Генераторно-абсорбционный теплообменный аппарат для передачи теплоты и способ применения его в тепловом насосе

Генераторно-абсорбционный теплообменный аппарат для передачи теплоты и способ применения его в тепловом насосе

Реферат

 

В абсорбционном тепловом насосе установлен теплообменный аппарат, имеющий змеевиковые контуры в теплообменных зонах абсорбера и генератора. Теплообменный аппарат обеспечивает циркуляцию слабого раствора из высокотемпературной зоны генератора и крепкого раствора из низкотемпературной зоны абсорбера в и через высокотемпературные зоны, зоны теплообмена и низкотемпературные зоны генератора и абсорбера. Использование изобретения позволит передавать тепло из абсорбера в генератор посредством циркуляции по теплообменному аппарату рабочей жидкости, безопасной для окружающей среды. 6 с. и 83 з.п. ф-лы, 10 ил.

Настоящее изобретение относится к системам охлаждения и тепловым насосам, а более конкретно к циклу абсорбционного охлаждения генераторно-абсорбционного теплообменного типа. Изобретение особенно удобно для применения в газопламенном воздухо-воздушном тепловом насосе.

Циклы абсорбционного охлаждения были разработаны в середине 1800-х годов и первоначально использовались в системах охлаждения. Такие циклы осуществлялись с помощью смеси холодильной агент/абсорбент, при этом пар холодильного агента, будучи абсорбированным в абсорбере в жидкий абсорбент, производил теплоту с последующим нагревом смеси холодильный агент/абсорбер в генераторе для отгонки (отделения) пара холодильного агента. Цикл осуществлялся с помощью конденсатора, который также производил теплоту, и испарителя, который извлекал теплоту. Теплота, производимая абсорбцией в абсорбере, вместе с теплотой из конденсатора отводилась к охлаждающей среде, обычно к охлаждающей воде.

Эти ранние системы с "одноэтапным" абсорбционным циклом были энергетически неэффективными, но до появления электрических двигателей очень часто предпочитались компрессионным системам, поскольку стоимость тепловой энергии, необходимой для их функционирования, была ниже, а сами системы требовали намного меньше механической энергии, чем компрессионные системы. В большинстве областей спад применения этих систем одноэтапной абсорбции наступил с изменением относительной стоимости газа и электрической энергии и усовершенствованиями в компрессионных системах, работающих от электрической энергии. Однако даже сегодня эти относительно неэффективные одноэтапные системы все еще применяются в промышленных системах кондиционирования воздуха с бромидом лития низкого давления и в системах охлаждения для транспортных средств с источниками возобновляемой энергии и гостиниц.

В 1913 г. Альтенкирх изобрел улучшенный абсорбционный цикл. Этот цикл был более эффективен, чем прежние одноэтапные циклы, за счет передачи части теплоты, вырабатываемой в абсорбере, жидкости холодильного агента/адсорбера, проходящей к генератору. Такая передача теплоты уменьшала подвод суммарной теплоты, необходимой генератору для выпаривания холодильного агента из смеси холодильный агент/абсорбер. Эта система балы названа абсорбционной теплообменной системой.

Абсорбционный теплообменный цикл использовался в начале 1960-х годов в абсорбционных системах, эффективность которых была достаточной для производства дешевых в то время кондиционеров. С 1965 г. абсорбционный теплообменный цикл использовался в кондиционерах с воздушным конденсатором, предназначенных для установки в жилых помещениях. Но даже в этих абсорбционных теплообменных системах большая часть теплоты, производимой процессом абсорбции в абсорбере, терялась. Абсорбционный теплообменный цикл также использовался в рамках экспериментов в воздухо-воздушных тепловых насосах, которые были выгодны при обогреве, но никогда не производились в промышленном масштабе. По мере повышения стоимости энергии абсорбционные теплообменные кондиционеры потеряли большую часть преимуществ, связанных со стоимостью, и сегодня имеют только ограниченный сбыт.

Также в 1913 г. Альтенкирх изобрел другой абсорбционный цикл, который обеспечивает больший возврат теплоты абсорбции из абсорбера. Этот цикл, который известен как генераторно-абсорбционный теплообменный цикл, основан на использовании дополнительной теплообменной системы, в которой высокотемпературная теплота, производимая процессом абсорбции в абсорбере, передается через теплообменную жидкость в генератор. Концепция этого генераторно-абсорбционного теплообменного цикла направлена на возврат дополнительного большого количества теплоты из абсорбера и использование более высоких температур генератора, чем в абсорбционной теплообменной системе, и, таким образом, на достижение более высокого энергетического коэффициента полезного действия. Теплопроизводительность таких генераторно-абсорбционных теплообменных систем применительно к отдельным видам топлива может быть намного выше, чем топочных камер, бойлеров и т.д. (см. патент ЕР, 0508608, Кл. F 25 B 15/02, 1992).

Однако системы на основе генераторно-абсорбционного теплообменного цикла, известные из уровня техники, не свободны от недостатка, заключающегося в том, что в них необходим отдельный контур теплообмена с использованием отдельной теплообменной жидкости. Этот контур теплообмена, который должен быть герметичным, нуждается в расширительной камере, насосе, способном создавать переменный поток, и системе регулирования, согласующей величину потока теплообменной жидкости с генераторно-теплообменной теплотой, которая должна быть передана в течение цикла охлаждения или нагрева при особой температуре наружного воздуха. В этих генераторно-абсорбционных теплообменных системах, известных из уровня техники, обычно применяется теплообменная жидкость, которая удерживается в жидкой фазе, вследствие чего используется только сухая теплота (энтальпия) теплообменной жидкости.

Электрические тепловые насосы, которые работают в соответствии со стандартным конденсаторно-испарительным циклом, до сих пор используются для обогрева и охлаждения бытовых и небольших производственных помещений. Однако в то время, как электрические тепловые насосы могут с успехом удовлетворять требованиям по обогреву и охлаждению жилых домов и небольших производственных зданий в районах с относительно мягким климатом, в таких как южные штаты Соединенных Штатов, то эти же электрические тепловые насосы не могут обеспечить без вспомогательного оборудования обогрева необходимый обогрев в климатических районах, в которых температура падает ниже 0^oC. В дополнение к этому, в таких системах электрических тепловых насосов обычно применяют такие холодильные агенты, как гидрохлоруглероды и хлорфторуглероды, которые опасны для окружающей среды.

Поэтому существует необходимость в создании генераторно-абсорбционного теплообменного аппарата и способа, пригодных для применения в бытовом или небольшом промышленном тепловом насосе, который эффективно передает большую часть теплоты, производимой процессом абсорбции в абсорбере, в генератор без дорогого, склонного к отказам, независимого контура теплообмена.

Настоящее изобретение удовлетворяет эту необходимость с помощью генераторно-абсорбционного теплообменного аппарата и способа, в которых применяют безопасную для окружающей среды жидкость в качестве рабочей жидкости и теплообменной жидкости, эффективно возвращающей большую часть теплоты, производимой процессом абсорбции в абсорбере, не требующих сложной системы управления и с успехом использующих скрытую теплоту и сухую теплоту (энтальпию) рабочей жидкости для передачи теплоты из абсорбера в генератор путем пребывания паровой и жидкой фазами, при этом аппаратура из-за небольших размеров, стоимости и высокой эффективности может использоваться для удовлетворения требованиям к обогреву и охлаждению бытовых или небольших производственных помещений в широком диапазоне климатических условий, включая достаточный обогрев при температурах наружного воздуха ниже -18^oC.

Дополнительные особенности и преимущества изобретения будут установлены далее в чертежах и в следующем за ними описании и отчасти будут понятны из чертежей и описания или могут быть усвоены из реализаций изобретения. Преимущества изобретения реализуются и достигаются с помощью генераторно-абсорбционного теплообменного аппарата, теплового насоса, имеющего в своем составе генераторно-абсорбционный теплообменный аппарат, и способа для передачи теплоты между абсорбером и генератором в генераторно-абсорбционном аппарате, конкретно рассмотренных в графических материалах, описании и вытекающих из них притязаний.

Для достижения этих и других преимуществ и в соответствии с целью изобретения, как здесь представлено и подробно описано, настоящее изобретение в одном аспекте предусматривает генераторно-абсорбционный теплообменный аппарат, который содержит генератор и абсорбер. Абсорбер имеет внутреннее давление более низкое, чем внутреннее давление генератора, и каждый из них имеет высоко- и низкотемпературную зоны на противоположных концах и зону теплообмена. Температурные диапазоны генератора и абсорбера, которые определяют соответствующие зоны теплообмена, перекрываются. Магистраль потока жидкости предусмотрена для циркуляции слабого раствора из высокотемпературной зоны генератора и крепкого раствора из низкотемпературной зоны абсорбера и через высокотемпературные зоны, зоны теплообмена и низкотемпературные зоны генератора и абсорбера. Усовершенствование генераторно-абсорбционного теплообменного аппарата в соответствии с изобретением, как здесь представлено и подробно описано, содержит контур теплообмена, размещенный для приема по крайней мере части раствора из магистрали потока жидкости и для циркуляции части раствора между зонами теплообмена абсорбера и генератора с целью передачи теплоты из абсорбера в генератор.

В предпочтительной реализации контур теплообмена в дополнение содержит теплообменный элемент, размещенный в зоне теплообмена одного (агрегата) из (совокупности) генератора и абсорбера, и трубопровод, пропускающий часть раствора из магистрали потока жидкости к теплообменному элементу и в другой (агрегат) из (совокупности) генератора и абсорбера.

В еще одной предпочтительной реализации контур теплообмена в дополнение содержит множество теплообменных элементов, при этом по крайней мере один из них размещен в зоне теплообмена каждого (агрегата) из (совокупности) генератора и абсорбера, и трубопровод, пропускающий часть раствора из магистрали потока жидкости последовательно в каждый теплообменный элемент, поочередно между зонами теплообмена.

В соответствии с другим аспектом изобретения контур теплообмена предпочтительно содержит входной конец в связи по линии жидкости с магистралью потока жидкости и выходной конец для разбрызгивания части раствора, циркулирующего между зонами теплообмена внутри генератора или абсорбера. Выходной конец может быть в связи по линии жидкости с магистралью потока жидкости в месте, в котором раствор представляет собой жидкость крепкого раствора, жидкость слабого раствора или пар слабого раствора. Раствор, циркулирующий между зонами теплообмена генератора и абсорбера, может быть, главным образом, в жидком состоянии или может быть двухфазной смесью жидкости и пара.

В другом аспекте настоящее изобретение охватывает генераторно-абсорбционный теплообменный аппарат, содержащий генератор, приспособленный для нахождения раствора, имеющего градиент концентрации, от крепкого вблизи верхнего конца до слабого вблизи нижнего конца, и градиент температуры, от низкой вблизи верхнего конца до высокой вблизи нижнего конца. Генераторно-абсорбционный теплообменный аппарат в этом аспекте изобретения также содержит абсорбер, имеющий давление внутри, более низкое, чем внутреннее давление генератора, и приспособленный для нахождения раствора, имеющего градиент концентрации, от слабого вблизи верхнего конца до крепкого вблизи нижнего конца, и градиент температуры, от высокой вблизи верхнего конца до низкой вблизи нижнего конца. Генераторно-абсорбционный теплообменный аппарат в этом аспекте также содержит трубопровод крепкого раствора, имеющий ввод в связи по линии жидкости с абсорбером вблизи его нижнего конца и выпуск, размещенный в генераторе вблизи его верхнего конца, для распределения крепкого раствора из нижнего конца абсорбера с целью прохода зоны градиентов концентрации и температуры генератора. Насос в связи по линии жидкости с трубопроводом крепкого раствора предусмотрен для прохода жидкости через трубопровод из абсорбера в генератор. Трубопровод слабого раствора имеет ввод в связи по линии жидкости с генератором вблизи его нижнего конца и выпуск, размещенный в абсорбере вблизи его верхнего конца для распределения слабого раствора из нижнего конца генератора с целью прохода через зоны градиентов концентрации и температуры генератора. Нагреватель для теплого раствора размещен в генераторе вблизи его нижнего конца. Генераторно-абсорбционный теплообменный аппарат в этом аспекте изобретения имеет также в своем составе контур теплообмена, содержащий по крайней мере один теплообменник, размещенный в одном (агрегате) из (совокупности) абсорбера и генератора, в его зоне теплообмена, и теплообменный трубопровод, имеющий входной конец, размещенный для приема раствора из по крайней мере одного (агрегата) из (совокупности) абсорбера, генератора, трубопровода крепкого раствора и трубопровода слабого раствора, и выходной конец, размещенный для распределения раствора в одном (агрегате) из (совокупности) абсорбера и генератора, трубопровод, транспортирующий раствор между зонами теплообмена абсорбера и генератора с целью передачи теплоты посредством этого.

Отдельные генераторно-абсорбционные теплообменные аппараты для передачи теплоты, описанные здесь, выполняют функцию магистрали слабого раствора или крепкого раствора, что исключает необходимость в дополнительной отдельной магистрали слабого раствора или крепкого раствора. Путем исключения отдельного, независимого от генераторно-абсорбционного теплообменного аппарата, контура настоящее изобретение при его внедрении в абсорбционную систему дает результат, заключающийся в уменьшении расхода материалов, трудоемкости и стоимости установки и, кроме того, в снижении требований к техническому обслуживанию системы. В дополнение к этому, внедрение настоящего изобретения в абсорбционную систему дает результат, заключающийся в повышении надежности всей системы, т.к. исключается отдельный узел потенциального отказа системы, по сравнению с предшествующими абсорбционными системами, в которых использован отдельный, независимый от генераторно-абсорбционного теплообменного аппарата, контур.

Настоящее изобретение в другом аспекте предусматривает тепловой насос, содержащий находящийся в помещении теплообменник жидкость-воздух, находящийся на открытом воздухе теплообменник жидкость-воздух, генераторно-абсорбционный теплообменный аппарат и контур антифриза. Контур антифриза в соответствии с этим аспектом изобретения размещен для циркуляции антифризной жидкости между находящимся в помещении и находящимся на открытом воздухе теплообменниками, а генераторно-абсорбционный теплообменный аппарат предназначен для избирательного отбора теплоты от одного из теплообменников и передачи теплоты другому теплообменнику.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предусмотрен способ для передачи теплоты между абсорбером и генератором в генераторно-абсорбционном теплообменном аппарате. Эту передачу теплоты совершают путем циркуляции части по крайней мере одного (раствора) из (совокупности) сильного раствора и слабого раствора между зоной теплообмена абсорбера и зоной теплообмена генератора. Как упоминалось выше, зона теплообмена генератора и зона теплообмена абсорбера имеют градиенты температуры, а также общий температурный диапазон.

В соответствии с другим аспектом изобретения предусмотрен способ для передачи теплоты между зоной низкой температуры и зоной средней температуры с применением генераторно-абсорбционного и теплообменного аппарата согласно изобретению. Этот способ включает циркуляцию по крайней мере части антифризной жидкости между находящимся в помещении теплообменником и по крайней мере одним (теплообменником) из (совокупности) теплообменника абсорбера, теплообменника конденсатора и теплообменника генератора, посредством чего передают теплоту через антифризную жидкость от по крайней мере одного теплообменника абсорбера, конденсатора и генератора к находящемуся в помещении теплообменнику. Способ также включает циркуляцию антифризной жидкости между находящимся на открытом воздухе теплообменником и теплообменником испарителя, посредством чего передают теплоту через антифризную жидкость от находящегося на открытом воздухе теплообменника к теплообменнику испарителя.

В соответствии с другим аспектом изобретения предусмотрен способ для передачи теплоты между зоной высокой температуры и зоной средней температуры с применением генераторно-абсорбционного теплообменного согласно изобретению. Этот способ включает циркуляцию, по крайней мере, части антифризной жидкости между находящимся на открытом воздухе теплообменником и по крайней мере одним (теплообменником) из (совокупности) теплообменника абсорбера, теплообменника конденсатора и теплообменника генератора, посредством чего передают теплоту через антифризную жидкость от по крайней мере одного теплообменника абсорбера, конденсатора и генератора к находящемуся на открытом воздухе теплообменнику. Способ также включает циркуляцию антифризной жидкости между находящимся в помещении теплообменником и теплообменником испарителя, посредством чего передают теплоту от находящегося в помещении теплообменника к теплообменнику испарителя.

Хотя изобретение представлено как реализованное в газопламенном тепловом насосе для жилых помещений, оно, как прямо заявлялось, не ограничено таким образом и его выгоды и преимущества равным образом приложимы к другим процессам обогрева и охлаждения. Вышеприведенные и другие преимущества и особенности этого изобретения станут более ясными после рассмотрения следующих подробностей в сочетании с чертежами.

Фиг. 1 - блок-схема абсорбционного аппарата с применением обычного генераторно-абсорбционного контура теплообмена; фиг. 2 - график давление-температура-состав (Р-Т-Х) для системы, показанной на фиг. 1; фиг. 3 - блок-схема первой реализации генераторно-абсорбционного теплообменного аппарата согласно настоящему изобретению; фиг. 3A - блок-схема варианта первой реализации генераторно-абсорбционного теплообменного аппарата согласно настоящему изобретению; фиг. 4 - блок-схема второй реализации генераторно-абсорбционного теплообменного аппарата согласно настоящему изобретению; фиг. 5 - блок-схема третьей реализации генераторно-абсорбционного теплообменного аппарата согласно настоящему изобретению; фиг. 6 - блок-схема четвертой реализации генераторно-абсорбционного теплообменного аппарата согласно настоящему изобретению; фиг. 7 - блок-схема пятой реализации генераторно-абсорбционного теплообменного аппарата согласно настоящему изобретению; фиг. 7A - блок-схема варианта пятой реализации генераторно-абсорбционного теплообменного аппарата согласно настоящему изобретению; фиг. 8 - блок-схема шестой реализации генераторно-абсорбционного теплообменного аппарата согласно настоящему изобретению; фиг. 8A - блок-схема варианта шестой реализации генераторно-абсорбционного теплообменного аппарата согласно настоящему изобретению; фиг. 9 - блок-схема седьмой реализации генераторно-абсорбционного теплообменного аппарата согласно настоящему изобретению и фиг. 10 - блок-схема теплового насоса в соответствии с настоящим изобретением с применением генераторно-абсорбционного теплообменного аппарата согласно изобретению.

В соответствии с изобретением использованный в описании термин "слабый раствор" относится к раствору в высокотемпературной зоне, т.е. в нижней части генератора. Термин "крепкий раствор", использованный в описании, относится к раствору в низкотемпературной зоне, т.е. в нижней части абсорбера. Термины "слабый" и "крепкий" связаны с отношением концентрации абсорбированного компонента (абсорбированных компонентов), т.е. холодильного агента, к концентрации компонента (компонентов) абсорбера, т.е. воды. Так, например, жидкость слабого раствора содержит меньше абсорбированного холодильного агента, такого как аммиак, и больше абсорбента, такого как вода, чем равное ей количество жидкости крепкого раствора. Однако пар, находящийся в равновесии с жидкостью, будет иметь намного более высокую концентрацию холодильного агента, чем жидкость. Для примера, в нижней части абсорбера пар, поступающий из испарителя, может иметь концентрацию холодильного агента около 99%, тогда как жидкость крепкого раствора, находящаяся в равновесии с паром крепкого раствора, может иметь концентрацию холодильного агента около 40%. Соответственно, пар слабого раствора в верхней части абсорбера, находящийся в равновесии с жидкостью слабого раствора, поступающей из генератора, будет иметь концентрацию холодильного агента, который больше, чем концентрация в жидкости слабого раствора.

Как отмечалось выше, абсорбированный компонент (абсорбированные компоненты) и компонент (ы) абсорбента, содержащие слабый раствор и крепкий раствор, могут быть в парообразном, или в жидком состоянии, или в сочетании этих двух состояний. Кроме того, термин "тепловой насос", используемый в описании, подразумевает включение в это понятие аппарата, который преобразует теплоту между низко-, средне- и высокотемпературным состояниями, не только в общепонимаемом значении термина, но также с включением в него тепловых преобразователей и более традиционных способов, таких как охлаждение и связанных с ним процессов.

В известной системе-прототипе, показанной на фиг. 1, генераторно-абсорбционный теплообменный аппарат 10, работающий в соответствии с генераторно-абсорбционным теплообменным циклом, содержит генератор 12, абсорбер 14, конденсатор 16, испаритель 18 и магистраль раствора холодильного агента для циркуляции раствора холодильного агента к генератору 12 и абсорберу 14 и через них. В частности, магистраль раствора холодильного агента содержит магистраль 21 крепкого раствора, обеспечивающую связь по линии жидкости крепкого раствора 32 от низкотемпературной зоны С абсорбера 14 к низкотемпературной зоне D генератора 12, и магистраль 22 слабого раствора, обеспечивающую связь по линии жидкости слабого раствора 46 от высокотемпературной зоны E генератора 12 к высокотемпературной зоне F абсорбера 14. Магистраль раствора холодильного агента реализуется прохождением раствора от магистрали 22 слабого раствора через высокотемпературную зону, зону промежуточной температуры и низкотемпературную зону, F, G и C, абсорбера 14, а также прохождением раствора от магистрали 21 крепкого раствора через низкотемпературную зону, зону промежуточной температуры и высокотемпературную зону, D, I и E, генератора 14. Магистраль холодильного агента реализуется от генератора 12 к конденсатору 16 через трубопровод 24, от конденсатора 16 к испарителю 18 через трубопровод 26 и от испарителя 18 к абсорберу 14 через трубопровод 28.

Термины "низкотемпературная зона", "зона промежуточной температуры" и "высокотемпературная зона", использованные в описании, подразумеваются связанными с относительными температурами. Как показано на фиг. 1, каждая зона определена диапазоном температур, который в каждом конкретном узле является более высоким или низким, чем в другой зоне. Для примера, высокотемпературная зона E генератора 12 может иметь температуру около 204^oC, а низкотемпературная зона D генератора 12 может иметь температуру около 93^oC. С другой стороны, высокотемпературная зона F абсорбера 14 может иметь температуру около 149^oC, а низкотемпературная зона C абсорбера 14 может иметь температуру около 38^oC. Как в генераторе 12, так и в абсорбере 14 существует область перекрытия температур, названная здесь зоной теплообмена (теплопередачи). Эта зона теплообмена изображена на фиг. 1 как область между зонами D и I генератора 12 и область между зонами G и F абсорбера 14.

Абсорбционный генератор является, по существу, дистилляционной колонной, которая имеет выпарную секцию и ректификационную секцию. Выпарная секция является нижней и более горячей секцией, соответствующей участку между зонами D и E, тогда как ректификационная секция - это верхняя и более холодная секция, соответствующая участку над зоной D. Место разделения выпарной и ректификационной секций, зона D, является зоной генератора, имеющей температуру, которая соответствует точке кипения жидкости крепкого раствора при давлении, существующем в генераторе.

Как показано на фиг. 1, градиенты температуры в вертикальном направлении для абсорбера 14 и генератора 12 взаимно противоположны, т.е. зона E наивысшей температуры генератора 12 находится на нижнем конце или дне (или вблизи него), в то время как зона наивысшей температуры абсорбера 14 находится на верхнем конце или вблизи него. Поэтому аналогичным образом противоположна ориентация соответствующих зон теплообмена D - I и G - F. Температурный диапазон, определяющий зоны теплообмена D - I и G - F, находится в пределах перекрытия температур температурного диапазона генератора 12 и температурного диапазона абсорбера 14, к примеру, в пределах от 93 до 149^oC.

Известный аппарат, показанный на фиг. 1, имеет в своем составе контур 30 теплообмена, расположенный между зонами теплообмена D - I и G - F генератора 12 и абсорбера 14, которые приспособлены для прохождения жидкости непосредственно между областями зон теплообмена.

Во время работы известной системы, представленной на фиг. 1, холодильный агент низкого давления, состоящий главным образом из такого холодильного агента как аммиак, но, возможно, и включающий небольшое количество абсорбента, если он является испаряющимся, такого как вода, выходит из испарителя 18 преимущественно в виде пара и проходит через трубопровод 28 в низкотемпературную зону C абсорбера 14. Этот пар холодильного агента, поднимающийся вверх через абсорбер 14, абсорбируется в противотоке слабого раствора, что приводит к образованию крепкого раствора 32, который аккумулируется в жидком состоянии в низкотемпературной зоне С абсорбера 14. Этот процесс протекает при температуре выше окружающей с выработкой теплоты, часть которой передается в воздух, воду, антифриз или другую теплопроводящую жидкость, циркулирующую во время этого процесса через теплообменник 36, расположенный в контуре 34 теплообмена.

Крепкий раствор 32 затем направляется по магистрали 21 крепкого раствора с помощью насоса 38 для перекачки раствора в зону D генератора 12, в которой поддерживается высокое давление. В генераторе 12 поддерживается более высокое давление, чем в абсорбере 14. Например, обычно давление в генераторе 12 может быть около 1655-2750 кПа и давление в абсорбере 14 может быть около 103-552 кПа. В соответствии с принципом абсорбционного теплообменного цикла теплообменник 40 в магистрали 21 крепкого раствора используется для передачи абсорбированной теплоты крепкому раствору 32. В одном альтернативном варианте крепкий раствор 32 нагревается в теплообменнике 40 до точки кипения при давлении, имеющемся в генераторе 12, и обеспечивает подвод теплоты к зоне D генератора 12. Альтернативно, как показано на фиг. 1, крепкий раствор 32 нагревается в теплообменнике 40 до температуры ниже точки кипения и затем нагревается в теплообменнике 41 в ректификационной секции над зоной D генератора 12. В другом варианте крепкий раствор 32 распределяется внутри генератора 12 в зоне D.

Тепловой источник 42 и тепловыделяющие ребра 44 совместно нагревают крепкий раствор 32 по мере продвижения его вниз через генератор 12, при этом вытесняющийся из крепкого раствора 32 пар холодильного агента образует слабый раствор 46 в высокотемпературной зоне E генератора 12. Пар, имеющий концентрацию около 100% холодильного агента, выбрасывается из генератора 12 через магистраль 24 холодильного агента в конденсатор 16, в котором он конденсируется и поступает по трубопроводу 26 через средство 48 дросселирования в область более низкого давления в испарителе 18. Слабый раствор 46 в высокотемпературной зоне E генератора 22 возвращается через магистраль 22 слабого раствора в высокотемпературную зону F абсорбера 14. Чувствительный к теплоте слабый раствор 46 обеспечивает ввод теплоты в генератор 12 с помощью теплообменника 52. Теплота может также передаваться в теплообменнике (не показанном) между магистралью 21 крепкого раствора и магистралью 22 слабого раствора.

В известной генераторно-абсорбционной теплообменной системе, показанной на фиг. 1, передача теплоты выполняется генераторно-абсорбционным контуром 30 теплообмена, содержащем, в качестве примера, пару теплообменных змеевиков 50 и 53 и насос 54 для циркуляции теплопередающей жидкости, такой как напорная вода. Поскольку градиенты температуры в вертикальном направлении противоположны для абсорбера 14 и генератора 12, необходимо скрещивание магистралей между змеевиками 50 и 53, как это показано на фиг. 1.

Принцип генераторно-абсорбционного теплообменного цикла иллюстрируется графиком давление-температура-состав, показанным на фиг. 2, на котором точка D представляет место разделения выпарной и ректификационной секций генератора 12, точка E представляет высокотемпературную зону генератора 12, точка С представляет низкотемпературную зону абсорбера 14, точка F представляет высокотемпературную зону абсорбера 14, точка I представляет зону генератора 12, в которой температура ниже, чем температура точки F в абсорбере 14, на значение, достаточное для обеспечения разности температур, которая необходима для теплообмена между этими зонами, и точка G представляет зону абсорбера 14, температура в которой выше, чем температура в зоне точки D в генераторе 12, на значение, достаточное для обеспечения разности температур, которая необходима для теплообмена между этими зонами. Эти зоны на фиг. 2 соответствуют зонам D, E, C, F, I и G на фиг. 1. Линия D - I представляет зону теплообмена генератора 12 и линия G - F представляет зону теплообмена абсорбера 14. Точки А и В представляют конденсатор 16 и испаритель 18 соответственно. Линия от C до D представляет магистраль 21 крепкого раствора и линия от E до F представляет магистраль 22 слабого раствора. Стрелки на фиг. 2, простирающиеся от линии G - F к линии D - I, отражают передачу теплоты от зоны теплообмена абсорбера 14 к зоне теплообмена генератора 12.

Теплота, передаваемая от абсорбера 14 к генератору 12, доступна во всем температурном диапазоне абсорбера 14 и передается в температурном диапазоне генератора 12, который холоднее только на разность температур, требуемую для передачи теплоты. Чтобы повысить эффективность, теплота от самого горячего сегмента зоны F теплообмена абсорбера 14 передается к наиболее горячему сегменту зоны I теплообмена в генераторе 12 и аналогично для каждого из более холодных сегментов зон теплообмена абсорбера 14 и генератора 12. Это означает, что температурный диапазон теплопередающей жидкости должен быть установлен между температурными диапазонами зон теплообмена генератора 12 и абсорбера 14, причем для каждого сегмента.

В соответствии с настоящим изобретением, как здесь представлено и подробно описано, контур теплообмена предусмотрен в генераторно-абсорбционном теплообменном аппарате, содержащем генератор и абсорбер. Абсорбер имеет внутреннее давление, более низкое, чем давление внутри генератора, и каждый (агрегат) из (совокупности) генератора и абсорбера имеет вертикально разнесенные высоко- и низкотемпературную зоны и зону теплообмена. Температурные диапазоны, определяющие соответствующие зоны теплообмена, перекрываются. Генераторно-абсорбционный теплообменный аппарат имеет в своем составе магистраль потока жидкости для циркуляции раствора с крепкой и слабой концентрацией холодильного агента в и через высокотемпературные зоны, зоны теплообмена и низкотемпературные зоны генератора и абсорбера.

Настоящее изобретение предусматривает различные реализации и способы для выполнения генераторно-абсорбционной теплообменной передачи теплоты в генераторно-абсорбционном теплообменном аппарате с использованием холодильного агента/абсорбента в качестве рабочей жидкости системы. Аппарат согласно изобретению включает контур теплообмена, который размещен для приема, по крайней мере, части раствора из магистрали потока жидкости и для циркуляции раствора между зонами теплообмена абсорбера и генератора с целью передачи теплоты из абсорбера в генератор. Под использованным здесь термином "зона теплообмена" подразумеваются не только зоны внутри генератора и абсорбера, имеющие перекрывающиеся температуры, но также зоны, смежные или находящиеся в теплообменном контакте с в внутренними областями генератора и абсорбера, имеющими перекрывающиеся температуры. Желательно, чтобы обмен обеспечивался на протяжении всего перекрытия температурного диапазона.

В соответствии с изобретением, как здесь представлено и подробно описано, контур теплообмена содержит теплообменный элемент, размещенный в зоне теплообмена одного (агрегата) из (совокупности) генератора и абсорбера, и трубопровод, пропускающий часть раствора из магистрали потока жидкости в теплообменный элемент и, в таком случае, в зону теплообмена другого (агрегата) из (совокупности) генератора и абсорбера. Контур теплообмена согласно изобретению может содержать множество теплообменных элементов, при этом по крайней мере один из них размещен в зоне теплообмена каждого (агрегата) из (совокупности) генератора и абсорбера с трубопроводом, пропускающим раствор из магистрали потока жидкости последовательно в каждый теплообменный элемент, поочередно между зонами теплообмена. В каждом (агрегате) из (совокупности) генератора и абсорбера может быть любое количество, от одного до четырех и больше, теплообменных элементов, зависящее от конкретной реализации изобретения. Использованный в соответствии с изобретением термин "теплообменный элемент" относится к любому аппарату или прибору, способному обеспечивать обмен теплотой между жидкостями, и такому как теплообменный змеевик.

В соответствии с изобретением, как здесь представлено и подробно описано, движущая сила для циркуляции раствора в контуре теплообмена может альтернативно обеспечиваться насосом, за счет разности давлений между генератором и абсорбером, эжектором или их комбинацией. Желательно, чтобы контур теплообмена имел в своем составе входной конец в связи по линии жидкости с магистралью потока жидкости для забора раствора холодильного агента из магистрали раствора холодильного агента и выходной конец для распределения раствора внутри либо генератора, либо абсорбера.

В двух реализациях изобретения, как показано на фиг. 3 и 4, входной конец предусмотрен в связи по линии жидкости с магистралью потока жидкости в месте, где раствор представляет собой жидкость слабого раствора, с использованием таким путем слабого раствора в качестве теплообменной среды для контура теплообмена.

В одной реализации изобретения, как показано на фиг. 6, входной конец предусмотрен в связи по линии жидкости с магистралью потока жидкости в месте, где раствор представляет собой пар слабого раствора, с использованием таким путем пара слабого раствора в качестве теплообменной среды.

В еще одной реализации изобретения, как показано на фиг. 5, входные концы предусмотрены в связи по линии жидкости с магистралью потока жидкости в двух различных местах, в одном, где раствор представляет собой пар слабого раствора, и в другом, где раствор представляет собой жидкость слабого раствора, с использованием таким путем смеси жидкости слабого раствора и пара слабого раствора в качестве теплообменной среды.

В дополнительных реализациях изобретения, как показано на фиг. 7, 7A, 8, 8A и 9, входной конец предусмотрен в связи по линии жидкости с магистралью потока жи