Абсорбционный принцип охлаждения был известен давно, исторически он даже старше компрессионного. Однако построить на этом принципе непрерывно работающую и не требующую для этого механических насосов или компрессоров установку никак не удавалось. Да и сама задача на первый взгляд вообще казалась неразрешимой. Действительно, поскольку абсорбер связан с испарителем, давление в нем должно быть низким, иначе не будет низкой температуры испарения; с другой стороны, в генераторе, сообщающемся с конденсатором, давление должно быть высоким, иначе хладагент конденсироваться не будет.

Шведские изобретатели Платен и Мунтерс решили эту задачу чрезвычайно остроумно и красиво. Помимо обычных для абсорбционных холодильных систем воды и аммиака, они ввели в свой аппарат водород. Согласно закону Дальтона, давление газовой смеси равно сумме парциальных давлений ее компонентов, т.е. давлений, которые каждая из газовых составляющих имела бы, если бы она занимала весь доступный для смеси объем.

В холодильном контуре Платепа и Мунтерса нет ни вентилей, ни перегородок, так что суммарное давление всюду одинаковое, но парциальное давление водорода значительно выше в испарителе и абсорбере, куда он изгоняется из прогреваемого генератора. В результате этого при общем суммарном давлении 14-16 атм. давление паров аммиака в испарителе может составлять 2-3 атм. Таким образом, водород автоматически и не хуже вентилей устанавливает необходимое распределение давлений в холодильном контуре.

Понятно, что в такой системе, где суммарное давление всюду постоянно, ни компрессор, ни регулировочный вентиль не требуются. Но как же, может спросить читатель, осуществляется в этом холодильнике непрерывная циркуляция хладагента, ведь насоса нет, а "игра" на разностях уровней ничего лучшего, чем одноразовый перелив, дать не способна? И эту трудность шведские изобретатели преодолели не без остроумия. В их схеме обедненный раствор перетекает из генератора (1) в абсорбер (7) просто потому, что уровень жидкости в последнем немного ниже. Из абсорбера же в генератор крепкий раствор перекачивается нехитрым устройством, называемым термосифоном. Этот термосифон представляет собой соединяющую дно абсорбера с верхней частью генератора узкую трубку, находящуюся в тепловом контакте с нагревателем генератора.

Прогрев трубки сопровождается возникновением в ней газовых (аммиачных) пузырьков, жидкость как бы становится легче и поэтому поднимается выше, чем ей предписывает закон сообщающихся сосудов. Так без механических средств осуществляется перелив с более низкого уровня на более высокий.

Суммарные давления в испарителе и конденсаторе – одинаковые, а парциальные давления аммиака разные, за счет подмешивания водорода к парам аммиака в испарителе, поэтому аммиак испаряется (не кипит) в испарителе при низкой температуре, как вода на воздухе (при температуре соответствующей не общему давлению смеси, а парциальному давлению паров кипящей жидкости).

Схема бытового абсорбционного безнасосного холодильника:

1 – генератор-кипятильник; 2 – дефлегматор; 3 – конденсатор; 4 – испаритель; 5 – газовый теплообменник; 6 – бачок абсорбера; 7 – абсорбер; 8 – жидкостный теплообменник; 9 – термосифон; 10 – бачок для водорода; 11 – электронагреватель

Рабочий агент - NH₃, абсорбент – вода, диффузионная среда Н₂.

Охлаждающей средой в конденсаторе (3), абсорбере (7) и дефлегматоре (2) служит воздух, омывающий эти аппараты снаружи. Теплоотдача происходит в условиях свободной конвекции.

В качестве греющего источника используется электрическая энергия.

Суммарное давление во всей системе 1,4-1,6 МПа (35-40°С), а в испарителе – парциальное давление NH₃ (0,3-0,4) МПа (-10 или -5) °С. Низкий КПД из-за потерь эксергии на нагревателе.

Рабочая схема:

Крепкий раствор из ресивера абсорбера (6) поступает в теплообменник раствора (8), где он подогревается проходящим противотоком к нему слабым раствором направляющегося из генератора (1) в абсорбер (7).

Подогретый крепкий раствор поступает в термосифон (9), к нему подводиться тепло от электронагревателя (11).

В термосифоне раствор частично вскипает и в виде эмульсии подается в генератор (1), где продолжается кипение раствора за счет подвода тепла.

Из генератора пары аммиака с некоторой примесью абсорбента (воды) поступает в дефлегматор (2), где благодаря внешнему охлаждению происходит частичное выделение флегмы и обогащение паров рабочим агентом (NH₃).

После дефлегматора (2) пары NH₃ (чистый аммиак при давлении 1,6 МПа) поступают в конденсатор (3), где за счет внешнего охлаждения пары конденсируются.

Если в конденсатор попадает Н_2, он там точно не может сконденсироваться, тогда Н₂ отводиться в бачок водорода (10).

Из конденсатор NH₃ в жидком виде попадает в охладитель (5), где он дополнительно охлаждается в результате теплообмена с холодными парами после испарителя (4).

Охлажденный конденсат NH₃ поступает в испаритель (4), в котором находящаяся смесь паров NH₃ и водорода Н₂ под общим давлением 1,4-1,6 МПа. Жидкий NH₃ течет по змеевику снизу, а водород двигается сверху. В результате этого NH₃ испаряется и доля NH₃ в парообразном виде составляет 20%, а водорода 80%.

Парциальное давление NH₃ в такой смеси составляет 0,3-0,4 МПа. В результате резкого падения давления аммиак в испарителе вскипает. Температура его кипения устанавливается в соответствии с его парциальным давлением.

В результате подвода тепла к испарителю от охлаждаемой среды жидкий NH₃ испаряется. Пары NH₃ смешиваются в испарителе с водородом, поступающим в испаритель из верхней точки абсорбера через охладитель (5)

Смесь паров NH₃ и Н₂ отводиться из испарителя через охладитель (5) в абсорбер (7).

Одновременно в абсорбер (7) поступает из генератора (1) слабый раствор, предварительно охлажденный в теплообменнике (8).

В абсорбере (7) пары NH₃ поглощаются слабым раствором. Теплота абсорбции отводиться через развитую внешнюю поверхность абсорбера.

Жидкий крепкий раствор поступает в ресивер абсорбера (6), а водород отводиться из верхней точки абсорбера через охладитель (5) и испаритель (4).

Применение:

Холодильник Платена и Мунтерса имел огромный успех. Действительно, аппарат производил впечатление чуда: он мог работать и без электроэнергии (от газовой горелки, горячей воды или солнечного тепла), он был совершенно бесшумным, в нем не было никаких движущихся частей, а значит, не требовались ни смазка, ни другой уход.

В свое время такие холодильники серийно производятся во многих странах, причем надо сказать, что исключительно удачная схема шведских изобретателей не претерпела сколько-нибудь существенных изменений. К абсорбционному типу принадлежат хорошо известные отечественные холодильники "Север-6", "Дон-3", малогабаритный "Морозко" и др.

Пароэжекторная ХМ.

По принципу работы – тоже парокомпрессионная, но без компрессора. Можно просто создать разряжение над водой (с помощью вакуум насоса) и вода будет кипеть при низкой температуре.

Рабочее тело вода и водяной пар

Теплота парообразования при давлении 1 кПа составляет 2480 кДж/кг.

Но придется очень сильно сжимать пар, например от 1 кПа до 100 кПа (в 100 раз) – чтобы выбросить пар в атмосферу, но работа сжатия будет очень большая, а можно всего до 6 кПа, а дальше – конденсатор, охлаждаемый водой с температурой окружающей среды. Из конденсатора для поддержания в нем разряжения придется только откачивать воздух, который может попадать из атмосферы в сосуды с пониженным давлением, как в обычном конденсаторе паровой турбины.

Вместо компрессора используется струйный компрессор – паровой эжектор.

Используют такие машины только когда есть сбросной пар низких параметров (Рр=0,47 МПа, tпара=150°С). Много проблем при эксплуатации, так как нужно поддерживать глубокий вакуум.

1 кПа – 8°С. 6 кПа – 36 °С. 10 кПа – 46 °С. 0°С – 0,6 кПа.

Принцип действия:

Рабочая вода, нагретая у потребителя, через запорный клапан (1) поступает в испаритель (2).

В испарителе в следствии непрерывного отсоса главным эжектором (3) образующегося пара поддерживается давление насыщения, соответствующее температуре выходящей воды из испарителя (2) рабочей воды.

Небольшая часть рабочей воды испаряется, отнимая теплоту испарения от основной массы воды, циркулирующей через испаритель, благодаря чему вода охлаждается.

Из испарителя охлажденная вода откачивается центробежным насосом (4) и подается к потребителям на нужды кондиционирования.

Рабочий пар поступает в редукционный клапан (5), где давление пара снижается до требуемой величины и далее через клапан (6) поступает к соплам главных эжекторов.

Проходя через сопло, рабочий пар расширяется до давления несколько меньше требуемого давления насыщения в испарителе. Благодаря этому из испарителя в приемную камеру главного эжектора отсасывается холодный пар, который затем, смешиваясь с паром, вышедшим из сопла, поступает в главный конденсатор (7).

Смесь холодного и рабочего пара конденсируется, отдавая теплоту конденсации охлаждающей воде, циркулирующую через трубки главного конденсатора.

Конденсат образующийся в главном конденсаторе, откачивается конденсатным насосом (8) и через невозвратно-запорный клапан (9) нагнетается в конденсатную систему.

Часть конденсата, необходимая для компенсации испарившейся рабочей воды, поступает через электромагнитный клапан и поплавковый регулятор уровня (10) в испаритель.

Так как в пароводяной эжекторной машине все основные аппараты – испаритель, главный конденсатор и так далее работают под давлением ниже атмосферного, неминуемо происходят присосы воздуха через неплотности.

Для поддержания в аппарате заданных давлений необходимо непрерывно отсасывать воздух из системы.

Из испарителя вместе с холодным паром главный эжектор отсасывает воздух.

Отсос воздуха из главного конденсатор с выбросом в атмосферу осуществляется вспомогательными эжекторами в две ступени.

Необходимость двух ступеней объясняется тем, что воздух отсасывается со степенью сжатия 15-30, что не может быть обеспечено одним эжектором.

Вместе с воздухом эжекторы первой и второй ступени отсасывают и некоторое количество пара.

Паровоздушная смесь из эжектора первой ступени (11) поступает в конденсатор первой ступени (14) где пар конденсируется, а освободившийся воздух из конденсатора первой ступени отсасывается эжектором второй ступени (13), из конденсатора второй ступени воздух выбрасывается в атмосферу.

В конденсаторе второй ступени давление несколько больше атмосферного, в конденсаторе первой ступени давление промежуточное.

Конденсат, образующийся в конденсаторе второй ступени, через перепускной клапан (15) поступает в конденсатор первой ступени.

Конденсат из конденсатора первой ступени под влиянием разности давлений через клапан (16) перетекает в главный конденсатор.

Применение эжектора в парокомпрессионной машине:

Пар здесь подают не из котла, а из компрессора верхней ступени. И это не обязательно вода в качестве рабочего тела. Не нужно ставить второй компрессор, хотя производительность компрессора верхней ступени придется существенно увеличить.

Газовый ХМ

Холодильные машины, весь термодинамический цикл которых совершается в области сильно перегретого пара – газа, называют газовыми холодильными машинами.

Начать со сжатия и расширения газа – сразу туда – сюда без толку, а если подождать пока остынет до окружающей среды – получим холодильник. Можно просто расширить атмосферный воздух, но потом придется все равно сжать. Расширение при понижении давления – основа ГХМ.

Газ поступает в компрессор с температурой Т1 и давлением Р1 и сжимается в процессе (1–2) до давления Р2. При этом его температура повышается до Т2. Затем газ поступает в охладитель, где от него отводится теплота и он охлаждается до температуры Т3. Затем газ направляется в детандер, где в процессе расширения (3–4) его температура снижается до Т4, а давление до Р4. После этого холодный газ поступает в ТА, где к нему подводится теплота от источника низкой температуры в процессе (4–1). Температура газа повышается до Т1 и он снова направляется на всасывание компрессора.

Во всех газовых холодильных машинах применяется только расширение с отдачей внешней работы. Для этого используется детандеры, внешняя работа которых передается компрессору.

Затраты работы в цикле ГХМ:

Считая, что теплоемкость газа  постоянной, а также исходя из того, что:

получаем:

Холодильный коэффициент ГХМ:

Найдем зависимость  от  и :

Так как при адиабатном процессе:

поэтому: