Абсорбционная холодильная установка и способ охлаждения объектов в автономном режиме в регионах с жарким климатом Российский патент 2023 года по МПК F25B17/02 F24S23/74 

Изобретение относится к способам и устройствам охлаждения, а именно к абсорбционным холодильным установкам, работающим в периодическом режиме, и может быть использовано в сельском хозяйстве для охлаждения в автономном режиме помещений и объектов в регионах с жарким климатом.

По статистическим данным Международного института холода в Париже, количество электроэнергии, потребляющееся для процессов кондиционирования и охлаждения воздуха, составляют около 15% всеобщего потенциала электроэнергии, производимой в мире. И в то же время, использование электроэнергии системами кондиционирования воздуха оценивается примерно в 45% от всего потребления в коммерческих и жилых сооружениях [N. Kalkan, E.A. Young, A. Celiktas, “Solar thermal air conditioning technology reducing the footprint of solar thermal air conditioning,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 16, pp. 6352-6383, 2012]. На сегодняшний день в регионах с жарким климатом существуют сельские территории, неподключенные к сети электроснабжения из-за экономических факторов или топографических особенностей местности. Применение автономных холодильных установок на основе солнечной энергии является решением большинства проблем, связанных с вырабатыванием холода на территориях, где нет возможности стабильного подключения установок к электроэнергии или же электричество отсутствует.

Известен способ повышения КПД абсорбционно-диффузионного холодильного агрегата путем пропускания водоаммиачного пара через канал с внезапным расширением перед входом в конденсатор, снижая при этом удельную тепловую нагрузку на водоаммиачный пар (патент RU №2269076C2, МПК F25B 15/10, опубл. 27.01.2006).

Недостатками известного способа являются использование электроэнергии в роли основного источника теплоты и необходимость выравнивания давления в системе с помощью водорода.

Известен абсорбционный гелиохолодильник с повышенной точностью ориентации концентратора на солнце и поддержания постоянной температуры в холодильном шкафу (патент RU №2036395C1, МПК F25B 27/00, опубл. 27.05.1995). Устройство содержит параболоцилиндрический концентратор солнечной энергии, установленный на опорно-поворотном устройстве и снабженный механизмом слежения за солнцем, абсорбционно-диффузионный холодильный агрегат, имеющий аккумулятор тепла и термосифон, дефлегматор, конденсатор, испаритель, газовый теплообменник, абсорбер и теплообменник-регенератор, и тепловую трубу, испарительная зона которой размещена вдоль фокальной линии концентратора, а ее конденсационная зона - в жаровой трубе.

Недостатками известного изобретения являются использование газового теплообменника, сложность, низкая эффективность работы в регионах с жарким климатом и повышенной инсоляцией из-за отсутствия возможности прекращения прихода солнечной энергии на поверхность концентратора во время эксплуатации.

Известна система кондиционирования на базе абсорбционной холодильной машины с подключением теплонасосной установки и солнечных коллекторов для повышения надежности и экономичности. Известное изобретение содержит блок абсорбера, генератор, регенеративный теплообменник, теплонасосную установку, солнечный нагреватель, градирню и аккумулирующий бак (патент RU №2784256C1, МПК F25B 15/06, 2022).За счёт подвода теплоты от теплоносителя теплонасосной установки и солнечных коллекторов осуществляют процесс кипения раствора хладагента и испарения воды в блоке объединенного теплообменного аппарата. Упаренный раствор из объединенного теплообменного аппарата направляют в межтрубное пространство первого регенеративного теплообменника, где охлаждают слабым раствором и далее отводят на орошение абсорбера. Образующийся в объединенном теплообменном аппарате водяной пар направляют в конденсатор, где конденсируется на внешней поверхности теплообменных труб. Конденсат пара отводят в объединенный теплообменный аппарат, а далее в испаритель, где хладагент испаряется и поглощает тепло из окружающей среды. Водяные пары из испарителя направляют в межтрубное пространство абсорбера, где абсорбируются концентрированным водным раствором, стекающим в виде пленки по поверхностям труб. Слабый раствор, образованный поглощением паров хладагента крепким раствором, из абсорбера насосом подают в трубное пространство первого регенеративного теплообменника, а после в межтрубное пространство объединенного теплообменного аппарата.

Недостатками известного изобретения являются сложность, низкая эффективность охлаждения генератора в регионах с жарким климатов и повышенной инсоляцией из-за нахождения генератора под солнечным излучением, низкая скорость отвода тепла от абсорбера, потребление электроэнергии, а также возможные потери теплоты в аккумулирующем баке.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ охлаждения автономным абсорбционным холодильником без движущихся узлов с жидким абсорбентом, содержащий генератор с источником нагрева раствора хладагента, конденсатор, абсорбер, испаритель, термосифон с источником нагрева, последовательно соединенные замкнутым трубопроводом (патент RU №2443948, МПК F25B 15/00, F25B 29/00, 2012). При этом абсорбер сопряжен с испарителем посредством ряда распределенных по площади абсорбера и испарителя теплоизолированных трубок. Используя солнечное излучение, нагревают раствор хладагента в генераторе. Выделяемый при нагреве из раствора газообразный хладагент по трубопроводу направляют в конденсатор, где хладагент конденсируется. Из конденсатора жидкий хладагент по трубопроводу отводят через вводный патрубок в испаритель, где хладагент испаряется, поглощая тепло, и понижает температуру испарителя. Пары хладагента по трубкам направляют в абсорбер, где они поглощаются слабым раствором хладагента. Насыщенный раствор хладагента из абсорбера по трубопроводу с помощью термосифона подают в генератор. Для сохранения баланса объема раствора в генераторе и ванне слабый раствор хладагента из генератора по трубопроводу возвращают в абсорбер.

Недостатками известного изобретения являются снижение эффективности охлаждения генератора в режиме разрядки абсорбционной холодильной установки вследствие солнечного излучения на поверхность генератора в регионах с жарким климатом и повышенной инсоляцией, низкая скорость отвода тепла от абсорбера.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является абсорбционная холодильная установка (патент US №1740737, МПК F25B 17/02, 1929). Известное изобретение содержит генератор-абсорбер, конденсатор-испаритель, трубопровод, подставку для крепления установки. Генератор-абсорбер нагревают с помощью газового нагревателя, концентрированный раствор аммиака в генераторе-абсорбере начинает кипеть с образованием паров аммиака. После полного выпаривания аммиака из аммиачного раствора в генераторе-абсорбере отключают газовый нагреватель, температура оставшегося в генераторе-абсорбере слабого раствора аммиака постепенно снижается. После остывания слабого раствора аммиака за счёт поглощения остаточных паров аммиака, находящихся в трубном пространстве, понижают давление в генераторе-абсорбере, что приводит испарению хладагента в конденсаторе-испарителе. Пары аммиака из конденсатора-испарителя под действием разности давлений направляют в генератор-абсорбер, где происходит абсорбция паров хладагента.

Недостатками известного изобретения являются дополнительные затраты на нагрев генератора-абсорбера газовым нагревателем, низкая скорость отвода тепла от генератора-испарителя в условиях жаркого климата и повышенной инсоляции, низкая эффективность охлаждения конденсатора-испарителя при необходимости охлаждения объектов, находящихся под прямым солнечным излучением.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности абсорбционной холодильной установки для автономной работы в регионах с жарким климатом ускоренным отводом тепловой энергии с генератора-абсорбера в режиме разрядки абсорбционного холодильника.

В результате применения предлагаемого способа появляется возможность ускоренного отвода тепла с генератора-абсорбера в режиме разрядки автономного абсорбционного холодильника без дополнительных затрат за счёт создания теневой области на поверхности генератора-абсорбера и искусственного воздушного потока, направленного на поверхность генератора-абсорбера для усиления процесса отвода тепла с поверхности генератора-абсорбера для более эффективной конденсации паров хладагента на конденсаторе-испарителе.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что предлагаемый способ охлаждения объектов в автономном режиме в регионах с жарким климатом, включающий нагрев раствора хладагента в генераторе с использованием гелиоконцентратора, понижение температуры конденсатора, конденсацию и испарение хладагента, направление паров хладагента в абсорбер и поглощение паров хладагента слабым раствором хладагента, согласно изобретению, создают теневую область на поверхности конденсатора-испарителя с помощью параболоцилиндрического отражателя, после полного испарения паров хладагента, приостанавливают нагрев генератора-абсорбера, гелиоконцентраторы поворачивают вокруг вертикальной оси трубопровода на 180 градусов в сторону, противоположную прямому солнечному излучению, образуя теневую область на поверхности генератора-абсорбера, формируют вентиляторами, работающими от солнечных панелей, искусственный воздушный поток, направляют его на поверхность генератора-абсорбера и усиливают процесс отвода тепла с его поверхности, после полного поглощения паров аммиака слабым раствором в генераторе-абсорбере гелиоконцентраторы возвращают в исходное положение для повторного нагрева хладагента.

Вышеуказанный технический результат достигается также тем, что предлагаемая абсорбционная холодильная установка для работы автономном режиме в регионах с жарким климатом, содержащая генератор-абсорбер, конденсатор-испаритель, трубопровод и подставку для крепления установки, согласно изобретению, снабжена вогнутым параболоцилиндрическим отражателем, жестко закрепленным на трубопроводе над конденсатором-испарителем, вогнутыми параболоцилиндрическими гелиоконцентраторами, установленными на трубопроводе с возможностью разворота вокруг его вертикальной оси на 180 градусов, при этом один из параболоцилиндрических гелиоконцентраторов размещен над генератором-абсорбером, другой, огибая его с боковой стороны и днища, вентиляторами, вмонтированными в параболоцилиндрические гелиоконцентраторы с внутренней стороны, и солнечными панелями, встроенными в параболоцилиндрические гелиоконцентраторы с внешней стороны.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, на котором представлена общая схема абсорбционной холодильной установки и способа охлаждения объектов в автономном режиме в регионах с жарким климатом.

Абсорбционная холодильная установка содержит генератор-абсорбер 1, вогнутые параболоцилиндрические гелиоконцентраторы 2, элементы крепления 3, трубопровод 4, соединяющий конденсатор-испаритель 5 и генератор-абсорбер 1, манометры 6, установленные на трубопроводе 4 и конденсаторе-испарителе 5, вогнутый параболоцилиндрический отражатель 7 для создания теневой области на поверхности конденсатора-испарителя 5, поворотные устройства 8, вентиляторы 9, солнечные панели 10, подставку 11 для размещения и перемещения установки. Гелиоконцентраторы 2 закреплены на трубопроводе 4 при помощи элементов крепления 3 и поворотных устройств 8 с возможностью разворота вокруг вертикальной оси трубопровода 4 на 180 градусов в сторону, противоположную прямому солнечному излучению, создавая теневую область на поверхности генератора-абсорбера 1. При этом один из гелиоконцентраторов размещен над генератором-абсорбером, другой, огибая его с боковой стороны и днища. Параболоцилиндрический отражатель 7 закреплен на трубопроводе 4 над конденсатором-испарителем 5 при помощи элемента крепления 3. Вентиляторы 9 вмонтированы в гелиоконцентраторы 2 с внутренней стороны. Солнечные панели 10 встроены в гелиоконцентраторы 2 с внешней стороны так, чтобы они могли принять солнечное излучение и вырабатывать энергию для работы встроенных в гелиоконцентраторы 2 вентиляторов 9. Устройство размещено на подставке 11.

Способ охлаждения объектов в автономном режиме в регионах с жарким климатом осуществляют следующим образом.

Фокусируют солнечные лучи на поверхности генератора-абсорбера 1 гелиоконцентраторами 2, закрепленными с помощью элементов крепления 3 на трубопроводе 4. При этом гелиоконцентраторы 2 ориентируют на солнце путём ручного поворота. Фокусирование солнечных лучей на поверхность генератора-абсорбера 1 приводит к нагреву концентрированного раствора хладагента, находящегося в нем, до 90°С и выпариванию хладагента с образованием аммиачного пара с незначительной примесью воды и к повышению давления в генераторе-абсорбере 1. Из-за разности давлений пары хладагента по мере образования постепенно поступают из генератора-абсорбера 1 в конденсатор-испаритель 5. Давление в трубопроводе 4 и конденсаторе-испарителе 5 отслеживают манометрами 6. Причем во время нагрева генератора-абсорбера 1 одновременно охлаждают конденсатор-испаритель 5 помещением в емкость с водой и затенением конденсатора - испарителя 5 параболоцилиндрическим отражателем 7. Данный процесс способствует снижению температуры в конденсаторе-испарителе 5 вследствие блокирования попадания солнечных лучей на поверхность конденсатора-испарителя 5 и отвода тепловой энергии с его объема в емкость с водой. Снижение температуры в конденсаторе-испарителе 5 приводит к конденсации поступающих в него паров хладагента. После того, как хладагент полностью выкипит из концентрированного раствора в генераторе-абсорбере 1 и конденсируется в конденсаторе-испарителе 5, конденсатор-испаритель 5 вынимают из емкости с водой и приостанавливают нагрев генератора-абсорбера 1. Для этого генератор-абсорбер 1 закрывают от солнечного излучения, образуя теневую область на его поверхности, путём разворота на 180 градусов гелиоконцентраторов 2 вокруг вертикальной оси трубопровода 4 с помощью поворотных устройств 8. Вентиляторами 9 с питанием от солнечных панелей 10 создают искусственный воздушный поток, направленный на поверхность генератора-абсорбера 1, что усиливает процесс отвода тепловой энергии с поверхности генератора-абсорбера 1. Слабый раствор в генераторе-абсорбере 1 поглощает остаточные пары хладагента, уменьшая давление в генераторе-абсорбере 1, за счёт чего понижается температура кипения хладагента в конденсаторе-испарителе 5 до температуры окружающей среды. Понижение температуры кипения хладагента конденсаторе-испарителе 5 приводит к кипению и испарению хладагента. При этом хладагент поглощает тепловую энергию окружающей среды и происходит процесс ее охлаждения. Пары хладагента из конденсатора-испарителя 5 под действием разности давлений направляются в генератор-абсорбер 1, где происходит абсорбция паров хладагента слабым раствором. После полного поглощения паров аммиака слабым раствором в генераторе-абсорбере 1 процесс выработки холода в конденсаторе-испарителе 5 прекращается. Для осуществления дальнейшей выработки холода гелиоконцентраторы 2 возвращают в исходное положение для фокусирования солнечных лучей на поверхности генератора-абсорбера 1 и повышают температуру в генераторе-абсорбере 1. Процесс повторяется.

Пример. Автономная работа установки в регионах с жарким климатом.

В ясный солнечный день при температуре окружающей среды 37°С с помощью параболоцилиндрических гелиоконцентраторов 2 фокусируют солнечные лучи на поверхности генератора-абсорбера 1, что приводит к его нагреву до температуры 90°С и выпариванию хладагента, например, аммиака, с образованием аммиачного пара с незначительной примесью воды за 1 - 1,5 часа, что приводит к повышению давления в генераторе-абсорбере 1 и конденсаторе-испарителе 5 до 1,1-1,5 МПа. Во время нагрева генератора-абсорбера 1 одновременно охлаждают конденсатор-испаритель 5, поместив его в емкость с водой, температура которой, например, составляет 24°С. Создают теневую область параболоцилиндрическим отражателем 7. Данный процесс способствует снижению температуры в конденсаторе-испарителе 5 до 25°С ÷ 30°С. Образующийся пар с высоким содержанием аммиака (концентрация аммиака составляет 0,980-0,995 кг/кг) под действием разности давлений в генераторе-абсорбере 1 и конденсаторе-испарителе 5 направляется в конденсатор-испаритель 5, где пары аммиака конденсируются. После того, как аммиак полностью выкипит из аммиачного раствора в генераторе-абсорбере 1 и займет около 50% объема конденсатора-испарителя 5, его вынимают из емкости с водой, приостанавливают нагрев генератора-абсорбера 1, затеняют поверхность генератора-абсорбера 1 от солнечного излучения и охлаждают воздушным потоком от вентилятора 9. Встроенные в параболоцилиндрические гелиоконцентраторы 2 солнечные панели 10 мощностью 50 Вт располагают так, чтобы они могли принять солнечное излучение и вырабатывать энергию для вентиляторов 9 мощностью 30 Вт. Когда солнечными панелями 10 выработают 30 Вт*ч энергии, встроенные вентиляторы 9 срабатывают и создают искусственный воздушный поток, направленный на поверхность генератора-абсорбера 1, что в 1,5 - 2 раза усиливает процесс отвода тепловой энергии с его поверхности. После понижения температуры в генераторе-абсорбере 1 до 25°С ÷ 30°С постепенно снижают в нем давление до 0,2 ÷ 0,3 МПа. Данный процесс осуществляют за счёт поглощения слабым раствором аммиака, оставшимся в генераторе-абсорбере 1 паров хладагента, находящихся в трубопроводе 4 и на поверхности аммиачного раствора в генераторе-абсорбере 1. За счёт понижения давления в генераторе-адсорбере 1 понижается температура кипения хладагента в конденсаторе-испарителе 5, что приводит к испарению хладагента и выработке холода в конденсаторе-испарителе 5. Окружающая среда при этом охлаждается до 3-5°С. Пары хладагента из конденсатора-испарителя 5 под действием разности давлений направляются в генератор-абсорбер 1, где происходит абсорбция паров хладагента слабым раствором. После полного поглощения паров аммиака в генераторе-абсорбере 1 прекращается процесс выработки холода в конденсаторе-испарителе 5. Для осуществления дальнейшей выработки холода гелиоконцентраторы 2 возвращают в исходное положение для фокусирования солнечных лучей на поверхности генератора-абсорбера 1 и повышают температуру в генераторе-абсорбере 1.

Использование способа позволит ускорить отвод тепла с генератора-абсорбера в режиме разрядки 1,5 - 2 раза, что повысит эффективность абсорбционной холодильной установки при автономной работе в регионах с жарким климатом и высоким показателем инсоляции.

Изобретение относится к способам и устройствам охлаждения и может быть использовано для охлаждения в автономном режиме сельскохозяйственных помещений и объектов в регионах с жарким климатом. Абсорбционная холодильная установка содержит генератор-абсорбер, конденсатор-испаритель, трубопровод и подставку. Установка дополнительно снабжена вогнутым параболоцилиндрическим отражателем, жестко закрепленным на трубопроводе над конденсатором-испарителем, вогнутыми параболоцилиндрическими гелиоконцентраторами, установленными на трубопроводе с возможностью разворота вокруг его вертикальной оси на 180 градусов, вентиляторами, вмонтированными в параболоцилиндрические гелиоконцентраторы с внутренней стороны, и солнечными панелями, встроенными в параболоцилиндрические гелиоконцентраторы с внешней стороны. Один из параболоцилиндрических гелиоконцентраторов размещен над генератором-абсорбером, другой - огибая его с боковой стороны и днища. Использование способа позволит ускорить отвод тепла с генератора-абсорбера в режиме разрядки 1,5-2 раза, что повысит эффективность абсорбционной холодильной установки при автономной работе в регионах с жарким климатом и высоким показателем инсоляции. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ охлаждения объектов в автономном режиме в регионах с жарким климатом, заключающийся в том, что нагревают раствор хладагента в генераторе с использованием гелиоконцентратора, понижают температуру конденсатора, конденсируют и испаряют хладагент, направляют пары хладагента в абсорбер и поглощают пары хладагента слабым раствором хладагента, отличающийся тем, что создают теневую область на поверхности конденсатора-испарителя с помощью параболоцилиндрического отражателя, после полного испарения паров хладагента приостанавливают нагрев генератора-абсорбера, гелиоконцентраторы поворачивают вокруг вертикальной оси трубопровода на 180 градусов в сторону, противоположную прямому солнечному излучению, образуя теневую область на поверхности генератора-абсорбера, формируют вентиляторами, работающими от солнечных панелей, искусственный воздушный поток, направляют его на поверхность генератора-абсорбера и усиливают процесс отвода тепла с его поверхности, после полного поглощения паров аммиака слабым раствором в генераторе-абсорбере гелиоконцентраторы возвращают в исходное положение для повторного нагрева хладагента.

2. Абсорбционная холодильная установка для работы в автономном режиме в регионах с жарким климатом, содержащая генератор-абсорбер, конденсатор-испаритель, трубопровод и подставку для крепления установки, отличающаяся тем, что снабжена вогнутым параболоцилиндрическим отражателем, жестко закрепленным на трубопроводе над конденсатором-испарителем, вогнутыми параболоцилиндрическими гелиоконцентраторами, установленными на трубопроводе с возможностью разворота вокруг его вертикальной оси на 180 градусов, при этом один из параболоцилиндрических гелиоконцентраторов размещен над генератором-абсорбером, другой - огибая его с боковой стороны и днища, вентиляторами, вмонтированными в параболоцилиндрические гелиоконцентраторы с внутренней стороны, и солнечными панелями, встроенными в параболоцилиндрические гелиоконцентраторы с внешней стороны.