Изобретение является частичным продолжением заявки с порядковым номером 08/076759, поданной 15 июня 1993, которая является заявкой и частичным продолжением заявки с порядковым номером 07/793644, поданной 18 ноября 1991 и опубликованной 21 декабря 1993 в качестве патента США N 5271235.
Данное изобретение было сделано при правительственной поддержке по договору 15Х-17497C по заказу Министерства энергетики (the Department of Energy). Правительство имеет определенные права в отношении данного изобретения.
Настоящее изобретение относится к холодильным установкам к системам тепловых насосов и, в частности, к циклу абсорбционного охлаждения при теплообмене между кипятильником и абсорбером (generator-ansorber jeat exchange - "GAX"). Изобретение в особенности предназначено для использования в воздухо-воздушных абсорбционных тепловых насосах с газовым воспламенением.
Циклы абсорбционного охлаждения были разработаны в середине XIX века и использовались в первую очередь в системах охлаждения (холодильных установках). В этих циклах использовалась смесь холодильного агента (хладагента) и абсорбирующего вещества (абсорбента), причем пар хладагента абсорбировался в жидкий абсорбент, генерируя таким образом тепло, после чего происходил нагрев смеси хладагента и абсорбента в кипятильнике для отделения пара хладагента. Конденсатор, который также вырабатывал тепло, и испаритель, который отводил тепло, завершали цикл. Тепло, получаемое за счет абсорбции, наряду с теплом из конденсатора отводилось к охладителю как правило к охлаждающей воде.
Эти ранее разработанные установки с "одноступенчатым" абсорбционным циклом были неэффективными, но до начала использования электродвигателей им часто отдавалось предпочтение перед компрессионными установками, поскольку затраты на тепловую энергию, необходимую для приведения их в действие, были низкими, и они требовали значительно меньше механической энергии по сравнению с компрессионными установками. В большинстве сфер применения эти одноступенчатые абсорбционные установки использовались все реже по мере того, как изменялись относительная стоимость газа и электроэнергия и усовершенствовались компрессионные установки с электроприводом. Тем не менее, даже в настоящее время одноступенчатые установки все еще применяются в некоторых низконапорных промышленных установках кондиционирования воздуха с бромистолитиевой холодильной машиной и в холодильных установках для транспортных средств, предназначенных для отдыха, и для номеров отелей.
В 1913 году Altenbirch изобрел усовершенствованные абсорбционные циклы. При работе по одному из таких циклов эффективность по сравнению с ранее разработанными одноступенчатыми циклами повышалась за счет того, что происходила передача части тепла, образующегося в абсорбере, текучей среде из хладагента и абсорбента, которая нагнеталась в кипятильник. За счет этой передачи тепла уменьшалась потребность в общем количестве тепла, которое было необходимо подвести к кипятильнику для того, чтобы выпарить хладагент из смеси хладагента и абсорбента. Эта система была названа циклом теплообмена с применением абсорбера (absorber heat exchange cycle - AHE).
Такой цикл теплообмена использовался, начиная с 1965 года, для создания абсорбционных установок, которые были достаточно эффективны для того, чтобы их можно было применять в качестве экономичных бытовых кондиционеров с воздушным конденсатором. Тем не менее даже в этих установках, работающих на основе цикла теплообмена с использованием абсорбера (AHE), большая часть тепла, генерируемого в процессе абсорбции в абсорбере, терялась. Такой же цикл теплообмена также использовался в порядке эксперимента в воздухо-воздушных газовых тепловых насосах, которые были рациональными при нагреве, но никогда серийно не производились. По мере того как стоимость энергии увеличивалась, кондиционеры, работающие на основе цикла теплообмена с применением абсорбера, потеряли большую часть своих преимуществ с точки зрения эксплуатационных затрат, и в настоящее время рынок их сбыта весьма ограничен.
В 1913 году Altenkirch также изобрел другой абсорбционный цикл, при котором происходила рекуперация большего количества тепла из тепла, выделяемого в процессе абсорбции в абсорбере. При этом цикле, который известен под названием цикла теплообмена между кипятильником и абсорбером (GAX), используется дополнительная теплообменная установка, тем самым высокопотенциальное тепло, выделяемое в процессе абсорбции в абсорбере, передавалось с помощью жидкого теплоносителя в низкотемпературную секцию кипятильника. При цикле теплообмена между кипятильником и абсорбером происходит рекуперация большого дополнительного количества тепла из абсорбера и используются более высокие значения температуры для кипятильника по сравнению с AHE-установками и, следовательно, обеспечивается возможность достижения более высокого энергетического КПД. Тепловой КПД таких установок в отношении определенного вида используемого топлива может быть значительно выше, чем тепловой КПД печей, котлов и т.д.
Однако концепции по предшествующему техническому уровню, в соответствии с которыми происходила реализация цикла теплообмена между кипятильником и абсорбером (GAX cycle), имели недостаток, заключающийся в том, что требовался отдельный контур теплопередачи, в котором использовался отдельный жидкий теплоноситель для передачи тепла от абсорбера к кипятильнику. Этот контур теплопередачи требовал наличия герметичного уплотнения, расширительной камеры, насоса, способного работать с переменным потоком, и системы управления, которая согласовывала величину потока жидкого теплоносителя с теплом, подлежащим передаче в цикле теплообмена между кипятильником и абсорбером или в цикле охлаждения, или в цикле нагрева при каждой определенной температуре окружающего воздуха. Эти концепции по предшествующему техническому уровню как правило предусматривали использование жидкого теплоносителя, который оставался в жидкой фазе и таким образом использовал только сухое тепло жидкого теплоносителя.
Электрические тепловые насосы, которые функционируют со стандартным циклом конденсатор-испаритель, до сих пор использовались для бытовых и небольших промышленных установок для нагрева и охлаждения. Электрические тепловые насосы могут аффективно удовлетворять требованиям нагрева и охлаждения жилых и небольших промышленных зданий в зонах со сравнительно мягким климатом, таких как южные штаты Соединенных Штатов Америки, но эти электрические тепловые насосы не способны без дополнительного нагревательного оборудования обеспечить необходимый нагрев в регионах, где температуры падают ниже примерно 30oF (-1,1oC). Кроме того, в этих электрических тепловых насосах, как правило, используются хладагенты, которые могут представлять собой хлорофторуглеводородные соединения (HCFC) для соединения хлора, фтора и углерода (CFC), наносящие вред окружающей среде.
Таким образом, существует потребность в теплообменнике, обеспечивающем теплообмен между кипятильником и абсорбером, и способе, пригодных для использования в бытовом или небольшом промышленном тепловом насосе, который эффективно передает большую часть тепла, генерируемого в абсорбере в процессе абсорбции, кипятильнику без применения дорогостоящего, склонного к отказам, независимого теплопередающего контура.
Настоящее изобретение отвечает данным требованиям за счет того, что в соответствии с ним разработан теплообменник, обеспечивающий теплообмен между кипятильником и абсорбером, и способ, при котором может использоваться безопасная для окружающей среды текучая среда как в качестве рабочего вещества, так и в качестве жидкого теплоносителя, при котором эффективно регенерируется большая часть тепла, генерируемого в абсорбере в процессе абсорбции, который не требует сложной системы управления, при котором рационально используется как скрытая теплота, так и сухое тепло рабочего вещества для передачи тепла от абсорбера кипятильнику за счет функционирования между паровой и жидкой фазами данного вещества, и который благодаря габаритам, стоимости и эффективности устройства можно использовать для удовлетворения потребностей в нагреве и охлаждении жилых или небольших промышленных помещений в широком диапазоне климатических условий, причем обеспечивается достаточный нагрев при температурах ниже 0oF (-17,8oC).
Дополнительные признаки и преимущества изобретения будут представлены ниже в графических материалах и в описании и частично станут очевидными из графических материалов и из описания или могут быть выявлены при практическом применении изобретения. Преимущества изобретения реализуются и достигаются за счет применения теплообменника, обеспечивающего теплообмен между кипятильником и абсорбером, теплового насоса, содержащего теплообменник, обеспечивающий теплообмен между кипятильником и абсорбером, и способа передачи тепла между абсорбером и кипятильником в теплообменнике, обеспечивающем теплообмен между кипятильником и абсорбером, прячем признаки этого теплообменника раскрываются с помощью графических материалов, описания и пунктов формулы изобретения в данном материале.
Для достижения этих и других преимуществ и в соответствии с целью изобретения, реализованного и широко раскрытого в данном материале, согласно настоящему изобретению, с одной стороны, разработан теплообменник, который обеспечивает теплообмен между кипятильником и абсорбером и включает в себя кипятильник и абсорбер. Абсорбер имеет внутреннее давление (давление во внутренней полости), которое ниже, чем внутреннее давление кипятильника, и абсорбер и кипятильник имеют высоко- и низкотемпературные зоны на противоположных концах и зону теплопередачи. Диапазоны температур кипятильника и абсорбера, которые определяют соответствующие зоны теплопередачи, перекрываются. Предусмотрена магистраль для потока текучей среды для циркуляции слабого раствора из высокотемпературной зоны кипятильника и крепкого раствора ив низкотемпературной зоны абсорбера к высокотемпературным, теплопередающим и низкотемпературным зонам кипятильника и абсорбера и через эти зоны.
Усовершенствование теплообменника, обеспечивающего теплообмен между кипятильником и абсорбером, в соответствии с реализованным и широко раскрытом в данном материале изобретением заключается в том, что имеется теплообменный контур, в который поступает весь или по меньшей мере часть слабого раствора из магистрали для потока текучей среды, а также поступает часть крепкого раствора из магистрали для потока текучей среды, и который обеспечивает циркуляцию частей слабого и крепкого раствора черев зоны теплопередачи абсорбера и кипятильника, тем самым передавая тепло от абсорбера кипятильнику.
С другой стороны, настоящее изобретение включает в себя теплообменник, обеспечивающий теплообмен между кипятильником и абсорбером (GAX-теплообменник), который включает в себя кипятильник, содержащий раствор, имеющий градиент концентрации, меняющийся от сильной концентрации рядом с верхним концом до слабой рядом с нижним концом, и градиент температуры, меняющейся от низкой рядом с верхним концом до высокой рядом с нижним концом. У нижнего конца кипятильника расположен нагреватель для нагрева раствора в кипятильнике.
GAX-теплообменик (теплообменник, обеспечивающий теплообмен между кипятильником и абсорбером), в соответствии с данным аспектом изобретения также включает в себя абсорбер, имеющий давление во внутренней полости, которое ниже, чем внутреннее давление кипятильника, и содержащий раствор, который имеет градиент концентрации, меняющейся от слабой рядом с верхним концом до сильной рядом с нижним концом, и градиент температуры, меняющейся от высокой рядом с верхним концом до сильной рядом с нижним концом, и градиент температуры, меняющейся от высокой рядом с верхним концом до низкой рядом с нижним концом. Соответствующие градиенты температуры кипятильника и абсорбера перекрываются, и это перекрытие определяет соответствующую зону теплопередачи в кипятильнике и абсорбере.
Данный теплообменник, обеспечивающий теплообмен между кипятильником и абсорбером, в соответствии с настоящим изобретением также включает в себя теплообменную магистраль для крепкого раствора, имеющую вход, который сообщается по текучей среде (имеет жидкостную связь) с абсорбером рядом с его нижним концом и расположен таким образом, чтобы принимать крепкий раствор от абсорбера, теплообменный элемент, расположенный в зоне теплопередачи абсорбера для передачи тепла от абсорбера крепкому раствору, и выход, расположенный в кипятильнике рядом с его верхним концом для распределения крепкого раствора, поступающего от нижнего конца абсорбера, для прохода по градиентам концентрации и температуры кипятильника. Также предусмотрев насос, имеющий жидкостную связь с магистралью для крепкого раствора, который предназначен для перемещения текучей среды через теплообменную магистраль для крепкого раствора от абсорбера к теплообменному элементу абсорбера и затем к кипятильнику. Этот теплообменник, обеспечивающий теплообмен между кипятильником и абсорбером, включает еще теплообменную магистраль для слабого раствора, имеющую вход, который находится в жидкостной связи с кипятильником рядом с его нижним концом и расположен так, чтобы принимать раствор от кипятильника, теплообменный элемент, расположенный в зоне теплопередачи кипятильника для передачи тепла от слабого раствора кипятильнику, и выход, расположенный в абсорбере рядом с его верхним концом для распределения слабого раствора, поступающего от нижнего конца кипятильника, для прохода по градиентам концентрации и температуры абсорбера.
С другой стороны, в соответствии с настоящим изобретением также разработан тепловой насос, содержащий камерный жидкостно-воздушный теплообменник, наружный жидкостно-воздушный теплообменник, теплообменник, обеспечивающий теплообмен между кипятильником и абсорбером и описанный выше, и контур для антифриза. Контур для антифриза в соответствии с данным аспектом изобретения расположен таким образом, чтобы обеспечить циркуляцию жидкого антифриза между камерным и наружным теплообменниками и теплообменником, обеспечивающим теплообмен между кипятильником и абсорбером, для выборочного отвода тепла в одном из теплообменников и передачи тепла от другого теплообменника.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения разработан способ передачи тепла между абсорбером и кипятильником в теплообменнике, обеспечивающим теплообмен между кипятильником и абсорбером. Эта передача тепла осуществляется путем циркуляции части крепкого раствора и всего или по меньшей мере части слабого раствора через соответствующие зоны теплопередачи абсорбера и кипятильника.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения разработан способ передачи тепла между зоной с низкой температурой и зоной со средней температурой, используя теплообменник, обеспечивающий теплообмен между кипятильником и абсорбером по данному изобретению. Этот способ включает циркуляцию по меньшей мере части текучего антифриза между камерным теплообменником и по меньшей мере одним из следующих теплообменников: теплообменником абсорбера, теплообменником конденсатора и теплообменником кипятильника, тем самым обеспечивается передача тепла с помощью текучего антифриза по меньшей мере от одного из теплообменников: теплообменника абсорбера, теплообменника конденсатора и теплообменника кипятильника - к камерному теплообменнику. Способ также включает циркуляцию текучего антифриза между наружным теплообменником и теплообменником испарителя, тем самым осуществляется передача тепла текучим антифризом от наружного теплообменника к теплообменнику испарителя.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения разработан способ передачи тепла между зоной с высокой температурой и зоной со средней температурой, используя теплообменник, обеспечивающий теплообмен между кипятильником и абсорбером по настоящему изобретению. Этот способ включает циркуляцию по меньшей мере части текучего антифриза между наружным теплообменником и по меньшей мере одним из следующих теплообменников: теплообменником абсорбера, теплообменником конденсатора и теплообменником кипятильника, тем самым обеспечивается передача тепла с помощью текучего антифриза по меньшей мере от одного из теплообменников: теплообменника абсорбера, теплообменника конденсатора и теплообменника кипятильника - к наружному теплообменнику. Способ также включает циркуляцию текучего антифриза между камерным теплообменником и теплообменником испарителя, тем самым осуществляется передача тепла текучим антифризом от камерного теплообменника к теплообменнику испарителя.
Хотя изобретение проиллюстрировано в виде бытового теплового насоса с газовым воспламенением, изобретение в широком смысле не ограничено таким образом, и его преимущества и положительные стороны равным образом применимы к другим процессам нагрева и охлаждения. Вышеуказанные и другие преимущества и признаки данного изобретения станут очевидными при рассмотрении нижеприведенного описания в комплекте с графическими материалами.
Фиг. 1 представляет собой блок-схему, показывающую абсорбционное устройство, в котором используется обычный теплообменный контур, включающий кипятильник и абсорбер (GAX);
фиг. 2 представляет собой диаграмму давление-температура-состав (P-T-X) системы по фиг.1;
фиг. 3 представляет собой блок-схему первого варианта исполнения теплообменника, обеспечивающего теплообмен между кипятильником и абсорбером (GAX-теплообменника) по настоящему изобретению;
фиг. 4 представляет собой блок-схему второго варианта исполнения теплообменника, обеспечивающего теплообмен между кипятильником и абсорбером, по настоящему изобретению;
фиг. 5 представляет собой блок-схему третьего варианта исполнения теплообменника, обеспечивающего теплообмен между кипятильником и абсорбером, по настоящему изобретению;
фиг. 6 представляет собой блок-схему четвертого варианта исполнения теплообменника, обеспечивающего теплообмен между кипятильником и абсорбером, по настоящему изобретению; и
фиг. 7 представляет собой блок-схему теплового насоса по настоящему изобретению, в котором используется теплообменник, обеспечивающий теплообмен между кипятильником и абсорбером, по данному изобретению.
Предпочтительные варианты исполнения.
В соответствии с изобретением термин "слабый раствор", используемый в данной заявке, относится к раствору, находящемуся в высокотемпературной зоне кипятильника или выходящему из нее, то есть к раствору в нижней части кипятильника. Термин "крепкий раствор", используемый в данном материале, относится к раствору, находящемуся в низкотемпературной зоне абсорбера или выходящему из нее, то есть к раствору в нижней части абсорбера. Выражения "слабый" и "крепкий" относятся к концентрации абсорбированного компонента (компонентов), то есть хладагента, в растворе в целом. Таким образом, жидкий слабый раствор содержит меньше абсорбированного хладагента, такого как аммиак, и больше абсорбента, такого как вода, по сравнению с таким же количеством жидкого крепкого раствора. Тем не менее пар, находящийся в равновесном состоянии с жидкостью, будет иметь более высокую концентрацию хладагента по сравнению с жидкостью. Например, в нижней части абсорбера пар, поступающий от испарителя, может иметь концентрацию хладагента, составляющую, например, около 99%, в то время как жидкий крепкий раствор, находящийся в равновесном состоянии с данным паром крепкого раствора, может иметь концентрацию хладагента, составляющую, например, около 45-48%. Соответственно пар слабого раствора в верхней части абсорбера, который находится в равновесии с жидким слабым раствором, поступающим от кипятильника, будет иметь концентрацию хладагента, которая больше по сравнению с концентрацией жидкого слабого раствора.
Как отмечено выше, и абсорбируемый элемент (-ы), и компонент (-ы) абсорбента, образующие слабый раствор и крепкий раствор, могут находиться или в парообразном, или в жидком состоянии, или в комбинации из двух состояний. Кроме того, термин "тепловой насос", используемый в данном материале, предназначен для обозначения любого устройства, которое преобразует тепло между низко-, средне- и высокотемпературным состояниями, и предназначен для того, чтобы охватывать не только обычно понимаемое значение термина, но также охватывать как преобразователи тепла, так и более традиционные установки, такие как холодильные установки и установки для кондиционирования воздуха.
В известной установке по предшествующему техническому уровню, показанной на фиг. 1, теплообменник 10, обеспечивающий теплообмен между кипятильником и абсорбером и функционирующий на базе цикла теплообмена между кипятильником и абсорбером, содержит в целом кипятильник 12, абсорбер 14, конденсатор 16, испаритель 18, насос 38 для раствора и магистрали для циркуляции раствора хладагента к кипятильнику 12 и абсорберу 14 и через них. В частности, магистрали для раствора хладагента включают магистраль 21 для крепкого раствора, обеспечивающую связь по жидкости крепкого раствора 32 из низкотемпературной зоны C абсорбера 14 с низкотемпературной зоной D кипятильника 12, и магистраль 22 для слабого раствора, обеспечивающую связь по жидкости слабого раствора 46 из высокотемпературной зоны E кипятильника 12 с высокотемпературной зоной F абсорбера 14. Траектория движения раствора хладагента завершается проходом раствора из магистрали 22 для слабого раствора через зоны F, G, C абсорбера 14 с высокой температурой, промежуточной температурой и низкой температурой и проходом раствора из магистрали 21 для крепкого раствора через зоны D, I, E кипятильника 12 с низкой температурой, промежуточной температурой и высокой температурой. Магистраль для хладагента завершается (проходом хладагента) от кипятильника 12 к конденсатору 16 через магистраль (трубопровод) 24, от конденсатора 16 к испарителю 18 через магистраль 26 и от испарителя 18 к абсорберу 14 через магистраль 28.
Имеется в виду, что термины "низкотемпературная зона", "зона с промежуточной температурой" и "высокотемпературная зона", используемые здесь, относятся к соответствующим относительным температурам. Как показано на фиг. 1, каждая зона ограничена (определена) с помощью диапазона температур, которые в каждом отдельном элементе имеют относительно более высокие или низкие значения по сравнению с другой зоной. Таким образом, например, высокотемпературная зона E кипятильника 12 может иметь температуру около 400oF (204,4oC), а низкотемпературная зона D кипятильника 12 может иметь температуру около 200oF (93,3oC). С другой стороны, высокотемпературная зона F абсорбера 14 может иметь температуру порядка 300oF (148,9oC), а низкотемпературная зона C абсорбера 14 может иметь температуру около 100oF (37,8oC). И в кипятильнике 12, и в абсорбере 14 имеется зона с перекрытием температур, называемая здесь зоной теплопередачи. Эта зона теплопередачи показана на фиг. 1 в виде участка между зонами D и I кипятильника 12 и участка между зонами G и F абсорбера 14.
Абсорбционный кипятильник, по существу, представляет собой перегонную колонну, которая имеет дефлегматор и ректификационную секцию. Дефлегматор представляет собой нижнюю, более горячую секцию, соответствующую участку между зонами D и E, в то время как ректификационная секция представляет собой верхнюю, более холодную секцию, соответствующую участку выше зоны D. Разделяющая точка между дефлегматором и ректификационной секцией в зоне D находится в зоне кипятильника, которая имеет температуру, соответствующую температуре кипения жидкого крепкого раствора при давлении в кипятильнике.
Как изображено на фиг. 1, вертикальные температурные градиенты абсорбера 14 и кипятильника 12 противоположны друг другу, то есть зона E кипятильника 12 с самой высокой температурой находится у его нижнего конца или рядом с его нижним концом, в то время как зона F абсорбера 14 с самой высокой температурой находится у его верхнего конца или рядом с его верхним концом. Следовательно, ориентация соответствующих зон D-I и G-F теплопередачи аналогичным образом противоположна. Диапазон температур, определяющий зоны D-I и G-F теплопередачи, находится в пределах температурного перекрытия между диапазоном температур кипятильника 12 и диапазоном температур абсорбера 14, например, в пределах диапазона от примерно 200oF (93,3oC) до примерно 300oF (148,9oC).
Известное устройство, показанное на фиг. 1, содержит теплопередающий контур 30, расположенный между зонами D-I и G-F теплопередачи кипятильника 12 и абсорбера 14, который направлен таким образом, чтобы обеспечивать проход текучей среды непосредственно между участками зон теплопередачи.
При функционировании известной установки по фиг. 1 текучий холодильный агент, который состоит главным образом из хладагента, такого как аммиак, но который может содержать небольшое количество абсорбента, если он является летучим (легкоиспаряемым), такого как вода, выходит из испарителя 18 в основном в виде пара и проходит через магистраль 28 к абсорберу 14 в его низкотемпературную зону C. Этот пар хладагента, поднимающийся через абсорбер 14, абсорбируется встречным потоком слабого раствора, таким образом, при этом образуется крепкий раствор 32, который накапливается в жидком виде в низкотемпературной зоне C абсорбера 14. Этот процесс происходит при температуре, превышающей температуру окружающей среды, с выделением тепла, часть которого передается воздуху, воде, антифризу или другой теплопередающей текучей среде (жидкому теплоносителю), циркулирующей во время данного процесса через теплообменник 36, находящийся в теплообменном контуре 34.
Крепкий раствор 32 передается по магистрали 21 для крепкого раствора с помощью насоса 38 для раствора в зону D кипятильника 12, в которой поддерживается более высокое давление. В кипятильнике 12 поддерживается более высокое давление по сравнению с абсорбером 14. Например, давление в кипятильнике 12 может обычно составлять около 240-340 фунтов на квадратный дюйм абсолютного давления (1654,7424 - 2344, 2184 кПа), а давление в абсорбере 14 может составлять около 15-80 фунтов на квадратный дюйм абсолютного давления (103,4214 - 551,5808 кПа). В соответствии с принципом абсорбционного теплообменного цикла (AHE - absorber heat exchange) теплообменник 40 на магистрали 21 для крепкого раствора используется для передачи тепла абсорбера крепкому раствору 32. В одном альтернативном варианте крепкий раствор 32 нагревается в теплообменнике 40 до его температуры кипения при давлении кипятильника 12 и подается в виде притока тепла в зону D кипятильника 12. Альтернативно, как показано на фиг. 1, крепкий раствор 32 нагревается в теплообменнике 40 до температуры ниже его температуры кипения и после этого нагревается в теплообменнике 41 в ректификационной секции над зоной D кипятильника 12. При любом альтернативном варианте крепкий раствор 32 распределяется внутри кипятильника 12 в зоне D.
Источник 42 тепла и теплопередающие ребра 44 взаимодействуют для нагревания крепкого раствора 32 по мере его прохождения вниз через кипятильник 12, отводя тем самым пар хладагента из крепкого раствора 32 с целью образования слабого раствора 46 в высокотемпературной зоне E кипятильника 12. Пар с концентрацией хладагента, составляющей приблизительно 100%, вытесняется из кипятильника 12 через магистраль 24 для хладагента в конденсатор 16, в котором он конденсируется и подается по магистрали 26 через дроссельное устройство 48 в зону более низкого давления в испарителе 18. Слабый раствор 46 в высокотемпературной зоне E кипятильника 12 возвращается по магистрали 22 для слабого раствора в высокотемпературную зону F абсорбера 14. Сухое тепло слабого раствора 46 используется в качестве притока тепла в кипятильник 12 в теплообменнике 51. Тепло также может передаваться в теплообменнике (не показанном) между магистралью 21 для крепкого раствора и магистралью 22 для слабого раствора.
В известной теплообменной установке, обеспечивающей теплообмен между кипятильником и абсорбером и показанной на фиг. 1, теплопередача осуществляется с помощью теплопередающего контура 30 между кипятильником и абсорбером, включающего, например, пару теплообменных змеевиков 50 и 52 и насос 54 для обеспечения циркуляции теплопередающей текучей среды (жидкого теплоносителя), такой как вода под давлением. Поскольку вертикальные градиенты температуры абсорбера 14 и кипятильника 12 противоположны друг другу, необходимо обеспечить перекрестное соединение магистралей между змеевиками 50 и 52, как показано на фиг. 1.
Принцип цикла теплообмена между кипятильником и абсорбером показав на диаграмме давление-температура-состав на фиг. 2, на которой точка D представляет собой точку, разделяющую дефлегматор и ректификационную секцию кипятильника 12, точка E представляет собой высокотемпературную зону кипятильника 12, точка C - низкотемпературную зону абсорбера 14, точка F - высокотемпературную зону абсорбера 14, точка I - зону кипятильника 12, которая находится при более низкой температуре по сравнению с температурой в точке F абсорбера 14, причем температура в точке I меньше на величину, достаточную для обеспечения разности температур, необходимой для теплопередачи между этими зонами, а точка G представляет собой зону абсорбера 14, которая находится при более высокой температуре по сравнению с температурой в точке D кипятильника 12, причем температура в точке G больше на величину, достаточную для обеспечения перепада температур, необходимого для теплопередачи между этими зонами. Эти зоны на фиг. 2 соответствуют зонам D, E, C, F, I и G, соответственно изображенным на фиг. 1. Линия D-I соответствует зоне теплопередачи кипятильника 12 в цикле теплообмена между кипятильником и абсорбером, а линия G-F соответствует зоне теплопередачи абсорбера 14 в цикле теплообмена между кипятильником и абсорбером. Точки A и B соответственно представляют собой конденсатор 16 и испаритель 18. Линия от C до D соответствует магистрали 21 для крепкого раствора, а линия от E до F соответствует магистрали 22 для слабого раствора. Стрелки на фиг. 2, проходящие от линии G-F до линии D-I показывают передачу тепла от зоны теплопередачи абсорбера 14 к зоне теплопередачи кипятильника 12.
Тепло, подлежащее передаче из абсорбера 14 в кипятильник 12, имеет диапазон температур, соответствующий абсорберу 14, и это тепло необходимо передать в кипятильник 12 с диапазоном температур, который меньше только на разность температур, необходимую для передачи тепла. Для наиболее аффективного выполнения этого процесса тепло из наиболее горячего участка зоны F теплопередачи абсорбера 14 должно передаваться в наиболее горячий участок зоны I теплопередачи в кипятильнике 12, и аналогично это должно выполняться для каждого из участков, которые имеют постепенно снижающуюся температуру и находятся в зонах теплопередачи абсорбера 14 и кипятильника 12. Это означает, что диапазон температур теплопередающей текучей среды (жидкого теплоносителя) должен находиться между диапазонами температур зон теплопередачи кипятильника 12 и абсорбера 14 и каждого из участков (этих зон).
В соответствии с настоящим изобретением, показанным и раскрытом в данном материале, предусмотрен теплообменный контур в теплообменнике, который обеспечивает теплообмен между кипятильником и абсорбером и включает в себя кипятильник и абсорбер. Абсорбер имеет давление во внутренней полости, которое ниже давления во внутренней полости кипятильника, и кипятильник и абсорбер имеют высоко- и низкотемпературные зоны, расположенные противоположно ("навстречу") друг другу, и зону теплопередачи. Диапазоны температур кипятильника и абсорбера перекрываются, и это перекрытие определяет соответствующие зоны теплопередачи кипятильника и абсорбера. Теплообменник, обеспечивающий теплообмен между кипятильником и абсорбером, включает еще магистраль для потока текучей среды, предназначенную для циркуляции раствора, имеющего сильную и слабую концентрации хладагента, через высокотемпературные зоны, зоны теплопередачи и низкотемпературные зоны кипятильника и абсорбера.
В соответствии с настоящим изобретением разработаны варианты исполнения и способы осуществления теплопередачи в цикле теплообмена между кипятильником и абсорбером в теплообменнике, обеспечивающем теплообмен между кипятильником и абсорбером, при которых используется как скрытая теплота, так и сухое тепло рабочего вещества установки, состоящего из хладагента/абсорбента. Устройство по изобретению содержит теплообменный контур, который расположен таким образом, чтобы в него поступала часть слабого раствора из кипятильника и часть крепкого раствора из абсорбера и чтобы обеспечить циркуляцию этих растворов через зоны теплопередачи абсорбера и кипятильника для передачи тепла от абсорбера кипятильнику. Термин "зона теплопередачи", используемый в данном материале, используется не только для обозначения зон во внутренней полости кипятильника и абсорбера, которые имеют перекрывающиеся температуры, но также и для обозначения тех зон, которые примыкают к (зонам) внутренних полостей кипятильника и абсорбера, имеющим перекрывающиеся температуры, или находятся с ними в теплопередающем контакте. Передача (тепла) предпочтительно должна выполняться во всем диапазоне перекрывающихся температур.
В соответствии с изобретением, реализованным и широко раскрытым в данном материале, теплообменный контур включает теплообменную магистраль для слабого раствора, содержащую теплообменный элемент, который расположен в зоне теплопередачи кипятильника, причем весь или, по меньшей мере, часть слабого раствора из магистрали для потока текучей среды, находящейся рядом с нижним концом кипятильника, поступает в эту (теплообменную) магистраль, часть слабого раствора проходит по ней к теплообменному элементу, расположенному в зоне теплопередачи кипятильника, в которой тепло передается от слабого раствора кипятильнику, а затем слабый раствор от теплообменного элемента кипятильника поступает по этой магистрали во внутреннюю полость абсорбера. Теплообменный контур содержит еще теплообменную магистраль для крепкого раствора, содержащую теплообменный элемент, который расположен в зоне теплопередачи абсорбера, причем часть крепкого раствора из магистрали для потока текучей среды, находящейся рядом с нижним концом абсорбера, поступает в эту (теплообменную) магистраль, часть крепкого раствора проходит по ней к теплообменному элементу, расположенному в зоне теплопередачи абсорбера, в которой тепло передается от абсорбера крепкому раствору, а затем часть крепкого раствора из теплообменного элемента абсорбера поступает по этой магистрали во внутреннюю полость кипятильника. Термин "теплообменный элемент", используемый в описании данного изобретения, относится к любому аппарату или устройству, которое может обеспечить теплообмен между текучими средами, например, такому как теплообменный змеевик.
В соответствии с изобретением, показанным и широко раскрытым в данном материале, движущая сила, обеспечивающая циркуляцию раствора в теплообменном контуре, может альтернативным образом создаваться насосом, перепадом давлений между кипятильником и абсорбером или за счет их комбинации. Теплообменный контур также включает входы, находящиеся в жидкостной связи с магистралью для потока текучей среды и предназначенные для отвода раствора хладагента из магистрали, и выходы для распределения раствора внутри кипятильника или абсорбера. Входы могут находиться в жидкостной связи с магистралью для потока текучей среды, в которой раствор представляет собой жидкость, пар или их комбинацию.
В соответствии с изобретением, показанным и широко раскрытым в данном материале, предусмотрены выходы теплообменного контура для распределения частей раствора, циркулирующих между зонами теплопередачи, во внутренней полости или кипятильника, или абсорбера. Эти выходы могут представлять собой любое устройство, способное распределять жидкость или смесь пара и жидкости, такое как распределитель, и они расположены в зоне кипятильника или абсорбера, в которой температура раствора, выходящего из распределителя, и температура внутренней полости кипятильника или абсорбера непосредственно рядом с распределителем по существу одинаковы. В зависимости от давления раствора, подаваемого в распределитель, может быть предусмотрено устройство для регулирования давления, находящееся до распределителя по ходу течения и предназначенное для регулирования потока и/или уменьшения давления раствора, поступающего в распределитель.
Во всех вариантах исполнения изобретения, описанных в данном материале, и в их модификациях предпочтительно направлять поток жидкости, пара или смеси жидкости и пара вертикально вверх при пропускании этого потока через теплообменный змеевик или в кипятильнике, или в абсорбере. Эта ориентация потока наилучшим образом соответствует градиентам температуры в абсорбере, в котором раствор нагревается, и в кипятильнике, в котором раствор отдает свое тепло. Такая ориентация, кроме того, обеспечивает наилучшие перепады температур противотока между поднимающимся содержимым змеевика и текущей вниз жидкостью.
В соответствии с вариантами исполнения теплообменника, обеспечивающего теплообмен между кипятильником и абсорбером и описанного в данном материале, теплообменные змеевики могут быть размещены во внутренней полости кипятильника и абсорбера. Альтернативно, в соответствии с изобретением теплообменные змеевики могут быть размещены снаружи по отношению к кипятильнику и абсорберу рядом с зоной, в которой желательна передача тепла, и/или в теплопередающем контакте с ней. Подразумевается, что термин "зона теплопередачи", используемый в данном материале, обозначает как внутреннюю полость кипятильника или абсорбера, так и зоны вне кипятильника или абсорбера, примыкающие к зоне, в которой желательно осуществление передачи тепла, и/или находящиеся с ней в теплопередающем контакте.
На фиг. 3 изображен теплообменный аппарат (теплообменник) 100, который обеспечивает теплообмен между кипятильником и абсорбером и в котором используется способ передачи сухого тепла и скрытой теплоты между кипятильником и абсорбером в соответствии с настоящим изобретением. В данном варианте исполнения теплообменный контур также может служить в качестве магистрали для слабого раствора и содержит теплообменный элемент 104, расположенный в зоне теплопередачи кипятильника 12. Предусмотрена теплообменная магистраль 120 для слабого раствора, которая имеет вход 122, расположенный таким образом, чтобы отводить слабый раствор 46 из нижнего конца E кипятильника 12, регулирующий клапан 106 и распределитель 124, расположенный в верхней части абсорбера 14 таким образом, чтобы распределять слабый раствор в абсорбере. Кроме того, абсорбер 14 выполнен с адиабатической секцией 108 на своем верхнем конце.
В варианте исполнения настоящего изобретения, показанном на фиг. 3, теплообменный контур включает еще теплообменный элемент 144, расположенный в зоне теплопередачи абсорбера 14. Предусмотрена теплообменная магистраль 140 для крепкого раствора, которая имеет вход 141, расположенный таким образом, чтобы в него поступал крепкий раствор из магистрали 20 для крепкого раствора, расположенной за насосом 38 для крепкого раствора по ходу течения, регулирующий клапан 142 и распределитель 146, расположенный таким образом, чтобы распределять крепкий раствор в кипятильнике 12.
В соответствии с данным первым вариантом исполнения слабый раствор 46 отводится от входа 122 в высокотемпературной зоне E кипятильника 12 и подается по теплообменной магистрали 120 для слабого раствора в теплообменный элемент 104 кипятильника. По мере того, как сравнительно горячий раствор проходит по теплообменному элементу кипятильника, сухое тепло передается от него кипятильнику 12, обеспечивая часть общей теплопередачи в цикле теплообмена с использованием кипятильника и абсорбера. Затем охлажденный слабый раствор проходит по магистрали 120 через регулирующий клапан 106 к распределителю 124, находящемуся в верхней части абсорбера 14. В адиабатической секции 108 абсорбера 14 температура слабого раствора повышается за счет частичной абсорбции перед тем, как слабый раствор войдет в контакт с теплообменником 144. Движущая сила для перемещения слабого раствора 46 из кипятильника 12 в абсорбер 14 по теплообменной магистрали 120 для слабого раствора в целом создается за счет перепада давлений между кипятильником 12 и абсорбером 14, но также можно использовать насос, встроенный в теплообменную магистраль 120 для слабого раствора.
Кроме того, в соответствии с первым вариантом исполнения настоящего изобретения часть крепкого раствора 32 отводится из магистрали 20 для крепкого раствора у входа 141 и подается по теплообменной магистрали 140 для крепкого раствора через регулирующий клапан 142 к теплообменному элементу 144 абсорбера. По мере того, как сравнительно холодный крепкий раствор проходит через теплообменный элемент абсорбера, теплота абсорбции передается от абсорбера раствору, обеспечивая частичное испарение крепкого раствора и оставшуюся часть теплопередачи в цикле теплообмена между кипятильником и абсорбером. После этого нагретый двухфазный крепкий раствор подается по магистрали 140 к распределителю 146 и через этот распределитель 146 попадает в кипятильник 12.
На фиг. 4 изображен второй теплообменный аппарат (теплообменник) 200, который обеспечивает теплообмен между кипятильником и абсорбером и в котором используется способ передачи сухого тепла и скрытой теплоты между кипятильником и абсорбером в соответствии с настоящим изобретением. Этот второй вариант исполнения отличается от первого варианта исполнения, показанного на фиг. 3, тем, что в соответствии с данным вторым вариантом исполнения слабый раствор 46 отводится от входа 122 в высокотемпературной зоне E кипятильника 12 и подается по теплообменной магистрали 120 для слабого раствора в теплообменный элемент 104 кипятильника, в котором сухое тепло передается от слабого раствора кипятильнику 12, обеспечивая часть общей теплопередачи в цикле теплообмена между кипятильником и абсорбером. Затем охлажденный слабый раствор подается по магистрали 120 во второй теплообменный элемент 208, который размещен в абсорбере и который обеспечивает передачу сухого тепла от абсорбера слабому раствору, чтобы максимально увеличить температуру слабого раствора перед абсорбцией. Из теплообменного элемента 208 слабый раствор проходит через регулирующий клапан 106 к распределителю 124, находящемуся в верхней части абсорбера 14. Кроме того, в верхней части абсорбера 14 может быть предусмотрена адиабатическая секция 108. Оставшаяся часть теплопередачи в цикле теплообмена между кипятильником и абсорбером осуществляется за счет теплоты абсорбции, которая передается теплообменным элементом 144 абсорбера от абсорбера 14 к части крепкого раствора 32, отведенного из магистрали 22 для крепкого раствора и поступающего по магистрали 140 в кипятильник 12.
На фиг. 5 изображен третий теплообменный аппарат (теплообменник) 300, который обеспечивает теплообмен между кипятильником и абсорбером и в котором используется способ передачи сухого тепла и скрытой теплоты между кипятильником и абсорбером в соответствии с настоящим изобретением. Этот третий вариант исполнения отличается от первого варианта исполнения, показанного на фиг. 3, тем, что в соответствии с данным третьим вариантом исполнения часть крепкого раствора 32 подается из теплообменного элемента 144 абсорбера по теплообменной магистрали 140 для крепкого раствора во второй теплообменный элемент 146 кипятильника, который расположен в зоне теплообмена кипятильника 12. Часть крепкого раствора 32 течет вверх через теплообменный элемент 146, в котором часть крепкого раствора 32 охлаждается, и пар крепкого раствора снова превращается в жидкий крепкий раствор, передавая теплоту абсорбции кипятильнику 12. Пар крепкого раствора может снова превратиться в жидкий крепкий раствор полностью или частично, и это определяется требованиями рабочих характеристик агрегата или стоимостными параметрами. Затем часть крепкого раствора 32 подается от второго теплообменного элемента 146 кипятильника по магистрали 140 через распределитель 148 в кипятильник 12.
На фиг. 6 изображен четвертый теплообменный аппарат (теплообменник) 400, который обеспечивает теплообмен между кипятильником и абсорбером и в котором используется способ передачи сухого тепла и скрытой теплоты между кипятильником и абсорбером в соответствии с настоящим изобретением. Этот четвертый вариант исполнения отличается от первого варианта исполнения, показанного на фиг. 3, тем, что данный четвертый вариант исполнения включает признаки дополнительных теплообменных контуров по второму и третьему вариантам исполнения, показанным соответственно на фиг. 4 и 5.
Таким образом, в данном четвертом варианте исполнения охлажденный слабый раствор 46, выходящий из теплообменного элемента 104 кипятильника, подается по магистрали 120 во второй теплообменный элемент 208 абсорбера, в котором обеспечивается передача сухого тепла от абсорбера слабому раствору. Из теплообменного элемента 208 слабый раствор проходит через регулирующий клапан 106 к распределителю 124, расположенному в верхней части абсорбера 14, причем абсорбер 14 может быть предусмотрев с адиабатической секцией 108, находящейся у его верхнего конца.
Кроме того, в соответствии с данным четвертым вариантом исполнения часть крепкого раствора 32 подается от теплообменного элемента 144 абсорбера по теплообменной магистрали 140 для крепкого раствора во второй теплообменный элемент 146 кипятильника, который расположен в зоне теплообмена кипятильника 12. Часть крепкого раствора 32 течет вверх через теплообменный элемент 146, в котором часть крепкого раствора 32 охлаждается, и пар крепкого раствора снова превращается в жидкий крепкий раствор, передавая теплоту абсорбции кипятильнику 12. Пар крепкого раствора может снова превратиться в жидкий крепкий раствор полностью или частично, и это определяется требованиями рабочих характеристик агрегата или стоимостными параметрами. Затем часть крепкого раствора 32 подается из второго теплообменного элемента 146 кипятильника по магистрали 140 через распределитель 148 в кипятильник 12.
Преимущество настоящего изобретения заключается в том, что в соответствии с ним уменьшается количество контуров теплопередачи, необходимых для теплопередачи при теплообмене между кипятильником и абсорбером, по сравнению с ситуацией, когда используется только передача сухого тепла. Таким образом, настоящее изобретение позволяет получить более простое устройство с соответствующей экономией затрат труда и материалов при создании и эксплуатации.
Другое преимущество заключается в том, что упрощаются требования к регулированию во всем рабочем диапазоне теплового насоса, включающего признаки настоящего изобретения. При низких температурах наружного воздуха, то есть температурах ниже примерно 10oF (-12,2oC), теплообменный контур, в котором осуществляется теплообмен между кипятильником и абсорбером, больше не может обеспечивать полезное тепло и должен быть отключен. При этом режиме работы без теплообмена между кипятильником и абсорбером теплообменный элемент 104 для передачи сухого тепла может продолжать работать для поддержания максимальной эффективности и минимизации количества органов управления, необходимых для переключения режимов работы между режимом работы с теплообменом между кипятильником и абсорбером и режимом работы без такого теплообмена.
Еще одно преимущество настоящего изобретения заключается в том, что можно оптимизировать работу теплового насоса в диапазоне условий работы, определяемых окружающей средой, путем регулирования количества теплоты при теплообмене между кипятильником и абсорбером, которое подлежит передаче слабым раствором 46 и частью крепкого раствора 32, таким образом, чтобы функционирование устройства отвечало любым желаемым требованиям с точки зрения эксплуатационных параметров (КПД) и затрат.
На фиг. 7 показан разработанный тепловой насос 550, в котором используется один из способов теплообмена между кипятильником и абсорбером и один из теплообменников, обеспечивающих теплообмен между кипятильником и абсорбером, по изобретению. Тепловой насос 550 содержит наружный теплообменный змеевик 552 и внутрикамервый теплообменный змеевик 554. Внутрикамерный теплообменный змеевик 554 может включать устройство 556 для подачи воздуха, такое как вентилятор или воздуходувка, для подачи нагретого или охлажденного воздуха в здание. Наружный теплообменный змеевик 552 может также включать устройство 557 для подачи воздуха, такое как вентилятор или воздуходувка. Наружный и внутрикамерный теплообменные змеевики 552 и 554 и устройства 556 и 557 для подачи воздуха могут представлять собой любые устройства из типового известного оборудования, используемого в тепловых насосных установках или установках для кондиционирования воздуха.
Тепловой насос 550 состоит из двух основных секций - теплообменника, включающего кипятильник и абсорбер, (абсорбционного агрегата) и системы (магистралей) для текучего антифриза. Теплообменник, обеспечивающий теплообмен между кипятильником и абсорбером, в соответствии с изобретением может быть выполнен из рассмотренных ранее элементов, включающих абсорбер 14, кипятильник 12, конденсатор 16, насос 38 для раствора и испаритель 18. Система (магистралей) для текучего антифриза разделена на контур для холодной текучей среды и контур для горячей текучей среды. Текучие антифризы, которые можно использовать в соответствии с изобретением, включают те текучие среды, которые могут использоваться и быть полезными при передаче тепла. Предпочтительным текучим антифризом является водный раствор, включающий жидкий антифриз, который не токсичен и не воспламеняем, например, такой как пропиленгликоль.
В отличие от стандартных тепловых насосных установок, в которых осуществляется реверсирование контура охлаждения, чтобы изменить режим его работы с охлаждения на нагрев, в тепловом насосе 550 по изобретению используется не реверсирование контура охлаждения, а устройство 558 для управления потоком в установке, которое предпочтительно представляет собой восьмиходовой клапан, который может реверсировать контуры для антифриза. Устройство 558 для управления потоком в установке обеспечивает возможность направления текучих антифризов или из холодного испарителя 18, или из горячего конденсатора 16, абсорбера 14 и кипятильника 12 или в наружный теплообменный змеевик 552 или во внутренний (внутрикамерный) теплообменный змеевик 554.
Контур для холодного антифриза включает испаритель 18, который охлаждает текучий антифриз, проходящий по теплообменному змеевику 586 испарителя, отводя тепло из текучего антифриза, которое отводится из дома или здания летом или из окружающего воздуха зимой.
Контур для горячего антифриза включает абсорбер 14, конденсатор 16 и кипятильник 12, которые поднимают температуру отводимого тепла до значений, существенно превышающих 100oF (37,8oC). Сумма количеств теплоты, отводимых от абсорбера 14, конденсатора 16 и кипятильника 12, равна сумме количеств теплоты двух тепловых притоков: одного - от газового пламени и другого, представляющего собой низкотемпературный тепловой приток в испаритель 18. Абсорбер 14, кипятильник 12 и конденсатор 16 передают отводимое из установки тепло горячему текучему антифризу посредством теплообменного змеевика 578 абсорбера, теплообменного змеевика 572 кипятильника и теплообменного змеевика 568 конденсатора. В зимнее время горячий текучий антифриз передает значительно больше тепла в дом или здание по сравнению с теплом от газового пламени. Во многих регионах Соединенных Штатов дополнительное тепло не потребуется.
В одном конкретном варианте исполнения теплового насоса по изобретению, изображенном на фиг. 7, контур для горячего антифриза включает первую магистраль 562, которая подает текучий антифриз от устройства 558 управления потоком в установке к первому устройству 564 управления потоком, которое может представлять собой, например, рассеиватель (делитель) потока. Устройство 560 для перемещения текучей среды, такое как насос, используется для обеспечения циркуляции текучего антифриза через контур для горячего антифриза. Устройство 560 для перемещения текучей среды может быть установлено в любом месте в контуре для горячего антифриза, но предпочтительно размещается в первой магистрали 562.
В соответствии с данным вариантом исполнения первая часть текучего антифриза из первой магистрали 562 направляется через первое устройство 564 управления потоком во вторую магистраль 566, которая подает текучий антифриз в теплообменный змеевик 568 конденсатора. В теплообменном змеевике 568 конденсатора тепло передается от конденсатора 16 текучему антифризу. Текучий антифриз подается от теплообменного змеевика 568 конденсатора к теплообменному змеевику 572 горячего орошения в кипятильнике по третьей магистрали 570. В теплообменном змеевике 572 горячего орошения в кипятильнике тепло передается от кипятильника 12 текучему антифризу. Текучий антифриз подается от теплообменного змеевика 572 горячего орошения в кипятильнике обратно к устройству 558 управления потоком в установке по четвертой магистрали 574.
В данном варианте исполнения вторая часть текучего антифриза направляется из первой магистрали 562 через первое устройство 564 управления потоком в пятую магистраль 576, которая обеспечивает подачу текучего антифриза в теплообменный змеевик 578 абсорбера. В теплообменном змеевике 578 абсорбера тепло передается от абсорбера 14 текучему антифризу. Текучий антифриз подается от теплообменного змеевика 578 абсорбера по шестой магистрали 580 в четвертую магистраль 574 и обратно к устройству 558 управления потоком в установке.
Имеется в виду, что конкретная система организации потоков в контуре для горячего антифриза, показанном на фиг. 7, изображена только в качестве примера и не должна ограничивать изобретение. Другие системы организации потоков текучего антифриза между абсорбером 14, конденсатором 16 и кипятильником 12 находятся в рамках объема изобретения. Например, поток текучего антифриза через абсорбер 14, конденсатор 16 и кипятильник 12 может быть параллельным или последовательным. Однако предпочтительно, если поток через конденсатор 16 и абсорбер 14 будет параллельным, как показано на фиг. 7.
Контур для холодного антифриза включает первую магистраль 582, которая обеспечивает циркуляцию текучего антифриза из устройства 558 управления потоком в установке в теплообменный змеевик 586 испарителя. В теплообменном змеевике 586 испарителя тепло передается от текучего антифриза испарителю 18. Текучий антифриз подается из теплообменного змеевика 586 испарителя обратно в устройство 558 управления потоком в установке по второй магистрали 588. Устройство 584 для перемещения текучей среды, такое как насос, используется для обеспечения циркуляции текучего антифриза по контуру для холодного антифриза. Устройство 584 для перемещения текучей среды может быть размещено в любом месте в контуре для холодного антифриза, но предпочтительно оно устанавливается на первой магистрали 582. Имеется в виду, что конкретная система организации потоков в контуре для холодного антифриза, изображенная на фиг. 7, показана только в качестве примера и не должна ограничивать объем изобретения.
Устройство 558 управления потоком в установке направляет холодный антифриз во внутрикамерный (внутренний) теплообменный змеевик 554 летом и в наружный теплообменный змеевик 552 зимой, одновременно направляя горячий антифриз в наружный теплообменный змеевик 552 летом и во внутрикамерный теплообменный змеевик 554 зимой. Этот способ реверсирования потоков с целью обеспечения потребности в нагреве или охлаждении жилых помещений и других зданий при необходимости также может использоваться зимой для оттаивания (размораживания) наружного теплообменного змеевика 552 за счет реверсирования потока так, что горячий антифриз направляется в наружный теплообменный змеевик 552.
Выбор материалов для изготовления конструкций по всем вариантам исполнения, описанных в данном материале, и их модификаций зависит от компонентов рабочего вещества, то есть от хладагента и абсорбента, а также от ожидаемых диапазонов рабочего давления и температуры. Для аммиака и водного абсорбирующего раствора, работающего при температурах примерно до 400oF (204,4oC) и давлениях примерно до 400 фунтов на квадратный дюйм абсолютного давления (2757,904 кПа), предпочтительным материалом для всех элементов, контактирующих с раствором, является мягкая (низкоуглеродистая) сталь. Выбор конструкционных материалов для работы с другими абсорбирующими текучими средами - это известная задача для специалистов в области абсорбционных установок. Аналогично, хорошо известно, какие материалы следует выбирать для контуров для антифриза.
Несмотря на то, что различные теплопередающие средства, описанные здесь и использующие теплообмен между кипятильником и абсорбером, были показаны в бытовом или небольшом промышленном тепловом насосе, их преимущества не ограничиваются такими сферами применения. Повышенные эксплуатационные характеристики (КПД, теплопередача), обеспечиваемые различными схемами теплопередачи между кипятильником и абсорбером, описанными в данном материале, могут быть применены для процессов, требующих нагрева до средних температур и охлаждения, в частности таких как пивоварение, производство пищевых продуктов, пастеризация и изготовление бумаги, если упомянуть только несколько примеров. Кроме того, идеи изобретения не ограничиваются абсорбционными циклами в тепловых насосах, которые эффективно преобразуют тепло из комбинации низко- и высокотемпературных источников тепла для нагрева при средней температуре. Изобретение равным образом применимо для нагрева преобразователей, которые преобразуют тепло среды со средней или высокой температурой, такой как горячие сточные воды, отводимые от технологической установки, для получения полезного тепла с высокой температурой и одновременно низкотемпературного тепла.
Для специалистов в данной области очевидно, что могут быть выполнены различные варианты и модификации теплообменника, обеспечивающего теплообмен между кипятильником и абсорбером, теплового насоса и способа передачи тепла между кипятильником и абсорбером, не отходя от идеи и объема настоящего изобретения. Таким образом, подразумевается, что настоящее изобретение охватывает модификации и варианты данного изобретения при условии, что они лежат в рамках объема приложенных пунктов формулы изобретения и их эквивалентов.
Перечень надписей на чертежах:
фиг. 1: 1.1 - предшествующий уровень;
фиг. 2: A - конденсатор, B - испаритель, C-F - абсорбер, D-E - кипятильник, <---- - тепловой поток;
2.1 - давление, в фунтах на квадратный дюйм абсолютного давления; 2.2. - температура.
фиг. 7: 554 - змеевик внутри здания, 552 - наружный змеевик; 558 - водяной клапан; 560, 584 - насосы; 12 - кипятильник; 14 - абсорбер; 16 - конденсатор; 18 - испаритель.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| ГЕНЕРАТОРНО-АБСОРБЦИОННЫЙ ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ТЕПЛОТЫ И СПОСОБ ПРИМЕНЕНИЯ ЕГО В ТЕПЛОВОМ НАСОСЕ | 1994 |
|
RU2125213C1 |
| АБСОРБЦИОННО-ДИФФУЗИОННЫЙ ХОЛОДИЛЬНЫЙ АГРЕГАТ | 1992 |
|
RU2037749C1 |
| Способ сушки зерна злаковых культур и установка для его осуществления | 2020 |
|
RU2765597C1 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАНОЛА ИЗ ПРИРОДНОГО ГАЗА И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 2022 |
|
RU2797945C1 |
| АБСОРБЦИОННО-ДИФФУЗИОННЫЙ ХОЛОДИЛЬНЫЙ АГРЕГАТ | 2006 |
|
RU2303207C1 |
| Способ производства гранулированных комбикормов и установка для его осуществления | 2023 |
|
RU2810055C1 |
| АБСОРБЦИОННО-ДИФФУЗИОННЫЙ ХОЛОДИЛЬНЫЙ АГРЕГАТ И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ | 1992 |
|
RU2031328C1 |
| Абсорбционная холодильная установка | 1990 |
|
SU1800244A1 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ХОЛОДА В АБСОРБЦИОННО-ДИФФУЗИОННОМ ХОЛОДИЛЬНОМ АГРЕГАТЕ (ВАРИАНТЫ) И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) | 1994 |
|
RU2079071C1 |
| АБСОРБЦИОННО-ДИФФУЗИОННЫЙ ХОЛОДИЛЬНЫЙ АГРЕГАТ | 1992 |
|
RU2038548C1 |
В абсорбционном тепловом насосе размещены теплообменный аппарат, имеющий змеевиковые контуры в теплообменных зонах абсорбера и генератора, и контур антифриза, циркулирующего между камерным и наружным теплообменниками и одним из теплообменников, расположенных в абсорбере, конденсаторе или кипятильнике. Теплообменный аппарат обеспечивает циркуляцию слабого и крепкого растворов и передачу тепла от абсорбера к кипятильнику. Использование изобретения позволит повысить КПД и улучшить эксплуатационные характеристики теплового насоса. 6 с. и 38 з.п. ф-лы, 1табл., 7 ил.
| Нажимное устройство фрикционноймуфты сцепления | 1973 |
|
SU508608A1 |
| АБСОРБЦИОННАЯ ХОЛОДИЛЬНАЯ УСТАНОВКА | 0 |
|
SU245809A1 |
| Абсорбционная холодильная установка | 1977 |
|
SU659847A1 |
| US 4383416 A, 17.05.83 | |||
| US 3423951 A, 28.01.69 | |||
| US 3509732 A, 05.05.70. | |||
