POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ MECHANICZNY Budowa i działanie absorpcyjnych urządzeń chłodniczych stosowanych w systemach klimatyzacji duŝych obiektów uŝyteczności publicznej. Autor : Sławomir Kubiczek Zbigniew Marszałek Gdańsk 2007
Spis treści: 1. Historia absorpcyjnych urządzeń chłodniczych. 2. Budowa absorpcyjnych urządzeń chłodniczych. 3. Czynniki chłodnicze 4. Podział urządzeń chłodniczych 5. Zasada działania oraz konstrukcja absorpcyjnych amoniakalno-wodnych urządzeń chłodniczych. 6. Dane techniczne przykładowego absorpcyjnego agregatu chłodniczego 7. Zastosowanie 8. Silne i słabe strony urządenia chłodniczego: 9. Podsumowanie: 10. Literatura 2
1. Historia absorpcyjnych urządzeń chłodniczych. Absorpcyjne urządzenia chłodnicze znane i szeroko stosowane były juŝ przed II wojna światową. W Polsce okres powojenny charakteryzował się rozwojem tych urządzeń nie tylko w chłodziarkach domowych, ale równieŝ w róŝnych gałęziach przemysłu. Niestety polskie rozwiązania konstrukcyjne szybko zostały zapomniane wraz z rozwojem chłodziarek spręŝarkowych. Główna zaletą absorpcyjnych urządzeń chłodniczych jest wykorzystanie ciepła, jako energii napędowej obiegu chłodniczego. Obecnie głównie z uwagi na aspekty ekologiczne wzrasta ponownie zainteresowanie tego tupu urządzeniami. 2. Budowa absorpcyjnych urządzeń chłodniczych. Urządzenia te charakteryzują się prostotą konstrukcji i wykorzystaniem ciepła z róŝnych źródeł przy niewielkim udziale energii elektrycznej w porównaniu z urządzeniami spręŝarkowymi. W zaleŝności od temperatury odparowania czynnika chłodniczego, chłodziarka absorpcyjna charakteryzuje się nawet kilkakrotnie większą energochłonnością niŝ urządzenie spręŝarkowe. W przypadku jednak dostępu do taniej energii cieplnej, pochodzącej z innych procesów technologicznych i jednocześnie coraz droŝszej energii elektrycznej, coraz korzystniejsze jest wykorzystanie absorpcyjnych urządzeń w systemach chłodniczych. 3. Czynniki chłodnicze Najczęściej stosowany czynnik chłodniczy w tego typu urządzeniach to amoniak, natomiast pochłaniaczem jest woda. NaleŜy jednak pamiętać, Ŝe substancjami absorbującymi mogą być zarówno ciecze jak równieŝ ciała stałe. Substancja absorbująca Czynnik chłodniczy Ciecze Bromek Litu ( LiBr) Woda ( H 2 O ) Woda ( H 2 O ) Amoniak ( NH 3 ) Eter dwumetylowy czteroetyloglikolu R 21 (CHFCl 2 ) lub R 22 (CHF 2 Cl ) Ciała Stałe Chlorek wapnia Amoniak ( NH 3 ) Węgiel aktywny Amoniak ( NH 3 ) Sita molekularne (zeolity) Woda ( H 2 O ) Tabela 1. Pary substancji roboczych stosowanych w absorpcyjnych urządzeniach chłodniczych. 3
4. Podział urządzeń chłodniczych Biorąc pod uwagę charakter pracy absorpcyjnych urządzeń chłodniczych rozróŝnić moŝemy : Układy o działaniu okresowym Układy o działaniu ciągłym W absorpcyjnych urządzeniach chłodniczych o działaniu okresowym wykorzystuje się stałe substancje absorbujące, w porach których osadza się ( absorbuje) skroplony czynnik chłodniczy. Typowym przykładem takiego układu jest para substancji roboczych w zestawieniu zeolit/ woda. Zeolity inaczej nazywane sitami molekularnymi znane są przede wszystkim jako środki osuszające, stosowane w filtrach odwadniających urządzeń chłodniczych. Charakteryzują się one skłonnością do intensywnego pochłaniania pary wodnej. W przeciwieństwie do absorpcyjnych urządzeniach chłodniczych o działaniu okresowym układy o działaniu ciągłym pracują w oparciu o ciekłe substancje pochłaniające. 5. Zasada działania oraz konstrukcja absorpcyjnych amoniakalno-wodnych urządzeń chłodniczych. a) W urządzeniach tego typu zamiast odsysania pary z parownika przez spręŝarkę wykorzystuje się do uzyskania podobnego efektu proces absorpcji czyli pochłaniania pary przez ciecz. Ideę takiego rozwiązania przedstawiono na rysunku 1. Ze zbiornika cieczy amoniak wpływa poprzez zawór rozpręŝny do parownika. W zaworze amoniak zostaje zdławiony od wysokiego ciśnienia panującego w zbiorniku ( ciśnienia skraplania) do ciśnienia parowania, odpowiadającego Ŝądanej temperaturze wrzenia. Powstająca w parowniku para amoniaku nie jest zasysana przez spręŝarkę, lecz wpływa do absorbera. JeŜeli początkowo aparat ten jest wypełniony wodą, to wówczas nastąpi proces absorbowania przez nią pary amoniaku. Na miejsce zaabsorbowanej przez wodę pary do absorbera wpłynie następna jej porcja co w efekcie wywołuje proces ssania. W absorberze będzie się znajdować wówczas ciekły 4
roztwór amoniaku i wody. StęŜenie amoniaku w tym roztworze będzie się zwiększać w miarę pochłaniania porcji pary wpływającej z parownika. Okazuje się przy tym, Ŝe proces absorpcji pary amoniaku przez wodę przebiega tym sprawniej, im niŝsza jest temperatura wody oraz im wyŝsze jest ciśnienie panujące w absorberze. Oznacza to Ŝe absorber musi być chłodzony i to tym intensywniej im niŝsze będą temperatury, a zatem i ciśnienia parowania. Przedstawione poglądowo na rysunku 1 urządzenie nie moŝe pracować w sposób ciągły, chociaŝby dlatego, Ŝe po pewnym czasie stęŝenie amoniaku w absorberze wzrośnie na tyle, Ŝe proces absorpcji ulegnie wyhamowaniu, co w efekcie spowoduje ustanie ssania pary z parownika. d) Schemat ideowy najprostszego absorpcyjnego urządzenia chłodniczego o działaniu ciągłym został przedstawiony na rysunku 2. Trzy podstawowe elementy urządzenia : parownik, skraplacz oraz element rozpręŝny funkcjonują na podobnej zasadzie jak w układach spręŝarkowych. Urządzenie absorpcyjne róŝni się od spręŝarkowego sposobem transportu czynnika z parownika do skraplacza. Zespół maszyn i aparatów słuŝący do realizacji tego procesu, polegającego na przenoszeniu czynnika ze strony niskiego ciśnienia na stronę ciśnienia wysokiego nazywa się spręŝarka termiczną. f) Zasada działania spręŝarki termicznej o działaniu ciągłym dla płynów roboczych układzie amoniak woda jest następująca : pary amoniaku o niskim ciśnieniu i temperaturze przepływają z parownika do absorbera, gdzie są pochłaniane przez znajdującą się tam wodę. Powstaje w ten sposób tzw. roztwór bogaty, czyli zawierający duŝą ilość amoniaku. Roztwór ten jest zasysany przez pompę i dostarczany pod wysokim ciśnieniem do warnika. Aparat ten słuŝy do rozdzielenia wody i amoniaku z roztworu bogatego. Do warnika dostarczane jest w duŝych ilościach ciepło, wskutek czego następuje proces desorpcji : amoniak odparowuje z roztworu. W efekcie powstaje para amoniaku oraz tzw. roztwór ubogi, zawierające małe ilości amoniaku. Para amoniaku przepływa do skraplacza, zaś dalsze przemiany termodynamiczne odbywają się analogicznie, jak w urządzeniu spręŝarkowym. Pozostały w warniku roztwór ubogi spływa do absorbera. PoniewaŜ w warniku panuje ciśnienie skraplania, zaś w absorberze- parowania, zatem spływający z warnika roztwór ubogi musi zostać zdławiony w odpowiednim zaworze rozpręŝnym. 5
g) Podobnie jak w urządzeniach spręŝarkowych istnieje moŝliwość zoptymalizowania konstrukcji omawianego urządzenia poprzez zastosowanie wymienników regeneracyjnych co pokazano na rysunku 3. Zadaniem wymiennika regeneracyjnego I jest uzyskanie dodatkowego dochłodzenia ciekłego czynnika zasilającego parownik, co skutkuje odpowiednim zwiększeniem wydajności chłodniczej. Z kolei wymiennik regeneracyjny II pozwala na częściowe odzyskiwanie mocy cieplnej dostarczanej do warnika oraz równoczesne zmniejszenie ilości wody chłodzącej absorber. W wymienniku tym bowiem zimny roztwór bogaty zostaje wstępnie podgrzany ciepłem pobranym od powracającego do absorbera roztworu ubogiego o wysokiej temperaturze. Warto podkreślić wagę tego rozwiązania bowiem moc cieplna dostarczona do warnika jest w istocie główną mocą napędową całego urządzenia. Jest rzeczą istotną, Ŝe powstająca w warniku para czynnika chłodniczego zawiera niekiedy znaczne ilości absorbentu, przy czym jego zawartość w parze czynnika jest tym większa, im niŝsza jest temperatura parowania i wyŝsze ciśnienie skraplania. Wynika stąd konieczność stosowania aparatów nazywanych deflegmatorami, w których na skutek chłodzenia pary wykrapla się czynnik mniej lotny i/lub rektyfikatorów, w których oddzielenie od siebie par dwóch substancji realizowane jest za pomocą procesu rektyfikacji. 6
6. Dane techniczne przykładowego absorpcyjnego agregatu chłodniczego: Agregat absorpcyjny MILLENIUM firmy YORK. DANE TECHNICZNE Zakres wydajności chłodniczej: od 420 kw do 4850 kw Współczynnik wydajności chłodniczej: COP równy 0.68 Minimalna temperatura wody lodowej: 4.5oC Minimalna temperatura wody z wieŝy chłodniczej 7.3oC przy zasilaniu parą, oraz 20oC przy zasilaniu gorącą wodą Wskaźnik wydajności chłodzenia wody lodowej: 0.32 m3/(h*kw) dla róŝnicy temperatur na wieŝy chłodniczej wynoszącej 9.5 K Temperatura wody grzejnej: minimum 80oC, nominalnie 115oC, opcjonalnie 130oC 7
7. ZASTOSOWANIE: Agregaty absorpcyjne Millenium YIA sprawdzają się w bardzo szerokim zakresie zastosowań od urządzeń pracujących dla potrzeb szkół, aŝ po duŝe instalacje montowane w rafineriach. Jednak głównie przeznaczony jest do chłodzenia wody dla celów klimatyzacyjnych. MoŜliwych jest wiele obszarów jego aplikacji z punktu widzenia źródeł energii napędowej: Parowe siłownie energetyczne. Bromolitowe urządzenia absorpcyjne zasilane są parą odlotową z turbin.. Turbiny gazowe lub turbospręŝarki. W tych zastosowaniach agregat YIA słuŝy do chłodzenia zasysanego powietrza. W efekcie jego zastosowania uzyskuje się podwyŝszenie sprawności spalania. Odzyskiwanie odpadowej energii cieplnej w róŝnych gałęziach przemysłu w powiązaniu z chłodzeniem, jako integralną częścią procesów przemysłowych. 8. Silne i słabe strony urządenia chłodniczego: Zalety absorpcyjnych urządzeń chłodniczych: -Prostota obsługi i konserwacji -Dobre warunki regulacyjne -Zwarta konstrukcja urządzenia -Brak w instalacji nieekologicznego czynnika chłodniczego np.hcfc -Długa Ŝywotność urządzenia(20-25lat) -MoŜliwość pracy z dala od źródeł zasilania -MoŜliwość wykorzystania energii słonecznej, źródeł geotermalnych, ciepła z ogniw paliwowych do klimatyzacji budynków. -Cicha praca bez drgań co jest waŝne skojarzonych systemach wytwarzania ciepła, chłodu i elektryczności usytuowanych np. w piwnicy budynku. Wady absorpcyjnych urządzeń chłodniczych: -Około dwukrotnie wyŝszy koszt inwestycyjny przy tej samej mocy chłodniczej, -niŝszy COP -korodujące działanie wody w przypadku roztworów NH3-H2O lub H2O-LiBr, 8
-moŝliwość krystalizacji LiBr w wymiennikach ciepła -PowaŜne problemy z zapewnieniem szczelności urządzeń. 9. Podsumowanie: Zastosowanie urządzenia chłodniczego powoduje: -Zmniejszenie kosztów eksploatacji systemów skojarzonego wytwarzania ciepła i chłodu. -Oszczędność gospodarowania zasobami energetycznymi -Poszanowanie środowiska naturalnego -Koszt inwestycyjny około 2razy większy -Decyzję o wyborze naleŝy poprzeć analizą kosztów w celu stwierdzenia opłacalności zastosowania tego urządzenia. 10. Literatura : Dariusz Butrymowicz : Technika chłodnicza i klimatyzacyjna, 4,5 /1999 Dariusz Butrymowicz : Technika chłodnicza i klimatyzacyjna 2 /2004 Hans Jőrgen Ullrich : Technika chłodnicza. Poradnik tom 1 N. Szlęzak, D. Obracaj, M.Borowski : Technika chłodnicza i klimatyzacyjna 6-7 /2001 K. Szczepański: Absorpcyjna pompa ciepła jako element skojarzonego systemu wytwarzania ciepła i chłodu. Rysunki 1,2,3 ze względu na niemoŝliwość zamieszczenia ich w Naszej pracy zostaną doniesione w formie ręcznej. 9