Анализ возможности применения абсорбционных водоаммиачных холодильных машин в системах получения воды из атмосферного воздуха

Проведен анализ существующих систем получения воды из атмосферного воздуха. Показаны перспективы применения абсорбционных водоаммиачных холодильных машин в таких системах, а также возможность создания такой системы на базе солнечных коллекторов.

Общеизвестно, что самым ценным ресурсом на планете в ближайшее время станет вода, а борьба за водные ресурсы в мире является одним из факторов в современных вооруженных конфликтах и эта тенденция будет только расти в обозримом будущем.

Для содействия в решении этой проблемы в декабре 2003 г. Генеральная Ассамблея Организации Объединенных Наций объявила 2005-2015 годы Международным десятилетием действий «Вода для жизни».

Около 70 % поверхности земного шара покрыто водой, однако на 97,5 % она состоит из соленой воды. Оставшиеся 2,5 % приходятся на пресную воду, почти две трети которой находится в замороженном состоянии в ледниковых шапках. Между тем основная часть пресной воды находится в одно километровом слое атмосферы. Ее суммарный объем составляет не менее 1 трлн. м3. По данным работы [1], средняя абсолютная влажность около земной поверхности составляет 11 г/м3, а в тропических регионах она доходит до 25 г/м3 и выше. Большое количество стран тропического пояса страдает от отсутствия пресной воды, хотя ее содержание в атмосфере весьма значительно. Например, в Джибути в течение всего года практически не бывает дождей, но абсолютная влажность составляет 18-24 г/м3. Количество воды, проносящейся над каждым квадратом в 10 км2 Аравийской пустыни или Сахары, равно по объему озеру площадью 1 км2 и глубиной 50 м [2].

Поэтому одной из важнейших задач является развитее технологий, позволяющих извлекать воду из воздуха, причем непосредственно на месте, где она необходима.

С древних времен пресную воду в очень ограниченных количествах получали путем сбора сконденсированных капель из воздуха в результате естественного суточного радиационного охлаждения земной поверхности (охлаждение в ночное время пористых камней с образованием росы). Например, в Нуакшоте (Мавритания) средняя месячная температура в мае – октябре составляет 27-30 °С, относительная влажность 60-80 %. Это означает, что в каждом кубическом метре воздуха содержится 20-24 г воды. При понижении температуры на 10-15 °С из каждого кубического метра можно выделить 10-14 г воды. В Израиле, например, 190-200 ночей характеризуются выгодными условиями для получения пресной воды из атмосферного воздуха (в Ашдоте, Тель-Авиве очень часто летом бывает 100%-процентная влажность воздуха) [2].

Для повышения эффективности процессов конденсации паров воды используют интенсифицирующие элементы–холодоаккумуляторы (щебень), тепловые трубы, обеспечивающие передачу тепла на значительные расстояния, и систему сорбентов, работающих в циклическом режиме «зарядка-разрядка» [2].

Наибольшие перспективы имеют методы, связанные с работой автономных генераторов искусственного холода – холодильных машин, которые гарантированно обеспечивают температуру ниже точки росы. Известно, что для получения 1 литра воды требуется затратить около 1 кВт·ч электроэнергии, а в среднем из потока воздуха 1 кг/с выделить приблизительно 10 г/с воды. При холодильном коэффициенте компрессионной холодильной машины, равном 3, на производство 1 литра воды будет затрачивается энергия примерно 0,33 кВт·ч.

В наше время основной объем рынка оборудования по выделению воды из воздуха приходится на системы, имеющие в своем составе компрессионную холодильную установку с электрическим приводом. Вместе с тем применение компрессионных установок перспективно только для производительности до 3-4 литров воды в час. При более высокой производительности происходит существенное возрастание габаритов установки.

Необходимым условием работы компрессионной холодильной машины является наличие электрической энергии. В то же время подавляющее число стран, испытывающих дефицит воды, ограничены и в энергоресурсах. Едва ли не единственным доступным источником энергии у них является солнце.

Таким образом, проблема получения воды из атмосферного воздуха – актуальная научная и практическая задача, которая до настоящего времени не нашла своего решения, а большинство технических предложений остаются на уровне патентов.

Поэтому, в качестве наиболее перспективного направления, нами выбрано использование модернизированных абсорбционных холодильных машин (АХМ), работающих от источника низкопотенцильного тепла  – солнечной энергии. Одним из многообещающих направлений является возможность использования существующей инфраструктуры солнечных нагревателей воды, суммарный объем площадей коллекторов которых в мире более 110 млн. м2.

Анализ режимных характеристик АХМ показал, что основные проблемы, которые надо решить при использовании их в системах получения воды, – это, во-первых, разработать конструкции АХМ с воздушным охлаждением теплорассеивающих элементов, а во-вторых, предложить цикл, который можно было бы реализовать в условиях тропических температур наружного воздуха и уровне температур традиционных водяных солнечных коллекторов (80-100 °C).

В таких условиях наибольшие перспективы имеют абсорбционные водоаммиачные холодильные машины (АВХМ), которые позволяют провести необходимую модификацию цикла. С связи с выбором АВХМ необходимо отметить, что в последние годы из-за неблагоприятных техногенных воздействий на окружающую среду систем холодильной техники все большее внимание уделяется природным холодильным агентам. Последние документы [3] уже четко регламентируют применение конкретных природных холодильных агентов для различных типов холодильных машин: для бытовых и торговых холодильников  – пропан; для средних холодильников – углекислота; для крупных систем – аммиак.

АВХМ, в отличии от аналогов – бромистолитиевых абсорбционных холодильных машин и пароэжекторных водяных холодильных машин, холодильным агентом в которых является вода, имеют более широкую область применения, в частности, в области отрицательных температур до минус 50 °C [4]. Для их работы можно использовать самые различные источники тепловой энергии: технологический пар, горячую воду, отходящие газы печей, выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания [5]. АВХМ, кроме задач кондиционирования воздуха, могут быть использованы и в холодильниках при длительном хранении замороженных продуктов и сельскохозяйственного сырья.

Особый интерес представляют АВХМ, работающие на возобновляемых источниках энергии, в частности, на энергии солнечного излучения. Такой интерес связан с возможностью круглогодичного использования солнечных коллекторов, находящих в настоящее время широкое применение в системах отопления и горячего водоснабжения. Предполагается [6], что при избытке солнечной энергии в теплый период года часть ее можно направлять в генератор АВХМ для производства искусственного холода. Полученный холод можно использовать как в системах кондиционирования, так и в холодильниках.

На первом этапе разработок систем получения воды из воздуха на базе АВХМ были проведены расчеты циклов и определен диапазон рабочих концентраций заправки рабочего тела.

Известные подходы к расчету АВХМ [7, 8, 9] для работы в системах с солнечным подогревом не могут быть использованы из-за неучета взаимной зависимости трех уровней температур: высшей в генераторе (греющего источника) – низшей в абсорбере (окружающей среды) – кипения в испарителе. Тогда, как известно [4], что из этих трех температур только две могут быть выбраны относительно произвольно, а третья температура определяется однозначно.

Такой вывод был получен авторами [6] при анализе теплового коэффициента идеального цикла произвольной абсорбционной холодильной машины в котором:

а) зона дегазации стремится к нулю и процессы в генераторе и в абсорбере протекают практически изотермично;

б) абсорбер не обладает собственным парциальным давлением и теплота дефлегмации отсутствует.

Из формулы теоретической зависимости теплового коэффициента идеального цикла такой машины

            (1)

где Ta, Th , To , Tk – температуры в процессах абсорбции, генерации, кипения и конденсации соответственно и последующего ее упрощения с учетом реального допущения

             (2)

где Tw – температура охлаждающей среды, К,

            (3)

авторы [4] получили зависимость Th= f (To, Tw) для работы на водоаммиачном растворе (ВАР) при ηтеор = 1:

            (4)

Очевидно, что реальные циклы АВХМ отличны от идеального, но какие-либо сведения о зависимостях типа (4) для них отсутствуют.

Актуальность в определении зависимостей типа (4) связана и с активным продвижением на рынке отопительной техники и солнечных коллекторов. Наибольшее распространение получили модели, работающие с водой в качестве теплоносителя.

Недостаток их в комбинированной схеме солнечный коллектор – АВХМ связан с ограниченным уровнем температур греющего источника (порядка 100 °С).

На рынке солнечных коллекторов имеются и модели на органических теплоносителях с рабочим уровнем температур до 250°С, но они имеют большую стоимость и выбор их должен быть обоснован.

Для анализа зависимостей Th= f (To, Tw) реальных АВХМ был составлен алгоритм расчета.

Рассмотрена традиционная схема АВХМ, включающая два регенеративных теплообменника  – растворов и холодильного агента, изображенная на рис. 1.

Рис. 1. Схема АВХМ с двумя регенеративными теплообменниками Рис. 1. Схема АВХМ с двумя регенеративными теплообменниками: 1 – генератор; 2 – ректификатор; 3 – дефлегматор; 4 – абсорбер; 5 – регенеративный теплообменник растворов; 6 – насос; 7 – конденсатор; 8 – регенеративный теплообменник холодильного агента; 9 – испаритель.

Исходными данными для анализа являлись:

а) перепад температур между греющей средой и слабым раствором в генераторе АВХМ Δth = 10 ºC;

б) перепад температур между охлаждающей средой и крепким раствором в абсорбере Δtwa= 5 ºC;

в) перепад температур между охлаждающей средой и жидким аммиаком в конденсаторе (выходящего пара аммиака из дефлегматора) Δtwk= 5 ºC (Δtwd= 5 ºC);

г) перепад температур между температурой кипения и охлаждаемой средой Δto= 5 ºC;

д) перепад температур между слабым и крепким растворами на холодном конце регенеративного теплообменника растворов Δtто = 5 ºC;

е) перегрев пара аммиака в регенеративном теплообменнике Δtрто = 5 ºC.

Для определения термодинамических и теплофизических свойств водоаммиачного раствора использовались справочные данные [10].

Варьируемыми данными являлись:

а) температура греющей среды th;

б) температура охлаждающей воды tw;

в) температура охлаждаемого объекта to.

Во всех случаях определялись термодинамические параметры и состав рабочего тела в характерных точках цикла АВХМ.

Основным показателем работоспособности АВХМ являлись кратность циркуляции ВАР:

               (5)

где ξd, ξсл , ξкр – массовая доля аммиака в паровой смеси, поступающей на вход дефлегматора, слабого раствора на выходе генератора, крепкого раствора на входе в генератор соответственно.

Алгоритм поиска рабочих режимов АВХМ состоял в следующем.

На первом этапе задавались температуры объекта охлаждения to= -30°С; -15°С; -5°С.

Для каждого значения to проводился расчет с фиксированным значением tw в диапазоне 25…43 °C с шагом 1 °C.

Для заданных значений to и tw проводился расчет кратности циркуляции по уравнению (5) с изменением th с шагом 1 °С.

В случае если f > 0, делали вывод, что режим работы АВХМ может быть реализован, а в обратном случае, когда f < 0, режим работы не осуществим.

Результаты расчетов приведенного выше алгоритма представлены на рис. 2.

Рис. 2. Результаты расчета минимальной температуры греющего источника th в зависимости от температур охлаждаемого объекта to и охлаждающей воды tw

Рис. 2. Результаты расчета минимальной температуры греющего источника th в зависимости от температур охлаждаемого объекта to и охлаждающей воды tw

Полученные зависимости представляют собой минимально необходимые значения температур греющей среды для условий работы реальных АВХМ.

Анализ этих результатов показывает, что АВХМ в системе с солнечным коллектором на воде в качестве теплоносителя может найти применение только в системах кондиционирования воздуха при температурах охлаждающей среды не выше 36…37 °С.

Для работы в системах охлаждения с температурами до минус 30 °C необходима температура греющей среды 140…150 °С.

Выводы

1. Разработан оригинальный алгоритм поиска минимально необходимой температуры греющей среды в зависимости от температур объекта охлаждения и охлаждающей среды для реальной АВХМ.

2. Сформулированы рекомендации для применения реальных АВХМ в комбинации с солнечными коллекторами.

3. В дальнейших исследованиях АВХМ, работающих с низкопотенциальными источниками тепловой энергии, целесообразно найти области рабочих параметров с максимальной энергетической эффективностью холодильного цикла.

Литература

1. Алексеев В.В. Получение пресной воды из влажного воздуха / В.В. Алексеев, К.В. Чекарев // Аридные экосистемы. – 1996. – Т. 2. – № 2-3.

2. Перельштейн Б.Х. Новые энергетические системы: моногр. / Б.Х. Перельштейн. – Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2008. – 244 с.

3. Состояние и перспективы развития холодильной отрасли в России / А.В. Бараненко [и др.] // Холодильная техника. – 2009. – № 3. – С. 20-24.

4. Бадылькес И.С. Абсорбционные холодильные машины / И. Бадылькес, Р. Данилов. – М.: Пищ. пром. – 1966. – 356 с.

5. Коханський А.І. Перспективи застосування на морських судах абсорбційних холодильних агрегатів (АХА) / А.I. Коханський, Г.М. Редунов, О.С. Тітлов // Наукові праці ОНАХТ. – 2009. – Вип. 35. – Т. 1. – С. 132-136.

6. Kim D.S. Air-cooled solar absorption air conditioning / D.S. Kim, C.A. Ferreira // Final report. Novem contract BSE  – NEO 0268-02-03-0008.Delftuniversity  of technology, 2005. – 230 p.

7. Тепловые и конструктивные расчеты холодильных машин / Е.М. Бамбушек [и др]. – Л.: Машиностроение. Ленингр. отд., 1987. – 423 с.

8. Галимова Л.В. Абсорбционные холодильные машины и тепловые насосы: моногр. / Л.В. Галимова. – Астрахань: Изд-во АГТУ, 1997. – 226 с.

9. Sathyabhama A. Thermodynamic simulation of ammonia-water absorption refrigeration system / A. Sathyabhama, T.P. Ashok Babu // Thermal science. – 2008. – Vol. 12. – № 3. – P. 45-53.

10. Холодильная техника. Кондиционирование воздуха. Свойства веществ: справ. / С.Н. Богданов [и др]. – 4-е изд., перераб. и доп. – СПб.: СПбГАХПТ, 1999. – 320 с.

Поделитесь с друзьями
  • RSS
  • Twitter
  • Facebook
  • Добавить ВКонтакте заметку об этой странице
  • Одноклассники
  • Мой Мир
  • LiveJournal
  • Блог Я.ру
  • Blogger
  • Блог Li.ру
  • Google Buzz
  • В закладки Google
  • Яндекс.Закладки
  • Memori.ru
  • МоёМесто.ru
  • Сто закладок
  • БобрДобр
  • LinkedIn
  • FriendFeed
  • MySpace
  • Orkut

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>