АБСОРБЦИОННЫЙ ХОЛОДИЛЬНИК
ABSORPTION REFRIGERATOR

Изобретение относится к холодильной технике, в частности к холодильникам абсорбционного типа, и может быть использовано для охлаждения помещении и регулировки их температурного режима в солнечных жарких регионах, а также найти применение в других областях техники.
Ввиду отсутствия компрессоров, обеспечивающих принудительную и быструю циркуляцию хладагента по рабочему контуру, как это сделано в холодильниках компрессионного типа, эффективность абсорбционного холодильника невысока. Поэтому абсорбционные холодильники большой производительности являются громоздкими, что ограничивает область их применения.
Известен абсорбционный холодильник, в котором для повышения производительности, увеличивают число контуров: вводят несколько генераторов, конденсаторов, испарителей и т.д. /RU 2044966 С1/.
Недостатками этого холодильника являются громоздкость конструкции, растущая пропорционально числу контуров, и невысокая эффективность, так как она не зависит от числа контуров.
Известен абсорбционный холодильник для солнечных регионов, в котором электрическую энергию, необходимую для нагрева раствора хладагента в генераторе, получают от солнечных панелей /http://pics.livejournal.com/priroda su/pic/0016dpgg, 2009/.
Недостатками этого холодильника являются невысокая эффективность вследствие низкого кпд преобразования солнечной энергии в электрическую: ≈20% (косвенное использование солнечной энергии) и громоздкость из-за большой площади солнечных панелей.
Известна идея холодильника, непосредственно использующего солнечную энергию, в котором резервуар генератора с нагреваемом раствором хладагента расположен в фокусе параболического зеркала, обеспечивающего концентрацию солнечных лучей на резервуаре /там же/.
Недостатками этого устройства являются низкая эффективность его работы при прерывистом солнечном нагреве (облачность) вследствие быстрого охлаждения резервуара окружающим воздухом в отсутствие прямого солнечного нагрева и громоздкость устройства из-за больших размеров параболического зеркала.
Ближайшим техническим решением является абсорбционный холодильник без движущихся узлов с жидким абсорбентом, включающий генератор с источником нагрева раствора хладагента, конденсатор, испаритель, выполненный в виде замкнутого резервуара с патрубком для ввода жидкого хладагента, абсорбер, термосифон с источником нагрева и часть замкнутого трубопровода, соединяющего последовательно термосифон, генератор, конденсатор, патрубок для ввода жидкого хладагента (http://vivovoco.rsl.ru/vv/PAPERS/BIO/EINSTEIN.001/CHAPTER_6.HTM. 2009). Выходной патрубок испарителя использован для вывода газообразного хладагента, а оставшаяся часть замкнутого трубопровода соединяет последовательно этот патрубок, абсорбер и термосифон. Генератор снабжен одним источником нагрева раствора хладагента, функцию которого выполняет сетевой источник электроэнергии.
Недостатками этого устройства являются невысокая эффективность, громоздкость конструкции при его больших мощностях.
Технической задачей предложенного технического решения является создание автономного абсорбционного холодильника без движущихся узлов, способного работать в жарких странах с высокой производительностью.
Техническим результатом предложенного технического решения являются повышение эффективности и уменьшение габаритов холодильника, работающего с использованием солнечной энергии.
Кроме основного результата, предложенное техническое решение позволяет повысить надежность холодильника при временном отключении питания и работать длительное время без электрического питания в солнечных жарких регионах, даже когда ночная температура превышает температуру охлаждаемого объекта.
Технический результат достигается тем, что в известном абсорбционном холодильнике без движущихся узлов с жидким абсорбентом, включающем генератор с источником нагрева раствора хладагента, конденсатор, абсорбер, испаритель, выполненный в виде замкнутого резервуара, термосифон с источником нагрева, последовательно соединенные замкнутым трубопроводом, генератор снабжен дополнительными источниками нагрева, при этом, по крайней мере, одним из них является солнечное излучение, абсорбер сопряжен с испарителем посредством ряда распределенных по площади абсорбера и испарителя теплоизолированных трубок, через которые газообразный хладагент поступает из испарителя в абсорбер.
Кроме того, в генераторе и/или испарителе расположен, по крайней мере, один замкнутый резервуар с веществом, поглощающим тепло.
Кроме того, в холодильник введен, по крайней мере, один термический модуль Пельтье (ТМП) и, по крайней мере, один из источников нагрева хладагента в генераторе выполнен в виде горячего вывода ТМП, при этом холодный вывод ТМП производит дополнительный холод. При этом холодный вывод, по крайней мере, одного из ТМП имеет тепловой контакт с испарителем.
Кроме того, по крайней мере, один из источников нагрева термосифона выполнен в виде горячего вывода ТМП, при этом его холодный вывод производит дополнительный холод. При этом, по крайней мере, один из холодных выводов ТМП имеет тепловой контакт с испарителем.
Кроме того, температура плавления вещества в замкнутом резервуаре в испарителе ниже температуры охлаждаемого объекта, но выше рабочей температуры испарителя.
Кроме того, температура плавления вещества в замкнутом резервуаре генератора находится в диапазоне рабочих температур генератора.
Кроме того, конденсатор и отрезок трубопровода, соединяющего генератор с конденсатором, защищены от солнечных лучей экраном, а конденсатор имеет радиатор охлаждения.
Кроме того, в одном из частных случаев генератор выполнен в виде резервуара, сформированного внутренней и внешней оболочками, при этом верхние части обеих оболочек формируют замкнутую вакуумную полость, а остальное пространство между оболочками заполнено теплоизолирующим материалом, при этом внутренняя оболочка образует емкость для раствора хладагента, при этом внешняя сторона верхней части внутренней оболочки имеет высокую степень черноты в видимом и инфракрасном частях спектра и низкую - в дальней инфракрасной части спектра, на внутренней стороне верхней части внутренней оболочки установлен радиатор, снабженный массивным телом, размещенным у дна внутренней оболочки; в генераторе расположен, по крайней мере, один замкнутый резервуар с веществом, эффективно поглощающим тепло, и ультразвуковой источник.
Кроме того, по крайней мере, один из источников нагрева генератора, выполненного в виде вышеуказанной конструкции, и/или термосифона выполнен в виде горячего вывода ТМП, при этом холодный вывод ТМП производит дополнительный холод; при этом, по крайней мере, один из холодных выводов ТМП приведен в тепловой контакт с испарителем.
Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показана принципиальная блок-схема абсорбционного холодильника целиком и отдельно на фиг.2 - конструкция генератора, а на фиг.3 - конструкция испарителя с абсорбером. На фиг.4 показана блок-схема варианта холодильника, в котором нагревателем генератора является горячий вывод ТМП. На фиг.5 - вариант конструкции холодильника для охлаждения помещений.
Пример реализации устройства в первом предпочтительном частном случае выглядит следующим образом (фиг.1).
Генератор 1 выполнен в виде резервуара для нагрева раствора хладагента и имеет источник нагрева, использующий солнечное излучение 2. Конденсатор 3 выполнен в виде резервуара для конденсации газообразного хладагента, поступающего из генератора 1. Испаритель 4 выполнен в виде замкнутого резервуара большой площади поверхности с патрубком для ввода жидкого хладагента 5 из конденсатора и ряда распределенных по площади испарителя теплоизолированных трубок для вывода газообразного хладагента 6. Абсорбер 7 выполнен в виде замкнутого резервуара большой площади, связанный с испарителем трубками 6. Термосифон 8 с источником нагрева 9 выполнен в виде вертикально расположенной колонны. Трубопровод 10, предназначенный для непрерывной циркуляции хладагента, соединяет последовательно генератор 1, конденсатор 3, входной патрубок 5 испарителя 4, абсорбер 7, термосифон 8 и генератор 1 в замкнутый контур. Дополнительный трубопровод 11 соединяет генератор 1 с абсорбером 7.
Устройство работает следующим образом.
При работе источника нагрева 2 выделяемое им тепло нагревает в генераторе 1 раствор хладагента, например, водоаммиачный раствор. Выделяемый при нагреве из раствора газообразный хладагент (аммиак) по трубопроводу 10 поступает в конденсатор 3, где конденсируется. Из конденсатора 3 жидкий хладагент по трубопроводу 10 поступает через вводной патрубок 5 в испаритель 4, где испаряется, выделяя холод (поглощая тепло), и понижает температуру испарителя. Пары хладагента по трубкам 6 поступают в абсорбер 7, где поглощаются слабым раствором хладагента, делая его насыщенным. Насыщенный раствор хладагента из абсорбера 7 по трубопроводу 10 с помощью термосифона 8 подается в генератор 1. Для сохранения баланса объема раствора в генераторе и ванне слабый раствор хладагента из генератора 1 по трубопроводу 11 возвращается в абсорбер 7. Кроме источника нагрева, использующего солнечное излучение, может быть использован любой известный источник энергии.
Генератор 1 с источником нагрева 2, непосредственно использующий солнечное излучение фиг.2, выполнен в виде резервуара 12, сформированного внутренней оболочкой 13, выполненной из теплопроводящего материала, например металла, алюминия. Внешняя оболочка состоит из двух частей: прозрачной для солнечных лучей части 14, например стекла, и формоустойчивой части 15, например, из металла. Оболочка 14 вместе с ближайшей частью внутренней оболочкой формируют сплошную вакуумную полость 16. Остальной пространство 17 между внешней и внутренней оболочкой заполнено теплоизолирующим материалом, например пробковой крошкой. Резервуар 12 имеет патрубок 18 для ввода концентрированного раствора хладагента и патрубки 19 и 20 для вывода газообразного хладагента и слабо концентрированного раствора соответственно.
Генератор работает следующим образом.
Его заполняют раствором хладагента и устанавливают так, чтобы полость 16 была ориентирована на Солнце. Солнечные лучи свободно проходят сквозь вакуумную полость 16 и хорошо поглощаются принадлежащей ей внутренней частью оболочки, которая передает тепло раствору хладагента. Конструкция позволяет минимизировать потери тепла и сохраняет температуру, поскольку процесс остывания сильно замедлен. Во-первых, сквозь теплоизолирующий материал тепло плохо передается от жидкости к внешней оболочке. Во-вторых, отвод тепла сквозь вакуумную полость 16 происходит излучением, а вследствие низкой температуры раствора хладагента, не более 200°С, и малой степени черноты ε≈0.01 внешней стороны внутренней оболочки, принадлежащей полости, минимален.
Испаритель 4 с абсорбером 7 показаны на фиг.3.
Испаритель работает следующим образом. Поступающий из конденсатора через вводной патрубок 5 в испаритель жидкий хладагент испаряется, поглощая тепло. По теплоизолированным трубкам 6 газообразный хладагент поступает из испарителя 4 в абсорбер 7. Слабо концентрированный раствор хладагента поступает из генератора 1 в абсорбер 7, где поглощает газообразный хладагент, пришедший из испарителя 4. Использование ряда трубок 6 не накладывает ограничений на пространственное расположение испарителя и абсорбера относительно друг друга, например, абсорбер может быть расположен выше испарителя, что невозможно в прототипе и известных схемах абсорбционных холодильников. Кроме того, испаритель и абсорбер могут располагаться на значительном расстоянии друг от друга, использование большого количества трубок 6 сохраняет высокую скорость прокачки газообразного хладагента из испарителя в абсорбер.
Эффективность устройства повышается, так как уменьшается расход электроэнергии вследствие непосредственного использования солнечного излучения и уменьшения тепловых потерь.
Габариты устройства по сравнению с прототипом уменьшаются вследствие больших возможностей пространственного взаиморасположения абсорбера и испарителя относительно друг друга.
Для уменьшения тепловых потерь в генераторе за счет излучения нагреваемого тела часть внутренней оболочки, принадлежащая полости 15, покрыта материалом с высокой степенью черноты в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне спектра и низкой в диапазоне больших длин волн, например, выше 5 мкм.
Для более эффективного нагрева жидкости в резервуаре часть внутренней оболочки, принадлежащей полости 16 и обращенной внутрь резервуара, выполнена в виде радиатора 21, при этом для более эффективного нагрева жидкости радиатор 21 снабжен массивным телом 22, располагающимся у дна резервуара, что формирует в ней конвекционные потоки.
В качестве дополнительного источника нагрева 2 генератора 1 для повышения эффективности устройства при недостаточном солнечном излучении используют горячий вывод 23 термического модуля Пельтье (ТМП) 24, например Frost-73, при этом его холодный вывод 25 вырабатывает дополнительный холод, который можно непосредственно использовать для дополнительного охлаждения объекта 26, разместив этот вывод внутри него, или для охлаждения испарителя 4, приведя с ним в тепловой контакт вывод 25, фиг.4.
Повышение эффективности устройства можно обосновать следующим образом.
Эффективность охлаждения определяется через холодильный коэффициент r, равный отношению вырабатываемого «холода» q(Вт) к затрачиваемой электрической мощности w(Вт), r=q/w /http://www.kryotherm.ru 09.07.2009/.
Рассчитаем холодильный коэффициент предложенного устройства и сравним его с холодильным коэффициентом прототипа.
1
1
1
1
2
Пусть ТМП 24 потребляет электрическую мощность w и вырабатывает холод q. Тогда горячий вывод 23 ТМП выделяет тепло мощностью q+w, которое идет на нагрев генератора 1, заменяя электрическую мощность его собственного нагревателя 2, если бы был таковой. Получив это тепло, генератор 1, конденсатор 3, испаритель 4, работая в режиме абсорбционного холодильника, вырабатывают холод q. Холодильный коэффициент предложенного устройства равен
y
1
2
1
r=(q+q)/w.
2
Холодильный коэффициент абсорбционного холодильника с тем же произведенным холодом q был бы равен
A
2
1
1
r=q/(w+q).
y
Сравнение холодильных коэффициентов показывает, что он всегда больше у предложенного устройства r.
1
1
2
Кроме того, при той же потребляемой электрической мощности w вырабатываемый в устройстве холод возрастает до q+q. Следовательно, производительность устройства увеличивается.
Для повышения эффективности устройства в качестве источника нагрева 9 термосифона 8 используют горячий вывод ТМП, а его холодный вывод вырабатывает дополнительный холод, который можно непосредственно использовать для дополнительного охлаждения объекта 26 или для охлаждения испарителя 4.
Схема включения ТМП и доказательство эффективности его использования аналогично приведенному выше доказательству использования ТМП применительно к генератору.
Для повышения надежности устройства при временном отключении питания и для его работы длительное время без электрического питания в солнечных, жарких регионах, когда ночная температура превышает температуру охлаждаемого объекта, в испаритель введен замкнутый резервуар 27 с веществом, эффективно поглощающим тепло (фиг.3). Например, вещество с большой энергией плавления и температурой плавления ниже температуры охлаждаемого объекта, но выше рабочей температуры испарителя.
В обычном режиме работы холодильника вещество, затвердевая, будет выделять тепло, которое компенсируется работой холодильника. При временном отключении питания холодильника процесс пойдет в обратном направлении: затвердевшее вещество начнет плавиться, эффективно поглощая тепло и поддерживая температуру постоянной. Время работы холодильника в таком режиме определяется массой вещества и, если она достаточна, то это позволит поддерживать низкую температуру объекта длительное время.
Для повышения надежности устройства при временном отключении питания и для его работы длительное время без электрического питания в солнечных жарких регионах, когда ночная температура превышает температуру охлаждаемого объекта, в генератор введен замкнутый резервуар 28 с веществом, эффективно поглощающим тепло (фиг.2). Например, вещество с большой энергией плавления и температурой плавления приблизительно равной рабочей температуре генератора.
В обычном режиме работы холодильника вещество, плавясь, будет аккумулировать тепло, которое компенсируется работой нагревателя генератора. При временном отключении питания холодильника процесс пойдет в обратном направлении: расплавленное вещество начнет затвердевать, эффективно выделяя тепло и поддерживая температуру постоянной. Время работы холодильника в таком режиме определяется массой вещества и, если она достаточна, то это позволит поддерживать низкую температуру объекта длительное время.
Повышение надежности устройства при отключении источника питания происходит вследствие поглощения/выделения тепла веществом в резервуаре ванны/генератора, т.е. холодильник и в этом режиме сохраняет свои функции.
Такой холодильник особенно эффективен при работе в пустынях, когда источником нагрева генератора является солнечные лучи. В ночное время, если температура окружающей среды выше рабочей температуры объекта, то запасенный в веществе холод позволит охлаждать объект.
Вариант конструкции устройства для охлаждения помещений в солнечных пустынных регионах показан на фиг.5.
Генератор 1, использующий солнечное излучение в качестве источника нагрева 2, вместе с конденсатором 3 с радиатором охлаждения 29, абсорбером 7 и частью термосифона 8 расположены вне помещения, например на его крыше. Для повышения эффективности работы устройства конденсатор 3 с радиатором охлаждения 29 и подходящий к нему от генератора 1 трубопровод 10 и абсорбер 7 защищены от прямых солнечных лучей специальным отражающим экраном 30. Для повышения эффективности устройства термосифон 8 и часть трубопровода 10, соединяющая его с генератором 1, приведены в тепловой контакт с трубопроводом 11, по которому слабый, но горячий раствор хладагента возвращается в абсорбер 7. В испарителе 4 размещены резервуары 27 с веществом, эффективно поглощающим тепло. Аналогичные резервуары 28 с веществом, эффективно поглощающим тепло, размещены в генераторе 1. Для формирования конвективных потоков в помещении 26 испаритель 4 выполнен с отверстиями 32, что позволяет снимать тепло с его верхней и нижней стороны, и расположен внутри помещения, у его потолка. В предложенном устройстве холод непосредственно передается от стенок испарителя в окружающее его пространство - к охлаждаемому объекту, поэтому устройство может эффективно охлаждать помещения.
Для интенсификации выделения газообразного хладагента из его раствора в генератор введен ультразвуковой источник 31 (фиг.2).
Устройство работает следующим образом.
Днем, используя солнечное излучение, устройство функционирует как абсорбционный холодильник, работа которого целиком и его узлов описана выше, фиг.1-3. Кроме охлаждения помещения 26 холодильник днем накапливает холод/тепло, аккумулируя их в резервуарах 27/28. Ночью они заставляют работать холодильник по схемам, описанным выше.
Таким образом, предлагаемая конструкция холодильника обеспечивает достижение заявленного технического результата во всех вариантах исполнения.