Абсорбционно-диффузионный холодильный агрегат и способ его работы

 

Использование: в бытовой технике. Сущность изобретения: крепкий раствор из абсорбера собирают в емкость и посредством трубы парлифтного насоса подают в ресивер на уровень кипящего раствора в кипятильнике, который выше уровня слабого раствора в абсорбер. Парлифтный насос работает при помощи пара хладагента, полученного в кипятильнике в условиях, практически равноценных испарению с тонких пленок жидкости. Пары хладагента из ресивера направляют в конденсатор. 2 с.п. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к холодильной технике и может найти широкое применение в бытовых холодильниках, снабженных абсорбционно-диффузионными холодильными агрегатами (АДХА).

Известен генератор АДХА, содержащий вертикальный цилиндрический корпус со штуцерами вывода слабого раствора и паров хладагента и штуцером ввода крепкого раствора, электронагреватель и размещенные по оси корпуса последовательно соединенные по ходу раствора насосную камеру и термосифон. Генератор АДХА снабжен установленными по оси корпуса тремя коаксиальными цилиндрами, образующими между собой и корпусом кольцевые зазоры, причем внутренний цилиндр выполнен герметичным и в нем размещены насосная камера, электронагреватель и термосифон, верхний конец которого выведен в полость среднего цилиндра.

Недостатком известного генератора АДХА являются ограниченные расходные характеристики термосифонного насоса, обусловленные особенностями его конструкции и режимными параметрами работы агрегата.

Известен АДХА (прототип), содержащий последовательно установленные по раствору кипятильник, абсорбер и теплообменник-регенератор, причем кипятильник выполнен в виде цилиндрического сосуда, снабженного греющей рубашкой, а абсорбер размещен горизонтально на уровне кипящего раствора в кипятильнике.

Недостатком известного АДХА является его низкая термодинамическая эффективность, поскольку конструкция не обеспечивает высокой интенсивности протекающих в агрегате тепло- и массообменных процессов. В частности, конструкция АДХА - прототипа не позволяет осуществить выпаривание раствора в условиях, практически равноценных режиму испарения с тонких пленок жидкости. Это связано с тем, что в затопленном кипятильнике прототипа тепловой поток от поверхности нагрева передается к жидкости только естественной конвекцией, особенно на начальной стадии выпаривания. Более интенсивный процесс теплопередачи будет реализоваться только в режиме пузырькового кипения, существующем при перепаде температур между поверхностями нагрева и насыщения порядка 5-7^оС. Учитывая, что АДХА бытового холодильника работает в периодическом режиме, то многократное достижение и поддержания такого перегрева стенки связано с существенными энергозатратами при производстве холода.

Кроме того, конструкция АДХА - прототипа не позволяет для уменьшения энергозатрат обеспечить более полную регенерацию тепла между циркулирующими веществами, например, за счет непосредственного теплообмена между имеющим высокую температуру паром хладагента и крепким раствором.

Целью изобретения является повышение термодинамической эффективности путем интенсификации тепло- и массообменных процессов.

Указанная цель достигается тем, что кипятильник снабжен установленными по оси корпуса двумя коаксиальными цилиндрами, образующими между собой и корпусом кольцевые зазоры, причем внутренний цилиндр герметично соединен с корпусом, выполнен с нижним заглушенным торцом и в нем размещен электронагреватель, а внешний цилиндр выполнен с открытым верхним торцом, расположенным на уровне крепкого раствора в ресивере, но выше уровня подачи слабого раствора в абсорбер, и заглушенным нижним торцом, расположенным с зазором относительно корпуса и закрытого торца внутреннего цилиндра, при этом зазор между внутренним и внешним цилиндрами подключен в нижней части к штуцеру ввода крепкого раствора, а паровая полость корпуса подключена паропроводом с образованием гидрозатвора к подъемной трубе перлифтного насоса, верхний конец которой введен в паровую полость ресивера, а нижний конец подсоединен с образованием гидрозатвора к выполненной из нижней части и абсорбера емкости.

Теплообменник-генератор выполнен по типу "труба в трубе" и его нагреваемая полость связывает ресивер со штуцером ввода крепкого раствора, а охлаждаемая полость связывает штуцер вывода слабого раствора с абсорбером.

Паропровод и подъемная труба парлифтного насоса связаны с корпусом и теплообменником-регенератором в тепловом отношении, например, при помощи продольного сварного шва.

Сопоставительный анализ показывает, что заявляемое устройство отличается от прототипа тем, что в его конструкции кипятильник снабжен установленными по оси корпуса двумя коаксиальными цилиндрами, образующими между собой и корпусом кольцевые зазоры, причем внутренний цилиндр герметично соединен с корпусом, выполнен с нижним заглушенным торцом и в нем размещен электронагреватель, а внешний цилиндр выполнен с открытым верхним торцом, расположенным на уровне крепкого раствора в ресивере, но выше уровня подачи слабого раствора в абсорбере, и заглушенным нижним торцом, расположенным с зазором относительно корпуса и закрытого торца внутреннего цилиндра, при этом зазор между внутренним и внешним цилиндрами подключен в нижней части к штуцеру ввода крепкого раствора, а паровая полость корпуса подключена паропроводом с образованием гидрозатвора к подъемной трубе парлифтного насоса, верхний конец которой введен в паровую полость ресивера, в нижний конец подсоединен с образованием гидрозатвора к выполненной из нижней части абсорбера емкости.

Это позволяет сделать вывод, что заявляемое решение соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого устройства не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники, позволяет признать заявляемое решение соответствующим критерию "существенные отличия".

Выполнение АДХА предлагаемым образом позволяет повысить его термическую эффективность за счет интенсификации тепло- и массообменных процессов. Поскольку уровень кипящего раствора в кипятильнике расположен на уровне крепкого раствора в ресивере и выше уровня слива слабого раствора из теплообменника-регенератора в абсорбер, обеспечивается незаполняемость кольцевого зазора между внешними цилиндром и корпусом, а это приводит к тому, что после выхода (в результате кипения) парожидкостной эмульсии из кольцевого зазора между внутренними и внешним цилиндрами она разделяется на пары хладагента, направляемые в паропровод, и слабый раствор, стекающий в виде пленки по нагретым частям кипятильника (внешнему цилиндру и корпусу). В процессе стекания раствора происходит его турбулизация, вследствие чего разрушается тепловой пограничный слой, расположенный у стенок и представляющий собой основное термическое сопротивление тепловому потоку. Это обеспечивает благоприятные условия для выпаривания раствора в диапазоне весьма малых перегревов стенки за счет интенсивного теплообмена. Существенная интенсификация теплообмена в кипятильнике АДХА при малых перегревах стенки представляет значительный интерес для бытовой холодильной техники.

Применение парлифтного насоса в качестве исполнительного агрегата для обеспечения в холодильном агрегате циркуляции раствора позволяет не только повысить производительность (холодильную мощность) АДХА за счет увеличения циркуляции веществ, но и осуществить глубокую утилизацию тепла пара хладагента для нагрева крепкого раствора с последующей его подачей в кипятильник. Это связано с организацией работы АДХА, когда образующийся в кипятильнике пар хладагента, проходя по паропроводу, вытесняет раствор из гидрораствора и далее поступает в подъемную трубу перлифтного насоса, образуя двухфазную смесь, поднимающуюся по подъемной трубе в ресивер. Восходящий двухфазный поток характеризуется четко выраженным снарядным (поршневым) режимом течения. Наличие большого количества пузырей хладагента, поднимающихся в подъемной трубе, значительно увеличивает поверхность контакта фаз, что обеспечивает эффективную ректификацию паров хладагента и нагрев крепкого раствора за счет непосредственного теплообменника между паром и жидкостью.

Поскольку процесс подъема паровых пузырей достаточно длителен и зависит от высоты подъемной трубы, то рассматриваемый вариант исполнения АДХА позволяет осуществить полную регенерацию тепла между циркулирующими веществами и тем самым уменьшить энергозатраты на выработку холода по сравнению с известными устройствами.

На фиг.1 изображен общий вид АДХА; на фиг.2 - продольный разрез кипятильника; на фиг.3 - разрез А-А на фиг.2.

Агрегат содержит вертикальный цилиндрический корпус 1 кипятильника со штуцером 2 ввода крепкого раствора, штуцером 3 вывода слабого раствора и паропроводом 4, электронагреватель 5, абсорбер 6, ресивер 7 и теплообменник-регенератор 8.

Агрегат снабжен установленными по оси корпуса внешним 9 и внутренним 10 коаксиальными цилиндрами, образующими между собой и корпусом 1 кольцевые зазоры, причем внутренний цилиндр герметично соединен с корпусом, выполнен с нижним заглушенным торцом и в нем размещен электронагреватель 5, а внешний цилиндр выполнен с открытым верхним торцом, расположенным на уровне крепкого раствора в ресивере 7, но выше уровня подачи слабого раствора в абсорбер 6, и заглушенным нижним торцом, расположенным с зазором относительно корпуса 1 и закрытого торца внутреннего цилиндра 10. Зазор между внутренним и внешним цилиндрами подключен в нижней части к штуцеру 2 ввода крепкого раствора, а паровая полость корпуса 1 подключена паропроводом 4 с образованием гидрозатвора к подъемной трубе 11 парлифтного насоса, верхний конец которой введен в паровую полость ресивера 7, а нижний конец подсоединен с образованием гидрозатвора к выполненной из нижней части абсорбера 6 емкости 12.

Теплообменник-регенератор 8 выполнен по типу "труба в трубе" и его нагреваемая полость связывает ресивер 7 со штуцером 2 ввода крепкого раствора, а охлаждаемая полость связывает штуцер 3 вывода слабого раствора с абсорбером 6.

Паропровод 4 и подъемная труба 11 парлифтного насоса связаны с корпусом 1 и теплообменником-регенератором 8 в тепловом отношении, например, при помощи продольного сварного шва. На фиг.1 тепловая связь подъемной трубы 11 с теплообменником-регенератором 8 и корпусом 1 не показана.

Кипятильник, паропровод, теплообменник-регенератор, подъемная труба парлифтного насоса и ресивер закрыты теплоизоляцией.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Внутренняя полость АДХА вакуумируется и заполняется водоаммиачным раствором с массовой концентрацией 0,34...0,36 кг/кг раствора и инертным газом (водородом) до давления 1,9. ..2,1 мПа. Объем раствора выбирается таким, чтобы после заполнения ресивеpа 7 (до уровня верхнего открытого торца внешнего цилиндра 9) и полостей теплообменника-регенератора 8 в емкости 12 оставалась незаполненной паровая полость для прохода через нее холодной парогазовой смеси из испарителя АДХА (не показан) в абсорбер 6. При таком заполнении емкости 12 происходит одновременное заполнение гидрозатворов подъемной трубы 11 и паропровода 4. Размеры емкости 12 выбирают с таким расчетом, чтобы в процессе работы АДХА, когда в результате частичного выпаривания объем раствора уменьшится, указанные выше гидрозатворы были бы гарантировано заполнены крепким раствором.

Из ресивера 7 крепкий раствор направляется через нагреваемую полость теплообменника-регенератора 8 в зазор между внешним 9 и внутренним 10 цилиндрами. В результате отвода тепла от электронагревателя 5 крепкий раствор кипит, что приводит к выходу парожидкостной эмульсии из кольцевого зазора в паровую полость корпуса 1, в которой она разделяется на пары хладагента и слабый раствор.

Слабый раствор в виде пленки стекает по нагретым частям кипятильника (внешнему цилиндру 9 и корпусу 1). При этом происходит его довыпаривание в условиях интенсивного теплообмена при малом перегреве стенки. Далее слабый раствор через штуцер 3 и охлаждаемую полость теплообменника-регенератора 8 поступает в верхнюю часть абсорбера 6, причем уровень слива слабого раствора в абсорбер ниже уровня кипящего раствора в кипятильнике.

Пары хладагента после отделения от слабого раствора скапливаются в полости корпуса 1 и пароприводе 4. За счет избыточного давления пары хладагента отжимают крепкий раствор из гидрораствора паропровода 4 и поступают в подъемную трубу 11 парлифтного насоса. При этом образуется двухфазная смесь, которая поднимается по подъемной трубе в паровую полость ресивера 7. В ресивере происходит разделение крепкого раствора и паров хладагента, которые практически чистыми поступают далее в конденсатор (не показан). Крепкий раствор накапливается в ресивере 7 для поддержания уровня кипящего раствора в кипятильнике. Постоянный приток пара из кипятильника создает условия для достижения наибольшей стабилизации достаточно мощного потока в системе циркуляции раствора.

После снижения в конденсаторе жидкий хладагент сливается в испаритель АДХА, в котором испаряется в циркулирующий водород, имеющий вначале малое парциальное давление аммиака, производя при этом холодильное действие и повышая одновременно концентрацию паров аммиака в циркулирующем водороде. Богатая водородоаммиачная смесь из испарителя поступает через охлаждающую полость газового теплообменника (не показан) в емкость 12 и далее в абсорбер 6, в котором из него слабым раствором поглощаются пары аммиака. При этом раствор становится крепким и сливается в емкость 12, а водородоаммиачная смесь освобождается от значительного количества паров аммиака и обедненной поступает через греющую полость газового теплообменника снова в испаритель АДХА. Крепкий раствор из емкости 12 посредством парлифтного насоса, работающего при помощи полученного в кипятильнике пара хладагента, транспортируется в ресивер 7. На этом заканчивается рабочий цикл предлагаемого агрегата.

Проведенные испытания показали, что парлифтный насос обеспечивает массовый расход жидкости, в 4,5...6 раз превышающий расход широко применяемого в настоящее время в конструкциях АДХА термосифонного насоса (естественно, при аналогичных условиях работы - давлении, подводимой электронагревателем мощности, высоте подъема жидкости и диаметрах труб). На основе экспериментальных данных можно сделать вывод о том, что предлагаемое использование в АДХА парлифтного насоса гарантированно и с меньшими энергозатратами обеспечит подъем раствора на высоту, необходимую для его циркуляции по остальным узлам агрегата, и тем самым повысит надежность работы АДХА в целом.

Выполнение агрегата предлагаемым образом, когда паропровод и подъемная труба парлифтного насоса связаны с корпусом и теплообменником-регенератором в тепловом отношении, например, при помощи продольного сварного шва, также повышает степень использования тепла.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет организовать работу АДХА бытового холодильника с высокой термодинамической эффективностью за счет выпаривания раствора в условиях, практически равноценных режиму испарения с тонких пленок, и обеспечения глубокой регенерации тепла между циркулирующими веществами путем непосредственного теплообмена. Это уменьшает энергозатраты при производстве холода на 15...20% по сравнению с известными агрегатами аналогичной хладопроизводительности.

Положительные результаты испытаний заявляемого устройства открывают путь для создания целой гаммы высокоэффективных холодильных агрегатов для бытовой холодильной техники различного назначения (минибаров, холодильников, морозильных камер и др.). Для обеспечения различной хладопроизводительности могут быть использованы кипятильники АДХА с различными расходными характеристиками, конструкции которых будут существенно отличаться от заявляемого устройства. Однако единый для таких холодильных агрегатов изобретательский замысел дает основание сформулировать общий для них способ работы АДХА.

Известен способ работы водородонаполненного абсорбционного холодильного агрегата с ресивером для водоаммиачного раствора, абсорбером для поглощения слабым раствором аммиака из аммиачноводородной смеси и испарителем для производства холода.

Недостатком известного способа является необходимость высокого нагрева раствора в кипятильнике для обеспечения нормальной работы термосифона.

Известен способ (прототип), по которому работает абсорбционно-диффузионный холодильный агрегат, содержащий последовательно установленные по раствору кипятильник, абсорбер, теплообменник-регенератор и греющую рубашку кипятильника, а также ректификатор, конденсатор, высоко- и низкотемпературные испарители, газовый теплообменник, ресивер крепкого раствора и трубопроводы.

При реализации известного способа работы АДХА в греющую рубашку подается теплоноситель, теплом которого из раствора в кипятильнике выделяются пары хладагента, которые поступают на снижение в конденсатор. Слабый раствор из кипятильника по трубопроводу направляется в теплообменник-регенератор и далее сливается в абсорбер, который размещен горизонтально на уровне кипящего раствора в кипятильнике.

Недостатком известного способа работы АДХА является его низкая термодинамическая эффективность, обусловленная малой интенсивностью протекающих при его реализации тепло- и массообменных процессов.

Цель изобретения состоит в повышении термодинамической эффективности.

Поставленная цель достигается способом работы АДХА путем выпаривание в кипятильнике хладагента из крепкого раствора, подаваемого из ресивера через теплообменник-регенератор, конденсации паров хладагента в конденсаторе, испарения жидкого хладагента в среду инертного газа в испарителе и последующего транспортирования холодной парогазовой смеси в абсорбер для получения крепкого раствора путем поглощения слабым раствором паров хладагента. При этом крепкий раствор из абсорбера собирают в емкость и через гидрозатвор направляют в подъемную трубу парлифтного насоса, работающего при помощи пара хладагента, полученного в кипятильнике и подведенного паропроводом с образованием гидрозатвора к подъемной трубе для подачи двухфазной смеси в ресивер и последующим сбором крепкого раствора в ресивере на уровне кипящего раствора в кипятильнике, который выше уровня слива слабого раствора в абсорбер. Из ресивера пары хладагента направляют в конденсатор.

Сравнение заявляемого способа с прототипом позволило установить соответствие его критерию "новизна". При изучении других известных технических решений в данной и смежных областях техники признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не были выявлены, потому они обеспечивают заявляемому способу соответствие критерию "существенные отличия".

Заявляемый способ был реализован АДХА, общий вид которого показан на фиг.1.

Подробно характер работы данного АДХА был рассмотрен выше, однако следует добавить, что для осуществления заявляемого способа могут быть использованы кипятильники совершенно различных конструкций, например с одним или несколькими термосифонами, что расширяет область применения данного способа.

Экономический эффект, получаемый в результате использования заявляемого способа работы АДХА, достигается за счет повышения термодинамической эффективности холодильного агрегата.

Формула изобретения

АБСОРБЦИОННО-ДИФФУЗИОННЫЙ ХОЛОДИЛЬНЫЙ АГРЕГАТ И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ.

1. Абсорбционно-диффузионный холодильный агрегат, содержащий вертикальный цилиндрический корпус кипятильника со штуцерами ввода крепкого и вывода слабого растворов, паропровод, электронагреватель, абсорбер, ресивер и теплообменник-регенератор, отличающийся тем, что, с целью повышения термодинамической эффективности, кипятильник снабжен установленными по оси корпуса двумя коаксиальными цилиндрами, образующими между собой и корпусом кольцевые зазоры, причем внутренний цилиндр герметично соединен с корпусом, выполнен с нижним заглушенным торцом и в нем размещен электронагреватель, а внешний цилиндр выполнен с открытым верхним торцом, расположенным на уровне крепкого раствора в ресивере, но выше уровня подачи слабого раствора в абсорбер, и заглушенным нижним торцом, расположенным с зазором относительно корпуса и закрытого торца внутреннего цилиндра, при этом зазор между внутренним и внешним цилиндрами подключен в нижней части к штуцеру ввода крепкого раствора, а паровая полость корпуса подключена паропроводом с образованием гидрозатвора к подъемной трубе перлифтного насоса, верхний конец которой введен в паровую полость ресивера, а нижний конец подсоединен с образованием гидрозатвора к выполненной из нижней части абсорбера емкости.

2. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что теплообменник-регенератор выполнен по типу труба в трубе и его нагреваемая полость связывает ресивер со штуцером ввода крепкого раствора, а охлаждаемая полость связывает штуцер вывода слабого раствора с абсорбером.

3. Агрегат по п.2, отличающийся тем, что паропровод и подъемная труба парлифтного насоса связаны с корпусом и теплообменником-регенератором в тепловом отношении, например, при помощи продольного сварного шва.

4. Способ работы абсорбционно-диффузионного холодильного агрегата путем выпаривания в кипятильнике хладагента из крепкого раствора, подаваемого из ресивера через теплообменник-регенератор, конденсации паров хладагента в конденсаторе, испарения жидкого хладагента в среду инертного газа в испарителе и последующего транспортирования холодной парогазовой смеси в абсорбер для получения крепкого раствора путем поглощения слабым раствором паров хладагента, отличающийся тем, что, с целью повышения термодинамической эффективности, крепкий раствор из абсорбера собирают в емкость и через гидрозатвор направляют в подъемную трубу перлифтного насоса, работающего при помощи пара хладагента, полученного в кипятильнике и подведенного паропроводом с образованием гидрозатвора к подъемной трубе для подачи двухфазной смеси в ресивер с последующим сбором крепкого раствора в ресивере на уровне кипящего раствора в кипятильнике, который выше уровня слива слабого раствора в абсорбер, причем пары хладагента из ресивера далее направляют в конденсатор.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3