Идеальный цикл абсорбционного теплового насоса.

Идеальный цикл абсорбционного теплового насоса можно представить с помощью комбинации двух диаграмм цикла Карно: диаграммы идеального цикла теплового двигателя и диаграммы идеального цикла охлаждения / теплового насоса. Предполагается, что тепловая энергия, вырабатываемая в цикле теплового двигателя равна тепловой энергии, выбрасываемой в цикле охлаждения / теплового насоса. 
На Рисунке 3 представлена диаграмма температура-энтропия идеального цикла абсорбционной холодильной машины, которая вырабатывает холод (Q₀) на температурном уровне T₀. В этом цикле при подводе теплоты Q₀ температурный уровень поднимается с T₀ на T₁ путем использования эксергии высокотемпературного источника теплоты с температурным  уровнем Т₂.

Суммарная теплота, образовавшаяся в процессе охлаждения  = Q₀ + W выбрасывается на температурном уровне Т₁. Излишняя теплота, образовавшаяся в процессе генерирования энергии этого идеального комбинированного цикла,  = Q₂ – W также выбрасывается в окружающую среду на температурном уровне Т₁. Таким образом, суммарное количество теплоты, выбрасываемое на температурном уровне Т₁, состоит из двух порций:  и .

Этот комбинированный цикл, представленный на рисунке 3, представляет собой теплонасосное устройство, которое приводится в действие только за счет подачи теплоты от внешнего источника. Это идеализированное представление, применимое к любой концепции теплового насоса с тепловым приводом. Примером может служить паровой тепловой компрессор с приводом от двигателя, комбинация паровой электростанции с электрическим паровым тепловым насосом и абсорбционным тепловым насосом. На основе модели, приведенной на рисунке 3, коэффициент энергетической эффективности при нагреве (СОР) определяется как

А коэффициент энергетической эффективности при  охлаждении определяется как: 

В указанных выражениях подстрочный индекс AHP обозначает абсорбционный тепловой насос, а индекс AR обозначает абсорбционный охладитель. Предполагая термодинамическую обратимость, и применив первый и второй законы термодинамики, не принимая в расчет Q₀ или Q₁, где , уравнения энергетической эффективности при нагреве и охлаждении могут быть преобразованы в выражения, которые зависят только от температуры.

Как и в случае парокомпрессионных охладителей и тепловых насосов, отличие теплового насоса и охладителя зависит только от применения, а не от режима работы. Указанные выше уравнения можно преобразовать для абсорбционных систем: 

COP_AR + 1 = COP_AHP

Система, идеальный цикл которой был проанализирован выше, иногда упоминается в литературе как «абсорбционный тепловой насос I типа».

Ограничения фазовых переходов рабочего раствора

Для абсорбционных циклов требуются как минимум два рабочих вещества: сорбент и жидкий хладагент; эти вещества подвергаются фазовым изменениям. Учитывая это ограничение, некоторые комбинации веществ не могут быть применены для реализации абсорбционных циклов.

Первый результат применения ограничений на изменение фазы состоит в том, что различные тепловые потоки принимают известные тождества. Как показано на рисунке 1, изменения фазы хладагента происходят в испарителе и конденсаторе, а фаза сорбента изменяется в абсорбере и десорбере (генераторе). Для прямого цикла абсорбции теплота с самой высокой температурой всегда подается в генератор,

Q_hot ≡ Q_gen

Q_cold ≡ Q_evap

Для обратного цикла абсорбции (также называемого тепловым трансформатором или циклом абсорбции II типа) теплота с наивысшей температурой отводится от абсорбера, а теплота с наименьшей температурой отводится от конденсатора.

Второе ограничение фазовых переходов состоит в том, что для всех известных хладагентов и сорбентов в представляющих интерес диапазонах рабочего давления,

Q_evap ≈ Q_{cond    и}    Q_gen ≈ Q_abs

Эти два соотношения верны, потому что скрытая теплота фазового перехода (пар ↔ конденсированная фаза) является относительно постоянной в том случае, если она находится далеко от критической точки. Таким образом, каждый подвод теплоты в абсорбционном цикле не может быть независимо отрегулирован.

Выражение для COP идеального прямого цикла абсорбции I типа будет выглядеть так:

Равенство выполняется только в том случае, если количество теплоты при каждой температуре можно отрегулировать до конкретных значений, что практически невозможно.

Третий результат применения ограничения изменения фазы состоит в том, что только три из четырех температур T_evap, T_cond, T_gen, и T_abs могут быть выбраны независимо.

Изменение температур в цикле

Одним из важных ограничений при проведении упрощенного анализа производительности абсорбционного цикла является предположение, что количество теплоты в разных точках цикла находится при фиксированных температурах. В большинстве реальных процессов, происходящих в абсорбционном цикле, в различных жидкостях, поставляющих или получающих теплоту, происходит изменение температуры (так называемый «температурный глайд»). Это легче всего описать, сначала рассмотрев ситуации, в которых отсутствует температурный глайд, то есть имеется в виду изотермические теплообменники. Примерами могут служить процессы конденсации или кипения чистых компонентов рабочих тел. Любой явный теплообмен зависит от изменения температуры: например, циркулирующая высокотемпературная жидкость в качестве источника теплоты; охлаждающая вода или воздух, отводящие из цикла излишнюю теплоту; или циркулирующий охлажденный водно-гликолевый раствор, циркулирующий во вторичном контуре охлаждения.

Тем не менее, одним из преимуществ абсорбционных циклов, является тот факт, что они могут максимизировать выгоду от низкотемпературных источников теплоты с высокой степенью температурного глайда. Эта способность проистекает из того факта, что процесс десорбции, по сути, происходит с изменением температуры, и, следовательно, может быть адаптирован к изменениям температуры источника теплоты. Точно так же процесс абсорбции также характеризуется изменением температуры, которое может быть оптимизировано так, чтобы соответствовать изменению температуры теплоносителя контура конденсатора.

Анализ реверсивного цикла с переменными температурами

Анализ цикла, который был представлен выше, основан на предположении, что все процессы теплопередачи происходят при фиксированных температурах. Это предположение делает анализ простым, и полученные модели дают некоторое представление о термодинамике циклов абсорбции. Однако процессы теплопередачи в абсорбционной системе фактически происходят во всех компонентах при изменяющихся температурах. Рабочий раствор при прохождении через компоненты устройства испытывает изменения температуры из-за ряда факторов, включая изменения давления, изменения массовой доли, перегрев и переохлаждение. С точки зрения анализа обратимых процессов желательно определить среднюю температуру, которая может характеризовать процессы теплообмена с переменной температурой. Такой температурой принимают среднюю температуру процесса изменения энтропии, или среднюю энтропийную температуру.

Рассмотрим произвольный процесс теплопередачи, происходящий в некотором диапазоне температур. Простой пример - охлаждение протекающей по трубе горячей воды. Когда энергия передается из системы, температура снижается. Баланс энергии в системе позволяет определить общую скорость передачи тепловой энергии в зависимости от скорости потока и температуры в конечном состоянии. Анализ обратимых процессов, который проводился выше, основан на применении Второго закона термодинамики, который, в свою очередь, подразумевает, что известны значения температуры, при которой происходит теплообмен. Поскольку температура в реальной термодинамической системе является постоянно изменяющейся переменной, то необходимо рассматривать процесс на дифференциальной основе.

Рассмотрим более сложный, но произвольный процесс теплопередачи, показанный для зависимости температуры от кумулятивной скорости теплопередачи на рисунке 4. Накопленная скорость теплопередачи является интегралом теплового потока в области теплообменника с произвольно установленным нулем на одном конце устройства. Общая скорость изменения энтропии, протекающей с теплопередачей, может быть записана как

где скорость теплопередачи, dQ, происходит при температуре T. Температура T соответствует температуре границы системы, выбранной при проведении анализа. Средняя температура, T_sa, или средняя энтропийная температура, может быть определена так, чтобы энтропийный перенос был бы таким же, как если бы весь процесс теплообмена происходил бы при средней температуре. Эта температура определяется как:

Средняя энтропийная температура, определенная в данном уравнении, отражает термодинамическое «качество» теплопередачи, происходящей с переменной температурой. Таким образом средняя энтропийная температура является температурой, которая может быть использована всякий раз, когда процесс с переменной температурой должен анализироваться термодинамически, как если бы это был процесс с постоянной температурой. Эта формулировка сохраняет простоту модели постоянной температуры, что в итоге делает ее применимой к анализу процессов с переменной температурой.

Термин «тепловой насос» относится к технологиям, которые передают теплоту от тела с низкой температурой к телу с высокой температурой. К таким технологиям относятся системы охлаждения, а также системы отопления с помощью теплового насоса. Такой перенос теплоты требует термодинамического ввода либо в виде механической работы или тепловой энергии. Это ясно видно из утверждения Рудольфа Клаузиуса о втором законе термодинамики:

«Теплота сама собой не может переходить от тела холодного к телу горячему». 

Основное отличие данной схемы от схемы парокомпрессионного цикла - это процессы переноса энергии между элементами абсорбционного цикла и окружающей средой. Возможна передача теплоты от среды с низкой температурой к среде с высокой температурой, подавая только тепловую энергию в качестве движущей силы процесса. Устраняя необходимость производства внешней механической работы, требующей затрат электрической энергии, абсорбционный цикл обеспечивает уникальное решение для ряда технологических проблем, связанных с производством холода, например при использовании энергии солнца или водяного пара. Некоторые другие технологии, применяемые в тепловых насосах такие как: адсорбция (твердое вещество / пар), цикл Стирлинга, эжекторное и магнитное охлаждение были разработаны и запатентованы, однако технология абсорбции является наиболее широко применяемой.
Простейший вариант машины с тепловым приводом - это устройство, передающее теплоту при трех уровнях температуры.
Схема такой тепловой машины показана на рисунке 2. В этой схеме тепловая энергия, которая является приводом процесса, обладает движущей мощностью при самом высоком уровне температуры, а устройство может осуществлять (1) охлаждение при самой низкой температуре или (2) нагрев при промежуточной температуре.
Блоки с температурами, обозначенными на рисунке 2 как Th, Tc и Te, представляют собой тепловые граничные условия, с которыми должна взаимодействовать абсорбционная машина.
Самая высокая температура находится вверху, а самая низкая - внизу диаграммы.
Внутри абсорбционной машины температурные уровни обозначаются индексом i. Соотношение между внутренними температурами (с индексом i) и внешними температурами, с которыми взаимодействует машина, определяется процессами теплообмена.
Например, для теплового насоса на рисунке 2 необходимо, чтобы Th было бы больше Thi, поскольку это приведет к передаче тепла в указанном направлении. На каждом уровне температуры теплообмен между абсорбционной машиной и окружающей средой происходит через теплообменник, обозначенные буквой R. Эти диаграммы подчеркивают ключевую роль температуры в понимании технологии абсорбции.

Абсорбционные тепловые насосы представленного типа обычно используются в коммерческих зданиях в качестве водоохлаждающих машин (чиллеров) для систем кондиционирования воздуха. Такими машинами оснащаются тысячи коммерческих зданий по всему миру.

 
Мы рады, если эта статья оказалась для Вас полезной. Обратившись в компанию CENTURY, Вы сможете получить консультацию по вопросам подбора, поставки, обслуживания и целесообразности применения абсорбционных чиллеров и абсорбционных тепловых насосов. Вы также сможете получить цену на АБХМ от производителя и купить абсорбционный чиллер на максимально выгодных для Вас условиях.
   
Связаться с нами можно по телефону +7(495)1087524 или отправить запрос на электронную почту info@century.com.ru.
 

Отправить заявку на подбор Заказать обратный звонок