АБСОРБЦИОННЫЙ КОНДИЦИОНЕР АВТОМОБИЛЯ
ABSORPTION CAR AIR CONDITIONER

Изобретение относится к устройствам для кондиционирования воздуха в автомобиле.
Для достижения комфортных условий кабину и салон автомобиля снабжают кондиционером воздуха. Основной составной частью кондиционера является холодильная машина.
Известны компрессионные холодильные машины (М.Ф. Бромлей. Гидравлические машины и холодильные установки. Стройиздат. М.: 1971. - 260 с., стр. 162-163), состоящие из компрессора, теплообменника-конденсатора, дроссельного устройства, испарителя и рабочего тела. Теплообменник-конденсатор предназначен для охлаждения рабочего тела до температуры, близкой к температуре окружающей среды и конденсации его в жидкое состояние. Дроссельное устройство используют для сброса давления и получения охлажденного рабочего тела в виде парожидкостной смеси. Испаритель - основной элемент холодильной машины - необходим для испарения жидкой фазы рабочего тела и передачи «холода» охлаждаемому (кондиционируемому) воздуху.
Но необходимо "заметить, что работа компрессионной холодильной машины осуществляется или за счет механической энергии, отбираемой непосредственно от коленчатого вала двигателя, или за счет той же самой механической энергии, но предварительно преобразованной в электрическую энергию.
Однако применение указанных известных компрессионных холодильных машин на транспорте, где используются двигатели внутреннего сгорания, не является эффективным решением с энергетической точки зрения, поскольку безвозвратно теряется большое количество тепловой энергии, связанной с выбросом горячих выхлопных газов.
Использование тепловой энергии выхлопных газов для кондиционирования воздуха повысит энергетическую эффективность транспортного средства и приведет к экономии топлива.
Известно устройство для кондиционирования воздуха в транспортном средстве (патент RU 2692444 C1 F25B 17/08, F25B 41/04, В60Н 1/02, опубл. 24.06.2019 бюл. №18), содержащее адсорбционный тепловой насос, выполненный с возможностью включать в себя множество контейнеров, содержащих адсорбционное-десорбционное устройство и устройство испарения-конденсации, тракт циркуляции, устройство подачи тепла и устройство управления. Адсорбционное-десорбционное устройство выполнено с возможностью осуществлять адсорбцию и десорбцию хладагента, устройство испарения-конденсации выполнено с возможностью осуществлять испарение и конденсацию хладагента, и адсорбционный тепловой насос выполнен с возможностью многократно выполнять процесс адсорбции и процесс десорбции в адсорбционном-десорбционном устройстве каждого из контейнеров.
Недостатком этого адсорбционного устройства для кондиционирования воздуха является периодичность его работы. Для реализации процесса непрерывного кондиционирования воздуха необходимо иметь как минимум два адсорбционно-десорбционных тепловых насоса, каждый из которых попеременно выполняет либо возложенную на него функцию, либо возвращаться в исходное состояние. Поэтому указанное известное устройство включает в себя множество контейнеров, содержащих адсорбционно-десорбционные устройства испарения и конденсации. Это приводит как минимум к двойному перерасходу материалов, существенному конструктивному усложнению предлагаемого устройства, и усложнению управления устройством кондиционирования воздуха.
Самым близким по технической сущности является абсорбционный кондиционер автомобиля (патент RU 2743472 С1, МПК F25B 15/04, F25B 41/00, В60Н 1/02, опубл. 18.02.2021 бюл. №5), выбранный в качестве прототипа. Этот кондиционер является кондиционером непрерывного действия. Абсорбционный кондиционер автомобиля содержит замкнутый контур соединенных трубопроводом элементов для возможности циркуляции рабочего тела в следующем порядке: абсорбер, насос, внутренняя полость высокотемпературного рекуперативного теплообменника, генератор пара, конденсатор, внутренняя полость низкотемпературного рекуперативного теплообменника, регулирующий вентиль, испаритель, внешняя полость низкотемпературного рекуперативного теплообменника, абсорбер. Генератор пара через дроссельный вентиль и высокотемпературный рекуперативный теплообменник соединен с абсорбером. В качестве рабочего тела выбрана двухкомпонентная смесь абсорбента и абсорбтива. В конструкцию кондиционера включены вентиляторы абсорбера, конденсатора и испарителя, объединенные через воздуховоды, соответственно, с абсорбером, конденсатором и испарителем.
Однако известный абсорбционный кондиционер автомобиля имеет следующие недостатки:
- использование в конструкции громоздких вентиляторов с воздуховодами для охлаждения абсорбера, конденсатора и дефлегматора приводит к сложности их монтажа;
- охлаждение оборудования воздушными потоками малоэффективно из-за низких коэффициентов теплоотдачи от газовых сред, это ведет к значительному увеличению теплоотдающих поверхностей, и, следовательно, к увеличению размеров и массы оборудования, что в свою очередь усложняет монтаж и техническое обслуживание автомобиля. Особенно сложным оказывается монтаж генератора пара на выхлопных трубах (каналах) автомобиля;
- наличие дополнительных вентиляторов и воздуховодов, создает и дополнительный шум в автомобиле.
Технической задачей заявляемого изобретения является исключение из конструкции кондиционера громоздких и шумящих вентиляторов и воздуховодов и замена прямого нагрева генератора пара выхлопными газами на опосредованный нагрев жидким теплоносителем.
Технический результат - снижение расходов на материалы, упрощение монтажа конструкции, уменьшение шума.
Для решения технической задачи и достижения технического результата в абсорбционном кондиционере автомобиля, содержащем трубчатый тракт циркуляции рабочего тела, соединяющий генератор пара, ректификатор, дефлегматор, конденсатор, низкотемпературный рекуперативный теплообменник, регулирующий вентиль, испаритель, абсорбер, насос, высокотемпературный рекуперативный теплообменник, кроме того генератор пара через высокотемпературный рекуперативный теплообменник и дроссельный вентиль соединен с абсорбером, вентилятор с воздуховодом кондиционируемого воздуха соединен с испарителем, окружающей средой и салоном автомобиля, при этом в качестве рабочего тела использована смесь абсорбента и абсорбтива, заполняющая внутреннюю полость кондиционера, согласно изобретению, тракт циркуляции рабочего тела содержит контур холодного теплоносителя и контур горячего теплоносителя, при этом контур холодного теплоносителя состоит из последовательно соединенных: теплообменника абсорбера, насоса для холодного теплоносителя, теплообменника радиатора, теплообменника конденсатора, теплообменника дефлегматора, причем этот контур соединен с расширительной емкостью холодного теплоносителя, контур горячего теплоносителя состоит из последовательно соединенных: теплообменника генератора пара, насоса для горячего теплоносителя, теплообменника выхлопных газов, установленного на канале для выхлопных газов автомобиля, причем этот контур соединен с расширительной емкостью горячего теплоносителя, кроме того в кондиционер включен вентилятор радиатора для охлаждения окружающим воздухом теплоносителя в теплообменнике радиатора.
Сущность изобретения поясняется фигурой, на которой представлена схема предлагаемого абсорбционного кондиционера автомобиля.
Абсорбционный кондиционер автомобиля содержит генератор пара 1, высокотемпературный рекуперативный теплообменник 2, насос 3, дроссельный вентиль 4, абсорбер 5, теплообменник абсорбера 6, теплообменник конденсатора 7, низкотемпературный рекуперативный теплообменник 8, вентилятор х воздуховодом для кондиционируемого воздуха 9, испаритель 10, регулирующий вентиль 11, дефлегматор 12, конденсатор 13, теплообменник дефлегматора 14, заправочный вентиль 15, ректификатор 16, теплообменник генератора пара 17, насос для горячего теплоносителя 18, канал для выхлопных газов автомобиля 19, теплообменник выхлопных газов автомобиля 20, установленный на канале для выхлопных газов (трубе) 19 двигателя автомобиля, расширительную емкость холодного теплоносителя 21 (например, сильфонную), насос холодного теплоносителя 22, вентилятор радиатора автомобиля 23, теплообменник радиатора 24, расширительную емкость горячего теплоносителя 25.
Тракт циркуляции рабочего тела содержит два контура с жидким теплоносителем: контур холодного (низкотемпературного) теплоносителя и контур горячего (высокотемпературного) теплоносителя.
Контур холодного теплоносителя состоит из последовательно соединенных между собой теплообменника абсорбера 6, насоса для холодного теплоносителя 22, теплообменника радиатора 24, теплообменника конденсатора 7, теплообменника дефлегматора 14 и соединительных трубок. Контур холодного теплоносителя соединен с расширительной емкостью холодного теплоносителя 21.
Контур горячего теплоносителя состоит из последовательно соединенных между собой теплообменника генератора пара 17, теплообменника выхлопных газов автомобиля 20, насоса для горячего теплоносителя 18 и соединительных трубок. Контур горячего теплоносителя соединен с расширительной емкостью горячего теплоносителя 25.
По направлению потока рабочего тела соединены трубопроводом по замкнутому контуру в следующем порядке: абсорбер 5, насос 3, внутренняя полость высокотемпературного рекуперативного теплообменника 2, генератор пара 1, ректификатор 16, дефлегматор 12, конденсатор 13, внутренняя полость низкотемпературного рекуперативного теплообменника 8, регулирующий вентиль 11, испаритель 10, внешняя полость низкотемпературного рекуперативного теплообменника 8, абсорбер 5.
Кроме того, генератор пара 1 соединен с абсорбером 5 через дроссельный вентиль 4 и высокотемпературный рекуперативный теплообменник 2. Все соединения выполнены трубопроводом.
Теплообменники 6, 7, 14, 24 соединены трубопроводом в следующем порядке: теплообменник радиатора 24, теплообменник конденсатора 7, теплообменник дефлегматора 14 и теплообменник абсорбера 6. Эта последовательность может быть изменена. Насос для холодного теплоносителя 22 может быть установлен в промежутке между любыми двумя теплообменниками.
Для получения аммиака с наименьшим количеством примеси (воды) генератор пара 1 снабжен ректификатором 16 и дефлегматором 12 или одним из них. Ректификатор 16 и дефлегматор 12 установлены в верхней части генератора пара 1 для того, чтобы водный раствор самотеком попадал в нижнюю часть генератора пара 1. Генератор пара 1 снабжен трубчатым теплообменником 17 для нагрева и испарения смеси, находящейся в генераторе пара. Для этого теплоноситель предварительно нагревается в теплообменнике 20 от выхлопных газов, проходящих через канал для выхлопных газов автомобиля 19 и прокачивается насосом 18 через теплообменник генератора пара 17.
Заправочный вентиль 15 предназначен для возможности заполнения кондиционера рабочим телом и может быть установлен в любом месте абсорбционного кондиционера, например, в верхней части генератора пара 1. В качестве рабочего тела выбрана двухкомпонентная смесь абсорбента и хладагента (абсорбента и абсорбтива), например, смесь воды и аммиака или смесь воды и бромистого лития.
Ректификатор 16, дефлегматор 12, высокотемпературный рекуперативный теплообменник 2 и низкотемпературный рекуперативный теплообменник 8 предназначены для повышения коэффициента полезного действия (КПД) абсорбционного кондиционера автомобиля.
Регулирующий вентиль 11 снабжен устройством для дистанционного регулирования степени его открытия.
Работает кондиционер следующим образом.
Заполняют теплоносителем (например, водой) первый и второй контуры теплоносителя, а именно: теплообменник абсорбера 6, теплообменник конденсатора 7, теплообменник дефлегматора 14, теплообменник генератора пара 17, теплообменник выхлопных газов автомобиля 20, теплообменник радиатора 24, расширительную емкость холодного теплоносителя 21, расширительную емкость горячего теплоносителя 25, насос для горячего теплоносителя 18 и насос для холодного теплоносителя 22.
Из внутренней полости абсорбционного кондиционера через заправочный вентиль 15 откачивают находящийся там воздух, затем через этот же вентиль 15 в кондиционер вводят расчетное количество, например, водоаммиачной смеси. Заправочный вентиль 15 закрывают (заваривают). Кондиционер готов к работе.
Сразу после пуска мотора автомобиля его отработанные газы нагревают водоаммиачную смесь в генераторе пара 1 при помощи горячего (высокотемпературного) контура теплоносителя, включающего теплообменник выхлопных газов автомобиля 20, теплообменник генератора пара 17, насос для горячего теплоносителя 18 и расширительную емкость горячего теплоносителя 25. Водоаммиачная смесь закипает, и, образующийся пар водоаммиачной смеси проходит через ректификатор 16 и дефлегматор 12, где отделяется от воды. Вода самотеком стекает обратно в генератор пара, а парообразный аммиак поступает в конденсатор 13. Температура дефлегматора задается температурой теплоносителя в теплообменнике дефлегматора 14. Далее парообразный аммиак конденсируются в конденсаторе 13 за счет охлаждения его при помощи холодного (низкотемпературного) потока теплоносителя, проходящего через теплообменник конденсатора 7. Поток этого теплоносителя непрерывно охлаждается окружающим воздухом в теплообменнике радиатора 24 при помощи вентилятора радиатора автомобиля 23. Образовавшийся в конденсаторе 13 жидкий или парожидкостный поток аммиака проходит через низкотемпературный рекуперативный теплообменник 8, где дополнительно охлаждается встречным паровым потоком аммиака, и попадает в испаритель 10. Испаритель - это основной элемент рассматриваемого кондиционера, в нем происходит охлаждение кондиционируемого воздуха, поступающего в автомобиль. В испарителе 10 жидкий аммиак испаряется, на испарение требуется большое количество теплоты, которая отнимается от стенок трубок, из которых изготовлен испаритель, а продуваемый через испаритель кондиционируемый воздух охлаждается при соприкосновении с этими трубками. Для продувания воздуха используется вентилятор с воздуховодом 9. Охлажденный воздух подается в кабину и в салон автомобиля.
Требуемую температуру кондиционируемого воздуха устанавливают регулирующим вентилем 11. Чем сильнее закрыт регулирующий вентиль 11, тем меньше аммиака поступает в испаритель 10, тем меньшее его количество испаряется и тем меньше охлаждается кондиционируемый воздух.
Отработанные пары аммиака поступают во внешнюю полость низкотемпературного рекуперативного теплообменника 8, где они охлаждают встречный поток жидкого аммиака (в ряде случаев паро-жидкого потока аммиака). Далее пары аммиака, нагретые примерно до температуры окружающей среды, поступают в абсорбер 5, где интенсивно поглощаются водой, поступающей через дроссельный вентиль 4 из генератора пара 1. При абсорбции аммиака водой выделяется большое количество тепла, которое отводится в окружающую среду при помощи теплообменника абсорбера 6, теплообменника радиатора 24 и насоса холодного теплоносителя 22. Охлажденный в теплообменнике радиатора 24 теплоноситель также протекает через теплообменник конденсатора 7 и теплообменник дефлегматора 14, охлаждая в них рабочее тело. Теплоноситель, протекающий через теплообменник абсорбера 6, теплообменник конденсатора 7, теплообменник дефлегматора 14 и теплообменник радиатора 24, считается низкотемпературным, так как он имеет температуру, близкую к температуре окружающего воздуха.
Образующаяся в абсорбере 5 водоаммиачная смесь с помощью насоса 3 поступает через высокотемпературный рекуперативный теплообменник 2 в генератор пара 1, в котором создается давление, избыточное по сравнению с давлением в абсорбере 5. Круговорот водоаммиачных потоков замкнулся.
Как уже отмечалось, водоаммиачная смесь в генераторе пара 1 нагревается, испаряется и разделяется на аммиак и воду. Вода самотеком стекает из дефлегматора 12 и ректификатора 16 в генератор пара 1, откуда под действием перепада давления, создаваемого насосом 3, она поступает в абсорбер 5.
Заявленный абсорбционный кондиционер обеспечивает снижение расходов на материалы, упрощение монтажа конструкции и уменьшение шума, поскольку вместо громоздких вентиляторов с воздуховодами для охлаждения абсорбера, конденсатора и дефлегматора в нем использованы трубчатые жидкостные теплообменники 6, 7, 14, 24 и насос 22. Для реализации возможности установки генератора пара 1 в любое удобное место, в том числе в место, удаленное от канала для выхлопных газов автомобиля 19, использован горячий контур теплоносителя, состоящий из теплообменника генератора пара 17, теплообменника выхлопных газов автомобиля 20, расширительной емкости 25 и насоса для горячего теплоносителя 18.
Теплообменники, использующие жидкий теплоноситель, значительно компактнее воздушных (вентиляторов с воздуховодами), применяемых в прототипе, и издают значительно меньше шума.