Úvod k absorpčnímu chlazení

Konvenční, mechanické kompresní chlazení je využíváno mnoha různými způsoby a je dobře prověřené, s hustou sítí dodavatelů a servisních organizací. Je nepravděpodobné, že by absorpční chlazení nahradilo konvenční systémy ve velkém měřítku, nicméně je mnoho aplikací, kde může nabídnout ekologicky a ekonomicky lepší alternativu. Obecně řečeno, absorpční chlazení stojí za zvážení, pokud lze uplatnit jeden z následujících faktorů:

  • Je kogenerační jednotka a není možné využít veškerý tepelný potenciál, nebo u nových kogeneračních jednotek ve fázi návrhu
  • Je dostupné odpadní teplo
  • Je nízká účinnost kotelny z důvodu slabého zatížení (zejména v letním období)
  • Není možné zvýšit elektrickou zátěž v místě spotřeby
  • Dané místo je senzitivní zejména na hluk a vibrace
  • Dané místo potřebuje více chlazení, avšak je limitováno elektrickou zátěží, kterou je nákladné překonat a je zde adekvátní dodávka tepelné energie

Ve zkratce, absorpční chlazení najde uplatnění, pokud je dostupné teplo zdarma nebo za nízké náklady a/nebo pokud jsou jakékoliv námitky na použití konvenčního chlazení

 

 

Typy absorpčních chillerů

Je mnoho různých typů absorpčních chillerů, mezi ty základní patří:

  1. Systémy na bázi Lithium bromid/voda
  2. Systémy na bázi Amoniak/voda

Absorpční chladiče THEMRAX patří do první kategorie: voda je chladivo a bromid litný je absorbent.

 

Klasifikace absorpčních chladících jednotek voda/lithium bromid

Je obecnou praxí a také užitečné rozdělit absorpční chladiče do kategorií rozdílnými způsoby: Typem tepelného zdroje a počtem efektů (stupňů).

 

Typ zdroje tepla

Teplo je obecně dodáváno do absorpčních chladičů jednou z následujících forem:

  • Horká voda
  • Pára
  • Přímo spalující palivo
  • Výfukové plyny (spaliny)

 

Počet efektů (stupňů)

Jedno, dvou a třístupňové jednotky, známé taktéž pod označením single, double a tripple effect. Na trhu je možné pořídit jednostupňové a dvoustupňové jednotky. Třístupňové jednotky byly na trh uvedeny nedávno. Dvoustupňové jednotky jsou účinnější než jednostupňové, na druhou stranu jsou dražší. Volba mezi třístupňovými, dvoustupňovými a jednostupňovými chillery se odvíjí od teploty zdroje tepla. Níže jsou zjednodušeně znázorněny různé zdroje tepla (a teploty) s počtem efektů (stupňů)

 

Horká voda

75°C - 150°C jednostupňové
150°C - 185°C dvoustupňové
185°C - 240°C třístupňové

 

Pára

50 kPa(g) - 350 kPa(g) jednostupňové
400 kPa(g) - 1000 kPa(g) dvoustupňové
1200 kPa(g) - 2500 kPa(g) třístupňové

 

Spalující palivo

Dvoustupňové

 

Výfukové plyny

Dvoustupňové/třístupňové

 

Dvoustupňový cyklus

V jednostupňové absorpční chladící jednotce poháněné horkou vodou je zapotřebí odpařit ve výparníku zhruba 5 kg/h chladiva k výrobě 1 kW chladu. To znamená, že generátor by měl obdržet dostatečné množství tepla k zahřátí/vyvření 5 kg/h chladiva, které je dodáno do výparníku. 

Když je tento dostupný tepelný zdroj velmi horký, způsobuje to, že jsou extrémně horké také vodní výpary chladiva. Tato teplota může být natolik vysoká, že výpary mohou být použity k zahřátí/vyvření zředěného roztoku i podruhé.
Toto se odehrává ve dvoustupňovém absorpčním chladiči – jsou zde dva generátory, které ohřívají zředěný roztok. V jednom generátoru protéká zdroj tepla skrz trubkovnici a ve druhém generátoru jsou to vodní páry z prvního generátoru proudící skrze trubkovnici.

Ve výše uvedeném schématu můžete vidět, že v prvním generátoru (vysoko teplotní) je produkováno pouze 3 kg/h chladiva. Zbývající 2 kg/h chladiva jsou produkovány odpadním teplem uvnitř jednotky z vysoko teplotního generátoru. To znamená, že dvoustupňová jednotka vyžaduje méně primární energie k výrobě stejného množství chlazené vody. Proto je účinnost vyšší než v jednostupňovém absorpčním chilleru.

 

Chemikálie

Lithium bromid (LiBr)

Lithium bromid je silně koncentrovaná sůl s podobnými vlastnostmi jako chlorid sodný (NaCl), běžná sůl. Pokud je sůl ponechána ve velmi vlhkém prostředí, stane se lepkavou, protože absorbuje vodu ze vzduchu. Lithium bromid má stejné vlastnosti, ale její absorpční schopnost je 17 krát silnější než u chloridu sodného. Pro solné roztoky platí, že čím vyšší je koncentrace a nižší teplota, tím je silnější absorpční schopnost.

 

Lithium molybdát

Lithium bromid je při účasti kyslíku korozivní vůči kovu. Jelikož je v Absorpčním chilleru udržováno vakuum, v tlakových nádobách se kyslík téměř vůbec nevyskytuje. Nicméně je možné, že se kyslík do jednotky dostane - například během údržbových prací nebo kvůli chybě operátora. Z toho důvodu je inhibitor koroze přidáván do roztoku uvnitř jednotky. Tento inhibitor vytváří pevnou protektivní vrstvu na vnitřním kovovém povrchu, což zabraňuje vzniku koroze. Jakmile je vrstva vytvořena, redukuje koncentraci inhibitoru. Proto je důležité periodicky analyzovat vnitřní roztok a kontrolovat přítomnost koncentrace inhibitoru. Na základě této analýzy je přidáno více inhibitoru koroze, aby byla udržena koncentrace na optimální úrovni. Taktéž přebytečnému množství molybdátu je vhodné se vyhnout, jelikož může negativně ovlivnit účinnost absorpční jednotky.

 

Voda

Chladivo použité v absorpčních jednotkách je voda. Voda musí být čistá a bez kontaminace.

 

Oktylalkohol

Ke zvýšení účinnosti chladiva se do vnitřního roztoku přidává malé množství oktylalkoholu. To zvyšuje povrchové napětí roztoku. To znamená, že roztok se přilepí na trubkovnici a zvýší se přenos tepla a hmoty. Příliš velké množství oktylalkoholu způsobuje “zadušení“ tepelných výměníků, což snižuje kapacitu jednotky.

 


Obecné úvahy

Teplotní limitace

Jednotky na bázi Lithium bromid/voda mají limitaci na teplotě výstupní chlazené vody, kterou umí produkovat. Pro praktické účely je teplota limitována na 3,5 - 4°C. Důvodem této limitace je použití vody jakožto chladiva. V současné chvíli umí společnost THERMAX nabídnout speciálně navržené jednotky, kde může teplota výstupní chlazené vody za určitých okolností dosahovat až -5°C.

 

Odvod tepla

Absorpční chladící jednotky odvádějí do atmosféry více nízko potenciálního tepla, než konvenční elektrické (kompresorové) chladící jednotky. To znamená, že chladící věže/suché chladiče budou větší. Obecně lze říci, že potřeba odvodu tepla je zhruba 2,4 násobek chladící kapacity u jednostupňových jednotek a 1,7 násobek u dvoustupňových jednotek.   

Teplota okruhu chladící vody je velmi důležitá. Důvod je ten, že chladící voda je použita v absorbéru k ochlazení procesu a poté v využita v kondenzátoru ke kondenzaci chladiva. To znamená, že absorpční chladiče jsou mnohem více citlivé ke změnám v průtoku a teplotě chladící vody. Čím nižší teplota chladící vody, tím lépe. Nicméně i zde je limitace, jelikož pokud bude teplota chladící vody příliš nízká, může dojít ke krystalizaci jednotky.

 

Krystalizace

Krystalizace byla vždy považována jako jeden z hlavních problémů či nedostatků u cyklů na bázi Lithium bromid/voda. Pokroky u řídících systémů na bázi PLC během posledních 10 ti let významně snížily tento fenomén. Nicméně reputace stále přetrvává, proto bychom si měli říci, co krystalizace je.

 

Co je krystalizace?

V absorpčním chilleru máme roztok vody a soli. V pevném stavu teplot, pokud je voda (rozpouštědlo) kontinuálně odebírána z roztoku, stane se roztok nasyceným. To znamená že rozpouštědlo dosáhlo své kapacity udržovat sůl ve zředěném stavu. Pokud budeme pokračovat v odebírání vody, roztok začne tvořit částice. Tyto částice jsou v podstatě krystaly, z čehož byl odvozen název krystalizace. Takže krystalizace je sůl v podobě pevného skupenství v roztoku. Vzniká v závislosti na následujícím:

  • Teplota roztoku
  • Koncentrace roztoku

Pro konkrétní řešení je možné nakreslit graf teplotního tlaku par při různých koncentracích. Příklad je zobrazen níže. V tomto grafu je zvláštní linka, nazývaná jako “krystalizační linie“. Ukazuje nejvyšší koncentraci, které může být dosaženo pro každou danou teplotu. Cokoliv napravo od této linie znamená, že sůl je v pevném skupenství.

Tento graf zobrazuje vnitřní cyklus dvoustupňové jednotky. Jak se mění teplota uvnitř jednotky, cyklus se pohybuje po grafu. Teplotní a koncentrační hodnoty uvnitř jednotky musejí zůstat za krystalizační linií.

 

V absorpčním chilleru může nastat krystalizace kvůli jednomu následujícímu důvodu, nebo jejich kombinací:

  1. Nízká teplota chladící vody na vstupu
  2. Nedostatečné vakuum uvnitř jednotky
  3. Nedostatečný průtok roztoku
  4. Nadměrné zahřívání generátoru

Každá jednotka je vybavena několika bezpečnostními prvky, aby se předešlo krystalizaci.