Розділ «1.3.2. Робочі речовини для абсорбційних теплових насосів»

Вибір робочих речовин для різного типу АПТ (абсорбційні перетворювачі теплоти) визначається насамперед рівнями температур в основних апаратах.

У всіх країнах дотепер переважно застосовуються для різних цілей дві класичні робочі пари (летучий компонент - абсорбент): г4Нз-Н20 і Н20-ЬіВг, і більшість розробок систем АПТ ґрунтується на одній з них. Пошук нових робочих речовин пояснюється лише добре відомими недоліками обох пар.

Робота Комітету з енергетичних досліджень і розвитку Міжнародного енергетичного Агентства (ІЕА), у якій брало участь ІЗ країн, з 1978 була присвячена загальній оцінці досліджень і розробці теплових насосів і зокрема АПТ. У проектних розробках Комітет відзначив: "малоймовірно, що будуть знайдені нові робочі пари, які будуть застосовні й діяли б краще у всьому діапазоні умов, що охоплюють охолодження й нагрівання".

Одним з важливих напрямків дослідження й удосконалення АПТ визнане поліпшення властивостей відомих робочих речовин шляхом введення в них домішок з метою збільшення продуктивності або розширення області дії АПТ без кристалізації речовин в апаратах. Однак основним напрямком пошуку вважається одержання температур у випарниках нижче 0 °С, причому перевага віддається органічним речовинам.

Частіше в літературі зустрічається класифікація робочих речовин АПТ по типі летучого компонента. Така класифікація більше універсальна, тому що дозволяє включати системи із ще не до кінця дослідженими й певними областями застосування. Робочі речовини по типі летучих компонентів ділять на наступні групи: аміачні, спиртові, водні, хладонові й вуглеводневі.

Аміачні системи

Спиртові системи

Як летучі компоненти для АПТ пропонуються спирти: метиловий СН3ОН і етиловий С2Н5ОН. По теплофізичним властивостях переважніше СН3ОН і системи на його основі: СН3ОН-ЬіС1, СН3ОН-ІЛВг, СН30Н-2пВг2, СН3ОН-ЬіВг-гпВг2, СН3ОН-ІлІ-гпВг2. Достоїнствами цих систем є насамперед можливість одержання негативних температур у випарнику (до -20°С), повна відсутність у паровій фазі абсорбенту, низькі тиски в апаратах, велике абсолютне значення теплоти паротворення летучих компонентів, невелика різниця тисків в абсорбері й генераторі. Недоліки: токсичність СН3ОН, велика в'язкість двокомпонентних розчинів, що погіршує циркуляцію розчину й процеси тепло- і масообміна в апаратах АТП, а також обмежена розчинність солей в СН3ОН. Для зменшення останнього недоліку до галогенів літію додається 7пВг2, однак введення цієї добавки збільшує сольволіз (хімічна взаємодія солі з розчинником), що приводить до посилення корозійної активності розчину. Найбільш перспективним уважається застосування спиртових систем у сонячних АПТ. Водні системи. Вода нешкідливий, доступний і дешевий летучий компонент, що має велику абсорбційну теплоту паротворення. Як абсорбенти для води запропоновано застосовувати солі: ЬіСІ, ЬіВг, Ьії, СаСІ2 і др., суміші солей, а також Н2504 і №ОН. Кислоти Й лугу малоперспективні для використання в АПТ через їхню токсичність і високу корозійну активність.

Найбільше застосування в різного типу АПТ мають системи Н20-ЬіВг. Теплофізичні властивості їхні добре вивчені Й найбільш сприятливі для застосування в АПТ. Перша абсорбційна установка на НгО-УВг у її сучасному виді була сконструйована в США в 1945 р., і з тих пор триває її вдосконалення. Для розширення робочої зони АПТ до ЬіВг запропоновано додавати солі й органічні речовини.

На основі Н20-ЬіВг рекомендовано для використання в АПТ наступні багатокомпонентні системи: ^О-ЬіВг-ЬіСІ, Н20-иВг-Ы5СМ, Н20-ЬіВг-гпВг2-СаВг2, Н20-ЫВг-С2Н602 і ін., але всі вонималовивчені.

Добавка органічних речовин, як правило, приводить до зменшення розчинності неорганічних солей у воді, що має місце, наприклад, при добавці етиленгликоля в розчин Н20-ЬіВг. При використанні цієї системи в абсорбційній холодильній машині, з одного боку, відбувається звуження робочої зони, а з іншого боку - збільшення теоретичного теплового коефіцієнта.

Великий інтерес представляє використання в АПТ системи Н20-ЬіС1, що пов'язане з більшою термічною стабільністю ЬІСІ у порівнянні з ІлВг і ЬіІ. Через меншу розчинність ЬіСІ АПТ мають більше вузьку область застосування. У цей час система Н20-ІлСІ в основному застосовується для вироблення холоду з відносно високою температурою сонячних абсорбційних холодильних машинах.

Система Н20-ЬІІ, також як І попередня, запропонована для використання в АПТ для одержання холодної технологично')' води й кондиціювання повітря, але при цьому для обігріву генератора потрібна теплота більше низького потенціалу. Однак обмежена розчинність МІ, його висока вартість і найменша серед галогенів літію термічна стійкість роблять цю систему найменш перспективної для використання в АПТ.

При циркуляції води по замкнутому контурі в системі охолодження АПТ, що забезпечує в літню пору охолодження води до температури не вище 25° С, рекомендується система Н20-СаСІ2, причому для зменшення теплопередавальної поверхні конденсації й запобігання роботи під вакуумом запропоновано підтримувати температуру конденсації водяної пари на високому рівні - близько 100° С. Хоча система Н20-СаСІ2 дуже дешеве, нетоксична й доступна, практичне застосування в АПТ не знайшла через малу розчинність і велику небезпеку кристалізації погано розчинних кристалогридратів СаС12'хН20 в апаратах, а також значної корозійної активності. Для збільшення розчинності найбільше термічно стійких хлоридних систем і, отже, розширення області застосування АПТ із цими системами запропоновано в бінарні системи Н20-ЬіСІ і Н20-СаСІ2, а також у їхню суміш Н20-ЬіС1-СаС12 уводити різні солі.

У зв'язку з відсутністю надійних інгібіторів корозії в рідкій і паровій фазах для застосовуваних матеріалів АПТ найбільш надійними в експлуатації варто вважати водяні розчини солей лужних металів і їхніх сумішей (крім, як вказувалося вище, термічно нестійкі роданиди й вибухонебезпечні в безводному стані перхлорати). Солі двовалентних металів (М&Са^п и др.) у водяних розчинах піддаються гідролізу в значно більшому ступені, чим солі літію, тому їхнє введення приводить до підкислення розчину, що звичайно підсилює корозійний вплив його на конструкційні матеріали АПТ.

Найбільш придатними для використання у високотемпературних АПТ є H20-UC1 і H20-LiCI-CsCl, причому остання система має більшу робочу зону. Обидві солі термічно стійкі в області температур, застосовуваних в АПТ, пожаро- і вибухобезпечні. У водяних розчинах CsCI гідролізу не піддається. Корозійний вплив на сталь 20 і Ст 3 системи H20-LiCl-CsCl значно менше, ніж H20-LiCli H20-LiBr. Очевидно, посилення корозійного впливу на розчини Н20-ЬіВг пов'язане з деяким розкладанням LiBr при температурах вище 130 °С.

Достоїнства водно-сольових систем, крім зазначених вище: абсолютно нешкідливий, доступний летучий компонент - вода, що має дуже велику абсолютну теплоту випару; велика різниця в температурах кипіння компонентів, тому немає необхідності в ректифікаційному вузлі; високі теоретичні коефіцієнти трансформації. Недоліки водних систем: неможливість одержання у випарнику температур менших 0 °С; досить високий корозійний вплив водних систем на конструктивні матеріали АТП, особливо в газовій фазі й по ватерлінії.

Хладонові системи

Перші систематичні дослідження систем хладон-органічний абсорбент були початі Целлхоффером в 1935 р. їм були досліджені десятки бінарних систем і в тому числі хладон R2I (CHC12F) і R22 (CHCIF2), а серед абсорбентів - диметиловий ефір тетраетиленгліколя (ТЕГ) С|0Н22О5. Пізніше системи R21— ТЕГ і R22-ТЕГ були виділені як найбільш перспективні для застосування в АПТ для одержання холоду. Однак випробування в США промислових АПТ для кондиціювання повітря з парою R21- ТЕГ показало термічну нестійкість хладона R21. Тому останні 20 років головним чином дослідження проводилися для систем R22- органічний абсорбент.