Генератор абсорбционно-диффузионного холодильного агрегата

 

Использование: холодильная техника, в частности генераторы абсорбционно-диффузионных холодильных агрегатов. Сущность изобретения: горизонтальная перегородка 3 полости 7 электронагревателя 9 расположена на уровне верхней части термосифона 8, при этом по длине подъемной части термосифона 8 во внутренней полости 7 электронагревателя 9 установлено испарительно-конденсационное теплопередающее устройство 10, выполненное по типу тепловой трубы, нижний обогреваемый торец которой соединен с обеспечением теплового контакта с верхним торцом электронагревателя 9 теплопроводной вставкой 12. По периметру полости 7 электронагревателя 9 равномерно установлено несколько дополнительных термосифонов 8. 1 з. п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к холодильной технике, в частности к генераторам абсорбционно-диффузионных холодильных агрегатов (АДХА).

Известен генератор АДХА, содержащий термосифон, связанный нижней частью с полостью крепкого раствора, а верхней c ректификатором, и электронагреватель, расположенный в нижней части термосифона и связанный с ней в тепловом отношении (Лепаев Д. А. Ремонт бытовых холодильников. Справочник, 2-е изд. М. Легпромбытиздат, 1989, с. 213-216).

Недостатком этого генератора является его низкая эффективность работы за счет больших потерь с корпуса электронагревателя в окружающую среду, связанная малой величиной контакта (по образующей) между корпусом электронагревателя и термосифоном.

Наиболее близким к изобретению является генератор АДХА, выполненный в виде вертикального цилиндрического корпуса, разделенного аксиальными каналами и горизонтальными перегородками на полости слабого и крепкого раствора и полость электронагревателя, и содержащий термосифон, связанный в тепловом отношении с полостью электронагревателя (авт.св. СССР N 1002759, кл. F 25 В 33/00, 1983).

Такой генератор АДХА позволяет практически избежать потерь электронагревателя в окружающую среду, однако обладает недостаточно высокой эффективностью за счет высоких тепловых потерь в подъемной части термосифона в окружающую среду. Тепловые потери на подъемном участке термосифона сопровождаются конденсацией паров в двухфазном парожидкостном потоке. Это приводит к снижению выталкивающей силы, увеличению кратности циркуляции раствора, что неблагоприятно сказывается на работе АДХА в целом.

Цель изобретения повышение эффективности работы генераторов АДХА.

Для этого перегородка полости электронагревателя расположена на уровне верхней части термосифона, а по всей длине подъемной части термосифона во внутренней полости электронагревателя установлено испарительно-конденсационное теплопередающее устройство, выполненное по типу тепловой трубы, причем нижний обогреваемый торец тепловой трубы связан в тепловом отношении с верхним торцом электронагревателя при помощи теплопроводной вставки.

По периметру полости электронагревателя может быть равномерно установлено несколько термосифонов.

На фиг.1 представлена предлагаемая конструкция генератора АДХА; на фиг.2 сечение А-А на фиг.1 вертикального цилиндрического корпуса генератора АДХА; на фиг.3 то же при равномерной установке по периметру полости электронагревателя нескольких перекачивающих термосифонов.

Вертикальный цилиндрический корпус генератора 1 разделен аксиальным каналом 2 и перегородками 3 и 4 на полость 5 слабого раствора, полость 6 крепкого раствора и полость 7 электронагревателя. Вертикальный перекачивающий термосифон 8 связан в тепловом отношении с аксиальным каналом 2 по всей его длине и проходит из полости 6 крепкого раствора через перегородку 4 и полость 5 слабого раствора в верхнюю часть генератора. Нижняя часть термосифона 8, сообщающаяся с полостью 6 крепкого раствора, которая связана в тепловом отношении с электронагревателем 9, расположенным в нижней части полости 7. В верхней части полости 7, имеющей тепловую связь с подъемной частью термосифона 8, установлено автономное испарительно-конденсационное теплопередающее устройство 10, выполненное по типу тепловой трубы. Устройство 10 частично заполняется жидким теплоносителем 11.

Внутренние стенки устройства 10 могут быть как гладкими, так и покрыты капиллярно-пористой структурой. Тепловая связь между нижним торцом тепловой трубы 10 и верхним торцом электронагревателя 9 осуществляется через теплопроводную вставку 12.

Генератор АДХА работает следующим образом.

При подводе электрического напряжения на электронагреватель 9 осуществляется передача тепловой мощности через стенку канала 2 к термосифону 8. В нижней части термосифона 8, связанной с полостью 6, находится крепкий водоаммиачный раствор. При подводе тепловой мощности осуществляется генерация паровой смеси, состоящего преимущественно из пара аммиака. Обладая выталкивающей силой, паровой пузырь проталкивает порцию находящейся над ним жидкости в верхнюю часть термосифона 8. При выходе из верхней части термосифона 8 осуществляется разделение пара и жидкости. Жидкость стекает в полость 5, а пар поступает в ректификатор (не показан). При работе электронагревателя 9 осуществляется и передача тепловой мощности через теплопроводную вставку 12 к нижнему торцу тепловой трубы 10. При этом осуществляется генерация пара теплоносителя 11. Пар теплоносителя поднимается в верхнюю часть тепловой трубы 10, где сжижается с отводом теплоты теплообразования. Конденсат стекает в нижнюю часть по гладким стенкам либо транспортируется при помощи сил поверхностного натяжения по капиллярно-пористой структуре.

Работа генератора АДХА сопровождается тепловыми потерями с внешней поверхности корпуса 1 в окружающую среду. Теплопотери приводят к охлаждению слабого раствора, находящегося в полости 5 и подъемной части термосифона 8, имеющей с ним тепловую связь. Вместе с тем термосифон имеет тепловую связь и с конденсационным участком тепловой трубы 10. Указанная тепловая связь позволяет компенсировать теплопотери с внешней поверхности подъемного участка термосифона 8 через полость 5 слабого раствора и корпус 1 в окружающую среду за счет теплоподвода в процессе конденсации теплоносителя 11, циркулирующего в тепловой трубе 10. Снижение теплопотерь на подъемном участке термосифона 8 позволяет обеспечить более высокую степень очистки слабого раствора от аммиака. Это позволяет повысить движущую силу процесса абсорбции, т.е. обеспечить более эффективную очистку парогазовой смеси, поступающей в испаритель АДХА, что приводит к снижению уровня рабочих температур на испарителе и повышению холодильной мощности.

Для повышения тепловой мощности генератора АДХА по периметру полости может устанавливаться ряд термосифонов на равном расстоянии друг от друга (фиг.3).

Одно из существенных преимуществ предлагаемой конструкции генератора заключается в повышении эффективности работы путем снижения теплопотерь в окружающую среду и, следовательно, снижению суточного энергопотребления.

Рассмотрим конкретный пример работы генератора АДХА, например, в составе холодильнике "Кристалл-404-1". Внутренний диаметр термосифона 3,2 мм, внешний 6 мм. Экспериментальные исследования показывают, что при температуре окружающего воздуха 25^оС температура конца кипения (верхняя часть основного нагревателя) составляет 175^оС, а температура на выходе из термосифона 170^оС. При изменении температур окружающего воздуха величина разности температур остается примерно постоянной. В традиционной конструкции разность температур создают для того, чтобы компенсировать потери тепла в окружающую среду и обеспечить требуемый расход пара аммиака и степень очистки слабого раствора, т. е. при отсутствии теплопотерь достаточно было поддерживать рабочую температуру термосифона на уровне 170^оС. Оценим работу генератора в традиционном исполнении, т.е. с потерями в окружающую среду с подъемной части термосифона, и работу по предлагаемому варианту, т.е. при изотермической поверхности на подъемном участке термосифона.

По справочнику (Богданов С.Н. Иванов О.П. и Куприянова А.В. Холодильная техника. Свойства веществ. Справочник, изд. 3-е, перераб. и доп. М. Агропромиздат, 1985) находим свойства водоаммиачной смеси в характерных точках, представленные в таблице.

Оценим дополнительные затраты на подогрев жидкой смеси с 170 до 175^оС.

Кратность циркуляции жидкой смеси при концентрации слабой смеси 0,1 кг/кг, насыщенной 0,3 кг/кг составляет 5,5 кг/кг. При величине холодильной мощности агрегата 20 Вт и средней температуре испарения минус 12^оС массовый расход циркулирующего аммиака составит G 3,24˙10^-5 кг/c. Тогда массовый расход жидкой смеси G_см f G 4,5˙3,24˙10^-5 14,58˙10^-5 кг/с. Затраты тепла на дополнительный подогрев жидкой смеси составляет: Q_cм G_см (i'₁₇₅ i'₁₇₀), где i'₁₇₅, i'₁₇₀ удельная энтальпия водоаммиачной смеси при давлении 20 бар и температурах 175 и 170^оС соответственно.

Q_см 14,58˙10⁵˙ (1106,6 1077)˙10³ 4,3 Вт Оценим дополнительные затраты на выпаривая при увеличении уровня рабочих температур с 170 до 175^оС.

Затраты на выпаривания составляют Q_вып (G + G) (i'' i'), где i'', i' удельная энтальпия пара и жидкости водоаммиачной смеси соответственно.

Учитывая величину массового расхода аммиака 3,24˙10⁵ кг/с и его массовую концентрацию в паре 0,6353 кг/кг при 170^оС, можно рассчитать величину массового расхода генерируемого пара воды.

G= G= 1,86·10^-5 кг/с При 175^оС массовый расход генерируемого пара воды составит G= 2,32·10^-5 кг/с Тогда при 170^оС Q⁽¹⁷⁰⁾_вып (3,24 + 1,86)˙ 10^-5˙ (2444,7 1077) ˙10³ 69,8 Вт, а при 175^оС Q⁽¹⁷⁵⁾_вып (3,24 + 2,32)˙10^-5˙ (2513,5
1106,6) ˙10³ 78,2 Вт, cледовательно, дополнительные затраты на выпаривание при увеличении уровня рабочих температур составляют
Δ Q_вып Q⁽¹⁷⁵⁾_вып Q⁽¹⁷⁰⁾_вып,
Q_вып 78,2 69,8 8,4 Вт.

Суммарные дополнительные затраты при увеличении уровня рабочих температур с 170 до 175^оС составят
Σ Q_доп Δ Q_вып + Q_см;
Σ Q_доп 8,4 + 4,3 12,7 Вт.

Оценим мощность требуемого для обеспечения изотермической поверхности подъемной части термосифона по величине теплопотерь в окружающую среду.

В предложенной конструкции определим теплопотери с подъемной части термосифона 8 и внешней поверхности канала 2 через слой слабого раствора, корпус 1 генератора и слой изоляции (не показан) в окружающую среду.

Расчет проведем по формуле
Q_пот= где t_к, t_ос температуры кипения водоаммиачной смеси в термосифоне и окружающей среды соответственно; R_Σ суммарное термическое сопротивление процесса передачи тепла от двухфазного потока в термосифоне в окружающую среду.

Примем t_ос 25^оС.

Можно записать, что R_Σ R_сл + R_ст + R_из + R_ос, где R_сл, R_ст, R_из, R_ос термическое сопротивление процессов передачи тепла через слой слабого раствора, стенку корпуса 1, изоляционный кожух и в окружающую среду от стенки изоляционного кожуха соответственно.

Величину R_сл рассчитаем (Дульнев Г. Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре. М. Высшая школа, 1984, с. 71-72) для случая свободной конвекции в ограниченном пространстве.

Для этого примем величину диаметра полости 7, равную d_n 20 мм, что соответствует диаметру серийных электронагревателей, используемых в холодильниках "Кристалл" 4040-1. Внутренний диаметр корпуса 1 примем равным d₁ 36 мм, внешний d₂ 39 мм. Толщина изоляции на серийном холодильнике 50 мм (d_из 139 мм). Тогда R_сл где α _сп эффективный коэффициент теплопередачи через прослойку; F_п величина поверхности полости 7. При расчете будем исходить из размеров подъемной части серийного термосифона Н_тс 280 мм.

α_сл где ε_к коэффициент конвекции; λ коэффициент теплопроводности слабого раствора. Величина ε_к определяется в зависимости от численного значения комплекса (G_г˙Р_rсл). G_г g·β Примем Δ t 50^оС. При cредней температуре 145^оС и давлении 20 бар теплофизические свойства водоаммиачной смеси:
V_сл 0,220˙10⁶ м/с;
Р_rсл 1,40;
λ_сл 0,557 Вт/(м˙к);
β 10,3˙10^-4 1/к.

Тогда
G_r= 2,29·10¹¹
(G_r ˙P_r) 3,20 ˙10¹¹.

Далее расчет проводится по формуле
ε 0,18 (G_r ˙P_r) ^0,25 135,4.

Тогда
α_сл= 12834 Вт/м²·к
R_сп= 0,044 к/Вт
Термическое сопротивление стенки корпуса 1
R_ст=
R_ст= 0,158 к/Вт
Термическое сопротивление изоляционного кожуха, заполненного стекловатой (λ_из 0,0372 Вт/(м˙к)),
R_из=
R_из= 12,023 к/Вт
Термическое сопротивление процесса теплоотдачи от изоляционного кожуха в окружающую среду рассчитываем также по рекомендациям Дульнева Г.Н. (см. там же, ф-ла 1.159 стр. 62). Перепад температур в расчете принимаем равным Δ t_оc 45^оС.

α_ос= (1,42+1,4·10)·
α_ос= (1,42+1,4·10^-3·35)· 5,23 Вт/м³·к Тогда
R_ос=
R_ос= 1,564 к/Вт
Общее термическое сопротивление
R_Σ 0,044 + 0,158 + 12,023 + 1,564
13,79 к/Вт. Величина теплопотерь составит
Q_пот= 10,5 Вт
Эта величина меньше дополнительных затрат при работе на температурном уровне 175^оС на 12,7 10,5 2,2 Вт. При номинальной тепловой мощности электронагревателя холодильника "Кристалл-404-1" экономия электроэнергии при использовании предлагаемой конструкции генератора составит около 2% Вместе с экономией предлагаемая конструкция генератора позволит снизить уровень рабочих температур в генераторе как минимум на 5^оС. Это имеет большое значение для коррозионной стойкости материалов конструкции и позволит увеличить ресурс агрегата, который в настоящее время практически полностью определяется ресурсом генератора.

Существенные отличия и положительные эффекты предложенного устройства заключаются в следующем.

При помощи тепловой трубы и теплопроводной вставки от электронагревателя подводится тепло к подъемной части термосифона по всей его длине, в количестве, эквивалентном количеству теплоты парообразования аммиака в единицу времени в условиях работы холодильника агрегата. Это позволяет стабилизировать термодинамический процесс работы термосифона и, следовательно повысить эффективность работы.

Тепло одного электронагревателя используется одновременно для работы нескольких термосифонов, равномерно расположенных вокруг нагревателя и тепловой трубы. Это позволяет повысить КПД использования мощности электронагревателя, а следовательно, и эффективность холодильника в целом.

Предварительная оценка экономии электроэнергии составляет около 2%

Формула изобретения

1. ГЕНЕРАТОР АБСОРБЦИОННО-ДИФФУЗИОННОГО ХОЛОДИЛЬНОГО АГРЕГАТА, выполненный в виде вертикального цилиндрического корпуса, разделенного аксиальными каналами и горизонтальными перегородками на полости слабого и крепкого раствора и полость электронагревателя и содержащий термосифон, установленный с обеспечением теплового контакта с полостью электронагревателя, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности работы, горизонтальная перегородка полости электронагревателя расположена на уровне верхней части термосифона, а по всей длине подъемной части термосифона во внутренней полости электронагревателя дополнительно установлено испарительно-конденсационное теплопередающее устройство, выполненное в виде тепловой трубы, причем нижний обогреваемый торец тепловой трубы установлен с обеспечением теплового контакта с верхним торцом электронагревателя при помощи дополнительно установленной теплопроводной вставки.

2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что по периметру полости электронагревателя равномерно установлено несколько дополнительных термосифонов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4