АБСОРБЦИОННАЯ ХОЛОДИЛЬНАЯ МАШИНА
ABSORPTION REFRIGERATING MACHINE

Изобретение относится к холодильной технике, а именно к абсорбционно-эжекторным холодильным установкам. Использование абсорбционной холодильной машины предполагается в энергетике, нефтехимии, при нефтепереработке и других областях науки и техники, где имеются низкопотенциальные источники тепла, и имеется потребность в получении холода.
Известна абсорбционная холодильная машина системы "Platen-Mun-ters" (см. пат. №2224189, з. 03.09.1999 г., МПК F25B 15/10), содержащая генератор для испарения растворенного в растворителе хладагента, сепаратор растворителя, в котором происходит отделение растворителя от хладагента, конденсатор для сжижения хладагента, испаритель, в котором хладагент испаряют посредством сухого газа и с охлаждением, при необходимости первый газовый теплообменник и абсорбер, в котором в обедненную смесь из хладагента и растворителя вводят испаренный хладагент, и эту смесь в генераторе повторно испаряют, выход испарителя или выход расположенного, при необходимости, за испарителем первого газового теплообменника и выход генератора впадают в ведущий в абсорбер байпас, причем идущую от испарителя через первый газовый теплообменник смесь из испаренного хладагента и сухого газа направляют к выходу генератора и через байпас, где газовая смесь вступает в контакт с горячим, частично выгазованным, идущим от генератора раствором и отбирает у него дальнейший хладагент.
Недостаток известной абсорбционная холодильная машина заключается в наличии конденсатора, отводящего тепло конденсации хладагента непосредственно в атмосферу, что снижает тепловой коэффициент холодильного цикла. Кроме того, установка применима для малых мощностей, для охлаждения бытовых объектов. Возможны пульсации в работе - система не стабильна и зависит от режима образования паров хладагента в условиях изменения мощности теплового потока, давления, температур и других параметров фазового равновесия, что также отрицательно влияет на эффективность работы абсорбционной холодильной машины.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому объекту является абсорбционная холодильная машина с мультиступенчатым эжектором (см. пат №2460020, з. 05.10.2010, МПК F25B 15/02), содержащая замкнутый циркуляционный контур, в котором последовательно установлены генератор, эжектор с приемной камерой, абсорбер, выполненный в виде струйного аппарата, конденсатор, дроссель, испаритель, насос, теплообменник, эжектор и струйный абсорбер выполнены в виде мультиступенчатого эжектора, корпус которого покрыт кожухом с образованием полости, являющейся рубашкой охлаждения, причем мультиступенчатый эжектор состоит из последовательно размещенных по ходу пара и соединенных между собой n ступеней, каждая из которых содержит приемную камеру, сопло и диффузор, при этом приемная камера и сопло I-й ступени соединены трубопроводами с испарителем и генератором соответственно, генератор, в свою очередь, соединен с теплообменником и насосом, приемные камеры II-й и последующих ступеней соединены с диффузорами предыдущих ступеней, внутри их устроены направляющие лопатки, теплообменник и сопла II-й и последующих ступеней соединены с нагнетательным патрубком насоса параллельно, кожух примыкает к корпусу конденсатора и снабжен входным патрубком, рубашка охлаждения и диффузор последней ступени соединены с конденсатором через отверстия в стенке его корпуса и крышке соответственно.
В представленном цикле термостатирование возможно на более высоких температурных уровнях охлаждения, чем при выделении паров, выступающих в роли хладагента, охлаждается крепкий раствор без предварительного отделения хладагента. Производительность насоса весьма избыточна и при этом не реализуется тепло горячего слабого раствора. Дросселируя крепкий раствор происходит снижение температуры до уровня концентрированного хладагента невозможно из-за ограничений, обусловленных условиями фазового равновесия абсорбента (высококипящий элемент в смеси).
Не предусмотрено углубление отбора тепла от источника (в рассматриваемом случае пара и его конденсата). Рекуперация осуществляет отбор тепла от охлаждающего потока. Температурная схема цикла, возможно, не рациональная и приводит к передаче тепла после генератора непосредственно к теплоприемнику и от него опять - к крепкому раствору. Все затраты энергии сводятся к снижению давления в испарителе после дросселирования крепкого раствора, снижение температуры которого ограничено пониженной концентрацией хладагента.
Что в результате приводит к снижению эффективности функционирования всей абсорбционной холодильной машины.
Задача заявляемого изобретения состоит в разработке высокоэффективной абсорбционной холодильной машины (АХМ) с высоким тепловым коэффициентом (отношение холодопроизводительности к подведенному теплу) холодильного цикла, вплоть до единицы, за счет достижения возможности преобразования принятого тепла низкотемпературного источника (НТИ) и низкопотенциального высокотемпературного источника (ВТИ) в работу сжатия хладагента в эжекторе. (Возможность достижения максимального теплового коэффициента ограничивается лишь КПД трансформатора тепла в работу сжатия.)
Поставленная задача решается за счет того, что в абсорбционной холодильной машине, содержащей замкнутый циркуляционный контур, в котором установлены генератор, эжектор, абсорбер, конденсатор, дроссель, испаритель, насос, теплообменник, дополнительно введены десорбер без дефлегматора, генератор выполнен термосифонным высокой кратности циркуляции, а эжектор установлен между десорбером и абсорбером.
Использование десорбера приводит к повышению концентрации хладагента за счет протекания массообменных процессов в нем и в термосифонном генераторе высокой кратности циркуляции. Повышение концентрации хладагента снижает температуру термостатирования при фиксированном давлении, что расширяет диапазон реализации холода.
ВТИ
НТИ
абс.
конд.
Использование десорбера без дефлегматора упрощает конструкцию установки и исключает выброс тепловой энергии до эжектора, повышая при этом тепловой коэффициент согласно формуле: Q+Q=Q, в которой исключен показатель Q
Повышение теплового коэффициента говорит об увеличении эффективности установки.
Использование эжектора на линии циркуляции абсорбента позволяет реализовать энергию расширения абсорбента (и хладагента при использовании, например, детандера) в работу сжатия отработавшего хладагента, что повышает тепловой коэффициент абсорбционной холодильной машины (АХМ), а значит и ее эффективность.
Предлагаемый цикл абсорбционной холодильной машины (АХМ) построен на основании классической схемы, однако, его тепловой баланс выражается не общепринятым равенством сумм теплот от низко- и высокотемпературного источников (НТИ и ВТИ) с тепловыми стоками от конденсатора К и абсорбера
ВТИ
НТИ
конд
абс.
А: Q+Q=Q+Q,
ВТИ
где Q - теплота высокотемпературного источника,
НТИ
Q - теплота низкотемпературного источника,
конд
Q - теплота теплового стока от конденсатора К,
aбc.
Q - теплота теплового стока от абсорбера А.
ВТИ
НТИ
абс.
Модернизированный цикл АХМ выражается тепловым балансом без стока тепла от конденсатора (дефлегматора), т.е.: Q+Q=Q.
Это предполагает возможность концентрации принятого тепла в цикл и преобразование его в работу предварительного поджатая хладагента перед абсорбером.
Повышение давления хладагента в эжекторе позволяет увеличить его концентрацию в растворе, что обеспечивает повышенную его концентрацию после отделения в десорбере и сокращение циркуляции абсорбента.
Кроме того, это позволяет снизить температуру термостатирования в испарителе, т.е. снизить температуру низкотемпературного источника тепла (НТИ).
Основное преимущество предлагаемого решения состоит в возможности преобразования принятого тепла ВТИ в работу сжатия отработавшего хладагента в эжекторе. Это позволяет повышать тепловой коэффициент (отношение холодопроизводительности к подведенному теплу) описываемого холодильного цикла вплоть до единицы для идеального цикла. Возможность достижения максимального теплового коэффициента ограничивается лишь КПД трансформатора тепла и/или кинетической энергии в работу сжатия и тепловыми потерями от контакта элементов системы с окружающей средой.
Кроме трансформатора тепла абсорбента тепловой коэффициент зависит от степени адиабатичности процесса расширения хладагента и возможности отбора работы вместо изоэнтальпийного дросселирования.
На чертеже представлена схема цикла абсорбционной холодильной машины, в которую входят:
1 - абсорбер, 2 - десорбер, 3 - испаритель, 4 - конденсатор, 5 - рекуператор, 6 - термосифонный генератор, 7 - эжектор, 8 - дроссель, 9 - насос.
НТИХ - к низкотемпературному источнику тепла холодное;
НТИГ - от низкотемпературного источника тепла горячее;
ТПГ - теплоприемник горячий (вода, атмосфера);
ТПХ - теплоприемник холодный (вода, атмосфера);
ВТИХ - к высокотемпературному источнику тепла холодное;
ВТИГ - от высокотемпературного источника тепла горячее;
Описание работы цикла.
Раствор в т. 1 разделяется на две части и проходит через конденсатор 4 и рекуператор 5. Здесь поток нагревается до состояния в т. 2 и подается на орошение насадки десорбера 2. Раствор, обедняясь хладагентом, опускается в куб и циркулирует через т. 7 в термосифонном генераторе 6, нагреваясь до состояния в т. 8.
При высокой кратности циркуляции через термосифонный генератор 6 более легкий хладагент имеет в парах т. 8 повышенную концентрацию при пониженной температуре циркулирующего через генератор 6 потока. Это позволяет принимать тепло от низкопотенциальных источников тепла - водяной конденсат, тепло сжатия в компрессоре и т.п.
Циркуляция через генератор 6 обеспечивает испарение хладагента уже в кубе десорбера 2, частично рекуперируя тепло абсорбента.
Абсорбент при состоянии в т. 7 под рабочим давлением прямого цикла подается на эжектор.
Хладагент в виде пара при состоянии в т. 3, удаляясь из десорбера 2, поступает в конденсатор 4, где конденсируется и парожидкостной поток охлаждается до минимальной температуры при состоянии в т. 4 относительно состояния в т. 1.
После охлаждения хладагент дросселируется в дросселе 2 и понижает свою температуру в т. 5 до температуры НТИ.
После приема тепла от НТИ поток хладагента поступает на эжектор 7. В эжекторе 7 (либо другом устройстве повышения давления смеси) происходит сжатие хладагента до давления потока после эжектора. При повышенном давлении парожидкостная смесь, поступая в абсорбер 1, охлаждается и переходит в жидкое состояние.
Образовавшаяся жидкость в т. 10 нагнетается насосом 9 под рабочим давлением, после чего цикл повторяется.
Описанный цикл предполагает возможность существенного повышения теплового коэффициента, а значит и эффективности АХМ, что определяет сокращение срока окупаемости АХМ и минимизацию потерь тепловой энергии от низкопотенциальных тепловых источников.
Эжектор 7 и дроссель 8 приняты для использования, как простейшие устройства, обеспечивающие работоспособность системы, реализующей описанный цикл.
Таким образом, настоящее решение характеризуется:
1. Рекуперацией тепла конденсации при нагреве раствора;
2. Использованием десорбера без дефлегматора - исключение избыточного стока тепла;
3. Наличием высокой кратности циркуляции раствора через термосифонный генератор для производств от малых до крупнотоннажных;
4. Преобразованием тепла и давления абсорбента в работу сжатия хладагента;
5. Полным охлаждением низкопотенциального источника тепла и максимальным отбором его энергии при концентрации всей принятой извне тепловой мощности в едином аппарате, обеспечивающем сток тепла - абсорбере.