Патент на изобретение №2258184

(54) АБСОРБЦИОННО-ДИФФУЗИОННЫЙ ХОЛОДИЛЬНЫЙ АГРЕГАТ

(57) Реферат:

Изобретение относится к холодильной технике, в частности к холодильным агрегатам абсорбционно-диффузионного действия, применяемым в бытовых и промышленных холодильниках. Абсорбционно-диффузионный холодильный агрегат содержит испаритель, конденсатор, дефлегматор, абсорбер, ресивер, жидкостный теплообменник, газовый теплообменник, генератор с электронагревателем на трубке слабого раствора с его паровой полостью, соединенной через дефлегматор с конденсатором. В паровой полости установлена трубка крепкого раствора со своей герметичной паровой полостью и с гидравлическим затвором в нижней ее части, в который погружен нижний конец термосифона. Средняя часть термосифона проходит в трубке крепкого раствора, а верхний его конец выходит из нее в паровую полость трубки слабого раствора. В средней части паровой полости трубки слабого раствора по всему проходному сечению выполнена капиллярно-пористая вставка. Использование изобретения позволит повысить коэффициент полезного действия холодильного агрегата. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Предполагаемое изобретение относится к холодильной технике, в частности к холодильным агрегатам абсорбционно-диффузионного действия, применяемым в бытовых и промышленных холодильниках.

Известны абсорбционно-диффузионные холодильные агрегаты (см. книгу Б.С.Бабакин, В.А.Выгодин. Бытовые холодильники и морозильники. Справочник, Москва, “Колос” 1998, с.412-414, 425-428) холодильников “Морозко-3М”, “Кристалл-4”.

Недостаток их заключается в том, что в них не предусмотрено довыпаривание слабого раствора, который поступает в абсорбер недостаточно очищенным от воды. Это снижает эффективность процесса абсорбции (поглощения) аммиака из аммиачно-водородной параогазовой смеси, и тем самым снижается коэффициент полезного действия работы холодильных агрегатов. Кроме того, после регенератора насыщенный водоаммичный пар поступает в дефлегматор, в котором происходит дополнительное охлаждение пара окружающим воздухом, образование флегмы (концентрированного раствора аммиака), стекающей в кипящий раствор для повторного бесполезного превращения ее в пар с повторным поступлением его снова в дефлегматор, выделения из него флегмы, стекающей обратно в кипящий раствор. При этом происходит многократная бесполезная затрата энергии, что дополнительно снижает коэффициент полезного действия данных агрегатов.

В качестве прототипа выбран абсорбционно-диффузионный агрегат бытового холодильника “Кристалл-9” (см. книгу Б.С.Бабакин, В.А.Выгодин. Бытовые холодильники и морозильники, Справочник, Москва, “Колос” 1998, с.428-432), включающий: конденсатор, ловушку водорода, испаритель, газовый теплообменник, абсорбер, воздушный охладитель, жидкостный теплообменник, ресивер, генератор с электронагревателем на трубке слабого раствора с его паровой полостью, соединенной через дефлегматор с конденсатором и в которой установлена трубка крепкого раствора со своей герметичной паровой полостью и с гидравлическим затвором нижней ее части, в который погружен нижний конец термосифона, средняя часть которого проходит в трубке крепкого раствора, а верхний его конец выходит из нее в паровую полость трубки слабого раствора.

Недостаток прототипа заключается в том, что в нем не осуществлена регенерация пара в паровой полости трубки слабого раствора, что, с одной стороны, приводит к увеличенному содержанию воды, попадающей в конденсатор и далее в испаритель, а с другой стороны, флегма из дефлегматора и слабый раствор с выхода термосифона постоянно стекают в трубку слабого раствора, повторно испаряются в ней, затем снова конденсируются в дефлегматоре и снова стекают в трубку слабого раствора. Таким образом бесполезно затрачивается энергия, что снижает коэффициент полезного действия холодильного агрегата.

Целью предлагаемого изобретения является повышение коэффициента полезного действия холодильного агрегата.

Поставленная цель достигается за счет того, что в средней части паровой полости трубки слабого раствора по всему проходному сечению выполнена капиллярно-пористая вставка, которая выполнена в виде плоских, сложенных одна на другую кольцевых сеток из стальной проволоки, капиллярно-пористая структура выполнена из стальной объемно сформованной проволоки, нижняя погруженная в раствор часть термосифона выполнена диаметром, меньшим диаметра его остальной части.

Абсорбционно-диффузионный холодильный агрегат показан на фиг.1 – принципиальная схема абсорбционно-диффузионного холодильного агрегата, на фиг.2 – капиллярно-пористая структура, выполненная в виде плоских сложенных одна на другую кольцевых сеток из стальной проволоки. Абсорбционно-диффузионный холодильный агрегат включает: испаритель 1, конденсатор 2, дефлегматор 3, абсорбер 4, ресивер 5, жидкостный теплообменник 6, газовый теплообменник 7, генератор 8 с электронагревателем 9 на трубке 10 слабого раствора с ее паровой полостью 11, соединенной через дефлегматор 3 с конденсатором 2 и в которой установлена трубка 12 крепкого раствора с герметичной паровой полостью 13 и гидравлическим затвором 14 в нижней ее части, в который погружен нижний конец 15 термосифона 16, средняя часть которого проходит в трубке 12 крепкого раствора, а верхний его конец выходит в паровую полость 11 трубки 10 слабого раствора, капиллярно-пористая вставка 17, выполненная в средней части паровой полости 11 трубки 10 слабого раствора по всему ее проходному сечению, трубку 18 слабого раствора газожидкостного теплообменника 6, внутри которой проходит трубка 19 крепкого раствора, воздушный охладитель 20, ловушку водорода 21, сложенные одна на другую плоские кольцевые сетки 22 из стальной проволоки, образующие капиллярно-пористую вставку 17 с высоко развитой поверхностью взаимодействия пара, поднимающегося из трубки 10 слабого раствора со слабым раствором, сливающимся с выхода термосифона 16.

Абсорбционно-диффузионный холодильный агрегат работает по принципу сообщающихся сосудов. Крепкий водоаммиачный раствор из ресивера 5 через трубку 18 поступает в гидравлический затвор 14, в котором поддерживается такой же уровень раствора, какой и в ресивере 5. При включенном в работу электронагревателе 9 в трубке 10 слабый раствор кипит с выделением водоаммиачного пара в паровую полость 11. Одновременно кипит крепкий раствор в гидравлическом затворе 14 с выделением водоаммиачного пара в герметичную паровую полость 13 и при повышении его давления верхний слой крепкого раствора выдавливается во вход 15 термосифона 16 и вместе с порцией прорвавшегося в него пара парожидкостная смесь поднимется по термосифону 16 к его выходу под действием подъемной силы, возникающей из-за снижения удельной плотности смеси и проталкивания вверх паровыми пузырями жидких порций раствора в узком канале термосифона с внутреннем диаметром 3,6 мм. При этом происходит регенерация пара в гидравлическом затворе 14 в результате его охлаждения концентрированным раствором и тем самым достигается повышение концентрации пара без потерь теплоты (см. книгу Б.С.Бабакин, В.А.Выгодин. Бытовые холодильники и морозильники, Справочник, Москва, “Колос” 1998, с.413). Так как электронагреватель 9 непосредственно связан в тепловом отношении с трубкой 10, в которой кипит слабый раствор, то при этом осредненная температура кипения раствора, а также температура пара в паровой емкости 11 выше температуры слабого раствора, проходящего через капиллярно-пористую вставку 17. Учитывая, что поверхность капиллярно-пористой вставки 17 является высоко развитой, то это, соответственно, обеспечивает и большую поверхность взаимодействия пара со слабым раствором. Когда слабый раствор стекает по развитой поверхности капиллярно-пористой вставки 17, то навстречу ему поднимается более горячий водоаммиачный пар, в результате чего между ними происходит интенсивный теплообмен, а также обмен аммиачным паром и сконденсировавшейся водой, а именно, проходящий пар через капиллярно-пористую вставку 17 выходит с более повышенной концентрацией, а протекающий слабый раствор через капиллярно-пористую вставку 17 обедняется за счет воздействия на него пара с более высокой температурой. В результате чего повышается коэффициент полезного действия работы агрегата, так как в испаритель 1 поступает более очищенный от воды сжиженный аммиак, а в абсорбер – более слабый аммиачный раствор с улучшенным свойством абсорбции (поглощения) аммиака из парогазовой аммиачно-водородной смеси.

С выхода термосифона 16 и с поверхности капиллярно-пористой вставки 17 пар поднимается по дефлегматору 3 в конденсатор 2, в котором он сжижается и затем стекает в испаритель 1. Дополнительное охлаждение пара окружающим воздухом в дефлегматоре 3, образование и отделение от него флегмы обеспечивает повышение концентрации аммиака в паре, поступающем в конденсатор 2. Образовавшаяся флегма стекает в капиллярно-пористую вставку 17, в которой она обедняется взаимодействующим с ней более горячим паром, выходящим из трубки слабого раствора 10, после чего она сливается в трубку 10 слабого раствора.

Описанные физические процессы происходят в силу того, что водяной пар имеет более высокую температуру конденсации, чем аммиачный, поэтому в случае попадания водоаммиачного пара в условия пониженной температуры или охлаждающего воздействия в первую очередь происходит конденсация водяного пара и сток его в низ.

Слабый раствор из трубки 10 по трубке 19 жидкостного теплообменника 6 поступает в верхнюю часть абсорбера 4. При этом слабый раствор в жидкостном теплообменнике 6 и в ресивере 5 передает свое тепло крепкому раствору и потом поступает в верхнюю часть абсорбера 4.

Слабый раствор, стекая вниз в абсорбере 4, поглощает (абсорбирует) аммиак из богатой аммиачно-водородной смеси, поднимающейся вверх навстречу ему из ресивера 5, превращается в богатый аммиачный раствор в нижней части абсорбера 4 и затем стекает в ресивер 5. Обедненная парогазовая смесь (почти чистый водород) из абсорбера 4 поступает в воздушный охладитель 20 и пройдя через газовый теплообменник 7 охлаждается и далее поступает в испаритель.

1. Парогазовые смеси движутся благодаря разнице их плотности.

В испарителе 1 аммиачный пар диффундирует в водород, образуя богатую аммиачно-водородную смесь, при этом происходит поглощение тепла испарителем 1 из окружающего его воздуха и теплопроводных элементов, связанных с испарителем 1 в тепловом отношении. Богатая аммиачно-водородная смесь, движущаяся из испарителя 1, охлаждая по пути водород в газовом теплообменнике 7, поступает а в ресивер 5 и далее снова в нижнюю часть абсорбера 4 движется навстречу стекающему слабому раствору. Чтобы предупредить попадание водорода из испарителя 1 в конденсатор 2, устроена ловушка 21 водорода, отводящая его избыток в ресивер 5.

Уменьшение внутреннего диаметра нижнего конца 15 термосифона 16 позволило улучшить начальные захваты порций жидкости прорывающимися в термосифон паровыми пузырями, снизить слив жидкого раствора в процессе его подъема по термосифону и тем самым поддерживать в процессе работы холодильного агрегата концентрацию крепкого раствора в гидравлическом затворе 14 практически той, какая обеспечивается в ресивере 5 (с массовой долей аммиака 34-36%). Это в свою очередь позволило снизить рабочую температуру кипения раствора в гидравлическом затворе 14 и тем самым снизить энергопотребление холодильного агрегата (повысить коэффициент полезного действия).

Физически это объясняется следующим образом. Чем меньше диаметр термосифона, особенно в нижнем его конце, тем труднее вырваться паровому пузырю из под порции жидкости, которую он поднимает к выходу термосифона. Так, например, если внутренний диаметр термосифона увеличить до размера, близкого к размеру глубины его затопления, то размеры пузырьков пара будут меньше проходного сечения термосифона и они будет выходить к выходу термосифона, не выталкивая собой порции жидкого раствора (как в кастрюле, когда кипит вода, пар выходит из нее, а вода остается в кастрюле). Вскоре это приводит к выпариванию аммиака из раствора в гидравлическом затворе 14 с возрастанием энергетических затрат для обеспечения кипения ослабленного раствора. К тому же, без подъема слабого раствора к выходу термосифона работа агрегата становится невозможной.

Выбор капиллярно-пористой вставки 17 в виде плоских сложенных одна на другую кольцевых сеток 22 из стальной проволоки или в виде стальной объемно сформованной проволоки определяется спецификой технологии предприятия-изготовителя холодильных агрегатов.

Суть предложенного технического решения заключается в том, что в нем повышают концентрацию пара выходящего из трубки 10 слабого раствора перед входом его в дефлегматор 2 на развитой поверхности капиллярно-пористой вставки 17 со слабым раствором, сливающимся на нее и при этом снижают содержание аммиака в слабом растворе, поступающем в трубку 10 слабого раствора, и тем самым повышают коэффициент полезного действия работы холодильного агрегата. Кроме того, обеспечивают снижение энергетических затрат на выпаривание крепкого раствора в гидравлическом затворе 14 за счет уменьшения снижения концентрации в нем аммиака путем улучшения работы термосифона (подъема слабого раствора к выходу термосифона). Это достигнуто за счет того, что нижняя погруженная в раствор часть термосифона выполнена с диаметром, меньшим диаметра его остальной части. Проведенные испытания действующего образца данного холодильного агрегата показали, что коэффициент полезного действия его повышен с (20-25)% до 30%.

Среди известных информационных материалов по холодильной тематике, а также среди известных абсорбционно-диффузионных холодильных агрегатов авторами не обнаружены признаки, порочащие новизну предложенного решения.

В настоящее время предложенный холодильный агрегат проходит отработочные лабораторные испытания с целью подготовки его к внедрению в производство.

Формула изобретения

1. Абсорбционно-диффузионный холодильный агрегат, содержащий испаритель, конденсатор, дефлегматор, абсорбер, ресивер, жидкостный теплообменник, газовый теплообменник, генератор с электронагревателем на трубке слабого раствора с его паровой полостью, соединенной через дефлегматор с конденсатором, и в которой установлена трубка крепкого раствора со своей герметичной паровой полостью и с гидравлическим затвором в нижней ее части, в который погружен нижний конец термосифона, средняя часть которого проходит в трубке крепкого раствора, а верхний его конец выходит из нее в паровую полость трубки слабого раствора, отличающийся тем, что в средней части паровой полости трубки слабого раствора по всему проходному сечению выполнена капиллярно-пористая вставка.

2. Абсорбционно-диффузионный холодильный агрегат по п.1, отличающийся тем, что капиллярно-пористая вставка выполнена в виде плоских сложенных одна на другую кольцевых сеток из стальной проволоки.

3. Абсорбционно-диффузионный холодильный агрегат по п.1, отличающийся тем, что капиллярно-пористая вставка выполнена из стальной объемно сформованной проволоки.

4. Абсорбционно-диффузионный холодильный агрегат по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что нижняя погруженная в раствор часть термосифона выполнена с диаметром, меньшим диаметра его остальной части.

РИСУНКИ