4. Absorpcyjne urządzenia chłodnicze

MGR INŻ. ZYGMUNT STAROWICZ

4.1. Zasady działania absorpcyjnych urządzeń chłodniczych

Nazwa chłodziarek absorpcyjnych bierze się stąd, że zamiast odsysania pary z parownika przez sprężarkę wykorzystuje się do tego celu proces absorpcji. Absorpcja jest pochłanianiem pary przez ciecz, zwaną z tego powodu pochłaniaczem lub absorbentem. W procesie uczestniczy cała masa cieczy, nie tylko jej warstwa powierzchniowa.

Najczęściej stosowanym czynnikiem chłodniczym w chłodziarkach absorpcyjnych jest amoniak, a pochłaniaczem - woda. Zdolność pochłaniania amoniaku przez wodę zależy od temperatury i ciśnienia. Im niższa jest temperatura wody, tym więcej może pochłonąć amoniaku. Wzrost ciśnienia również zwiększa tę zdolność.

Działanie chłodziarki absorpcyjnej zostanie wyjaśnione na schemacie najprostszego urządzenia tego typu (rys.4.1).

Rysunek 4.1. Schemat działania absorpcyjnego urządzenia chłodniczego o ruchu nieciągłym; 1 - zbiornik amoniaku, 2 - zawór rozprężny, 3 - parownik, 4 - absorber

Zbiornik 1 zawiera amoniak pod ciśnieniem. Ze zbiornika 1 ciekły amoniak dopływa do zaworu rozprężnego 2 umieszczonego na wlocie do parownika 3, w którym ciekły amoniak paruje przy niskim ciśnieniu i niskiej temperaturze, dzięki czemu następuje chłodzenie. Para powstająca w paro­wniku nie jest odsysana przez sprężarkę, jak w chłodziarkach sprężarkowych, lecz płynie do zbiornika - absorbera wypełnionego początkowo wodą, która po rozpuszczeniu amoniaku zamienia się na roztwór. Absorbowanie amonia­ku odbywa się tak szybko, że w zupełności zastępuje odsysanie przez sprężarkę. Urządzenie to nie może działać w sposób ciągły, bo po pewnym czasie albo wyczerpie się amoniak w zbiorniku 1, albo też nasycenie wody w zbiorniku 4 tak znacznie wzrośnie, że ustanie proces absorpcji, a zatem ustanie również chłodzenie. Aby chłodziarka mogła nadal pracować, należy z powrotem wydzielić amoniak z roztworu zawartego w absorberze i do­prowadzić do zbiornika 1.

Wydzielanie amoniaku z roztworu, czyli desorpcja, odbywa się przez ogrzewanie roztworu. W miarę bowiem podwyższania temperatury przy danym ciśnieniu, zawartość amoniaku w roztworze maleje; np. przy ciśnieniu atmosferycznym i temperaturze 30°C wynosi 28,5%, natomiast przy temperaturze 100°C - 0%.

Zbiornik, w którym odbywa się desorpcja, nazywa się warnikiem lub desorberem. Na rysunku 4.1 zbiornik 4 jest absorberem, gdyby jednak podgrzano ten zbiornik w celu wydzielenia amoniaku, wówczas spełniałby rolę warnika (desorbera).

Uproszczony schemat urządzenia absorpcyjnego, mogącego pracować nieprzerwanie, został pokazany na rys.4.2.

Rysunek 4.2. Schemat działania absorpcyjnego urządzenia chłodniczego o ruchu ciągłym

Aby ułatwić porównanie urządzenia absorpcyjnego ze sprężarkowym, dorysowano linią przerywaną sprężarkę oraz poprowadzono linię podziału na stronę niskiego i wysokiego ciśnienia. Jak widać z rysunku, sprężarkę zastępują absorber i warnik oraz elementy z nim związane. Pozostałe elementy, jak skraplacz, zbiornik ciekłego czynnika i parownik, są jednakowe w obu typach urządzeń chłodniczych. Działanie tego urządzenia absorpcyjnego rozważymy, poczynając od zaworu rozprężnego. Po minięciu tego zaworu amoniak paruje w parowniku pod niskim ciśnieniem, wskutek czego temperatura parowania jest niska i paro­wnik chłodzi środowisko, w którym został umieszczony. Niskie ciśnienie jest utrzymywane dzięki szybkiemu pochłanianiu pary powstającej w parowniku przez ciecz znajdującą się w absorberze. Cieczą tą w chwili pierwszego uruchomienia jest woda, a po rozpuszczeniu w niej amoniaku - roztwór amo­niakalny. Dopływ pary do absorbera jest ciągły. Aby nie dopuścić do nad­miernej zawartości amoniaku w roztworze, czyli do nadmiernego stężenia, które grozi zatrzymaniem urządzenia, bogaty roztwór jest stale odpompowywany z absorbera do warnika. Na to miejsce dopływa z warnika do absorbera roztwór ubogi, tj. roztwór, z którego wydzielono większą część amoniaku.

Warnik jest umieszczony po stronie wysokiego ciśnienia, wobec czego, dla pokonania różnicy ciśnień między absorberem a warnikiem, konieczne jest stosowanie pompy. Przepływ ubogiego roztworu z warnika do absorbera odbywa się bez pompy dzięki różnicy ciśnień. Aby jednak nie dopuścić do wyrównania tych ciśnień, konieczne jest umieszczenie zaworu dławiącego na przewodzie łączącym warnik z absorberem.

Warnik jest podgrzewany najczęściej przez parę grzewczą płynącą przez wężownicę zanurzoną w warniku. Dzięki temu z doprowadzonego roztworu wydziela się duża część amoniaku i pozostaje ubogi roztwór, który jako cięższy płynie do dna zbiornika, skąd jest odprowadzany do absorbera. Stężenie ubogiego roztworu, powracającego do absorbera, re­guluje się ilością ciepła doprowadzanego do warnika. Para amoniaku wydzielona w warniku płynie do skraplacza, gdzie następuje skroplenie i skąd ciekły amoniak dopływa do zaworu rozprężnego.

Na omawianym schemacie nie pokazano, że absorber jest chłodzony, a warnik ogrzewany. Ubogi roztwór płynący do absorbera powinien być jak najchłodniejszy, gdyż wtedy ma większą zdolność absorbowania, bogaty roz­twór natomiast powinien być cieplejszy, aby obniżyć koszty ogrzewania warnika. Zwykle między warnikiem a absorberem umieszcza się wymiennik ciepła, w którym roztwór ubogi oddaje część ciepła roztworowi bogatemu. Dzięki temu warnik zużywa mniej ciepła, absorber zaś - mniej wody chłodzącej.

Oprócz wymiennika ciepła dodatkowymi elementami urządzenia absorp­cyjnego są: rektyfikator, którego zainstalowanie ma na celu stężenie pary amoniaku opuszczającej warnik, ponieważ zawiera ona nieco pary wodnej, oraz deflegmator będący wymiennikiem ciepła, w którym są wykraplane resztki wilgoci.

Absorpcyjne urządzenia chłodnicze uzupełnione wymiennikiem ciepła, rektyfikatorem i deflegmatorem jest pokazane na rys.4.3.

Rysunek 4.3. Schemat przemysłowego absorpcyjnego urządzenia chłodniczego

Urządzenia absorpcyjne są stosowane w przemyśle wówczas, gdy rozporządza się tanim źródłem ciepła potrzebnego do ogrzewania warnika.

Oprócz amoniaku i wody są stosowane również inne ciecze. Na przykład do klimatyzacji, która wymaga temperatury parowania powyżej 0°C, jako czynnik chłodniczy jest stosowana woda, a jako pochłaniacz (absorbent) - roztwór bromku litu.

4.2. Absorpcyjna chłodziarka domowa

W celu osiągnięcia wysokiej niezawodności pracy domowe chłodziarki absorpcyjne nie mają żadnych części ruchomych, gdyż pracują bez pompy, której zadaniem jest pokonywanie różnicy ciśnień między absorberem a warnikiem przy doprowadzaniu roztworu do warnika. Aby to uzyskać bez zastosowania pompy, zostały opracowane urządzenia absorpcyjne, w których wszędzie panuje jednakowe ciśnienie. Uzyskano to w sposób niezmiernie prosty, mianowicie dodano na stronie parowania wodór nie biorący udziału w chłodzeniu, lecz tylko podnoszący ciśnienie, aby stało się równe ciśnieniu na stronie skraplania. Przez wyrównanie ciśnień za pomocą wodoru nie wzrosło ciśnienie i temperatura parowania amoniaku. Z prawa Daltona (p.1.2.8) wynika, że dwa gazy znajdujące się w jakimś zbiorniku zachowują się tak, jakby każdy z nich sam wypełniał cały zbiornik. A zatem chociaż ciśnienie całkowite równa się sumie ciśnień cząstkowych obu gazów, to temperatura parowania amoniaku odpowiada jego ciśnieniu cząstkowemu, tj. takiemu, jakie panowało przed dodaniem wodoru. Według zasady wyrów­nania ciśnień za pomocą wodoru została zbudowana chłodziarka absorpcyjna Zakładów Zmechanizowanego Sprzętu Domowego „Polar" we Wrocławiu (rys.4.4).

Rysunek 4.4. Schemat działania absorpcyjnego agregatu firmy Polar we Wrocławiu;

1 - zbiornik roztworu bogatego, 2 - wymiennik ciepła cieczy, 3 - rurka termosyfonowa,

4 - rura warnika, 5 - deflegmator, 6 - skraplacz, 7 - rurka amoniakalna, 8 - parownik,

9 - rura zewnętrzna wymiennika ciepła gazów, 10 - rura wodorowa, // - wymiennik ciepła gazów, 12 - absorber, 13 - rurka roztworu ubogiego, 14 - grzałka elektryczna,

15 - kominek, 16 - palnik gazowy, 17 - dysza palnika, 18 - rurka wyrównawcza

Głównymi częściami składowymi tej chłodziarki są: warnik, skraplacz, parownik i absorber. Można rozróżnić w niej trzy obiegi:

1) obieg amoniaku odbywający się w warniku, skraplaczu, parowniku i absorberze; amoniak występuje przy tym zarówno w fazie ciekłej, jak i parowej;

2) obieg wodoru gazowego - w parowniku i absorberze;

3) obieg ciekłego roztworu wody i amoniaku - w warniku i absorberze.

Rury, w których odbywają się te obiegi tworzą znane nam z fizyki naczynia połączone cieczy lub gazu. Ruch cieczy w takich rurach odbywa się na skutek różnicy poziomów, natomiast gazu - na skutek różnicy gęstości (ciężarów właściwych). W celu wywołania obiegów trzeba doprowadzić ciepło, którego źródłem jest najczęściej grzałka elektryczna lub palnik gazowy.

Agregat absorpcyjny po zmontowaniu jest napełniany w wytwórni wodnym roztworem amoniaku (NH₃). Do tego roztworu dodaje się środek przeciwdziałający korozji, tzw. inhibitor korozji, którym jest chromian sodu (Na₂CrO₄) zabarwiający roztwór na żółto, oraz doładowuje się wodór do ciśnienia 19 bar.

Opis działania rozpoczniemy od zbiornika 1, z którego bogaty roztwór (35%) o temperaturze 8 K powyżej temperatury otoczenia przepływa przez zewnętrzną rurę wymiennika ciepła cieczy 2 do rurki termosyfonu 3. Poziom w tej rurce ustala się na tej samej wysokości co w zbiorniku 1, a więc w odległości a od wlotu do rurki termosyfonu 3, wynoszącej 45 mm. Po włączeniu grzałki elektrycznej lub zapaleniu palnika gazowego ciepło przepływa z wrzącego ubogiego roztworu w zewnętrznej rurze warnika 4 do rurki termosyfonu i tu następuje podgrzanie bogatego roztworu do temperatury wrzenia. Rurka termosyfonu na średnicę zaledwie 3,4 mm, wobec czego pęcherze pary wypychają do góry roztwór bogaty. W ten spo­sób roztwór ten dopływający do zbiornika 1 zostaje przepompowany do zewnętrznej rury warnika 4. Pary amoniaku i wody wydzielone w warniku płyną do góry do deflegmatora 5, w którym wykrapla się woda spływająca z powrotem do warnika 4, para amoniaku zaś płynie do użebrowanego skraplacza 6.

Po odparowaniu amoniaku w warniku powstaje ubogi roztwór zawierają­cy ok. 12% amoniaku. Wskutek nagrzania ma on mniejszą gęstość niż roztwór w rurze 13, z którą warnik jest połączony. Ta różnica gęstości powoduje, że różnica poziomów wynosi b. Gdy w warniku poziom roztworu ubogiego chwilowo wzrośnie do wielkości większej niż b, wówczas nastąpi powrót roztworu ubogiego do absorbera 12 przez rurkę 13.

Para amoniaku napływająca do skraplacza po opuszczeniu deflegmatora skrapla się, oddając ciepło do otoczenia i ciekły amoniak o stężeniu 98% spływa rurką 7 do parownika 8. Po drodze jednak ochładza się dzięki przyleganiu rurki 7 do przewodu, którym płynie do absorbera zimna mieszanina pary amoniaku i wodoru. Jest to więc wymiennik ciepła ga­zów 11.

Ciekły amoniak dopływający do parownika 6 odparowuje dzięki ciepłu pochłanianemu z komory chłodniczej, w której jest umieszczony parownik. Parowanie amoniaku odbywa się w temperaturach ujemnych i w otoczeniu wodoru, który dopływa z absorbera. Zimna mieszanina wodoru i pary amoniaku spływa z parownika przez wymiennik ciepła gazów do zbiornika, skąd płynie do absorbera zbudowanego w postaci wężownicy. Tu para amoniaku płynąca do góry zostaje pochłaniana (absorbowana) przez roztwór ubogi, dopływający z warnika i płynący ku dołowi, tak że na całej drodze przepływu odbywa się w przeciwprądzie absorpcja pary amoniaku. Dzięki temu roztwór ubogi staje się roztworem bogatym, natomiast wodór po oddzieleniu amoniaku z mieszaniny płynie z powrotem do parownika. Ma on temperaturę kilku stopni poniżej 0°C. Aby ją obniżyć, wodór przepływa przez wymiennik ciepła typu rura w rurze.

Podczas absorbowania amoniaku w absorberze wydziela się ciepło, które jest odbierane przez otoczenie. Konieczne jest więc takie ustawienie szafki, aby powietrze mogło opływać absorber.

W agregacie absorpcyjnym ciecz spływa pod własnym ciężarem, dla­tego bardzo ważną rolę odgrywa prawidłowe ustawienie szafki, tzn. zapew­niające odpowiednie pochylenie rur parownika, skraplacza, absorbera i deflegmatora.

4.3. Regulacja wydajności chłodniczej chłodziarek absorpcyjnych

Do ogrzewania absorpcyjnych domowych urządzeń chłodniczych stosuje się prąd elektryczny, gaz, naftę lub olej.

Wydajność chłodnicza chłodziarki absorpcyjnej zależy od intensywności obiegu amoniaku, ta zaś od ilości ciepła doprowadzonego do warnika.

Przy ogrzewaniu elektrycznym ilość doprowadzonego ciepła ustala się za pomocą regulatora temperatury (termostatu parownika) włączającego lub wyłączającego obwód ogrzewania.

W przypadku ogrzewania palnikiem gazowym ilość ciepła jest regulowa­na przez automatyczny zawór termostatyczny zmieniający dopływ gazu do palnika. Czujnik tego zaworu jest umieszczony na parowniku. Gdy tem­peratura parownika wzrasta, wówczas gaz zawarty w czujniku rozszerzając się ciśnie na membranę zaworu, która odkształcając się otwiera większy przelot gazu do palnika. Powstająca wskutek tego większa ilość ciepła wzmaga obieg czynnika, co trwa dopóty, dopóki nie spadnie temperatura parownika. Zawór termostatyczny przymyka wtedy dopływ gazu pod wpływem ruchu membrany, spowodowanego zmniejszeniem objętości gazu w czujniku. Między głównym przewodem doprowadzającym gaz a opisanym zaworem termostatycznym umieszcza się zawór automatyczny stałego ciśnienia, którego zadaniem jest utrzymywanie stałego ciśnienia gazu na dopływie do palnika. Palniki stosowane do ogrzewania warników są wyposażone w urządzenie zamykające dopływ gazu w razie przypadkowego zgaszenia płomienia.

Palniki naftowe i olejowe są regulowane ręcznie.

1

58

---