КОНДИЦИОНЕР ДЛЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
VEHICLE AIR CONDITIONER

Изобретение относится к системам кондиционирования воздуха, в частности к устройствам для создания комфортных условий в салоне транспортного средства и может быть использована в салоне легковых и грузовых транспортных средств, а также в кабинах дорожных, сельскохозяйственных машин и во внутреннем пространстве различной военной техники.
Технической задачей данного изобретения является экономичное и надежное создание микроклимата в необходимом интервале температур окружающего воздуха с применением вихревой трубы в качестве источника холодного потока воздуха. Кондиционеры на основе вихревой трубы надежны в эксплуатации, могут применяться в условиях сильных вибраций и высоких температур, экологически безопасны.
Известны кондиционеры с применением вихревых труб. Основными составляющими кондиционеров являются вихревая труба, вывод холодного воздуха, вывод горячего воздуха, устройство для подачи под давлением воздуха в вихревую трубу, как правило компрессор, система трубопроводов, в том числе трубопровод, подводящий холодный воздух в охлаждаемый объем (потребителю). Вывод горячего воздуха соединен с атмосферой (например, RU 2171955 С1, 2001.08.10), что снижает эффективность (КПД) кондиционера, или со средствами для нагрева, используемыми в транспортном средстве в холодный сезон (RU 2213016 С2, 2003.09.27).
Известные модификации кондиционеров отличаются средствами, позволяющими обеспечить эффективное охлаждение вихревой трубы и утилизировать накапливающуюся в рубашке охлаждения вихревой трубы жидкость путем введения в схему кондиционера дополнительных блоков и связей. Известны кондиционеры, в которых предусмотрены средства для увлажнения воздуха, для повышения эффективности кондиционирования воздуха путем рационального использования потоков холодного и горячего воздуха, генерируемых вихревой трубой.
Настоящее изобретение является кондиционером с эффективным охлаждением воздуха за счет использования новой схемы распределения холодного и горячего потоков.
Известен кондиционер, схема которого для повышения эффективности кондиционирования воздуха предусматривает наличие рекуперативного теплообменника и холодоприемника (RU 2193739 С2, 2002.11.27). Кондиционер содержит вихревую трубу, вывод горячего воздуха, которой через рекуперативный теплообменник соединен с холодоприемником, выход которого подключен к смесителю, подключенному к холодному концу вихревой трубы. Выход смесителя присоединен ко входу обратного потока рекуперативного теплообменника, выход которого с помощью трубопровода подсоединен к потребителю.
Недостатком кондиционера является сложность конструкции, связанная с наличием рекуперативного теплообменника и холодоприемника.
Ближайшим аналогом заявляемого изобретения является кондиционер, известный по RU 2280566 С1, 2006.07.27. Кондиционер содержит теплообменник с входным и выходным патрубками, компрессор, вихревую трубу, подключенную холодным концом к входному патрубку теплообменника. Вход в вихревую трубу соединен с компрессором через охладитель воздуха. Горячий конец вихревой трубы и выход из теплообменника подключены к входному патрубку компрессора.
Недостатком этого кондиционера является низкий КПД, обусловленный потерями холодоподводящей мощности при смешении потоков воздуха с различной температурой и аэродинамическими характеристиками. Этот недостаток связан с тем, что в трубопровод, соединенный с входом компрессора, поступают два, имеющих различные скорости, направления распространения и температуры турбулентных потоков - поток воздуха, отбираемого из атмосферы с достаточно низкой температурой, и поток горячего воздуха из вихревой трубы. При этом на вход вихревой трубы, в условиях повышенных температур, подается воздух с температурой не ниже 45-50°С. При таких температурах разделяемого в вихревой камере воздуха, термодинамическая эффективность вихревой трубы сильно снижается и требуется использование компрессора повышенной мощности.
К недостаткам кондиционера следует также отнести отсутствие средств для увлажнения воздуха, необходимого для охлаждения вихревой камеры на начальной стадии формирования холодного и горячего потоков воздуха. Введение таких средств, с привлечением известных технических решений, приводит к дополнительному снижению КПД кондиционера.
Заявляемое изобретение обеспечивает получение технического результата, выражающегося в увеличении КПД устройства, в возможности использования компрессора более низкой мощности и в реализации охлаждения вихревой трубы на начальной стадии цикла формирования холодного и горячего потоков воздуха.
Технический результат достигается за счет того, что в кондиционер для транспортного средства, содержащий теплообменник с патрубками ввода и вывода потоков воздуха, компрессор, вихревую трубу, соединенную с выходом компрессора, вывод холодного воздуха которой подключен к патрубку ввода теплообменника, введен сепаратор, входные патрубки которого соединены с горячим выводом вихревой трубы и патрубком вывода теплообменника.
Для эффективного охлаждения воздуха, проходящего через теплообменник к потребителю, камера энергетического разделения вихревой трубы располагается внутри патрубка ввода теплообменника. Это позволяет увеличить КПД устройства и снизить температуру воздуха в сепараторе.
Целесообразно сепаратор соединить с камерой сбора конденсата, а выходной патрубок камеры сбора конденсата соединить с выходным патрубком сепаратора.
Целесообразно также расположить выходной патрубок камеры сбора конденсата в ее нижней части.
Для повышения эффективности охлаждения потока горячего воздуха целесообразно горячий вывод вихревой трубы соединить с входным патрубком сепаратора через воздушный дроссель.
Дроссель можно выполнить из навитой капиллярной металлической трубки, одним концом соединенной с патрубком горячего вывода вихревой трубы, а другим - с сепаратором.
Для повышения эффективности охлаждения воздуха, проходящего через теплообменник к потребителю, целесообразно в кондиционер ввести дополнительную вихревую трубу, теплообменник выполнить с дополнительным патрубком ввода, соединенным с холодным выводом дополнительной вихревой трубы, патрубки ввода в теплообменнике ориентировать относительно друг друга так, что формируемые вихревыми трубами холодные потоки воздуха были направлены навстречу друг другу по параллельным каналам. При этом горячий вывод дополнительной вихревой трубы соединить с вышеупомянутым сепаратором.
Целесообразно горячий вывод дополнительной вихревой трубы соединить с вышеупомянутым сепаратором через дополнительный воздушный дроссель.
В заявляемом изобретении создан полностью замкнутый цикл, не требующий забора воздуха из атмосферы для формирования потока сжатого воздуха, подаваемого на вход вихревой трубы.
На фиг.1 изображена схема заявляемого кондиционера, на фиг.2 - схема сепаратора с камерой сбора конденсата (стрелками указано направление движения потоков воздуха), на фиг.3 - схема кондиционера с двумя вихревыми трубами.
Кондиционер содержит вихревую трубу 1 с холодным выводом 2 и горячим выводом 3. Труба 1 соединена с выходом компрессора 4, ее холодный вывод 2 располагается внутри патрубка ввода теплообменника 5 и подключен к нему. Патрубок вывода теплообменника 5 соединен с первым входным патрубком сепаратора 6, второй входной патрубок которого соединен с горячим выводом 3 трубы 1 через воздушный дроссель 7. Выходной патрубок сепаратора 6 подведен к входному патрубку компрессора 4.
В качестве воздушного дросселя 7 может быть использована любая конструкция, в частности, ее можно выполнить в виде металлической капиллярной трубки, завитой несколькими витками вокруг оси, проходящей через центр соответствующего входного патрубка сепаратора 6.
В изображенном на фиг.2 варианте сепаратор 6 помещен в камеру 8 сбора конденсата, в нижней части которой имеется стакан 9 для сбора влаги, соединенный патрубком 10 с выходным патрубком сепаратора 6.
Схематично изображенный сепаратор 6 выполнен пластинчатым, однако этот вариант не исчерпывает возможности использования других конструкций сепаратора.
В изображенном на фиг.3 кондиционере имеется дополнительная труба 11 с холодным выводом 12 и горячим выводом 13. Труба 11 соединена с выходом компрессора 4 и ее холодный вывод 12 подключен к дополнительному патрубку ввода теплообменника 5 и так же, как для первой вихревой трубы, располагается внутри него. Патрубки ввода теплообменника 5 на представленном варианте кондиционера расположены так, что формируемые трубами 1 и 11 холодные потоки воздуха направлены навстречу друг другу по параллельным трубопроводам. Горячий вывод 13 дополнительной вихревой трубы 11 соединен с сепаратором 6 через дроссель 7 так же, как горячий вывод 3 трубы 1 (см. фиг.2).
Кондиционер работает следующим образом.
Холодный воздух с холодного вывода 2 трубы 1 поступает в патрубок ввода теплообменника 5 под давлением, обеспечивая эффективное охлаждение внешней поверхности теплообменника.
Прошедший теплообменник 5 охлажденный воздух и горячий воздух с горячего вывода 3 трубы 1 поступают через разные трубопроводы в сепаратор 6. Воздушный дроссель 7 способствует предварительному охлаждению горячего воздуха перед его поступлением в сепаратор 6. В сепараторе 6 турбулентные потоки, температура которых сильно отличается, смешиваются, вызывая конденсацию содержащихся в них водяных паров. Конденсат скапливается в стакане 9.
Одновременно с конденсацией водяных паров, элементы сепаратора 6 выполняют роль ресивера, обеспечивающего выравнивание давления поступающих в него воздушных потоков. Вследствие этого на вход компрессора 4 поступает воздушный поток, аэродинамические характеристики которого позволяют обеспечить необходимое сжатие воздуха с использованием компрессора меньшей мощности, чем в прототипе.
Из-за перепада давления на границе раздела сконденсированных водных паров в стакане 9 камеры 8, жидкость из стакана 9 поступает в патрубок 10 и вместе с воздухом из сепаратора 6 подается в компрессор 4, обеспечивая увлажнение воздуха, поступающего в вихревую трубу 1 и способствует ее охлаждению на начальной стадии цикла формирования холодного и горячего потоков воздуха.
Теплообменник 5 обдувается вентилятором (не изображен). Охлажденный воздух направляется в выбранную зону охлаждения - в салон транспортного средства, в кабину водителя и т.п.
При использовании в кондиционере дополнительной трубы 11 можно применять любую конструкцию сепаратора 6, элементы которого позволяют обеспечить быстрое развихрение поступающих в него воздушных потоков.
Таким образом в кондиционере реализуется полностью замкнутый цикл по воздушному потоку, не требующий забора воздуха из атмосферы для формирования потока сжатого потока воздуха, подаваемого на вход вихревой трубы.
Достоинством устройства является то, что оно может без существенных изменений конструкции использоваться как в грузовых и легковых автомобилях, так и в тяжелой технике (в том числе военной), работающей в условиях больших загрязнений и запыленности, а также при сильных вибрациях. Устройство позволяет использовать небольшие компрессоры малой мощности, что важно для экономии энергоресурсов в транспортном средстве.