абсорбционно-диффузионный холодильный агрегат

Формула изобретения

1. Абсорбционно-диффузионный холодильный агрегат, содержащий термосифон, соосно размещенный в кипятильнике, на наружной поверхности которого установлен с тепловой связью нагреватель для передачи тепла термосифону через слабый раствор, дефлегматор, теплообменник между крепким и слабым растворами, сливной трубопровод и ресивер абсорбера, отличающийся тем, что внутренний объем кипятильника выше уровня слабого раствора отделен от дефлегматора перегородкой с образованием паровой полости, которая связана паропроводом с внутренним объемом термосифона ниже уровня крепкого раствора, а полость дефлегматора ниже выходного отверстия термосифона, которое расположено выше перегородки, подключена к внутреннему объему кипятильника с образованием гидрозатвора магистралью слабого раствора, выходной конец которой расположен между уровнями крепкого и слабого растворов и отстоит от уровня слабого раствора на расстоянии, превышающем расстояние от уровня крепкого раствора до выходного конца паропровода.

2. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что теплообменник выполнен по типу «труба в трубе», и его внутренний канал связывает ресивер абсорбера с термосифоном.

3. Агрегат по п.2, отличающийся тем, что нижняя часть кипятильника связана сливным трубопроводом с наружным каналом теплообменника.

4. Агрегат по п.3, отличающийся тем, что нагреватель в нижней части связан в тепловом отношении с расположенным вне кипятильника начальным участком термосифона.

Описание изобретения к патенту

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

Известен однотрубный кипятильник для абсорбционного холодильного аппарата (патент Швейцарии №653763 А5, F25В 33/00, 1986 г.), в котором хладагент перемещается в виде насыщенного абсорбционного раствора в средней трубе, где выделяется пар, и возникающий при этом абсорбционный раствор слабой концентрации стекает вниз в наружной трубе, на которой установлен, по меньшей мере, один источник тепла, который находится в теплопроводном контакте с внешней оболочкой наружной трубы для передачи тепла через раствор слабой концентрации в наружной трубе к ее содержимому. Наружная труба обогревается благодаря непосредственной теплопередаче, а непосредственное теплопроводящее соединение помещено между наружной трубой и насосной трубой.

Недостатком известного устройства является малая эффективность, поскольку его конструкция не предусматривает использования потенциальной энергии пара, полученного в результате нагрева слабого раствора в наружной трубе, для повышения циркуляции парожидкостной эмульсии в средней трубе (термосифоне). Это снижает термодинамическую эффективность аппарата, поскольку на нагрев слабого раствора идет значительная (до 70%) часть потребляемой мощности

Известен АДХА, принятый в качестве прототипа (патент РФ №2037749, МПК F25В 15/10, 1992), содержащий термосифон, ректификатор, колонку довыпаривания слабого раствора, теплообменник, трубопровод слабого раствора и ресивер абсорбера. При этом паровая полость колонки связана с термосифоном ниже уровня крепкого раствора, а выходной конец трубопровода слабого раствора подключен с образованием гидрозатвора к полости колонки. Расстояние от уровня слабого раствора до выходного конца трубопровода превышает расстояние от уровня крепкого раствора до выходного конца соединительной магистрали, но меньше расстояния между уровнями крепкого и слабого растворов.

Недостатками прототипа являются низкая термодинамическая эффективность, обусловленная недостаточным использованием высокого температурного потенциала слабого раствора для обеспечения стабильной работы термосифона, сложность его конструкции и технологии изготовления.

Задача изобретения состоит в повышении эффективности (хладопроизводительности) АДХА путем более эффективного использования температурного потенциала слабого раствора при работе термосифона, в упрощении конструкции агрегата и технологии его изготовления.

Поставленная задача достигается благодаря наличию совокупности следующих существенных признаков.

Абсорбционно-диффузионный холодильный агрегат содержит термосифон, соосно размещенный в кипятильнике, на наружной поверхности которого установлен с тепловой связью нагреватель для передачи тепла термосифону через слабый раствор, дефлегматор, теплообменник между крепким и слабым растворами, сливной трубопровод и ресивер абсорбера. При этом внутренний объем кипятильника выше уровня слабого раствора отделен от дефлегматора перегородкой с образованием паровой полости, которая связана паропроводом с внутренним объемом термосифона ниже уровня крепкого раствора, а полость дефлегматора ниже выходного отверстия термосифона, которое расположено выше перегородки, подключена к внутреннему объему кипятильника с образованием гидрозатвора магистралью слабого раствора, выходной конец которой расположен между уровнями крепкого и слабого растворов и отстоит от уровня слабого раствора на расстоянии, превышающем расстояние от уровня крепкого раствора до выходного конца паропровода.

Кипятильник в нижней части связан сливным трубопроводом с наружным каналом теплообменника.

Теплообменник выполнен по типу «труба в трубе», и его внутренний канал связывает ресивер абсорбера с термосифоном.

Нагреватель в нижней части связан в тепловом отношении с расположенным вне кипятильника начальным участком термосифона.

Сущность и работа предлагаемого устройства поясняется представленным схематическим чертежом.

Агрегат содержит термосифон 1, соосно размещенный в кипятильнике 2, на наружной поверхности которого установлен с тепловой связью нагреватель 3, дефлегматор 4, теплообменник 5 между крепким и слабым растворами, сливной трубопровод 6 и ресивер 7 абсорбера 8.

Кроме того, агрегат содержит перегородку 9, при помощи которой внутренний объем кипятильника 2 выше уровня слабого раствора отделен от дефлегматора 4 с образованием паровой полости, которая связана паропроводом 10 с внутренним объемом термосифона 1 ниже уровня крепкого раствора. Полость дефлегматора 4 ниже выходного отверстия термосифона, которое расположено выше перегородки 9, подключена к внутреннему объему кипятильника 2 с образованием гидрозатвора магистралью 11 слабого раствора. Выходной конец магистрали 11 расположен между уровнем крепкого раствора a и уровнем слабого раствора б, причем отстоит от уровня слабого раствора на расстоянии по высоте Н, которое превышает расстояние по высоте h от уровня крепкого раствора a до выходного конца паропровода 10.

Жидкостный теплообменник 5 выполнен по типу «труба в трубе», и его внутренний канал связывает ресивер 7 абсорбера 8 с термосифоном 1. Нижняя часть кипятильника 2 связана сливным трубопроводом 6 с наружным каналом жидкостного теплообменника 5. Нагреватель 3 в нижней части связан в тепловом отношении с начальным участком термосифона 1, который расположен вне кипятильника.

Нагреватель, кипятильник, часть дефлегматора, паропровод, магистраль слабого раствора и сливной трубопровод закрыты теплоизоляцией в кожухе (на чертеже не показано).

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Внутренняя полость АДХА вакуумируется и заполняется водоаммиачным раствором с массовой концентрацией аммиака 0,34...0,36 кг/кг раствора и инертным газом (водородом) до давления 1,9...2,1 МПа. Объем раствора выбирается так, чтобы в неработающем АДХА высота столба крепкого раствора в термосифоне составляла примерно 2/3 высоты нагревателя.

Крепкий раствор из ресивера 7 направляется через внутренний канал жидкостного теплообменника 5 в термосифон 1. При подводе тепла нагревателем 3 к кипятильнику 2 происходят нагрев находящегося в нем слабого раствора и соответствующий подвод тепла к термосифону 1. При этом в нем происходит подъем парожидкостного лифта, состоящего из пузырей пара хладагента и столбиков крепкого раствора, на высоту, превышающую верхнюю часть абсорбера 8 и обеспечивающую циркуляцию раствора по остальным узлам агрегата. Парожидкостная эмульсия выбрасывается в нижнюю часть дефлегматора 4, при этом пар аммиака направляется вверх по дефлегматору и, отделившись в нем от паров воды, практически чистым поступает в конденсатор (на чертеже не показан), где сжижается с отводом тепла в окружающую среду. Затем жидкий аммиак поступает в испаритель (на чертеже не показан). Давление аммиака в испарителе ниже, чем в конденсаторе, поэтому аммиак в испарителе испаряется, производя холодильное действие.

При испарении аммиак диффундирует в водород, который поступает в испаритель. Образуется парогазовая смесь водорода и аммиака, которая через теплообменник (на чертеже не показан) попадает в ресивер 7 и затем поднимается по абсорберу 8, где пары аммиака абсорбируются слабым водоаммиачным раствором, который по линии связи «магистраль 11 слабого раствора - кипятильник 2 - сливной трубопровод 6 - теплообменник 5» поступает в абсорбер. Водород вновь поступает в испаритель. Процесс повторяется.

Поскольку нагреватель 3 в нижней части связан в тепловом отношении с расположенным вне кипятильника 2 начальным участком термосифона 1, то это позволяет:

1. осуществить быстрое включение АДХА в работу, что приведет к снижению среднесуточного потребления электроэнергии при периодическом характере работы агрегата;

2. обеспечить подвод тепла к жидкости в термосифоне и запуск агрегата в ситуации, когда в кипятильнике не будет жидкости. Агрегаты известных типов, предусматривающие передачу тепла только через жидкость, в таком случае не могут включиться, хотя температура кипятильника будет нежелательно повышаться. В предлагаемом агрегате этого произойти не может.

Поскольку кипятильник 2 имеет тепловую связь с нагревателем 3, то при движении в нем слабого раствора он довыпаривается и более горячим попадает во внешний канал теплообменника 5. В результате довыпаривания будет возрастать давление в паровой полости кипятильника и паропровода 10. По мере возрастания это избыточное давление будет приводить к снижению уровня крепкого раствора a в паропроводе 10 и уровня слабого раствора б в кипятильнике. Но поскольку высота столба крепкого раствора h в паропроводе меньше высоты столба слабого раствора Н над выходным концом магистрали 11 в кипятильнике, то пар пойдет через термосифон 1, улучшая циркуляцию парожидкостной эмульсии. В момент попадания пара в термосифон уровень крепкого раствора в паропроводе будет занимать положение а , а уровень слабого раствора в кипятильнике - положение б . В результате выхода пара через термосифон произойдет сброс давления, и указанные выше уровни займут исходные положения а, б, после чего процесс повторится.

Конструкция агрегата обеспечивает нагрев термосифона высокотемпературным слабым раствором практически по всей его высоте, что положительно влияет на стабильность расходных характеристик термосифонного насоса.

Выполнение агрегата предлагаемым образом позволит повысить производительность (холодильную мощность) АДХА за счет увеличения циркуляции парожидкостной эмульсии, поскольку для выноса слабого раствора из термосифона будет использована также потенциальная энергия (давление) пара, полученного в кипятильнике при нагреве слабого раствора и посредством паропровода введенного в полость термосифона ниже уровня крепкого раствора. Поскольку скорость движения и время выноса парожидкостной эмульсии из термосифона определяется по условию баланса сил давления, инерции и трения, то подвод дополнительного «подпорного» давления приведет к улучшению расходных характеристик термосифонного насоса.

Известно (Справочник по теплообменникам. T.1 / В.С.Петухов - М.: Энергоатомиздат, 1967 - 559 с.), что подача газа (пара) в нагреваемую жидкость является эффективным методом интенсификации теплообмена (подобно пузырьковому кипению) между стенкой и жидкостью. Конструкция предлагаемого АДХА дает возможность использовать этот метод повышения коэффициентов теплоотдачи в термосифонном насосе АДХА бытовых холодильников.

Реализуется это следующим образом.

Образовавшийся в кипятильнике пар по мере повышения давления «отжимает» раствор в гидрозатворе паропровода и в виде пузырьков поднимается сквозь массу жидкости в термосифоне. При движении пузырьки пара контактируют с поверхностью нагрева, что приводит к активации парообразующих центров. При достаточно большом числе центров парообразования коэффициенты теплоотдачи при пузырьковом кипении существенно выше, чем при конвективном теплообмене (Алексеев В.П., Вайнштейн Г.Е., Герасимов П.В. Расчет и моделирование аппаратов криогенных установок. Л.: Энергоатомиздат, 1987, 272 с.). Это позволит в процессе работы термосифона снимать с нагревателя значительные тепловые потоки при сравнительно небольших температурных напорах (т.е. при меньшей температуре нагрева слабого раствора в кипятильнике), поскольку основное количество теплоты выносится из пристенного слоя в объем жидкости внутри термосифона с паром пузырей, т.е. в виде теплоты испарения. Часть теплоты отводится с перегретой жидкостью, увлекаемой паровыми пузырями при их отрыве от внутренней поверхности термосифона. Рост числа центров парообразования приводит к потере гидродинамической устойчивости жидких пленок между пузырьками и к их слиянию, т.е. при прочих равных условиях нагрева в термосифонном насосе предлагаемой конструкции будет увеличена область «снарядного» режима течения по сравнению с режимом работы термосифона известного однотрубного кипятильника для абсорбционного холодильного агрегата. Это приведет к улучшению циркуляции парожидкостной эмульсии.

Поскольку коррозия трубки термосифона приводит к сужению ее проходного сечения и ухудшению расходных характеристик термосифонного насоса, то реализация предлагаемого решения окажет положительное воздействие на стабилизацию потребительских параметров холодильника в процессе длительного срока эксплуатации.

Наличие гидрозатвора в магистрали слабого раствора позволяет гарантированно осуществить нормальный запуск агрегата, первый после его заправки (когда уровень слабого раствора еще не установлен). Это обусловлено тем, что после начала работы термосифона слабый раствор сначала будет заполнять два достаточно протяженных вертикальных колена гидрозатвора, затем - внешний канал теплообменника (через полость кипятильника) и только потом кипятильник, где и начнется его довыпаривание. Если бы гидрозатвор отсутствовал, то слабый раствор сразу бы заполнял теплообменник и кипятильник. При этом становилась возможной ситуация, когда пар, полученный в кипятильнике после довыпаривания слабого раствора, благодаря своему избыточному давлению смог бы вытолкнуть слабый раствор из магистрали слабого раствора в дефлегматор. Это естественно привело бы к ухудшению режима запуска агрегата.

Кроме того, предлагаемое расположение выходного конца магистрали слабого раствора позволяет обеспечить непрерывную циркуляцию слабого раствора по линии «магистраль слабого раствора - кипятильник - теплообменник - абсорбер». Это обусловлено тем, что указанное место присоединения выходного конца магистрали к полости кипятильника гарантирует, что снижение уровня слабого раствора в кипятильнике (в результате довыпаривания раствора и повышения давления пара) не приведет к ситуации, когда уровень слабого раствора в кипятильнике и в подъемном колене гидрозатвора магистрали слабого раствора окажется ниже выходного отверстия, т.е. непрерывная циркуляция раствора будет прервана. Это исключено, поскольку одновременно с опусканием в кипятильнике уровня слабого раствора будет соответственно опускаться и уровень крепкого раствора в паропроводе, выходной конец которого связан с полостью термосифона. Поскольку высота столба крепкого раствора в паропроводе меньше высоты столба слабого раствора над выходным концом магистрали, то пар пройдет через термосифон, улучшая при этом циркуляцию парожидкостной эмульсии.

Таким образом, с помощью предлагаемого устройства решается поставленная техническая задача повышения эффективности (хладопроизводительности) АДХА путем использования температурного потенциала слабого раствора для работы термосифона. С точки зрения упрощения технологии изготовления предлагаемая конструкция АДХА за счет наличия перегородки 9 и размещения термосифона в кипятильнике позволяет уменьшить количество сварных соединений, что особенно важно при массовом производстве.

Экономическая целесообразность использования предлагаемого АДХА в составе бытовых холодильников состоит в уменьшении их суточного энергопотребления за счет повышения хладопроизводительности агрегата.