Перспективы использования абсорбционных холодильных машин

П.И. Дячек, доктор технических наук Д.С. Мельник, директор ЗАО "Системы тепло и хладоснабжения"
журнал "Энергия и менеджмент" №2 (35) 2007

Традиционно в качестве холодопроизводящего оборудования применяются парокомпрессионные холодильные машины (ПКХМ) - технологически простые, имеющие широкий и почти двухвековый опыт практического использования (изобретены ПКХМ в 1834 г. англичанином Перкинсом). Позже, в 1859 г., Фердинандом Карре была изобретена абсорбционная холодильная машина (АХМ), использующая более сложную технологию производства холода и по этой причине не нашедшая широкого применения. Про АХМ "вспомнили" в конце прошлого века, когда актуальной стала проблема экономии энергоресурсов. Наиболее широкое применение АХМ в качестве источника холода нашли в Японии, США и в странах Западной Европы. Например, в 2006 г. в Италии доля АХМ составила 10% в общем объёме продаж холодильных машин.

Поскольку АХМ на рынке Республики Беларусь недостаточно известны, прежде чем обсуждать проблемы и перспективы их использования, необходимо представить и краткие сведения о применяемой в них технологии производства холода.

Принцип действия АХМ основан на использовании свойств бинарных растворов, компоненты которых при одинаковом давлении имеют существенно различающиеся температуры кипения, и их взаимная растворимость тоже существенно зависит от температуры. Один из компонентов раствора выполняет функции поглотителя (сорбента), второй - хладагента. Бинарный раствор с высокой концентрацией хладагента в левом отде-лении котла (генератора, кипятильника) Кт подогревается источником теплоты Q^ с температурой th > 70-75 °С. Легкокипящий компонент (хладагент) выделяется из раствора и, имея на выходе "высокое" давление, далее проходит через аналогичную парокомпрессионной холодильной машине цепочку функциональных блоков: конденсатор (К), дросселирующее устройство (РВ), испаритель (И). Параметры хладагента имеют собственное, отличающееся значение в характерных участках процесса 5-6-6-7. Обеднённый раствор из правого отделения Кт охлаждается в теплообменнике! и после снижения давления в РВ1 поступает в абсорбер А, где происходит взаимное растворение компонентов (процесс 2-3-3'-(3'+7-^8)). В абсорбере с помощью источника Qa с температурой tw отводится теплота Qa, основной составляющей которой является теплота растворения. Концентрированный раствор с параметрами 4 с помощью насоса Н опять подаётся в котёл Кт. Теплота, отводимая в конденсаторе QK и абсорбере Qa, рассеивается, например, с помощью градирни в атмосфере, если ей не найдено полезное применение в других технологиях.

В мировой практике распространение получили два вида бинарных растворов: бромистый литий + вода (вода - хладагент) и вода + аммиак (аммиак - хладагент). В бромистолитиевых машинах (АБХМ), в испарителе которых вода кипит в условиях глубокого вакуума, можно получить охлаждённую среду с температурой tu > 5°С. В водоаммиачных машинах (АВХМ) в испарителе получают температуры ниже СРС, однако этот вид машин конструктивно имеет некоторые отличие за счёт дополнительного включения ректификатора и дефлегматора в цикл между котлом и конденсатором.

В АХМ за счёт одинаковых давлений котёл и конденсатор, а также абсорбер и испаритель объединяются в единые агрегаты. Для малых мощностей вся машина изготавливается в виде моноблока. Диапазон холодопроизводительности АХМ изменяется в интервале от десятков до десятков тысяч кВт. Электропотребление составляет от 0,5 до 2,0% от уровня номинальной холодопроизводительности. Основным параметром, характеризующим эффективность АХМ, является холодильный коэффициент £, равный отношению холодороизводительности испарителя (Эи к расходу теплоты в кипятильнике Q , т.е.: е = QJQ,которое для рассмотренной выше схемы составляет в среднем 0,75 при th приблизительно 90°С. При наличии источника с более высокой температурой можно применять двухступенчатое выпаривание хладагента из бинарного раствора, и в этом случае значение в среднем будет составлять уже 1,39.

АХМ характеризуются низкой стоимостью; низким уровнем потребления электроэнергии; низким уровнем шума; отсутствием вибрации; возможностью применить в качестве источника энергии бросовые источники теплоты: выхлопные газы ДВС, конденсат от технологического оборудования. Для отдельных модификаций АХМ для выделения хладагента из раствора можно применить непосредственное сжигание в котле природного газа или другого газообразного или жидкого топлива. При применении в качестве топлива природного газа он должен сжигаться в специально выпускаемой для этой цели модификации котла, в котором реализуется цикл двухступенчатого выпаривания хладагента. Такая модификация АХМ может применяться и как эффективный источник теплоты для отопления, ГВС а также для технологических процессов.

В составе АХМ нет компрессора, не применяются синтетические хладагенты, порождающие проблему выбора и замены смазочных материалов и защиты атмосферы. Отдельные производители гарантируют 20 лет работы своих АХМ до капитального ремонта.

Недостатки АХМ: агрессивность применяемых бинарных растворов (нейтрализуется с помощью ингибиторов); массивность; необходимость применения в отдельных случаях градирен и появление сопутствующих эксплуатационных проблем.

Для сравнения абсорбционных и парокомпрессионных холодильных машин рассмотрим их экономические показатели для одного варианта применения: технологическому потребителю нужен хладоноситель с температурой tu = +7°C, а требуемая постоянная во времени холодопроизводительность равна 2500 кВт

Стоимость с НДС АХМ в Минске на эти пара-метры с установленной мощностью двигателей 8,7 кВт по укрупнённым показателям составляет400 000 USD. Стоимость градирни с установленной мощностью электродвигателей 53.7 кВт- 175 000 USD.

Принято, что в цикле ПКХМ применён воздушный конденсатор, а холодильный коэффициент её изменяется в интервале 2,5-3. Стоимость ПКХМ, исходя из того, что 1 кВт холодильной мощности машин этого вида на условиях Минска обходится в среднем в 250 USD, составит 625 000 USD.

При температурах ниже 0°С наружный воздух применяется для приготовления хладоносителя с t = +7°С. Расчётная продолжительность стояния температур tH < 0°C для Минска равна 2745 часов в год. Суточная продолжительность работы холодильного оборудования составляет 20 часов или (8760 - 2745) х 20/24 приблизительно 5000 часов в год. Стоимость 1 кВт/ч электроэнергии - 0,1 USD, стоимость 1 Гкал теплоты Ст принята для трёх вариантов: 10, 15 и 20 USD.

Проведена также оценка экономических показателей АХМ с двухступенчатым выпариванием хладагента с помощью сжигания природного газа в котле установки. В расчётах приняты следующие значения основных параметров: £ = 1,39; цена 1000 нм3 газа - 150 USD; его теплота сгорания - 35 МДж/нм3; КПД котла - 0,9.

Результаты расчётов экономических показателей внедрения АХМ и ПКХМ сведены в таблицу.

Приведённые результаты убедительно показывают экономическую целесообразность внедрения АХМ, естественно, в тех случаях, где для этого имеются соответствующие технологические и технические условия. Экономия затрат на оплату энергоресурсов позволяет примерно за три года окупить АХМ. Отметим, что в расчётах не учтены затраты на дополнительную электрическую мощность при новом строительстве.

Экономические показатели абсорбционных холодильных машин могут существенно возрасти в случае использования бросовой теплоты, при увеличении холодильного коэффициента, а также при комбинированном использовании АХМ, т.е. для получения и холода и теплоты.
 
Таблица. Результаты расчётов экономических показателей АХМ и ПКХМ (в USD)