КОНДИЦИОНЕР И ВИХРЕВОЙ АППАРАТ ДЛЯ НЕГО
CONDITIONER AND VORTEX DEVICE FOR IT

Изобретение относится к энергетике, а именно к кондиционерам и струйным аппаратам, в которых осуществляется вихревое движение рабочей среды.
Известен кондиционер, содержащий компрессор с турбиной, установленные на одном валу, выход которого сообщен с входом вихревого аппарата, выход последнего со спиральным патрубком сообщен со входом турбины, между вихревым аппаратом и турбиной установлен теплообменник для получения горячей среды, при этом вихревой аппарат выполнен в виде корпуса, состоящего из спирального патрубка, соединенного с цилиндрическим участком, расположенным вдоль продольной оси корпуса, из спирального канала (Баркалов Б.В., Карпис Е.Е. Кондиционирование воздуха в промышленных, общественных и жилых зданиях. М., 1971) [1].
Известен также изобарный вихревой кондиционер, содержащий корпус, патрубок подвода и патрубки отвода газа, первую камеру объемного вихря, на входе которой, размещенном в центре первого торца корпуса и соединенном с патрубком подвода газа, размещены последовательно вентилятор и диафрагма, а на выходе первой камеры объемного вихря на большем радиусе установлен спиральный отвод, соединенный с первым патрубком отвода газа, и диафрагма с центральным отверстием, внутри которого размещены наклонные лопатки, образующая со вторым торцом корпуса вторую камеру адиабатного сжатия, на большем радиусе которой установлен спиральный отвод, соединенный со вторым патрубком отвода газа (см. патент RU 2294489, кл. F04F 5/42, опубл. 27.02.2007 - прототип).
Недостатком известных технических решений является относительно малая эффективность.
Известен вихревой аппарат, который содержит корпус, патрубки подвода активной и пассивной сред и отвода смешанной среды, сопловый аппарат, установленный на патрубке подвода активной среды, и камеру завихрения, выполненную кольцевой, на большем радиусе которой установлен направляющий аппарат, при этом патрубки подвода активной и пассивной сред установлены на одной оси по разные стороны от камеры завихрения, и в них установлены элементы, закручивающие потоки, отличающийся тем, что он снабжен сопловым аппаратом, установленным на патрубке подвода пассивной среды, центральная часть камеры завихрения ограждена с двух сторон сопловыми аппаратами, выполненными с тангенциальным выходом в камеру завихрения по радиусу огражденной зоны, в которой при работе инжектора образуется потенциальная яма с радиусом, равным радиусу ввода пассивной среды, при этом активная и пассивная среда при движении по касательной к потенциальной яме создает в камере завихрения вихрь, который при движении на выход в сторону большего радиуса частично трансформирует кинетическую энергию в потенциальную (см. а.с. SU 2260147, кл. F04F 5/42, опубл. 2005). Недостатком известного устройства является ограниченность его использования (только в качестве эжектора) и сложность регулирования параметров выходного потока при постоянной мощности входного.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей с одновременным повышением КПД и упрощении варьирования параметров выходного потока.
В части кондиционера поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что кондиционер, содержащий компрессор с турбиной, установленные на одном валу, выход которого сообщен с входом вихревого аппарата, выход последнего со спиральным патрубком сообщен со входом турбины, между вихревым аппаратом и турбиной установлен теплообменник для получения горячей среды, при этом вихревой аппарат выполнен в виде корпуса, состоящего из спирального патрубка, соединенного с цилиндрическим участком, расположенным вдоль продольной оси корпуса, из спирального канала, отличающийся тем, что по оси спирального патрубка напротив цилиндрического участка установлена воронкоограждающая диафрагма с возможностью поворота потока на 90° по радиусу «r», равному радиусу цилиндрического участка, на выходе которого расположен диффузор, сообщенный через запорную арматуру с потребителем, при этом цилиндрический участок вихревого аппарата выполнен длиной «в», определяемой из диапазона в=0,1-6 r, а спиральный канал сообщен с входом турбины, выход которой сообщен с потребителем через запорную арматуру.
В части вихревого аппарата поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что вихревой аппарат содержит корпус, состоящий из спирального патрубка, соединенного с цилиндрическим участком, расположенным вдоль продольной оси корпуса, имеющего спиральный канал, отличающийся тем, что по оси спирального патрубка напротив цилиндрического участка установлена воронкоограждающая диафрагма с возможностью поворота потока на 90° по радиусу «r», равному радиусу цилиндрического участка, на выходе которого расположен диффузор, между которыми размещен спиральный канал, цилиндрический участок выполнен длиной «в», определяемой из диапазона в=(0,1-6.0) r.
На фиг.1 представлено поперечное сечение предлагаемого вихревого аппарата;
на фиг.2 - общий вид предлагаемого кондиционера.
Корпус 1 вихревого аппарата содержит спиральный канал 2, цилиндрический участок 3 и центральную камеру 4. С одной стороны к цилиндрическому участку 3 корпуса 1 присоединен патрубок 5, в котором выполнен спиральный канал 6. На оси патрубка 5 напротив цилиндрического участка расположена воронкоограждающая диафрагма 7 с возможностью поворота потока на 90° по радиусу «r». Радиус «r» равен радиусу цилиндрического участка, выполненного длиной «в», определяемой из диапазона в=0,1-6 r. С другой стороны на выходе цилиндрического участка 3 к корпусу прикреплен диффузор 8. Конструкция аппарата позволяет подавать рабочую среду как в спиральный канал 6 патрубка 5 для работы в качестве разделительного аппарата, так и в спиральный канал 2 корпуса 1 для работы в качестве эжектора, выполняющего функцию суммирующего аппарата.
Вихревой аппарат работает следующим образом.
Ограждающие поверхности аппарата выполнены согласно расчетам вихря, выполненным учеными в 40-х годах прошлого века в действительных числах и где понятна причина и суть процессов. Для работы устройства в режиме разделения потоков рабочую среду под давлением подают на вход спирального канала 6 патрубка 5. В спиральном канале 6 среда закручивается и при подходе к периферийному участку с радиусом «r» образуется плоский вихрь, перпендикулярный оси аппарата. При дальнейшем движении и повороте по радиусу «r» воронкоограждающей диафрагмы образуется второй вихрь, параллельный оси аппарата и перпендикулярный оси аппарата, а также перпендикулярный первому вихрю.
В области, ограниченной радиусом «r», движущаяся со звуковой скоростью среда имеет особые свойства, в научной литературе оно имеет название «квазитвердое тело».
Термодинамически этот процесс рассчитывается как веер политропных процессов с показателем политропы «n», изменяемым в диапазоне от 0 до + бесконечности.
Развернувшись на 90° поток попадает в цилиндрический участок 3 корпуса 1. При движении в цилиндрическом участке 3 корпуса 1 за счет изотермического процесса выравниваются удельные объемы политропных процессов до одного удельного объема, равного адиабатному расширению до звуковой скорости в предыдущем процессе.
В центральной камере 4 поток разделяется на горячий и холодный, при этом горячий воздух, имея энергию вращения, уходит в спиральный отвод, а холодный воздух, отдав часть тепла в предыдущих процессах, уходит в диффузор 8. Холодный воздух по изохорному процессу отдает тепло горячему воздуху, при этом понижает давление в камере 4 до 0,051771 МПа, и, имея звуковую скорость, соответствующую температуре в точке пересечения изохоры с изобарой при давлении 0,051771 МПа, входит в диффузор 8, где кинематическая энергия потока, превращаясь в давление, выходит с диффузора 8 в атмосферу.
Долевые расходы горячего и холодного воздуха зависят от отношения входной площади диффузора 8 к площади цилиндрического участка 3 и определяют температуру горячего воздуха. Для использования одного и того же кондиционера в различных климатических зонах необходимо иметь набор диффузоров с различными площадями входа.
Вышеописанные термодинамические процессы, происходящие в вихревом аппарате, обратимы, дроссельных процессов нет. Поэтому (теоретически при идеальной турбине и отсутствии потерь) при перемене направления вращения электродвигателя на противоположное турбина, работая в режиме компрессора, сжимает теплый воздух, ранее идущий на отопление, возвращает его с прежними параметрами в спиральный канал 2, в спиральном канале 2 поток, закручиваясь, приближается к участку с радиусом «r» (фиг.1), разворачивается на неполной воронкоограждающей диафрагме, образованной между корпусом и входным отверстием диффузора. Холодный воздух всасывается через конфузор (диффузора 8 при прямом движении среды), приобретает ту же звуковую скорость, с которой он входил. Далее вступают в действие вышеописанные политропные процессы только не в процессе разделения энергии и массы, а в процессе сложения. На входе 6 вихревого аппарата получаем те же параметры воздуха, что и получили ранее от компрессора.
Теоретически процессы в данном вихревом аппарате обратимы. Аппарат может работать как в режиме разделения среды, так и в режиме суммирования среды, т.е. компрессора.
Изобретение может применяться как элемент в более сложных схемах, например в кондиционере.
Кондиционер согласно изобретению содержит компрессор 9 с турбиной 10, установленные на одном валу 11, связанным с приводным двигателем 12. Выход компрессора 9 сообщен с входом вихревого аппарата 13, описанного выше. Выход вихревого аппарата 13 сообщен с входом турбины 10. Между вихревым аппаратом 13 и турбиной 10 установлен теплообменник 14, который может быть использован для получения горячей воды. Вихревой аппарат 13 сообщен через запорную арматуру 15 с потребителем 16. При этом цилиндрический участок 3 вихревого аппарата 11 выполнен длиной «в», определяемой из диапазона в=(0,1-6,0) r, а спиральный канал сообщен с входом турбины 10, выход которой сообщен с потребителем 16 через запорную арматуру 15. В результате установки вихревого аппарата в существующую схему кондиционера, который работает по обратному циклу Карно и в котором масса рабочего тела при всех изменениях его состояния величина постоянная (который может быть назван энерготрансформатором, т.е. устройством, обеспечивающим изменение энергии), ликвидируется цикл Карно и выводит кондиционер с области технической термодинамики в область физической термодинамики.
В существующих схемах основной целью является получение низких температур, а восстановление энергии вторично, поэтому при сильном охлаждении сжатой среды вместо турбины ставят дроссельный вентиль.
В заявляемой схеме с установкой вихревого аппарата (т.н. энерготрансформатор) основной задачей является восстановление затраченной энергии на разделение среды, а полученное тепло и холод являются отходами производства.