КОНДИЦИОНЕР ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
VEHICLE AIR CONDITIONER

Изобретение относится к области транспортного машиностроения, в частности к установкам искусственного климата, а именно к кондиционерам, обеспечивающим регулирование микроклимата в салонах транспортных средств.
Известен «Кондиционер транспортного средства» авторов Ласточкина С.А., Альтгаузена А.Л. и др., Патент на полезную модель РФ №50126, Кл. В60Н 1/32, опубликован 27.12.2005 г., содержащий испаритель с терморегулирующим вентилем, размещенный в корпусе, сообщающемся окном с воздухозаборником и выходом, с отопителем, и снабженным патрубком для удаления конденсата, размещенным в нижней части корпуса. Корпус соединен трубопроводами высокого давления через ресивер-осушитель с конденсатором с одной стороны, и трубопроводом, шлангами низкого и шлангом высокого давлений через компрессор с другой, образуя замкнутый контур.
В кондиционере использован принцип работы парокомпрессорной холодильной машины с обратным циклом Карно с приводом компрессора кондиционера от выходного вала ДВС. Газообразный хладагент сжимается с нагревом в компрессоре и подается в конденсатор, где охлаждается при интенсивном обдуве вентилятором наружным воздухом. При высоком давлении в конденсаторе и интенсивном отводе тепла в окружающую среду хладагент из газообразного состояния переходит в жидкое состояние, заполняет ресивер-осушитель, где очищается от механических примесей и влаги, затем хладагент поступает в испаритель с понижением давления через дросселирующее устройство (не показано) терморегулирующего вентиля, расширяется и испаряется с поглощением тепла, поступающего из воздуха нагнетаемого вентилятором воздухозаборника в окно, превращается в газообразное состояние. Находящийся в салоне автомобиля испаритель постоянно снижает температуру воздуха. Охлажденный воздух поступает через выход в отопитель и затем в салон транспортного средства.
Недостатком данного автомобильного кондиционера является потребление мощности двигателя (до 8 кВт), что для автомобилей может составлять около 10% мощности двигателя, влияет на динамику автомобиля и соответственно существенно увеличивает расход топлива. Кроме того, в таких кондиционерах до сих пор используются фреоны, разрушающие озоновый слой земли.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению и взятому в качестве прототипа является «Сорбционная холодильная машина» автора Латышева В.П. Патент РФ №2047057, F25В 5/00, опубл.27.10.1995 г., содержащая соединенные между собой конденсатор, дефлегматор, ресивер, отделитель жидкости, нижнюю часть S-образного теплообменника, теплоизолированный корпус холодильника, камеру холодильника, заправочный штуцер с запорным вентилем, трубопровод, соединяющий верхнюю часть S-образного трубопровода с верхней частью полости отделителя жидкости, трубопровод, соединяющий канал двухпоточного теплообменника с паровой полостью отделителя жидкости генератора, вентиль, двухпоточный теплообменник, генератор, дополнительный двухпоточный теплообменник, трехпоточный теплообменник, смеситель, теплоизолированная дверь холодильника, при этом верхняя часть двухпоточного теплообменника размещена в пределах высоты корпуса генератора. Рабочим веществом машины является смесь таких компонентов, при смешении которых в жидком состоянии поглощается теплота (снижается температура раствора), например пропана и ацетона, в соотношении 50/50% по массе.
Недостатком данного изобретения является его невозможность использования на транспортном средстве, т.к. оно предназначено для работы в неподвижном состоянии и принцип действия основан на разности давлений и высот столбов жидкостей. В движущемся автомобиле при кренах и тряске данная схема не сможет работать.
Решаемой задачей предлагаемого изобретения является создание высокоэффективного кондиционера транспортного средства, с использованием утилизируемого «бросового» тепла двигателя.
Техническим результатом от использования предполагаемого изобретения является повышение эффективности кондиционера транспортного средства, позволяющего поддерживать оптимальный климат в салоне (кабине) транспортного средства за счет использования утилизируемого «бросового» тепла двигателя транспортного средства, например выхлопных газов ДВС или тепла батарей электромобиля.
Технический результат достигается тем, что в кондиционере транспортного средства, содержащем последовательно соединенные трубопроводами в замкнутый контур конденсатор, смеситель, канал трехпоточного теплообменника, насос, ресивер, второй канал трехпоточного теплообменника, генератор с отделителем жидкости и дефлегматор, нижнюю часть полости отделителя жидкости, соединенную трубопроводом со смесителем через двухпоточный теплообменник и второй канал трехпоточного теплообменника, в тракты охлаждения жидкости введены радиаторы на трубопроводах легкокипящей жидкости и высококипящей жидкости и ресиверы, расположенные на их трубопроводах за радиаторами, обратный клапан, расположенный на трубопроводе легкокипящей жидкости, и клапан, установленный на входе дефлегматора, дополнительный обводной трубопровод с клапаном, который установлен на нем и соединен со смесителем, при этом обводной трубопровод соединен с полостью генератора, который, в свою очередь, установлен на выхлопной трубе двигателя внутреннего сгорания, отделитель жидкости и двухпоточный теплообменник, расположенные на генераторе, установлены на одной высоте и соединены между собой S-образным трубопроводом, второй канал последнего соединен с трубопроводом смеси жидкостей, насос выполнен с возможностью реверсирования направления перекачки (циркуляции) и регулирования температуры в генераторе с помощью датчиков и электронного блока системы управления, причем размещены датчики в верхней части двухпоточного теплообменника и отделителя жидкости и своими выходами соединены с входами блока системы управления насоса, а смеситель с радиатором установлен в салоне транспортного средства и соединен с трехпоточным теплообменником каналами легкокипящей и высококипящей жидкостей через трубопроводы легкокипящей и высококипящей жидкостей на входе и каналом смеси на выходе радиатора через перекачивающий насос с двухпоточным теплообменником.
Для работы в режиме обогрева салона дополнительный обводной трубопровод соединен с радиатором салона (кабины) и установлен обратный клапан, открывающийся при реверсивной работе насоса.
Для повышения эффективности кондиционера в качестве компоненты легкокипящей жидкости рабочей смеси использован ацетон, а в качестве компоненты высококипящей жидкости использован гептан.
Основными достоинствами предлагаемого изобретения являются:
1. Высокие экономичность и энергоэффективность. Использование тепла выхлопных газов или нагрева аккумуляторов позволяет применять вместо компрессора, потребляющего 4-8 кВт мощности с вала двигателя, насос мощностью до 100 Вт.
2. Дополнительное охлаждение выхлопных газов повышает КПД ДВС или не дает перегреваться электродвигателю и батареям электромобиля.
3. Экологичность. Уменьшается потребление топлива и, следовательно, уменьшается и количество выхлопных газов. В качестве рабочих жидкостей используются вещества, не разрушающие озоновый слой земли.
Сравнение заявленного технического решения с уровнем техники по научно-технической и патентной документации на дату приоритета в основной и смежных рубриках показывает, что совокупность существенных признаков заявленного решения не была известна, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности «новизна».
Предложенное техническое решение промышленно применимо, т.к. может быть изготовлено промышленным способом, работоспособно, осуществимо воспроизводимо, следовательно, соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».
Новизной данного изобретения является использование теплового эффекта эндотермического смешения жидкостей, не применявшегося ранее в кондиционерах транспортных средств.
Для пояснения технической сущности предлагаемого изобретения рассмотрим фиг.1 - общий вид кондиционера, работающего от теплоты выхлопных газов ДВС, где:
1 - генератор
2 - отделитель жидкости
3 - поплавковый клапан
4 - дефлегматор
5 - конденсатор легкокипящей жидкости (ЛЖ)
6 - радиаторы охлаждения легкокипящей жидкости (ЛЖ)
7 - ресивер легкокипящей жидкости ЛЖ
8 - обратный клапан трубопровода легкокипящей жидкости (ЛЖ)
9 - трубопровод легкокипящей жидкости (ЛЖ)
10 - S-образный трубопровод
11 - газоотводная трубка
12- двухпоточный теплообменник
13 - трубопровод высококипящей жидкости (ВЖ)
14 - радиаторы охлаждения высококипящей (ВЖ)
15 - ресивер высококипящей жидкости (ВЖ)
16 - трехпоточный теплообменник
17 - смеситель
18 - радиатор салона (кабины)
19 - трубопровод смеси жидкостей
20 - перекачивающий насос
21 - датчики системы управления
22 - блок электронного управления
23 - обратный клапан дополнительного обводного трубопровода
24 - дополнительный обводной трубопровод для режима отопления
На нагреваемой поверхности выхлопной трубы ДВС располагается генератор 1, откуда кипящая смесь поступает в отделитель жидкости 2, где и происходит разделение на тракт легкокипящей жидкости (ЛЖ) и тракт высококипящей жидкости (ВЖ). На тракт ЛЖ для предотвращения «захлебывания» установлен поплавковый клапан 3, препятствующий поступлению жидкости в дефлегматор 4, установленный вертикально. За дефлегматором 4 установлены последовательно конденсатор ЛЖ 5 и радиатор охлаждения ЛЖ 6. Сконденсировавшаяся и охлажденная ЛЖ собирается в ресивере 7, за которым располагается обратный клапан 8, откуда по трубопроводу ЛЖ 9 поступает в трехпоточный теплообменник 16 и далее в смеситель 17.
Тракт ВЖ включает S-образный трубопровод 10, соединяющий нижнюю часть отделителя жидкости 2 с верхней частью двухпоточного теплообменника 12, в своей нижней части также подогреваемый теплом выхлопных газов, который, в свою очередь, соединен с верхней частью отделителя жидкости 2 газоотводной трубкой 11. Далее трубопровод ВЖ 13 соединяется с радиатором охлаждения ВЖ 14 и ресивером ВЖ 15, после которого ВЖ подается через трехпоточный теплообменник 16 в смеситель 17. В смесителе 17 жидкости смешиваются в виде охлажденной смеси и поступают в радиатор салона (кабины) 18, охлаждая воздух в салоне (кабине) транспортного средства, после чего поступают в обратный канал трехпоточного теплообменника 16, где противотоком смеси охлаждают поступающие ЛЖ и ВЖ. Реверсивный насос 20 перекачивает смесь через двухпоточный теплообменник обратно в генератор. Смеситель 17 соединен с дополнительным обводным трубопроводом 24 с помощью обратного клапана 23, открывающегося при реверсивной работе насоса. Управление насосом 20 осуществляется при помощи электронного блока системы управления 22, получающего сигналы с датчиков 21 (температуры или давления).
Работа кондиционера
Рабочим веществом кондиционера является смесь таких компонентов, при смешивании которых в жидком состоянии поглощается теплота (снижается температура раствора), например гептана и ацетона. Машина заряжается рабочим веществом вводом сначала компонента (гептана) для заполнения тракта высококипящей жидкости (ВЖ), а затем компонента (ацетона) для заполнения тракта легкокипящей жидкости (ЛЖ). Перед зарядкой компоненты очищают от неконденсирующихся газов, а полость машины вакуумируют. Компоненты вводят в таком количестве, чтобы в установившемся режиме работы уровень в отделителе жидкости и двухпоточном теплообменнике был одинаков, а вся система была заполнена без воздушных пробок.
При запуске ДВС выхлопные газы двигателя начинают нагревать смесь в генераторе 1 и в нижней части S-образного трубопровода 10. Смесь кипит и поступает из генератора 1 в отделитель жидкости 2. Пары под действием перепада давления в отделителе жидкости и конденсаторе через дефлегматор 4 двигаются в конденсатор ЛЖ 5. В дефлегматоре 4 пары очищаются от высококипящего компонента (ВЖ) и чистый легкокипящий компонент (ЛЖ) после конденсации и охлаждения в радиаторе 6 под действием сил тяжести стекает в ресивер ЛЖ 7. Чтобы избежать «захлебывания» дефлегматора, на его входе размещается поплавковый клапан 3, который закрывается при повышении уровня жидкости, при этом возрастает давление в отделителе жидкости и газообразная смесь вытесняет жидкость, открывая клапан 3. После ресивера ЛЖ расположен обратный клапан 8, не позволяющий засасывать ВЖ в тракт ЛЖ при остывании. Затем поток ЛЖ скапливается в ресивере 7 и попадает в трехпоточный теплообменник 16, где дополнительно охлаждается идущим навстречу холодным раствором смеси компонентов.
При выпаривании в отделителе жидкости 2 раствор обогащается ВЖ и плотность его возрастает. Тяжелая ВЖ собирается в нижней части отделителя жидкости 2 и поступает через S-образный трубопровод 10, который также подогревается от выхлопной трубы в теплообменник 12, где температура возрастает, а давление падает на высоту столба ВЖ в теплообменнике. Это позволяет повысить чистоту ВЖ. Образовавшиеся при этом пары ЛЖ из верхней части S-образного трубопровода 11 поступают в паровую полость отделителя жидкости 2 через газоотводную трубку, а жидкая ВЖ поступает в радиатор 14 и затем в ресивер ВЖ 15, откуда поступает в трехпоточный теплообменник 16, где охлаждается идущей противотоком смесью. Жидкие ЛЖ и ВЖ охлаждаются до минимальной температуры в трехпоточном теплообменнике 16, а затем смешиваются. Смешивание происходит с поглощением теплоты в смесителе 17, и охлажденная смесь подается в радиатор салона 18, который охлаждает воздух в салоне (кабине) транспортного средства. Смесь, пройдя радиатор салона, остается все еще достаточно холодной и подается в противоток трехпоточного теплообменника 16 по трубопроводу смеси жидкостей 19 для охлаждения поступающих компонентов ЛЖ и ВЖ. Для перекачки компонентов, интенсификации процессов смешения и управления системой служит насос 20, перекачивающий жидкость, установленный на трубопроводе смеси жидкостей 19 и работающий под управлением электронной системы управления 22, оснащенной датчиками 21. Для скорейшего вывода кондиционера на режим используются запасы жидкостей в ресиверах.
При запуске насос 20 не включается до появления сигнала от датчика 21. В момент нагрева смеси до температуры кипения датчик 21 срабатывает и насос начинает перекачку жидкости. В случае если перекачиваемая жидкость не успевает нагреться до температуры кипения, насос 20 снижает обороты вплоть до полной остановки по программе блока управления 22.
При необходимости работы кондиционера на нагрев насос 20 перекачивает жидкость из генератора 1 в реверсивном направлении через трубопровод смеси жидкости 19 и двухпоточного теплообменника 12 в радиатор салона 18, при открытии клапана 23 жидкость из смесителя по дополнительному обводному трубопроводу системы отопления 24 поступает снова в генератор 1, где нагревается от выхлопных газов.
Надежность в работе кондиционера определяется всей системой конструктивных элементов, соединенных в замкнутый контур, и работой насоса с системой управления, обеспечивающих слаженную работу всех узлов. Положительным моментом следует также отметить возможность работы кондиционера на обогрев салона транспортного средства за счет введения в замкнутый контур дополнительного трубопровода с обратным клапаном и работой насоса в реверсивном направлении.
Технико-экономические преимущества предлагаемого изобретения
Предлагаемый кондиционер транспортного средства благодаря новым конструктивным особенностям по сравнению с известными аналогами машин, работающих на фреонах, является высокоэкономичным и энергоэффективным за счет использования «бросовой» энергии, например выхлопных газов ДВС, и дополнительного их охлаждения, повышающих КПД ДВС, а также экологичным благодаря выбору рабочих жидкостей, использующих вещества, не разрушающих озоновый слой земли, а в целом - высокоэффективным.