Абсорбционный гелиохолодильник - RU2036395C1

Описание

Предлагаемое изобретение относится к холодильной технике, а именно к абсорбционным гелиохолодильникам.

В настоящее время проблема использования экологически чистых доступных и дешевых источников энергии встала достаточно остро. Особое место среди таких источников энергии по неисчерпаемости и доступности занимает солнечная энергия.

Концентраторы, используемые в настоящее время в гелиохолодильниках для концентрации и передачи солнечной энергии, либо не содержат механизма слежения за солнцем, либо он является дорогостоящим, сложным и энергоемким и имеет невысокие быстродействие и точность, а также не обеспечивается высокая контролируемая величина вырабатываемого холода. В результате термической деструкции хладагента образующиеся галогенводородные кислоты приводят к необратимой быстрой коррозии гелиохолодильника.

Известен гелиоэжекторный холодильник, содержащий замкнутый контур циркуляции хладагента, в котором установлены парогенератор, снабженный параболоцилиндрическим солнечным отражателем, эжектор, конденсатор, дроссель, испаритель и насос, причем вход насоса включен между конденсатором и дросселем, а выход подсоединен к парогенератору, и абсорбционную машину периодического действия с генератором абсорбером, конденсатором воздушного охлаждения и испарителем-льдогенератором, при этом генератор-абсорбер установлен в контуре циркуляции хладагента между эжектором и конденсатором.

Однако известный гелиоэжекторный холодильник содержит параболоцилиндрический солнечный отражатель без механизма слежения за солнцем, что значительно снижает точность слежения холодильника за солнцем при перемещении солнца в течение рабочего дня в результате снижения максимальной величины падающего потока солнечного излучения на поверхность отражателя, кроме того, не обеспечивается поддержание постоянной температуры подаваемого теплоносителя в жаровой трубе и как следствие не обеспечивается контролируемая высокая величина вырабатываемого холода.

Образование в результате термической деструкции хладона галогеноводородных кислот приводит к необратимой быстрой коррозии гелиохолодильника, преждевременному выходу из строя. Все это в совокупности приводит к снижению КПД и надежности абсорбционного гелиохолодильника.

Наиболее близким по технической сущности (прототипом) к изобретению является абсорбционный гелиохолодильник, содержащий параболоцилиндрический концентратор солнечной энергии, установленный на опорно-поворотном устройстве и снабженный часовым механизмом слежения за солнцем, абсорбционно-диффузионный холодильный агрегат, имеющий генератор с жаровой трубой, выполненной в виде аккумулятора тепла, заполненного теплоаккумулирующим веществом, и термосифоном, дефлегматор, конденсатор, испаритель, размещенный в холодильном шкафу, газовый теплообменник, абсорбер со сборником крепкого раствора и теплообменник-генератор, и тепловую трубу, испарительная зона которой размещена вдоль фокальной линии конденсатора, а ее конденсационная зона в жаровой трубе, и снаружи на эту зону тепловой трубы навит термосифон.

Однако известный абсорбционный гелиохолодильник содержит концентратор, механизм слежения которого является сложным за счет значительного количества передаточных звеньев, требует специального часового механизма и подвода дополнительной энергии (механической или электрической) при всей эксплуатации, что обусловливает снижение точности ориентации концентратора на солнце при ослаблении часового механизма и дополнительный расход энергии, не обеспечивается поддержание высокой контролируемой величины поддержания холода в холодильном шкафу, а образование в результате термической диссоциации хладона галогеноводородных кислот приводит к необратимой быстрой коррозии гелиохолодильника, преждевременному выходу его из строя. Все это в совокупности приводит к снижению КПД и надежности абсорбционного холодильника.

Достигаемым новым техническим результатом является повышение КПД и надежности абсорбционного гелиохолодильника путем повышения точности ориентации концентратора на солнце и поддержания постоянной температуры в холодильном шкафу.

Технический результат достигается тем, что в известный абсорбционный гелиохолодильник, содержащий параболоцилиндрический концентратор солнечной энергии, установленный на опорно-поворотном устройстве и снабженный механизмом слежения за солнцем, контур циркуляции абсорбционно-диффузионного холодильного агрегата, имеющий генератор с жаровой трубой, выполненной в виде аккумулятора тепла, заполненного аккумулирующим веществом, и термосифоном, дефлегматор, конденсатор, испаритель, размещенный в холодильном шкафу, газовый теплообменник, абсорбер со сборником крепкого раствора и теплообменник-регенератор, и тепловую трубу, испарительная зона которой размещена вдоль фокальной линии концентратора, а ее конденсационная зона в жаровой трубе, и снаружи на эту зону тепловой трубы навит термосифон, при этом генератор соединен через полость теплообменника-регенератора для охлаждаемого теплоносителя и второй вход абсорбера с выходом для газообразного хладагента гидрозатвора, а второй выход сборника крепкого раствора соединен через полость газового теплообменника для охлаждаемого теплоносителя с входом испарителя, с которым соединен выход для жидкого хладагента гидрозатвора, введены регулирующий вентиль, ионно-обменный фильтр, вспомогательный нагреватель с термодатчиком автоматического регулирования, установленный перед конденсационной зоной на тепловой трубе, и терморегулирующий вентиль, установленный между теплообменником-регенератором и термосифоном, чувствительный элемент которого размещен на входе дефлегматора, а система слежения за солнцем выполнена в виде расположенных симметрично относительно испарительной зоны на ее боковой поверхности по крайней мере двух баллонов с легкокипящей жидкостью, соединенных посредством трубопроводов с полостями соответствующих гидроцилиндров по числу баллонов, закрепленных со стороны полостей на нерабочей поверхности концентратора с возможностью ориентации на опорно-поворотном устройстве при перемещении штоков гидроцилиндров, ползуна, установленного с возможностью перемещения вдоль опоры, на котором жестко закреплены штоки гидроцилиндров, и юстировочного вентиля, соединяющего посредством трубопроводов баллоны, причем выход для газообразного хладагента гидрозатвора соединен со вторым входом абсорбера через ионно-обменный фильтр, а выход для жидкого хладагента гидрозатвора соединен с входом испарителя через первый вход регулирующего вентиля, через второй вход которого полость газового теплообменника для охлаждаемого теплоносителя соединена с входом испарителя.

На чертеже представлена принципиальная схема абсорбционного гелиохолодильника.

Абсорбционный гелиохолодильник содержит параболоцилиндрический концентратор 1 солнечной энергии, установленный на опорно-поворотном устройстве 2 и снабженный механизмом слежения за солнцем, выполненным в виде расположенных симметрично относительно испарительной зоны на ее боковой поверхности по крайней мере двух баллонов 3 с легкокипящей жидкостью, соединенных посредством трубопроводов 4 с полостями 5 соответствующих гидроцилиндров 6 по числу баллонов 3, закрепленных со стороны полостей 5 на нерабочей поверхности 7 концентратора 1 с возможностью ориентации на опорно-поворотном устройстве 2 при перемещении штоков 8 гидроцилиндров 6, ползуна 9, установленного с возможностью перемещения вдоль опоры 2, на котором жестко закреплены штоки 8 гидроцилиндров 6, и юстировочного вентиля 10, соединяющего посредством трубопроводов 4 баллоны 3. Абсорбционный гелиохолодильник содержит также контур циркуляции абсорбционно-диффузионного холодильного агрегата, имеющего генератор 11 с жаровой трубой, выполненной в виде аккумулятора тепла, заполненного аккумулирующим веществом, и термосифоном 12, дефлегматор 13, гидрозатвор 15, конденсатор 14, регулирующий вентиль 16, испаритель 17, размещенный в холодильном шкафу 18, газовый теплообменник 19, абсорбер 20 со сборником 21 крепкого раствора, теплообменник-регенератор 22 и терморегулирующий вентиль 23. Испарительная зона 24 тепловой трубы 25 размещена вдоль фокальной линии концентратора 1, а ее конденсационная зона 26 в жаровой трубе, и снаружи на эту зону 26 тепловой трубы 25 навит термосифон 12. На тепловой трубе 25 перед конденсационной зоной 26 последовательно установлен вспомогательный нагреватель 27 с термодатчиком 28 автоматического регулирования. Чувствительный элемент 29 терморегулирующего вентиля 23 установлен на входе дефлегматора 13. При этом второй вход 30 абсорбера 20 соединен с выходом для газообразного хладагента 31 гидрозатвора 15 через ионно-обменный фильтр 32, выход для жидкого хладагента 33 гидрозатвора 15 соединен с входом испарителя 17 через первый вход 34 регулирующего вентиля 16, через второй вход 35 которого полость газового теплообменника 19 для охлаждения теплоносителя соединена с входом испарителя 17.

В качестве параболоцилиндрического концентратора 1 используют, например, оптический элемент из сплава АМГ-6, обработанный по стандартной технологии, например методом свободного абразива с расстоянием до фокальной линии (F)=2 м.

В качестве юстировочного вентиля 10, гидроцилиндров 6 и трубопроводов 4 используют, например, стандартные, не проницаемые для используемой легкокипящей жидкости соответствующие аналоги.

В качестве легкокипящей используют жидкость, имеющую тепловой коэффициент расширения большой или низкую температуру кипения, преимущественно не горючую, например фреон-152 (t_кип=10^оС).

В качестве ползуна 9 используют стандартный ползун, широко применяемый, например, в паровозостроении и т.п. В качестве механизма поворота опорно-поворотного устройства 2 используют, например, стандартный цилиндрический шарнир.

В качестве гидрозатвора 15 используют, например, гидрозатвор S-образной формы, к центру которого подсоединен выход конденсатора 14. Гидрозатвор 15 предназначен для отделения газообразной части хладагента после конденсатора 14 от жидкой и направления ее на второй вход 30 абсорбера 20, а жидкую часть на вход регулирующего вентиля 16. В результате термической диссоциации при кипении хладагента, например фреона-22, образуются галогенводородные кислоты HCl, HF и другие продукты по одной из следующих реакций:
CСl₃F+CH₃CH₂OH

Наличие указанных соединений приводит к необратимой быстрой коррозии абсорбционного гелиохолодильника, выходу его из строя и снижению надежности.

Поэтому для освобождения несконденсировавшейся части хладагента при прохождении конденсатора 14 после выхода для газообразного хладагента 31 гидрозатвора 15 установлен ионно-обменный фильтр 32, предназначенный для поглощения галогенводородных кислот из газообразного продукта хладагента. Ионно-обменный фильтр 32 выполнен, например, из сильноосновного анионита АВ-17х8 в гидроксильной форме, заполняющего патрон, при прохождении через который газообразного хладагента с продуктами термического распада (галогенводородными кислотами) происходит избирательная реакция ионного обмена по схеме
HCl+R-OH

В качестве регулирующего вентиля 16 используют, например, стандартный дроссель. Регулирующий вентиль 16 предназначен для создания низкого парциального давления путем дросселирования жидкого хладагента и производства вместе с испарителем 17 более глубокого холодильного эффекта, при испарении вышедшего из дросселя хладагента в испарителе 17, чем при использовании одного испарителя 17, в холодильном шкафу 18.

В качестве рабочего вещества используют, например, смесь при следующем соотношении компонентов, мас.

Фреон 22 (дифторхлор- метан) 2,4-44,2
Фреон 152а (N 1,1 дифторэтан) 3,0-46,3
Сильноосновный ани-
онит АВ-17х8 в гидро- ксильной форме 1,4-4,1 Метилпропилкетон Остальное
Как отмечалось выше, все фреоны, содержащиеся в рабочем веществе, являются химически и термически неустойчивыми и подвергаются деструкции с образованием в основном галогенводородных кислот и воды, вызывающих усиленную коррозию материала адсорбционной холодильной машины в процессе эксплуатации и преждевременный выход машины из строя. Известно, что гидросодержащие углероды растворяют значительное количество воды, являющейся катализатором деструкции фреонов. Поэтому компоненты рабочего вещества необходимо предварительно обезвоживать для стабилизации рабочего вещества. Введение сильноосновного анионита АВ-17х8 в гидроксильной форме способствует поглощению им галогенводородных кислот и воды (продуктов деструкции) и как следствие стабилизации рабочего вещества.

В известных гелиоабсорбционных холодильниках по прототипу используется водно-аммиачная смесь, что приводит при получении холода с использованием абсорбционно-диффузионного процесса к расходу в большом количестве тепла. Для устранения этого недостатка и используется смесь, содержащая фреон-22, фреон-152а, сильноосновный анионит АВ-17х8 в гидроксильной форме и метилпропилкетон. Кроме этого, обеспечивается экологическая чистота рабочего вещества за счет использования смеси фреона-22 (озонная активность 0,05) с озонно-неактивным фреоном-152а. Это позволяет снизить процентное содержание фреона-22 и как следствие снизить его экологическую опасность на порядок при сохранении холодопроизводительности и коэффициента теплового смешения на уровне использования одного фреона-22.

В качестве вспомогательного нагревателя 27 используют, например, объемную конструкцию (не показана) в виде металлической трубы с помещенной в ней электроизолированной нагревательной спиралью и термодатчиком 28 для системы автоматического регулирования, обеспечивающей максимально установленный уровень нагрева. Металлическая труба крепится к тепловой трубе 25 перед конденсационной зоной 26 с помощью муфт (не показаны).

Вспомогательный нагреватель 27 с термодатчиком 28 автоматического регулирования предназначены для контроля нижнего уровня температуры в жаровой трубе 25.

Терморегулирующий вентиль 23 предназначен с помощью чувствительного элемента для регулирования температуры хладагента на входе дефлегматора 13. При снижении температуры хладагента на входе дефлегматора 13 ниже заданной на чувствительном элементе, например, происходит уменьшение давления в газонаполненной системе силового патрона управляющего терморегулирующего вентиля 23, которое воздействует на его исполнительный механизм, и управляющий терморегулирующий вентиль перекрывается, уменьшая тем самым подачу крепкого раствора в термосифон 12.

При превышении температуры хладагента на входе дефлегматора 13 выше заданной на чувствительном элементе происходит нагревание силового патрона управляющего терморегулирующего вентиля 23, вызывая увеличение давления в газонаполненной газовой системе этого силового патрона. В результате этого исполнительный механизм управляющего терморегулирующего вентиля 23 открывает его, увеличивая тем самым приток крепкого рассола в термосифон 12.

Абсорбционный гелиохолодильник работает следующим образом.

Для приведения концентратора 1 абсорбционного гелиохолодильника в рабочее положение ориентируют концентратор 1 в зенитальной плоскости под углом по отношению к горизонту, соответствующим на данных широте и времени года приему максимальной величины солнечного излучения для параболоцилиндра, который поддерживается постоянным в течение всего светового дня. Открывают юстировочный вентиль 10, соединяющий баллоны 3, и тем самым разблокируют гидроцилиндры 6, ответственные за ориентацию параболоцилиндрического концентратора 1, за счет выравнивания давления и количества легкокипящей жидкости в механизме слежения за солнцем. Устанавливают концентратор 1 таким образом, чтобы солнечное излучение фокусировалось на испарительную зону 24 тепловой трубы 25. После этого закрывают юстировочный вентиль 10. Без взаимодействия с фокальной линией концентратора 1 и при дрейфе температуры окружающей среды в сторону увеличения или уменьшения легкокипящая жидкость, находящаяся в баллонах 3, в случае установленного в них равенства давлений под действием юстировочного вентиля 10 соответственно увеличивает или уменьшает свой объем (на равную величину в каждом из баллонов 5). Изменение объема легкокипящий жидкости компенсируется изменением объема полостей 5 соответствующих гидроцилиндров 6 на равную величину, которая регулируется при необходимости смещением ползуна вниз (вверх) по опоре опорно-поворотного устройства 2. При этом никакого перемещения концентратора 1 не происходит.

Солнечная энергия, концентрируемая в фокальной линии концентратора 1, нагревает и испаряет теплоноситель, находящийся в испарительной зоне 24 тепловой трубы 25. Пары теплоносителя конденсируются в конденсационной зоне 26 тепловой трубы 25, а выделяемое тепло расходуется на расплав теплоаккумулирующего вещества, размещенного в жаровой трубе, и на кипячение крепкого раствора в термосифоне 12. Образующаяся в термосифоне 12 парожидкостная эмульсия сепарируется в генераторе 11, при этом пары хладагента поступают в дефлегматор 13, в котором очищаются от соиспаряющихся паров абсорбента, и далее в конденсатор 14, где превращаются в жидкое состояние, а оставшийся слабый раствор из генератора 11 поступает через полость теплообменника-регенератора 22 для охлаждаемого теплоносителя, где отдает часть тепла крепкому раствору из сборника 21, на второй вход 30 абсорбера 20, в котором, поглощая пары хладагента, приходящие сюда через газовый теплообменник 19 из испарителя 17, через ионообменный фильтр 31, становится крепким и сливается в сборник 21. Жидкий хладагент из конденсатора 14 поступает через выход для жидкого хладагента 33 гидрозатвора 15 через первый вход 34 регулирующего вентиля 16 в испаритель 17, в котором испаряется при низком парциальном давлении с производством холодильного эффекта, используемого для охлаждения холодильного шкафа 18. В газовом теплообменнике 19 осуществляется охлаждение низкоконцентрированного хладагентом (фреонами) рабочего вещества, направляемого через второй вход 35 регулирующего вентиля 16 в испаритель 17, в котором испаряется при низком парциальном давлении с производством холодильного эффекта, используемого для охлаждения холодильного шкафа 18 высококонцентрированным хладагентом (фреонами) рабочего вещества, поступающего в абсорбер 20. Крепкий раствор из сборника 21 направляется через теплообменник-регенератор 22 через терморегулирующий вентиль 23 снова в термосифон 12. На этом заканчивается кругооборот раствора и хладагента.

При фокальной линии с испарительной зоны 24 тепловой трубы 25 на один из баллонов 3 при смещении солнца на запад легкокипящая жидкость в нем приобретает температуру окружающей среды, в результате чего объем жидкости в баллоне 3 увеличивается по сравнению с объемом жидкости в другом баллоне 3. За счет этого увеличивается давление на поршень соответствующего гидрозатвора 6, объем полости 5 этого гидроцилиндра возрастает. Происходит разворот концентратора 1 за счет увеличения величины штока 8 гидроцилиндра 6, находящегося вне объема гидроцилиндра 6, с помощью цилиндрического шарнира на опорно-поворотном устройстве 2 таким образом, что фокальная линия вновь войдет в пространство между баллонами 3 на испарительную зону 24 тепловой трубы 25. И такая ориентация концентратора 1 продолжается при эксплуатации абсорбционного холодильника в течение всего светового дня тем или иным из баллонов 3 в зависимости от положения солнца на небосводе и соответствующего отклонения фокальной линии при перемещении солнца в сторону того или иного баллона 3.

Для поддержания постоянной и высокой температуры теплоносителя тепловой трубы 25, поступающего в жаровую трубу, при отсутствии солнца или в облачный день, когда подогрев теплоносителя концентратором 1 является недостаточным, по сигналу с термодатчика 28 автоматического регулирования, установленного предварительно на заданном уровне температуры теплоносителя, например 100^оС, поступает электрический сигнал на вспомогательный нагреватель 27, который включается и осуществляет дополнительный подогрев теплоносителя до заданной температуры, после чего отключается, и так в течение всего времени эксплуатации обеспечивает тем самым контролируемую величину снимаемого холода в холодильном шкафу 18.

Для поддержания постоянного контрольного верхнего уровня температуры хладагента по сигналу с чувствительного элемента 36, установленного предварительно на заданном уровне температуры хладагента, поступает сигнал через силовой патрон на исполнительный механизм терморегулирующего вентиля 23, который регулирует расход поступления крепкого раствора из теплообменника-регенератора 2 в термосифон 1 таким образом, чтобы не изменять уровень заданной температуры хладагента перед поступлением в дефлегматор 13. Если температура поступающего в дефлегматор 13 хладагента превышает заданную, то расход поступления крепкого рассола из теплообменника-регенератора 22 с помощью терморегулирующего вентиля 23 в термосифон возрастает и наоборот при снижении температуры ниже заданной поступление крепкого рассола в термосифон 12 снижается.

Таким образом, достигается вырабатывание контролируемой высокой заданной величины холода в холодильном шкафу 18.

Как отмечалось выше, в случае, когда изменяется температура среды, т.е. повышается или снижается рабочая температура жидкости во всех баллонах 3, избыточное давление в гидроцилиндрах регулируют изменением положения ползуна 9 по опоре опорно-поворотного устройства 2.

Количество гидроцилиндров 6 равно числу баллонов 3 и составляет преимущественно по два гидроцилиндра 6, соответствующих двум баллонам 3, расположенных симметрично и оппозитно друг другу относительно фокальной линии параболоцилиндрического концентратора 1 на боковой поверхности испарительной зоны 24 тепловой трубы 25. Гидроцилиндры расположены преимущественно в центральной части концентратора 1 для перемещения его в азимутальной плоскости. В случае больших габаритов и массы концентратора гидроцилиндры для повышения надежности его ориентации могут быть размещены в противоположных концах концентратора, например по два, тогда их будет четыре и им будут соответствовать четыре баллона 3.

Размещение баллонов 3 в соприкосновении с боковой поверхностью испарительной зоны 24 тепловой трубы 25 позволяет исключить инерционность ориентации концентратора 1 при смещении его фокусной линии, например, в возможный зазор между баллонами 3 и испарительной зоной 24 тепловой трубы 25.

Объем легкокипящей жидкости в механизме слежения выбирают таким образом, чтобы ее расширение было достаточным для осуществления поворота концентратора 1 в необходимом диапазоне углов в течение всего светового дня. Особенностью параболоцилиндрических концентраторов 1 является то, что для ориентации в зенитальной плоскости достаточной, как отмечалось выше, является установка параболоцилиндрического концентратора 1 в положении к горизонту под определенным углом на все время эксплуатации в зависимости от широты места и времени года.

На основании вышеизложенного новым техническим результатом предлагаемого изобретения является
повышение КПД абсорбционного гелионагревателя не менее чем на 15% путем повышения точности ориентации концентратора на солнце и поддержания постоянной температуры в холодильном шкафу;
повышение надежности абсорбционного гелиохолодильника не менее чем на 15% за счет использования самонаводящейся системы слежения за солнцем без использования часового механизма и ионного фильтра, поглощающего коррозионно-разрушающие продукты термического распада хладагента и исключающего коррозию аппаратуры;
повышение точности ориентации концентратора на солнце не менее чем на 15% путем использования самонаводящейся системы ориентации, упрощения и снижения энергоемкости системы слежения, исключения часового механизма;
осуществление возможности поддержания контролируемого заданного уровня вырабатывания холода в холодильном шкафу путем использования термодатчиков контроля температуры, вспомогательного нагревателя и регулирующего вентиля;
повышение глубины производства холодильного эффекта в холодильном шкафу за счет применения дросселя;
повышение экологической чистоты абсорбционной гелиоустановки и термической устойчивости хладагента за счет использования в качестве последнего озононеразрушающего фреона-114В2 (тетрафтордибромэтана).

В настоящее время проведены испытания предлагаемого технического решения, выпущена конструкторская документация на абсорбционный холодильник.

Реферат

Использование: в холодильной технике, в абсорбционных холодильниках. Сущность изобретения: абсорбционный гелиохолодильник, содержащий параболоцилиндрический концентратор 1 солнечной энергии, установленный на опорно-поворотном устройстве 2 и снабженный механизмом слежения за солнцем, абсорбционно-диффузионный холодильный агрегат, имеющий генератор 11 с жаровой трубой, выполненной в виде аккумулятора тепла, заполненного теплоаккумулирующим веществом, и термосифоном 12, дефлегматор 13, конденсатор 14, испаритель 17, размещенный в холодильном шкафу 18, газовый теплообменник 19, абсорбер 20 со сборником 21 крепкого раствора и теплообменник-регенератор 22, и тепловую трубу 25, испарительная зона 24 которой размещена вдоль фокальной линии концентратора 1, а ее конденсационная зона 26 - в жаровой трубе, и снаружи на эту зону 26 тепловой трубы 25 навит термосифон 12, при этом генератор 11 соединен через полость теплообменника-регенератора 22 для охлаждаемого теплоносителя и второй вход абсорбера 20 с выходом для газообразного хладагента гидрозатвора 15, а второй выход сборника 21 крепкого раствора соединен через полость газового теплообменника 19 для охлаждаемого теплоносителя с входом испарителя 17, с которым соединен выход для жидкого хладагента гидрозатвора 15. 1 ил.

Формула