Абсорбционный холодильник — это холодильник , который использует источник тепла для обеспечения энергии, необходимой для процесса охлаждения. Солнечная энергия, сжигание ископаемого топлива, отходящее тепло с заводов и системы централизованного теплоснабжения являются примерами удобных источников тепла, которые можно использовать. Абсорбционный холодильник использует два охладителя: первый охладитель выполняет испарительное охлаждение , а затем поглощается вторым охладителем; тепло необходимо для возврата двух охладителей в исходное состояние. Абсорбционные холодильники обычно используются в автофургонах , кемперах и караванах, поскольку тепло, необходимое для их питания, может быть получено от горелки на пропановом топливе, от низковольтного электронагревателя постоянного тока (от аккумулятора или бортовой сети автомобиля) или от электронагревателя, работающего от сети . Абсорбционные холодильники также можно использовать для кондиционирования воздуха в зданиях с использованием отходящего тепла от газовой турбины или водонагревателя в здании. Использование отходящего тепла от газовой турбины делает турбину очень эффективной, поскольку она сначала вырабатывает электроэнергию , затем горячую воду и, наконец, кондиционирование воздуха — тригенерацию .
В отличие от более распространенных парокомпрессионных холодильных систем абсорбционный холодильник не имеет движущихся частей.
В первые годы 20-го века был популярен и широко применялся цикл абсорбции пара с использованием водно-аммиачных систем, но после разработки цикла компрессии пара он утратил большую часть своего значения из-за низкого коэффициента полезного действия (примерно пятая часть от коэффициента полезного действия цикла компрессии пара). Абсорбционные холодильники являются популярной альтернативой обычным компрессорным холодильникам там, где электричество ненадежно, дорого или недоступно, или где шум от компрессора является проблемой; или где доступно избыточное тепло.
В 1748 году в Глазго Уильям Каллен изобрел основу для современного охлаждения, хотя ему не приписывают полезного применения. Подробнее об истории охлаждения можно узнать в параграфе Исследования охлаждения на странице Охлаждение .
Абсорбционное охлаждение использует тот же принцип, что и адсорбционное охлаждение , которое было изобретено Майклом Фарадеем в 1821 году, но вместо использования твердого адсорбера в абсорбционной системе поглотитель поглощает пары хладагента, превращая их в жидкость.
Абсорбционное охлаждение было изобретено французским ученым Фердинандом Карре в 1858 году. [1] Первоначальная конструкция использовала воду и серную кислоту. В 1922 году два студента Королевского технологического института в Стокгольме , Швеция , Балтзар фон Платен и Карл Мунтерс , усовершенствовали принцип с помощью трехжидкостной конфигурации. Эта конструкция «Платена-Мунтерса» может работать без насоса.
Коммерческое производство началось в 1923 году недавно созданной компанией AB Arctic , которую в 1925 году купила компания Electrolux . В 1960-х годах абсорбционное охлаждение пережило возрождение из-за значительного спроса на холодильники для караванов (трейлеров). AB Electrolux основала дочернюю компанию в Соединенных Штатах под названием Dometic Sales Corporation. Компания продавала холодильники для автофургонов (RV) под брендом Dometic . В 2001 году Electrolux продала большую часть своей линейки товаров для отдыха венчурной компании EQT , которая создала Dometic как отдельную компанию. Dometic по-прежнему продавала абсорбционные холодильники по состоянию на 2021 год. [2]
В 1926 году Альберт Эйнштейн и его бывший студент Лео Силард предложили альтернативную конструкцию, известную как холодильник Эйнштейна . [3]
На конференции TED 2007 года Адам Гроссер представил свое исследование нового, очень маленького холодильного устройства для вакцин с «прерывистым поглощением» для использования в странах третьего мира. Холодильник представляет собой небольшое устройство, размещаемое над костром, которое впоследствии может быть использовано для охлаждения 15 литров (3,3 имп галлона; 4,0 галлона США) воды до температуры чуть выше нуля в течение 24 часов при температуре 30 °C (86 °F). [4] Концепция была похожа на раннее холодильное устройство, известное как Icyball .
Обычные абсорбционные холодильники используют хладагент с очень низкой температурой кипения (менее −18 °C (0 °F)), как и компрессорные холодильники . Компрессионные холодильники обычно используют ГХФУ или ГФУ , в то время как абсорбционные холодильники обычно используют аммиак или воду и нуждаются как минимум во второй жидкости, способной поглощать хладагент, абсорбент , соответственно вода (для аммиака) или рассол (для воды). Оба типа используют испарительное охлаждение : когда хладагент испаряется (кипит), он забирает с собой некоторое количество тепла, обеспечивая эффект охлаждения. Основное различие между двумя системами заключается в способе, которым хладагент превращается из газа обратно в жидкость, чтобы цикл мог повториться. Абсорбционный холодильник превращает газ обратно в жидкость, используя метод, который требует только тепла и не имеет движущихся частей, кроме жидкостей.
Цикл абсорбционного охлаждения можно описать тремя фазами:
Таким образом, система бесшумно обеспечивает механическую циркуляцию жидкости без обычного насоса. Третья жидкость, газообразная, обычно добавляется, чтобы избежать проблем с давлением при конденсации (см. ниже).
Для сравнения, тепловой насос на основе компрессора работает, перекачивая газообразный хладагент из испарителя в конденсатор. Это снижает давление и температуру кипения в испарителе и увеличивает давление и температуру конденсации в конденсаторе. Для работы компрессорного насоса требуется энергия от электродвигателя или двигателя внутреннего сгорания. Сжатие хладагента использует эту энергию для выполнения работы над газом, повышая его температуру. Затем теплый газ высокого давления поступает в конденсатор, где он претерпевает фазовый переход в жидкость, выделяя тепло в окружающую среду конденсатора. Теплый жидкий хладагент перемещается из конденсатора высокого давления в испаритель низкого давления через расширительный клапан, также известный как дроссельный клапан или клапан Джоуля-Томсона. Расширительный клапан частично испаряет хладагент, охлаждая его посредством испарительного охлаждения, и полученный пар охлаждается посредством экспансивного охлаждения. (Это комбинация охлаждения Джоуля-Томсона и работы, выполняемой расширяющимся газом, оба за счет внутренней энергии газа) Холодный жидкий хладагент низкого давления теперь будет поглощать тепло из окружающей среды испарителя и испаряться. Полученный газ поступает в компрессор, и цикл начинается снова.
Простая абсорбционная система охлаждения, распространенная на крупных коммерческих предприятиях, использует раствор бромида лития или соли хлорида лития и воду. Вода под низким давлением испаряется из змеевиков, которые должны быть охлаждены. Вода поглощается раствором бромида лития/воды. Система вытесняет воду из раствора бромида лития с помощью тепла. [5]
Другой вариант использует воздух, воду и раствор соленой воды. Всасываемый теплый влажный воздух проходит через распыленный раствор соленой воды. Распыление снижает влажность, но не изменяет существенно температуру. Менее влажный теплый воздух затем проходит через испарительный охладитель , состоящий из распыления пресной воды, которая охлаждает и повторно увлажняет воздух. Влажность удаляется из охлажденного воздуха с помощью другого распыления солевого раствора, обеспечивая выход прохладного сухого воздуха.
Солевой раствор регенерируется путем нагревания его под низким давлением, в результате чего вода испаряется. Вода, испаренная из солевого раствора, повторно конденсируется и возвращается обратно в испарительный охладитель.
Абсорбционный холодильник с одним давлением использует тот факт, что скорость испарения жидкости зависит от парциального давления пара над жидкостью и увеличивается с понижением парциального давления. Имея одинаковое общее давление во всей системе, холодильник поддерживает низкое парциальное давление хладагента (следовательно, высокую скорость испарения) в той части системы, которая вытягивает тепло из низкотемпературного внутреннего пространства холодильника, но поддерживает хладагент при высоком парциальном давлении (следовательно, низкую скорость испарения) в той части системы, которая выбрасывает тепло в воздух с температурой окружающей среды за пределами холодильника.
Холодильник использует три вещества: аммиак , водородный газ и воду . Цикл замкнут, при этом весь водород, вода и аммиак собираются и бесконечно повторно используются. Система находится под давлением, при котором точка кипения аммиака выше температуры змеевика конденсатора (змеевика, который передает тепло воздуху снаружи холодильника, будучи горячее наружного воздуха). Это давление обычно составляет 14–16 стандартных атмосфер (1400–1600 кПа), при котором точка росы аммиака будет около 35 °C (95 °F).
Цикл охлаждения начинается с того, что жидкий аммиак комнатной температуры поступает в испаритель. Объем испарителя больше объема жидкости, а избыточное пространство занимает смесь газообразного аммиака и водорода. Присутствие водорода снижает парциальное давление газообразного аммиака, тем самым понижая точку испарения жидкости ниже температуры внутри холодильника. Аммиак испаряется, забирая небольшое количество тепла из жидкости и понижая ее температуру. Он продолжает испаряться, в то время как большая энтальпия испарения (тепло) перетекает из более теплого внутреннего пространства холодильника в более холодный жидкий аммиак, а затем в большее количество газообразного аммиака.
На следующих двух этапах аммиачный газ отделяется от водорода, чтобы его можно было использовать повторно.
Затем чистый аммиачный газ поступает в конденсатор. В этом теплообменнике горячий аммиачный газ передает свое тепло наружному воздуху, температура которого ниже точки кипения аммиака полного давления, и, следовательно, конденсируется. Конденсированный (жидкий) аммиак стекает вниз, чтобы смешаться с водородным газом, выделяющимся на этапе абсорбции, повторяя цикл.