АБХМ: как работает абсорбционная машина и когда она выгоднее чиллера

Абсорбционная холодильная машина (АБХМ) делает холод не из электричества, а из тепла: пара, горячей воды от 80 °C, природного газа или выхлопа двигателя. Сама машина берёт из сети 5–10 кВт на 1 МВт холода, компрессорному чиллеру на ту же мощность нужно 200–350 кВт. АБХМ выгоднее там, где тепло дешёвое или бросовое, электрической мощности не хватает, а холод нужен от 3000–4000 часов в год.

«Энергия холода» — эксклюзивный представитель Thermax: абсорбционные машины мы не производим, а подбираем, поставляем, запускаем и обслуживаем. Ниже то, что я объясняю главному инженеру завода на первой встрече: как машина устроена, где окупается и где честнее поставить обычный чиллер.

Как работает абсорбционная холодильная машина?

АБХМ — это холодильная машина, в которой вместо механического компрессора работает тепло. Хладагент в ней — обычная вода, поглотитель (абсорбент) — раствор бромистого лития, соли, похожей по свойствам на поваренную. Внутри машины глубокий вакуум, около 6 мм ртутного столба, поэтому вода кипит при 3–5 °C и отбирает тепло у воды, которая идёт потребителю.

Цикл держат четыре аппарата. В испарителе вода кипит и охлаждает воду потребителя. В абсорбере крепкий раствор бромистого лития поглощает этот пар. Разбавленный раствор насос подаёт в генератор, где пар, горячая вода или горелка выпаривают из него воду. Пар конденсируется в конденсаторе и возвращается в испаритель, крепкий раствор — в абсорбер.

Заказчикам я называю это «химическим компрессором»: работу электродвигателя чиллера здесь делает тепло. Фреона и компрессора нет, движутся только насосы раствора и хладагента.

Стандартная температура холода — вода +7/+12 °C, рабочий диапазон на выходе — от 0 до +25 °C. Глубже −5 °C бромистолитиевая абсорбция не работает.

Какие бывают АБХМ: на паре, горячей воде, газе и выхлопе

АБХМ различают по источнику тепла и по числу ступеней. Одноступенчатая машина работает на горячей воде 70–110 °C или паре низкого давления, её тепловой коэффициент (COP — отношение холода к затраченному теплу) около 0,7. Двухступенчатая требует пара 4–9 бар, газа или выхлопа, зато даёт COP 1,30–1,45: почти вдвое больше холода с той же тонны пара.

Источник тепла	Серии Thermax	Ступени	COP	Что нужно от объекта
Горячая вода	LT, 5G, HS, 2G	одна	около 0,7	вода 70–110 °C, экономически — от 80 °C
Пар низкого давления	SS	одна	около 0,7	давление у клапана, сухость пара, возврат конденсата
Пар	SD, 2B	две	1,30–1,45	пар 1,4–9,9 бар
Газ, прямое сжигание	2V, GD	две	1,40–1,45	газ 60–100 мбар перед горелкой, лимит газа
Выхлоп ГПУ или турбины	на выхлопных газах	одна или две	по паспорту	выхлоп 275–600 °C, допустимое противодавление двигателя

Эти цифры совпадают с независимыми данными. Министерство энергетики США в справке по абсорбционным машинам для когенерации приводит COP 0,70–0,79 для одноступенчатых и 1,35–1,42 для двухступенчатых машин.

Если на объекте пар 5 бар и выше, считайте двухступенчатую машину против одноступенчатой на горизонте 10 лет: разница в паре за сезон часто больше разницы в цене машин. Газовая машина прямого сжигания зимой может работать нагревателем на отопление. Машину на тепле газопоршневой установки разбираю в статье про тригенерацию.

Сколько электричества потребляет сама АБХМ?

Сама абсорбционная машина потребляет 5–10 кВт электричества на 1 МВт холода: это насосы раствора и хладагента и автоматика. У газовой машины добавляется горелка — от 0,75 до 15 кВт в зависимости от модели. Компрессорный чиллер на тот же мегаватт холода берёт сотни киловатт, 200–350 кВт в зависимости от машины и режима.

Важно не путать машину и станцию в сборе. Насосы трёх контуров и вентиляторы градирни тоже потребляют электричество. В нашем расчёте станции на 1000 кВт холода, где АБХМ работает на горячей воде от газопоршневой установки, электричество станции без вентиляторов градирни — около 66 кВт. Станция на чиллере с COP 5 и насосами — около 245 кВт, то есть в 3,5–4 раза больше.

На крупном объекте разница превращается в мегаватты. На дата-центре с 5000 кВт холода газовая АБХМ снижает пик электричества холодильного центра с 1 667 до 230 кВт, подробный расчёт — в статье про АБХМ для ЦОД. На бизнес-центре «Триумф Плаза» в Обнинске абсорбционная машина Thermax высвободила 1 МВт электрической мощности, и стоит она на 12-м этаже.

Когда АБХМ выгоднее компрессорного чиллера?

АБХМ выигрывает там, где тепло дешёвое или бесплатное, а электрическая мощность дорогая или её нет. На практике я проверяю пять условий:

1. На площадке есть бросовое тепло от 80 °C: горячая вода котельной летом, рубашка и выхлоп газопоршневой установки (ГПУ), пар после технологии, тепло печей.

2. Электрической мощности не хватает, а техприсоединение — это годы и отдельный бюджет.

3. Есть газ и лимит на него, а электричество дорогое — тогда подходит газовая машина прямого сжигания.

4. Объекту нужны одновременно электричество, тепло и холод — это задача тригенерации.

5. Нагрузка длинная: 3000–4000 часов в год и больше. Тогда окупаемость — 3–5 лет.

Самый наглядный случай из нашей практики — завод «Полиэф» компании СИБУР в Благовещенске. Терефталевую кислоту там сначала греют паром, а потом охлаждают водой 12 → 7 °C. Отработанный пар уходил в атмосферу, а холод делал компрессорный чиллер на 1000 кВт, который постоянно потреблял 300 кВт электричества. Мы поставили паровую машину Thermax SS 40A-CU на этот бросовый пар: 300 кВт электричества ушли из счёта, окупаемость составила несколько месяцев.

На заводе чипсов «Фрито Лей» пар от жарки картофеля идёт в абсорбционную машину, а она даёт воду 5–7 °C на кондиционирование того же цеха.

Для газовой машины есть простая граница. Если газ дороже 11 ₽/м³ или электричество дешевле 5 ₽/кВт·ч, газовая схема теряет экономический смысл. На бросовом тепле этой границы нет: топливо уже оплачено, вопрос только в часах работы и цене машины.

Когда АБХМ не подходит?

АБХМ не подходит, если её нечем греть, холода мало или он нужен ниже −5 °C. Я отговариваю заказчика в этих случаях, даже если он пришёл именно за абсорбционной машиной.

Условие	Почему не подходит	Что вместо
Нет источника тепла и не планируется	Машину нечем греть	Компрессорный чиллер
Холода меньше 100 кВт	Удельно дорого, мало моделей	Компрессорный чиллер
Нужна температура ниже −5 °C	Граница бромистолитиевой абсорбции	Компрессорный чиллер на гликоле
Объект работает меньше 2000 ч в год	Не окупится	Компрессорный чиллер
Нет места под градирню	Машине обязательно нужен отвод тепла водой	Пересмотреть площадку или схему
Газ дороже 11 ₽/м³ или электричество дешевле 5 ₽/кВт·ч	Газовая схема теряет смысл	Чиллер или машина на бросовом тепле
Нет нормальной воды и не будет водоподготовки	Накипь и коррозия трубок	Сначала водоподготовка, потом АБХМ

Что нужно учесть в проекте с абсорбционной машиной?

Главное отличие от чиллера — градирня. В градирню уходит и тепло потребителя, и всё тепло источника. Одноступенчатая АБХМ сбрасывает 2,45 кВт тепла на 1 кВт холода, двухступенчатая — 1,72 кВт, электрический чиллер с COP 5 — 1,20 кВт. Поэтому площадь под градирни у абсорбционной схемы в 2,3–2,5 раза больше, чем у компрессорной.

Градирню и насосы, подобранные «как для чиллера», АБХМ не потянет, и это всплывает в первое жаркое лето.

Второе — раствор боится холода. Слишком холодная вода с градирни переохлаждает концентрированный раствор, соль выпадает кристаллами, и машина встаёт. Отсюда обязательный байпас градирни и минимальная температура охлаждающей воды. Машину нельзя просто обесточить: при останове она уходит в разбавительный цикл. Провал питания до 3 минут она переживает, дольше — нужен ИБП или резервный ввод на разбавление.

Третье — вода. Без водоподготовки накипь садится в абсорбер и конденсатор: 1 мм отложений — около 14 % потери мощности и до 20 % роста энергопотребления. У нас был случай на торговом центре: через год после пуска трубки машины сгнили, хотя металл оказался той марки, что в спецификации. Заказчик промыл свой теплообменник кислотой, кислота попала в водяной контур, а на зиму воду из машины слили, хотя инструкция это запрещает. Капли в трубках испарялись, концентрация кислоты росла, пока не проела трубу насквозь.

Четвёртое — помещение. Машина заправлена водой, поэтому зал нужен отапливаемый: мы требуем выше +5 °C. Перекрытие считают по аварийной массе машины, залитой водой.

АБХМ или чиллер: обязательно выбирать одно?

Нет, частое правильное решение — АБХМ и чиллер в одной станции. Есть две схемы.

Последовательная: АБХМ стоит первой по ходу воды и снимает тёплую часть нагрузки, например 12 → 9 °C, а чиллер доохлаждает до 7 °C. Параллельная: АБХМ держит базу, электрический чиллер — пик и резерв. АБХМ выходит на режим около 30 минут, поэтому в дата-центре и непрерывной технологии рядом с ней нужен буфер или чиллер.

Третий компаньон АБХМ — погода. На заводе порошковой металлургии мы запустили станцию на 4,6 МВт холода с водой +7/+12 °C: абсорбционная машина Thermax, три градирни NCT и насосная группа NCT. Летом работает АБХМ, градирни отводят от неё тепло. В холодный сезон машина стоит, две градирни охлаждают воду с 12 до 7 °C и через теплообменники отдают её прямо на производство — это фрикулинг (свободное охлаждение наружным воздухом).

Расход через испаритель АБХМ должен быть постоянным: реле протока отключает машину при падении ниже 50 % номинала. Больше статей по теме — в разделе АБХМ и тригенерация.

Что в итоге

1. АБХМ делает холод из тепла: пара, горячей воды от 80 °C, газа или выхлопа. Хладагент — вода, абсорбент — раствор бромистого лития, внутри вакуум.

2. Сама машина потребляет 5–10 кВт электричества на 1 МВт холода против 200–350 кВт у компрессорного чиллера. Станция на 1000 кВт холода на АБХМ берёт из сети около 66 кВт против 245 кВт у чиллерной.

3. Одноступенчатая машина на горячей воде даёт COP около 0,7, двухступенчатая на паре или газе — 1,30–1,45.

4. АБХМ окупается за 3–5 лет, если есть дешёвое тепло или газ, не хватает электрической мощности и холод нужен от 3000–4000 часов в год. Газовая схема теряет смысл при газе дороже 11 ₽/м³ или электричестве дешевле 5 ₽/кВт·ч.

5. Градирня у одноступенчатой АБХМ сбрасывает вдвое больше тепла, чем у чиллера: площадь под градирни в 2,3–2,5 раза больше, водоподготовка обязательна.

Частые вопросы

Чем заправлена абсорбционная машина и безопасна ли она?

Машина заправлена деминерализованной водой и раствором бромистого лития — соли, похожей на поваренную. Внутри вакуум, а не давление, поэтому при разгерметизации воздух заходит внутрь, наружу ничего не выходит. Фреона в АБХМ нет.

Можно ли получить на АБХМ воду ниже +5 °C?

Да. Машины на горячей воде серий LT и 5G дают до 3,5 °C, газовые машины 2V — до 1 °C на воде и до −2 °C на гликоле, специальные исполнения — до −5 °C. Ниже — только компрессорная машина.

Что будет с АБХМ, если пропадёт электричество?

Провал до 3 минут машина переживает. При более долгом отключении нужен разбавительный цикл, иначе раствор может закристаллизоваться. Поэтому в проект закладывают ИБП или резервный ввод на машину.

Чем АБХМ отличается от абсорбционного теплового насоса?

Это одно семейство машин с теми же аппаратами. У АБХМ продукт — холодная вода, тепло уходит в градирню. У теплового насоса продукт — горячая вода 60–105 °C, а бросовое тепло он берёт у тёплой воды, которую раньше охлаждали; подробнее — в статье про абсорбционный тепловой насос.

Источники

• U.S. Department of Energy, Combined Heat and Power Technology Fact Sheet Series: Absorption Chillers for CHP Systems, DOE/EE-1608, май 2017: PDF — COP одноступенчатых 0,70–0,79, двухступенчатых 1,35–1,42.

• Thermax: каталоги и руководства по абсорбционным машинам серий LT, 5G, 2B, 2V, SD — диапазоны температур, давлений, требования к воде.

• Опыт и расчёты «Энергии холода»: подбор и поставка машин Thermax, проекты «Полиэф» (СИБУР), «Триумф Плаза», завод порошковой металлургии; сквозной расчёт станции на 1000 кВт холода.

Подобрать решение под ваш объект — получить консультацию