Способ работы абсорбционно-диффузионного холодильного агрегата и устройство для его осуществления

 

Использование: в холодильной технике, в частности в абсорбиционно-диффузионных холодильных агрегатах. Сущность изобретения: осуществляют дополнительное переохлаждение раствора, поступающего в абсорбер, путем теплоотвода в зону с температурами ниже окружающей среды: теплоотвод осуществляют от раствора, взаимодействующего с парогазовой смесью; теплоотвод осуществляют как от раствора, взаимодействующего с парогазовой смесью, так и от раствора, транспортируемого в абсорбер. Теплоотвод осуществляют путем испарения дополнительного теплоносителя с его последующей конденсацией и возвратом конденсата в зону испарения. Теплорассеивающие элементы связаны в тепловом отношении с каналом слабого раствора и с абсорбером; тепловая связь тепловоспринимающего и теплорассеивающих элементов осуществляется при помощи дополнительного теплопередающего устройства, реализующего испарительно-конденсационный цикл, при этом тепловая связь осуществляется при помощи тепловой трубы или двухфазного термосифона, или дополнительного теплопередающего устройства, работающего в режиме однофазного термосифона, или при помощи дополнительной теплопроводной пластины. Дополнительные теплопередающие элементы на участках между теплорассеивающими и тепловоспринимающими элементами покрыты тепловой изоляцией. 2 с. и 16 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к холодильной технике, в частности, к способам работы и устройствам абсорбцимонн-диффузионных холодильных агрегатов (АДХА).

Известен способ работы АДХА [1] путем генерации пара хладагента из раствора с последующим разделением пара и раствора, транспорта раствора в абсорбер с одновременным его переохлаждением в процессе регенеративного теплообмена с раствором, возвращающимся из абсорбера и в процессе теплообмена с окружающей средой, испарения хладагента при низком парциальном давлении в парогазовую смесь (ПГС) с обеспечением зон с температурами ниже окружающей среды и очистки ПГС от паров хладагента в абсорбере в процессе взаимодействия с раствором.

Недостатком известного способа является низкая эффективность, а именно, невозможность обеспечения достаточно низких температур испарения хладагента [1] Известен АДХА [1] содержащий тепловоспринимающий элемент испаритель и теплорассеивающие элементы канал слабого раствора и абсорбер, связанные в тепловом отношении с окружающей средой.

Недостатком известного АДХА является низкая эффективность работы, а именно невозможность получения достаточно низких температур на тепловоспринимающем элементе испарителе.

Цель изобретения повышение эффективности способа работы и устройства АДХА.

Цель достигается тем, что осуществляют дополнительное переохлаждение раствора, поступающего в абсорбер, путем теплоотвода в зону с температурами ниже окружающей среды.

Достижение цели позволит повысить эффективность способа в части значительного расширения (в сторону снижения) диапазона температур охлаждения по сравнению со способом-прототипом.

Способ-прототип реализуется во всех моделях АДХА, как за рубежом, так и в странах СНГ. Ограничение диапазона охлаждения температур в них обусловлено температурой окружающей среды. Окружающая среда здесь выступает в роли своеобразного "источника холода", к которому осуществляется теплоподвод от теплорассеивающих элементов АДХА, в частности, идет отвод тепла абсорбции и тепла переохлаждения слабого раствора, поступающего на вход абсорбера. При этом очевиден тотфакт, что для обеспечения теплоотвода необходим движущий температурный напор между источником холода (окружающей средой) и теплорассеивающими элементами. Таким образом, при работе АДХА теплорассеивающие элементы всегда будут иметь температуру выше окружающей среды. Из опыта практических разработок и испытаний моделей абсорбционных холодильников типа "Кристалл-404-1" и "Иней-М" авторам известно, что температура слабого раствора, поступающего на вход абсорбера, выше температуры окружающей среды на 5-7^оС, а средняя температура абсорбера на 15-16^оС. Путем увеличения поверхности теплорассеивания можно частично снизить температурные напоры, однако это не дает значительных эффектов, а вместе с тем приводит к резкому росту металлоемкости холодильного агрегата.

Эффект от использования предложенного способа заключается в следующем.

Известно, что уровень температур испарения определяется парциальным давлением хладагента в ПГС. Чем ниже содержание паров хладагента в ПГС, тем ниже уровень температур испарения. На уровень температур испарения значительное влияние оказывают и уровни температур очищенной ПГС и жидкого хладагента, поступающих на вход испарителя. Однако задачи переохлаждения их эффективно решаются в трехпоточных конструкциях испарителей и в рамках данной заявки не рассматриваются из-за их широкой известности.

Задача очистки ПГС от паров хладагента может быть решена за счет двух факторов: во-первых, за счет увеличения поверхности массообмена в процессе абсорбции, что нецелесообразно при теплосбросе в окружающую среду из-за увеличения металлоемкости; во-вторых, за счет увеличения силы процесса абсорбции разности массовой концентрации хладагента в ПГС и равновесной массовой концентрации хладагента в слабом растворе, поступающем на вход абсорбера.

Увеличение движущей силы за счет снижения массовой концентрации хладагента в слабом растворе может быть достигнуто двумя путями.

Первый путь это дополнительное выпаривание хладагента из раствора в генераторе АДХА. При этом действительно достигается эффект снижения уровня температур в испарителе. В качестве примера можно привести модель абсорбционного холодильника "Кристалл-9М". На вход абсорбера подается слабый раствор с массовой концентрацией около 10% Однако для обеспечения этого параметра необходимо осуществлять выпаривание раствора в генераторе АДХА на уровне 190-200^оС. При этих температурах идет интенсивный процесс коррозии стенок генератора, в частности термосифона.

При достаточно непродолжительной эксплуатации (3-5 лет) подавляющее большинство АДХА с указанными параметрами выходят из строя. В качестве примера можно привести тот же абсорбционный холодильник "Кристалл-9М", который в 1988 г был снят с производства на Васильковском заводе холодильников из-за массового возврата вышедших из строя изделий. В подавляющем большинстве случаев причиной выхода из строя была закупорка термосифона в результате процесса коррозии.

В настоящее время производители абсорбционных холодильников в г.Василькове, Санкт-Петербурге (модель "Ладога"), Москве (модель "Иней-М") и Великих Луках (модель "Морозко") учли этот факт и в серийно выпускаемых моделях уровень температур в генераторе не превышает 160^оС. Вместе с тем в модели "Кристалл-9М" уровень температур в низкотемпературном отделении (НТО) не превышал минус 18^оС ("три звездочки"), тогда как в современных моделях абсорбционных холодильников он не превышает минус 12^оС ("две звездочки"). Это показывает перспективность направления по снижению равновесной массовой концентрации хладагента в слабом растворе, поступающем на вход абсорбера.

В связи с этим авторы выбрали другой путь снижения равновесной концентрации за счет снижения температуры слабого раствора, причем до температур ниже окружающей среды. Расчеты показали, что для достижения величин движущей силы процесса абсорбции, как в модели "Кристалл-9М" (при 10%-ной концентрации слабого раствора) достаточно снизить температуру 15%-ного слабого раствора, поступающего на вход абсорбера, до 5^оС. При этом появляется возможность обеспечить температуру в НТО не выше 18^оС. Очевидно, что для этого потребуется низкотемпературный источник холода. Авторы предлагают осуществлять теплосброс на элементы испарителя АДХА.

Это предложение подразумевает и некоторое увеличение холодильной мощности испарителя АДХА на величину подводимой от теплорассеивающих элементов тепловой нагрузки. Однако положительный эффект значительно перекрывает дополнительные затраты, в частности, НТО переводится в новый класс "три звездочки" (морозильник) и может быть использован для длительного высокоэффективного хранения продуктов.

Теплоотвод осуществляют от раствора, взаимодействующего с ПГС. Это позволяет отвести непосредственно тепло абсорбции, повысить степень очистки ПГС и, следовательно, снизить уровень температур испарения.

Теплоотвод осуществляют как от раствора, взаимодействующего с ПГС, так и от раствора, транспортируемого в абсорбер.

В этом случае достигается максимальный эффект от воздействия источника холода осуществляется как низкотемпературное охлаждение раствора до входа в абсорбер, так и отвод тепла абсорбции.

Теплоотвод осуществляют путем испарения дополнительного теплоносителя с его последующей конденсацией и возвратом конденсата в зону испарения.

Этот признак характеризует тот факт, что для теплоотвода используют испарительно-конденсационное устройство, обладающее низким внутренним термическим сопротивлением. В этом случае будет обеспечиваться минимальная разность температур между источником холода и теплорассеивающими элементами, что повысит эффективность реализации предлагаемого способа.

В части устройства цель изобретения достигается тем, что теплорассеивающие элементы АДХА связаны в тепловом отношении с тепловоспринимающим.

Наличие тепловой связи позволит повысить степень очистки ПГС, поступающей на вход тепловоспринимающего элемента (испарителя), и, следовательно, снизить уровень температур охлаждения.

Конкретизация достижения цели в устройстве достигается следующим образом.

Испаритель связан в тепловом отношении с каналом слабого раствора.

В этом случае цель достигается за счет низкотемпературного переохлаждения слабого раствора, т.е. снижения равновесной массовой концентрации хладагента в растворе, поступающем на вход абсорбера, последующей более глубокой очистки ПГС и, как следствие, снижения температур испарения.

Испаритель связан в тепловом отношении с абсорбером.

Здесь тепловая связь обеспечит непосредственный отвод тепла абсорбции из зоны взаимодействия раствора и ПГС, что в значительной мере обеспечит эффект дополнительной очистки ПГС, а в дальнейшем снижение температур испарения.

Тепловая связь тепловоспринимающего и теплорассеивающих элементов осуществляется при помощи дополнительного теплопередающего устройства, реализующего испарительно-конденсационный цикл.

В этом случае обеспечивается минимальное термическое сопротивление тепловой связи и, как следствие, наиболее эффективное воздействие источника холода.

Тепловая связь осуществляется при помощи тепловой трубы (ТТ).

Известно, что ТТ реализует испарительно-конденсационный цикл и для транспорта теплоносителя в ней используются капиллярные силы. В рассматриваемом случае возврат конденсата может быть осуществлен и самотеком, так как в любом случае испаритель (источник холода) АДХА будет располагаться выше абсорбера (теплорассеивающего элемента). Однако капиллярные силы позволяют осуществлять более свободную компоновку тепловой связи испарителя и теплорассеивающих элементов. ТТ неизменимы также в случаях, когда теплонагруженные участки имеют противоположный стоку уклон, что может иметь место при разработке реальных конструкций АДХА.

Тепловая связь осуществляется при помощи двухфазного термосифона (ДТ).

Применение ДТ позволяет в отличие от ТТ обеспечить минимальное термическое сопротивление тепловой связи, так как в ТТ на теплонагруженных участках устанавливается капиллярная структура, которая вносит дополнительный вклад в термическое сопротивление всей тепловой цепи. Применение ДТ подразумевает обеспечение условий для стока теплоносителя из зоны конденсации в зону испарения.

Тепловая связь осуществляется при помощи дополнительного теплопередающего устройства, работающего в режиме однофазного термосифона (ОД).

Эффективность применения ОД для достижения цели определяется в первую очередь более упрощенной технологией его изготовления и надежностью работы. Он представляет собой устройство (канал), полностью заполненное жидким теплоносителем. Передача тепла в нем осуществляется в режиме конвективного движения жидкого потока. В отличие от ТТ и ДТ конструкциям ОД не страшна микроразгерметизация.

Тепловая связь осуществляется при помощи дополнительной теплопроводной пластины (ТП).

Применение ТП также позволяет осуществить цель обеспечить тепловую связь тнепловоспринимающего и теплорассеивающего элементов. Очевидно, что наиболее эффективны ТП, изготовленные из меди либо алюминия. Преимуществом ТП является полная надежность в эксплуатации.

Дополнительные теплопередающие элементы на участках между теплорассеивающими и тепловоспринимающими элементами покрыты тепловой изоляцией.

Наличие тепловой изоляции на транспортных зонах дополнительных теплопередающих элементов позволяет повысить эффективность тепловой связи за счет снижения температурного воздействия окружающей среды.

Теплорассеивающие элементы связаны в тепловом отношении с выходным участком испарителя.

Указанная связь позволяет использовать сбросовый температурный потенциал источника холода, который уже практически не используется для охлаждения полезного объема холодильного шкафа. В этом случае снижаются энергозатраты на производство дополнительного количества искусственного холода и повышается эффективность работы АДХА (за счет снижения необратимых потерь при реализации холодильного цикла).

С выходным участком испарителя связан в тепловом отношении канал слабого раствора.

В этом случае эффективность достигается за счет простоты конструктивного исполнения. Подобная связь может быть легко реализована на существующих серийных моделях абсорбционных холодильников без их существенных доработок.

С выходным участком испарителя связан в тепловом отношении абсорбер.

Цель здесь достигается за счет использования сбросового температурного потенциала источника холода отвода теплоты абсорбции.

С выходным участком испарителя связан в тепловом отношении верхний участок абсорбера.

Достижение цели в этом случае обеспечивается за счет обеспечения максимально возможной термодинамической эффективности работы АДХА. При этом используется в максимальной степени окружающая среда в качестве высокотемпературного источника холода, а при полном его срабатывании подключается низкотемпературный источник холода испаритель. Причем подключается сбросовый температурный потенциал испарителя.

Верхний участок абсорбера в месте тепловой связи с испарителем покрыт тепловой изоляцией.

Цель здеcь достигается за счет снижения теплового воздействия на участки тепловой связи в случае, когда их температура ниже окружающей среды. Это позволяет использовать температурный потенциал источника холода с максимальной энергетической эффектвностью.

Неочевидность предложенных технических решений заключается в следующем.

Осуществляют дополнительное переохлаждение раствора, поступающего в абсорбер, путем теплоотвода в зону с температурами ниже окружающей среды.

Теплорассеивающие элементы АДХА (абсорбер и канал слабого раствора) связаны в тепловом отношении с тепловоспринеимающим (испарителем).

Авторам указанные признаки из опыта практических разработок и из отечественной и зарубежной научно-технической и патентной литературы не известны.

Как следует из вышеизложенного, не очевиден и сам подход к достижению цели повышения эффективности за счет снижения температур охлаждения. Отечественные и зарубежные разработчики решали эти задачи только за счет использования температурного потенциала окружающей среды, увеличения массообмена абсорбера и теплообмена канала слабого раствора, а также за счет более глубокого выпаривания хладагента из слабого раствора.

Применения источника холода для переохлаждения слабого раствора в канале и абсорбере в отечественной и мировой практике не было.

На чертеже приведена схема АДХА.

Устройство содержит термосифон 1, ректификатор 2, конденсатор 3, испаритель 4, абсорбеер 5, ресивер 6, ЖТО 7. Нижняя часть ректификатора 2 заполнена слабым раствором до уровня ▿ 2 и через ЖТО 7 связана каналом 8 слабого раствора с верхней частью абсорбера 5. Величина уровня ▿ 2 определяется возможностью транспорта слабого раствора на вход абсорбера и выше уровня входа на величину гидросопротивлений. Нижняя часть термосифона 1 через ЖТО 7 связана с ресивером 6, заполненным крепким раствором до уровня ▿ 1. Конденсатор 3 выполнен с наклоном, и его нижняя часть связана магистралью 9 с входом испарителя 4. Транспорт очищенной ПГС из абсорбера 5 в верхнюю точку испарителя 4 осуществляется по магистрали 10. В целях стабилизации подачи жидкого хладагента в зону испарения конденсатор 3 связан уравнительной магистралью 11 с каналом 12 насыщенной ПГС, которая в свою очередь связывает выходной участок испарителя 4 с газовым объемом ресивера 6. Испаритель 4 связан с каналом слабого раствора 8 и абсорбером 5 при помощи теплопередающих устройств, которые соответственно содержат зоны теплоотвода 13 и 14, зоны транспорта 15 и 16, а также зоны теплоотвода 17 и 18. В случае использования испарительно-конденсационных устройств (ТТ и ДТ) зоны теплоподвода 13 и 14 это зоны испарения, а зоны теплоотвода 17 и 18 это зоны конденсации. Транспортные участки 15, 16 теплопередающих устройств покрыты тепловой изоляцией, соответственно 19 и 20. Тепловой изоляцией 21 покрыт также верхний участок абсорбера 5. В случае применения в качестве теплопередающей пластины (ТП) она устанавливается в местах связи аналогичным образом. В нижней части термосифона 1 установлен электронагреватель 22. Термосифон 1 закрыт теплоизоляционным кожухом 23.

Работа АДХА осуществляется следующим образом.

Рассмотрим для примера конкретный вариант работы АДХА на традиционной водоаммиачной смеси (вода абсорбент, аммиак хладагент) с инертным газом водородом.

При подаче на термосифон 1 тепловой мощности при помощи электронагревателя 22 осуществляется генерация пара из водоаммиачного раствора. Пар при движении в верхнюю часть термосифона 1 увлекает с собой порции слабого водоаммиачного раствора. На выходе термосифона 1 происходит разделение пара и жидкости. Пар проходит в ректификатор 2, а слабый раствор сливается на уровень ▿ 2. Таким образом термосифон 1 осуществляет транспортировку жидкости с уровня ▿ 1 на уровень ▿ 2, 3, чем обеспечивает циркуляцию жидкости в АДХА при реализации холодильного цикла. Слабый раствор через ЖТО 7 поступает по каналу 8 на вход абсорбера 5. В ЖТО 7 в процессе регенеративного теплообмена между слабым и крепким раствором, поступающим из ресивера 6 на вход термосифона 1, осуществляется частичное переохлаждение слабого и подогрев крепкого растворов.

В ректификаторе 2 осуществляется очистка паров аммиака от паров воды, флегма стекает вниз, а пар аммиака поступает в конденсатор 3, где сжижается. По магистрали 9 жидкий аммиак транспортируется на вход испарителя 4 (в верхнюю часть). В испарителе 4 аммиак испаряется в инертный газ водород при низком парциальном давлении, обеспечивая тем самым эффект искусственного охлаждения. При стекании аммиака в нижнюю часть испарителя 4 происходит насыщение водорода парами аммиака. ПГС становится насыщенной и за счет разности плотностей с очищенной ПГС, находящейся в ресивере 6 и абсорбере 5, опускается по каналу 12 в ресивер 6, откуда она поступает в нижнюю часть абсорбера 5.

Навстречу насыщенной ПГС из верхней части абсорбера 5 стекает слабый водоаммиачный раствор. При их контактном взаимодействии осуществляется процесс абсорбции поглощения ненасыщенным (слабым) водоаммиачным раствором паров аммиака из насыщенной ПГС. Теплота абсорбции отводится (рассеивается) в окружающую среду. Очищенная ПГС из абсорбера 5 поступает на вход испарителя 4 по каналу 10. При движении очищенной ПГС и жидкого аммиака осуществляется их частичное переохлаждение за счет тепловой связи испарителя 4 с каналом 10 и магистралью 9.

Рассмотрим в качестве примера использование дополнительных теплопередающих устройств испарительно- конденсационных.

При выходе слабого раствора из ЖТО 7 осуществляется его тепловое взаимодействие с окружающей средой, за счет чего обеспечивается некоторое переохлаждение. При попадании слабого раствора в зону теплового взаимодействия с испарительным участком 13 ТТ и ДТ осуществляется генерация паров теплоносителя, частично заполняющего испарительный участок 13. Пары теплоносителя через транспортную зону 15 попадают в конденсационный участок 17 ТТ и ДТ, где сжижаются с отводом теплоты парообразования на испаритель 4. Конденсат стекает через транспортную зону 15 в испарительный участок 13, и цикл повторяется.

Аналогично осуществляется работа теплопередающего устройства, связывающего верхнюю часть абсорбера 5 с испарителем 4. В этом случае на испаритель 4 отводится тепло абсорбции, выделяющие при взаимодействии слабый водоаммиачный раствор с уже частично очищенной ПГС, т.е. уже при практически полном срабатывании температурного потенциала окружающей среды подключается дополнительный низкотемпературный источник испаритель 4. При этом необходимо снизить температурное воздействие окружающей среды, что достигают за счет установки тепловой изоляции 21. С этой же целью устанавливается и тепловая изоляция 19 и 20 на транспортных участках 15 и 16 теплопередающих устройств.

Таким образом, положительный эффект предложенного способа и устройства заключается в снижении температур испарения путем дополнительного переохлаждения слабого раствора и, следовательно, дополнительной очистки ПГС.

Формула изобретения

1. Способ работы абсорбционно-диффузионного холодильного агрегата путем генерации пара хладагента из раствора с последующим разделением пара и раствора, транспорта раствора в абсорбер с одновременным его переохлаждением, испарения хладагента при низком парциальном давлении в парогазовую смесь с обеспечением зон с температурами ниже окружающей среды и очистки парогазовой смеси от паров хладагента в абсорбере в процессе взаимодействия с раствором, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности, осуществляют дополнительное переохлаждение раствора, поступающего в абсорбер, путем теплоотвода в зону с температурами ниже окружающей среды.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что теплоотвод осуществляют от раствора, взаимодействующего с парогазовой смесью.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что теплоотвод осуществляют как от раствора, взаимодействующего с парогазовой смесью, так и от раствора, транспортируемого в абсорбер.

4. Способ по пп. 1-3, отличающийся тем, что теплоотвод осуществляют путем испарения дополнительного теплоносителя с его последующей конденсацией и возвратом конденсата в зону испарения.

5. Абсорбционно-диффузионный холодильный агрегат, содержащий тепловоспринимающий элемент испаритель и теплорассеивающие элементы - канал слабого раствора и абсорбер, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности, теплорассеивающие элементы связаны в тепловом отношении с тепловоспринимающим.

6. Агрегат по п.5, отличающийся тем, что испаритель связан в тепловом отношении с каналом слабого раствора.

7. Агрегат по п.5, отличающийся тем, что испаритель связан в тепловом отношении с абсорбером.

8. Агрегат по пп.5-7, отличающийся тем, что тепловая связь тепловоспринимающего и теплорассеивающих элементов осуществляется при помощи дополнительного теплопередающего устройства, реализующего испарительно-конденсационный цикл.

7. Агрегат по п.8, отличающийся тем, что тепловая связь осуществляется при помощи тепловой трубы.

8. Агрегат по пп.5 - 7, отличающийся тем, что тепловая связь тепловоспринимающего и теплорассеивающих элементов осуществляется при помощи дополнительного теплопередающего устройства, реализующего испарительно-конденсационный цикл.

9. Агегат по п.8, отличающийся тем, что тепловая связь осуществляется при помощи тепловой трубы.

10. Агрегат по п.8, отличающийся тем, что тепловая связь осуществляется при помощи двухфазного термосифона.

11. Агрегат по пп. 5 - 7, отличающийся тем, что тепловая связь осуществляется при помощи дополнительного теплопередающего устройства, работающего в режиме однофазного термосифона.

12. Агрегат по пп. 5 - 7, отличающийся тем, что тепловая связь осуществляется при помощи дополнительной теплопроводной пластины.

13. Агрегат по пп. 8 - 12, отличающийся тем, что дополнительные теплопередающие элементы на участках между теплорассеивающими и тепловоспринимающими элементом покрыты тепловой изоляцией.

14. Агрегат по пп. 5 - 13, отличающийся тем, что теплорассеивающие элементы связаны в тепловом отношении с выходным участком испарителя.

15. Агрегат по пп.6, 8 - 14, отличающийся тем, что с выходным участком испарителя связан в тепловом отношении канал слабого раствора.

16. Агрегат по пп. 7 - 14, отличающийся тем, что с выходным участком испарителя связан в тепловом отношении абсорбер.

17. Агрегат по п.16, отличающийся тем, что с выходным участком испарителя связан в тепловом отношении верхний участок абсорбера.

18. Агрегат по пп.7 - 14, 16 и 17, отличающийся тем, что верхний участок абсорбера в месте тепловой связи с испарителем покрыт тепловой изоляцией.

РИСУНКИ

Рисунок 1