АБСОРБЦИОННО-ДИФФУЗИОННЫЙ ХОЛОДИЛЬНЫЙ АГРЕГАТ Российский патент 1995 года по МПК F25B15/00 

Изобретение относится к холодильной технике, в частности к абсорбционно-диффузионным холодильным агрегатам (АДХА), работающим в составе абсорбционных холодильников.

Известен АДХА, преимущественно для домашнего холодильника, содержащий термосифон, ректификатор, воздушный дефлегматор и теплообменник типа "труба в трубе". Недостатком данного устройства является его низкая производительность (холодильная мощность). Это обусловлено ограниченными расходными характеристиками перекачивающего термосифона в диапазоне режимных и геометрических параметров известного АДХА.

Известен кипятильник абсорбционно-диффузионного холодильного агрегата для выпаривания раствора, содержащий термосифон, нагреватель, парожидкостную эмульсию, колонку, ректификационную сетку. Недостатком известного устройства является малая эффективность, поскольку его конструкция не позволяет использовать для повышения циркуляции парожидкостной эмульсии потенциальную энергию пара, получаемого в результате выпаривания слабого раствора в нижней части колонны, хотя на довыпаривание расходуется примерно 70% тепла, идущего на весь процесс выпаривания раствора.

Целью изобретения является повышение эффективности агрегата путем улучшения циркуляции парожидкостной эмульсии.

Цель достигается тем, что паровая полость колонки довыпаривания слабого раствора связана соединительной магистралью с полостью термосифона в области подвода тепла ниже уровня крепкого раствора, а выходной конец трубопровода слабого раствора подключен c образованием гидрозатвора к полости колонки, причем 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; во входной открытый конец трубопровода слабого раствора, размещенного в опускном канале ректификатора, введена труба термосифона, другой конец которого подсоединен с образованием гидрозатвора к полости крепкого раствора ректификатора; теплообменник-регенератор выполнен по типу "труба в трубе", и его внутренний канал связывает ресивер абсорбера с подъемным каналом ректификатора в области ниже уровня крепкого раствора; нижний конец колонки довыпаривания слабого раствора связан с наружным каналом жидкостного теплообменника-регенератора.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается от него тем, что в его конструкции реализовано следующее: связь соединительной магистралью паровой полости колонки довыпаривания слабого раствора с полостью термосифона в области подвода тепла ниже уровня крепкого раствора; подключение трубопровода слабого раствора к полости колонки с образованием гидрозатвора, причем 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.

Это позволяет сделать вывод, что заявляемое решение соответствует критерию изобретения "новизна".

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".

Кроме того, с точки зрения доказательства перечисленных выше критериев и достигаемого с их помощью положительного эффекта можно отметить следующее.

Авторам и заявителю не известно решение, в котором существует связь соединительной магистралью паровой полости колонки довыпаривания слабого раствора с полостью термосифона в области подвода тепла ниже уровня крепкого раствора.

Реализация такой связи позволяет улучшить циркуляцию парожидкостной эмульсии, так как для выноса раствора из термосифона будет использована потенциальная энергия пара, полученного при довыпаривании в колонке слабого раствора и введенного в полость термосифона ниже уровня крепкого раствора. Поскольку скорость движения и время выноса парожидкостной эмульсии из термосифона определяются из условия баланса сил давления, инерции и трения, то очевидно, что наличие дополнительного подпорного давления в области прогрева приведет к улучшению расходных характеристик термосифонного насоса.

Известно также, что введение в жидкостный объем пузырьков пара или газа приведет к интенсификации и стабилизации процесса кипения, т.е. предлагаемое решение позволит при прочих равных условиях работы термосифона увеличить в нем зону снарядного режима течения.

Кроме того, физические представления, подтверждаемые специальными экспериментами, свидетельствуют, что при появлении растущего парового пузыря на поверхности в его основании интенсивность локального отвода тепла возрастает так сильно, что избыточная температура стенки (т.е. перегрев стенки относительно температуры насыщения) падает практически до нуля. Следовательно, ввод в жидкостный объем термосифона с помощью соединительной магистрали дополнительных паровых пузырей приведет к уменьшению тепловой нагрузки в области сварного соединения термосифона с жаровым стаканом нагревателя, в частности в его нижней зоне, где происходит предварительный нагрев крепкого раствора и собственно кипения нет. Это позволит производить нагрев и последующее выпаривание раствора при более низких температурах электронагревательного элемента, что важно с точки зрения коррозионной стойкости материалов конструкции и увеличения ресурса агрегата, который в настоящее время практически полностью определяется ресурсом генератора.

Поскольку коррозия трубки термосифона приводит к сужению ее проходного сечения и ухудшению расходных характеристик генератора, то реализация предлагаемого решения окажет также положительный эффект для стабилизации потребительских параметров холодильника в процессе длительного срока его эксплуатации.

Авторам и заявителю не известно устройство, в котором подключение трубопровода слабого раствора к полости колонки осуществлено так же, как в предлагаемом решении.

Указанное отличие, в частности наличие гидрозатвора, 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 гидрозатвор (в том числе достаточно протяженный подъемный участок трубопровода до его выходного конца), затем внешний канал теплообменника-регенератора (через полость колонки) и только затем колонку, где и начнется его довыпаривание. В противном случае, если бы гидрозатвор отсутствовал, то слабый раствор сразу бы заполнял теплообменник и колонку. При этом возможно возникновение ситуации, когда пар, полученный в колонке после довыпаривания слабого раствора, благодаря своему избыточному давлению смог бы вытолкнуть слабый раствор из трубопровода через его выходной открытый конец, находящийся в опускном канале ректификатора. Попадание слабого раствора в крепкий привело бы к ухудшению режима запуска агрегата.

Кроме того, указанное в описании устройства место присоединения выходного конца трубопровода к полости колонки позволяет обеспечить непрерывную циркуляцию слабого раствора по линии трубопровод-колонка-теплообменник. Это обусловлено тем, что предлагаемое расположение выходного конца трубопровода гарантирует, что снижение уровня слабого раствора в колонке (в результате довыпаривания раствора и повышения давления пара в ней) не приведет к ситуации, когда уровень слабого раствора в колонке и трубопроводе окажется ниже выходного отверстия трубопровода, т.е. циркуляция раствора будет прервана. Это исключено, поскольку одновременно с опусканием в колонке уровня слабого раствора будет соответственно опускаться и уровень крепкого раствора в соединительной магистрали, выходной конец которой связан с полостью термосифона. Однако, поскольку высота столба крепкого раствора в соединительной магистрали меньше высоты столба слабого раствора над выходным концом трубопровода, то пар пойдет через термосифон, улучшая при этом циркуляцию парожидкостной эмульсии.

На чертеже изображено предлагаемое устройство.

Агрегат содержит термосифон 1, ректификатор 2 с вертикальным опускным и подъемным каналами, связанными между собой ниже уровня крепкого раствора, колонку 3 довыпаривания слабого раствора, имеющую тепловую связь с нагревателем 4, жидкостный теплообменник-регенератор 5 между крепкими и слабым растворами, трубопровод 6 слабого раствора и ресивер 7 абсорбера 8.

Кроме того, агрегат содержит соединительную магистраль 9, связывающую паровую полость колонки 3 с полостью термосифона 1 в области подвода тепла к термосифону от нагревателя 4, но ниже уровня крепкого раствора ▿а. Выходной конец трубопровода 6 слабого раствора подключен с образованием гидрозатвора к полости колонки 3, причем расстояние ΔН от уровня слабого раствора ▿ δ до выходного конца трубопровода 6 превышает расстояние Δh от уровня крепкого раствора ▿a до выходного конца соединительной магистрали 9, но меньше расстояния между уровнями крепкого и слабого растворов.

Во входной открытый конец трубопровода 6, размещенного в опускном канале ректификатора 2, введена труба термосифона 1, другой конец которого подсоединен с образованием гидрозатвора к полости крепкого раствора ректификатора. Теплообменник-ректификатор 5 выполнен по типу "труба в трубе", и его внутренний канал связывает ресивер 7 абсорбера 8 с подъемным каналом ректификатора 2 в области ниже уровня крепкого раствора ▿a. Нижний конец колонки 3 довыпаривания слабого раствора связан с наружным каналом жидкостного теплообменника-регенератора 5.

Нагреватель, термосифон, колонка, ректификатор, соединительная магистраль и трубопровод слабого раствора закрыты теплоизоляцией (стекловатой) 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 19-21 бар. Объем раствора выбирается таким, чтобы уровень крепкого раствора был выше центра отверстия между опускным и подъемным каналами ректификатора на 23 ± 1 мм.

Крепкий раствор из ресивера 7 направляется через внутренний канал жидкостного теплообменника 5, ректификатор 2 в термосифон 1. При подводе тепла нагревателем 4 к термосифону в нем происходит подъем парожидкостного лифта, состоящего из пузырей пара хладагента и столбиков ("снарядов") слабого раствора на высоту, превышающую верхнюю часть абсорбера 8 и обеспечивающую циркуляцию раствора по остальным узлам агрегата. Парожидкостная эмульсия выбрасывается в верхнюю часть опускного канала ректификатора 2 и, поскольку труба термосифона входит в открытый входной конец трубопровода 6, то слабый раствор сливается в трубопровод, а неректифицированный пар направляется в полость крепкого раствора ректификатора.

В процессе ректификации пар обогащается легколетучим хладагентом, нагревая при этом крепкий раствор. Отделившись от воды, пар аммиака практически чистым поступает в конденсатор (на чертеже не показан), где сжижается с отводом тепла в окружающую среду. Затем жидкий аммиак поступает в испаритель (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 (не показан) попадает в ресивер 7 и затем поднимается по змеевику абсорбера 8, где пары аммиака абсорбируются слабым водоаммиачным раствором, который по линии связи трубопровод 6 колонка 4 теплообменник 5 поступает в абсорбер. Водород вновь поступает в испаритель. Процесс повторяется.

Поскольку колонка 3 имеет тепловую связь с нагревателем 4, то при движении в ней слабого раствора последний довыпаривается и более горячим попадает во внешний канал теплообменника 5. В результате довыпаривания будет возрастать давление в паровой полости колонки и в соединительной магистраль 9. По мере возрастания это избыточное давление будет приводить к снижению уровня крепкого раствора ▿a в соединительной магистрали и уровня слабого раствора ▿ δ в колонке. Но, поскольку высота столба крепкого раствора Δh в магистрали 9 меньше высоты столба слабого раствора ΔН в колонке 3, то пар пойдет через термосифон 1, улучшая циркуляцию парожидкостной эмульсии. В момент попадания пара в термосифон уровень крепкого раствора в соединительной магистрали будет занимать положение ▿a', а уровень слабого раствора в колонке положение ▿δ'. В результате выхода пара через термосифон произойдет сброс давления и указанные выше уровни займут исходные положения ▿ a, ▿ δ, после чего процесс снова повторяется.

Таким образом, предлагаемое решение позволяет повысить эффективность агрегата путем улучшения циркуляции парожидкостной эмульсии с помощью пара, полученного при довыпаривании слабого раствора в колонке.

Использование: в холодильной технике, в частности в абсорбционно-диффузионных агрегатах (АДХА), работающих в составе абсорбционных холодильников. Сущность изобретения: заключается в том, что паровая полость колонки довыпаривания слабого раствора связана соединительной магистралью с полостью термосифона в области подвода тепла ниже уровня крепкого раствора, а выходной конец трубопровода слабого раствора подключен с образованием гидрозатвора к полости колонки, причем 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 раствора. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. АБСОРБЦИОННО-ДИФФУЗИОННЫЙ ХОЛОДИЛЬНЫЙ АГРЕГАТ, содержащий термосифон, ректификатор с вертикальными опускным и подъемным каналами, связанными между собой ниже уровня крепкого раствора, колонку довыпаривания слабого раствора, имеющую тепловую связь с нагревателем, жидкостный теплообменник регенератор между крепким и слабым растворами, трубопровод слабого раствора и ресивер абсорбера, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности агрегата путем улучшения циркуляции парожидкостной эмульсии, паровая полость колонки связана соединительной магистралью с полостью термосифона в области подвода тепла ниже уровня крепкого раствора, а выходной конец трубопровода слабого раствора подключен с образованием гидрозатвора к полости колонки, причем 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. 2. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что в верхний открытый конец трубопровода слабого раствора, размещенного в опускном канале ректификатора, введена труба термосифона, другой конец которого подсоединен с образованием гидрозатвора к полости крепкого раствора ректификатора. 3. Агрегат по п.2, отличающийся тем, что теплообменник-регенератор выполнен по типу труба в трубе и его внутренний канал связывает ресивер абсорбера с подъемным каналом ректификатора в области ниже уровня крепкого раствора. 4. Агрегат по п.3, отличающийся тем, что нижний конец колонки довыпаривания слабого раствора связан с наружным каналом жидкостного теплообменника-регенератора.