Для выполнения теплового расчета машины необходимо прежде всего определить параметры состояния веществ в узловых точках схемы (циклов). Для этого применяют различные термодинамические диаграммы и таблицы равновесных состояний для паровой и жидкой фаз раствора. Термодинамические диаграммы значительно упрощают и делают более точным анализ рабочих процессов холодильных машин.
Тепловые расчеты процессов абсорбционных ХМ наиболее наглядно и просто выполнять с помощью x, i -диаграмм, а их термодинамический анализ с помощью энтропийных диаграмм.
Схема одного из вариантов водоаммиачной установки и термодинамическая диаграмма ее работы приведена на рис.7.2.
Рис.7.2. Принципиальная схема одноступенчатой водоаммиачной абсорбционной ХМ и ее рабочие процессы в i, x-диаграмме:
I – абсорбер; II – насос; III – дроссельный вентиль; IV – охладитель слабого раствора; V – генератор; VI – ректификационная колонна; VII - дефлегматор; VIII – конденсатор; IX – линейный ресивер; X – охладитель жидкого аммиака; XI – дроссельный вентиль; XII – испаритель;
На диаграмме: x - массовая концентрация легкокипящего компонента (ХА), отнесенная к массе раствора; i – удельная энтальпия раствора и смеси паров; P к – давление в генераторе и конденсаторе; P 0 – давление в испарителе и абсорбере.
Верхние кривые – состояние сухого насыщенного пара над кипящей жидкостью при давлениях P к и P 0. Над ними перегретый пар (П).
Нижние кривые – состояние кипящей жидкости (Ж) при тех же давлениях. Под ними область жидкости.
В промежутке – область влажного пара (П+Ж) при тех же давлениях P к и P 0.
Равновесие между паром и кипящей жидкостью при заданном давлении определяется изотермой (11-1). Концентрация легкокипящего компонента в паре всегда выше, чем концентрация его в жидкости, т.е. при равновесии всегда xп > xж.
В отличие от идеальной установки здесь полного разделения абсорбента и рабочего агента не происходит. Поэтому процессы ограничены линиями концентраций xс – слабая концентрация (слабый раствор) и xк – крепкий раствор
Работа схемы
К колонне VI подводится крепкий раствор с концентрацией xк и давлением Рк. На входе в колонну он приобретает параметры кипения, т.е. соответствует параметрам точки 11 на диаграмме.
В колонне происходит повышение концентрации паров NH 3, которые поступают из генератора. На выходе из колонны они достигают равновесного состояния с кипящей жидкостью, т.е. это параметры в точке 1. В то же время из жидкости происходит выпаривание легкокипящего компонента и происходит снижение его концентрации в растворе до xс. Таким образом в колонне и генераторе одновременно протекают процессы 11-1 и 11-12 (10-11 – нагрев до кипения).
Пар из колонны поступает в дефлегматор VII, где концентрация пара доводится до максимальной (она тем выше, чем больше разница температур кипения компонентов, но она всегда меньше 1,0 хоть на доли процента, иначе в дефлегматоре пришлось бы сконденсировать весь пар). Это процесс дефлегмации 1-2 [2].
Из дефлегматора пар поступает в конденсатор VIII, где отводится теплота q к, конденсат стекает в линейный ресивер IX – это процесс 2-3. Ресивер необходим для регулирования работы при переменных режимах.
Затем жидкий аммиак поступает в охладитель X, где он охлаждается паром до температуры t 4 при давлении Р к. Это процесс 3-4.
Далее рабочий агент дросселируется от Р к до Р 0 в дросселе XI, процесс 4-5. Так как процесс протекает при i =const, то положение точек 4 и 5 на диаграмме совпадают, хотя состояния ХА разные. В т. 4 – жидкость, а в т. 5 – смесь жидкости с паром. Количество образовавшегося при дросселировании пара можно определить по правилу рычага:
(7.1)
После дросселя рабочий агент поступает в испаритель XII, где за счет теплоты теплоотдатчика q 0 превращается в сухой насыщенный пар. Это процесс 5-6. Пар перегревается в теплообменнике X до температуры t 7, процесс перегрева 6-7.
Перегретый пар аммиака подается в абсорбер I где смешивается со слабым раствором поступающим из генератора с концентрацией xс (параметры т. 14). Параметры смеси получаем на пересечении линии 7-14 и линии концентрации xк=const – это точка 15 (влажный пар). Нагретый экзотермической реакцией крепкий раствор охлаждается (процесс 15-8) и скапливается на дне абсорбера с параметрами т.8.
Насосом II крепкий раствор прокачивается через теплообменник IV и подается в ректификационную колонну. Нагрев раствора в насосе, теплообменнике и колонне – это процессы 8-9-10-11.
Горячий слабый раствор с параметрами т. 12 поступает из генератора через теплообменник IV и дроссель III в абсорбер. При этом он охлаждается (процесс 12-13) и дросселируется (13-14). Насыщение слабого раствора в абсорбере – процесс 14-15.
Использование теплообменника для охлаждения слабого раствора увеличивает тепловую экономичность установки. Важно только следить, чтобы соблюдалось условие t 10 £ t 11 (т.е i 10£ i 11), иначе будет снижаться концентрация пара, поступающего в дефлегматор. Это увеличит отвод теплоты в нем и увеличит расход теплоты в генераторе.
В отличие от идеальной установки здесь:
1) не происходит полного отделения рабочего агента от абсорбента, что влечет увеличение расхода теплоты на установку;
2) процессы отвода и подвода теплоты протекают не изотермически, т.е. с большими потерями;
3) детандеры заменены дроссельными вентилями, что упрощает установку, но увеличивает потери;
4) процессы теплообмена необратимы, поэтому КПД реальной установки всегда ниже идеальной.
Производство абсорбционных водоаммиачных холодильных машин пока не серийное. Их выпускают для типовых технологических линий химических и нефтехимических производств. Это из-за разнообразия греющих источников, их параметров, параметров испарения.
Принят параметрический ряд аммиачных ХМ с холодопроизводительностями от 600 до 10000 кВт. Расчетные температуры кипения в испарителе от –5 до -45°C.
В качестве греющего теплоносителя могут использоваться:
-водяной пар с давлением 0,12-1,1 МПа;
-горячая вода с температурой 115-180°C;
-парогазовые смеси с температурой до 500°C.
Охлаждаются конденсаторы водой или воздухом.
Пример обозначения абсорбционной водоаммиачной холодильной машины - АВХМ-2500/25-Iк, где:
2500 – холодопроизводительность в тыс.ккал/час (2900 кВт);
25 – расчетная температура испарения -25°C;
I – греющая среда пар (горячая вода – II, парогазовая смесь – III);
к – конденсация водой (воздухом – в).
