Dr inŝ Janusz Eichler Dr inŝ Jacek Kasperski Zakład Chłodnicwa i Kriogeniki Insyu echniki Cieplnej i Mechaniki Płynów I-20 Poliechnika Wrocławska ODSĘPSWA RZECZYWISEGO OBIEGU ABSORPCYJNO-DYFUZYJNEGO OD OBIEGU EOREYCZNEGO (część I) Problemy związane z ochroną środowiska skłaniają do powrou do nauralnych czynników chłodniczych, min amoniaku Oznacza o akŝe szansę dla chłodnicwa absorpcyjnego, pracującego zwykle na wodnym rozworze amoniaku Znajduje on zasosowanie w duŝych układach przemysłowych (napędzanych pompą mechaniczną) lub w małych układach absorpcyjno-dyfuzyjnych (napędzanych pompą ermosyfonową), sosowanych w chłodnicwie domowym i klimayzacji Na rys przedsawiono schema grawiacyjnego układu absorpcyjno-dyfuzyjnego, realizującego rzeczywisy obieg chłodniczy Układ en zosał przedsawiony w sposób ukazujący jego srukurę geomeryczną Składa się on z części wymienników ciepła realizujących zw obieg silnikowy (napędowy) oraz z części wymienników ciepła realizujących zw obieg ziębniczy W części silnikowej układu znajdują się: a/ DESORBER wraz z ERMOSYFONEM, spełniającym rolę pompy ciekłego rozworu roboczego i ELEMENEM GRZEJNYM (grzałka elekryczna, rura z palnikiem gazowym lub olejowym), b/ ABSORBER wraz ze ZBIORNIKIEM ciekłego rozworu, c/ REKUPERAOR łączący ABSORBER z DESORBEREM W części ziębniczej znajdują się: a/ SKRAPLACZ, b/ PAROWACZ, c/ DOZIĘBIACZ Układ absorpcyjno-dyfuzyjny, jako pracujący na rójskładnikowym rozworze roboczym, wyposaŝony jes w dodakowe aparay: a/ WYMIENNIK CIEPŁA GAZÓW, b/ DOCHŁADZACZ GAZU, kórych zadaniem jes podniesienie efekywności realizowanego obiegu Konsrukcja powyŝszych aparaów moŝe być mniej lub bardziej rozbudowana w zaleŝności od ego, czy układ pracuje jako chłodziarka jednoemperaurowa czy dwuemperaurowa (chłodziarko-zamraŝarka) W porównaniu do przemysłowego układu absorpcyjnego, pracującego na dwuskładnikowym rozworze roboczym NH 3 +H 2 O, w układzie absorpcyjno-dyfuzyjnym, jak na rys, obserwujemy większą złoŝoność procesów, wynikającą z zasosowania rójskładnikowego rozworu roboczego NH 3 +H 2 O+H 2 Ze ZBIORNIKA bogay w amoniak rozwór NH 3 +H 2 O o sanie wpływa poprzez REKUPERAOR do ERMOSYFONU, spełniającego rolę pompy ciekłego rozworu Na skuek podgrzania rozworu w procesie rekuperacji ciepła, nasępuje zmiana sanu na 2
2 W ERMOSYFONIE, poprzez doprowadzenie srumienia ciepła od ELEMENU GRZEJNEGO, nasępuje proces desorpcji pary, związany z podnoszeniem ciekłego rozworu z poziomu panującego w ZBIORNIKU do poziomu cieczy w DESORBERZE owarzyszy emu zmiana sanu rozworu do 5 Wypływający w górnej części ERMOSYFONU, rozwór w fazie pary mokrej, rozdziela się na skuek oddziaływania grawiacyjnego, na ciecz o sanie 5' i parę o sanie 5" Ciekły rozwór o sanie 5' poddawany jes procesowi desorpcji, w wyniku kórego worzy się ubogi rozwór o sanie 3 oraz para, kóra przeburzając się przez warswę cieczy w REKYFIKAORZE, zosaje oczyszczona do sanu 5" Rozwór ubogi, dzięki oddziaływaniu pola grawiacyjnego i specyficznej konsrukcji układu, samoczynnie przelewa się poprzez REKUPERAOR do górnej części ABSORBERA Przepływ przez REKUPERAOR powoduje ochłodzenie rozworu ubogiego ze sanu 3 do sanu 4 Konsrukcja układu absorpcyjno-dyfuzyjnego sprawia, Ŝe przy zrównowaŝonym ciśnieniowo układzie, ciśnienie cząskowe ziębnika w DESORBERZE, przy zminimalizowanej zawarości gazu inernego (H 2 ), jes prakycznie równe ciśnieniu całkowiemu (ciśnieniu napełnienia układu), gdy ymczasem w ABSORBERZE ciśnienie cząskowe ziębnika jes względnie niskie ze względu na powsałą mieszaninę z gazem inernym W en sposób, w układzie ciśnieniowo zrównowaŝonym, dzięki obecności odpowiedniej ilości gazu inernego w ABSORBERZE i jego prakycznym braku w DESORBERZE, uzyskuje się realizację obiegu silnikowego jedynie dzięki procesowi ermosyfonowemu, mieszaniu, rozdzielaniu składników rozworu i konsrukcji geomerycznej układu, wykorzysującej pole grawiacyjne Produkowana w DESORBERZE para, podlega oczyszczeniu w DEFLEGMAORZE do sanu 6 i samoczynnie wpływa do SKRAPLACZA Konsrukcja SKRAPLACZA (min RURKA WYRÓWNAWCZA) pozwala na zminimalizowanie zawarości gazu inernego, przez co ziębnik skrapla się przy wysokim ciśnieniu cząskowym, prakycznie równym ciśnieniu napełnienia, osiągając san 7 Ciekły ziębnik zosaje doziębiony w DOZIĘBIACZU do sanu 8 i wpływa samoczynnie do PAROWACZA W PAROWACZU ciekły ziębnik dosaje się do amosfery gazu inernego o sanie 4, doziębionego w WYMIENNIKU CIEPŁA GAZÓW Na skuek mieszania pary ziębnika z gazem inernym, powsaje zw uboga" mieszanina NH 3 +H 2, o sanie 9, w kórej ciśnienie cząskowe ziębnika jes względnie niskie W procesie parowania (dyfuzji ziębnika do amosfery gazu inernego), ciecz spływająca grawiacyjnie w dół, wzdłuŝ rury PAROWACZA, odparowuje, przez co ciśnienie cząskowe ziębnika w mieszaninie gazowej rośnie W wyniku procesu odparowania cieczy w PAROWACZU worzy się zw bogaa" mieszanina NH 3 +H 2 o sanie 0, kóra pod wpływem sił grawiacji samoczynnie spływa w dół układu, w kierunku ABSORBERA Bogaa mieszanina gazowa przepływa przez WYMIENNIK CIEPŁA GAZÓW, przejmując ciepło od ubogiej mieszaniny gazowej i zmieniając swój san z 0 na Dzięki procesowi zmieszania pary z gazem inernym uzyskuje się efek analogiczny do dławienia w elemencie dławiącym (zawór, rurka kapilarna) układów spręŝarkowych, co pozwala na uzyskanie niskich emperaur w srefie PAROWACZA ak więc zespół procesów, realizowanych pomiędzy SKRAPLACZEM a PAROWACZEM, dzięki zasosowaniu gazu inernego i odpowiedniej konsrukcji geomerycznej, worzy obieg ziębniczy układu absorpcyjno-dyfuzyjnego Bogaa mieszanina gazów o sanie wpływa samoczynnie, poprzez ZBIORNIK do ABSORBERA uaj, w wyniku konaku z ubogim rozworem NH 3 +H 2 O, nasępuje proces absorpcji pary ziębnika z amosfery gazu inernego, połączony z dodanim efekem ermicznym (ciepło absorpcji)
3 W wyniku procesu absorpcji worzy się ciekły rozwór bogay NH 3 +H 2 O o sanie, kóry spływa grawiacyjnie w dół wzdłuŝ rury ABSORBERA do ZBIORNIKA oraz uboga mieszanina NH 3 +H 2 o sanie 2, wypierana ku górze, w kierunku PAROWACZA PoniewaŜ uboga mieszanina gazowa posiada zby wysoką emperaurę (na skuek podgrzania w procesie absorpcji), zosaje poddana procesowi dochładzania w DOCHŁADZACZU GAZU, poprzez konak z ooczeniem (zmieniając san na 3), a nasępnie procesowi doziębiania w WYMIENNIKU CIEPŁA GAZÓW (zmieniając san na 4) W procesie projekowania efekywnego układu chłodniczego, pierwszym krokiem jes prawidłowe zidenyfikowanie procesów worzących zamknięy obieg chłodniczy Do oceny prawidłowości zamodelowanego obiegu i jego jakości sosuje się procedurę porównywania efekywności obiegu ziębiarki rzeczywisej z powszechnie przyjmowanym wzorcem eoreycznego obiegu Carnoa Na rys2 przedsawiono schema porównawczego obiegu eoreycznego ziębiarki absorpcyjnej na wykresie -s Przyjmuje się u nasępujące załoŝenia [ ]: / ilość rozworu roboczego, krąŝącego między ABSORBEREM i DESORBEREM jes nieskończenie duŝa (co pozwala na przyjęcie sałości emperaur absorpcji a i desorpcji d ), 2/ ekspansja ziębnika i rozworu jes izenropowa, 3/ ziębnik jes idealnie rekyfikowany, przez co emperaura skraplanie k oraz emperaura parowania o są sałe, 4/ ziębnik jes płynem idealnym i właściwa pojemność cieplna cieczy i pary na krzywych granicznych jes równa zeru W ak wyidealizowanym obiegu, proces desorpcji na skuek doprowadzenia srumienia ciepła desorpcji Q & w DESORBERZE, będzie odwzorowany na wykresie -s (rys 2) w posaci d izoermy 2-3 przy emperaurze d, równej emperaurze czynnika grzejnego g Proces skraplania w SKRAPLACZU, na skuek odprowadzenia do ooczenia srumienia ciepła skraplania Q & k będzie odwzorowany poprzez izoermę 6-7, przy emperaurze k, równej emperaurze ooczenia (chłodziwa) o Skroplony ziębnik, po izenropowym zredukowaniu ciśnienia i zmianie sanu z 7 na 9, wrze w PAROWACZU przy sałej emperaurze o, równej emperaurze przesrzeni ziębionej z, zmieniając san z 9 na 0 (przemiana 9-0 owarzyszy emu przejęcie z przesrzeni ziębionej srumienia ciepła Q & Para wyworzona w PAROWACZU zosaje zaabsorbowana przez rozwór ubogi o sanie 4 w procesie absorpcji (przemiana 4-) przy sałej emperaurze ooczenia (chłodziwa) o Efekywność odwracalnej ziębiarki absorpcyjnej definiuje się [ ] jako sosunek wydajności ziębienia Q & przy emperaurze parowania o do srumienia ciepła desorpcji (ciepła napędowego) o Q & d przy sałej emperaurze desorpcji d : o lub Q& = o ζ ( ) Q& d d k o ζ = ( 2 ) d k o
4 Liczbową warość ζ jes szczególnie ławo określić, poniewaŝ zaleŝna jes wyłącznie od emperaur poszczególnych procesów Analizę obiegów rzeczywisych i ich efekywności prowadzi się poprzez porównywanie rzeczywisych procesów z ich wyidealizowanymi odpowiednikami Szczególnie wygodnie jes prowadzić ę analizę przy pomocy znanego wykresu lg p Na rys 3 przedsawiono na wykresie lg p schema eoreycznego obiegu porównawczego ziębiarki absorpcyjnej PołoŜenie poszczególnych punków, określających procesy obiegu eoreycznego, określono przy załoŝeniach podobnych, jak przy konsrukcji na wykresie -s, przyjmując jednak skończoną ilość krąŝącego rozworu Obieg realizowany jes pomiędzy emperaurami : g czynnika grzejnego, o ooczenia (chłodziwa), z przesrzeni ziębionej a przekazywanie ciepła jes quasisayczne Przy powyŝszych załoŝeniach połoŝenie punku 7, określającego proces skraplania, znajduje się w miejscu przecięcia izoermy k = o z linią składu ξ =, 0, określającą czysy ziębnik PołoŜenie punku 7 wyznacza eoreyczną warość ciśnienia kondensacji p k, równą eoreycznej warości ciśnienia desorpcji p d Przecięcie linii ξ =, 0 z izoermą 9 = z, wyznacza połoŝenie punku 9, określającego proces parowania obiegu eoreycznego Izobara p o, przechodząca przez en punk, wyznacza eoreyczną warość ciśnienia parowania w obiegu eoreycznym W miejscu przecięcia izobary p d z izoermą 3 = g określa się połoŝenie punku 3, wyznaczającego maksymalny sopień desorpcji rozworu w obiegu eoreycznym Uzyskana warość składu rozworu ξ u odpowiada minimalnej, eoreycznej warości sęŝenia rozworu ubogiego Z kolei, w miejscu przecięcia izobary p a = p o z izoermą = o uzyskuje się połoŝenie punku, określającego maksymalną, eoreyczną warość sęŝenia rozworu bogaego ξ RóŜnica ξ = ξ ξ ) wyznacza waŝny wskaźnik porównawczy, eoreyczny b ( b u zakres sorpcji obiegu absorpcyjnego W miejscu przecięcia linii ξ b z izobarą p d określa się połoŝenie punku 2, wyznaczającego począek procesu desorpcji w DESORBERZE obiegu eoreycznego Z kolei przecięcie linii ξ z izobarą p a wyznacza połoŝenie punku 4, określającego san rozworu u ubogiego na począku procesu absorpcji Punk na rys 3 Określa san rozworu bogaego, powsałego ze zmieszania pary o sanie 9 z rozworem ubogim o sanie 4 w procesie absorpcji eoreycznej, a punk 2 określa san rozworu bogaego, kóry zosaje rozdzielony na czysy ziębnik o sanie 7 oraz na rozwór ubogi o sanie 3, w procesie desorpcji eoreycznej z z Lieraura: [ ] Maczek K, Mieczyński M Chłodnicwo Skryp PWr 98
5 Sreszczenie arykułu p Odsępswa rzeczywisego obiegu absorpcyjno-dyfuzyjnego od obiegu eoreycznego (część I) Auorzy: dr inŝ Janusz Eichler, dr inŝ Jacek Kasperski Słowa kluczowe: chłodnicwo, urządzenia absorpcyjne, urządzenia chłodnicze, projekowanie W arykule przesawiono analizę odsępsw rzeczywisego obiegu absorpcyjnodyfuzyjnego od obiegu eoreycznego, ukierunkowaną na wyznaczenie efekywności ermodynamicznej obiegu Na le budowy ypowego układu absorpcyjno-dyfuzyjnego wraz z opisem jego działania zaprezenowano isniejącą w lieraurze fachowej koncepcję eoreycznego obiegu porównawczego, oparą na obiegu Carnoa i przedsawiono odwzorowanie ego obiegu na wykresie -s Zdefiniowano efekywność odwracalnej ziębiarki absorpcyjnej ζ, worząc punk odniesienia dla dalszej analizy odwzorowując obieg eoreyczny na wykresie omawiając szczegółowo sposób idenyfikacji poszczególnych punków sanu lg p i
6 SKRAPLACZ Q k 6 Q df DEFLEGMAOR RURKA WYRÓW- NAWCZA 7 PAROWACZ Q o 9 8 0 Q dch DZACZ GAZU 2 3 4 DOZIĘBIACZ WYM CP GAZÓW ABSORBER Q a 4 DOCHŁA- ERMO- SYFON 5 5' 5" REKYFIKAOR ZBIORNIK ELEMEN GRZEJNY Q d DESORBER 4 REKUPERAOR 2 3 ~ Rys Schema grawiacyjnego układu absorpcyjno-dyfuzyjnego
7 g d 2 3 4- - absorpcja 2-3 - desorpcja 6-7 - skraplanie 9-0 - parowanie - Q - Q d o o k a 7 6 4 z o 9 0 s Rys 2 Porównawczy obieg eoreyczny Carnoa jednosopniowej odwracalnej ziębiarki absorpcyjnej na wykresie -s
8 lg p p k =pd 7 2 3 p =p ko a 9 4 x =,0 z x b x u z o 2 4 g Rys 3 Schema eoreycznego obiegu porównawczego ziębiarki absorpcyjnej na wykresie lgh-/