абсорбционно-диффузионный холодильный агрегат и способ его работы

Формула изобретения

1. Абсорбционно-диффузионный холодильный агрегат, содержащий теплорассеивающие элементы - трубку слабого раствора и абсорбер, отличающийся тем, что теплорассеивающие элементы агрегата имеют тепловую связь с дополнительно установленной теплорассеивающей поверхностью.

2. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что тепловая связь осуществлена при помощи тепловой трубы.

3. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что тепловая связь осуществлена при помощи двухфазного термосифона.

4. Способ работы абсорбционно-диффузионного холодильного агрегата путем теплообмена между воздухом охлаждаемой камеры и тепловоспринимающей поверхностью, связанной в тепловом отношении с испарителем холодильного агрегата, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности, обеспечивают теплообмен между тепловоспринимающей и дополнительной теплорассеивающей поверхностями.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что теплообмен осуществляют при помощи тепловой трубы.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что теплообмен осуществляют при помощи двухфазного термосифона.

Описание изобретения к патенту

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

Известен АДХА, содержащий термосифон, связанный нижней частью с ресивером абсорбера, частично заполненного крепким раствором, а верхней частью с полостью слабого раствора, которая связана магистралью с верхней частью абсорбера, источник тепловой мощности (электронагреватель), связанный в тепловом отношении частично с нижней частью термосифона и частично с нижней частью полости слабого раствора.

Недостатком известного устройства является низкая эффективность его работы, обусловленная, в частности, слабой очисткой парогазовой смеси перед поступлением в испаритель АДХА от паров хладагента. Известное устройство реализовано в абсорбционных холодильниках "Иней" АШ-120 и "Север-7" АШ-100. Уровень температур в низкотемпературном отделении холодильника "Иней" АШ-120 не превышает минус 6^оС. Это свидетельствует о малой холодопроизводительности агрегата.

Известен АДХА бытового холодильника, содержащий теплорассеивающие элементы трубку слабого раствора и абсорбер, связанные в тепловом отношении с окружающим воздухом помещения.

Недостатком известного АДХА является низкая эффективность его работы и как следствие малая холодопроизводительность, обусловленная, в частности, относительно высокими температурами слабого раствора, поступающего в абсорбер, и самого абсорбера.

Цель изобретения повышение термодинамической эффективности АДХА.

В части конструкции АДХА указанная цель достигается тем, что теплорассеивающие элементы конструкции холодильного агрегата трубка слабого раствора и абсорбер имеют тепловую связь с теплорассеивающей поверхностью, воспринимающей холод атмосферного воздуха вне помещения, тепловая связь между теплорассеивающими элементами агрегата и поверхностью, воспринимающей атмосферный холод, осуществлена при помощи теплопередающего устройства, реализующего испарительно-конденсационный цикл (например, тепловая труба или двухфазный термосифон), и теплопроводной пластины.

Сравнение заявляемого устройства не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники, не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое устройство от прототипа.

Это дает основание признать заявляемое решение соответствующим критерию "существенные отличия".

Для обоснования достигаемого с помощью предлагаемого устройства положительного эффекта можно отметить следующее.

Во-первых, необходимо принять во внимание тот факт, что на территории СНГ в зависимости от климатического района холодильники могут не потреблять электрическую энергию от 3 до 7 месяцев в году, т.е. в этот период уровень температур атмосферного воздуха ниже 0^оС.

Во-вторых, известно, что парциальное давление паров хладагента в парогазовой смеси (ПГС), поступающей на вход испарителя, во многом определяет уровень температур испарения хладагента при работе АДХА. Чем ниже содержание паров хладагента в ПГС, тем ниже уровень температур его испарения. Улучшить степень очистки ПГС от паров хладагента можно, в частности, путем увеличения движущей силы процесса абсорбции разности массовой концентрации хладагента в ПГС и равновесной массовой концентрации хладагента в слабом растворе, поступающем на вход абсорбера.

Из опыта проектно-конструкторских разработок и испытаний АДХА для холодильников типа "Кристалл-404-1" и "Иней-М" авторам известно, что температура слабого раствора, поступающего в абсорбер, выше температуры воздуха в помещении на 5-7^оС, а средняя температура абсорбера выше на 15-16^оС. При этом слабый раствор имеет 15%-ную концентрацию хладагента. Сочетание перечисленных факторов приводит к тому, что даже современная модернизированная модель "Кристалл-404-1" АШ-150, не обеспечивает в низкотемпературном отделении (НТО) уровень температур ниже минус 12^оС. Это в значительной мере определяется недостаточно высокой степенью очистки ПГС, поступающей на вход зоны испарения.

Расчеты показывают, что для достижения интенсивности процесса абсорбции, близкой к существующей в модели "Кристалл-9М" (при 10%-ной концентрации слабого раствора), достаточно снизить температуру 15%-ного раствора, поступающего в абсорбер, до 5^оС. Соответствующее увеличение холодопроизводительности АДХА обеспечивает в НТО уровень температур не выше минус 18^оС, что характерно для лучших образцов холодильной техники такого класса.

Конструкция предлагаемого АДХА позволяет на практике повысить движущую силу процесса абсорбции путем охлаждения слабого раствора до температуры ниже температуры воздуха в помещении за счет отвода тепла от трубки слабого раствора и абсорбера к теплопроводной поверхности, воспринимающей холод атмосферного воздуха вне помещения. Это обеспечит высокую степень очистки ПГС, поступающей на вход испарителя, и в конечном итоге повысит эффективность работы АДХА.

Конкретизация достижения поставленной цели в устройстве обеспечивается следующим образом.

Трубка слабого раствора связана в тепловом отношении с теплопроводной поверхностью, воспринимающей холод атмосферного воздуха, В этом случае цель достигается за счет переохлаждения слабого раствора, т.е. снижения равновесной массовой концентрации хладагента в растворе, поступающем в абсорбер, последующей более глубокой очистки ПГС и, как следствие, снижения температур испарения.

Абсорбер связан в тепловом отношении с теплопроводной поверхностью охлаждаемой воздухом атмосферы.

Данное техническое решение обеспечивает непосредственный отвод тепла абсорбции из зоны взаимодействия раствора и ПГС. Это в значительной мере обусловит эффект дополнительной очистки ПГС и соответствующее снижение температур испарения.

Тепловая связь трубки слабого раствора и абсорбера с теплорассеивающей поверхностью, воспринимающей холод атмосферного воздуха, осуществляется при помощи теплопередающего устройства, реализующего испарительно-конденсационный цикл, и теплопроводной пластины.

Такое техническое решение обеспечит минимальное термическое сопротивление тепловой связи и как следствие наиболее эффективное воздействие источника холода. Теплопроводная пластина (например, из меди или алюминия) связана в тепловом отношении с абсорбером, с трубкой слабого раствора и с испарительным участком теплопередающего устройства.

Тепловая связь осуществляется при помощи тепловой трубы (ТТ).

Известно, что ТТ реализует испарительно-конденсационный цикл и для транспорта теплоносителя в ней используются капиллярные силы, которые дают разработчикам большую свободу при выборе компоновки тепловой связи для 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 наличие в ТТ капиллярной структуры вносит дополнительный вклад в термическое сопротивление всей тепловой цепи. Применение ДТ подразумевает создание условий для стока теплоносителя из зоны конденсации в зону испарения.

Транспортные зоны теплопередающих устройств (ТТ или ДТ) покрыты теплоизоляцией, например пенополиуретаном.

Наличие тепловой изоляции на транспортных зонах теплопередающих устройств (ТТ или ДТ) позволяет повысить эффективность тепловой связи за счет снижения температурного воздействия воздуха помещения.

Неочевидность предложенных технических решений заключается в том, что дополнительное переохлаждение слабого раствора, поступающего в абсорбер, осуществлено при помощи холода атмосферного воздуха вне помещения; теплорассеивающие элементы АДХА (трубка слабого раствора и абсорбер), имеют тепловую связь с теплорассеивающей поверхностью, воспринимающей холод атмосферного воздуха вне помещения.

Авторам указанные признаки неизвестны (в рамках материалов отечественной и зарубежной научно-технической и патентной литературы).

На фиг. 1 приведен вертикальный продольный разрез холодильника и стены здания; на фиг.2 то же, горизонтальный поперечный разрез; на фиг.3 холодильник, вид сзади.

Устройство содержит теплорассеивающие элементы трубку слабого раствора 1 и абсорбер 2, которые имеют тепловую связь с теплорассеивающей поверхностью 3, воспринимающей холод атмосферного воздуха вне помещения, причем тепловая связь осуществлена при помощи теплопередающего устройства, реализующего испарительно-конденсационный цикл, например, ТТ или двухфазного термосифона (ДТ), которое содержит участок испарения 4, участок конденсации 5 и транспортный участок 6, покрытый теплоизоляцией 7. Тепловая связь осуществляется также при помощи теплопроводной пластины 8, выполненной из меди, алюминиевого сплава или стали и связанной в тепловом отношении с трубкой слабого раствора 1, абсорбером 2 и участком испарения 4, например сваркой, пайкой или при помощи хомутов болтовым соединением.

Теплорассеивающая поверхность 3, охлаждаемая холодом атмосферного воздуха вне помещения, установлена на внешней стороне стены 9 здания, причем в качестве такой поверхности могут быть использованы элементы конструкции здания металлические колонны, ограждение балкона, перегородки и т.п.

Проем в стене 9, через который проходит транспортный участок 6 ТТ (или ДТ), заполнен теплоизоляцией (см. фиг.1,2).

Холодильный агрегат установлен на задней стенке теплоизолированного шкафа холодильника, который имеет НТО 10 и высокотемпературное отделение (ВТО) 11. В НТО 10 размещен испаритель 12 АДХА, связанный в тепловом отношении с тепловоспринимающей поверхностью 13, выполненной, например, в виде оребренной пластины из теплопроводного материала (алюминиевого сплава).

Кроме того, АДХА содержит генератор 14, конденсатор 15, который выполнен с уклоном, и его нижняя часть связана магистралью 16 со входом испарителя 12. Транспорт очищенной ПГС из абсорбера 2 в верхнюю часть испарителя 12 осуществляется по магистрали 17. В целях стабилизации подачи жидкого хладагента в зону испарения конденсатор 15 связан по пару уравнительной магистралью 18 с каналом насыщенной ПГС 19, который в свою очередь связывает выходной участок испарителя 12 с паровым объемом ресивера 20. Жидкостная полость ресивера 20 через обогреваемую полость жидкостного теплообменника (ЖТО) 21 связана с генератором 14. Охлаждаемая полость ЖТО 21 при помощи трубки слабого раствора 1 связана с верхней частью абсорбера 2. В нижней части генератора 14, закрытого теплоизоляционным кожухом, установлен электронагреватель (не показан).

Работа АДХА 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 1,6.2,1 мПа. Объем раствора выбирается таким, чтобы в ресивере 20 оставалась паровая полость для прохода ПГС из испарителя 12 в абсорбер 2.

При помощи электронагревателя в генераторе 14 АДХА происходит выпаривание крепкого раствора, подводимого по ЖТО 21 из ресивера 20. Получившийся пар хладагента поступает в конденсатор 15, где сжижается и по магистрали 16 транспортируется на вход испарителя 12. Слабый раствор через ЖТО 21 и по трубке слабого раствора 1 поступает в верхнюю часть абсорбера 2.

В испарителе 12 хладагент (аммиак) испаряется в инертный газ (водород) при низком парциальном давлении, производя при этом эффект искусственного охлаждения. В процессе стекания аммиака в нижнюю часть испарителя 12 происходит насыщение водорода парами аммиака, при этом ПГС становится насыщенной и за счет разности плотностей с очищенной ПГС, находящейся в ресивере 20 и абсорбере 2, опускается по каналу 19 в ресивер 20, откуда она поступает в нижнюю часть абсорбера 2.

Навстречу насыщенной ПГС из верхней части абсорбера 2 стекает слабый раствор. При их контактном взаимодействии осуществляется процесс абсорбции поглощение слабым водоаммиачным раствором паров аммиака из насыщенной ПГС. Теплота абсорбции рассеивается в окружающую среду. Очищенная ПГС из абсорбера 2 поступает по магистрали 17 на вход испарителя 12.

Рассмотрим работу предлагаемого устройства в случае, когда температура воздуха вне здания ниже (например, минус 10^оС), чем в помещении, где установлен холодильник.

При прохождении слабого раствора по трубке 1 он отдает свое тепло через теплопроводную пластину 8 испарительному участку 4 ТТ (или ДТ). При этом осуществляется генерация паров теплоносителя (например, фреона 22), заполняющего испарительный участок 4 ТТ. Пары теплоносителя через транспортную зону 6 попадают в конденсационный участок 5 ТТ (или ДТ), где сжижаются с отводом теплоты парообразования на теплорассеивающую поверхность 3, воспринимающую холод атмосферного воздуха. Конденсат стекает через транспортную зону 6 в испарительный участок 4, и цикл повторяется.

Поскольку теплопроводная пластина 8 связана в тепловом отношении с абсорбером 2, то в процессе реализации испарительно-конденсационного цикла ТТ (или ДТ) будет также отводиться непосредственно тепло абсорбции, выделяющееся при взаимодействии слабого раствора с ПГС. Охлаждение абсорбера 2 будет способствовать более глубокой очистке ПГС от паров хладагента.

Таким образом, положительный эффект предлагаемого устройства заключается в повышении эффективности работы АДХА за счет дополнительного переохлаждения слабого раствора, поступающего в абсорбер, и самого абсорбера холодом атмосферного воздуха вне помещения, что приводит к понижению температур испарения хладагента в испарителе холодильного агрегата.

Если температура уличного воздуха будет выше, чем температура трубки слабого раствора 1 и абсорбера 2, например, плюс 50^оС, то в этом случае весь теплоноситель ТТ (или ДТ) перейдет в газообразное состояние, и испарительно-конденсационный цикл будет прерван. Нагревом трубки слабого раствора 1 и абсорбера 2 теплом атмосферного воздуха вне помещения можно пренебречь, поскольку теплоприток через пар теплоносителя и стенки ТТ (или ДТ) не окажет столь существенного влияния на характер протекания тепло- и массообменных процессов в АДХА.

Предлагаемый далее к рассмотрению экспертизы способ работы холодильника связан с описанным выше устройством единым изобретательским замыслом и по сути обеспечивает получение одного и того же технического результата охлаждение элементов конструкции холодильника принципиально одним и тем же путем, а именно отводом тепла от элементов конструкции на теплорассеивающую поверхность, которая охлаждается воздухом атмосферы вне помещения. Кроме того, предлагаемые устройство и способ объединяет то, что их техническое воплощение может быть реализовано с применением одной общей теплорассеивающей поверхности и выполнением одного проема в стене здания для расположения в нем однотипных теплопередающих устройств (ТТ или ДТ).

В порядке пояснения заявляемого способа работы холодильника можно сказать следующее.

Изобретение относится к холодильной технике и может быть применено в конструкциях стационарных (встроенных) холодильников.

Известен способ охлаждения воздуха хранилища, при котором воздух охлаждается при прохождении в вентиляционных каналах, в которые помещены испарительные участки тепловых труб, конденсаторные участки которых обтекаются воздухом атмосферы вне хранилища.

Недостатком известного способа является невозможность его применения в бытовой холодильной технике.

Известен способ работы встроенного холодильника, по которому захолаживание воздуха камеры холодильника происходит в результате его теплообмена с холодным атмосферным воздухом вне помещения через выполненную из металла с хорошей теплопроводностью заднюю стенку холодильника, которая при строительстве устанавливается заподлицо с наружной поверхностью стены дома.

Недостатком известного способа-прототипа является его малая эффективность с точки зрения сложности конструкции холодильника и процесса его монтажа. Кроме того, установка изделия сразу при возведении стен значительно усложнит дальнейшую технологию строительства здания и сделает проблематичным сохранение внешнего вида холодильника к началу его эксплуатации.

Целью изобретения является повышение эффективности работы холодильника путем передачи холода атмосферного воздуха в охлаждаемую камеру устройством с минимальным внутренним термическим сопротивлением, которое, будучи встроенным в стену здания при строительстве, может быть подключено к холодильнику после завершения стройки.

Поставленная цель достигается тем, что обеспечивают теплообмен между тепловоспринимающей поверхностью, связанной в тепловом отношении с воздухом охлаждаемой камеры, и теплорассеивающей поверхностью, которая воспринимает холод атмосферного воздуха вне помещения.

Достижение поставленной цели позволит повысить эффективность способа работы холодильника в части значительного снижения энергозатрат на производство искусственного холода, поскольку источником холода выступает окружающая среда.

Конкретизация достижения поставленной цели осуществляется тем, что тепловоспринимающую поверхность, связанную в тепловом отношении с испарителем холодильного агрегата и служащую для захолаживания воздуха полезного объема, дополнительно охлаждают холодом окружающей среды посредством теплорассеивающей поверхности, воспринимающей холод атмосферного воздуха вне помещения, и при помощи теплопередающего устройства, реализующего испарительно-конденсационный цикл, дополнительное охлаждение осуществляют при помощи тепловой трубы, дополнительное охлаждение осуществляют при помощи двухфазного термосифона.

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

Заявляемый способ реализован в холодильнике, схематические чертежи которого представлены на фиг.1-3.

Способ работы холодильника осуществляют путем теплообмена между воздухом НТО 10 и тепловоспринимающей поверхности 13, связанной в тепловом отношении с испарителем 12, причем обеспечивают теплообмен между тепловоспринимающей поверхностью 13 и теплорассеивающей поверхностью 3, которая воспринимает холод атмосферного воздуха вне помещения. При этом теплообмен осуществляют при помощи теплопередающего устройства, реализующего испарительно-конденсационный цикл, например ТТ (или ДТ), и которое содержит зону испарения 22, транспортную зону 23 и зону конденсации 24. Зона испарения 22 связана в тепловом отношении с тепловоспринимающей поверхностью 13, например, при помощи болтов. Транспортная зона 23 ТТ (или ДТ) укрыта теплоизоляцией 25, чтобы снизить воздействие воздуха в помещении на теплообмен между поверхностями 13 и 3. Зона конденсации 24 ТТ (или ДТ) связана в тепловом отношении с поверхностью 3, например, при помощи болтов. Поверхность 3 выполнена из теплопроводного материала и закреплена на внешней стороне стены 9 здания.

Рассмотрим работу холодильника по заявляемому способу.

Допустим, что температура воздуха атмосферы вне помещения ниже температуры тепловоспринимающей поверхности 13 в НТО 10, например, минус 30^оС. При этом будет осуществляться генерация паров теплоносителя (например, аммиака), частично заполняющего зону испарения 22 ТТ (или ДТ). Пары теплоносителя через транспортную зону 23 попадают в зону конденсации 24, где сжижаются с отводом теплоты фазового перехода на теплорассеивающую поверхность 3. Конденсат стекает через транспортную зону 23 в испарительную зону 22, и цикл повторяется.

Таким образом, для захолаживания полезного объема подключается дополнительный низкотемпературный источник холод окружающей среды вне помещения.

Следует отметить, что регулирование температуры воздуха в ВТО 11 осуществляется при помощи заслонки 26.

В летнее время года во избежание теплового моста между НТО 10 и теплым воздухом атмосферы возможно применение нескольких вариантов:

а) испарительная зона 22 ТТ ( или ДТ) отсоединяется от тепловоспринимающей поверхности 13 и закрывается теплоизоляцией;

б) закрывается теплоизоляцией теплорассеивающая поверхность 3;

в) испарительная зона 22 ТТ (или ДТ) вообще выводится из НТО 10 через специальное окно в задней стенке шкафа холодильника, которое при смонтированном холодильнике закрыто теплоизоляцией 25 транспортной зоны 23. После вывода испарительной зоны 22 ТТ (или ДТ) данное окно герметизируется специальной теплоизолирующей вставкой.

Поскольку в летнее время года испарительно-конденсационный цикл ТТ (или ДТ) будет прерван (учитывая малую теплопроводность за счет малой площади сечения стенок ТТ или ДТ), то вполне возможно, что даже наличие смонтированной ТТ (или ДТ) не окажет существенного влияния на температурный режим НТО.

Экономическая целесообразность заявляемого способа заключается в уменьшении энергозатрат при работе холодильника. Наиболее существенно эффективность способа скажется при эксплуатации холодильника в районах с умеренным и холодным климатом.

В указанных климатических районах абсорбционный холодильник, работающий по предлагаемому способу, будет в среднем за год потреблять меньше электроэнергии, чем компрессионный аналогичного объема.