способ работы абсорбционно-диффузионного холодильного агрегата и устройство для его реализации

Формула изобретения

1. Способ работы абсорбционно-диффузионного холодильного агрегата, включающий выпаривание крепкого раствора в генераторе, подачу водоаммиачного пара из генератора в трубку дефлегматора, в котором отделяют флегму путем снижения удельной тепловой нагрузки на водоаммиачный пар с возвратом выделенной при этом флегмы в генератор, подачу очищенного от воды аммиачного пара в конденсатор, отличающийся тем, что снижение удельной тепловой нагрузки на водоаммиачный пар осуществляют путем пропускания пара через канал с внезапным расширением перед входом в конденсатор и без отвода тепла в окружающую среду.

2. Абсорбционно-диффузионный холодильный агрегат, содержащий конденсатор, испаритель, трубку дефлегматора, абсорбер, кипятильник, генератор с теплоизоляцией, термосифон, жидкостный теплообменник, ресивер, отличающийся тем, что между трубкой дефлегматора и конденсатором выполнена емкость с внезапным расширением ее проходного сечения и с теплоизоляцией, как и трубка дефлегматора.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что внутренней объем емкости с внезапным расширением ее проходного сечения выполнен в соответствии с формулой

где V₂ - внутренней объем емкости с внезапным расширением ее проходного сечения, м³;

V ₁ - внутренний объем дефлегматора, который был до выполнения емкости с внезапным расширением ее проходного сечения, м ³;

- коэффициент теплопередачи от дефлегматора к окружающему воздуху до выполнения емкости с внезапным расширением ее проходного сечения, Вт/(м²·К);

F_дф - площадь наружной поверхности дефлегматора до выполнения емкости с внезапным расширением ее проходного сечения, м²;

Т_взд - максимальная температура воздуха, заданная по техническим условиям на холодильник, К;

Т_ср.дф - средняя рабочая температура дефлегматора, до выполнения емкости с внезапным расширением ее проходного сечения, К;

Р - давление в абсорбционно-диффузионном холодильном агрегате, Па.

Описание изобретения к патенту

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

Известен способ дефлегмации, осуществляемый в холодильных агрегатах абсорбционного типа, заключающийся в том, что водоаммиачный пар на выходе из генератора охлаждают в дефлегматоре окружающим воздухом. При этом флегма (концентрированный раствор аммиака) отделяется от паров аммиака и тем самым пар очищается от примесей воды перед поступлением в конденсатор, а флегма стекает вновь в генератор (см. Б.С.Бабакин, В.А.Выгодин «Бытовые холодильники и морозильники», Справочник, Москва «Колос», 1998, с.412-414, холодильные агрегаты «Морозко-3М», «Кристалл-9»). Недостаток указанного способа дефлегмации водоаммиачного пара заключается в том, что в процессе охлаждения дефлегматора окружающим воздухом около 20-25% тепла от общего потребления холодильного агрегата безвозвратно передается окружающему воздуху, в связи с чем коэффициент полезного действия холодильного агрегата снижается примерно на 5-10%.

В качестве прототипа выбран способ дефлегмации, реализованный в указанном холодильном агрегате «Кристалл-9», взятом в качестве прототипа на устройство (см. Б.С.Бабакин, В.А.Выгодин «Бытовые холодильники и морозильники», Справочник, Москва «Колос», 1998, с.428-432, холодильник «Кристалл-9»).

Прототип содержит конденсатор, испаритель, трубку дефлегматора (ректификатора), абсорбер, кипятильник, генератор с теплоизоляцией, термосифон, жидкостный теплообменник, ресивер.

Недостаток прототипа заключается в том, что в нем дефлегмация водоаммиачного пара в процессе охлаждения его в дефлегматоре осуществляется с безвозвратной передачей окружающему воздухом около 20-25% тепла от общего потребления холодильного агрегата, в связи с чем коэффициент полезного действия холодильного агрегата снижается примерно на 5-10%.

Целью предлагаемого изобретения является повышение коэффициента полезного действия работы абсорбционно-диффузионного холодильного агрегата.

Поставленная цель достигнута за счет того, что снижение удельной тепловой нагрузки на водоаммиачный пар осуществляют путем пропускания пара через канал с внезапным расширением перед входом в конденсатор и без отвода тепла в окружающую среду, между трубкой дефлегматора и конденсатором выполнена емкость с внезапным расширением ее проходного сечения и с теплоизоляцией, причем, как и трубка дефлегматора, внутренний объем емкости с внезапным расширением ее проходного сечения выполнен в соответствии с формулой

где V₂ - внутренний объем емкости с внезапным расширением ее проходного сечения, м³;

V ₁ - внутренний объем дефлегматора, который был до выполнения емкости с внезапным расширением ее проходного сечения, м ³;

- коэффициент теплопередачи от дефлегматора к окружающему воздуху до выполнения емкости с внезапным расширением ее проходного сечения, ВТ/(м²·К);

F_дф - площадь наружной поверхности дефлегматора до выполнения емкости с внезапным расширением ее проходного сечения, м²;

Т_взд - максимальная температура воздуха, заданная по техническим условиям на холодильник, К;

Т_ср.дф - средняя рабочая температура дефлегматора до выполнения емкости с внезапным расширением ее проходного сечения, К;

Р - давление в абсорбционно-диффузионном холодильном агрегате, Па.

Принципиальная схема абсорбционно-диффузионного холодильного агрегата показана на чертеже. Абсорбционно-диффузионный холодильный агрегат содержит конденсатор 1, испаритель 2, трубку дефлегматора 3 с теплоизоляцией 4, абсорбер 5, кипятильник 6, генератор 7 с теплоизоляцией 8, термосифон 9, жидкостный теплообменник 10, ресивер 11, емкость 12 с внезапным расширением ее проходного сечения и с теплоизоляцией 13.

Холодильный агрегат работает следующим образом. По принципу сообщающихся сосудов крепкий водоаммичный раствор из ресивера 11 через жидкостный теплообменник 10 поступает в генератор 7. Кипятильник 6 нагревает крепкий водоаммичный раствор в генераторе 7 до кипения, при этом под давлением кипящий водоаммиачный раствор поступает на выход термосифона 9, внутренний диаметр которого составляет 3,6 мм. С выхода термосифона 9 обедненный водоаммиачный раствор самотеком поступает в абсорбер 5, а водоаммиачный пар через трубку ректификатора 3 поступает в емкость 12 с внезапным расширением ее поперечного сечения. При этом происходит резкое удельное тепловое снижение на водоаммиачный пар с выделением флегмы (высококонцентрированного раствора аммиака) и стеканием ее через трубку дефлегматора 3 в генератор 7. Так как дефлегматор 3 и емкость 12 с внезапным расширением ее проходного сечения выполнены с теплоизоляциями соответственно 4 и 13, то процесс дефлегмации в емкости 12 осуществляется без передачи тепла окружающему воздуху, а с возвращением его в генератор 7. Это повышает коэффициент полезного действия работы холодильного агрегата на 5-10%. Аммиачный пар, непрерывно поступающий в конденсатор, сжижается при отводе тепла в окружающую среду и поступает в испаритель 2.

Теплота, необходимая для испарения жидкого аммиака в испарителе 2, подводится к нему от воздуха холодильной камеры. В испарителе 2 аммиачный пар диффундирует в водород и образуется богатая водородно-аммиачная смесь, которая из испарителя 2 поступает в абсорбер 5 навстречу слабому раствору. Здесь газовая смесь разделяется путем поглощения (абсорбции) аммиака слабым раствором с выделением теплоты абсорбии и превращения его в крепкий раствор. Через ресивер 11 и жидкостный теплообменник 10 крепкий раствор вновь направляется в термосифон 9. Обедненная парогазовая смесь (почти чистый водород) из абсорбера 5 поступает в испаритель 2. Парогазовые смеси движутся благодаря разнице их плотности.

В испарителе 2 бедная парогазовая смесь вновь насыщается парами аммиака и превращается в богатую, которая из испарителя 2 вновь опускается в абсорбер 5.

Когда водоаммиачный пар из трубки дефлегматора 3 поступает в емкость 12 с внезапным расширением ее проходного сечения, то происходит изобарическое расширение пара с выполнением работы, которую можно вычислить по формуле (см. Б.М.Яворский, Ю.А.Селезнев «Справочное руководство по физике для поступающих в вузы и самообразования», Москва «Наука», Главная редакция физико-математической литературы, 1984, с.94. Задача 1)

где А - работа расширения газа при изобарическом охлаждении пара при прохождении его через емкость 12, выполненная с внезапным расширением ее проходного сечения и с наружной теплоизоляцией 13, Дж;

V₁ - внутренний объем дефлегматора 3, который был до выполнения емкости 12, м³;

V ₂ - внутренней объем емкости 12 с той частью дефлегматора 3, которая осталась после выполнения емкости 12, м³ ;

Р - давление в абсорбционно-диффузионном холодильном агрегате, Па.

Смотри также информацию о потере удельной энергии при внезапном расширении потока (Ф.М.Тарасов «Тонкослойные теплообменные аппараты». Издательство «Машиностроение», Москва, 1964, Ленинград. Стр.89).

Идея выполнения емкости 12 с внезапным расширением ее проходного сечения заключается в том, чтобы исключить безвозвратную передачу тепловой энергии в окружающий воздух при работе дефлегматора.

Внутренний объем емкости 12 определяется из условия затрачиваемой мощности теплоотвода (N) от дефлегматора в окружающий воздух в случае его применения без емкости 12. Для чего можно воспользоваться уравнением теплопередачи

где - коэффициент теплопередачи от дефлегматора к окружающему воздуху, Вт/(м²·К);

F_дф - наружная поверхность дефлегматора без теплоизоляции до выполнения емкости 12, м ²;

Т_взд - максимальная температура окружающего воздуха, заданная по техническим условиям на холодильник, К;

Т_ср.дф - средняя рабочая температура дефлегматора, выполненного без теплоизоляции, 363 К.

Если мощность N, вычисленную по формуле (2), умножим на время (t), равное одной секунде, то получим тепло (работу), которое отводится от дефлегматора за одну секунду в процессе его работы

Для определения объема емкости 12 из формул (1), (2), (3) запишется выражение

где V₂ - внутренний объем емкости 12, м ³;

V₁ - внутренний объем дефлегматора, который был до выполнения емкости 12, м³;

- коэффициент теплопередачи от дефлегматора к окружающему воздуху до выполнения емкости, Вт/(м²·К);

F _дф - наружная поверхность дефлегматора без теплоизоляции до выполнения емкости, м²;

Т_взд - максимальная температура воздуха, заданная по техническим условиям на холодильник, К;

Т_ср.дф - средняя рабочая температура дефлегматора при заданной температуре Т_взд , К;

Р - давление в абсорбционно-диффузионном холодильном агрегате, Па.

В приведенных расчетах взяты значения физических параметров, размеров с работоспособного абсорбционно-диффузионного холодильного агрегата для минихолодильника с потребляемой мощностью 75 Вт, холодопроизводительностью 20 Вт (коэффициент полезного действия агрегата 27%), дефлегматор выполнен из трубки с наружным диаметром 14 мм (толщина стенки трубки 1 мм), длина трубки 350 мм. Дефлегматор выполнен без наружной теплоизоляции, температура дефлегматор на входе 137°С, на выходе (перед конденсатором) 43°С. Отводимая тепловая мощность с поверхности дефлегматора, выполненного без теплоизоляции, составляла 19,52 Вт, что снижало коэффициент полезного действия по предварительным оценкам примерно на 5-10%.

Суть предложенного технического решения заключается в том, что снижение удельной тепловой нагрузки на водоаммиачный пар осуществляют путем пропускания пара через емкость с внезапным расширением перед входом в конденсатор и без отвода тепла в окружающую среду. Это позволило без дополнительных затрат энергии повысить коэффициент полезного действия работы холодильного агрегата примерно на 5-10%.

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