УСТАНОВКА КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ДЛЯ РЕЛЬСОВОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Полезная модель относится к установке кондиционирования для рельсового транспортного средства в соответствии с ограничительной частью п. 1 формулы.
Известна установка кондиционирования, например для рельсового транспортного средства, содержащая холодильный контур, переключаемый между режимами охлаждения и отопления, первый теплообменник, который взаимодействует с окружающим воздухом и в режиме охлаждения работает как конденсатор, а в режиме отопления – как испаритель, второй теплообменник, который кондиционирует приточный воздух для салона, расширительный клапан, компрессор и распределительное устройство для переключения между режимами охлаждения и отопления.
Такие приборы, предусмотренные в виде компактной установки кондиционирования, используются не только в рельсовых транспортных средствах, но и в транспортных средствах любого рода, а также в зданиях.
При кондиционировании рельсовых транспортных средств, главные функции установки кондиционирования заключаются в том, чтобы кондиционировать смешанный воздух, состоящий из свежего и окружающего воздуха, до определенного приточного воздуха, так что в салоне соблюдается желаемый климатический комфорт. Поскольку установка кондиционирования в рельсовых транспортных средствах позади тяговых компонентов зачастую является вторым по величине потребителем энергии, важно уменьшить потребление мощности установкой кондиционирования. Одна из мер заключается в том, чтобы предусмотреть установку кондиционирования, в частности компактную установку кондиционирования, с встроенной функцией теплового насоса.
При этом главный рабочий диапазон функции теплового насоса лежит обычно при наружных температурах от -5°С до +15°С. Принцип работы установки кондиционирования должен отвечать нормам DIN EN14750 и DIN EN 13129.
Функция теплового насоса установки кондиционирования обеспечивается распределительным устройством, причем холодильный контур в режиме охлаждения работает, как в традиционной установке кондиционирования, т.е. испаритель охлаждает смешанный воздух до требуемой температуры приточного воздуха, причем в то же время из-за недостижения точки росы смешанный воздух также осушается. За счет воздействия на температуру и/или влажность смешанного воздуха испаритель кондиционирует смешанный воздух из свежего и окружающего воздуха.
В противоположность этому конденсатор отводит отходящее тепло из рабочего процесса испарителя и компрессора в окружающее пространство.
В режиме отопления установки кондиционирования распределительное устройство настраивается так, что испаритель расположен технологически на внешней стороне и охлаждает окружающий воздух. При этом из-за недостижения окружающим воздухом точки росы конденсируется вода. При более низких температурах ниже 0ºС теплопередающая поверхность испарителя покрывается инеем.
Смешанный воздух нагревается тепловым насосом, поскольку конденсатор подает к смешанному воздуху практически тепло компрессора и тепло конденсатора.
При этом, однако, следует учесть, что функция в режиме теплового насоса, как правило, ограничена температурой ниже -5°С, поскольку иначе испаритель на внешней стороне сильно обледеневает. В переходном диапазоне между -5°С и +5°С холодильный контур либо на определенное время прерывается, пока лед на теплопередающей поверхности испарителя снова не растает, либо происходит возврат процесса. При возврате процесса произошло бы переключение на режим охлаждения. Однако, как правило, от этого отказываются, поскольку тогда салон бы охлаждался, а не отапливался.
Обе меры приводят к прерыванию функции теплового насоса холодильного контура, так что требуется подключить расположенные вниз по потоку за вторым теплообменником электронагревательное устройство, чтобы довести смешанный воздух до подходящей температуры, и чтобы его можно было подавать в салон в качестве приточного воздуха. Подключение электронагревательного устройства приводит к колебанию температуры приточного воздуха, поскольку сначала необходимо нагреть само электронагревательное устройство, что определяется его теплоемкостью. Таким образом, нельзя сразу точно установить температуру приточного воздуха.
Наконец, прерывание функции теплового насоса и подключение электронагревательного устройства вызывает колебание температуры приточного воздуха для салона, что сильно затрудняет соблюдение приведенных выше норм.
К тому же использование электронагревательного устройства обуславливает наличие различных предохранительных устройств, поскольку на поверхностях нагревательных элементов электронагревательного устройства могут возникать очень высокие температуры, например выше 300ºС.
Наиболее близким аналогом заявленной полезной модели является известная из EP 2811241 A1 (опуб. 10.12.2014) установка кондиционирования для рельсового транспортного средства с холодильным контуром, который выполнен с возможностью переключения между режимами охлаждения и отопления, содержащая первый теплообменник, выполненный с возможностью взаимодействия с окружающим воздухом и работы в режиме охлаждения как конденсатор, а в режиме отопления – как испаритель, второй теплообменник, выполненный с возможностью кондиционирования приточного воздуха для салона, расширительный клапан, компрессор и распределительное устройство для переключения между режимами охлаждения и отопления. Недостатками этого известного технического решения являются значительные колебания температуры приточного воздуха для салона/внутреннего пространства здания из-за прерывания режима теплового насоса.
В основе полезной модели лежит задача усовершенствования описанной выше установки кондиционирования таким образом, чтобы можно было уменьшить колебания температуры приточного воздуха для салона/внутреннего пространства здания из-за прерывания режима теплового насоса.
Эта задача решается посредством установки кондиционирования, охарактеризованной признаками п. 1 формулы.
В соответствии с этим упомянутая установка кондиционирования усовершенствована таким образом, что холодильный контур содержит первичный холодильный контур, включающий в себя первый теплообменник, расширительный клапан, компрессор, распределительное устройство для переключения между режимами охлаждения и отопления и первичную сторону третьего теплообменника, который в режиме охлаждения работает как испаритель, а в режиме отопления – как конденсатор, и вторичный холодильный контур, включающий в себя вторичную сторону третьего теплообменника и второй теплообменник, причем между выпуском для хладагента на вторичной стороне третьего теплообменника и впуском для хладагента второго теплообменника расположено подключаемое электронагревательное устройство для нагрева притока хладагента для второго теплообменника.
За счет разделения холодильного контура на первичный и вторичный холодильные контуры, соединенные между собой третьим теплообменником, можно уменьшить колебания температуры приточного воздуха для салона, поскольку вторичный холодильный контур работает по типу теплоаккумулятора, а электронагревательное устройство воздействует не на температуру приточного воздуха, как в уровне техники, а на температуру притока хладагента для второго теплообменника, который вызывает кондиционирование воздуха, направляемого в салон.
Электронагревательное устройство может быть выполнено в виде погружного электрокипятильника. Этим обеспечивается простая реализация электронагревательного устройства.
Предпочтительно емкость теплоаккумулятора вторичного холодильного контура рассчитана так, что короткие прерывания режима теплового насоса негативно не сказываются на температуре приточного воздуха.
Емкость теплоаккумулятора вторичного холодильного контура может быть увеличена еще за счет того, что вторичный холодильный контур оборудован резервуаром. В этом случае погружной электрокипятильник встроен в резервуар для хладагента вторичного холодильного контура. Благодаря наличию резервуара во вторичном холодильном контуре режим теплового насоса установки кондиционирования можно рассчитать интервалами с максимальной эффективностью. Прерывания режима теплового насоса компенсируются, в частности за счет резервуара.
Кроме того, режим теплового насоса может быть реализован, в основном, без обледенения, поскольку оттаивание воды на испарителе может происходить во время перерывов в работе, так что можно не считаться с негативными последствиями в отношении соблюдения желаемой температуры приточного воздуха.
Таким образом, предпочтительно, что установка кондиционирования в своем режиме отопления работает периодически таким образом, что это обеспечивает оттаивание первого теплообменника, взаимодействующего с наружным воздухом.
Распределительное устройство может быть образовано четырехлинейным распределителем. В этом случае четырехлинейный распределитель имеет первое присоединение, которое в режиме охлаждения соединено с впуском для хладагента первого теплообменника, второе присоединение, которое в режиме охлаждения соединено с выпуском для хладагента на первичной стороне третьего теплообменника, третье присоединение, которое соединено с входной стороной компрессора, и четвертое присоединение, которое соединено с выходной стороной компрессора.
Режим охлаждения установки кондиционирования может быть реализован тогда за счет того, что четырехлинейный распределитель включен таким образом, что его второе присоединение гидродинамически соединено с третьим присоединением, а его четвертое присоединение – с первым присоединением. По сравнению с этим в режиме отопления первое присоединение гидродинамически соединено с третьим присоединением, а четвертое присоединение – со вторым присоединением четырехлинейного распределителя.
Предпочтительно третий теплообменник выполнен в виде пластинчатого теплообменника. Это обеспечивает эффективный теплообмен между первичным и вторичным холодильными контурами.
Вторичный холодильный контур может работать на рассольно-водяной смеси в качестве хладагента. Для первичного холодильного контура могут использоваться распространенные хладагенты.
Окружающий воздух может направляться мимо первого теплообменника посредством первого вентилятора, тогда как на втором теплообменнике, подготавливающем кондиционированный приточный воздух для салона, для всасывания приточного воздуха также может использоваться вентилятор.
Примеры осуществления полезной модели более подробно поясняются ниже со ссылкой на чертежи, на которых представлено следующее:
фиг. 1 - схематично холодильный контур с функцией теплового насоса в режиме охлаждения в первом варианте;
фиг. 2 - схематично холодильный контур по фиг. 1 в режиме отопления;
фиг. 3 - схематично холодильный контур с функцией теплового насоса в режиме охлаждения во втором варианте;
фиг. 4 - схематично холодильный контур по фиг. 3 в режиме отопления.
Изображенные на фиг. 1-4 холодильные контуры реализованы, например, в компактной установке кондиционирования, используемой в рельсовом транспортном средстве. Однако холодильные контуры могут использоваться также в других транспортных средствах и в зданиях.
Следует учесть, что обозначенными сплошными линиями гидродинамическими соединениями являются такие, у которых хладагент имеет, скорее, низкую температуру, тогда как обозначенные штриховыми линиями гидродинамические соединения указывают на хладагент с повышенной температурой.
На фиг. 1 изображен режим охлаждения для холодильного контура с функцией теплового насоса. Холодильный контур включает в себя первичный 1 и вторичный 2 холодильные контуры. Первичный холодильный контур 1 содержит первый теплообменник 3, который взаимодействует с окружающим воздухом и в режиме охлаждения работает как испаритель. Окружающий воздух направляется мимо первого теплообменника 3 с помощью вентилятора 4. В режиме охлаждения на фиг. 1 первый теплообменник 3 работает как испаритель. На входной стороне первого теплообменника 3 в режиме охлаждения подключен четырехлинейный распределитель 5 с четырьмя присоединениями 6, 7, 8, 9. Первое присоединение 6 в режиме охлаждения соединено с входной стороной первого теплообменника 3. Поскольку первое присоединение 6 четырехлинейного распределителя 5 в режиме охлаждения за счет подходящей настройки последнего соединено с его четвертым присоединением 9, которое гидродинамически соединено с выпускной стороной компрессора 10, нагретый хладагент первичного холодильного контура 1 поступает в первый теплообменник 3. Входная сторона компрессора 10 через четырехлинейный распределитель 5, в частности через его второе 7 и третье 8 присоединения, соединены со вторым холодильным контуром 2.
Хладагент, покидающий первый теплообменник 3 на его выходной стороне, поступает к расширительному клапану 11, остывает там и поступает оттуда в направлении второго холодильного контура 2.
Вторичный холодильный контур 2 включает в себя второй теплообменник 12, служащий для кондиционирования приточного воздуха Z для салона, например, рельсового транспортного средства. Вентилятор 13 всасывает подготовленный компактному кондиционеру смешанный воздух М из наружного и окружающего воздуха и направляет его мимо второго теплообменника 12.
Кроме того, вторичный холодильный контур 2 включает в себя погружной электрокипятильник 14, который может подключаться при необходимости. Хладагент во вторичном холодильном контуре 2, при этом речь может идти о рассольно-водяной смеси, подается центробежным насосом 15.
Первичный 1 и вторичный 2 холодильные контуры соединены между собой третьим теплообменником 16, который в режиме охлаждения работает как конденсатор, а в режиме отопления – как испаритель и выполнен в виде пластинчатого теплообменника. Его первичная сторона соединена с расширительным клапаном 11 и со вторым присоединением 7 четырехлинейного распределителя 5. В режиме охлаждения идущий от расширительного клапана 11, остывший хладагент первичного холодильного контура 1 поступает в третий теплообменник 12, взаимодействует с хладагентом вторичного холодильного контура 2 и покидает третий теплообменник 12 в направлении второго присоединения 7 четырехлинейного распределителя 5.
В режиме отопления на фиг. 2 холодильный контур выполняет функцию теплового насоса. Гидродинамическое расположение первичного холодильного контура 1 отличается от расположения на фиг. 1 включением компрессора 10. Его входная сторона гидродинамически соединена через первое 6 и третье 8 присоединения четырехлинейного распределителя 5 с выходной стороной для хладагента первого теплообменника 3 в режиме отопления (это соответствует впускной стороне в режиме охлаждения). Хладагент течет через первый теплообменник 3 в обратном направлении, нежели в режиме охлаждения.
В режиме охлаждения холодильного контура на фиг. 1 третий теплообменник 16, работающий здесь как конденсатор, переносит температуру хладагента первичного холодильного контура 1, имеющуюся на выходной стороне расширительного клапана 11. Погружной электрокипятильник 14 в режиме охлаждения не функционирует.
В режиме отопления на фиг. 1 холодильный контур, в частности при наружных температурах от -5°С до +5°С, эксплуатируется периодически, т.е. функция теплового насоса периодически прерывается, причем, по возможности, с точки зрения энергоэффективности, следует отказаться от действительного возврата процесса, так что в периоды покоя обеспечивается устранение обледенения/оттаивание конденсированной воды из наружного воздуха А на первом теплообменнике 3. За счет (кратковременного) снижения теплопереноса на третьем теплообменнике 16 требуется использование погружного электрокипятильника 14. Последний расположен между вторичной стороной третьего теплообменника 16 и стороной притока хладагента второго теплообменника 12 и, при необходимости, нагревает хладагент вторичного холодильного контура 2 таким образом, что температура приточного воздуха Z для салона остается неподверженной влиянию переключения/отключения холодильного контура.
На фиг. 3 и 4 изображен второй вариант холодильного контура с функцией теплового насоса. В отличие от описанного выше первого варианта, вторичный холодильный контур 2 дополнен резервуаром 17 для его хладагента. В этот резервуар 17 встроен погружной электрокипятильник 14, так что при прерывании функции теплового насоса холодильного контура в распоряжении имеется достаточно хладагента желаемой температуры, благодаря чему температура приточного воздуха Z, кондиционируемого на втором теплообменнике 12, не подвержена никаким колебаниям.