УНИВЕРСАЛЬНОЕ КЛИМАТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО
UNIVERSAL CLIMATIC DEVICE

Изобретение относится к охлаждающе-нагревающим устройствам, работающим с применением вихревых труб, и может быть использовано в кондиционерах, климатических камерах и установках транспортных средств, а также для создания необходимых климатических условий в замкнутых объемах бытовых и производственных помещений.
Известна климатическая установка транспортного средства (RU №2213016 C2, МПК В60Н 1/22, 3/00, опубл. 27.09.2003 г.), принятая за прототип. Климатическая установка содержит источник сжатого воздуха, теплообменник, вихревой энергоразделитель в виде вихревой трубы с вводом, подключенным к выходу теплообменника, систему трубопроводов, три вентиля, нагревательное устройство, камеру смешения кондиционера, глушитель шума, холодильную камеру, аккумуляционную плиту, блок очистки воздуха и два эжектора. Выход горячего потока вихревого энергоразделителя через первый вентиль подключен к нагревательному устройству, имеющему сброс отработанного воздуха в атмосферу. Выход холодного потока вихревого энергоразделителя через второй вентиль соединен с эжектором кондиционера, установленным в камере смешения, и через глушитель шума с салоном. Выход холодного потока вихревого энергоразделителя через третий вентиль соединен с аккумуляционной плитой холодильной камеры, выход из аккумуляционной плиты подключен к входу теплообменника. Блок очистки воздуха включен между источником сжатого воздуха и теплообменником, а основной эжектор соединен с источником сжатого воздуха и выходом теплообменника и сообщен с замкнутым объемом (кабиной транспортного средства).
Недостатком прототипа является недостаточная эффективность и ограниченные функциональные возможности.
Предлагаемым изобретением решается задача сокращения энергозатрат, расширения функциональных возможностей устройства.
Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в создании эффективного универсального устройства для обеспечения заданных климатических параметров в замкнутом объеме.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом универсальном климатическом устройстве, состоящем из источника сжатого воздуха, теплообменника типа воздух-воздух, вихревого энергоразделителя в виде вихревой трубы с выходами холодного и горячего воздуха, системы трубопроводов, вентилей, нагревательного устройства, камеры смешения кондиционера, глушителя шума, аккумуляционной плиты, блока очистки воздуха, эжекторов, новым является то, что на входе вихревой трубы установлен ускоритель потока, выполненный в виде патрубка с внутренней поверхностью, способствующей ускорению потока воздуха, на выходе горячего потока вихревой трубы установлена система дополнительного разогрева воздуха, состоящая из патрубка, внутренняя поверхность которого выполнена в форме сопла, переходящего в прямой трубопровод, который заканчивается обратным коническим насадком, которая соединена с коллектором, имеющим три выхода, подключенные соответственно через вентили к нагревательному устройству, имеющему канал сброса отработанного горячего воздуха в атмосферу, к теплообменнику, размещенному в плоской открытой емкости, заполненной водой, и далее к каналу сброса горячего воздуха в атмосферу, к вентилю, соединенному напрямую с каналом сброса горячего воздуха в атмосферу, выход из аккумуляционной плиты подключен через вентили к входу теплообменника типа воздух-воздух и к дополнительному каналу сброса холодного воздуха в атмосферу, все каналы сброса воздуха в атмосферу оснащены глушителями шума.
Камера смешения кондиционера оснащена вентилятором.
В варианте исполнения устройство может быть оснащено программируемым термостатом с дистанционными датчиками температуры и влажности воздуха, с функциями управления процессами нагрева и охлаждения, с регулирующими клапанами, с возможностью осуществления программирования и получения заданных климатических параметров внутри замкнутого объема.
Установка на входе вихревой трубы ускорителя потока, выполненного в виде патрубка с внутренней поверхностью, способствующей ускорению потока воздуха (суживающиеся сопла, сопла Лаваля и т.п.), позволяет придать потоку воздуха значительное ускорение перед поступлением в вихревую трубу, что способствует повышению эффективности разделения потока на горячий и холодный.
Установка на выходе горячего потока вихревой трубы системы дополнительного разогрева воздуха, состоящей из патрубка, внутренняя поверхность которого выполнена в форме сопла, переходящего в прямой трубопровод, который заканчивается обратным коническим насадком, обусловлена необходимостью решения задачи дополнительного поднятия температуры горячего потока воздуха за счет имеющегося у него запаса кинетической энергии. Воздух под давлением, попадая в сопло, перемещается через него с повышением скорости, понижением давления и выделением тепловой энергии. Нагрев продолжается при движении воздуха в прямом трубопроводе с постепенным повышением давления. Резкое повышение давления происходит в обратном коническом насадке, и оно сопровождается интенсивным процессом нагрева воздуха, который далее используется для повышения температуры в нагревательном устройстве.
Соединение системы дополнительного разогрева воздуха с коллектором позволяет затормозить, с выделением тепловой энергии, единый поток горячего воздуха и направить его по трем направлениям в различных комбинациях за счет открытия/закрытия соответствующих вентилей. Первый поток перемещается через вентиль к нагревательному устройству, второй поток перемещается через вентиль к теплообменнику, размещенному в плоской открытой емкости, заполненной водой, причем оба потока соединены с каналом сброса горячего воздуха в атмосферу, третий поток перемещается через вентиль напрямую к каналу сброса горячего воздуха в атмосферу.
Движение горячего потока воздуха при открытом соответствующем вентиле через нагревательное устройство позволяет обеспечить повышение температуры в замкнутом объеме, в котором используется устройство (климатическая камера, салон транспортного средства, помещения различного назначения и т.п.). Далее отработанный горячий воздух, минуя глушитель шума, поступает в атмосферу.
Для обеспечения необходимых параметров влажности воздуха поток горячего воздуха при открытом соответствующем вентиле поступает в теплообменник, размещенный в плоской открытой емкости, заполненной водой, и далее в канал сброса горячего воздуха в атмосферу. При прохождении горячего воздуха через теплообменник происходят подогрев воды в плоской открытой емкости и ее испарение, что позволяет получить необходимую влажность в замкнутом объеме (климатической камере, производственном помещении с пониженной влажностью воздуха).
При отсутствии необходимости повышения температуры в замкнутом объеме поток горячего воздуха поступает через соответствующий вентиль напрямую в канал сброса горячего воздуха в атмосферу.
Размещение нагревательного устройства и плоской емкости с теплообменником в замкнутом объеме производится, исходя из его конфигурации и других конструктивных особенностей.
Для быстрого распределения в замкнутом объеме образовавшейся в камере смешения кондиционера воздушной среды с определенными температурными параметрами камера может быть оснащена вентилятором, мощность которого зависит от мощности источника сжатого воздуха и вихревой трубы, размеров замкнутого объема.
В зависимости от необходимости обеспечения тех или иных режимов работы устройства выход из аккумуляционной плиты подключен через вентиля к входу теплообменника типа воздух-воздух или к дополнительному каналу сброса холодного воздуха в атмосферу. При отсутствии необходимости охлаждения поступающего из основного эжектора потока отработанным в аккумуляционной плите холодным воздухом он сбрасывается в атмосферу.
С целью снижения аэродинамического шума, сопровождающего сброс отработанного воздуха в атмосферу, все каналы сброса оснащены глушителями шума. В качестве звукопоглощающего материала используется искусственное волокно, уложенное между стенками кожуха глушителя.
В варианте исполнения устройство может быть оснащено программируемым термостатом с дистанционными датчиками температуры и влажности воздуха, с функциями управления процессами нагрева и охлаждения, с регулирующими клапанами, с возможностью осуществления программирования и получения заданных климатических параметров внутри замкнутого объема. Весь комплекс регистрирующих, регулирующих и управляющих средств может функционировать, исходя из данных, заложенных в персональном компьютере.
Технические решения с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, не известны и явным образом из уровня техники не следуют. Это позволяет считать, что заявляемое решение является новым и обладает изобретательским уровнем.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана общая схема универсального климатического устройства; на фиг.2 - общая схема универсального климатического устройства в варианте исполнения с возможностью программирования климатических параметров.
Универсальное климатическое устройство состоит из последовательно соединенных между собой основного эжектора 1, источника сжатого воздуха 2 (компрессора или нагнетателя), блока очистки воздуха 3, двухполостного теплообменника типа воздух-воздух 4, ускорителя потока 5 воздуха, вихревой трубы 6 с выходом 7 горячего потока, последовательно с которым установлена система дополнительного разогрева воздуха 8, состоящая из патрубка, внутренняя поверхность которого выполнена в форме сопла 9, переходящего в прямой трубопровод 10, который заканчивается обратным коническим насадком 11, а также с выходами 12 и 13 холодного потока воздуха. Трубопроводы выходов вихревой трубы 6 перекрыты вентилями 14-16. Насадок 11 системы дополнительного разогрева 8 через вентиль 14 подключен к коллектору 17. Коллектор 17 одним своим выходом через вентиль 18 подключен к нагревательному устройству 19, имеющему сброс отработанного воздуха 20 через глушитель 21 в атмосферу, следующим своим выходом коллектор 17 через вентиль 22 соединен с теплообменником 23, размещенным в плоской открытой емкости 24, заполненной водой, и далее с каналом сброса горячего воздуха в атмосферу 20, третьим своим выходом коллектор 17 через вентиль 25 напрямую подключен к каналу сброса горячего воздуха в атмосферу 20. Выход 12 холодного потока вихревой трубы 6 через вентиль 15 соединен с эжектором 26 кондиционера. Эжектор 26 установлен в камере смешения кондиционера 27 и дополнительно осуществляет подсос 28 в камеру 27 из верхней части рабочего замкнутого объема 29, который может иметь различную конфигурацию (на чертежах не показан). Камера смешения кондиционера 27 оснащена глушителем шума 21 и при необходимости вентилятором 30. Выход 13 холодного потока вихревой трубы 6 через вентиль 16 соединен с аккумуляционной плитой 31. Выход из аккумуляционной плиты 31 через вентиль 32 соединен с выходом теплообменника 4 или через вентиль 33 - с каналом сброса в атмосферу 20 и глушителем шума 21. Другой выход теплообменника 4 подключен к основному эжектору 1, который забирает воздух из атмосферы и направляет его в источник сжатого воздуха 2. Основной эжектор 1 сообщен с замкнутым объемом 29 и осуществляет отбор 34 воздуха из нижней части замкнутого объема, обеспечивая циркуляцию отработанного воздуха. Кроме того, часть воздуха из теплообменника 4 отбирается в основной эжектор 1, что создает разрежение в полости теплообменника 4, с которым соединена аккумуляционная плита 31. Нагревательное устройство 19, емкость 24 с теплообменником 23, аккумуляционная плита 31 размещены внутри замкнутого объема 29, который в зависимости от назначения может быть выполнен различным по форме и состоять из одного или более отсеков. Слив жидкости из емкости 24 осуществляется через вентиль 35, а уровень жидкости поддерживается за счет устройства поддержания уровня 36. Вентили 14-16, 18, 22, 25, 32, 33 выведены на панель управления (на чертежах не показана).
В варианте исполнения устройство может быть оснащено программируемым термостатом 37 с датчиком температуры воздуха 38, оснащенным дополнительными входами, при помощи которых происходит управление клапанами позиционного регулирования 39-46, установленных вместо вентилей 14-16, 18, 22, 25, 32, 33. К одному из дополнительных входов подключен датчик влажности воздуха 47, имеющий унифицированный выходной сигнал. Работа программируемого термостата 37 организована совместно с персональным компьютером 48.
Универсальное климатическое устройство работает следующим образом. Источник сжатого воздуха 2, например компрессор, забирает атмосферный воздух через основной эжектор 1, сжимает его и подает через блок очистки 3 в одну из полостей теплообменника 4, где он охлаждается при открытом вентиле 32 и закрытом вентиле 33 отработанным в аккумуляционной плите 31 холодным воздухом, поступающим в другую полость теплообменника 4. Приобретая скорость и температуру, воздух поступает на вход ускорителя потока 5, где приобретает дополнительную скоростную составляющую, и далее поступает на вход вихревой трубы 6, где он закручивается. В вихревой трубе 6 закрученный воздух разделяется на горячий 7 и холодный 12, 13 потоки.
При отсутствии необходимости повышения температуры и влажности воздуха в замкнутом объеме 29 горячий поток 7, дополнительно подогретый в системе дополнительного разогрева воздуха 8, через коллектор 17 и открытый вентиль 25 напрямую попадает в канал сброса 20 отработанного воздуха с глушителем шума 21. Для осуществления нагрева воздуха в замкнутом объеме 29 открывается вентиль 18, горячий поток 7 поступает в нагревательное устройство 19. При необходимости повышения влажности в замкнутом объеме 29 открывается вентиль 22, горячий поток поступает в теплообменник 23, размещенный в плоской открытой емкости 24, заполненной водой, которая, прогревшись, начинает испаряться. Нагрев воздуха в системе дополнительного разогрева 8 осуществляется при движении внутри патрубка, внутренняя поверхность которого выполнена в виде сопла 9, переходящего в прямой трубопровод 10, который заканчивается коническим насадком 11, за счет процессов изменения давления и скорости потока воздуха, сопровождающихся его нагревом.
При работе универсальной климатической установки в режиме кондиционирования холодильная камера отключена, вентиль 16 перекрыт. Холодный поток 12 из вихревой трубы 6 при включении вентиля 15 подается на эжектор 26 кондиционера, установленный в камере смешения кондиционера 27. Эжектор обеспечивает подсос 28 из верхней части замкнутого объема 29 в камеру 27, в которой происходит выравнивание давления и температуры перемешиваемых потоков, затем через глушитель шума 21 и вентилятор 30 воздух попадает в кондиционируемую зону замкнутого объема 29.
При работе универсальной климатической установки в режиме холодильника включен вентиль 16, при этом вентиль 15 перекрыт. Горячий поток 7 при открытых вентилях 14, 25 и закрытых вентилях 18, 22 через канал сброса 20 поступает в атмосферу. Холодный поток 13 из вихревой трубы 6 поступает в аккумуляционную плиту 31, расположенную в замкнутом объеме 29.
Для отбора отработанного холодного воздуха предназначен основной эжектор 1, который создает разрежение в теплообменнике 4, одна из полостей которого соединена с выходом аккумуляционной плиты 31 через открытый вентиль 32. Для уменьшения эффекта холодообразования вентиль 32 закрывается, открывается вентиль 33, отработанный холодный воздух сбрасывается через канал сброса 20 и глушитель 21 в атмосферу.
Основной эжектор 1 производит отбор 34 воздуха из нижней части замкнутого объема 29. В смесительной камере основного эжектора 1 потоки из замкнутого объема 29 и теплообменника 4 перемешиваются и поступают на вход источника сжатого воздуха 2, за счет чего обеспечивается частичная рециркуляция воздуха.
Регулирование температурных режимов осуществляется за счет изменения соотношения холодного и горячего потоков при помощи вентилей 14-16.
В варианте исполнения универсального климатического устройства с возможностью программирования климатических параметров регулирование расхода воздуха осуществляется при помощи клапанов позиционного регулирования 39-46, которые управляются при помощи программируемого термостата 37, соединенного с датчиком температуры воздуха 38 и датчиком влажности воздуха 47. Все данные по линиям связи передаются на персональный компьютер 48, где они сохраняются в архиве и могут быть обработаны любыми штатными средствами компьютера (например, MS Office), и выведены на принтер.