, пропуская ее через сепаратор, серию витых труб с небольшими препятствиями, которые мешают пузырькам лопаться, позволяя водяному пару конденсироваться и стекать обратно в генератор.
Затем чистый газообразный аммиак поступает в конденсатор. В этом теплообменнике горячий газообразный аммиак передает свое тепло наружному воздуху, температура которого ниже точки кипения аммиака при полном давлении, и поэтому конденсируется. Конденсированный (жидкий) аммиак стекает вниз и смешивается с газообразным водородом, выделяющимся на этапе абсорбции, повторяя цикл.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Гранрид, Эрик; Пальм, Бьёрн (2005), «4-3», Холодильная техника , Стокгольм: Королевский технологический институт.
- ^ «ᐅ Мобильная холодильная техника – Холодильники и холодильные агрегаты» .
- ^ США 1781541 , Einstein & Szilard, «Охлаждение», выпущено 11 ноября 1930 г.
- ^ Гроссер, Адам (февраль 2007 г.). «Адам Гроссер и его экологичный холодильник» . ТЭД . Проверено 18 сентября 2018 г.
- ^ Сапали, С.Н. (11 февраля 2009 г.). «Абсорбционная холодильная система на основе бромида лития». Учебник холодоснабжения и кондиционирования . Нью-Дели: изучение PHI. п. 258. ИСБН 978-81-203-3360-4 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Леви, А.; Кослофф, Р. (2012). «Квантовый абсорбционный холодильник». Физ. Преподобный Летт . 108 (7): 070604. arXiv : 1109.0728 . Бибкод : 2012PhRvL.108g0604L . doi : 10.1103/PhysRevLett.108.070604 . ПМИД 22401189 . S2CID 6981288 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Абсорбционные тепловые насосы ( Управление энергоэффективности и возобновляемых источников энергии ).
- Объяснение Arizona Energy с диаграммами
- Цикл бромида лития/воды – абсорбционное охлаждение для охлаждения кампуса в BYU.
- Американский национальный институт стандартов . «Стандарт AHRI 560–2000 для абсорбционных холодильников» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 31 октября 2012 г. Проверено 31 марта 2012 г.