Розділ «2.7. СИСТЕМИ СОНЯЧНОГО ХЛАДОПОСТАЧАННЯ»

2.7.1. Абсорбціонні сонячні кондиціонери

Використання сонячної енергії для кондиціювання повітря - приваблива ідея не тільки для південних регіонів, де витрати на охолодження є визначальними у витратах тепла на підтримку в приміщеннях комфортних умов, але й для кондиціювання повітря в суспільних будинках середніх і навіть північних регіонів. Використання сонячної енергії для кондиціювання заманливо й тому, що графік приходу сонячної енергії збігається із графіком споживання холоду й тому, що додавання сонячного охолодження до опалення дозволяє значно поліпшити економіку сонячного теплопостачання.

Відомі методи використання сонячної енергії для охолодження можуть бути розбиті на три класи: сонячне абсорбційне охолодження, сонячно-механічні системи й відносно сонячні системи, які не працюють від сонця, але використають для охолодження деякі компоненти сонячних систем. Усередині кожного класу систем можна було б виділити свої підкласи, коли використаються різні хладоагенти, різні температурні рівні, а. отже, різні сонячні колектори, різні системи контролю.

Абсорбційне кондиціювання, засноване на поглинанні хладоагентів розчинами абсорбентів або адсорбентами, можливо здійснювати за рахунок сонячної енергії, якщо її досить для здійснення основного етапу процесу регенерації робочої речовини. Це можуть бути закриті цикли, наприклад, з розчинами бромистого літію у воді або розчинами аміаку у воді, або відкриті цикли, у яких хладоагентом є вода, що сполучаються з атмосферою. Зупинимося коротко на деяких абсорбційних сонячних охолоджувачах, заснованих на використанні водяного розчину бромистого літію, розчину аміаку у воді й на осушувально—уволожнювальном кондиціюванні повітря. На сьогодні абсорбційне кондиціювання за рахунок енергії від сонячних колекторів і систем, що акумулюють, - найбільш простий підхід до використання сонячної енергії для кондиціювання (рис. 2.11). Сутність цієї системи або її різновидів полягає в тому, що генератор абсорбційних холодильників забезпечується тепло від колекторно-акумуляторної системи.

Більшість використовуваних установок - бромистолітієві машини водоохолоджуваним абсорбером і конденсатором. Підтримка температур в генераторі в межах, обумовлених характеристиками плоских колекторі) є вирішальним чинником, що визначає поряд з іншими такі параметри, я ефективність теплообмінників, температура охолоджувача.

Рис. 2.11. Схема абсорбуючого кондиціонера повітря з використанням сонячної енергії: / - сонячний колектор; 2 - бак-акумулятор; 5 - додаткове джерело енергії; 4 - конденсатор; 5 - випарник; б - абсорбер; 7 - теплообмінник; 8 - генератор; 9 - трипозиційний кран

Звичайно в процесі сонячного кондиціювання використається водоохолоджуваний абсорбер і конденсатор, що викликає необхідність у градирні.

Різниці тисків між лініями вищого й нижчого рівнів у системі ІлВг-Н20 досить обмежені, так що ці системи можуть використати пароповітряні насоси й гравітаційне повернення розчину з абсорбера в генератор. Тому зникає необхідність у механічних нагнітачах розчину з лінії низького в лінію високого тиску.

Багато машин показують досить стабільні значення коефіцієнта корисної дії, що є відношенням холодопродуктивності до енергії, підведеної до генератора, як функцію зміни температури генератора від робочого рівня, забезпечуваного мінімумом відповідних умов. Коефіцієнт корисної дії бромистолітієвих холодильників перебуває в межах 0,6...0,8. Якщо вода використовується як охолоджувач, температури в генераторі можуть перебувати в межах 348...368 К. Зміна температури в генераторі, забезпечувана за рахунок сонячної енергії, приводить до зміни продуктивності холодильника. Температура теплоносія, що гріє, повинна бути вище, ніж температура в генераторі. Тут криється деяка несумісність між необхідністю підвищення температурного рівня й верхньою межею температури води в накопичувачі танкера системи сонячного водонагрівача, не розрахованої на високий тиск. До того ж температура 373 К є граничною для багатьох сонячних колекторів і, крім того, виникає необхідність в охолоджувальних баштах.

У ранніх експериментах по створенню бромистолітієвих холодильників використовувались промислові абсорбційні машини без яких-небудь переробок з урахуванням використання сонячної енергії. Надалі холодильники стали змінюватися шляхом реконструювання генератора. Спеціальні експерименти по застосуванню сонячних установок великої продуктивності для забезпечення комфортних умов школи в Атланті були проведені Вестингхаузською електричною корпорацією. Дослідження техніко-економічних показників подібних систем показали, що в південних районах комбіноване використання й охолодження економічно більш вигідно, ніж окреме опалення й охолодження. Подальші дослідження направлялися на спрощення системи, полегшення ЇЇ експлуатацію.

Система водоаміачного холодильника схожа на ту, що зображена на рис. 2.11, за винятком того, що ректифікаційні секції мають бути з'єднані з верхньою частиною генератора для вловлювання водяних пар, що йдуть від випарника в конденсатор. Основні процеси в розчині подібні із процесами, що відбуваються в системі ЬіВг-Н20, однак тиск і перепад тисків у системі набагато вище. Для перекачування розчину з абсорбера в генератор потрібні механічні насоси. У багатьох випадках у випробуваних установках конденсатор і абсорбер прохолоджуються повітрям, при цьому в генераторі температура перебуває в межах 398...443 К. Температура конденсації для кондиціонерів з повітряним охолодженням відповідає більше високим температурам у генераторі, чим відповідні параметри для системи з рідинним охолодженням.

Є досить досконалі установки, що працюють за рахунок сонячної енергії з водоаміачними системами. Температури, які необхідно створити в генераторах комерційних холодильників, занадто високі для сучасних плоских колекторів, тому потрібні фокусуючи колектори й виникає необхідність створення як дешевих колекторів такого типу, так і систем спостереження за сонцем. Роботи з водоаміачними сонячними установками є продовженням досліджень циклів, що використають розчини з високою концентрацією 1ч*Нз і спрямованих на зменшення температур у генераторах. При створенні сонячних холодильників намітилися два шляхи: перший — пряме копіювання існуючих до цього часу холодильних машин, у тому числі й абсорбційних, заміняючи тільки енергетичне джерело, що забезпечує роботу генератора, другий - реконструкція генератора, що дозволило зменшити рівень температури, яка забезпечує його роботу, і тим самим збільшити коефіцієнт використання сонячної енергії.

Інститутом технічної теплофізики АН України було запропоновано здійснити регенерацію водно-сольових розчинів абсорбційних холодильних установок шляхом випару води з них у навколишнє середовище, тобто зробити установки роздільного типу. При цьому нагрітий розчин приводиться в зіткнення з атмосферним повітрям у контактному масообмінному апарату, і випар відбувається за рахунок підведення тепла від зовнішнього джерела. Втрати хладоагента при цьому заповнюють водопровідною водою. Величини втрат приблизно еквівалентні втратам води при відводі тепла конденсації в градирні. Застосування такого способу регенерації (повітряної десорбції) дозволяє зменшити температуру розчину при регенерації на 12... 14 К, що відповідно збільшує ККД геліонагрівача (сонячного колектора з одношаровим остекленням і нейтральним поглиначем) на 30 %.

Подальшим удосконаленням установок з повітряною десорбцією з'явилася пропозиція до сполучення процесів нагрівання сонячними променями розчину й відновлення його концентрації. При цьому розчин стікає тонкою плівкою по зачерненій поверхні (наприклад, по покрівлі будинку), омиваної зовнішнім повітрям. У цьому випадку зменшення температури регенерації спрощує й, отже, здешевлює геліонагрівачі й всю систему в цілому. Для таких пристроїв як абсорбент звичайно вибирають водяний розчин хлористого літію. На відміну від розчину бромистого літію його використання дозволяє одержати холодну воду з температурою нижче 283...285 К. Він володіє рядом переваг: меншою питомою вагою й робочою концентрацією, зниженою корозійною активністю, хімічною стабільністю (у процесі повітряної десорбції при контакті з повітрям у бромистолітієвому розчині можливе утворення карбонату літію).

Принципова технологічна схема абсорбційної холодильної сонячної установки показана на рис. 2.12. Ця установка призначена для охолодження триповерхового житлового будинку. Як регенератор розчину використається односхилий дах, орієнтований на південь, кут нахилу його до обрію біля 5°, площа 180 м2.

Рис. 2.12. Принципова технологічна схема абсорбційно-холодильної сонячної установки: / - регенератор абсорбенту; 2 - фільтр; З - теплообмінник; 4 - вакуумний насос; 5,6— абсорбер - випарник; 7—кондиціонер; 8 - пристрій вододобавки; 9 - насос для кондиційної води; 10- насос для перекачування хладоагента (води); 11 - лінійний ресивер; 12- насос розчину абсорбенту; 13 - градирня; 14 - насос для охолодної води

Установка складається з генератора розчину /, фільтра 2, теплообмінника 3, абсорбера-випарника 5-6 з лінійним ресивером //, дренажного бака, поплавкого регулятора, пристрою вододобавки у випарник 8, вакуумнасоса 4, насосів для розчину, для хладоагента (вода), для охолодної води, для кондиційної води, а також із запірних, регулюючих арматурних органів та ін.

Установка працює в такий спосіб: кондиційна вода прохолоджується в теплообмінних трубах випарника 6, парова поверхня якого зрошується киплячої при вакуумі водою - хладоагентом. Водяні пари, що утворюються, абсорбуються в абсорбері 5 розчином хлористого літію, який при цьому розбавляється. Теплота абсорбції відводиться оборотною водою, що надходить із градирні. Повітря й інші гази, що не конденсуються, віддаляються із блоку випарника вакуумним насосом 4. Для відновлення концентрації слабкий розчин подається на сонячний регенератор / через теплообмінник 5, де попередньо нагрівається. Міцний розчин після регенерації зливається через лійку й направляється на абсорбцію. Він попередньо прохолоджується в теплообміннику З, віддаючи теплоту зустрічному потоку слабкого розчину й воді із градирні. Після цього слабкий розчин надходить на зрошення охолоджуваних трубок повітроохолоджувача. Парогазова суміш, що видаляється із блоку абсорбер-випарник, перед надходженням у вакуумний насос обмиває ці трубки й збагачується повітрям.

Розчин, що надходить у систему з регенератора, очищається від забруднень у гравітаційному фільтрі 2. Крім того, у схемі передбачені фільтри тонкого очищення від зважених часток, продуктів корозії та ін. Як регенератор використається спеціальним чином обладнана поверхня даху.