The Design and Development of a Solar Powered Refrigerator/Napenergiával működő hűtőszekrény tervezése és fejlesztése

▼Ez az oldal szerzői jogvédelem alatt áll.

Ez az erőforrás publikálható, de felhasználása korlátozott. Ne módosítsa a szövegtörzset, és ne használja fel újra engedély nélkül. Tekintse nyílt hozzáférésűként , ami kivétel az Appropedia licenc alól . Bővebben...

RHB Exell, Sommai Kornsakoo, DGDC Wijeratna. Bangkok, Thaiföld: Ázsiai Műszaki Intézet, 1976.

A könyvet Jianlang Mai , Scott Gennings , Graham Coote , Ana Lise Herrera és Howard Swartz portolta .

Ez a kutatási jelentés egy napenergiával működő hűtőrendszer fejlesztésével kapcsolatos munkát ír le, amely végül egy falusi méretű jégkészítő vagy egy élelmiszer-tartósításra szolgáló hűtőtároló egység gyártásához vezet .

Ezt a témát DGDC Wijeratna úr vizsgálta egyéni tanulmányi projektjelentésében (34. sz.), a kísérleti egységet pedig Dr. RHB Exell tervezte. Az egység felépítését és tesztelését Sommai Kornsakoo úr végezte mesterképzéséhez.

Az Ázsiai Technológiai Intézet (AIT) hálával tartozik a thaiföldi John F. Kennedy Alapítványnak a napenergia-kutatásra nyújtott pénzügyi támogatásért, amelyet HE Hoelscher professzor, az AIT elnöke 1973-ban Dr. Tbanat Khomannak, az Alapítvány elnökének tett javaslatára nyújtottak be.

Egy kis ammónia-víz szakaszos abszorpciós hűtőszekrényt teszteltek egy 1,44 m2- ^es síklemezes napkollektorral, amely az első lépés egy falusi jégkészítő fejlesztése felé. Nem használ olajat vagy elektromos áramot. A regeneráció nappal, a hűtés pedig éjszaka történik. A gyors abszorpciót egy új, Swartman által elsőként javasolt tulajdonság biztosítja, amelyben az abszorpció hője elvezetődik a síklemezről.

A generátorban 15 kg, 46%-os ammóniatartalmú vizes oldatot használnak. Tiszta időben az oldat hőmérséklete 30 ^° C-ról 88 ^° C-ra emelkedik, és 0,9 kg tiszta ammónia kondenzálódik 32 ^° C-on. Hűtés közben az ammónia hőmérséklete -7 ^° C-ra csökken. A becsült teljes napenergia-teljesítménytényező (a hűtőhatás osztva az elnyelt napenergiával) 0,09, ami bár kicsi, mégis összehasonlítható a korábban publikált munkákkal. A tervezési fejlesztéseket is tárgyaljuk.

Számos fontos ok szól amellett, hogy a napenergiát energiaforrásként tekintsük a fejlődő országok igényeinek kielégítésére. Először is, a fejlődő országok többsége a trópusokon vagy azok közelében fekszik, és jó napsugárzással rendelkezik. Másodszor, az energia kritikus szükséglet ezekben az országokban, de nem rendelkeznek széles körben elosztott, könnyen elérhető hagyományos energiaforrásokkal. Harmadszor, a fejlődő országok többségére jellemző a száraz éghajlat, a szétszórt és nehezen megközelíthető lakosság, valamint a beruházási tőke hiánya, így gyakorlatilag leküzdhetetlen akadályokkal szembesülnek a hagyományos eszközökkel, például a villamosítással történő energiaellátás terén. Ezzel szemben a napenergia könnyen elérhető, és már el van osztva a potenciális felhasználók között. Negyedszer, a napenergia diffúz jellege miatt a fejlesztések világszerte kisebb egységekben történtek, ami jól illeszkedik a vidéki gazdaság mintájába.

A jelen tanulmány egy, az AIT-ben a napenergia hasznosításával foglalkozó projekt része, amelynek célja egy vagy több prototípus egység fejlesztése, amelyek demonstrálják a napenergia hasznosságát és gazdaságosságát a tervezett célokra.

A fejezetben szereplő érvelés konkrét célja, hogy azonosítsa az ázsiai fejlődő országok számára hasznos napenergia-hasznosítási területet, valamint hogy kiválasszon egy megfelelő eszközt a fejlesztéshez és az előzetes vizsgálathoz.

Úgy tűnik, hogy a napenergia-kutatás az elmúlt két évtizedben lendületet vett. Ebben az időszakban számos publikáció, szeminárium és konferencia foglalkozott a napenergiával. A napenergia-alkalmazások egyik legnaprakészebb és legátfogóbb áttekintése a Nemzetközi Fejlesztési Tudományos és Technológiai Tanács ad-hoc tanácsadó testületének jelentése, melynek címe: „Napenergia a fejlődő országok számára: Perspektívák és kilátások”, NEMZETI TUDOMÁNYOS AKADÉMIA (1972). E jelentés következtetései felülírják a korábbi hasonló felmérések következtetéseit, és az alábbiakban foglaljuk össze őket.

A testület megjegyzi, hogy a nappárologtatás történelmi, hagyományos módszer volt a só tengervízből vagy sóoldatokból történő kinyerésére; ma is fontos mind kis, mind nagy léptékben számos országban. Úgy tűnik, kevés olyan kutatás van, amelyet az ezt a folyamatot alkalmazó iparágak ne tudnának elvégezni.

A vízmelegítési technológia jól kidolgozott, és a szükséges fejlesztés nagyrészt a technológia hozzáigazítása az adott ország anyagaihoz és gyártási kapacitásaihoz. A kórházak, iskolák és más hasonló intézmények, valamint a családok számára a meleg víz sokkal szélesebb körben elérhetővé válhat ezekkel a fejlesztésekkel. A berendezések jellegüknél fogva a fejlődő országokban is gyárthatók, és az ő körülményeikhez való hozzáigazításuk egyszerűnek tűnik.

A napdesztillációt továbbra is kísérleti jellegűnek kell tekinteni, de a kisméretű közösségi lepárlók közel vannak a széles körű kereskedelmi alkalmazásokhoz. Ma már rendelkezésre állnak olyan tervek a napdesztillátorokhoz, amelyek üzemképesek és kellő biztonsággal használhatók. Az alkalmazás további kutatása magában foglalná a meglévő technológia adaptálását a fejlődő országok sajátos igényeihez a tervezési módosítások révén, amelyek lehetővé teszik a helyben elérhető anyagok és helyben gyártott alkatrészek használatát.

A napenergia hagyományos és széles körben elterjedt felhasználási módja a szárítás, különösen a mezőgazdasági termékek esetében. Ezeknek a szárítandó növényekhez vagy egyéb anyagokhoz való tervezése és vezérlése olyan kutatási terület, amely a fejlődő országokban gyakorlatiasabb alkalmazásokhoz vezethet, ami az élelmiszerkészletek jobb felhasználását eredményezheti.

A napfűtéssel kapcsolatos kutatások és fejlesztések szinte teljes egészében az iparosodott országok mérsékelt éghajlatán alkalmazható alkalmazásokra irányultak. A testület keveset tud a fejlődő országok fűtési igényeinek valós mértékéről, illetve a napenergia lehetséges szerepéről ezen igények kielégítésében.

Az elsősorban az Egyesült Államokbeli és ausztráliai alkalmazásokra irányuló légkondicionálással kapcsolatos tanulmányok még korai szakaszban vannak. A technológiai megvalósíthatóság biztosítottnak tűnik; a gazdasági megvalósíthatóság vizsgálata jelenleg folyik. A napenergia hűtés legjobb módszerei a fejlődő országokban jelenleg messze nem tisztázottak, és a légkondicionálás iránti igény sürgőssége és mértéke sem ismert.

Számos hűtési ciklus és rendszer jöhet szóba napkollektoros hűtés esetén. Még nem tisztázott, hogy mi lehet a legjobb méret a napkollektoros hűtőszekrények üzemeltetésére a fejlődő országokban. Jelentős számú nyitott kérdés van a hűtéssel kapcsolatban, és az alkalmazás vonzó lehetőséget kínál a rendelkezésre álló élelmiszerek jobb felhasználására, ha a hűtést sikeresen lehetne biztosítani.

A gazdaságos napenergia-átalakítás sikeres fejlesztésének lehetséges alkalmazásai a mechanikai vagy elektromos energiaigény kielégítésére széleskörűek. Ez az átalakítás továbbra is megfoghatatlan, mégis érdekes probléma. A napenergiával történő főzés technológiáját tekintve egyszerűnek tűnik, és jelentős előnyökkel jár, ha sikeresen alkalmazható. A napenergiával működő főzőkészülékeket olyan mértékben fejlesztették ki, hogy kielégítő műszaki teljesítményt nyújtanak a családok főzési igényeinek legalább egy részének kielégítésére. Az Indiában, Mexikóban és Marokkóban végzett kiterjedt terepi kísérletek azonban eddig nem eredményezték ezen eszközök társadalmi elfogadottságát. A testület következtetéseit a következőképpen foglalják össze: a jelenleg hasznos vagy a legrövidebb időn belül hasznos eredményeket produkáló napenergia-folyamatok a párologtatás, a szárítás, a desztilláció és a vízmelegítés. A hűtés, a napfűtés, a hűtés és az épületek hőtervezésének szélesebb körű fejlesztése ezen felhasználások némelyikét a következő évtizedben praktikussá teheti. A napenergia alkalmazásaihoz jelentős új technológia fejlesztésére lesz szükség.

Az előző szakaszban tárgyaltak alapján a kísérleti stádiumban lévő napenergia-alkalmazások közül a helyiségek fűtése és légkondicionálása nem kiemelt prioritású igény Ázsiában, a mechanikus vagy elektromos energiára való átállást legjobb az iparosodott országok jól felszerelt laboratóriumaira bízni, és a napenergiával történő főzés társadalmi elfogadottsága meglehetősen kétséges. Ez a napenergiával történő hűtést teszi lehetővé a kutatás szempontjából. A további fejlesztésre szánt eszköz kiválasztásához a következő kérdésekre kell választ adni. Mi az igény egy ilyen eszközre a fejlődő országokban, különösen Ázsiában? Az eszköznek ételhűtőnek vagy jégkészítőnek kell lennie? Mekkora méretűnek kell lennie? A szakasz további része ezekre a kérdésekre keresi a választ.

Egy neves délkelet-ázsiai naptudós névtelenül a következő megjegyzéseket teszi „Érvek a napelemes jégkészítő mellett” című cikkében, ANON., (1963).

„Nyolc évnyi kutatás után, melynek során a napenergia alkalmazásának problémáit vizsgáltam egy fejletlen országban, úgy vélem, hogy a legígéretesebb kutatási irány egy jégkészítő gép kifejlesztése. A cél egy önálló, megbízható jégkészítő gép létrehozása, amely képes legalább 4,5 kg jeget készíteni napsütéses napon, fontonként egy amerikai cent költséggel, kizárólag napenergia és víz felhasználásával. A trópusi országokban hatalmas mennyiségű friss gyümölcs, zöldség és hal megy tönkre, vagy romlik az értéke. Ez a romlás megelőzhető lenne, ha jéggel fagyasztanánk le őket... A jég fontos kereskedelmi árucikk, távoli területeken akár 10 amerikai centet is ér fontonként a magas szállítási költségek miatt (az útközbeni olvadás vagy a helyben, távoli helyen történő előállítás alternatív magas költségei miatt, elektromos árammal vagy üzemanyaggal). Egy külföldön gyártott elektromos hűtőszekrény körülbelül 250 amerikai dollárba kerül, egy hasonló napelemes jégkészítő ára legalább 250 amerikai dollár lenne. Furcsának tűnhet, hogy egy 250 dollárba kerülő napelemes jégkészítőt akkor vásárolnának, amikor az emberek nem vettek volna darabonként csak 10 dolláros napelemes tűzhelyeket. A magyarázat...” ...az a lényeg, hogy a napelemes jégkészítőt olyan kereskedők és boltosok vásárolnák meg, akik könnyen megengedhetik maguknak a mennyiséget, és a jeget értékes friss gyümölcs-, hal- stb. készleteik tartósítására használnák fel... A friss gyümölcsöt, halat stb. termelő szegény emberek is megengedhetik maguknak, hogy fontonként körülbelül egy-két amerikai centért vásároljanak jeget, mivel ez csak egy kis, rövid távú, körülbelül 10-20 amerikai centes befektetés, amelyet a fagyasztott termékek eladása után néhány napon belül megtérülhetnek.

BA HLI és munkatársai (1970) tanulmányozták a jégkészítők fejlesztésének lehetőségeit Burmában. Azt állítják, hogy a napenergiával működő jégkészítők és hűtőszekrények sikere pusztán meteorológiai szempontból garantált. Azt is megfigyelték, hogy a napenergiával működő jégkészítő létesítmények lehetnek lakossági méretűek vagy közösségi méretűek a helyi körülményekhez igazodva. A lakossági napenergiával működő jégkészítőknek és hűtőszekrényeknek a lehető legautomatizáltabbaknak kell lenniük ahhoz, hogy versenyképesek legyenek az elektromosan működő hűtőszekrényekkel. A közösségi méretű napenergiával működő jégkészítők manuális részvétellel is rendelkezhetnek, mivel minden jégkészítőhöz rendelkezésre áll egy kezelő. A helyi gyárak általi jéggyártás költsége nagyjából fél amerikai cent fontonként, a gyárból kiszállítva, de a fogyasztó kezében lévő jég ára a hideg évszakban körülbelül egy amerikai cent fontonként, a meleg évszakban pedig sokkal magasabb lenne. Arra a következtetésre jutottak, hogy ilyen körülmények között, ha egy napenergiával működő jégkészítő Burma bármely részén körülbelül egy amerikai centért tud jeget készíteni fontonként, az a jég áldás lehet az ország számára.

MERRIAM (1972) a napenergia fejlődő országokban való lehetséges alkalmazásait tárgyalva a következőket állapítja meg:

„Egy nagyon ígéretes alkalmazás a hűtés. A hűtés magában foglalja a háztartási hűtőszekrényeket, a helyiségek hűtését, az épületek légkondicionálását stb., de úgy döntöttem, hogy egy konkrét lehetséges eszközre, egy jégkészítő gépre koncentrálok. Ennek több oka is van, mind technológiai, mind társadalmi-gazdasági szempontból. Egyrészt a napsugárzás jéggé alakítása megoldja az időszakosság és a tárolás problémáit. A jég hónapokig tárolható. Ezenkívül szállítható is,... Egy ammónia-víz ciklust terveznek..... Számos jégkészítő és hűtőszekrény épült már, amelyek ezt a ciklust és napenergia-bevitelt használják. Az általam elképzelt terv lágyacélból készülne, robusztus és egyszerű lenne, mozgó alkatrészek nélkül. A kimenet 60-70 kg/nap -10 ^° C-os jég lenne, a bemenet 10-12 m napsugárzás lenne, és egy teljes munkaidős, képzetlen kezelő szolgáltatásait igényelné.”

A fejezet elején feltett kérdésekre most már megadhatók a válaszok, nevezetesen:

A napkollektoros hűtés az egyik legígéretesebb terület a további fejlesztéshez; A jégkészítő tűnik a leghasznosabb eszköznek a fejlődő országokban; Ha a jég fontonként körülbelül egy amerikai centért előállítható, az kereskedelmi életképesség biztosított. A kezdeti fejlesztéshez egy közösségi méretű egységet kell előnyben részesíteni, amely napi 150 font jeget állít elő, némi kézi működtetéssel; a háztartási hűtőszekrényeknek a lehető legnagyobb mértékben automatizáltaknak kell lenniük.

A fenti következtetésekkel a tanulmány első célkitűzését elértük, azaz egy megfelelő eszköz kiválasztását a további fejlesztéshez. A következő lépés egy előzetes tanulmány elvégzése, amelynek célja egy közösségi méretű napelemes jégkészítő fejlesztése. E cél felé vezető első lépésként egy kísérleti jégkészítőt tervezünk és építünk meg, amely tapasztalatokat szolgáltat a további fejlesztéshez.

Ebben a fejezetben bemutatunk néhány olyan elméleti koncepciót, amelyek hasznosak lehetnek a napelemes hűtőszekrények teljesítményének elemzésében. Az ammónia-víz ciklus rövid elemzésére is sor kerül, mivel ezt fogják használni a kísérleti hűtőszekrényben.

Bármely napkollektoros hűtőberendezés lényegében két részből áll: egy hűtőegységből, amely egy termodinamikai ciklust alkalmaz, amely nem különbözik a hagyományos hűtőszekrényekben alkalmazottól, és egy napkollektoros hőforrásból, amelyet síklemezes vagy fókuszáló kollektor működtet. A hűtőszekrény teljesítményének mérésére szolgáló szokásos index a teljesítménytényező, amely a termelt hűtés és a leadott hő aránya. Ugyanez a koncepció alkalmazható a hűtőszekrény alkatrészére is, és a hűtési arány a következőképpen definiálható:

A hűtőközeg által hűtés közben elnyelt hőA generátor tartalma által hűtés közben elnyelt hő

A napkollektor teljesítményét a következőképpen definiálhatjuk: fűtési tényező

a generátor tartalma által elnyelt hőa kollektorra beeső napsugárzás

Az általános teljesítményarány most már meghatározható a két fent definiált arány szorzataként, vagy explicit módon

A hűtőközeg által hűtés közben elnyelt hőa kollektorra beeső napsugárzás

A fűtési arány és a hűtési arány fogalma különösen hasznos olyan rendszerek elemzésekor, ahol a kollektor és a generátor különálló.

A 2.1. és 2.2. ábra egy egyszerű rendszert mutat, amely két, felső csővel összekötött tartályból áll. A jobb oldali tartály ammóniát tartalmaz, és generátor-abszorberként funkcionál. A bal oldali tartály tiszta ammóniát tartalmaz, és kondenzátor-elpárologtatóként funkcionál.

A szakaszos aqua-ammónia rendszer működése két fázisra osztható: a regenerációs fázisra és a hűtési fázisra. A regenerációs fázis során hőt vezetnek a generátor-abszorberbe, amely nagy koncentrációjú ammóniaoldatot tartalmaz. Az oldat melegítésével a nyomás emelkedik, és amint a kondenzációs nyomás eléri a kívánt értéket, az ammónia lepárolódik és kondenzálódik a párologtató-kondenzátorban, amely egy vödör vízbe merül (2.1. ábra).

A hűtési fázis alatt a hőforrást eltávolítják, és a generátor-abszorbert hagyják lehűlni. A nyomás csökken, és az ammónia elpárologni kezd, hőt vonva el a környezetből, így hűtést eredményezve. A generátor-abszorberben lévő gyenge ammóniaoldat elnyeli az elpárolgott ammóniát, és a folyamat addig folytatódik, amíg a kondenzátorban lévő összes ammónia elpárolog (2.2. ábra).

Az ammónia-víz abszorpciós ciklus alábbi elemzésében feltételezzük, hogy minden termodinamikai folyamat megfordítható.

Az energia három hőmérsékleti szinten hő formájában terjed, azaz

• a légköri hőmérséklet T _a , amelyen a hő leadása a kondenzátorban és az abszorberben történik,
• az a hőmérséklet, amelyen a hőt a hideg kamrából kivesszük T _c ,
• az a hőmérséklet, amelyen a hő a generátorban keletkezik T _g .

Elképzelhető egy olyan elrendezés megfordítható gépekből, amelyek az abszorpciós erőmű funkciójával egyenértékű funkciót látnak el, lásd 2.3. ábra. Először is, egy megfordítható hőerőgép Q _{g hőmennyiséget vesz fel T g} hőmérsékleten, és _T a hőmérsékleten hőt ad le , miközben W _ga munkát termel a következő hatásfokkal:

NycegyQg=Tg−TegyTg,

_{ahol minden hőmérsékletet a termodinamikai hőmérsékleti skálán mérünk. Másodszor, egy megfordítható hűtőszekrény Q c} hőmennyiséget vesz fel T _{c hőmérsékleten, és hőt ad le Ta hőmérsékleten, miközben W ca} munkát vesz fel . A hűtőszekrény teljesítmény-tényezője:

−QcNycegy=TcTegy−Tc.

Ha W _ga egyenlővé válik - W _{ca-val , akkor ez a berendezés egy abszorpciós hűtőszekrénnyel egyenértékű lesz. A kombinált berendezés teljesítmény-tényezője Q c} / Q _g -ként definiálható , amely a két előző kifejezés kombinálásával a következővé válik:

C.Ó.P=Qc/Qg=Tc(Tg−Tegy)Tg(Tegy−Tc).

Ennek az eredménynek a gyakorlati jelentősége az, hogy ha a vizsgált ciklus COP-ja ismert, akkor T _g kiszámítható, mivel T _a rögzített, T _c-t pedig a tervező választja ki.

CHINNAPPA (1961) szigorú elemzést mutat be az elméleti aqua-ammónia ciklusról. A ciklus két formája alkalmas a tényleges ciklussal való összehasonlításra. Ez a két ciklus az aqua-ammónia rendszerre vonatkozóan egy nyomás-hőmérséklet-koncentráció (ptX) diagramon látható. Az elméleti ciklus első formáját „állandó nyomású abszorpciós ciklusnak” nevezhetjük, és a 2.4. ábrán 2-3-4-5-2-vel jelöljük. Az elméleti ciklus második formáját „állandó hőmérsékletű abszorpciós ciklusnak” nevezhetjük, és a 2.4. ábrán 1-3-4-6-1-gyel jelöljük.

Bár az állandó nyomású ciklus a hatékonyabb, a gyakorlatban nehéz megvalósítani. Ezért az állandó hőmérsékletű ciklust vizsgáljuk részletesebben.

Az állandó hőmérsékletű abszorpciós ciklusban a regeneráció két folyamatból áll, az 1-3 és a 3-4. A hűtési fázisban, a 4-6 hűtési folyamat során az oldatot általában vízfürdőbe merítéssel hűtik le t6 hőmérsékletre, _amely megegyezik a kezdeti t1 hőmérséklettel _. A hatékony hűtés a 6-l folyamat során megy végbe.

A hűtési mennyiség kifejezése a következő:

Qc=Ny'6Lm

ahol

Lm= a hűtőközeg átlagos látens hője a 6-1. folyamat során.

Ny'6= a hűtőközeg súlya a 6. pontban.

Az 1-3-4 regenerációs folyamat során leadott hőt a következő adja meg:

Qg=Ny4H4−Ny1H1+∫Ny4Ny1HvdNy,

ahol

w= az oldat súlya, az utótag a ciklus pontját jelöli,

H= az oldat fajlagos entalpiája, az utótag a ciklus pontját jelöli,

Hv= a folyadékból kiáramló gőz fajlagos entalpiája,

dNy= a folyadékból kiáramló gőz differenciális tömege.

Így a COP kifejezése a következővé válik:

Ny'6LmNy4H4−Ny1H1+∫Ny4Ny1HvdNy

A SWARTMAN, HA és NEWTON (1973) által végzett napenergiával működő hűtéstechnikai felmérés szerint az első, a napenergia hűtéstechnikai felhasználását vizsgáló tanulmányt valószínűleg 1936-ban végezte Green a Floridai Egyetemen. A gőzborotvás hűtőszekrény működtetéséhez szükséges gőzt egy hengeres-parabolikus reflektor fókuszvonalában elhelyezett csőben áramló víz melegítésével állították elő.

Oniga 1937-ben arról számolt be, hogy brazil kutatók megpróbáltak egy parabolareflektort egy abszorpciós hűtőszekrényhez adaptálni, de a rendszer soha nem jutott túl a kísérleti szakaszon.

Kirpichev és Baum Oroszországból 1954-ben sikeresen beszámoltak egy olyan napelemes hűtőszekrényekből álló összeállításról, amely napi 250 kilogramm jeget termelt. A hűtőszekrények hagyományos gőzkompressziós típusúak voltak, amelyeket egy nagy tükör fókuszában elhelyezett kazán által termelt gőzzel működő hőerőgép hajtott. Általánosan elfogadott azonban, hogy a napenergia alacsony hatásfoka az energiatermelésben, a berendezések nagyon magas költsége és az ilyen típusú rendszer összetettsége kedvezőtlen tényezők a jövőbeli fejlődés szempontjából. A rendszer megépítése óta kevés érdeklődés mutatkozott a napelemes hűtés ezen iránya iránt.

Az első nagyobb, teljes egészében napenergiával működő abszorpciós hűtőrendszerrel kapcsolatos projektet TROMBE és FOEX (1964) végezte. A 2.5. ábra a rendszer általános felépítését mutatja, amelynek főbb jellemzői a következők: az ammónia-víz oldat egy hideg tartályból egy hengeres-parabolikus reflektor fókuszvonalában elhelyezett csövön keresztül áramlik. A kazánban elpárologtatott, felmelegített ammónia-víz oldatot ezt követően egy hűtőtekercsben kondenzálják. Az elpárologtató egy tekercs, amely körülveszi a tartályt, és jégtartóként szolgál. A hengeres-parabolikus reflektor 1,5 m2-es volt. A prototípus kísérletek során a napi jégtermelés körülbelül 6 kilogramm, vagyis négyórás fűtés esetén körülbelül 4 kilogramm jég volt négyzetméterenként a gyűjtőfelületen.

2.6. ábra – Az alapvető napelemes, szakaszos abszorpciós hűtőszekrény

Trombe és Foex terve nagyon ígéretes, és további tanulmányozást igényel, bár a napkollektoron, a kazánon és a kondenzátoron módosításokra lehet szükség.

Williams és mások a Wisconsini Egyetemen 1957-ben építettek egy kis élelmiszerhűtőt, amelyet fejletlen vidéki területeken való használatra szántak. A berendezés két tartályból állt, amelyeket egy cső kötött össze, ahogy a 2.6. ábra mutatja. Az energiát egy 1,27 mm-es öntött polisztirolból készült parabolatükör biztosította, alumíniummal bevont mylar poliészter fóliával, és a pereménél fémcsővel merevítették. Munkaoldatként ammónia-vizet és R-21-glikol-étert használtak. Ez a tanulmány kimutatta, hogy a hűtés elérhető szakaszos abszorpciós hűtési ciklusok alkalmazásával. Bár a teljesítményt a szakaszos ciklus jellemzői korlátozzák, a rendszer egyszerűsége magyarázza az elpárologtatóban elért alacsony hőmérsékletet. Végül a tanulmány kimutatta, hogy az ammónia-víz jobb teljesítményt nyújt, mint az R-21-glikol-éter egy szakaszos hűtőrendszerben.

CHINNAPPA (1962) egy egyszerű, síkkollektorral működő, szakaszos hűtőszekrényt épített a ceyloni Columbóban, amint az a 2.7. ábrán látható. A hűtőszekrény generátor-abszorbere hegesztett csőszerkezetű volt, és egy síkkollektorral, valamint egy vízhűtéses abszorberrel volt felszerelve. A napkollektor egy 152,4 cm x 106,7 cm méretű, 0,76 mm vastag, feketére festett rézlemez volt. A lemezt hat darab 6,35 cm átmérőjű acélcsőhöz forrasztották, a csöveket pedig a gyűjtőcsövekhez hegesztették. A kollektoron három üvegfedél volt, amelyeket parafalemez csíkok tartottak. Munkafolyadékként ammónia-víz oldatot használtak.

2.7. ábra – CHINNAPPA (1962) síkkollektorral működtetett napelemes hűtőszekrényének vázlata

Bár általánosságban azt várták, hogy a síkkollektor alkalmasabb lesz a légkondicionálásban szükséges alacsonyabb hőmérsékletű hőtermeléshez, CHINNAPPA (1962) vizsgálata során végzett tesztek azt mutatták, hogy a generátorral egybeépített síkkollektorral akár -12°C-os hőmérsékleten is lehet hűtést biztosítani. Megjegyzendő, hogy ebben a hűtőszekrényben napi egy kg jég keletkezik 0,7 m2 napgyűjtő felületen. A vizsgálat eredményei nem voltak látványosak, de azt mutatták, hogy egy egyszerű, szakaszos hűtőszekrény, ^amely alacsony hőmérsékletű hőgyűjtő eszközt, például síkkollektort használ, képes hűtést elérni.

SWARTMAN és SWAMINATHAN (1971) egy egyszerű, szakaszos hűtőrendszert építettek a Nyugat-Ontariói Egyetemen, amely a generátor-abszorbert egy 1,4 m2-es síkkollektorral kombinálta ^. A 2.8. ábra a rendszer vázlatát mutatja. A kollektor-generátor szerelvény 1,27 cm-es acélcsövekből állt, amelyek egy 5,1 cm-es adagolót és egy 15,2 cm-es elosztót kötöttek össze. Vékony rézlemezt forrasztottak a csövekre, és az egész szerelvényt egy faládába zárták, amelynek alján szigetelőanyag, tetején pedig egy kétrétegű üvegfedél volt. 58 és 70 százalék között változó koncentrációjú ammónia-vizes oldatokat teszteltek. A tesztek viszonylag sikeresek voltak; a bepárló hőmérséklete akár -12 °C is lehetett, de a gyenge abszorpció miatt az ammónia párolgási sebessége a bepárlóban alacsony volt.

Egy másik, 1970-ben a Nyugat-Ontariói Egyetemen végzett tanulmány egy ammónia-nátrium-tiocianát oldatot vizsgált a fent leírt rendszerben. A vizsgálat eredményei azt mutatták, hogy az NH3-NaSCN teljesítmény-együtthatói _0,11 és 0,27 között mozognak, szemben az NR3-H20 esetében a korábbi vizsgálatban kapott 0,05 és 0,14 közötti értékekkel. Mindazonáltal a rendszer...

2.8. ábra - A Nyugat-Ontariói Egyetemen gyártott szakaszos napelemes hűtőszekrény

2.9. ábra - A Floridai Egyetemen a FARBER által épített napelemes jégkészítő (1970)

még mindig nem tudott jelentős mennyiségű jeget képezni a bepárlóban. Arra a következtetésre jutottak, hogy az NH3-NaSCN jobb teljesítményt nyújt, mint az NH3 _- H20 _. Alacsonyabb berendezésköltséget is kínált, mivel a NaSCN-só alacsony illékonysága miatt nem igényelt rektifikáló oszlopot. Szakaszos hűtéshez 54%-os optimális koncentrációt javasoltak.

FARBER (1970) építette meg a mai napig a legsikeresebb napelemes hűtőrendszert. Ez egy kompakt napkollektoros jégkészítő volt, amely síkkollektort használt energiaforrásként. A 2.9. ábra a rendszer folyamatábráját mutatja. A napkollektor-generátor 1,49 m2-es volt ^, egy 6,35 cm-es felső elosztócsőből állt. A 2,54 cm-es csöveket 10,2 cm-es középpontokban helyezték el, és egy 20-as méretű horganyzott vaslemezre forrasztották. Ez az egység egy horganyzott lemezdobozban helyezkedett el, egyetlen üvegfedéllel és 2,5 cm vastag hungarocell szigeteléssel az abszorber-generátor elem mögött. A szokásos alkatrészeken, például a kondenzátoron, az elpárologtatón, a jégládán és a hőcserélőn kívül volt egy csőhéjas ammóniaelnyelő oszlop és két szivattyú is a folyékony ammónia és a hűtött víz keringetésére az elpárologtatóban. A jelentések szerint átlagosan napi 42 200 kJ napenergiát gyűjtött össze a kollektor, és a termelt jég mennyisége körülbelül 18,1 kilogramm volt. Ez összesen körülbelül 0,1, illetve 12,5 kilogramm jég/m2 kollektorfelület/nap teljesítménytényezőt eredményezett.

Ami a napelemes hűtést illeti, ez volt a legsikeresebb rendszer, de meg kell jegyezni, hogy a rendszer nem volt teljesen napenergiával működő, mivel két szivattyú működött elektromos árammal. A rendszer nem működött olyan területeken, ahol nem volt áram.

Korábban már említettük, hogy egy napelemes hűtőszekrény két részből áll, egy napelemes egységből és egy hűtőegységből. A napelemes egység két alapkoncepción alapul, azaz síkkollektorokon vagy fókuszkollektorokon.

A síkkollektorok lapos, fekete felületek, amelyek elnyelik a közvetlen és diffúz napsugárzást. Átlátszó burkolatok és hátlapi szigetelés biztosíthatják a lemez hőveszteségének csökkentését vagy szabályozását. A lemezen az elnyelt napenergia a kívánt energiaformává, általában hővé alakul, és eszközöket biztosítanak ennek az energiának az elvezetésére, általában melegített víz vagy levegő formájában. A síkkollektorok általában rögzített helyzetben történő működésre alkalmasak.

A fókuszáló kollektor alapvető eleme egy optikai eszköz, pl. egy parabolareflektor, amely a napsugárzás nyalábkomponensét egy, a reflektornál kisebb vevőre fókuszálja. Ez a kollektor nagyobb energiafluxust képes előállítani. Bár a fókuszáló kollektor magasabb hőmérsékletet biztosít, mint a síkkollektor, nehezebben kezelhető. Ezenkívül egy kis kísérleti egységhez drágábbnak tűnik, mint a síkkollektor, ezért ehhez a konkrét vizsgálathoz síkkollektort választottunk.

A hűtőegység lehet folyamatos vagy szakaszos abszorpciós rendszer. A folyamatos abszorpciós hűtőrendszer nem szolgálhatja a célt, ha a szivattyúknak áramra van szükségük. Ezért vidéki területeken, ahol nem áll rendelkezésre áram, a szakaszos abszorpciós hűtőrendszer...

rendszert részesítik előnyben. A szakaszos hűtési ciklusnak két fő művelete van, a regeneráció és a hűtés. A regeneráció a hűtőközeget abszorbeáló folyadék melegítésének folyamata, amelynek során a hűtőközeg gőzét elpárologtatják, és a gőzt egy külön tartályban kondenzálják. A hűtés akkor történik, amikor a folyékony hűtőközeg elpárolog, hűtőhatást keltve a párologtató körül. A hűtőközeget az abszorbens újra elnyeli. Mivel a hűtőszekrény egy tisztán kísérleti eszköz, úgy döntöttek, hogy a lehető legegyszerűbben tartják. A választott konfigurációt a 3.1. ábra mutatja. Az egyszerűséget azáltal érték el, hogy a kondenzátor párologtatóként, a generátor pedig abszorberként működik.

A regenerálás során az A szelep nyitva, a B szelep zárva van, és a generátorban lévő, síkkollektor által melegített erős oldat felforr, nagy nyomáson gőzt termelve. A gyenge oldat a felső gyűjtőcsőből az alsó gyűjtőcsőbe jut vissza a szigetelt visszatérő csöveken keresztül. A felső gyűjtőcsőben lévő gőz főként ammónia, mivel a víz illékonysága sokkal alacsonyabb, mint az ammóniáé. Az ammóniagőz a kondenzátorba jut, amelyet egy hidegvíz-tartályba merítenek, hogy hűvösen tartsa. A nyomás egyenletes az egész rendszerben. Amikor a fűtés leáll, az A szelep zárva van, és a generátorban lévő gőznyomás csökken. A generátorban lévő koncentráció most kisebb, mint a regenerálás előtt volt. A hűtés megkezdése előtt a hűtővíz-tartályt eltávolítják, és a B szelepet kinyitják. A kondenzátor most elpárologtatóként funkcionál. Az ammónia a generátor és az elpárologtató közötti nyomáskülönbség miatt elpárolog. Az ammónia elpárologtatása hőt nyel el a...

3.1. ábra – Az első kísérleti egység

a párologtató környezetét, ezáltal hűtőhatást hozva létre. A párologtatóból származó ammónia gőz egy csövön keresztül a generátor alsó fejrészéhez jut, így a beáramló gőz átbuborékol az aqua-ammónia oldaton, megkönnyítve az abban való abszorpciót. Az üvegfedelet eltávolítják a kollektorról, hogy az abszorpció hője a generátor felszállóvezetékein keresztül az égbe vezessen. A hűtés addig folytatódik, amíg a párologtatóban lévő összes folyékony ammónia elpárolog. Ezzel egy teljes üzemi ciklus befejeződött. A napenergia szakaszos rendelkezésre állásának kielégítése érdekében a hűtést nappal, a hűtést pedig éjszaka végzik, miután a sugárzás már nem áll rendelkezésre.

A cél 17°F hőmérséklet elérése a párologtatóban. A vízmentes ammónia telítési gőznyomása ezen a hőmérsékleten 45 psia. Az abszorber hőmérséklete a légköri hőmérséklet, amelyet 86°F-nak feltételezünk. Így az abszorberben egy 86'F hőmérsékletű ammónia keverék található, az ammóniagőz nyomása 45 psia. Ezért az ammónia ptx diagramjából az ammónia koncentrációja 0,46-nak adódik, így ez határozza meg a hűtési ciklus kezdőpontját, amelyet a 3.2. ábra 1. pontjaként mutat.

A kondenzátor hőmérséklete 86°F. A ptx diagram alapján a vízmentes ammónia telítési nyomása ezen a hőmérsékleten 170 psia. A ciklus 2. pontja meghatározható, mivel a nyomás és a koncentráció (ami

3.2. ábra - Ideális termodinamikai ciklus

nem változik az l-2) folyamat során a 2. pontban ismertek. A ciklus 3. pontját a kollektorral elérhető maximális oldathőmérséklet rögzíti, amelyet 80°C-nak feltételezünk. Ez határozza meg a 3. pontot, és így a koncentrációt, amely a ptx diagram alapján 0,40.

Ideális esetben a ciklus hűtési fázisa alatt az oldatot először 45 psia abszorpciós nyomásra hűtik, ami 0,40 koncentrációnál 103°F kezdeti abszorpciós hőmérsékletnek felel meg. Ez rögzíti a 4. pontot. A ciklust a 4-l. folyamat fejezi be, amelynek során a 17°F-on elpárolgó ammónia visszaszívódik az oldatba.

Úgy döntöttek, hogy az egységet a lehető legkompaktabbá teszik. Ezért a kollektor-generátorhoz egy 1,2 m x 1,2 m homlokfelületet választottak. Végig fekete vas varrat nélküli csöveket használtak, hogy ellenálljanak az ammónia-víz keverék korróziójának és a szükségszerűen magas ammóniakoncentrációval járó nyomásnak. A gyűjtőlemezhez egy 1,2 m x 1,2 m vastagságú és 0,06 hüvelyk vastag rézlemezt használtak, amelyet matt feketére festettek. A lemezt tizenkét 2,5 cm átmérőjű csőre forrasztották 10 cm-es közönként. Az 2,5 cm-es csövek végeit a gyűjtőcsövekhez hegesztették. Annak érdekében, hogy a víz megfelelően elváljon az ammóniagőztől a kollektor-generátorból, egy 10 cm-es csövet használtak a felső gyűjtőcsőhöz. Ez a 14 cm-es csőhossz 225 hüvelyk/ ² folyadékfelületet biztosított , amikor a gyűjtőcső félig tele volt. A folyadékszint a gyűjtőcső mindkét végén egy mérőcsövön keresztül figyelhető meg. Az alsó gyűjtőcsőhöz egy 5 cm átmérőjű és 137 cm hosszú csövet használtak. A kollektor-generátor elrendezése a 3.3. ábrán látható.

3.3. ábra - Napkollektor - Generátor

A kollektor-generátor hátsó részének hőveszteségének megakadályozására 10 cm vastag polisztirol habot használtak szigetelésként. A kollektor felső és alsó elosztóit, valamint a felszállócsöveket is polisztirol habbal hőszigetelték. A gyűjtőfelület előtt két üvegbura helyezkedett el, amelyeket egy fa keret tartott. Hagyományos, 6 mm vastag ablaküveget használtak. A gyűjtőcsövek és az első üvegbura közötti rés 6 mm volt; a két üvegbura között a rés 1 mm volt. Az üvegburák levehetők voltak.

A generátor síkjának dőlésszöge 20 fok volt a vízszinteshez képest, az egység dél felé nézett.

A standard csőméretekből az alábbiakban kiszámított generátor térfogatát használják a rendszerben lévő ammóniavíz mennyiségének meghatározására, valamint a generátorban a folyadékszint változásának meghatározására a ciklus során.

Felső fejléc (félig tele)

1. 667 láb x 0,5 x 0,0882 láb3/láb = 0,206 láb3

14 emelőcső 14 x 4 láb x 0,00585 ft3/ft = 0,328 ft3 Alsó csatlakozócső

1. 5 láb x 0,0233 láb3/láb = 0,105 láb3

Teljes térfogat = 0,639 ft3

A felső, félig töltött gyűjtőcsőben lévő folyadék felülete

Az ammóniavíz fajlagos térfogata

Az 1. pontban V1 = 0,0192 ft3/lb

2. pont, V2 = 0,0205 láb3/lb 3. pont, V3 = 0,0202 láb3/lb 4. pont, V4 = 0,01895 láb3/lb

Folyadékszint a generátorban Kezdje 0,639 ft³ ^0,46 ammóniaoldattal 86°F-on. Súlya 0,639/0,0192 = 33,281 lbs.

33,281 font (170°F) 0,46-os ammóniaoldat térfogata 33,281 x 0,205 = 0,682 ft³ ^.

A térfogat növekedése 0,682 – 0,639 = 0,043 ft3 ^.

A folyadékszint emelkedése 0,043/1,565 = 0,027 láb

Amikor a koncentráció X = 0,46

Ammónia tömege + víz tömege = 33,281 font

Tehát az ammónia tömege = 15,309 font, a víz tömege = 17,972 font.

Amikor az X koncentráció = 0,40

ammónia tömege = 11,981 font

víz tömege = 17,972 font

Teljes súly = 29,953 font

Tehát a desztillált ammónia tömege = 3,328 font.

3,328 font ammónia desztillálása után 29,958 font 0,40-es ammóniaoldatot kapunk 139°F hőmérsékleten.

Térfogat = 29,953 x 0,0202 = 0,605 ^ft3

Az 1. pontban a kezdeti térfogathoz képest a térfogatcsökkenés 0,034 ^ft3 .

A folyadékszint középpont alatti esése 0,034/1,565 = 0,022 láb

Az 1. pontban a kezdeti térfogathoz képest a térfogatcsökkenés 0,071 ft3.

A folyadékszint középpont alatti esése 0,071/1,565 = 0,045 láb = 0,544 hüvelyk.

A desztillált ammónia tömege = 3,328 font

Ennek az ammóniának a térfogata (86°F-on) = 3,328 / 37,16 = 0,089 ft3.

Legyen az ammóniagyűjtő 40-es osztályú, 4 hüvelykes cső. Szükséges hossz = 0,089/0,0882 = 1,015 láb = 12,18 hüvelyk.

Következésképpen az ammóniagyűjtő (kondenzátor-elpárologtató) 4 hüvelykes, 16 hüvelyk hosszú fekete vascsőből készült.

Legyen 29,953 font 0,40-es ammóniaoldat entalpiája 189°F-on = H3 _, 3,328 font ammóniagőz entalpiája az átlagos keletkezési hőmérsékleten (körülbelül) 178°C-on = HA _, 33,281 font 0,46-os ammóniaoldat entalpiája 86°F-on = _H1 .

A 3.2. ábrából: Hl ₌ 33,281 x (-55) = -1830 Btu.

H _A = 3,328 x 627 = 2086 Btu.

H3 = 29,953 × 75 = 2246 Btu_.

Tehát a keletkező hő = H³ ₊ H₃A _– H₁ ₌ 6162 Btu.

Napi globális napsugárzás vízszintes felületen = 400 kcal ^{/ cm⁻²} nap⁻¹

Ezért a kollektorra érkező napenergia 3,7-szerese a keletkező hőnek.

Rektifikálás után az ammónia hőmérséklete 120°F.

3,328 font ammóniagőz entalpiája 120°F hőmérsékleten

3,328 font (170 psia) nyomáson és 86°F (86°F) hőmérsékleten lévő ammóniafolyadék entalpiája = 3,328 x 138,9 = 462 Btu. Teljes kondenzációs hő = 2110 - 462 = 1648 Btu.

A kondenzátor hőmérsékletét 1°F-on belül állandó értéken tartották úgy, hogy a generálási ciklus alatt 135 gallon (80 x 80 x 80 cm3) hideg vízbe merítették. A víztartályt egy faállvány támasztotta alá.

Egy 2,5 cm-es csövet használtak a generátor és az ammóniatartály összekapcsolására. A felső elosztócsőből függőlegesen kiálló, 62 cm-es cső egyenirányítóként szolgált a desztillálandó ammóniából a víz eltávolítására. Az abszorpciós vezeték egy 6,5 cm-es csőből állt, amely az alsó elosztócsőhöz volt csatlakoztatva, ahogy a 3.4. ábra mutatja.

3.4. ábra - Kisméretű, napelemes hűtőszekrény

3.5. ábra – Napenergiával működő hűtőszekrény

A rendszert két ammóniaelzáró szelep szabályozta. A rendszerben lévő nyomást két bourdon típusú ammóniamérő jelezte; az egyik a generátorhoz, a másik az ammóniagyűjtőbe vezető cső tetején volt rögzítve. Az egyenirányító tetején egy hőmérőt is használtak az ammóniagőz hőmérsékletének mérésére.

A kollektor-generátort először vízzel töltötték fel, és hőmérséklet-méréseket végeztek, hogy meghatározzák a lemez hőmérséklete (T _T ) és az oldat hőmérséklete (T _L ) közötti összefüggést. Öt tesztüzemet végeztek (lásd a 4.1. ábrát). Megállapították, hogy az oldat hőmérséklete körülbelül 2,4 °F-kal alacsonyabb volt a megfelelő lemez hőmérsékleténél. Megfigyelték azonban, hogy minden nap elején és végén mindkét hőmérséklet azonos volt. A T _P - T _L hőmérséklet-különbségek átlagértékeit a 4.2. ábra mutatja. Erre a kalibrálásra azért volt szükség, mert a generátorhoz nem csatlakoztattak nagynyomású hőmérő szerelvényt a belső hőmérséklet mérésére.

A kiürítés után a rendszert 0,46-os vizes ammóniaoldattal töltöttük fel (lásd az A. függeléket). A négy tesztüzem során kapott eredményeket a 4.3–4.14. ábrák mutatják. Ezeket a tesztüzemeket közel felhőtlen napokon végezték.

A 4.3. ábra a lemez hőmérsékletét (T _p ), az oldat hőmérsékletét (T _L ), amelyet a 4.2. ábrán látható kalibrációból származtattak, az oldat gőznyomását (P _l ), ​​az ammónia-gőz hőmérsékletét az egyenirányító elhagyásakor (T ₂ ), valamint a kondenzátor hűtővíz hőmérsékletét (T ₃ ) szemlélteti a generálási időszak alatt. A párologtató nyomását, a nyomásból származtatott párologtató hőmérsékletet, az abszorpciós nyomást és az abszorpciós hőmérsékletet a hűtési időszakra vonatkozóan a 4.4. ábra mutatja. A kollektor-generátorban az oldat által végrehajtott elméleti és tényleges ciklusokat a 4.5. ábra l-2-3'-4', illetve l-2-3-4-5 formában mutatja.

4.1. ábra – Lemez- és oldathőmérséklet-megfigyelés

4.2. ábra – A lemez és az oldat hőmérséklete közötti különbségek (T _P - T _L ): öt tesztfuttatás átlaga.

4.3. ábra – Megfigyelés a hűtési teszt során 1975. május 9-én

4.4. ábra – Megfigyelés a hűtési teszt során 1975. május 9-én

4.5. ábra - Valós és elméleti megoldási ciklusok az 1975. május 9-i teszthez

4.6. ábra – Megfigyelések a regenerációs teszt során, 1975. május 10-én

4.7. ábra – Megfigyelések a hűtési teszt során, 1975. május 10-én

4.8. ábra - Valós és elméleti megoldási ciklusok az 1975. május 10-i teszthez

4.9. ábra – Megfigyelések a regenerációs teszt során, 1975. május 14-én

4.10. ábra – Megfigyelések a hűtési teszt során, 1975. május 14-én

4.11. ábra - Valós és elméleti megoldási ciklusok az 1975. május 14-i teszthez

4.12. ábra – Megfigyelések a regenerációs teszt során, 1975. május 17-én

4.13. ábra - Megfigyelések a hűtési teszt során, 1975. május 17-én

4.14. ábra - Valós és elméleti megoldási ciklusok az 1975. május 17-i teszthez

Az 1974. május 14-i teszt elemzését (4.9., 4.10. és 4.11. ábra) az alábbiakban szemléltetjük példaként.

Kezdetben a következőkkel rendelkezünk:

Az oldat koncentrációja = 0,46

Az oldat teljes tömege = 33,281 font

Az ammónia súlya = 15,309 font

A víz súlya = 17,972 font

Regenerálás után az oldat végső koncentrációja a kollektor-generátorban 0,416, amint az a 4.11. ábrán látható.

 Az ammónia súlyaAmmónia súlya + Víz súlya=0,416

Mivel

A víz súlya = 17,972 font,

Az oldatban lévő ammónia tömege = 12,800 font.

Ezért

Desztillált ammónia mennyisége = 2,509 font.

A desztillált ammónia mennyiségét a gyűjtőtartályban lévő folyadékszint megfigyelésével is meghatároztuk. A 4.15. ábra a gyűjtőtartály keresztmetszetének geometriáját mutatja.

Hagyd

Legyen A a folyadék keresztmetszeti területe,

R a vevő keresztmetszetének sugara,

h a folyadékszint magassága a tartály középpontja felett,

1 a vevőegység hossza;

Legyen v a gyűjtőtartály alatti lefolyócső térfogata. Ekkor a folyadék térfogata egyenlő Al + v-vel.

4.15. ábra - Ammóniagyűjtő keresztmetszete.

Ahol

Egy=ΠR22+hR2−h2+R2

R = 2,013 hüvelyk, 1 = 1,25 láb és v = 0,00105 tuft; és ezután a futtatás után h értéke 0,3 hüvelyknek adódott. Ez azt jelenti, hogy

A desztillált folyékony ammónia térfogata = 0,0666 tuft

Ezt a folyékony ammónia térfogatot reggel 7.00 órakor figyelték meg a regenerálás után; az ammónia gőznyomása 169 psi volt.

Most az ammóniatáblázatokból a következőket kaptuk:

Ammónia hőmérséklete = 86°F

A folyékony ammónia sűrűsége = 37,16 lb ^ft3

Ezért a desztillált folyékony ammónia tömege = 2,48 font.

Ez jól egyezik a korábban az ammónia-víz oldat változásából számított 2,509 font mennyiséggel. Ha 2,48 font ammóniát desztillálunk le, a generátorban a végső koncentráció 0,4165, ami megerősíti a tényleges termodinamikai ciklust, amint az a 4.11. ábrán látható.

A ciklus hűtési aránya a rendszer teljesítményét méri, és a következőképpen definiálható:

Coolénngregyténo=n=QcQg

Ahol

Qc = a hűtési időszak alatt rendelkezésre álló hűtés, és

Qg = a kollektor-generátor által a regeneráció során elnyelt hő.

A hűtési időszak alatt rendelkezésre álló hűtést colow-ként lehet kiszámítani.

2,509 font folyékony ammónia 86°F-on (169,2 psia) entalpiával rendelkezik

= 2,509 x 138,9 Btu

= 3,48,9 Btu

2,509 font ammóniagőz 19°F-on entalpiával rendelkezik

= 2,509 × 617,5 Btu

= 1549,30 Btu

Így a hűtés elérhető

= 1540,30 – 348,50

= 1200,8 Btu

Legyen 30,772 font 0,416 ammóniaoldat entalpiája

193°F-on = H3,

2,509 font ammóniagőz entalpiája az átlagos keletkezési hőmérsékleten

180°F-on = HA,

és 33,281 font 0,46-os ammóniaoldat entalpiája

86°F-on = H1

A 4.11. ábrából

H1 = 33,281 x (-55) = -1830 Btu

HA = 2,509 × (625) = 1568 Btu

H3 = 30,772 × (79) = 2431 Btu

Az oldat által elnyelt teljes hő

= H1 + H3

= 5829 Btu

Ezért a hűtési arány

= 1200,8/ 5829

= 0,209

A napkollektor COP-értéke a kollektorlemez által elnyelt napenergia mennyiségéhez viszonyított elérhető hűtési teljesítmény aránya. A kollektorlemez által elnyelt napenergia mennyisége a B. függelékben részletesen bemutatott módon számítható ki. A május 14-i mérések során a lemez által elnyelt napenergia mennyisége...

= 13 237 Btu.

Ezért a napelemes COP

= 1200,8 / 13 237

= 0,0907

Mind a négy kísérleti futtatás eredményeit a 4.1. táblázat foglalja össze.

4.1. táblázat: Kísérleti eredmények összefoglalása

4.16. ábra – Hűtési folyamat – Az alsó fényképen a párologtatón lévő dér látható.

Bár a rendszer működött, a hűtési arány és a napenergia COP értéke továbbra is alacsony, ahogy CHINNAPPA (1962), valamint SWARTMAN és SWAMINATHAN (1971) korábbi tanulmányaiban is megfigyelték. A rendszerben nehéz szabályozni a hőveszteségeket. Míg Swartman lassúnak találta az abszorpciós folyamatot, a hűtési folyamatban ebben a rendszerben nem voltak ilyen nehézségek. Az abszorpciós folyamat két órán belül befejeződött, és a jégképződés az elpárologtató külső felületén fél órát vett igénybe (4.16. ábra).

Az AIT napenergiával működő hűtőberendezések tervezésében, kivitelezésében és üzemeltetésében szerzett képességeit igazolták. Továbbá a működési feltételek szinte pontosan megfeleltek a tervezési előírásoknak. A rendszer elmélete tehát jól érthető. Az új funkció, amelynek révén az ammóniagőz a párologtatóból a generátor alsó fejrészébe kerül, így a hűtési folyamat során fellépő hő eloszlik a síklapról, kiküszöböli azt a nehézséget, amellyel a korábbi kutatók szembesültek a kielégítő működéshez szükséges kellően gyors elnyelődés elérésében.

Ennek a kísérleti egységnek az elkészítési költsége 15 500 baht volt. Ha az éves értékcsökkenés és karbantartás a költség 10 százalékát teszi ki, akkor a napi költség 4 baht, az egy jó napon elért hűtőhatás elegendő 2 kilogramm jég előállításához, és a napsugárzás éghajlatára vonatkozó tanulmányok azt mutatják, hogy egy év alatt az átlagos hozam körülbelül 1 kilogramm jég lenne naponta. Ezért 1 kilogramm jég 4 bahtba kerülne. Ez tizenegyszerese a jég nagykereskedelmi árának Bangkokban (0,375 baht kilogrammonként). A kísérleti egység elkészítésének célja azonban csupán a napenergia által előállított hűtőhatás bemutatása és a gyakorlati tapasztalatok szerzése volt; nem történt kísérlet a rendszer teljesítményének optimalizálására vagy a költségek minimalizálására. Úgy tűnik tehát, hogy egy gazdaságilag életképes napelemes jégkészítő karnyújtásnyira van.

Jelenleg két új funkció tesztelése folyik a hűtőszekrényen. Az első egy száraz elpárologtató tekercssel ellátott tágulási szelep, amely az ammóniagyűjtő és az abszorpciós bemenetek között van csatlakoztatva. Az elpárologtató tekercseket egy jégkészítő doboz hűtésére használják. A második funkció egy síktükör, amely a generátor napenergiával történő melegítésének fokozására szolgál. A tükör rögzítésének különböző pozícióit tesztelik. Ez a két új funkció az 5.1. ábrán látható.

Egy napelemes jégkészítőt lakossági vagy falusi használatra is lehet tervezni. A nagyobb, falusi méretű egységek hatékonyabbak és így viszonylag olcsóbbak lennének. A fő cél ezért egy olyan napelemes jégkészítő megtervezése, megépítése és tesztelése lesz, amely napi 100 kilogramm jeget állít elő olaj vagy elektromos áram használata nélkül. Robusztusnak és könnyen kezelhetőnek kell lennie. Egy napi 100 kilogramm jeget előállító egységhez körülbelül 20 négyzetméteres napgyűjtő felületre van szükség. A rendszer hatékonysága többféleképpen is javul. A magas termelési hőmérsékleteket úgy lehet elkerülni, hogy a generátorban az ammóniakoncentrációt állandó értéken tartják egy felesleges oldatot tartalmazó tartály segítségével. A napelemes fűtőberendezés hőkapacitását egy tömített oszlopos szeparátor használatával lehet csökkenteni a nagyobb átmérőjű fejléc helyett. Hőcserélőket használnak a hő megtakarítására a regeneráció során, és a hideg megtakarítására a hűtés során. A rendszer az 5.2. ábrán látható.

5.1. ábra – A kis napelemes jégkészítő

5.2. ábra – Javasolt új, napenergiával működő jégkészítő rendszer

Napközben, regenerálás közben az A szelep nyitva, a B pedig zárva van. A tartály tetejéből származó tömény oldat a hőcserélőn keresztül a fűtő aljára jut, a híg oldat pedig visszatér a tartály aljára. Az elválasztóból származó ammónia gőz hideg statikus vízbe merített tekercsben kondenzálódik, és az ammóniafolyadék a tartályban gyűlik össze. Éjszaka, hűtés közben az A szelep zárva, a B pedig nyitva van. A tartályból származó ammónia áthalad a hőcserélőn, a B expanziós szelepen és az elpárologtatón. A gőzt ezután az alsó tartályból származó híg ammóniaoldat abszorbeálja. Az oldat hőjét a napelemes fűtőberendezés elvezeti, és a tömény oldat visszatér a tartály tetejére. A kondenzátort körülvevő statikus vizet az éjszakai égboltnak való kitettség is lehűti. Ebben a rendszerben az összes egyes egység működőképességét a szakirodalomban már ismertették, de korábban még soha nem kombinálták őket ilyen módon. A rendszer azonban valószínűleg nem okoz komoly műszaki problémákat.

A GUPTA (1976) nemrégiben arról számolt be, hogy RL Datta és csoportja egy ammónia-nátrium-tiocianát rendszert fejleszt, amely napi 75 kg jég előállítására képes. A tervezési teljesítmény-tényező háromszorosa a korábban kapott értéknek, és az ammónia-víz rendszerekben rejlő egyenirányítási problémák elkerülhetők. A generátor fűtésére egy 25 m2-es hengeres parabolakollektort fognak használni.

Maga DATTA (1976) is megjegyezte, hogy

„Sokkal könnyebb 10 vagy 15 °C-ra hűteni és csökkentett páratartalmat biztosítani, mint jeges hőmérsékletre hűteni az élelmiszereket… Intenzív kutatásokat kellene végezni az olcsó hazai berendezések fejlesztésére, amelyekkel ilyen hűtést lehetne biztosítani a részben föld alatti pincékben. A mozgatható fókuszáló kollektorok helyett szelektív felületű, helyhez kötött síkkollektorok használhatók, és a fejlődő országok vidéki területein az emberi erő általi üzemeltetés olcsóbb lenne, mint az olyan automata gépeké, amelyek nagyobb tőkebefektetést igényelnek. Kihívást jelent az ilyen napelemes hűtők üzemeltetése távoli területeken, ahol nem áll rendelkezésre áram.”

A fenti megjegyzések azt mutatják, hogy a napenergiával működő hűtéstechnológia fejlesztése a fejlődő területeken való felhasználásra aktív terület, és hogy számos kutatási irányvonal létezik, amelyeket követni kell. Az AIT kapcsolatban marad ezekkel a fejlesztésekkel, és képes jelentős mértékben hozzájárulni a területhez.

ANON., (1963), Érvek a napelemes jégkészítő mellett, Solar Energy 7. oldal, 1. o.

BA HLI, F. és munkatársai (1970). Lehetőségek a napelemes jégkészítők számára. Nemzetközi Napenergia Társaság Konferenciája, Melbourne, Ausztrália.

CHINNAPPA, JCV, (1961), Kísérleti vizsgálat a szakaszos gőzabszorpciós hűtési ciklusról ammónia-víz és ammónia-lítium-nitrát hűtőközeg-abszorbens rendszerek alkalmazásával, Solar Energy 5 1–18. o.

CHINNAPPA, JCV, (1962), Síkkollektorral működtetett szakaszos hűtőszekrény teljesítménye, Solar Energy 6. kötet, 143–150. o.

DATTA, CL, (1976), Napenergia – Jelentősége a fejlődő országok számára. Munkadokumentum, Szél- és napenergia felhasználásával foglalkozó szakértői munkacsoport, 1976. március, Természeti Erőforrások Osztálya, ESCAP, Bangkok.

FARBER, EA, (1970), Kompakt napelemes hűtőrendszer tervezése és teljesítménye, 6/58. sz. tanulmány, 1970, Nemzetközi Napenergia Társaság Konferenciája, Melbourne, Ausztrália.

GUPTA, CL, (1976), Napenergia Indiában, Munkadokumentum, Szél- és napenergia felhasználásával foglalkozó szakértői munkacsoport, 1976. március, Természeti Erőforrások Osztálya, ESCAP, Bangkok.

MERRIAM, MF, (1972), Decentralizált energiaforrások a fejlődő országok számára, Technology and Development Institute East-West Centre, Working Paper Serious 19. sz.

NEMZETI TUDOMÁNYOS AKADÉMIA (1972), Napenergia a fejlődő országokban: Perspektívák és kilátások. Nemzeti Tudományos Akadémia, Washington, DC

SWARTMAN, RK, HA, VH, NEWTON, AJ, (1973) Napenergiával működő hűtéstechnikai felmérés, Amerikai Gépészmérnökök Társasága, 1973. augusztus, 73-WA/Sol-6

SWARTMAN, RK és SWAMINATHAN, C. (1971), Napenergiával működő hűtőszekrény, Gépészmérnöki Tudományok, 1971. június, 6. kötet, 22–24. o.

Trombe, F. és FOEX, M. (1964), Jéggyártás gazdasági mérlege a Nap hőforrásként való hasznosításával és abszorpciós géppel, New Courses of Energy, 4. kötet, ENSZ Kiadványértékesítési szám: 63.I.38, 56–59. o.

Ehhez a kutatáshoz ammónia vizes oldatára volt szükség. Néha gazdaságosabb vízmentes ammóniát vásárolni, és közvetlenül vízbe önteni szabályozott körülmények között, hogy a kívánt töménységű oldatot kapjuk. Mivel a napenergiával működő hűtőszekrény zárt rendszerű volt, nem igényelt rendszeres újratöltést. Újratöltésre volt szükség, ha a készülék szivárgott, vagy ha az ammónia bármilyen okból elszivárgott.

1. Folyékony ammónia palack

2. Ásványvíz-tartály

3. Aqua-ammónia tározó

4. Nyomásmérő

5. Gumitömlő

6. Kálium-dikromát

7. Mérleg, 0-200 font

8. Szelepek

9. Vákuumszivattyú.

Állítsa be a berendezést az A1 és A2 ábrákon látható módon. Szükséges a levegő eltávolítása a rendszerből. A levegő jelenléte rontja a rendszer teljesítményét. Ezért vákuumszivattyúra van szükség. A napelemes hűtőrendszer belső korróziójának minimalizálása érdekében tanácsos kálium-dikromátot (28 g/27 kg) adni a sótalanított vízhez.

A töltési folyamat során a következő lépéseket kell végrehajtani:

a) Nyissa ki a V-6, V-1, V-2, V-3 szelepeket, hogy vákuumszivattyúval kiürítse a levegőt a rendszerből, majd zárja el az összes szelepet.

b) Mérje meg az üres ammóniatartályt.

c) Nyissa ki a V-1, V-2 és V-5 szelepeket, hogy 18,9 font (kb. 11,7 kg) vizet engedjen az ammóniatartályba; majd zárja el a V-5 és V-2 szelepeket.

d) Óvatosan nyissa ki a V-3 és V-4 szelepeket, hogy 16,1 font folyékony ammónia lassan a tartályba folyjon, majd zárja be a V-3 és V-4 szelepeket.

e) Hagyja a tartályt körülbelül hat-nyolc órán át hűlni, ezután a nyomás alacsony szintre csökken.

f) Vákuumszivattyúval ürítse ki a napelemes hűtőegységet.

g) Vegye ki az ammóniatartályt a keverőberendezésből, és illessze a hűtőegységre az A3. ábrán látható módon.

h) Ahhoz, hogy az ammóniatartályból a generátorba áramoljon a folyadék, a tartályban lévő gőznyomásnak magasabbnak kell lennie, mint a generátorban lévő gőznyomás. Ezért a generátort öntözéssel hűtik, a tartályt pedig a nap melegíti.

i) A töltési folyamat leáll, amikor a generátor felső gyűjtőcsője félig megtelt.

A1. ábra – Keverőberendezés

A2. ábra – Keverőberendezés

A-3. ábra Töltőberendezés

Feltételezzük, hogy a diffúz sugárzás májusban Bangkokban 200 calccm⁻²nap⁻¹. Azt is feltételezzük, hogy a diffúz sugárzás egy ferde síkon a dőlésszög lineáris függvénye, és a sík függőleges helyzetében mért maximális érték fele. A dőlésszög = 20 fok a vízszinteshez képest. Ezért a diffúz sugárzás a ferde kollektoron (D') becslések szerint 200 – 20/90x100 = 178 calccm⁻²nap⁻¹. Az Ázsiai Műszaki Intézetben a napi teljes globálsugárzást az AIT északi mérnöki épületének tetejére felszerelt bimetál aktinográffal mérték. Az eredményeket a B1. ábra mutatja. A tesztek ideje alatt a Nap délben nagyon közel haladt el a zenithez. Ezért közelítésként feltételeztük, hogy mivel a kollektor (amely dél felé nézett) 200 fokos szögben dőlt a vízszinteshez képest, a közvetlen napsugárzás függőleges komponensét meg kell szorozni egy cos 20o tényezővel, hogy megbecsülhessük a kollektorra normálisan beeső közvetlen sugárzás komponensét. Mivel a globálsugárzás (Q)

= direkt sugárzás + diffúz sugárzás.

Teljes sugárzás a ferde kollektoron (Q')

= D' + (Q⁻²⁻)cos₂⁻

= 178 + (Q-200)x0,94 calccm-2nap-1,

ahol Q a napi globálsugárzás.

B1. ábra – Napi globális napsugárzás az Ázsiai Műszaki Intézetben

az 1975. május 14-i tesztüzemhez

Q = 467 kalkulátor cm⁻²nap⁻¹.

Ezért,

Q = 429 calccm⁻²nap⁻¹

= 24 514 Btu.nap-1 4'x4' gyűjtőterületen

= 16,342 Btu 8 óránként

Tegyük fel, hogy az üvegbura áteresztőképessége 90 százalék, ezért az eredetileg beeső napenergia körülbelül 90 százalékát az első üvegbura, további 90 százalékát pedig a második üvegbura engedi át.

Ezért a kollektorlemezhez jutó hő körülbelül 13 237 BTU.

Fontos megjegyezni, hogy az ezzel a módszerrel kapott becslések nagyon durvaak.

hűtés

napkollektoros hűtés vakcinákhoz

napkollektoros főzés

napkollektor

lepárlás

napdesztilláció

ammónia

nyomásmérő

telítési nyomás