КОНДИЦИОНЕР С ВОДЯНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ ИЛИ НАГРЕВОМ ТЕПЛООБМЕННИКА КОНДЕНСАТОРА
AIR CONDITIONER WITH WATER COOLING OR CONDENSER HEAT EXCHANGER HEATING

Изобретение относится к области кондиционирования воздуха, в частности, с использованием системы водоснабжения, и предназначено для создания комфортных условий в бытовых помещениях.
Современные кондиционеры воздуха состоят из трех основных элементов: испарителя, компрессора и конденсатора. Эти элементы соединены между собой трубопроводом, по которому при помощи компрессора прокачивается «легкокипящая» жидкость (чаще всего фреон или его аналог), которая служит теплоносителем. Благодаря своим свойствам, фреон переходит в газообразное состояние при низких температурах и низком давлении, а при повышении температуры и незначительном повышении давления фреон конденсирует и превращается в жидкость. Компрессор прокачивает фреон по замкнутому циклу от испарителя, где происходит его испарение со значительным понижением температуры, к конденсатору, в котором происходит конденсация фреона с большим выделением тепла. К испарителю при помощи вентилятора подводится поток воздуха, который отдает свое тепло фреону, а сам охлаждается. Затем нагретый фреон перекачивается компрессором в конденсатор, на который подается поток воздуха с более низкой температурой, чем температура нагретого фреона, что приводит к его охлаждению.
Согласно стандартным схемам установки конденсатора, испаритель располагают внутри охлаждаемого помещения, а конденсатор размещают снаружи помещения, чаще всего на открытом воздухе.
Сопутствующим эффектом работы такого кондиционера является образование водяного конденсата из пара воды, содержащегося в воздухе охлаждаемого помещения. При этом образовавшийся на стенках испарителя конденсат по трубопроводу выводится наружу помещения. Это является первым значительным недостатком подобных конструкций конденсаторов. Попадая на фасады зданий, конденсат портит их внешний вид. Также он попадает на проходящих мимо людей, а в вечернее и ночное время создает лишний шум.
Вторым недостатком стандартных конструкций конденсаторов является значительный расход энергии на обдув вентиляторами испарителя и, по большей части, конденсатора.
Решением указанных проблем является использование конструкций кондиционеров с водяным охлаждением, которые, как известно, имеют более высокую энергоэффективность, чем кондиционеры с воздушным охлаждением.
Данное положение можно пояснить с помощью следующего.
Энергоэффективность теплообмена между испарителем и конденсатором определяется выражением:
исп
конд
где А - работа испарителя, А - работа конденсатора.
Работа испарителя при использовании кондиционера с воздушным охлаждением определяется выражением:
вв
фрисп
вв
в
где Т - температура воздуха охлаждаемого помещения, Т - температура фреона в испарителе, М - масса воздуха охлаждаемого помещения, Р -теплоемкость воздуха.
Работа конденсатора при использовании кондиционера с воздушным охлаждением определяется выражением:
фркон
внв
внв
где Т - температура фреона в конденсаторе, Т - температура воздуха снаружи помещения, М - масса воздуха снаружи помещения.
То есть при использовании кондиционера с воздушным охлаждением энергоэффективность теплообмена между испарителем и конденсатором определяется итоговым выражением:
При водяном охлаждении конденсатора имеет место выражение:
фркон
вод
вод
вод
где Т - температура фреона в конденсаторе, Т - температура воды, М - масса воды, Р - теплоемкость воды.
При условии того, что работа испарителя в случае использования кондиционера с воздушным охлаждением и кондиционера с водяным охлаждением остается одинаковой, получаем равенство:
Теплоемкость воды в 4 раза больше теплоемкости воздуха, при этом температура воды в среднем в 2 раза ниже температуры воздуха снаружи помещения.
фркон
вод
Тогда наивысшим КПД кондиционер с водяным охлаждением обладает при условии, когда разница температуры фреона в конденсаторе Т и температуры воды Т имеет максимальное значение.
Известна конструкция конденсатора (патент Китая №102538312, опубликовано 04.07.2012 г.), содержащая компрессор, испаритель, конденсатор, емкость с расположенным в ней теплообменником конденсатора, при этом испаритель имеет поддоны для сбора конденсата, которая по трубопроводам через входное отверстие поступает в нижнюю часть указанной емкости и может служить для охлаждения или нагрева теплообменника конденсатора. По мере накопления конденсатная вода выливается из выходного отверстия емкости, которое расположено выше входного отверстия.
Указанная конструкция позволяет решить первую проблему и исключить вывод конденсатной воды наружу. Однако, в случае необходимости охлаждения теплообменника конденсатора, образующейся конденсатной воды может быть недостаточно, ввиду чего данное решение предполагает использование дополнительного оборудования, что не позволяет экономить энергию значительным образом. Кроме того, количество собираемого конденсата не стабильно, так как зависит от влажности охлаждаемого воздуха.
Известна конструкция кондиционера (патент Китая №201233068, опубликовано 06.05.2009 г.), содержащая компрессор, испаритель, конденсатор, при этом с одной стороны конденсатор соединен с трубопроводом и водяным насосом, а с другой - с водоотделителем, разделенным на множество пластиковых водопроводных труб, соединенных с водосборником и размещенных в канализационном канале.
Также известна конструкция кондиционера (патент Китая №20180039299, опубликовано 18.04.2018 г.), содержащая компрессор, испаритель, конденсатор, при этом конструкция имеет трубопровод для подачи воды, соединенный с емкостью, расположенной в стене, и сливную трубу, соединенную с канализационным каналом.
В обоих случаях теплообменник конденсатора охлаждается водопроводной водой, которая сливается в канализацию.
Недостатком указанных конструкций является сложность монтажа, которая предполагает бурение стен. При этом в указанных патентах не говорится про использование образующейся конденсатной воды. Кроме того, в решениях отсутствует контроль нагрева воды в емкости, что снижает КПД охлаждения конденсатора, который линейно зависит от разницы температур воды и нагретого фреона в конденсаторе, как это было указано в пояснении к выражению (6). При таком отсутствии режима поддержания максимальной разницы температур вода сливается полностью, что приводит к ее неэкономному расходу.
Известна конструкция кондиционера (патент Китая №201314641, опубликовано 23.09.2009 г.), принятая за наиболее близкий аналог к заявляемому решению и содержащая испаритель с вентиляторами, компрессор, конденсатор с вентиляторами, емкость с расположенным в ней теплообменником конденсатора в виде змеевика, водопроводные трубы для подачи воды, которые подводятся к емкости, при этом входное отверстие для воды расположено в нижней части охладительной емкости, а выходное отверстие расположено в ее верхней части. Чтобы достичь рационального использования ресурсов, нагретая вода, отводимая из емкости, может использоваться дальше в быту.
Недостатком указанной конструкции является избыточное энергопотребление ввиду использования вентиляторов для охлаждения теплообменника. При этом решение также не учитывает сбор и использование конденсатной воды и не предусматривает слив воды при достижении максимальной разницы температур, как и рассмотренные выше аналоги.
Технической проблемой, решаемой настоящим изобретением, является расширение арсенала существующих средств и создание конструкции кондиционера с водяным охлаждением или нагревом теплообменника конденсатора, предусматривающего дальнейшее снижение энергопотребления, а также использование конденсатной воды.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности водяного охлаждения или нагрева теплообменника конденсатора за счет конструктивных особенностей решения.
Технический результат достигается при использовании кондиционера с водяным охлаждением теплообменника конденсатора, который содержит испаритель, компрессор, конденсатор, емкость, имеющую первую и вторую камеры, представляющие собой сообщающиеся сосуды, причем вход теплообменника конденсатора расположен в нижней части первой камеры емкости, а выход теплообменника расположен в верхней части первой камеры емкости, при этом вторая камера емкости соединена со сливным трубопроводом, в верхней части емкости расположены трубопровод для подачи в первую камеру емкости собранной конденсатной воды, трубопровод для подачи в первую камеру емкости водопроводной воды и электромагнитный клапан открывания трубопровода для подачи водопроводной воды, соединенный с температурным датчиком, расположенным в нижней части емкости.
Расположение входа теплообменника конденсатора в нижней части емкости, а выхода теплообменника конденсатора в ее верхней части обеспечивают протекание хладагента по теплообменнику конденсатора снизу вверх. В свою очередь расположение трубопровода для подачи водопроводной воды и трубопровода для подачи собранной конденсатной воды в верхней части емкости обеспечивают водный поток, направленный сверху вниз. В итоге, поток хладагента в теплообменнике конденсатора и водный поток двигаются навстречу друг другу с совершением теплообмена.
Если кондиционер работает на охлаждение, сверху подается холодная вода, которая нагревается по мере прохождения вдоль теплообменника конденсатора с нагретым хладагентом, при этом в нижней части емкости вода имеет максимальную температуру. Если кондиционер работает на нагрев, сверху подается горячая вода, которая остывает по мере прохождения вдоль теплообменника конденсатора с охлажденным хладагентом, при этом в нижней части емкости вода имеет минимальную температуру.
Согласно заявляемой конструкции, вода сливается таким образом, что максимально нагретая или охлажденная вода сливается в первую очередь, а
холодная или горячая водопроводная вода, протекая вдоль змеевика теплообменника конденсатора, успевает нагреться до максимума или остыть до минимума и только потом сливается. Таким образом, разница температур между фреоном в конденсаторе и водой в емкости поддерживается на максимальном уровне, при этом повышается КПД охлаждения или нагрева теплообменника конденсатора и сокращение количества используемой воды.
В контексте настоящего изобретения, нагретая вода - это вода, которая нагревается при контакте с теплообменником конденсатора с нагретым хладагентом, то есть ее температура выше температуры воды, поступающей в емкость из трубопровода для подачи водопроводной воды или конденсатной воды из соответствующего трубопровода. Охлажденная вода -это вода, которая охлаждается при контакте с теплообменником конденсатора с охлажденным хладагентом, то есть ее температура ниже температуры воды, поступающей емкость из трубопровода для подачи водопроводной воды или конденсатной воды из соответствующего трубопровода.
Выполнение емкости в виде двух камер, представляющих собой сообщающиеся сосуды, наличие датчика температуры в нижней части емкости, связанного с электромагнитным клапаном открывания трубопровода для подачи водопроводной воды, расположенным в верхней части емкости, позволяют в первую очередь сбросить нагретую или охлажденную воду из нижней части емкости в сливной трубопровод и обеспечить при этом новый приток воды в верхней части емкости для соответствующего охлаждения или нагрева теплообменника конденсатора.
Таким образом, обеспечивается эффективное охлаждение или нагрев теплообменника конденсатора без лишних энергозатрат и сложного монтажа.
На фиг. 1 приведена конструкция стандартного кондиционера.
На фиг. 2 приведена емкость с расположенным в ней теплообменником конденсатора заявляемого кондиционера.
На фиг. 3 показано движение водных потоков в емкости с расположенным в ней теплообменником конденсатора заявляемого кондиционера.
Кондиционер с водяным охлаждением теплообменника конденсатора содержит испаритель, компрессор, конденсатор (не показаны), емкость 1, имеющую первую 2 и вторую 3 камеры, представляющие собой сообщающиеся сосуды, причем вход 5 теплообменника 4 конденсатора расположен в нижней части первой камеры 2 емкости 1, а выход 6 теплообменника 4 конденсатора расположен в верхней части первой камеры 2 емкости 1, при этом вторая камера 3 емкости 1 соединена со сливным трубопроводом 7, в верхней части емкости 1 расположены трубопровод для подачи собранной конденсатной воды 8 в первую камеру 2 емкости 1, трубопровод для подачи водопроводной воды 9 в первую камеру 2 емкости 1, электромагнитный клапан 10 открывания трубопровода для подачи водопроводной воды 9, соединенный с температурным датчиком 11, расположенным в нижней части емкости 1.
Теплообменник 4 конденсатора представляет собой змеевик.
Сливной трубопровод 7 может выходить в канализационный канал либо в подземный бак для сбора воды (не показаны) с целью ее дальнейшего использования.
Трубопровод для подачи водопроводной воды 9 дополнительно может содержать клапан регулирования 12 подачи водопроводной воды, с помощью которого перекрывают подачу воды в случае необходимости (ремонт, замена трубопровода и т.д.).
В верхней части охладительной емкости 1 также дополнительно может быть расположен воздушный клапан для канализации 13.
Концы трубопровода для подачи собранной конденсатной воды 8 и трубопровода для подачи водопроводной воды 9 можно расположить ниже уровня воды, чтобы снизить шум от капающей/льющейся воды.
В одном из вариантов выполнения конструкции емкости 1 ее первая 2 и вторая 3 камеры образуются за счет наличия Г-образной перегородки 14 в емкости 1. При этом вторая камера 3 емкости 1 переходит в горизонтальный участок 15 в верхней части емкости 1, который уже непосредственно соединяется со сливным трубопроводом 7 (фиг. 2).
Также могут быть предусмотрены любые другие варианты конструкции емкости 1, которые предусматривают расположение ее первой камеры 2, куда подается водопроводная вода и конденсат, и ее второй камеры 3, из которой отводится нагретая или охлажденная вода, в виде сообщающихся сосудов.
Г-образная перегородка 10 имеет горизонтальные участки 16, которые сонаправлены с горизонтальными участками змеевика теплообменника 4 конденсатора. Такие же горизонтальные участки 17 имеет противоположная стенка первой камеры 2 емкости 1. Такое расположение змеевика теплообменника 4 конденсатора и горизонтальных участков 16 и 17 способствует формированию более протяженного пути для водного потока из трубопровода для подачи водопроводной воды 9 и трубопровода для подачи собранной конденсатной воды 8 с целью наилучшего охлаждения или нагрева (фиг. 3).
При поступлении конденсата и/или водопроводной воды в емкость 1 уровень воды начинает подниматься, что создает повышенное давление в охладительной емкости 1, которое приводит в движение воду по направлению к сливному трубопроводу 7 для сброса воды.
Наличие воздушного клапана 13 препятствует образованию вакуума или значительному понижению атмосферного давления в емкости 1.
Воздушный клапан 13 позволяет наружному воздуху поступать в емкость 1, что гарантирует поддержание давления воздуха в емкости 1 не ниже давления воздуха в сливной канализации. Без воздушного клапана 13, при понижении давления воздуха в емкости 1 ниже давления в сливной канализации, возможно попадание воздуха из сливной канализации в емкость
1 и далее по трубопроводу для подачи собранной конденсатной воды 8 в охлаждаемое помещение. Когда давление в охладительной емкости 1 выше атмосферного, воздушный клапан для канализации 13 закрывается и, в случае аварийной ситуации, например закупоривания каналов слива воды, не выпускает воду наружу.
В режиме охлаждения кондиционер работает следующим образом.
При включении кондиционера хладагент нагревается и поступает в теплообменник 4 конденсатора, выполненный в виде змеевика. Нагретый хладагент через стенки теплообменника 4 отдает тепло воде, находящейся в емкости 1. Самый нагретый хладагент находится в зоне входа 5 теплообменника 4 конденсатора в нижней части емкости 1, а в зоне выхода 6 теплообменника 4 конденсатора в верхней части емкости 1 температура хладагента успевает максимально приблизиться к температуре воды в верхней части емкости 1. Температурный датчик 11 располагается в нижней части емкости 1 в максимальной близости к входу теплообменника 4 конденсатора, так как в этом месте вода нагревается быстрее, чем в верхней части емкости 1 в зоне выхода теплообменника 4 конденсатора. Когда температура воды достигнет заданного уровня, электрический сигнал подается на электромагнитный клапан открывания трубопровода для подачи водопроводной воды 10, обеспечивая подачу холодной водопроводной воды в емкость 1. При этом уровень воды начинает подниматься, растет давление воды в первой камере 2 емкости 1, что вызывает движение воды из первой камеры 2 емкости 1 во вторую камеру 3 емкости 1 по направлению к сливному трубопроводу 7. Холодная вода, поступающая из трубопровода для подачи водопроводной воды 9 и трубопровода для подачи собранной конденсатной воды 8, замещает слитую воду. Температурный датчик 11 фиксирует снижение температуры и дает сигнал на отключение указанного электромагнитного клапана 10, который закрывается, прекращая подачу водопроводной воды.
В режиме нагрева кондиционер работает следующим образом.
При включении кондиционера хладагент охлаждается и поступает в теплообменник 4 конденсатора, расположенный в емкости 1. Охлажденный хладагент получает тепло от воды, находящейся в емкости 1. Хладагент с наиболее низкой температурой находится на входе 5 теплообменника 4 в нижней части емкости 1, а на выходе 6 из теплообменника 4 температура хладагента максимально приближается к температуре воды в верхней части емкости 1. Когда температура воды в нижней части емкости 1 достигнет заданного уровня, электрический сигнал подается на электромагнитый клапан открывания трубопровода для подачи водопроводной воды 10, обеспечивая подачу горячей водопроводной воды в емкость 1. Уровень воды поднимается, увеличивается давление воды, и происходит движение охлажденной воды из первой камеры 2 емкости 1 во вторую камеру 3 емкости 1 и далее - к сливному трубопроводу 7. Слитую воду замещает водопроводная вода и собранный конденсат. При повышении температуры до необходимого уровня срабатывает температурный датчик 11, который дает сигнал на отключение указанного электромагнитного клапана 10 для прекращения подачи водопроводной воды.
Конструкция емкости 1 с расположенным в ней теплообменником 4 конденсатора выполнена таким образом, чтобы создать гидрозатвор (как в канализационном сифоне), чтобы воздух из сливного трубопровода 7 не попал в теплообменник 4 конденсатора. Если сливной трубопровод 7 подключен к сточной канализации, то попадание воздуха из канализации в теплообменник 4 конденсатора может привести к возникновению неприятных запахов в охлаждаемом или нагреваемом помещении.
Заявляемая конструкция кондиционера позволяет дополнительно повысить энергоэффективность охлаждения или нагрева с использованием воды за счет расположения нагретой или охлажденной воды на самом близком расстоянии к сливному трубопроводу 7 и ее сброса в первую очередь, а также за счет своевременного отслеживания температуры в нижней части емкости и подачи водопроводной воды и собранного
конденсата. При этом обеспечивается слив воды только в случае достижения максимальной разницы температур между температурой фреона в конденсаторе и водой в емкости, что повышает КПД охлаждения или нагрева теплообменника конденсатора.
Рациональное использование конденсата, который участвует в охлаждении теплообменника конденсатора и потом сбрасывается в канализацию, является важным преимуществом настоящего изобретения. Таким образом, снижается количество потребляемой воды, а также исключается сброс конденсатной воды на улицу.
Изобретение позволяет экономить электроэнергию, тем самым снижая нагрузку на электросети и минимизируя возникновение ситуаций, когда кондиционеры становятся причиной отключения целых городов.
Монтаж конденсатора не представляет сложностей, так как он вместе с емкостью для охлаждения или нагрева теплообменника размещается внутри помещения (в санузле, или на кухне), при этом отсутствует необходимость установки конденсатора на внешние стены здания, сквозного сверления стен, организации отвода конденсатной воды наружу.
Кроме того, заявляемая конструкция позволяет снизить материалоемкость конструкции конденсатора, уменьшить его габариты, снизить количество требуемого хладагента.