ГЕЛИОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ХОЛОДИЛЬНИК Российский патент 2008 года по МПК F25B17/08 F24J2/02 

Изобретение относится к холодильной технике, в частности к солнечным сорбционным холодильным установкам периодического действия для хранения, замораживания и охлаждения продуктов питания, получения льда в районах с жарким климатом.

Известна одноконтурная схема и конструкция гелиоэнергетического холодильника сорбционного типа, содержащая генератор-абсорбер совмещенного типа, внутрь которого засыпается порошок твердого сухого абсорбента, воздушный конденсатор, ресивер, охлаждающую камеру с U-образным испарителем [см. ст. Ачилова Б.А., Мангажалова Ч. Холодильная гелиоустановка с твердым сорбентом. «Холодильная техника», №2, 1990, с.5-7].

Недостатками этой схемы и конструкции являются:

- низкая эффективность работы из-за нерегулирования протекающих процессов;

- большие гидравлические сопротивления при абсорбции паров хладагента из испарителя в абсорбер за счет удлиненного трубопровода;

- большие потери тепловой энергии из-за наличия ресивера в охлажденном контуре;

- наложение прямых и обратных токов рабочего вещества в одноконтурной линии.

Наиболее близким по технической сути является гелиоэнергетический холодильник [см. ст. Мирзаева Ш.М., Узакова О.Х. Испытания абсорбционного гелиохолодильника бытового назначения. Вестник МАХ, №1, 2001, с.38-40], выполненный по двухконтурной схеме и содержащий генератор-абсорбер совмещенного типа, реакторы которого наклонены под оптимальным углом к горизонту, внутрь которых засыпаются гранулы или порошок твердого сорбента, воздушный конденсатор, ресивер, вынесенный из охлаждаемого контура, охлаждаемую камеру с U-образным испарителем, обратный клапан, включенный между генератором-абсорбером и конденсатором и обратный клапан, вход которого подсоединен к выходному патрубку испарителя, а выход - к генератору абсорберу.

Недостатками этого устройства являются:

- интенсивное взаимодействие сорбента с хладагентом осуществляется в верхней части реактора генератора-абсорбера из-за вертикального расположения;

- слабые силы абсорбции и десорбции при аналогичных процессах из-за длинных трубопроводов;

- плохие тепломассообменные характеристики при нагреве реакторов днем и охлаждении ночью;

- невозможность осуществления полной автономной работы;

- слабая интенсификация теплообмена в U-образном испарителе;

- неполное использование энергии прямой и диффузионной солнечной радиации.

Техническая задача: создание устройства автономного действия.

Технический результат: повышение холодопроизводительности установки.

Технический результат достигается с помощью гелиоэнергетического холодильника, содержащего генератор-абсорбер совмещенного типа с реакторами, воздушный конденсатор, ресивер, вынесенный из изолированного охлаждающего контура, охлаждаемую камеру с U-образным испарителем и емкостью со льдом, причем реакторы, расположенные горизонтально относительно Земли, на разных уровнях имеют два ввода-вывода к хладопроводам, один хладопроводящий коллектор-конденсатор неизолирован и снабжен дополнительным ресивером; испаритель соединен с ресиверами терморегулирующими вентилями и имеет перепускную трубку, соединенную через терморегулирующий вентиль с паровым пространством ресиверов. В реакторах генератора-абсорбера расположены тепловые трубки, установленные в средней части реакторов, на противоположной стороне которых имеется развитая теплообменная поверхность в виде оребренных каналов, выведенная наружу из генератора-абсорбера.

Технический результат достигается тем, что в генераторе-абсорбере установлены реакторы, расположенные горизонтально относительно поверхности Земли и имеющие два ввода-вывода на двух торцевых сторонах, соединяющих реакторы с хладопроводящими коллекторами. Это позволяет обеспечить лучший и широкий доступ хладагента к поверхности сорбента, что интенсифицирует абсорбционно-десорбционные процессы образования или распада аммиакатов солей, осуществлять движение потока пара в две стороны при поглощении и удалении их из реакторов. Из-за неравномерного нагрева и охлаждения поверхностей аппаратов (например, реакторов, конденсатора, коллектора) при нестационарных процессах в разных точках узлов холодильника или деталей его аппаратов возникают резкие мгновенные перепады давлений, что ведет к явлениям «наддува» или «разгона» пара, при этом происходит сгущение или разряжение пара внутри каналов и аппаратов, возникает дополнительная движущая сила потока газа. Такие эффекты способствуют ускорению насыщения сорбента хладагентом при абсорбции и ускорению высыхания сорбента при десорбции, что важно в малосолнечные дни при низкой солнечной активности и коротких летних ночах в северном полушарии Земли. Горизонтальное расположение реакторов в фокусной оси зеркальных концентраторов увеличивает продолжительность облучения солнцем поверхности, что способствует дополнительному подводу тепловой мощности.

Один хладопроводящий коллектор изолирован и отводит поток хладагента в конденсатор, а второй хладопроводящий коллектор-конденсатор неизолирован и поток хладагента днем тоже отводится из генератора в него. Установлены два ресивера вне охлаждаемой камеры, отделенные от U-образного испарителя терморегулирующими вентилями, реагирующими на температуру поверхности реакторов, что позволяет обеспечить хороший выход паров хладагента из нагретых реакторов днем. Пар хладагента (основная масса), не снижая температурного потенциала, из изолированного хладопроводящего коллектора поступает в конденсатор, где охлаждается и сжижается, после чего стекает в ресивер. Неизолированный хладопроводящий коллектор-конденсатор днем является элементом второго конденсатора, где часть хладагента конденсируется и накапливается во втором ресивере. Терморегулирующие вентили (при высокой температуре реактора) автоматически надежно отделяют испаритель в холодильной камере от ресиверов, накапливающих хладагент днем. При понижении температуры реактора терморегулирующие вентили открываются и жидкий хладагент стекает в испаритель. Ночью через неизолированный хладопроводящий коллектор осуществляется хороший вход паров хладагента в реакторы из испарителя. Терморегулирующие вентили (при низкой температуре реакторов) полностью открыты, основная масса хладагента подходит через неизолированный хладопроводящий коллектор.

На U-образном испарителе установлена перепускная трубка, соединяющая паровое пространство испарителя между собой и паровые пространства двух ресиверов. Это гасит избыток давления в паровом пространстве элементов испарителя (что возможно при наличии остатка хладагента в испарителе ночью и нагреве его в испарителе днем). Это позволяет жидкому хладагенту из ресиверов под действием гравитационных сил перетечь и заполнить обе части поверхности U-образного испарителя, причем одновременное открытие трех терморегулирующих вентилей при снижении температуры поверхности реакторов ночью делает этот процесс автоматическим и практически мгновенным. Осуществляется подвод хладагента в реакторы из трех точек испарителя, что снижает гидравлические сопротивления и увеличивает силы абсорбции. Большая масса хладагента проходит через неизолированный хладопроводящий коллектор, обладающий меньшим сопротивлением. Этот хладопроводящий коллектор способствует лучшему отводу теплоты абсорбции в ночное время. Часть хладагента, попав в верхние точки конденсатора, конденсируется и через изолированный хладопроводящий коллектор в виде капельной жидкости попадает в реакторы.

В реакторы генератора-абсорбера могут быть вставлены тепловые трубки с развитой теплообменной поверхностью, выведенные наружу из корпуса генератора-абсорбера (по две в каждый реактор). Принцип работы тепловой трубки таков, что днем при нагреве развитой тепловой части с нижней ориентацией каналов в ней вскипает теплоноситель, пары которого идут в противоположную сторону трубки, находящейся в средней части реакторов, нагревая капсулы с аммиакатами. Дополнительная теплота увеличивает скорость кинетики десорбции. Остывшие пары конденсируются и стекают обратно в развитую тепловую часть, обеспечивая передачу дополнительной теплоты днем в середину реакторов. Образуется внутри трубки циркуляция паров теплоносителя.

Ночью развитая тепловая часть другой трубки охлаждается быстрее генератора-абсорбера, а теплота абсорбции в реакторах нагревает часть кипящего теплоносителя, превращая его в пар, который поступает в развитую тепловую часть с верхней ориентацией каналов и конденсируется, отдавая теплоту окружающей среде, после чего жидкий хладагент стекает обратно в ректоры. Из средней части реактора дополнительно отводится теплота абсорбции, что увеличивает скорость кинетики абсорбции. Это способствует интенсификации процессов и в целом увеличивает КПД гелиоэнергетического холодильника.

На чертежах схематически изображены главный вид (фиг.1) и вид слева (фиг.2) предлагаемого гелиоэнергетического холодильника с разрезами аппаратов. На фиг.3 представлен гелиоэнергетический холодильник с тепловыми трубками в реакторах генератора-абсорбера.

Гелиоэнергетический холодильник содержит: генератор-абсорбер 1 с цилиндрическими реакторами 2, установленными горизонтально относительно поверхности Земли в оптической оси зеркальных концентраторов 3 и содержащими капсулы 4; изолированный коллектор 5; конденсатор 6; ресиверы 7 и 15; охлаждаемую камеру 8, в которой находятся: U-образный испаритель 9, имеющий перепускную трубку 10, соединяющую две стороны испарителя, и емкость для получения льда 12 (аккумулятор холода); терморегулирующий вентиль 11 на перепускной трубке 10, соединяющий ее с паровым пространством ресиверов 7 и 15; терморегулирующий вентиль 13 на входе и терморегулирующий вентиль 14 на выходе из испарителя, подсоединенные термобаллонами к поверхности реакторов 2, и неизолированный коллектор-конденсатор 16. Тепловые трубки 17 и 18 с развитой теплообменной поверхностью 19, в которой расположенные каналы нижней ориентации 20 и каналы верхней ориентации 21. В тепловые трубки заправляется легкокипящая жидкость, например эфир, не соединенная с рабочим холодильным агентом в гелиоэнергетическом холодильнике. Тепловые трубки 17 работают на каналы нижней ориентации 20, а тепловые трубки 18 соответственно на каналы верхней ориентации 21.

Гелиоэнергетический холодильник работает следующим образом. В дневное время (период регенерации) при обогреве солнцем генератора-абсорбера 1 увеличивается температура реакторов 2, где находятся капсулы 4 с аммиакатами солей. Достигнув определенной температуры нагрева поверхности реакторов (40-45°С), при которой еще не началась десорбция аммиака из соли, терморегулирующие вентили 11, 13, 14 закрываются полностью, отсекая испаритель 9 в охлаждаемой камере 8. При дальнейшем увеличении температуры реакторов 2 и прогреве капсул 4 с аммиакатами начинается процесс десорбции, при котором пары аммиака из капсул поступают через торцевые патрубки реакторов к изолированному хладопроводящему коллектору 5 и неизолированному хладопроводящему коллектору-конденсатору 16. Температура поверхности реакторов достигает 110-125°С. Через изолированный хладопроводящий коллектор 5 теплые пары отводятся в конденсатор 6, где охлаждаются до температуры насыщения (40-45°С), а затем сжижаются и накапливаются в ресивере 7. В неизолированном хладопроводящем коллекторе-конденсаторе 16 пары аммиака охлаждаются, сжижаются и накапливаются в ресивере 15. В районах с высокой солнечной активностью у неизолированного хладопроводящего коллектора-конденсатора 16 можно развить теплообменную поверхность как у элементов конденсатора. В ресиверах 7 и 15 продолжается в течение дня снижаться температура холодильного агента, которая может достигнуть 25-30°С вечером, равной температуре окружающей среды. В районах с малой солнечной активностью неизолированный хладопроводящий коллектор-конденсатор 16 можно изолировать от внешних теплопритоков. Применение второго неизолированного хладопроводящего коллектора-конденсатора 16 снижает нагрузку на основной конденсатор 6, улучшает отбор паров в ресивер 15, но тепловая поверхность его не должна превышать при воздушном охлаждении естественной конвекцией 1/5 поверхности основного конденсатора 6.

В вечернее время при прекращении солнечного излучения температура реакторов (и соли в них) снижается. Достигнув температуры 50-55°С, терморегулирующие вентили 11, 13, 14 открываются. Жидкий хладагент поступает в U-образный испаритель 9. Хладагент с температурой 30°С поступает в охлаждаемый льдом испаритель, охлаждается до 10-15°С, при этом часть соприкасаемого с поверхностью испарителя льда подтаивает, сохраняя температуру 0°С. При дальнейшем понижении температуры реакторов, а этому способствует в большей степени неизолированный хладопроводящий коллектор-конденсатор 16 и конденсатор 6, при 35-40°С начинается процесс «сухой» абсорбции - поглощение холодильного агента из испарителя солью, находящейся в реакторе. При этой температуре реакторов открываются терморегулирующие вентили 11, 13, 14. Поглощение паров из испарителя идет по трем трубкам, что обеспечивает равномерность процесса отбора паров и значительно снижает гидравлические сопротивления при абсорбции. В капсулах реактора образуются химические соединения по мере понижения температуры: ди-, тетра-, октоаммиакаты. При образовании аммиакатов выделяется теплота абсорбции, которая повышает температуру реактора в первые часы до 60-65°С, а затем эта температура постепенно понижается до температуры окружающей среды ночью. Теплота абсорбции отводится более интенсивно через неизолированный хладопроводящий коллектор-конденсатор 16. Применение перфорированной хладопроводящей трубки реактора 2 и снижение температуры конденсатора 6 и неизолированного хладопроводящего коллектора-конденсатора 16 ниже соответствующей температуры реакторов способствует дополнительному отводу теплоты и возникновению дополнительной силы абсорбции, что уменьшает время насыщения солей аммиаком.

Повышению эффективности работы реакторов генератора-абсорбера и в целом всего холодильника способствует применение тепловых трубок 17, 18, установленных в середины реакторов с развитой теплообменной поверхностью 19. В каналах нижней ориентации 20 днем теплоноситель кипит при температуре 60-70°С (например, эфир), пары которого по каналам тепловой трубки 17 подводятся в реакторы 2, где сжижаются, отдавая теплоту конденсации, и стекает обратно в каналы нижней ориентации 20. Ночью, под действием тепла абсорбции (t=50-60°C) жидкий теплоноситель кипит и через каналы тепловой трубки 18 пары отводятся в каналы верхней ориентации 21, где конденсируются, отдавая тепло окружающей среде, и стекают снова в реакторы.

Предлагаемая конструкция обеспечивает следующие преимущества:

1. На основании изучения тепломассообменных процессов при циркуляции хладагента в аппаратах конструкции установки при различных температурных перепадах определены подпоры (перепады) давления в точках конструкции многопланового уровня: при Δt=t_II-t_I=5°C, ΔP=P_II-P_I=5÷10 кПа, где t_II - температура на поверхности реактора, t_I - температура на поверхности конденсатора в ночное время, Р_II - давление в реакторе, P_I - давление в конденсаторе.

2. На основании расчета гидравлических сопротивлений в гладких трубопроводах при средней шероховатости: (сопротивление трубопровода на метр длины).

Δh - потеря напора, м;

λ - коэффициент сопротивления трения,

l - длина участка, м,

d_экв - эквивалентный диаметр канала, м,

g - ускорение свободного падения, м/с²,

ξ - коэффициент местного сопротивления,

V_ср - средняя по живому сечению скорость, м/с

3. На основании изучения перераспределение потока пара в сифонной трубке испарителя.

Формула для сифона:

где:

A-A - сечение по уровню испарителя, В-В - сечение по уровню ресивера.

z_A, z_B - геометрический напор в сечениях A-A и В-В соответственно, м;

, - пьезометрический напор в сечениях A-A и В-В соответственно, м;

, - скоростной напор в сечениях A-A и В-В соответственно, м;

V_cpA, V_cpB - средние скорости по живым сечениям A-A и В-В соответственно, м/с;

ρ - плотность хладагента, кг/м³;

α_A, α_B - коэффициент Кориолиса для соответствующих сечений A-A и В-В;

Δh - потеря напора при движении хладагента из сечения A-A в сечение В-В, м.

4. Неизолированный хладопроводящий коллектор-конденсатор, играющий роль дополнительной охлаждаемой поверхности, в районах с высокой ночной температурой применяется как дополнительный воздушный конденсатор, что дополнительно улучшает теплоту отвода из реактора. В районах с низкой температурой окружающей среды в дневное время он может изолироваться.

5. Ресивер 15 на неизолированном хладопроводящем коллекторе-конденсаторе 16 увеличивает количество хладагента в испарителе на 8-10%, как показали исследования.

6. ТРВ должны одновременно открываться в ночное и закрываться в утреннее время от температуры реактора, что позволяет автоматически заполнять испаритель за счет гравитационных сил и разности уровней и производить отсос паров хладагента.

7. Горизонтальное расположение реакторов в оптической оси зеркальных концентраторов до 20% увеличивает время их обогрева энергией солнечной радиации и повышает выход хладагента в конденсатор.

8. Тепловые трубки увеличивают эффективность работы реакторов гелиоэнергетического холодильника в целом на 12-18%.

Подобный экспериментальный гелиоэнергетический холодильник был разработан и испытан на открытом полигоне в г.Астрахани, были исследованы отдельные его элементы. Экспериментальные параметры измеренных температур приведены в таблице, которые показывают наличие эффекта охлаждения в камере.

Температуры, °Сгенераторабсорберконденсаториспарительохлаждаемая камера116,3÷119,763,2÷64,820,6÷22-12,4÷0,50,4÷4,2

В целом испытания дали положительные результаты и определили основные направления, повышающие его эффективность.

Источники информации

1. Ачилов Б.А., Мангажалов Ч. Холодильная гелиоустановка с твердым сорбентом. Холодильная техника, №2, 1990, С.5-7.

2. Мирзаев Ш.М., Узаков О.Х. Испытания адсорбционного гелиохолодильника бытового назначения. Вестник МАХ, №1, 2001, С.38-40.

Изобретение относится к холодильной технике, в частности к солнечным сорбционным холодильным установкам периодического действия для хранения, замораживания и охлаждения продуктов питания, получения льда в районах с жарким климатом. Гелиоэнергетический холодильник содержит генератор-абсорбер совмещенного типа с реакторами, воздушный конденсатор, ресивер, вынесенный из изолированного охлаждающего контура, охлаждаемую камеру с U-образным испарителем и емкостью со льдом. Реакторы, расположенные горизонтально относительно Земли на разных уровнях, имеют два ввода-вывода к хладопроводам. Один хладопроводящий коллектор-конденсатор неизолирован и снабжен дополнительным ресивером. Испаритель соединен с ресиверами терморегулирующими вентилями и имеет перепускную трубку, соединенную через терморегулирующий вентиль с паровым пространством ресиверов. В реакторах генератора-абсорбера расположены тепловые трубки, установленные в средней части реакторов, на противоположной стороне которых имеется развитая теплообменная поверхность в виде оребренных каналов, выведенная наружу из генератора-абсорбера. Техническим результатом является повышение холодопроизводительности установки. 1 з.п. ф-лы, 3 ил, 1 табл.

1. Гелиоэнергетический холодильник, содержащий генератор-абсорбер совмещенного типа с реакторами, воздушный конденсатор, ресивер, вынесенный из изолированного охлаждающего контура, охлаждаемую камеру с U-образным испарителем и емкостью со льдом, отличающийся тем, что реакторы, расположенные горизонтально относительно Земли, на разных уровнях имеют два ввода-вывода к хладопроводам, один хладопроводящий коллектор-конденсатор неизолирован и снабжен дополнительным ресивером, испаритель соединен с ресиверами терморегулирующими вентилями и имеет перепускную трубку, соединенную через терморегулирующий вентиль с паровым пространством ресиверов.2. Гелиоэнергетический холодильник по п.1, отличающийся тем, что в реакторах генератора-абсорбера расположены тепловые трубки, установленные в средней части реакторов, на противоположной стороне которых имеется развитая теплообменная поверхность в виде оребренных каналов, выведенная наружу из генератора-абсорбера.