USE OF ABSORPTION REFRIGERATING MACHINES FOR THE PRODUCTION OF COLD UNDER CURRENT CONDITIONS

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АБСОРБЦИОННЫХ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ХОЛОДА В СОВРЕМЕННЫХ УСЛОВИЯХ

Научная статья

Гринкруг М.С.¹, Зайченко И.В.², Соколова В.С.^3, *

^{1, 2, 3} Комсомольский-на-Амуре государственный университет, Комсомольск-на-Амуре, Россия

* Корреспондирующий автор (sokolova.v.s[at]mail.ru)

Аннотация

Целью исследования является обоснование экономической целесообразности использования абсорбционных холодильных машин для производства холода. В работе проводилось сравнение характеристик парокомпрессионных установок и абсорбционных машин. Была приведена схема абсорбционной тепловой машины и описание ее работы. Рассчитана стоимость 1 кВт·ч холода производимого абсорбционной тепловой машиной для разных видов топлив.

Ключевые слова: абсорбционная холодильная машина, тепловая энергия, производство холода.

USE OF ABSORPTION REFRIGERATING MACHINES FOR THE PRODUCTION OF COLD UNDER CURRENT CONDITIONS

Research article

Grinkrug M.S.¹, Zaichenko I.V.², Sokolova V.S.^3, *

^{1, 2, 3} Komsomolsk-on-Amur State University, Komsomolsk-on-Amur, Russia

* Corresponding author (sokolova.v.s[at]mail.ru)

Abstract

The aim of the study is to justify the economic feasibility of using absorption refrigerating machines for the production of cold. In this paper, we compared the characteristics of vapour compression plants and absorption machines. An outline of the absorption heat engine and a description of its operation were given. The cost of 1 kWh of cold produced by an absorption heat engine for different types of fuels is calculated.

Keywords: absorption refrigerating machine, heat energy, cold production.

Введение

В настоящее время в холодильных машинах и установках для кондиционирования воздуха для производства холода, как правило, используются установки, работающие по парокомпрессионному циклу [4]. Схема такой установки приведена на рисунке 1.

Рис. 1 – Схема парокомпрессионной установки:

1 – компрессор; 2 – конденсатор; 3 – дроссель; 4 – испаритель

 

Рабочее тело сжимается компрессором и попадает в конденсатор, где отдает тепло при высокой температуре и переходит в жидкое состояние. После конденсатора оно направляется в дросселирующее устройство, где его давление уменьшается. Затем рабочее тело поступает  в испаритель, где при переходе в газообразное состояние (испарение), где отбирает тепло от охлаждаемой среды или тел. В качестве рабочего тела в испарителе системах машинах обычно, который представляет собой углеводород, в котором часть атомов водорода замещена системами фтора [2].

Наиболее часто используются фреоны марок 12, 21, 22. Во фреоне марки R-22, который получают из метана, один атом водорода замещается атомом хлора, а два атома водорода - атомами фтора. Такой фреон имеет формулу CHF₂CI, его называют хладоном и он является наиболее широко применяемым хладоном во всем мире.  Фреон марки R-12, этот фреон называют  дифтордихлометан, газ молекулы которого состоят только из молекул этого самого фреона 12 или CF₂CI₂, его температура кипения равна -29,74˚ С . Фреон R-21 с наименованием фтордихлорметан, имеет температуру кипения 8,7 ˚C, и химическую формулу CFCl₂H [7].

Основных недостатков у парокомпрессионных установок для производства холода два:

1) Часто в них в качестве рабочего тела используют фреоны фтор и хлор содержащие соединения органических веществ. Они очень вредно влияют на озоновый слой атмосферы [5].

2) В качестве привода компрессора используют, как правило, электродвигатель.

В ряде районов крайнего севера и Дальнего Востока электроэнергия в населенных пунктах производится на дизельных электростанциях. Цена её высока и достигает 30-80 руб. за кВт час. При этих условиях возникает возможность использования абсорбционных холодильных машин для производства холода [9]. Их применение может оказаться экономически целесообразным.

Схема работы абсорбционной тепловой машины представлена на рисунке 2.

 

Рис. 2 – Структурно-функциональная схема абсорбционного цикла

 

Она работает следующим образом. Смесь вода-хладагент кипит в испарителе в условиях пониженного давления при пониженной температуре. Далее  хладагент подается на поверхность труб, по которым циркулирует охлаждаемый воздух температурой. При этом происходит кипение хладагента, что позволяет отнимать теплоту от труб с воздухом, тем самым подавая охлажденный воздух потребителю. Чтобы поддерживать давление в испарителе необходимо удалять пар, образовавшийся в процессе кипения хладагента. Данную функцию исполняет абсорбер. В абсорбере происходит поглощение пара хладагента, раствором, который обладает высоким абсорбирующим свойством, увеличивающегося при понижении температуры раствора. В абсорбере раствор, подаваемый из генератора, понижает свою концентрацию, поглощая пары хладагента. Процесс абсорбции является реакцией с выделением теплоты, которая отводится охлаждающей средой.  Далее слабый раствор проходит через теплообменник и повышает свою температуру за счет теплообмена  с концентрированным раствором, поставляемым генератором. В генераторе, путём подвода тепловой энергии греющего источника, происходит выпаривание воды из слабого раствора хладагента, который за счет этого становится концентрированным и снова направляется в абсорбер.  Из генератора в конденсатор поступает водяной пар, где конденсируется посредством отвода теплоты конденсации к охлаждающей среде. Сконденсировавшийся из водяных паров хладагент снова поступает в испаритель. Затем цикл повторяется заново [1].

В качестве рабочей среды в абсорбционных тепловых машинах чаще всего используют водные растворы бромистого лития или аммиака [8].

Абсорбционные машины имеют только два недостатка:

1. Они не могут работать при температуре существенно ниже нуля из за замерзания воды.
2. Пониженный по сравнению с парокомпрессионными холодильными машинами холодильный коэффициент, а следовательно, меньшая экономичность рассчитанная на первичной энергии.

Однако стоимость первичной энергии может быть различна в разных условиях.

Для парокомпрессионной холодильной машин это стоимость электроэнергии, которая в автономных системах электроснабжения может быть очень высокой. Для абсорбционных тепловых машин первичная энергия является тепловой энергией и её стоимость может быть достаточно низкой. В этих условиях абсорбционные холодильные машины могут иметь преимущество при выработке холода в виде более низкой его стоимости.

В результате сравнительного анализа парокомпрессионных установок и абсорбционных машин было выявлено, что парокомпрессионные машины имеют наивысшие экономические характеристики, а мерой совершенства холодильных машин служит холодильный коэффициент равный отношению количества произведенного холода к затраченной на это работе. Для компрессионных машин он составляет 3 - 3,5.  Существенным является то, что источником энергии для абсорбционной холодильной машины является тепловая энергия. Движущихся частей приводимых от двигателей он не имеет.  Холодильный коэффициент для таких машин рассчитывается как количество произведенного холода, отнесенное к потребленной тепловой энергии. Для одноступенчатых машин холодильный коэффициент  составляет примерно 0,6 , а для многоступенчатых может достигать 1,2 – 1,3 [3,10].

Рассмотрим экономическую целесообразность применения абсорбционных холодильных машин  для производства холода в населенных пунктах с автономными системами электроснабжения.

Стоимость 1 кВт часа холода для компрессионной установки составит

8,6-26,7 руб. При использовании абсорбционной машины в качестве топлива можно применить низкооктановый бензин, керосин, дизельное топливо и газ. Их цена составляет 40-50 руб./л. при плотности (0,70-0,8-1)*10³ кг/м³ .

Теплотворная способность этих топлив составляет (42, 40,8, 42,7) 10⁶ Дж/кг и 33,5 мДж на 1 м³ для газа [6].

При этих условиях с учетом коэффициента полезного действия горелки равного 0.95 была рассчитана стоимость 1 кВт часа холода для одноступенчатой абсорбционной машины. Результаты расчетов приведены в таблице 1.

 

Таблица 1 – Стоимость 1 кВт·ч холода производимого абсорбционной тепловой машиной для разных видов топлив

	Бензин А 80	Газ природный	Керосин	Дизельное топливо
Объем	1 л	1 м3	кг	1 л
Масса	0,7 кг	-	кг	1 кг
Стоимость, руб.	40,00	6	47	50
Полученное тепло, мДж	29,4	33,5	40,8	42,7
С учетом кпд	28	31,8	38,8	40,6
Количество холода, кВт·ч Кф=0,6	4,67	5,3	5,47	6,8
Стоимость, 1 кВт ч. холод/руб.	8,57	1,13	8,59	7,35

 

Заключение

Проанализировав результаты расчета, следует сделать следующие выводы.

1) Из приведенного расчета видно, что применение абсорбционных холодильных машин в населенных пунктах с автономными источниками электроснабжения является экономически целесообразным решением, а при использовании двухступенчатой системы охлаждения еще и экономически выгодным по сравнению с парокомпрессионными установками.

2) Использование в качестве топлива природного газа дает существенную экономию затрат на производство холода при применении даже одноступенчатой схемы.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Cписок литературы / References

1. АБХМ на газе и дизеле // ABXM-THERMAX.RU : сайт ООО «Энергия холода» официальный представитель Thermax. 2016. URL: http://abxm-thermax.ru/abxm/abxm-na-gaze-i-dizele/ (дата обращения 29.04.2018).
2. Бабакин, Б. С. Альтернативные хладагенты и сервис холодильных систем на их основе / Б.С. Бабакин, В.И. Стефанчук, Е.Е. Ковтунов. – М.: Колос, 2000. – 160 с.: ил.
3. Вычужанин, В. В. Научно-технические основы повышения эффективности функционирования абсорбционных холодильных машин / В. В. Вычужанин // Вестник Одеского национального морского университета. – 2010. - № 31. – С. 94-115.
4. Кротов, А.С. Исследование динамических характеристик парокомпрессионных холодильных машин на многокомпонентных смесях хладагентов: дис. канд. техн. наук: 05.04.03. - М., 2011. - 178 с.
5. Монреальский протокол по веществам разрушающим озоновый слой // UN.ORG : URL: http://www.un.org/ru/documents/decl_conv/conventions/pdf/ montreal.pdf (дата обращения: 14.03.2019)
6. Нащокин, В.В. Техническая термодинамика и теплопередача: Учебное пособие для неэнергетических специальностей вузов / В.В Нащокин // М. : «Высшая школа», 1975. – 496 с.
7. Никитин А.А. Хладагенты и хладоносители систем кондиционирования воздуха / А.А. Никитин, Т.В. Рябова, А.В. Василенок, В. А. Павловская // «Холодильная техника и кондиционирование». Научный журнал НИО ИТМО. – 2015. - № 3. – С 7-12.
8. Розенфельд, Л. Диаграмма концентрация – энтальпия раствора бромистый литий-вода для расчета абсорбционных холодильных машин / Л. Розенфельд // Холодильная техника. – 1995. - № 3. – С. 37-45.
9. Соколова, В. С. Применение и проблемы распространения абсорбционных холодильных машин / В. С. Соколова, И. В. Зайченко //Производственные технологии будущего: от создания к внедрению материалы международной научно-практической конференции, г. Комсомольск-на-Амуре, 29-30 сентября 2017 г. / редкол.: С.В. Белых (отв. ред.) [ и др.]. – Комсомольск-на-Амуре: ФГБОУ ВО «КнАГУ», 2017. – С 135-137.
10. Шмуйлов, Н.Г. Исследование абсорбционных бромистолитиевых холодильных машин АБХА-2500 в Ленинградском объединении «Светлана»/ Н.Г. Шмуйлов, Ю.А. Вольных, JIM. Розенфельд и др. // Холодильная техника. – 2013. – №12. –С. 7-12.

Список литературы на английском языке / References in English

1. ABKhM na gaze i dizele [ABHM Gas and Diesel] // ABHM-THERMAX.RU : Energy Cold Ltd. website official representative Thermax. 2016. URL: http://abxm-thermax.ru/abxm/abxm-na-gaze-i-dizele/ (accessed: 29.04.2018). [In Russian]
2. Babakin B. S. Alternativnye khladagenty i servis kholodilnykh sistem na ikh osnove [Alternative Refrigerants and Refrigerating Systems Based on Them] / B.S. Babakin, V.I. Stefanchuk, E.E. Kovtunov. – M.: Kolos, 2000. – 160 p., Ill. [In Russian]
3. Vychuzhanin V. V. Nauchno-tekhnicheskie osnovy povysheniya effektivnosti funktsionirovaniya absorbtsionnykh kholodilnykh mashin [Scientific and Technical Basis for Improving the Efficiency of Absorption Refrigerating Machines] / V. Vyuzhuzhanin // Vestnik Odeskogo natsional'nogo morskogo universiteta [Bulletin of the Odessa National Maritime University. – 2 10. – No.31. – P. 94-115. [In Russian]
4. Krotov A.S. Issledovanie dinamicheskikh kharakteristik parokompressionnykh kholodilnykh mashin na mnogokomponentnykh smesyakh khladagentov: dis. kand. tehn. nauk: 05.04.03. [Study of Dynamic Characteristics of Vapour Compression Refrigerators on Multi-component Mixtures of Refrigerants: Abstract Thesis of PhD in Engineering: 05.04.03] – M., 2011. – 178 p.
5. Monrealskii protokol po veshchestvam razrushayushchim ozonovyi sloi [Montreal Protocol on Substances that Deplete the Ozone Layer] // UN.ORG: URL: http://www.un.org/ru/documents/decl_conv/conventions/pdf/montreal.pdf (accessed: 14.03.2019) [In Russian]
6. Nashchokin V.V. Tehnicheskaya termodinamika i teploperedacha: Uchebnoe posobie dlya neenergeticheskikh spetsialnostey vuzov [Technical Thermodynamics and Heat Transfer: Manual for Non-energy Specialties of Universities] / V.V. Nashchokin // M.: «Vysshaya shkola», 1975. – 496 p. [In Russian]
7. Nikitin A.A. Khladagenty i khladonositeli sistem konditsionirovaniya vozdukha [Refrigerants and Cooling Agents for Air Conditioning Systems] / A.A. Nikitin, T.V. Ryabova, A.V. Vasilenok, V. A. Pavlovskaya // «Kholodil'naya tekhnika i konditsionirovaniye». Nauchnyy zhurnal NIO ITMO. [“Refrigeration and Air Conditioning.” Scientific Journal Research Institution ITMO.] – 2015. – No.3. – P. 7-12. [In Russian]
8. Rosenfeld L. Diagramma kontsentratsiya – entalpiya rastvora bromistyi litii-voda dlya rascheta absorbtsionnykh kholodilnykh mashin [Concentration Chart - Enthalpy of Lithium Bromide-Water Solution for Calculation of Absorption Chillers] / L. Rosenfeld // Kholodil'naya tekhnika [Refrigeration]. – 1995. – No.3. – P. 37-45. [In Russian]
9. Sokolova V. S. Primenenie i problemy rasprostraneniya absorbtsionnykh kholodilnykh mashin [Application and Problems of Distribution of Absorption Refrigerating Machines] / V.S. Sokolova, I.V. Zaichenko // Proizvodstvennyye tekhnologii budushchego: ot sozdaniya k vnedreniyu materialy mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii, g. Komsomol'sk-na-Amure [Production Technologies of the Future: from the Creation to the Introduction of Materials of the International Research to Practice Conference, Komsomolsk-on-Amur], September 29-30, 2017 / Editors: S.V. Belykh (resp. ed.) [et al.]. – Komsomolsk-on-Amur: FSBEI of Higher Education “KnASU,” 2017. – P. 135-137. [In Russian]
10. Shmuylov N.G. Issledovanie absorbtsionnykh bromistolitievykh kholodilnykh mashin ABHA-2500 v Leningradskom obyedinenii «Svetlana» [Study of Absorption Bromole-lithium Refrigerating Machines ABHA-2500 in the Leningrad Association “Svetlana”]/ N.G. Shmuylov, Yu.A. Volnykh, JIM. Rosenfeld et al. // Kholodil'naya tekhnika [Refrigeration]. – 2013. – No.12. – P. 7-12. [In Russian]