Холодильная установка с абсорбирующей парой

 

В установке последовательно установлены ресивер, заполненный хладагентом, испаритель, сорбер и конденсатор. Сорбер выполнен в виде бачка с абсорбентом, содержащего генератор электромагнитных волн для десорбции парообразного хладагента из абсорбента без его нагрева. Использование изобретения позволяет производить десорбцию хладагента путем разрыва связи между молекулами хладагента и абсорбента, например, путем порождения двухполюсного вращения молекул хладагента, что исключает нагревание сорбера. В связи с этим значительно возрастает КПД и холодопроизводительность установки. 3 c. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Настоящее изобретение относится к холодильной установке с абсорбирующей парой, в которой хладагент десорбируется из комплексного соединения, состоящего из хладагента и химического абсорбента, путем использования энергии электромагнитных волн, в частности микроволновой энергии.

В существующих холодильных установках с абсорбирующей парой используется газообразный хладагент, поочередно абсорбирующийся на химическом абсорбенте и десорбирующийся из него, который иногда называют родовым понятием "сорбент". Хладагент и абсорбент известны как парные абсорбенты, и при абсорбции хладагента на абсорбенте образуется комплексное соединение. В типичных установках хладагент, состоящий из полярного газа при низком давлении, который был испарен в испарителе, абсорбируется на абсорбенте. Как только хладагент полностью абсорбировался, комплексное соединение, состоящее из хладагента и абсорбента, нагревают для отделения, или десорбции, хладагента. Затем образовавшийся газ хладагента, находящийся при высоком давлении, направляют в конденсатор, где он преобразуется обратно в жидкую фазу. Жидкий хладагент, находящийся при высоком давлении, далее направляют в испаритель, в котором хладагент испаряется, и при этом хладагентом поглощается теплота из атмосферы с обеспечением необходимого эффекта охлаждения.

В этих установках из уровня техники электрический или газовый нагреватель используют для нагрева комплексного соединения с целью отделения хладагента. Теплота передается к комплексному соединению, главным образом вследствие проводимости, и бачок, который содержит абсорбент и в котором протекают реакции абсорбции и десорбции, обычно выполнен из металла для содействия теплопередаче. Комбинацию из бачка, абсорбента и нагревателя обычно называют "сорбером". Бачок обычно снабжен внутренними металлическими ребрами или другими аналогичными теплопроводящими средствами, чтобы разделить абсорбент на части и посредством этого сократить длину пути термической диффузии между стенкой бачка и абсорбентом с целью дополнительного содействия теплопередаче к комплексному соединению.

В течение реакции десорбции сорбер поглощает значительное количество теплоты, которую затем необходимо отвести до начала реакции абсорбции, чтобы абсорбент в достаточной степени охладился и мог повторно абсорбировать хладагент. Эта значительная теплота снижает КПД холодильной установки и увеличивает промежуток времени между реакциями десорбции и абсорбции, вследствие чего снижается холодопроизводительность парных абсорбентов. Кроме того, установки из уровня техники часто содержат внешне охлаждающие средства для охлаждения сорбера в промежутке времени между реакциями десорбции и абсорбции, который известен как повторяющаяся стадия охлаждения сорбера. Эти средства включают охлаждающие ребра, прикрепленные к внешней стороне бачка, и хладагент, прогоняемый через трубки, которые проходят сквозь внутреннюю часть сорбера. Эти оба средства усложняют конструкцию сорбера и увеличивают его стоимость.

Задача настоящего изобретения заключается в создании холодильной установки с абсорбирующей парой, в которой реакция десорбции не основана на нагреве комплексного соединения и в которой интервал времени, приходящийся на охлаждение сорбера, минимизирован или исключен.

В соответствии с настоящим изобретением эти и другие задачи и преимущества достигаются посредством создания холодильной установки с абсорбирующей парой, содержащей ресивер или резервуар, вмещающий жидкий хладагент под давлением, испаритель внизу по потоку от ресивера для испарения хладагента и создания необходимого эффекта охлаждения, бачок внизу по потоку от испарителя, вмещающий химический абсорбент, на который газообразный хладагент абсорбируется, чтобы посредством этого образовать комплексное соединение, генерирующее электромагнитные волны средство, такое как микроволновый генератор, для десорбции хладагента из комплексного соединения, и конденсатор внизу по потоку от бачка и вверху по потоку от ресивера для конденсации образовавшегося сжатого парообразного хладагента в жидкий хладагент под давлением.

Следовательно, в настоящем изобретении для десорбции холодильного агента из абсорбента используют микроволновое излучение. В результате этого режимы нагрева комплексного соединения, основанные на теплопроводности, излучении и конвекции, не требуются. Вместо использования этих и других стохастических процессов нагрева для десорбции хладагента микроволновую энергию преобразуют в работу с целью разрыва связи между молекулами хладагента и абсорбента, например, путем порождения двухполюсного вращения молекул хладагента. Следовательно, настоящее изобретение предоставляет возможность непосредственно передавать энергию к связи хладагент/абсорбент, что исключает существенное поглощение теплоты сорбером, и в связи с этим значительно возрастают КПД и холодопроизводительность установки.

Эти и другие задачи и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из нижеследующего подробного описания, сделанного со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых: фиг. 1 - схематическое изображение холодильной установки-прототипа с абсорбирующей парой; фиг. 2 - схематическое изображение одного варианта осуществления холодильной установки с абсорбирующей парой в соответствии с настоящим изобретением; фиг. 3 - схематическое изображение еще одного варианта осуществления холодильной установки с абсорбирующей парой в соответствии с настоящим изобретением; и фиг. 4 - перспективный вид части изобретения, представленной на фиг. 3.

Краткий обзор уровня техники поможет понять настоящее изобретение. На фиг. 1 показана холодильная установка-прототип с абсорбирующей парой, которая в целом обозначена ссылочным номером 10, содержащая резервуар или ресивер 12, заполненный соответствующим хладагентом 14, испаритель 16, соединенный с выпускным отверстием ресивера 12 посредством трубопровода 18, сорбер 20, находящийся в связи с разгрузочным концом испарителя 16 с помощью трубопровода 22, и конденсатор 24, соединенный с выпускным отверстием сорбера 20 посредством трубопровода 26. Сорбер включает бачок 28, химический абсорбент (не показан), содержащийся в бачке 28, и нагреватель 30.

Во время работы холодильной установки 10 жидкий хладагент 14, находящийся под давлением, выпускается с обеспечением регулирования в испаритель 16 вследствие действия терморегулирующего вентиля (ТРВ) 32. Поскольку давление хладагента резко падает, температура хладагента снижается, и хладагент переходит из жидкого в парообразное состояние, как это известно специалистам в данной области техники. Испаритель 16 обычно расположен в холодильной камере или примыкает к ней, и теплота окружающей его среды поглощается парообразным хладагентом, при этом холодильная камера охлаждается. Затем парообразный хладагент направляется через трубопровод 22 к сорберу 20 и абсорбируется на химическом абсорбенте, содержащемся в бачке 28. Из-за сродства между абсорбентом и парообразным хладагентом в течение реакции абсорбции парообразный хладагент вытягивается через трубопровод 22, вследствие чего в испарителе 16 он удерживается при относительно низком давлении. После того, как парообразный хладагент в достаточном количестве абсорбируется на химическом абсорбенте, при этом количество регулируется ТРВ 32 на основе температуры испарителя 16, включается нагреватель 30 с целью инициирования реакции десорбции, в течение которой комплексное соединение нагревается, вследствие чего парообразный хладагент отделяется от абсорбента. Теплота приводит молекулы хладагента в возбуждение до степени, достаточной для разрыва химической связи между хладагентом и абсорбентом. Этот процесс, основанный на стохастическом нагреве для термического разрыва связи хладагент/абсорбент с помощью хвоста кривой распределения Больцмана, требует большого количества тепловой энергии, которая способствует значительному повышению температуры всего сорбера 20, включая абсорбент и хладагент. Получающийся в результате нагретый сжатый парообразный хладагент принудительно подается по трубопроводу 26 в конденсатор 24, где теплота парообразного хладагента удаляется в атмосферу, а хладагент в результате этого изменяет состояние от парообразного к жидкому, что до некоторой степени снижает давление хладагента и приводит к вытягиванию в большем количестве парообразного хладагента из сорбера 20 в конденсатор 24. Далее жидкий хладагент стекает в ресивер 12 по трубопроводу 34. Обратный клапан 36 в трубопроводе 22 предотвращает возврат сжатого пара в испаритель 16. Взамен сжатый парообразный хладагент, находящийся в трубопроводе 22, проталкивается через обратный клапан 38, трубопровод 40 и поступает в конденсатор 24. Во время стадии охлаждения сорбера, которая существует после реакции десорбции и до реакции абсорбции, жидкий хладагент из ресивера 12 может быть с обеспечением регулирования направлен к заполнителю сорбера 20, благодаря действию ТРВ 42, чтобы способствовать охлаждению абсорбента.

Теперь со ссылкой на фиг. 2 будет описана холодильная установка с абсорбирующей парой в соответствии с настоящим изобретением. Холодильная установка согласно настоящему изобретению, в целом обозначенная ссылочным номером 44, показана как содержащая резервуар или ресивер 46, заполненный соответствующим хладагентом, испаритель 48, соединенный с выпускным отверстием ресивера 46 посредством соответствующего трубопровода 50, сорбер 52, находящийся в связи с разгрузочным концом испарителя 48 с помощью трубопровода 54, и конденсатор 56, соединенный с сорбером 52 посредством трубопровода 58. Согласно настоящему изобретению сорбер 52 включает бачок 60, химический абсорбент, находящийся в бачке 60, и генерирующее электромагнитные волны средство 62 для десорбции хладагента из комплексного соединения.

Генератор 62 электромагнитных волн является, предпочтительно, термоэлектронным или твердотельным, генерирующим в микроволновом диапазоне прибором, таким как магнетрон, клистрон или лампа бегущей волны. Микроволны, образуемые генератором 62, находятся, предпочтительно, в стандартных для промышленной, научной и медицинской аппаратуры частотных диапазонах: 915 МГц (896 МГц в Великобритании), 2,45 ГГц (диапазон S) или 5,8 ГГц (диапазон J). В дополнение к этому микроволны подаются в бачок 60 или в микроволновый резонатор, в который бачок 60 помещен, с помощью любых передающих микроволны средств (не показаны), таких как волноводы, коаксиальные линии передачи, электродные или микрополосковые линии передачи. Для связи генератора 62 с нагрузкой используют, предпочтительно, ферритовый циркулятор, смеситель или другой подходящий прибор. Генератор 62 можно также модулировать по входу для согласования выходного радиочастотного сигнала с нагрузкой.

При работе холодильной камеры 44 жидкий хладагент из резервуара 46 выпускается, предпочтительно, с обеспечением регулирования в испаритель 48, благодаря действию ТРВ 64 или аналогичного средства. Жидкий хладагент испаряется в испарителе 48 с обеспечением необходимого эффекта охлаждения. Образовавшийся парообразный хладагент затем вытягивается в сорбер 52, где парообразный хладагент абсорбируется на абсорбенте с образованием комплексного соединения. По завершении реакции абсорбции генератор 62 включается, чтобы началась реакция десорбции. Вплоть до момента включения генератора 62 работа холодильной установки 44 аналогична работе холодильной установки-прототипа 10, описанной выше. Когда генератор 62 возбужден, микроволны вызывают десорбцию хладагента из сорбента посредством избирательной накачки электрической энергии в каждую связь хладагент-сорбент до тех пор, пока связь не разрывается, а молекулы хладагента не отделяются от молекул сорбента. Можно предполагать, что микроволны порождают двухполюсное вращение молекул хладагента, сообщая достаточную кинетическую энергию для освобождения их от действия электрической потенциальной энергии, связывающей их с соответствующими молекулами сорбента. Поэтому вместо стохастического нагрева комплексного соединения и использования тепловой энергии для десорбции хладагента микроволновую энергию преобразуют в работу, которая направлена на разрыв химических связей между молекулами хладагента и присоединенными к ним молекулами сорбента. Образовавшийся в результате сжатый парообразный хладагент поступает в конденсатор 56, где он конденсируется в жидкое состояние. Жидкий хладагент (жидкий пар) затем возвращается в резервуар 46 по трубопроводу 66. В идеальном случае в трубопроводе 54 предусмотрен обратный клапан 68 для предотвращения возврата сжатого парообразного хладагента в испаритель 48 в течение реакции десорбции. В дополнение к этому в трубопроводе 58 может быть предусмотрен обратный клапан 70 для предотвращения возврата хладагента под давлением в сорбер 52 в течение реакции абсорбции.

Хотя в настоящем изобретении можно использовать разнообразные хладагенты и химические абсорбенты, в предпочтительном варианте осуществления изобретения предполагается использование полярного хладагента, такого как аммиак, метан или спирт, инертной соли металла и галогенида, такой как SrBrz, в качестве абсорбента. Соль металла и галогенида имеет небольшую диэлектрическую проницаемость, что позволяет абсорбенту подвергаться действию реакции десорбции без заметного нагрева приложенным микроволновым излучением. В результате этого для абсорбента не требуется стадии охлаждения после реакции десорбции, и абсорбент сразу же готов к началу реакции абсорбции. В дополнение к этому продолжительность фазы десорбции можно сделать условно короткой путем выбора достаточной мощности микроволнового генератора и мощности теплоотвода.

Кроме того, реакция абсорбции является экзотермической, и скорость реакции снижается при повышении температуры. Поэтому в другом варианте осуществления изобретения (не показан) для охлаждения абсорбента в течение реакции абсорбции можно использовать радиатор с воздушным или водяным охлаждением.

Обратимся к фиг. 3 и 4, на которых показан другой вариант осуществления настоящего изобретения, где те же самые ссылочные номера использованы для обозначения деталей, аналогичных тем, которые описывались со ссылкой на фиг. 2. В этом варианте осуществления конденсатор 56 и сорбер 52 объединены в охлаждающее средство 72. При работе жидкий хладагент направляется из ресивера 46 в испаритель 48. Затем парообразный хладагент вытягивается из испарителя 48 в охлаждающее средство 72, которое обеспечивает сброс давления вследствие абсорбции парообразного хладагента на абсорбенте 74. Абсорбент 74 удерживается на нужном месте, предпочтительно, с помощью пористого материала 76, такого как пористый полимер (политетрафторэтилен), что позволяет парообразному хладагенту проходить насквозь при эффективном соединении с абсорбентом. Кроме того, пористый материал 76, предпочтительно, обладает способностью сжиматься, но без остаточной деформации в ответ на повышение давления, вызванное расширением абсорбента в течение реакции абсорбции. После того, как подлежащая охлаждению загрузка охлаждается до нужной температуры, микроволновое излучение от микроволнового генератора 62 направляется на комплексное соединение в охлаждающем средстве 72 для десорбции молекул хладагента из абсорбента таким образом, как это описывалось ранее. Образующийся сжатый газ хладагента поступает в конденсаторную секцию 56 охлаждающего средства 72. Затем хладагент конденсируется и собирается в ресивере 46. Далее процесс повторяется в соответствии с приведенным выше описанием.

На фиг. 4 представлено охлаждающее средство 72 в таком виде, в каком оно вводится в волновод, связанный с микроволновым генератором 62. Альтернативно, средство 72 можно выполнить как неотъемлемую часть микроволнового резонатора. Охлаждающие ребра 78 охлаждающего средства 72 способствуют конденсации хладагента и отводу теплоты поглощения из абсорбента. Ребра 78 охлаждаются, предпочтительно, тем же самым вентилятором, который используется для охлаждения деталей микроволнового генератора 62.

В качестве примера при рассмотрении работы холодильной установки 44 примем, что внутри камеры микроволновой печи мощностью 900 Вт для охлаждающего средства 72 имеется объем 250 мл. В течение четырех минут охлаждающее средство 72 может обеспечить холодопроизводительность приблизительно 400 Вт, после чего оно нуждается в перезарядке или десорбции в течение приблизительно трех минут. После перезарядки холодильная установка 44 сразу же становится готовой к охлаждению еще в течение четырех минут. Если необходимо непрерывное охлаждение, абсорбент можно разделить на две отдельные секции, которые попеременно возбуждаются с помощью микроволнового генератора 62. В сущности, генератор 62 будет непрерывно работать на один объем или на другой. При этом продолжительность рабочего интервала генератора 62 возрастает, вследствие чего повышается уровень холодопроизводительности охлаждающего средства 72.

В еще одном варианте осуществления изобретения, пригодном, в частности, для криогенного охлаждения, криогенное вещество, такое как метан, можно использовать в качестве хладагента вместе с охлаждающим средством 72. Таким образом можно осуществить криогенное охлаждение по замкнутому циклу сверхпроводящих магнитов, электронных элементов и аналогичных им изделий.

В еще одном варианте осуществления изобретения холодильная установка 44 может быть объединена с обычной микроволновой печью с целью образования прибора, способного как нагревать, так и охлаждать. В этом варианте осуществления микроволновый генератор микроволновой печи используется для десорбции хладагента из абсорбента. Поэтому один микроволновый генератор можно использовать для выполнения как нагрева, так и охлаждения. В этом варианте осуществления предусмотрены соответствующие волноводы и заслоняющие средства для направления микроволн либо в микроволновый резонатор, когда необходим нагрев, или в сорбер, когда необходимо охлаждение.

Хотя здесь для описания реакции, при которой хладагент объединяется с сорбентом, использовался термин "абсорбция", такую реакцию можно классифицировать как адсорбцию в зависимости от того, будет ли реакция приводить к изменению химического состава сорбента. Доктрины настоящего изобретения в равной степени применимы к реакционной системе адсорбции.

Следует осознавать, что, хотя настоящее изобретение было описано относительно его предпочтительных вариантов осуществления, специалисты в данной области техники могут разработать в большом количестве конструктивные детали без отступления от принципов изобретения. Поэтому приложенная формула изобретения должна толковаться как охватывающая все эквиваленты, попадающие в рамки реального объема и сущности изобретения.

Формула изобретения

1. Холодильная установка с абсорбирующей парой, содержащая источник жидкого хладагента, испаритель для преобразования жидкого хладагента в парообразный хладагент с более низкой температурой, чем жидкий хладагент, для создания посредством этого эффекта охлаждения, объем химического абсорбента в связи с испарителем, в котором парообразный хладагент абсорбируется на химическом абсорбенте, генерирующее электромагнитные волны средство для десорбции хладагента из химического абсорбента, и конденсатор в связи с химическим абсорбентом для конденсации парообразного хладагента, который десорбирован из химического абсорбента, в которой химический абсорбент не нагревается генерирующим электромагнитные волны средством до степени, достаточной для термической десорбции хладагента из химического абсорбента.

2. Установка по п. 1, в которой химический абсорбент представляет собой соль металла и галогенида.

3. Установка по п.2, в которой химический абсорбент представляет собой бромид стронция, а хладагент представляет собой аммиак.

4. Холодильная установка, содержащая хладагент, средство для испарения хладагента для создания эффекта охлаждения, сорбент в связи со средством для испарения, при этом сорбент и хладагент из средства для испарения объединяются при реакции сорбции, генерирующее электромагнитные волны средство для десорбции хладагента из сорбента, в которой электромагнитная энергия генерирующего электромагнитные волны средства преобразуется в работу, которая вызывает отделение хладагента от сорбента, и средство в связи с сорбентом для конденсации хладагента, который десорбирован из сорбента.

5. Установка по п.4, в которой сорбент представляет собой соль металла и галогенида.

6. Установка по п.5, в которой сорбент представляет собой бромид стронция, а хладагент представляет собой аммиак.

7. Способ для создания эффекта охлаждения, состоящий из стадий подготовки хладагента, подготовки сорбента, соединения хладагента с сорбентом для осуществления реакции сорбции, приложения электромагнитной энергии к соединению хладагент/сорбент с целью десорбции хладагента из сорбента, при этом электромагнитную энергию преобразуют в работу, которая вызывает отделение хладагента от сорбента, испарения хладагента, который десорбирован из сорбента, с целью достижения эффекта охлаждения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4