АБСОРБЦИОННЫЙ КОНДИЦИОНЕР АВТОМОБИЛЯ
VEHICLE ABSORPTION COOLING SYSTEM

Изобретение относится к устройству для кондиционирования воздуха в автомобиле.
Для достижения комфортных условий труда кабину и салон автомобиля снабжают кондиционером воздуха. Основной составной частью кондиционера является холодильная машина.
Наиболее простыми кондиционерами являются устройства, использующие воздушные холодильные машины (Н.В. Демьянков, В.А. Абрамов. Холодильные машины и установки. Изд. второе. М.: «Транспорт», 1964. - 412 с., стр. 299-304). Основными составными частями таких устройств являются компрессор, теплообменник и детандер. Рабочим телом здесь служит сам охлаждаемый (кондиционируемый) воздух. Воздух из кондиционируемого помещения поступает в компрессор и сжимается им до требуемой величины, задаваемой величиной требуемого охлаждения воздуха. При сжатии воздух нагревается, нагретый воздух охлаждают в теплообменнике до температуры, близкой первоначальной. Далее воздух поступает в детандер, где при своем расширении совершает работу и охлаждается. Охлажденный воздух возвращается в помещение.
Недостатками указанных известных кондиционеров являются: низкий коэффициент полезного действия, громоздкость и сложность в эксплуатации.
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.
Если рассматривать эффективность работы холодильных машин в отрыве от места их применения, то компрессионные холодильные машины следует считать самыми эффективными, надежными и экономически выгодными устройствами. Поэтому они широко используются в самых разных отраслях техники, в том числе на автомобильном и железнодорожном транспорте.
Заметим, что работа компрессионной холодильной машины, осуществляется или за счет механической энергии отбираемой непосредственно с коленчатого вала двигателя, или за счет той же самой механической энергии, но предварительно преобразованной в электрическую энергию.
Недостатки известных компрессионных холодильных машин заключаются в следующем. Использование компрессионной холодильной машины на транспорте, где используются двигатели внутреннего сгорания, не является с энергетической точки зрения эффективным решением. Это связано с тем, что при работе двигателя внутреннего сгорания на его выходе кроме механической энергии, которая тратится на перемещение транспортного средства, вырабатывается большое количество тепловой энергии в виде горячих выхлопных газов. Эта энергия в настоящее время теряется безвозвратно.
Если использовать тепловую энергию выхлопных газов для кондиционирования воздуха, то это, безусловно, повысит энергетическую эффективность транспортного средства и приведет к экономии топлива, на что рассчитано известное устройство для кондиционирования воздуха в транспортном средстве, содержащее адсорбционный тепловой насос (патент RU 2692444 С1. МПК F25B 17/08, F25B 41/04, В60Н 1/02, Опубл. 24.06.2019 Бюл. №18), выбранное в качестве прототипа. Устройство для кондиционирования воздуха в транспортном средстве содержит 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. Тракт циркуляции содержит регулирующий клапан проточного канала с дополнительной функцией избирательного перепускания охлаждающей среды и обеспечивает циркуляцию охлаждающей среды между двигателем внутреннего сгорания и адсорбцион-ным-десорбционным устройством контейнера, выполняющим процесс десорбции. Устройство подачи тепла располагается в тракте циркуляции для того, чтобы нагревать охлаждающую среду, которая циркулирует через тракт циркуляции. Устройство управления выполнено с возможностью управлять расходом охлаждающей среды в тракте циркуляции таким образом, что расход охлаждающей среды, которая протекает в адсорбционное-десорбционное устройство контейнера, который выполняет процесс десорбции, уменьшается таким образом, что он ниже заданного расхода, когда температура охлаждающей среды в тракте циркуляции на стороне выпуска устройства подачи тепла ниже заданного значения.
Недостатки известного устройства для кондиционирования воздуха в транспортном средстве, содержащего адсорбционный тепловой насос, являются следствием того факта, что используемый адсорбционный тепловой насос не является устройством непрерывного действия, это периодически действующее устройство. 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 управлению устройством кондиционирования воздуха.
Технической задачей заявляемого изобретения является создание устройства для кондиционирования воздуха в автомобиле, позволяющего вместо адсорбционного периодически действующего теплового насоса использовать абсорбционный кондиционер непрерывного действия.
Адсорбция (лат. ad - на, при, в; sorbeo - поглощаю) - самопроизвольный процесс увеличения концентрации растворенного вещества у поверхности раздела двух фаз (твердая фаза - жидкость, конденсированная фаза - газ) вследствие нескомпенсированности сил межмолекулярного взаимодействия на разделе фаз. Адсорбция является частным случаем сорбции. Поглощаемое вещество, еще находящееся в объеме фазы, называют адсорбтив, поглощенное - адсорбат. В более узком смысле под адсорбцией часто понимают поглощение примеси из газа или жидкости твердым веществом (в случае газа и жидкости) или жидкостью (в случае газа) - адсорбентом. При этом, как и в общем случае адсорбции, происходит концентрирование примеси на границе раздела адсорбент-жидкость либо адсорбент-газ.
Абсорбция (лат. absorptio от absorbere - поглощать) - поглощение сорбата всем объемом сорбента. Является частным случаем сорбции. В технике и химической технологии чаще всего встречается абсорбция (поглощение, растворение) газов жидкостями. Но известны и процессы абсорбции газов и жидкостей кристаллическими и аморфными телами (например, абсорбция водорода металлами, абсорбция низкомолекулярных жидкостей и газов цеолитами, абсорбция нефтепродуктов резинотехническими изделиями).
Следует отличать абсорбцию (поглощение в объеме) от адсорбции (поглощения в поверхностном слое). Из-за схожести написания и произношения, а также близости обозначаемых понятий, эти термины часто путают.
Технический результат: упрощение конструкции кондиционера, снижение расходов на материалы, упрощение обслуживания, повышение надежности работы оборудования, экономия топлива.
Для решения технической задачи и достижения технического результата, кроме признаков прототипа: генератора пара с каналом для выхлопных газов автомобиля, насоса, конденсатора, испарителя, регулирующего вентиля, тракта циркуляции рабочего тела, согласно изобретению, абсорбционный кондиционер автомобиля содержит абсорбер, вентиляторы абсорбера, конденсатора и испарителя, объединенные через воздуховоды, соответственно, с абсорбером, конденсатором и испарителем, высокотемпературный рекуперативный теплообменник, низкотемпературный рекуперативный теплообменник, при этом генератор пара через дроссельный вентиль и высокотемпературный рекуперативный теплообменник соединен с абсорбером, регулирующий вентиль соединяет испаритель с абсорбером через низкотемпературный рекуперативный теплообменник, а генератор пара снабжен дефлегматором и/или ректификатором, кроме того тракт циркуляции выполнен с возможностью обеспечения циркуляции потока рабочего тела по замкнутому контуру при помощи трубопровода в следующем порядке: абсорбер, насос, внешняя полость высокотемпературного рекуперативного теплообменника, генератор пара, конденсатор, внутренняя полость низкотемпературного рекуперативного теплообменника, регулирующий вентиль, испаритель, внешняя полость низкотемпературного рекуперативного теплообменника, абсорбер, причем в качестве рабочего тела выбрана двухкомпонентная смесь абсорбента и абсорбтива.
На генераторе пара установлен заправочный вентиль.
В качестве рабочего тела может быть выбрана смесь воды и аммиака либо смесь воды и бромистого лития.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена схема предлагаемого абсорбционного кондиционера автомобиля.
Абсорбционный кондиционер автомобиля содержит генератор пара 1, высокотемпературный рекуперативный теплообменник 2, насос 3, дроссельный вентиль 4, абсорбер 5, вентилятор абсорбера с воздуховодом 6, вентилятор конденсатора с воздуховодом 7, низкотемпературный рекуперативный теплообменник 8, испаритель 9, вентилятор испарителя с воздуховодом 10, регулирующий вентиль 11, конденсатор 12, дефлегматор 13, заправочный вентиль 14, ректификатор 15, канал для выхлопных газов автомобиля 16.
По направлению потока рабочего тела соединены трубопроводом по замкнутому контуру в следующем порядке следующие элементы: абсорбер 5, насос 3, внешняя полость высокотемпературного рекуперативного теплообменника 2, генератор пара 1, дефлегматор 13, конденсатор 12, внутренняя полость низкотемпературного рекуперативного теплообменника 8, регулирующий вентиль 11, испаритель 9, внешняя полость низкотемпературного рекуперативного теплообменника 8, абсорбер 5. Кроме того, генератор пара 1 соединен с абсорбером 5 через дроссельный вентиль 4 и внутреннюю полость высокотемпературного рекуперативного теплообменника 2.
Для получения аммиака с наименьшим количеством примеси (воды) генератор пара 1 снабжен ректификатором 15 и дефлегматором 13 или одним из них. Ректификатор 15 и дефлегматор 13 установлены в верхней части генератора пара для того, чтобы водный раствор самотеком попадал в нижнюю часть генератора пара 1. Генератор пара 1 снабжен каналом 16 для его обогрева выхлопными газами автомобиля. Заправочный вентиль 14 установлен в верхней части генератора пара 1 и предназначен для заполнения последнего рабочим телом. В качестве рабочего тела выбрана двухкомпонентная смесь абсорбента и хладагента (абсорбента и абсорбтива).
Внутренняя полость абсорбционного кондиционера автомобиля полностью и герметично изолирована от внешней среды, что позволяет использовать в качестве рабочего тела любые вещества, в том числе и ядовитые. Нами предлагается использовать смесь воды и аммиака или смесь воды и бромистого лития.
Генератор аммиачного пара 1 установлен в автомобиле таким образом, чтобы через канал 16 могли проходить выхлопные газы автомобиля. Вентилятор с воздуховодом 6 установлен в автомобиле таким образом, чтобы он смог обдувать абсорбер 5 окружающим воздухом. Вентилятор с воздуховодом 7 установлен в автомобиле таким образом, чтобы он был способен осуществлять обдув конденсатора 12 окружающим воздухом. Вентилятор с воздуховодом 10 установлен в автомобиле таким образом, чтобы он смог обдувать змеевик испарителя 9 потоком воздуха, поступающего в салон или кабину автомобиля. Насос 3, высокотемпературный рекуперативный теплообменник 2, низкотемпературный рекуперативный теплообменник 8, регулирующий вентиль 11, дроссельный вентиль 4 и заправочный вентиль 14 могут быть установлены в любом свободном пространстве автомобиля.
Ректификатор 15 может быть изготовлен, например, в виде набора сеток.
Ректификатор 15, 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.
После установки абсорбционного кондиционера в автомобиле из его внутренней полости откачивают воздух при помощи заправочного вентиля 14, затем через этот же вентиль 14 в генератор пара 1 вводят расчетное количество водоаммиачной смеси с заданной величиной концентрации аммиака в воде. Заправочный вентиль 14 закрывают (заваривают). Кондиционер готов к работе.
Сразу после пуска мотора автомобиля отработанные газы нагревают водоаммиачную смесь в генераторе пара 1, водоаммиачная смесь закипает и из нее выделяется низкокипящий ее компонент - аммиак. Полученные пары аммиака конденсируются в конденсаторе 12 за счет их охлаждения потоком окружающего воздуха, сформированного вентилятором конденсатора с воздуховодом 7. Образовавшийся жидкий или парожидкостный поток аммиака проходит через низкотемпературный рекуперативный теплообменник 8, где дополнительно охлаждается встречным паровым потоком аммиака, и попадает в испаритель 9. Испаритель - это основной элемент рассматриваемой конструкции, в котором и происходит охлаждение (кондиционирование) воздуха в автомобиле. В испарителе 9 жидкий аммиак испаряется, на его испарение требуется большое количество теплоты, которая отнимается от прокачиваемого через испаритель 9 воздуха, для этого используется вентилятор испарителя с воздуховодом 10. Этот воздух подается в кабину или салон автомобиля.
Требуемую температуру кондиционируемого воздуха устанавливают регулирующим вентилем 11. Чем сильнее закрыт регулирующий вентиль 11, тем меньше аммиака поступает в испаритель 9, тем меньшее его количество испаряется и тем меньше охлаждается кондиционируемый воздух.
Отработанные пары аммиака поступают во внешнюю полость низкотемпературного рекуперативного теплообменника 8, где охлаждают встречный поток жидкого аммиака (в ряде случаев паро-жидкого потока аммиака). Далее, нагретые примерно до температуры окружающей среды пары аммиака 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 окружающим воздухом при помощи вентилятора абсорбера с воздуховодом 6. Образующаяся при абсорбции водоаммиачная смесь при помощи насоса 3 направляется в генератор пара 1.
Заявленный абсорбционный кондиционер автомобиля позволяет поглощать (растворять) газ (сорбат) всем объемом жидкости (сорбента), тем самым обеспечивая упрощение конструкции кондиционера, снижение расходов на материалы, упрощение обслуживания, повышение надежности работы оборудования, экономию топлива.