ТРАНСПОРТНЫЙ КОНДИЦИОНЕР
VEHICLE AIR CONDITIONER

Изобретение относится к технике кондиционирования воздуха применяемой преимущественно на наземных и водных транспортных средствах, снабженных мощными турбированными двигателями внутреннего сгорания (ДВС).
Известен способ косвенно-испарительного охлаждения теплообменной поверхности с вакуумным циклом, реализованный в кондиционере (а.с. 1064727, опубл. 23.03.85, БИ №11). В этом кондиционере жидкостная полость водовоздушного теплообменника подсоединена к входному патрубку вакуумного насоса, что обеспечивает более низкий уровень температуры испаряющейся воды и, соответственно, охлаждаемой теплообменной поверхности.
Недостатком данного способа является значительное удельное энергопотребление вакуум-насоса; его наличие в составе кондиционера приводит к усложнению, удорожанию конструкции и снижению надежности. Применение на транспорте не может быть рентабельным.
Известен "комбинированный двигатель внутреннего сгорания - кондиционер" (SU 2033341, дата публикации 1995.04.20, B60K 1/00), в котором с целью повышения эффективности охлаждения поступающего в двигатель заряда при низких теплонапряженностях и напорах компрессора и турбины (обычно это происходит при малых оборотах ДВС) он снабжен в выходном патрубке эжектором и дополнительным теплообменником-охладителем воздуха, всасываемого в двигатель через патрубок. В этом патрубке дополнительно могут быть установлены форсунки для распыления воды. В корпусе эжектора около сопла создается область разрежения за счет повышения скорости истечения выхлопных газов в нем.
Область разрежения, ограниченная корпусом эжектора, подсоединена к выходному патрубку воздушной турбины для повышения перепада давления воздуха на ней; параллельно заявлено о возможности охлаждения воздуха в объекте, например в салоне транспортного средства.
О недостатках данного изобретения можно сказать следующее.
Обычно турбина приводится в движение за счет перепада давления выхлопных газов двигателя и атмосферного воздуха и эффективно работает при средних и высоких оборотах двигателя.
В описанном изобретении турбина приводится в движение за счет разности давлений атмосферного воздуха и давления разрежения, создаваемого в корпусе эжектора. Возможно это устройство будет работоспособно на малых нагрузках двигателя, которые, как правило, составляют лишь незначительную вспомогательную часть его рабочего времени.
На основных расчетных нагрузках двигателя эта схема будет заведомо неэффективной, т.к. коэффициент полезного действия турбины в расчетных режимах работы многократно превышает таковой для эжектора.
Наиболее близким к заявленному техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату является способ испарительного охлаждения воздуха и установка для его осуществления (SU 2127403, дата публикации 1999.03.1, F24F 3/14). Способ косвенно-испарительного охлаждения воздуха и воды во вспомогательном потоке воздуха путем понижения давления воздуха в нем, понижения относительной влажности воздуха, достижения более низких температур охлаждения вспомогательного и основного потоков воздуха. Для достижения желаемого эффекта установка снабжена насосом, установленным в выходном патрубке вспомогательного потока воздуха, при этом узел подачи вспомогательного потока воздуха выполнен в виде дросселя.
Описанное устройство принято за прототип изобретения.
Прототип изобретения имеет существенный недостаток - очень высокий уровень энергопотребления на привод насоса (вакуум-насоса), поэтому широкого распространения не получает особенно на транспорте. Весьма актуальна экономия энергии - экономия доли горючего, затрачиваемого на функционирование транспортного кондиционера.
Технической задачей изобретения является создание энергоэффективного, надежного и экологически безвредного транспортного кондиционера, способствующего повышению экологической чистоты выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, которым снабжено транспортное средство. Транспортный кондиционер содержит в своем составе: контактный водовоздушный аппарат, снабженный входными и выходными патрубками, через которые побудитель расхода (вентилятор, насос, турбина) прокачивает воздух, теплообменник, совмещенный с наружной поверхностью корпуса аппарата для понижения температуры в кабине; как вариант - выносной теплообменник с циркуляционным насосом, объединенные с помощью трубопровода в единую гидравлическую систему с аппаратом, дополнительно выходной патрубок аппарата соединен с каналом всасывания воздуха в двигатель ДВС, преимущественно оснащенный турбонаддувом.
Турбонаддув ДВС обеспечивает поддержание его энергоэффективного функционирования при дросселировании воздуха во всасывающем патрубке (подобно работе двигателя в разреженном воздухе высокогорья) за счет эффективной компенсации разрежения - наддува воздуха турбокомпрессором во всасывающий патрубок двигателя.
Поставленная задача решается следующим образом (во время работы ДВС).
Канал всасывания воздуха в ДВС соединяют с выходным воздушным патрубком контактного аппарата, например пенного типа; входной патрубок аппарата сообщается с атмосферой. Перед контактным аппаратом устанавливают дросселирующее устройство для рационального регулирования термодинамических процессов, происходящих в контактном аппарате. Корпус контактного аппарата или его части, совмещенной с теплообменником, размещают преимущественно в кабине водителя-оператора.
Как вариант - выносной поверхностный водяной теплообменник воздуха размещают в объекте кондиционирования (кабине) или в непосредственной близости от него. При этом циркуляционный насос и трубопроводы объединяют в единую гидравлическую систему с контактным аппаратом и теплообменником.
Специальную емкость с расчетным запасом воды подсоединяют к гидравлической системе для (периодического) пополнения потерь испаряющейся в контактном аппарате воды или используют естественные источники, например используют забортную речную воду.
При неработающем ДВС (на стоянке) или длительной работе ДВС на холостых оборотах практическое функционирование кондиционера обеспечивается приводом вентилятора от аккумуляторных батарей (при меньшей холодопроизводительности, более высокой температуре, достигаемой в адиабатном процессе испарения воды - соответствующей давлению воздуха в аппарате, близкому к атмосферному). При движении транспортного средства возможно отключение вентилятора (или продолжение его работы совместно с ДВС).
Сущность изобретения заключается в создании кондиционера для транспортного средства, снабженного ДВС, эффективно использующего при своем функционировании возможности турбированного ДВС, что позволяет кондиционировать воздух в объекте (кабине) с минимальными (на порядок меньшими, чем прототип) энергозатратами, обеспечивая высокую эксплуатационную надежность, экологическую безопасность кондиционера и способствовать улучшению экологических показателей ДВС.
Соединение канала всасывания воздуха в ДВС к выходному патрубку контактного, например пенного, аппарата обеспечивает понижение температуры испаряющейся воды до более низких (на несколько градусов) значений по сравнению с испарением в атмосфере с барометрическим давлением воздуха даже при его начальной 100% относительной влажности. При этом одновременно охлаждается и увлажняется воздух, поступающий в ДВС, что благоприятно сказывается на его технических и экологических показателях. Это подтверждается, например, изобретением (а.с. №50596, опубл. 30.04.37 г., МПК F02M 25/02), в котором указано, что влажный охлажденный воздух, направляемый в ДВС, повышает антидетонационные характеристики двигателя, несколько возрастает мощность двигателя и значительно улучшаются экологические показатели его выхлопных газов.
Только ДВС, снабженный турбонаддувом, способен энергоэффективно обеспечить функционирование кондиционера предлагаемой конструкции, т.к. известны стабильные показатели турбированного двигателя по сравнению с обычным "атмосферным" при его эксплуатации в высокогорье (С.Б. Асташенко. Турбокомпрессоры. Автостиль, 2002, 80 с.; Автомобильные двигатели с турбонаддувом / Н.С. Ханин, Э.В. Аболтин, Б.Ф. Лямцев и др. - М.: Машиностроение, 1991. - 336 с.).
В турбированных ДВС полезная работа для наддува воздуха осуществляется за счет энергии выхлопных газов ДВС, которая полезно не используется в обычных "атмосферных" двигателях - без турбонаддува. Таким образом, в транспортном средстве, снабженном турбированным ДВС, затраты энергии на охлаждение кондиционируемого объекта (кабины) минимальны - практически только на привод циркуляционного насоса (в вариантном исполнении), который можно исключить из состава кондиционера, подсоединив к входному патрубку контактного аппарата воздухо-водяной эжектор, способный поддерживать циркуляцию охлажденной воды через теплообменник. При достаточно близком (компактном) расположении ДВС и кабины водителя-оператора, возможно совмещение контактного аппарата и теплообменника, при котором их смежные рабочие водовоздушные среды разделяет теплопроводная стенка аппарата; при этом для функционирования кондиционера не требуется предусматривать циркуляционный насос или воздухо-водяной эжектор.
Для обеспечения требуемой холодопроизводительности кондиционера - количества испаряемой воды в контактном аппарате (для кабины водителя-оператора транспортного средства - это несколько кВт), необходимо располагать определенным расходом воздуха, всасываемого в ДВС (расходом вспомогательного потока воздуха кондиционера).
Расчеты показывают, что необходимое количество всасываемого воздуха могут обеспечить только достаточно мощные ДВС более 350÷400кВт. Такими двигателями, например, оснащают 20÷30-тонные магистральные седельные тягачи, мощность двигателей которых производители периодически повышают.
Более мощные двигатели имеют карьерные самосвалы, дорожно-строительные тракторы, тепловозы, катера и т.д. Причем их двигатели практически всегда работают по самому эффективному дизельному циклу, в котором преимущества турбонаддува проявляются в наибольшей степени, т.к. давление выхлопных газов, приводящих в действие турбину у дизеля, выше, чем у бензинового двигателя.
Количество воды, которое требуется для обеспечения работы транспортного кондиционера, и тип кондиционируемого объекта (кабины) определяют объем бака для запаса воды. Например, для кабины карьерного самосвала или тепловоза можно рекомендовать объем водяного бака ≈ 200 л, который обеспечит бесперебойную работу кондиционера примерно в течение 10 ч (для примера, емкость топливных баков мощных карьерных самосвалов доходит до 3000 литров и более, которых хватает примерно на 10 ч работы).
Рекомендации для применения именно пенного контактного аппарата связаны с тем, что такой аппарат компактен и прост в эксплуатации, но обычно его критикуют за повышенное аэродинамическое сопротивление и поэтому применяют редко. Однако в данном изобретении повышенное аэродинамическое сопротивление пенного аппарата полезно используется для эффективной работы предлагаемого транспортного кондиционера.
Техническим результатом изобретения является создание кондиционера для транспортного средства, снабженного ДВС, который отличается простотой конструкции, надежной эксплуатацией и экологической чистотой при минимальном (на порядок меньшим, чем прототип) уровне энергопотребления (доли расходования топлива), а также способствует улучшению экологических показателей ДВС.
Изобретение позволяет организовать его наиболее эффективное применение на существующих и проектируемых транспортных средствах, снабженных турбированными ДВС мощностью более 400кВт.