Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

• Введение
• 1. История развития
• 2. Физический принцип действия компрессионного холодильника
• 3. Классификация бытовых холодильников
• 4. Анализ основных технических решений
• 5. Разработка конструкции
• 6. Расчет основных элементов конструкции холодильника
• 7. Основные направления совершенствования
• Заключение
• Список литературы

Введение

Среди многочисленных бытовых приборов, облегчающих труд и повышающих культуру домашнего хозяйства, особо большое значение имеют холодильники. Только при наличии в доме холодильника может быть обеспечено полноценное, сбалансированное питание свежими и быстрозамороженными продуктами, а также их сохранность. Обязательным условием сохранности является создание непрерывного охлаждения, которое обеспечивает воздействие на продукты низкими температурами на протяжении всего времени нахождении их в холодильнике.

Как у любого бытового прибора, у холодильников имеются свои параметры, характеристики и критерии, которые отражают уровень их технологичности. Среди них выделяются: оптимальные уровни температур, обеспечивающих одновременное хранение различных видов продуктов; емкости холодильной и морозильной камер; габаритные размеры, мощность и т.д.

Наиболее часто встречающееся на сегодняшний день двухкамерные камерные холодильники компрессионного типа являются наиболее практичными и доступными. Поэтому, именно они пользуются большим спросом. Однако, существуют также двухагрегатные, двухкамерные холодильники, которые имеют свои преимущества и недостатки.

Целью данной работы является рассмотрение физического принципа действия холодильной установки и основных ее показателей, а также примеров конструкций двухагрегатного двухкамерного холодильника.

1. История развития

Еще за 400 лет до нашей эры персидские инженеры умели сохранять летом в раскаленной зноем пустыне лед, привезенный зимой с близлежащих гор. Стены подземного хранилища под названием "якшаль" имели толщину до двух метров и были сложены из блоков, в состав которых входили смешанные в определенной пропорции песок, глина, известь, зола и козлиная шерсть. Состав был абсолютно водонепроницаем и отличался великолепными теплоизолирующими свойствами. Внушительными были и хранилища льда "сеогбингго" в средневековой Корее, сооруженные из более чем тысячи каменных блоков. Древние индусы добивались сбережения продуктов, выставляя на ветер обернутую влажной тканью емкость.

Исследования абсорбционных холодильных машин непрерывного действия для бытовых холодильников проводили также в ЛТИХПе. С 1936 г., после того как был создан первый агрегат ХАНИТ-25-2-36, за пять довоенных лет были разработаны четыре модели агрегата, одна из которых (ХАНИТ-30-6-38) изготовлена в количестве 250 шт. Большая часть этих машин, заполненных водо-аммиачным раствором с антикоррозийной добавкой, работала бесперебойно свыше 10 лет.

Эта работа также была прервана Великой Отечественной войной. Почти сразу после окончания войны на отечественных заводах начали создавать цеха ширпотреба для изготовления небольших холодильников абсорбционного типа. Первый бытовой абсорбционный холодильник полезным объемом 45 дмі был изготовлен по проекту Н.В. Лихаревой в 1950 г. на Московском заводе "Газоаппарат". Холодильники могли работать на электроэнергии, природном газе и керосине. В 1954 г. завод перешел на изготовление более совершенного холодильника "Север" полезным объемом 65 дмі, имеющим электрический обогрев. В последующие годы завод "Газоаппарат" был переименован в "Московский завод холодильников", выпускавший вплоть до перестройки лучшие в стране абсорбционные холодильники под марками "Север" и "Иней". Холодильники "Север" и "Иней" могли работать только на электрической энергии, поскольку конструкторы не смогли получить подтверждение пожарной безопасности в органах госнадзора. Последние "всеядные" опытные модели, разработанные с участием зарубежных фирм, не вышли на рынок из-за начавшейся перестройки в стране.

Опыт завода "Газоаппарат" лег в основу организации производства абсорбционных бытовых холодильников на Оренбургском ("Оренбург"), Великолукском ("Морозко"), Пензенском ("Пенза") и других заводах. В этих холодильниках низкотемпературное отделение занимал небольшой объем (до 5 % общего), что не удовлетворяло потребности в хранении замороженных продуктов и готовых блюд. Существенный недостаток абсорбционных холодильников - вдвое больший по сравнению с компрессорными расход электроэнергии.

Большой популярностью пользуется миниатюрный абсорбционный бытовой холодильник "Морозко" объемом 27 дмі и общей массой всего 20 кг. Крупным заводом-изготовителем абсорбционных бытовых холодильников по лицензии швейцарской фирмы "Сибир" стал Васильковский завод. Им был освоен выпуск бытового абсорбционного холодильника "Кристалл-9" общим объемом 213 дмі. Объем низкотемпературного отделения 31 дмі, что составляет 15 % общего. При этом в нем поддерживается температура воздуха - 18°С. Эти преимущества получены за счет трехкратного (по сравнению с компрессионными холодильниками) перерасхода электроэнергии.

Кроме упомянутых марок на территории РСФСР в ХХ веке выпускали абсорбционные холодильники: "Дон", "КУЗБАСС", "Ладога", "Ленинград", "Морозко", "Оренбург", "Садко", "Уралец", а в УССР - "Кристалл", "Славутич" и "Украина".

Основной недостаток абсорбционных холодильников - повышенный расход электроэнергии в сравнении с компрессионными аналогами такой же емкости. Преимущества абсорбционных холодильников перед компрессионными в отсутствии движущихся частей, бесшумности и способности работать на различных источниках энергии. [2].

2. Физический принцип действия компрессионного холодильника

Абсорбционная холодильная машина - холодильная пароконденсационная машина, в которой пары хладагента абсорбируются твердым или жидким абсорбентом, из которого они впоследствии испаряются при нагреве.

Абсорбционные холодильники получили свое название от процесса абсорбции, происходящего в них. Применительно к холодильным процессам абсорбция - это поглощение жидким поглотителем (водой) паров хладагента (аммиака). В результате цепочки физических процессов, происходящих в агрегате абсорбционного холодильника, вырабатывается искусственный холод. Согласно второму закону термодинамики, искусственное охлаждение невозможно без затрат энергии. Абсорбционные холодильники не исключение - в состав агрегата входит нагреватель, вырабатываемое им тепло расходуется на изменение агрегатного состояния хладагента. К достоинствам абсорбционных холодильников относится бесшумность работы, а также отсутствие движущихся частей в конструкции, что увеличивает их долговечность по сравнению с компрессионными холодильниками. Из недостатков стоит отметить высокое энергопотребление и малую холодопроизводительность абсорбционных агрегатов. Это не позволяет им конкурировать с компрессионными холодильниками в секторе средних и крупных аппаратов. Спросом пользуются в основном миниатюрные модели, которые хорошо вписываются в обстановку кабинета или небольшого офиса. Нагреватель, входящий в состав абсорбционного агрегата не обязательно должен быть электрическим. Существуют абсорбционные холодильники, работающие на бытовом газе. Модели, оснащенные комбинированным (электричество+газ) нагревателем находят применение в различных "домах на колесах". Во время движения холодильник работает от бортовой сети автомобиля (автобуса). На стоянке мотеля нагреватель получает энергию от сети 220 Вольт. При остановках вдали от цивилизации (пикник) к холодильнику можно подключить газовый баллон. Как правило, абсорбционный холодильный агрегат ремонту не подлежит, и в случае поломки заменяется на новый. [1]

Свое название холодильники абсорбционного типа получили от происходящего в них процесса абсорбции, т.е. поглощения жидким или твердым поглотителем паров хладагента, образующихся в испарителе. Хладагентом служит аммиак. Пары аммиака поглощаются водой с образованием при этом водоаммиачного раствора.

Аммиак (NНз) - бесцветный газ с очень резким характерным запахом, легко растворятся в воде. Раствор имеет щелочную реакцию, на этом основан весьма простой способ обнаружения утечки из системы хладоагрегата газообразного аммиака: посинение смоченной водой лакмусовой бумажки в парах, содержащих аммиак.

Компонентами раствора для заполнения холодильного агрегата являются: хладагент - аммиак, абсорбент - бидистиллят воды, ингибитор - двухромовокислый натрий, инертный газ - водород. Количество водоаммиачного раствора для заполнения холодильного агрегата составляет 350-750 см³, концентрация аммиака в водоаммиачном растворе 4-36 % (по массе).

Агрегат наполнен водоаммиачным раствором и водородом под давлением 1,47-1,96 МПа. Водород инертен и не вступает в химическую реакцию с аммиаком.

Назначение водорода - создание противодавления аммиачному пару. Водород подается в конденсатор с меньшим давлением, чем давление аммиачного пара до его конденсации.

Для предохранения внутренней поверхности труб холодильного агрегата от коррозии в раствор вводят хромат натрия (Na₂ CrO₄) в количестве примерно 2 % массы заряда. Водоаммиачный раствор приготовляют, смешивая аммиак с дистиллированной водой двойной перегонки.

Холодильный агрегат расположен на задней стенке холодильного шкафа, испаритель - внутри холодильной камеры.

Холодопроизводительность агрегата абсорбционно-диффузионного типа 20-30 ккал/ч.

3. Классификация бытовых холодильников

По способу установки холодильники подразделяются на напольные, настенные и встроенные.

Напольные холодильники, устанавливаемые на полу помещения, являются самым массовым типом холодильников и в нашей стране и за рубежом. Среди них можно выделить модели, выполненные в виде столика ("Нистру", "Смоленск" и др.); высота их такая же, как и кухонных столов - 850 мм, а сверху имеется изготовленная из специального вида пластика сервировочная поверхность для размещения кухонной утвари и продуктов.

Настенные холодильники, подвешиваемые к стене помещения, не занимают площади пола, что важно для малогабаритных квартир. В Советском Союзе выпускается в небольшом количестве настенный холодильник "Визма", модернизированный вариант "Лиги".

Встроенные холодильники - аппараты, входящие в конструкцию мебельного блока и заключенные в общую с ним оболочку. Блок может быть кухонным или гостиным, как, например, сервант "Снайге-4" и бар "Снайге-9".

По климатическим условиям экcплyaтации холодильники делятся на изделия исполнений У и Т. Первые холодильники предназначены для эксплуатации в районах с умеренным климатом, т.е. на территории, где средний из ежегодных абсолютных максимумов температуры воздуха не превышает 40° С, а средний из минимумов ниже - 45° С. К районам с умеренным климатом относится большая часть территории Советского Союза и европейских стран. Изделия исполнения У, эксплуатируемые в жилых помещениях, должны обеспечивать требуемые параметры при температуре окружающего воздуха от 10 до З5° С. ГОСТ 16317-70 "Холодильники бытовые электрические" предусматривает более узкий диапазон значений климатических факторов: 16-З2° С; предельное значение температуры окружающего воздуха при эксплуатации этим стандартом не оговаривается. Обычно для изделий исполнения У верхнее предельное значение принимается равным 40° С.

Холодильники исполнения Т эксплуатируются в районах с тропическим климатом, к которым относятся Ближний и Средний Восток, Индия, Индонезия, Вьетнам, значительная часть Африки и Латинской Америки, Куба, юго-восток и дальний запад США и ряд других районов. В СССР холодильники в тропическом исполнении изготавливаются для экспорта в указанные страны. Для изделий исполнения Т, эксплуатируемых в жилых помещениях, предельные и рабочие значения температур окружающего воздуха совпадают: от 10 до 45° С; Международной организацией по стандартизации (ИСО) и СЭВ установлен температурный диапазон от 18 до 43° С. К холодильникам в тропическом исполнении предъявляются повышенные требования в отношении применяемых материалов, защитных покрытий, заземления, герметизации шкафа и проборов автоматики.

По функциональному признаку различают холодильники для хранения свежих продуктов и свежих и замороженных продуктов. Аппараты для хранения свежих продуктов не имеют низкотемпературного отделения. Они выпускаются в незначительном количестве в некоторых странах. Возможность хранения замороженных продуктов обеспечивается только в том случае, если в низкотемпературном отделении поддерживается температура не выше - 6° С; чем ниже температура в отделении, тем длительнее срок хранения.

В соответствии с международными и отечественными стандартами принято деление холодильников на три категории: для краткосрочного (несколько дней) хранения замороженных продуктов - температура не выше - 6° С; для среднесрочного хранения (до двух недель) - температура не выше - 12° С; для длительного хранения (до трех месяцев) - температура не выше - 18° С. Соответственно маркируют холодильники одной, двумя или тремя звездочками. Модели с двумя и тремя звездочками называются двухтемпературными. Из отечественных холодильников маркировку двумя звездочками имеют холодильники ЗИЛ моделей 62 и 63, "Бирюса-2", "Бирюса-5", "Бирюса-6" и "Минск-10", "Минск-11", тремя звездочками - "Минск-7". В США, Канаде и Австралии маркировка звездочками не применяется. По стандартам этих стран двухтемпературные холодильники должны обеспечивать в низкотемпературном отделении температуру не выше - 15° С.

По конструктивному исполнению двухтемпературные холодильники бывают однокамерные, двухкамерные и многокамерные. В двухкамерных имеется теплоизоляционная перегородка между низкотемпературным и плюсовым отделениями; каждое отделение снабжено отдельной дверью. В СССР выпускается двухкамерный холодильник "Минск-7". Многокамерные холодильники имеют для хранения различных продуктов несколько (по крайней мере, три) камер с отдельными дверьми.

Циркуляция воздуха в камерах может осуществляться естественным путем или с помощью вентилятора либо комбинированно: в низкотемпературной камере принудительным способом, а в плюсовой - естественным. В настоящее время в нашей стране выпускаются холодильники первого типа. Аппараты с принудительной циркуляцией воздуха находятся в стадии разработки.

Холодильники с естественной циркуляцией воздуха в камере могут иметь один (обычная конструкция) или два испарителя (конструкция с "плачущим" испарителем).

В моделях с естественной циркуляцией воздуха низкотемпературная камера расположена вверху; в холодильниках с принудительной циркуляцией она может быть размещена также внизу или рядом с плюсовой.

Холодильники различаются также по способу оттаивания испарителя: применяют оттаивание вручную, полуавтоматическое и автоматическое (частично или полностью). При первом способе потребитель сам определяет момент начала и окончания процесса, а также вручную удалят талую воду. При полуавтоматическом - потребитель определяет только начало оттаивания, окончание процесса - автоматическое; талая вода удаляется вручную или автоматически через дренажную систему. Оттаивание является автоматическим в том случае, если управление процессом и удаление талой воды происходит без участия потребителя.

Частично автоматическое оттаивание - это автоматическое оттаивание одной из двух охлаждающих поверхностей. Например, испаритель плюсового отделения оттаивается автоматически в каждом цикле, а испаритель низкотемпературного отделения - вручную раз в несколько месяцев. Полностью автоматическое оттаивание - это автоматическое оттаивание всех охлаждающих поверхностей.

Полностью автоматизировать процесс оттаивания можно только в холодильниках с принудительной циркуляцией воздуха, в остальных конструкциях применение автоматической системы оттаивания (из-за ее частого срабатывания) привело бы к порче замороженных продуктов.

Применяют три способа обогрева испарителя во время оттаивания: окружающим воздухом; горячим паром фреона, подаваемым компрессором в испаритель, минуя конденсатор; электронагревателем. При оттаивании вручную применяется естественный обогрев окружающим воздухом, при полуавтоматическом и частично автоматическом - все три вида нагрева. Естественный обогрев испарителя в случае частично автоматического оттаивания происходит в течение нерабочей части каждого цикла. При полностью автоматическом оттаивании применяется интенсивный обогрев испарителя горячим паром фреона или электронагревателем.

Принятая система охлаждения, т.е. наличие одного или двух испарителей, естественной или принудительной циркуляции воздуха, в значительной мере определяет эксплуатационные и конструктивные особенности холодильников. Поэтому далее будут рассмотрены (как основные типы) холодильники с одним испарителем, включая двухтемпературные, холодильники с двумя испарителями, а также холодильники с принудительной циркуляцией воздуха.

В настоящее время искусственный холод получил самое широкое применение. Бытовые холодильники обеспечивают сбалансированное питание свежими и быстрозамороженными высокого качества продуктами.

Бытовые компрессионные холодильники относятся к наиболее энергоемкой и массовой бытовой техники длительного пользования (15-20 лет).

По ГОСТ 16317-87 бытовые холодильники подразделяются по способу получения холода на:

компрессионные (К);

абсорбционные (А);

по способу установки на:

напольные типа шкафа (Ш);

напольные типа стола (С);

по числу камер на:

однокамерные;

двухкамерные (Д);

трехкамерные (Т).

В двух камерных холодильниках имеется теплоизоляционная перегородка между НТО и плюсовым отделением.

По способности работать при максимальных температурах окружающей среды холодильники подразделяются на классы:

УХЛ - не выше 32 ⁰С;

Т - не выше 43 ⁰С.

Камеры холодильных приборов по назначению подразделяются на:

камеру для хранения свежих овощей и фруктов;

холодильную камеру для охлаждения и хранения охлажденных продуктов;

низкотемпературную камеру для хранения замороженных продуктов (НТК);

морозильную камеру для замораживания и хранения замороженных продуктов (МК);

универсальную камеру для хранения продуктов в свежем, охлажденном или замороженном состоянии.

Однокамерные холодильники подразделяют:

по наличию НТО на:

однокамерные с НТО;

однокамерные без НТО;

по температуре в НТО на:

с температурой не выше - 6 ⁰С;

с температурой не выше - 12 ⁰С;

с температурой не выше - 18 ⁰С.

Температура в НТО не выше - 6⁰С обеспечивает краткосрочное хранение в течение нескольких дней, не выше - 12⁰С в течение двух недель и не выше - 18⁰С в течение трех месяцев

4. Анализ основных технических решений

АБСОРБЦИОННЫЙ ХОЛОДИЛЬНИК

Изобретение относится к холодильной технике, в частности к холодильникам абсорбционного типа, и может быть использовано для охлаждения помещений и регулировки их температурного режима в солнечных жарких регионах. Автономный абсорбционный холодильник без движущихся узлов с жидким абсорбентом включает 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, одним из которых 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. 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.

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.

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.

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 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.

АБСОРБЦИОННЫЙ ГЕЛИОХОЛОДИЛЬНИК

Абсорбционный холодильник, 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, 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, которым соединен выход для жидкого хладагента гидрозатвора, отличающийся тем, что в абсорбционный холодильник введены регулирующий вентиль, ионнообменный 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 с вторым входом абсорбера через ионнообменный фильтр, а выход для жидкого хладагента гидрозатвора с входом испарителя через первый вход регулируемого вентиля, через второй вход которого полость газового теплообменника для охлаждаемого теплоносителя соединена с входом испарителя.

5. Разработка конструкции

Холодильный агрегат абсорбционно-диффузионного действия изготовлен из бесшовных труб, соединенных газовой сваркой. Основные узлы агрегата: генератор - выработка аммиачного пара и подъем слабого раствора на высоту слива в абсорбер; конденсатор - конденсация паров аммиака; испаритель - испарение жидкого аммиака с образованием холода; абсорбер - поглощение пара аммиака водоаммиачным раствором (процесс абсорбции); электронагреватель - нагрев водоаммиачного раствора в генераторе.

Принцип работы холодильного агрегата абсорбционного типа заключается в следующем. Концентрированный раствор постоянно нагревается в кипятильнике 1 (рис. 5) до температуры кипения каким-либо источником тепла (электрическим, газовым и т.д.).

холодильный агрегат конструкция бытовой

Рисунок 5. Схема холодильного агрегата абсорбционного типа: 1 - кипятильник; 2 - дефлегматор; 3 - конденсатор; 4 - испаритель; 5 - абсорбер

Так как температура кипения хладагента значительно ниже температуры кипения растворителя абсорбента, то в процессе выпаривания концентрированного раствора из кипятильника выходят концентрированные пары хладагента с небольшим количеством растворителя. На пути движения к конденсатору концентрированные пары хладагента проходят специальный теплообменный аппарат (дефлегматор 2), в котором происходит частичная конденсация концентрированных паров. При этом образовавшийся конденсат стекает в слабый раствор, входящий из кипятильника, а более концентрированные пары хладагента поступают в конденсатор 3. Высококонцентрированный жидкий хладагент из конденсатора поступает в испаритель 4, где он закипает при отрицательной температуре, отбирая тепло из холодильной камеры. Слабый раствор из кипятильника поступает в абсорбер 5 и охлаждается окружающей средой до температуры начала абсорбции. Выходящие из испарителя пары хладагента также поступают в абсорбер навстречу движущемуся охлажденному слабому раствору. В абсорбере происходит процесс поглощения (абсорбции) паров хладагента слабым раствором. При этом выделяется некоторое количество теплоты абсорбции (смешения) в окружающую среду Образовавшийся в абсорбере концентрированный раствор термонасосом передается в кипятильник.

Циркуляция раствора и хладагента осуществляется непрерывно, пока работают кипятильник и термонасос, обогреваемые одним источником тепла. Таким образом, в абсорбционном холодильном агрегате непрерывного действия роль всасывающей части механического компрессора выполняется абсорбером, а нагнетательной - термонасосом.

Для повышения эффективности холодильного цикла абсорбционной холодильной машины используют также теплообменники жидкостные и паровые, которые сокращают непроизводительные потери тепла.

а) б)

Рисунок 6. Электронагреватель: а - устройство; 1 - металлическая гильза; 2 - нихромовая спираль; 3 - песок; 4 - втулка спирали; 5 - фарфоровые бусы; б - схема включения

Электронагреватель холодильного агрегата изготовлен из нихромовой проволоки сплава Х20Н80-Н-1-0.25, 0 0,25, завитой в спираль 2 (рис.6, а) с нанизанными на нее фарфоровыми втулками 4. Спираль вставлена в металлическую гильзу 1, изготовленную из трубы. Свободное пространство между втулками спирали и внутренней поверхностью гильзы заполнено песком 3. Длина гильзы 200-250 мм, диаметр 20-25 мм. С одной стороны гильза наглухо закрыта. В открытую часть гильзы вложен нагревательный элемент, располагающийся на участке длиной 150 мм, от краев гильзы он находится на расстоянии 5 мм. Через колпачок с отверстиями концы спирали, изолированные фарфоровыми бусами 5, выведены из металлической гильзы. Концы спирали присоединяются к переключателю мощности или к терморегулятору.

В зависимости от объема холодильника электронагреватели различаются до мощности, количеству ступеней - 1,2 или 3 (рис.6, б), а также по напряжению. Так, одноступенчатый электронагреватель холодильника "Кристалл-4" имеет мощность 125 Вт; двухступенчатый электронагреватель в двухкамерном холодильнике "Кристалл-9" имеет две ступени мощностей - 200 и 70 Вт. В холодильниках старых моделей устанавливались двух - и трехсекционные нагреватели, рассчитанные соответственно на два или три, переключения мощности.

Система регулирования температуры в абсорбционных холодильниках может быть ручной и автоматической. В первом случае, когда электронагреватель рассчитан на несколько ступеней мощности, регулировка температуры производится самим владельцем путем включения нагревателя на большую или меньшую мощность, а в газовых холодильниках - ручкой регулятора расхода газа.

В холодильниках новых моделей применяется прерывистый (цикличный) режим работы с постоянной мощностью электронагревателя. Благодаря использованию инерционной способности холодильного цикла удалось существенно снизить суточный расход электроэнергии и повысить срок службы электронагревателя. В электрическую цепь холодильника включен терморегулятор, отключающий электронагреватель при достижении в камере заданной температуры. Естественно, что при такой цикличной работе холодильного агрегата температура в камере постоянной быть не может и определенный средний уровень ее может поддерживаться только средствами автоматики.

В холодильниках применяют терморегуляторы АРТ-2А или Т-110 (Т-120) разных модификаций с соответствующей настройкой температурной характеристики.

Терморегулятор работает следующим образом. При достижении температуры на испарителе ниже определенной величины в капиллярной трубке терморегулятора, закрепленной на испарителе, происходит конденсация хладона, в результате чего давление пара хладона падает и контакты терморегулятора размыкаются. При этом электронагреватель отключается от сети. При повышении температуры на испарителе жидкий хладон, находящийся в капиллярной трубке терморегулятора, начинает испаряться. Давление пара хладона достигает величины, при которой контакты терморегулятора вновь замыкаются. При замыкании контактов терморегулятора электронагреватель потребляет электроэнергию и холодильный агрегат работает. Температура на испарителе вновь начинает понижаться.

6. Расчет основных элементов конструкции холодильника

Цель расчета: определить тепловые нагрузки аппаратов, площади теплообменных поверхностей, произвести компоновку аппаратов.

Условия расчета:

1. Конденсация NH₃ в конденсаторе происходит при постоянном давлении в предположении, что количество водорода при расчетном режиме работы машины в конденсаторе незначительно.

2. При наличии вертикально расположенного газового теплообменника влага, уносимая из абсорбера бедной парогазовой смесью, почти вся возвращается в абсорбер.

3. Растворение H₂ в водоаммиачном растворе относительно небольшое и на процессах, осуществляющих водоаммиачный цикл, не отражается.

Расчет

Определение параметров парогазовой смеси ведется с использованием таблиц термодинамических свойств водоаммиачного раствора и пара.

Дополнительно к уже известным исходным данным принимаем следующие параметры, при которых осуществляются процессы в испарителе и абсорбере:

Низшая температура испарения	tон=-10°С
Высшая температура испарения	tон=-2°С
Средняя температура испарения	tон=-6°С
Парциальное давление NH3 в испарителе на границе раздела фаз в соответствии с принятыми температурами:
низшее	Pи. н. =2,96 ата
высшее	Pи. в. =4,06 ата
Парциальное давление NH3 в абсорбере на границе раздела фаз:
при входе слабого водоаммиачного раствора	Pа. н. =2,36 ата
при выходе крепкого раствора	Pа. в. =3,46 ата
Высшая температура абсорбции	t2=50°С

Парциальное давление аммиака в потоке парогазовой смеси, циркулирующей через испаритель и абсорбер, принимаем, исходя из практических данных лаборатории ВНИИЭМП и ЛТИХП. Принимаем в испарителе по всей длине контакта парогазовой смеси с аммиаком ДP=0,3. Тогда парциальное давление NH₃ в потоке бедной парогазовой смеси при входе в испаритель =P₀=4,06-0,3=3,76 ата и парциальное давление NH₃ в потоке богатой парогазовой смеси при выходе из испарителя =P₂=2,96-0,3=2,66 ата. Концентрацию крепкого водоаммиачного раствора о_r при выходе из абсорбера принимаем равной 0,364 в соответствии с парциальным давлением на границе раздела фаз, равным 3,46 ата, и температурой 50°С.

Концентрацию слабого водоаммиачного раствора о_а при входе в абсорбер принимаем равной 0,148 в соответствии с парциальным давлением на границе раздела фаз 2,36 ата и температурой 50°С.

Температуру жидкого хладагента на входе в газовой теплообменник принимаем равной 35°С, а на выходе - 5°С.

Температурный перепад на теплом конце газового теплообменника принимаем равным 10°С, тогда температура богатой парогазовой смеси при входе в сборник абсорбера - 50°С.

Температуру богатой парогазовой смеси на входе в газовый теплообменник принимаем равной 2°С.

Расчет процессов парогазового кругооборота машины

Объемная доля NH₃ в бедной парогазовой смеси

.

Объемная доля NH₃ в бедной парогазовой смеси

Весовая концентрация NH₃ на 1 кг газовой смеси:

а) в бедной парогазовой смеси, кг/кг

б) в богатой парогазовой смеси, кг/кг

где m_a,m_в - молекулярный вес NH₃ и H₂.

Кратность циркуляции парогазовой смеси, кг/кг

Теплоемкость парогазовой смеси, ккал/кг°С:

а) в бедной парогазовой смеси:

где - теплоемкость H₂ принимаем равной 0,548; - теплоемкость NH₃ определяется по средней энтальпии при соответствующем давлении, начальной и конечной температурах (Розенфельд Р.Н., Ткачев Л.Г. "Холодильные машины и аппараты" - таблицы перегретых паров) и равна 3,41 ккал/кг°С;

б) в богатой парогазовой смеси:

ккал/кг°С.

Потери холода на охлаждение бедной парогазовой смеси в испарителе на 1°С, ккал/кг

Количество тепла, которое может быть подведено к богатой парогазовой смеси при нагреве на 1°С, ккал/кг

Количество тепла, подводимое к богатой парогазовой смеси в конце испарителя при перегреве ее с - 2°С до 2°С, ккал/кг

Количество тепла, которое может быть подведено к богатой парогазовой смеси за испарителем при перегреве ее с 2°С до 40°С, ккал/кг

Количество тепла, отводимое богатой парогазовой смесью при переохлаждении жидкого NH₃ с 35°С до 5°С, ккал/кг

Количество тепла, отводимое от бедной парогазовой смеси в газовом теплообменнике богатой парогазовой смесью, ккал/кг

Температура бедной парогазовой смеси при входе в испаритель,°С

Количество тепла, подводимое бедной парогазовой смеси в испарителе при ее охлаждении с температуры 17,2°С до - 10°С, ккал/кг

Количество тепла, которое могло бы быть подведено к парам NH₃, идущим из испарителя в абсорбер при подогреве их с 6 до 40°С, ккал/кг

где - энтальпия перегретых паров NH₃ при t=40°С и P=3,76 ата; - энтальпия паров NH₃ при средней t₀=-6°С. Холодопроизводительность 1 кг хладагента при отсутствии в машине выравнивающего газа, ккал/кг

Холодопроизводительность 1 кг с учетом потерь холода, вызываемых присутствием в машине выравнивающего газа, ккал/кг

Кратность циркуляции

Количество тепла, отводимое окружающим воздухом от абсорбера с учетом циркулирующей в нем парогазовой смеси, ккал/кг

Коэффициент полезного действия парогазового цикла:

Выбор параметров процессов водоаммиачного цикла машины

Для обеспечения концентрации слабого раствора о=0,148 высшую температуру в генераторе принимаем равной 170°С. Температуру конденсации хладагента принимаем равной 45°С. Низшую температуру ректификации принимаем на 12°С выше температуры конденсации, то есть 57°С.

Расчет процессов водоаммиачного цикла машины с выравнивающим газом

Количество тепла, отводимое окружающим воздухом от конденсатора, ккал/кг

Количество тепла, отводимое воздухом от жидкостного трубопровода, соединяющего конденсатор с газовым теплообменником, ккал/кг

где

при

Количество тепла подводимое слабым раствором к крепкому, ккал/кг

Энтальпия крепкого раствора на выходе из жидкостного теплообменника, ккал/кг

Удельное количество флегмы, стекающей из воздушного ректификатора в генератор, кг/кг

Количество тепла, отводимое от ректификатора воздухом, ккал/кг

Количество тепла, затрачиваемое на выпаривание 1 кг хладагента в генераторе, ккал/кг

Тепловой баланс

Тепло, подводимое:

к генератору	qhR=549,90 ккал/кг
к испарителю	q0и=221,65 ккал/кг
Итого:	771,55 ккал/кг

Тепло, отводимое:

от абсорбера	qа=319,65 ккал/кг
к испарителю	qk=263,67 ккал/кг
от ректификатора	qR=190,10 ккал/кг
Итого:	773,42 ккал/кг

Значения параметров точек, необходимых для расчета рабочих процессов парогазового кругооборота, сведены в таблицу 1.

Значения параметров точек, необходимых для расчета рабочих процессов водоаммиачного цикла машины, сведены в таблицу 2.

Таблица 1

Параметры точек для расчета рабочих процессов парогазового кругооборота

Состояние вещества	Обозначение	Температура	Давление	Концентрация	Энтальпия
			общее	парциальное	пара	жидкости	пара	жидкости
1	2	3	4	5	6	7	8	9
Жидкий хладагент при входе до теплового контакта с трубкой ответвленного потока	6'	35	20	20		0,998	307,9	39
Жидкий хладагент перед входом в испаритель	6''	5	20			0,998		-51
Хладагент в начале испарителя	7-10	-10	20	2,96		299,05		-10,68
Хладагент в конце испарителя	7-2	-2	20	4,06		300,98
Богатая парогазовая смесь при выходе из испарителя	8	2	20	3,76
Богатая парогазовая смесь при входе в абсорбер	10	40	20	3,76		328,9		-18,6
Бедная парогазовая смесь при выходе из теплообменника	12		20	2,66
Слабый раствор при входе в абсорбер	3	50	20	2,36	0,954	0,148	348,15	0,785
Крепкий раствор при выходе из абсорбера	4	50	20	3,46	0,977	0,364	333,18	-5
Пар при входе в конденсатор	5	55	20	20	0,998	0,862	315,07	38,8
Бедная парогазовая смесь при выходе из абсорбера	11	45	20	2,66			335,03	-10,6

Таблица 2

Параметры точек, необходимых для расчета рабочих процессов водоаммиачного цикла

Состояние вещества	Обозначение	Температура	Давление	Концентрация	Энтальпия
			общее	парциальное	пара	жидкости	пара	жидкости
1	2	3	4	5	6	7	8	9
Слабый раствор при выходе из генератора	2	170	20	20		0,148	501,33	150
Слабый раствор на выходе из жидкостного теплообменника	3	85	20	2,36		0,148		6,43
Пар и равновесный ему раствор при выходе из генератора	d	140	20	20	0,836	0,264	418,8	105,4
Пар и равновесный ему раствор при выходе из ректификатора	b	57	20		0,998	0,862	316,9	34,5
Жидкий хладагент при выходе из конденсатора	6	45	20	20		0,988		51,4

Коэффициенты холодильной машины.

Теоретический тепловой коэффициент общего практического цикла без учета потерь, вызываемых присутствием инертного газа:

Расчетный тепловой коэффициент общего практического цикла машины с учетом присутствия выравнивающего газа, но без учета внешних потерь:

Действительный тепловой коэффициент машины будет несколько отличаться от расчетного вследствие потерь "горячим" узлом машины (генератор - жидкостной теплообменник) и холода и газовым теплообменником. На основе опытных данных принимаем потери тепла "горячим" узлом равными ?15 % от тепла, подводимого к генератору; потери холода газовым теплообменником равными ?10 % от тепла, подводимого к генератору; потери холода газовым теплообменником равными ?10 % от тепла, подводимого к испарителю.

Действительный расход тепла в генераторе на 1 кг хладагента составит, ккал/кг

Действительная холодопроизводительность 1 кг хладагента составит, ккал/кг

Действительный тепловой коэффициент машины при принятых расчетных данных:

Действительный КПД машины:

Определение тепловых нагрузок или производительности аппаратов

Для определения тепловых нагрузок аппаратов машины определим количество циркулирующего (испаряющегося) хладагента через испаритель в час при холодопроизводительности машины Q₀=14 ккал/час и холодопроизводительности 1 кг хладагента q_0д=ккал/час, кг/час

Производительность отдельных аппаратов, ккал/час

где q - холодопроизводительность отельных аппаратов на 1 кг хладагента

Абсорбер
Газовый теплообменник
Жидкостный теплообменник
Конденсатор
Воздушный ректификатор
Генератор

Тепловой расчет и конструирование аппаратов абсорбционно-диффузионной холодильной машины

Принятая конструкция испарителя представляет собой оребренную трубку (ребра прямые): Ш161,6; 4 трубки l=140 мм; H_р=25 мм; b_р=48,5 мм; S_р=10.

Холодопроизводительность испарителя Q₀=14 ккал/час.

Определение поверхности испарителя производим по средним и средневзвешенным параметрам и величинам, характеризующим теплоотдачу от воздуха в камере к поверхности испарителя, теплоотдачу от внутренней поверхности испарителя к потокам хладагента и парогазовой смеси, а так же процесс испарения.

Теплопередающая поверхность испарителя, м²

где - разность температур между средневзвешенной температурой в холодильной камере и средней температурой испарителя, °С.

=t_k-t₀=7- (-6) =13.

Коэффициент теплопередачи, ккал/м²час°С

где ₁ - коэффициент теплоотдачи от воздуха к поверхности испарителя принимаем равным 10 ккал/м²час°С ₁=10 ккал/м²час°С.

Термическое сопротивление д/л не учитывается ввиду очень незначительной толщины трубки; ₂ - коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности стенки канала и испаряющегося хладагента к движущейся парогазовой смеси, ккал/м²час°С. ₂=0,75_х; _х - 200 ккал/м²час°С (принимаем по приближенным значениям).

Коэффициент 0,75 учитывает то, что поверхность, смачиваемая жидким хладагентом, составит около 75% внутренней поверхности испарителя.

₂=0,75200=150.

F₁ - внутренняя поверхность испарителя, м²;

F₁=3,1416140410^-6=2,810^-2.

F₂ - оребренная поверхность испарителя, м².

F₂=3,1416140410^-6+25485216410^-6=17,810^-2.

Коэффициент оребрения поверхности испарителя

Коэффициент теплопередачи испарителя, ккал/м²час°С

Теплопередающая поверхность испарителя, м²

Холодопроизводительность конструктивно принятой поверхности испарителя, ккал/час Q₀=6,550,1713=15,2,то есть отвечает потребной холодопроизводительности.

Конденсатор

Конструкция конденсатора принимаем в виде оребренной трубки Ш111,0. Ребра прямые h_р=45 мм; b_р=33 мм; д_р=0,6 мм.

Расстояние между ребрами 6,5 мм, Z_р=36.

Производительность конденсатора 18,5 ккал/час.

Теплопередающая поверхность конденсатора подсчитывается по формуле, м²

где - производительность конденсатора;

K_k - коэффициент теплопередачи конденсатора;

Дt - температурный перепад между основной поверхностью (трубой) конденсатора и окружающим воздухом.

Ввиду незначительных сопротивлений со стороны стенки трубы, последние при определении коэффициента теплопередачи не учитываются

где ₁ - коэффициент теплоотдачи от конденсируемого агента к стенке трубы; ₂ - коэффициент теплоотдачи от ребристой поверхности к воздуху; 0,9 - коэффициент ухудшения теплоотдачи в связи с ребрами насаженными, а не монолитными. Коэффициент теплоотдачи от холодильного агента к стенке трубы рассчитывается по формуле для конвективного теплообменника при изменении агрегатного состояния

₁=1,26Mg^0,5l^0,35d^-0,25.

(Розенфельд Л.М., Ткачев А.Т. Холодильные машины и аппараты, с.338).

Расчетный коэффициент M принимаем по графику Городинской для NH₃ M=5,6.

Тепловой поток подсчитываем ориентировочно, задавшись К=60 и длину трубы приняв 1,5 м, ккал/м²

g=kИ_m,

где t_e - температура агента при входе в оребренную часть конденсатора, принимаем равной 52°С;

t_в - температура воздуха, поступающего в конденсатор, равная 32°С;

- температура нагретого воздуха, уходящего из конденсатора, равная 36°С;

- температура наружной стенки трубы, принимаем равной 48°С.

Средняя температура воздуха, омывающего конденсатор

t_в= (32+36) /2=34°С;

°С;

g=6015,3=918 ккал/час;

₁=1,265,6918^0,51,5^0,350,011^-0,25=757 ккал/м²час°С.