Сопоставление эффективности термодинамических циклов абсорбционных бромисто-литиевых холодильных машин

УДК 621.5

DOI: 10.25206/2588-0373-2020-4-2-27-36

СОПОСТАВЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ЦИКЛОВ АБСОРБЦИОННЫХ БРОМИСТО-ЛИТИЕВЫХ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН

О. С. Малинина, А. В. Бараненко

Университет ИТМО, Россия, 197101, г. Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49

Проведен анализ энергетической эффективности действительных термодинамических циклов абсорбционных бромисто-литиевых холодильных машин (АБХМ) с одно- и многоступенчатыми процессами абсорбции и генерации и со связанным потоком массы. Выполнен анализ влияния температуры греющего и охлаждающего источников на тепловой коэффициент. Определены параметры внешних источников, при которых возможно осуществление названных термодинамических циклов. При этом для циклов с двухступенчатыми процессами абсорбции и генерации требуется греющий источник с температурой на 20—24 °С ниже в сравнении с базовым одноступенчатым циклом, а для цикла с трехступенчатыми процессами — ниже на 27—30 °С. Установлено, что при принятых параметрах внешних источников действительный тепловой коэффициент находится в пределах: для одноступенчатой АБХМ 0,68—0,74, для двухступенчатой АБХМ 0,36-0,39 и для трехступенчатой АБХМ 0,24-0,26.

Ключевые слова: эффективность, действительный термодинамический цикл, абсорбционная бромисто-литиевая холодильная машина, связанный поток массы, тепловой коэффициент.

I

л

О

1Я 1> N1

ОИ О О Е н Т х

>О 2 А

К > О

1 о

О

< К ОО

Введение

Абсорбционные бромисто-литиевые холодильные машины (АБХМ) получили широкое распространение в системах охлаждения основных технологий, комфортного и технологического кондиционирования в химической, нефтеперерабатывающей, электронной, пищевой промышленности, в жилищно-коммунальном секторе и социальной сфере. Для работы АБХМ используют возобновляемые источники энергии (ВИЭ) и вторичные энергетические ресурсы (ВЭР), что находится в тренде развития мировой энергетики, ориентированной на увеличение доли названных ресурсов в энергобалансе с целью повышения энергоэффективности и снижения углеродоемкости мировой экономики [1].

В настоящее время АБХМ уделяется повышенное внимание [2 — 8]. Результаты исследований систем охлаждения и кондиционирования воздуха с использованием абсорбционных бро-мисто-литиевых холодильных машин на солнечной энергии и ВЭР представлены в работах [2, 4, 8-14].

Анализ термодинамических циклов АБХМ рассмотрен в ряде исследований [11, 12, 15, 16 — 21]. Одноступенчатый цикл имеет наибольшее распространение, и поэтому является базовым. Изучение возможностей других циклов, определение их преимуществ удобнее всего вести в сопоставлении с одноступенчатым базовым циклом. Термодинамические циклы АБХМ, включающие в себя многоступенчатую абсорбцию,

а также единовременно многоступенчатые абсорбцию и генерацию раствора могут быть осуществлены посредством внешне связанных процессов переноса теплоты или массы. Данные циклы осуществляются в области более низких концентраций раствора в сравнении с циклом с двухступенчатой генерацией. Это уменьшает опасность кристаллизации раствора при эксплуатации АБХМ. При прочих равных параметрах для осуществления этих циклов требуется меньшая температура греющего источника в сравнении с базовым циклом. Поэтому в таких циклах возможно эффективное использование в качестве греющей среды низкотемпературных ВЭР и энергии солнца. Названные положительные качества этих циклов свидетельствуют об актуальности их изучения.

Методы исследования

В работе выполнено исследование термодинамических циклов с одно- и многоступенчатыми процессами абсорбции и генерации раствора с внешне связанным потоком массы.

Действительный термодинамический одноступенчатый цикл абсорбционной бромисто-лити-евой холодильной машины представлен на рис. 1.

Основные процессы термодинамического цикла: 1 — 1' — кипение рабочего вещества в испарителе; 2 — 7 — нагрев слабого раствора в теплообменнике растворов; 7 — 5 — адиабатно-изобарная десорбция пара рабочего вещества; 5— 4 — кипение раствора в генераторе; 4— 8 —

Рис. 1. Термодинамический цикл одноступенчатой АБХМ

Fig. 1. The thermodynamic cycle of a single-stage Absorption Bromine Lithium Refrigeration Machine

Рис. 2. Термодинамический цикл АБХМ с двухступенчатой абсорбцией и двухступенчатой генерацией раствора с внешне связанным потоком массы Fig. 2. The thermodynamic cycle of a ABLRM with two-stage absorption and two-stage solution generation with an externally coupled mass flow

О E О c

5 2

x z

si* S

* I < >

<" <

S S

О «

О о

охлаждение крепкого раствора в теплообменнике растворов; 8 — 2 — адиабатно-изобарная абсорбция пара рабочего вещества в абсорбере; 3' — 3 — отвод теплоты перегрева и конденсация пара рабочего вещества в конденсаторе.

На рис. 2 показан действительный термодинамический цикл абсорбционной бромисто-лити-евой холодильной машины с двухступенчатой абсорбцией и двухступенчатой генерацией раствора с внешне связанным потоком массы (двухступенчатая АБХМ). В цикле два контура циркуляции раствора: высокотемпературный 51—41—81—21 и низкотемпературный 52 — 42 — 82 — 22. Внешне связанный процесс переноса массы осуществляется между генератором низкой (второй) ступени и абсорбером высокой (первой) ступени. Пар хладагента, выпариваемый в генераторе низкого давления, абсорбируется в абсорбере высокого давления.

Основные процессы термодинамического цикла: 1 — 1' — кипение рабочего вещества в испарителе; 22 — 72 — нагрев слабого раствора в теплообменнике растворов второй ступени; 72 — 52 — адиабатно-изобарная десорбция пара рабочего вещества; 52 — 42 — кипение раствора в генераторе второй ступени; 42 — 82 — охлаждение крепкого раствора в теплообменнике растворов второй ступени; 82 — 22 — адиабатно-изобарная абсорбция пара рабочего вещества в абсорбере второй ступени; 21—71 — нагрев слабого раствора в теплообменнике растворов первой ступени; 71—51 — адиабатно-изобарная десорбция пара рабочего вещества; 51—41 — кипение раствора в генераторе первой ступени; 41—81 — охлаждение крепкого раствора в теплообменнике растворов первой ступени; 81—21 — адиабатно-изобарная абсорбция пара рабочего вещества в абсорбере первой ступени;

3' — 3 — отвод теплоты перегрева и конденсация пара рабочего вещества в конденсаторе.

Действительный термодинамический цикл абсорбционной бромисто-литиевой холодильной машины с трехступенчатой абсорбцией и трехступенчатой генерацией раствора с внешне связанным потоком массы (трехступенчатая АБХМ) изображен на рис. 3. В цикле три контура циркуляции раствора. Внешне связанные потоки массы — пары хладагента из генераторов третьей и второй ступеней абсорбируются в абсорберах соответственно второй и первой ступеней.

Основные процессы термодинамического цикла: 1—1' — кипение рабочего вещества в испарителе; 23 — 73 — нагрев слабого раствора в теплообменнике растворов третьей ступени; 73 — 53 — адиабатно-изобарная десорбция пара рабочего вещества; 53 — 43 — кипение раствора в генераторе третьей ступени; 43 — 83 — охлаждение крепкого раствора в теплообменнике растворов третьей ступени; 83 — 23 — адиабат-но-изобарная абсорбция пара рабочего вещества в абсорбере третьей ступени; 22 — 72 — нагрев слабого раствора в теплообменнике растворов второй ступени; 72 — 52 — адиабатно-изобарная десорбция пара рабочего вещества; 52 — 42 — кипение раствора в генераторе второй ступени; 42 — 82 — охлаждение крепкого раствора в теплообменнике растворов второй ступени; 82 — 22 — адиабатно-изобарная абсорбция пара рабочего вещества в абсорбере второй ступени 21—71 — нагрев слабого раствора в теплообменнике растворов первой ступени; 71—51 — адиабатно-изобарная десорбция пара рабочего вещества; 51—41 — кипение раствора в генераторе первой ступени; 41—81 — охлаждение крепкого раствора в теплообменнике растворов первой ступени; 81—21 — адиабатно-изобарная абсорбция пара рабочего вещества в абсорбере первой ступени; 3'—3 — отвод теплоты перегрева и конденсация пара рабочего вещества в конденсаторе.

Методика расчета

Удельный тепловой поток генератора одноступенчатой АБХМ, кДж/кг

Та = П1' + (п - Оо - п2 ( о) •

ыо = ок + (п - 1)о/ - а • Л7 ,

Удельный теплово— поток обсораеров многоступенчатых АБХМ, кДж—кг

— треыья атепен+

Ы"п;з в 0ек +

— втоыая ттекено

Ыпт = еээ' + 2по " О+2 " п4 • отт)

— перыпя ступень

Ып1 == езт' +) (п1 - О еб:( ^ <-1 • лббэ • 01

Удельный теплывой ое+оп иcпсpиоa—- п)е.но -ступенчатый и мн-го стцлончатых А1ХМ, -Дж/ег

Ы о = о 1 ' - Лэ •

Удельный теплоыой поток aoндoБoсоoпп oдaoо ступенчатой АБХМы кЦтокг

Ио = о3' - Лз •

о о еоо

Удельный теплыыой пoтв)) кoвдoБсою-« -но-гоступенчатыи А+оИэыЛ, дДж0кc

ыы й оэо' - оз •

Тепловой коэффшои+от пощ оступен^(2тоо АБХМ, кДж/кг

о

Оо

И о

о 12)

Тепловой кыэ ффит-ионт двухступенчатой АБХМ, кДж/кг

Оо

Оо1 + Оо

Тепловой коэффициент трехступенчатой АБХМ, кДж/кг

с = -

Оо

Оо1 + Ооо + Оо

где а — кратност ь циркул^щии кг/к г.

Удельный ыеплтвой поток -еноратопов оного-ступенчатых АБ X М, кДж/кт

— третыя ступтн ь

ыоэ = оээ' + "° пэ - пэ

— вто|ыая стуопено

ыыт й ^ +

— первм ттог[е13]з

Ой й оэо +

Удельньш теоеовoa ют1К б°еоaбepе одноступенчатой ЫЫБХ]Й^I кДжпкг

Результаты исследования

Для сравнительного анализа эффективности термодинамических циклов при различных схем-ныхрюшениях АБХМ в зависимости от различных параметров внешних источников был разработан проге аммный комплекс, созданный при помощи компилятора д£оГ;гап. Данная математическая модель позволяет рассчитывать термо-динамиче ские циклы АБХМ с одно- и многоступенчатыми процессами абсорбции и генерации в шиеоком диапазоне изменения параметров вне ае их источников. Программный комплекс состоит из головной программы и ряда подпро-грам ае геод исходных данных и вывод резуль-

о о м М О С

1Ч

1

л О И

I»

N1

ОИ О О Е н Т х

>О

2 А

К > О

1 о

<20 V <">

< 7) ОО

Рис. 3. Термодинамический цикл АБХМ с трехступенчатой абсорбцией и трехступенчатой генерацией раствора с внешне связанным потоком массы Fig. 3. The thermodynamic cycle of a ABLRM with three-stage absorption and three-stage solution generation with an externally coupled mass flow

С

Mit = 12°С = const

и

/ г i

/ / L

/

< >

70 75 80 85 90 95 100 105 110 1Шм,°С

-*-Ы=20°С -•— twi = 30°С : twl = 40°С

-»- i,ri=25°C г»1=35°С

Рис. 4. График зависимости теплового коэффициента одноступенчатой АБХМ от температуры греющего и охлаждающего источников Fig. 4. Dependence of the coefficient of performance of a single-stage ABLRM from the temperature of heating and cooling sources

О Е О с

35 2

х z

Sa

* I < >

<" <

S S

О ai О О

татов осуществляется отдельными файлами. Разработанная комплексная математическая модель включает в себя следующие подпрограммы: расчет параметров точек термодинамических циклов; расчет тепловых нагрузок на аппараты; определение теплового коэффициента. Термодинамические свойства водяного пара, воды и водного раствора бромистого лития [22 — 24] определялись по уравнениям [25].

Расчеты выполнялись при следующих исходных данных: температура охлаждаемого источника ^ = 12 °С, температура охлаждающего источника составила ( , = , = ,, = ,„ = ( ,,= = 20; 25; 30; 35; 40 °С, температура греющего источника варьировалась в пределах = ^ = = ^Л12 = ^Л13 (45 — 120) °С, необратимые потери действительного цикла были приняты согласно рекомендациям, изложенным в литературе [25]

с

0.44

0,42 0.4 0.38 0,36 0.34

0,3

0.28

/ 1

/ / ! к

/ f

¿1 = 12 °С = соп,

si / >

Â (

55 60

M = 20°С

Ыл = 25°С

65 70 75

: - M = 30°С iwi = 35°С

80 85 thl, °С Ui = 40°С

Рис. 5. График зависимости теплового коэффициента двухступенчатой АБХМ от температуры греющего и охлаждающего источников Fig. 5. Dependence of the coefficient of performance of a two-stage ABLRM from the temperature of heating and cooling sources

О

IS 1>

Ni

OS О О E н T x >0 z А

К > О

i о

О

< К

O О

Рис. 6. График зависимости теплового коэффициента трехступенчатой АБХМ от температуры греющего и охлаждающего источников Fig. 6. Dependence of the coefficient of performance of a three-stage ABLRM from the temperature of heating and cooling sources

и составили: недорекуперация теплоты на теплой стороне конденсатора Д£к = 3 °С, на холодной стороне испарителя Д(и = 3 °С, на теплой стороне генератора Д£г = 3 °С, на холодной стороне абсорбера Д(а = 3 °С, на холодной стороне теплообменника растворов Д£то = 15 °С, недовы-паривание крепкого раствора в генераторе Д^г = = 2,5 %, недонасыщение слабого раствора в абсорбере Д^а= 1,5 %, гидравлическое сопротивле-

ние прохождению пара из испарителя в абсорбер Дри-а = 0,13 кПа.

Результаты расчета одноступенчатой АБХМ представлены на рис. 4.

В результате расчета установлено, что одноступенчатый цикл при условии недопущения кристаллизации раствора осуществим при температуре греющего источника £ = (70—115) °С, температура охлаждающей воды £ должна быть

Рис. 7. График зависимости теплового коэффициента от зоны дегазации Fig. 7. Dependence of the coefficient of performance from the degassing zone

t, °c 100

90

80

70

60

50

40

30

20

--

-

-1 1

Ы = 12° С = const

ж-----

3 4 5Дс, %

одноступенчатая АБХМ двухступенчатая АБХМ трехступенчатая АБХМ

thU °С twl, °С

thu °С

hi, °С

-ж- д(,

Рис. 8. График зависимости температуры греющего и охлаждающего источников от зоны дегазации Fig. 8. Dependence of the temperature of heating and cooling sources from the degassing zone

оc x g

P < >

<" <

S g

О со

О О

не более 40 °С. При этом действительный тепловой коэффициент цикла находится в пределах ^ = 0,57 — 0,81.

Результаты расчета двухступенчатой АБХМ представлены на рис. 5.

В результате расчета установлено, что одноступенчатый цикл при условии недопущения кристаллизации раствора осуществим при температуре греющего источника £ = (55 — 85) °С, температура охлаждающей воды ^ должна быть

не более 40 °С. При этом действительный тепловой коэффициент цикла находится в пределах ^ = 0,30 — 0,43.

Результаты расчета трехступенчатой АБХМ представлены на рис. 6.

В результате расчета установлено, что одноступенчатый цикл при условии недопущения кристаллизации раствора осуществим при температуре греющего источника £ = (50 — 75) °С, температура охлаждающей воды £ должна быть

не более 40 °С. При этом действительный тепловой коэффициент цикла находится в пределах Z = 0,2 — 0,29.

При проведении исследования выяснилось, что зона дегазации в некоторых циклов достигала Д^ = 22 %, что свойственно теоретическим циклам, поэтому были выполнены расчеты с учетом реальных значений зоны дегазации. Как правило, в действительных циклах зона дегазации составляет Д^ = (3 — 5) %. Результаты данного расчета приведены на рис. 7 и 8.

Из графика на рис. 7 видно, что с учетом реальных значений зоны дегазации действительный тепловой коэффициент находится в пределах: для одноступенчатой АБХМ Z = 0,68 — 0,74, для двухступенчатой АБХМ Z = 0,36 — 0,39 и для трехступенчатой АБХМ Z = 0,24 — 0,26.

Из графика на рис. 8 видно, что для реальных значений зоны дегазации циклы осуществимы при температуре охлаждающей среды t = (28,5 — 32,4) °С и температурах греющего источника для одноступенчатой АБХМ thl = (93,3 — 97,9) °С, для двухступенчатой АБХМ thl = (73,0 — 75,0) °С, для трехступенчатой АБХМ thl = (66,8-68,1) °С.

Выводы

В результате проведенного исследования, установлено, что изучаемые циклы при условии недопущения кристаллизации раствора и с учетом реальных значений зоны дегазации, а также при величине температуры охлаждаемой воды ts1 = 12 °С осуществимы при температуре охлаждающей среды tw1 = (28,5-32,4) °С, температура греющего источника должна составлять: для одноступенчатой АБХМ th1 = (93,3-97,9) °С, для двухступенчатой АБХМ tM = (73,0 - 75,0) °С, для трехступенчатой АБХМ th1 = (66,8-68,1) °С. Действительный тепловой коэффициент находится в пределах: для одноступенчатой АБХМ Z = = 0,68-0,74, для двухступенчатой АБХМ Z = = 0,36-0,39 и для трехступенчатой АБХМ Z = = 0,24-0,26.

Список источников

1. Global Energy & CO2 Status Report 2018 // International Energy Agency. 2019. URL: https://nangs.org/ analytics/iea-global-energy-co2-status-report-eng-pdf (дата обращения: 26.01.2020).

2. Bujedo L. A., Rodriguez J., Martinez P. J. Experimental results of different control strategies in a solar air-conditioning system at part load // Solar Energy. 2011. Vol. 85 (7). P. 1302-1315. DOI: 10.1016/j.solener.2011.03.009.

3. Lizarte R., Izquierdo M., Marcos J. D., Palacios E. An innovative solar-driven directly air-cooled LiBr-H20 absorption chiller prototype for residential use // Energy Build. 2012. Vol. 47. P. 1-11. DOI: 10.1016/j.enbuild.2011.11.011.

4. Ketfi O., Merzouk M., Merzouk N. K., Bourouis M. Feasibility study and performance evaluation of low capacity water-LiBr absorption cooling systems functioning in different Algerian climate zones // International Journal of Refrigeration. 2017. Vol. 82. P. 36-50. DOI: 10.1016/j. ijrefrig.2017.07.002.

5. Chena J. F., Daia Y. J., Wang H. B. [et al.]. Experimental investigation on a novel air-cooled single effect LiBr-H2O absorption chiller with adiabatic flash evaporator and adiabatic absorber for residential application // Solar Energy.

2018. Vol. 159. P. 579-587. DOI: 10.1016/j.solener.2017. 11.029.

6. Sabbagh A. A., Gуmez J. M. Optimal control of single stage LiBr/water absorption chiller // International Journal of Refrigeration. 2018. Vol. 92. P. 1-9. DOI: 10.1016/j. ijrefrig.2018.05.007.

7. Shiue A., Hu S., Chiang K. Effect of operating variables on performance of an absorption chiller driven by heat from municipal solid waste incineration // Sustain. Energy Technol. Assess. 2018. Vol. 27. P. 134-140. DOI: 10.1016/j. seta.2018.04.008.

8. Al-Ugla A. A., El-Shaarawi M. A. I., Said S. A. M. Alternative designs for a 24-hours operating solarpowered LiBr-water absorption air-conditioning technology // International Journal of Refrigeration. 2015. Vol. 53. P. 90100. DOI: 10.1016/j.ijrefrig.2015.01.010.

9. Li M., Xu C., Hassanien R. H. E. [et al.]. Experimental investigation on the performance of a solar powered lithium bromide - water absorption cooling system // International Journal of Refrigeration. 2016. Vol. 71, P. 46-59. DOI: 10.1016/j.ijrefrig.2016.07.023.

10. Lubis A., Jeong J., Giannetti N. [et al.]. Operation performance enhancement of single-double-effect absorption chiller // Applied Energy. 2018. Vol. 219. P. 299-311. DOI: 10.1016/j.apenergy.2018.03.046.

11. Xu Z. Y., Wang R. Z. Comparison of CPC driven solar absorption cooling systems with single, double and variable effect absorption chillers // Solar Energy. 2017. Vol. 158. P. 511-519. DOI: 10.1016/j.solener.2017.10.014.

12. Martinez P. J., Martinez J. C., Martinez P. Performance comparison of solar autonomous and assisted absorption systems in Spain // International Journal of Refrigeration. 2016. Vol. 71. P. 85-93. DOI: 10.1016/j.ijrefrig.2016.08.009.

13. Muye J., Ayou D. S., Saravanan R., Coronas A. Performance study of a solar absorption power-cooling system // Applied Thermal Engineering. 2016. Vol. 97. P. 59-67. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2015.09.034.

14. Chahartaghi M., Golmohammadi H., Shojaei A. F. Performance analysis and optimization of new double effect lithium bromide - water absorption chiller with series and parallel flows // International Journal of Refrigeration.

2019. Vol. 97. P. 73-87. DOI: 10.1016/j.ijrefrig.2018.08. 011.

15. Sarabia Escriva E. J., Lamas Sivila E. V., Soto Frances V. M. Air conditioning production by a single effect absorption cooling machine directly coupled to a solar collector field. Application to Spanish climates // Solar Energy. 2011. Vol. 85. P. 2108-2121. DOI: 10.1016/j.solener.2011.05.019.

16. Xu Z. Y., Wang R. Z. Absorption refrigeration cycles: Categorized based on the cycle construction // International Journal of Refrigeration. 2016. Vol. 62. P. 114-136. DOI: 10.1016/j.ijrefrig.2015.10.007.

17. She X., Yin Y., Xu M., Zhang X. A novel low-grade heat-driven absorption refrigeration system with LiCl-H2O and LiBr-H2O working pairs // International Journal of Refrigeration. 2015. Vol. 58. P. 219-234. DOI: 10.1016/j. ijrefrig.2015.06.016.

18. Степанов К. И., Мухин Д. Г., Волкова О. В., Бара-ненко А. В. Анализ COP термодинамического цикла АБХМ с двухступенчатой абсорбцией при получении отрицательных температур охлаждения // Вестник Международной академии холода. 2016. № 1. C. 86-92. DOI: 10.21047/16064313-2016-16-1-86-92.

19. Aprile M., Toppi T., Garone S., Motta M. STACY-A mathematical modelling framework for steady-state simulation of absorption cycles // International Journal of Refrigeration. 2018. Vol. 88. P. 129-140. DOI: 10.1016/j.ijrefrig.2017. 12.019.

О

IS 1> N1

OS g о E н T x >0 z А

К > О

i О

О

< К

O О

20. Bowle D., Cruickshank C. A. Experimental evaluation of a triple-state sorption chiller // International Journal of Refrigeration. 2017. Vol. 81. P. 12-25. DOI: 10.1016/j. ijrefrig.2017.05.009.

21. Izquierdoa M., Venegas M., Rodriguez P., Lecuona A. Crystallization as a limit to develop solar air-cooled LiBr-H2O absorption systems using low-grade heat // Solar Energy Materials & Solar Cells. 2004. Vol. 81. P. 205-216. DOI: 10.1016/j.solmat.2003.11.002.

22. Ривкин С. А., Александров A. A. Термодинамические свойства воды и водяного пара. М.: Энергия, 1980. 424 с.

23. Löwer H. Thermodynamische Eigenschaften und Wärme — Diagramm der binären Sуstеms Lithiumbromid-Wässer // Kältetechnik. 1961. Nu. 5. S. 178-184.

24. Верба О. И., Груздев В. А., Захаренко Л. Г. [и др.]. Термодинамические свойства водных растворов бромистого лития // Теплофизические свойства растворов. Новосибирск: Изд-во ИТФ СО АН СССР, 1983. С. 19-34.

25. Бараненко А. В., Тимофеевский Л. С., Долотов А. Г., Попов А. В. Абсорбционные преобразователи теплоты: мо-ногр. СПб.: Изд-во СПбГУНиПТ, 2005. 338 с. ISBN 5-89565-116-X.

МАЛИНИНА Ольга Сергеевна, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент факультета низкотемпературной энергетики. SPIN-код: 6840-9272; AuthorlD (РИНЦ): 709687 Адрес для переписки: holmash_malinina@mail.ru БАРАНЕНКО Александр Владимирович, доктор технических наук, профессор (Россия), советник при ректорате.

SPIN-код: 5621-0524; AuthorlD (РИНЦ): 173759 Адрес для переписки: baranenko@mail.ifmo.ru

Для цитирования

Малинина О. С., Бараненко А. В. Сопоставление эффективности термодинамических циклов абсорбционных бромисто-литиевых холодильных машин // Омский научный вестник. Сер. Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2020. Т. 4, № 2. С. 27-36. DOI: 10.25206/2588-0373-2020-4-2-27-36.

Статья поступила в редакцию 03.03.2020 г. © О. С. Малинина, А. В. Бараненко

UDC 621.5

DOI: 10.25206/2588-0373-2020-4-2-27-36

EFFICIENCY COMPARISON OF THERMODYNAMIC CYCLES OF LITHIUM BROMIDE-WATER ABSORPTION REFRIGERATION MACHINES

O. S. Malinina, A. V. Baranenko

ITMO University, Russia, Saint Petersburg, Kronverkskiy Ave., 49, 197101

The energy efficiency analysis of the actual thermodynamic cycles of lithium bromide-water absorption refrigeration machines (ABLRM) with single- and multi-stage processes of absorption and generation and with associated mass flow is carried out. The temperature influence analysis of the heating and cooling sources on the heat coefficient is performed. Parameters of external sources that allow implementation of these thermodynamic cycles are determined. Meanwhile, for cycles with two-stage absorption and generation processes, a heating source with temperature (20—24) °C lower in comparison with the basic single-stage cycle, and for a cycle with three-stage processes—lower by (27—30) °C is required. It has been established that with the accepted parameters of external sources, the actual coefficient of performance is within the limits: for a single-stage ABLRM) it is 0,68—0,74, for a two-stage ABLRM, it is 0,36-0,39 and for a three-stage ABLRM, it is 0,24-0,26.

Keywords: efficiency, actual thermodynamic cycle, lithium bromide-water absorption refrigeration machine (ABLRM), coupled mass flow, coefficient of performance.

O

IIS IBS 3!

OS g o E h T x >0 z A > O

ï o

O

< K

O o

References

1. Global Energy & CO2 Status Report 2018 // International Energy Agency. 2019. URL: https://nangs. org/analytics/iea-global-energy-co2-status-report-eng-pdf (accessed: 26.01.2020). (In Engl.).

2. Bujedo L. A., Rodriguez J., Martinez P. J. Experimental results of different control strategies in a solar air-conditioning system at part load // Solar Energy. 2011. Vol. 85 (7). P. 1302-1315. DOI: 10.1016/j.solener.2011.03.009. (In Engl.).

3. Lizarte R., Izquierdo M., Marcos J. D., Palacios E. An innovative solar-driven directly air-cooled LiBr-H20 absorption chiller prototype for residential use // Energy Build. 2012. Vol. 47. P. 1-11. DOI: 10.1016/j.enbuild.2011.11.011. (In Engl.).

4. Ketfi O., Merzouk M., Merzouk N. K., Bourouis M. Feasibility study and performance evaluation of low capacity water—LiBr absorption cooling systems functioning in different Algerian climate zones // International Journal of Refrigeration. 2017. Vol. 82. P. 36 — 50. DOI: 10.1016/j. ijrefrig.2017.07.002. (In Engl.).

5. Chena J. F., Daia Y. J., Wang H. B. [et al.]. Experimental investigation on a novel air-cooled single effect LiBr-H2O absorption chiller with adiabatic flash evaporator and adiabatic absorber for residential application // Solar Energy. 2018. Vol. 159. P. 579 — 587. DOI: 10.1016/j.solener.2017.11.029. (In Engl.).

6. Sabbagh A. A., Gymez J. M., Optimal control of single stage LiBr/water absorption chiller // International Journal of Refrigeration. 2018. Vol. 92. P. 1—9. DOI: 10.1016/j. ijrefrig.2018.05.007. (In Engl.).

7. Shiue A., Hu S., Chiang K. Effect of operating variables on performance of an absorption chiller driven by heat from municipal solid waste incineration // Sustain. Energy Technol. Assess. 2018. Vol. 27. P. 134—140. DOI: 10.1016/j. seta.2018.04.008. (In Engl.).

8. Al-Ugla A. A., El-Shaarawi M. A. I, Said S. A. M. Alternative designs for a 24-hours operating solarpowered LiBr-water absorption air-conditioning technology // International Journal of Refrigeration. 2015. Vol. 53. P. 90—100. (In Engl.).

9. Li M., Xu C., Hassanien R. H. E., Xu Y., Zhuang B. Experimental investigation on the performance of a solar powered lithium bromide—water absorption cooling system // International Journal of Refrigeration. 2016. Vol. 71. P. 46 — 59. DOI: 10.1016/j.ijrefrig.2016.07.023. (In Engl.).

10. Lubis A., Jeong J., Giannetti N. [et al.]. Operation performance enhancement of single-double-effect absorption chiller // Applied Energy. 2018. Vol. 219. P. 299 — 311. DOI: 10.1016/j.apenergy.2018.03.046. (In Engl.).

11. Xu Z. Y., Wang R. Z. Comparison of CPC driven solar absorption cooling systems with single, double and variable effect absorption chillers // Solar Energy. 2017. Vol. 158. P. 511—519. DOI: 10.1016/j.solener.2017.10.014. (In Engl.).

12. Martinez P. J., Martinez J. C., Martinez P. Performance comparison of solar autonomous and assisted absorption systems in Spain // International Journal of Refrigeration. 2016. Vol. 71. P. 85 — 93. DOI: 10.1016/j.ijrefrig.2016.08.009. (In Engl.).

13. Muye J., Ayou D. S., Saravanan R., Coronas A. Performance study of a solar absorption power-cooling system // Applied Thermal Engineering. 2016. Vol. 97. P. 59 — 67. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2015.09.034. (In Engl.).

14. Chahartaghi M., Golmohammadi H., Shojaei A. F. Performance analysis and optimization of new double effect lithium bromide — water absorption chiller with series and parallel flows // International Journal of Refrigeration. 2019. Vol. 97. P. 73 — 87. DOI: 10.1016/j.ijrefrig.2018.08.011. (In Engl.).

15. Sarabia Escriva E. J., Lamas Sivila E. V., Soto Frances V. M. Air conditioning production by a single effect absorption cooling machine directly coupled to a solar collector

field. Application to Spanish climates // Solar Energy. 2011. Vol. 85. P. 2108-2121. DOI: 10.1016/j.solener.2011.05.019. (In Engl.).

16. Xu Z. Y., Wang R. Z. Absorption refrigeration cycles: Categorized based on the cycle construction // International Journal of Refrigeration. 2016. Vol. 62. P. 114-136. DOI: 10.1016/j.ijrefrig.2015.10.007. (In Engl.).

17. She X., Yin Y., Xu M., Zhang X. A novel low-grade heat-driven absorption refrigeration system with LiCl-H2O and LiBr-H2O working pairs // International Journal of Refrigeration. 2015. Vol. 58. P. 219-234. DOI: 10.1016/j. ijrefrig.2015.06.016. (In Engl.).

18. Stepanov K. I., Mukhin D. G., Volkova O. V., Baraneko A. V. Analiz COP termodinamicheskogo tsykla ABKHM s dvukhstupenchatoy absorbtsiey pri poluchenii otritsatel'nykh temperatur okhlazhdeniya [Analysis of COP thermodynamic cycle LBAC with two-level absorption when obtaining negative temperatures of cooling] // Vestnik Mezhdunarodnoy akademii kholoda. Journal of International Academy of Refrigeration. 2016. Vol. 1. P. 86-92. DOI: 10.21047/1606-4313-2016-16-1-86-92. (In Russ.).

19. Aprile M., Toppi T., Garone S., Motta M. STACY-A mathematical modelling framework for steady-state simulation of absorption cycles // International Journal of Refrigeration. 2018. Vol. 88. P. 129-140. DOI: 10.1016/j.ijrefrig.2017.12.019. (In Engl.).

20. Bowie D., Cruickshank C. A. Experimental evaluation of a triple-state sorption chiller // International Journal of Refrigeration. 2017. Vol. 81. P. 12-25. DOI: 10.1016/j. ijrefrig.2017.05.009. (In Engl.).

21. Izquierdoa M., Venegas M., Rodriguez P., Lecuona A. Crystallization as a limit to develop solar air-cooled LiBr-H2O absorption systems using low-grade heat // Solar Energy Materials & Solar Cells. 2004. Vol. 81. P. 205-216. DOI: 10.1016/j.solmat.2003.11.002. (In Engl.).

22. Rivkin S. A., Aleksandrov A. A. Termodinamicheskiye svoystva vody i vodyanogo para [Thermodynamic properties of the water and steam]. Moscow, 1980. 424 p. (In Russ).

23. Löwer H. Thermodynamische Eigenschaften und Wärme-Diagramm der binären Systems Lithiumbromid-Wässer // Kältetechnik. 1961. Nu. 5. S. 178-184. (In Germ.).

24. Verba O. I., Gruzdev V. A., Zakharenko L. G. [et al.]. Termodinamicheskie svoystva vodnykh rastvorov bromistogo litiya [Thermodynamic properties of aqueous solutions of lithium bromide] // Teplofizicheskiye svoystva rastvorov [Thermophysical properties of solutions]. Novosibirsk, 1983. P. 19-34. (In Russ).

25. Baranenko A. V., Timofeevskiy L. S., Dolotov A. G., Popov A. V. Absorbtsionnye preobrazovateli teploty [Absorption converters of heat]. St. Petersburg, 2005. 338 p. ISBN 5-89565-116-X. (In Russ.).

MALININA Olga Sergeevna, Candidate of Technical

Sciences, Associate Professor of Cryogenic

Engineering Faculty.

SPIN-code: 6840-9272

AuthorlD (RSCI): 709687

Address for correspondence:

holmash_malinina@mail.ru

BARANENKO Aleksandr Vladimirovich, Doctor of Technical Sciences, Professor, Advisor to Rector's Office.

SPIN-code: 5621-0524 AuthorlD (RSCI): 173759 Address for correspondence: baranenko@mail.ifmo.ru

For citations

Malinina O. S., Baranenko A. V. Efficiency comparison of thermodynamic cycles of lithium bromide-water absorption refrigeration machines // Omsk Scientific Bulletin. Series Aviation-Rocket and Power Engineering. 2020. Vol. 4, no. 2. P. 27-36. DOI: 10.25206/2588-0373-2020-4-2-27-36.

Received March 3, 2020. © O. S. Malinina, A. V. Baranenko