СИСТЕМА КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ С ОДНИМ РАСШИРИТЕЛЬНЫМ КЛАПАНОМ
CONDITIONING SYSTEM WITH ONE EXPANSION VALVE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к многозонным системам кондиционирования воздуха с двумя испарителями, используемым в транспортных средствах и других устройствах.
Уровень техники
Автомобильные системы кондиционирования воздуха используют компрессор (как правило, приводимый в действие двигателем внутреннего сгорания) и конденсатор, установленные под капотом и гидравлически соединенные с системой управления отоплением, вентиляцией и кондиционированием воздуха (ОВКВ) внутри пассажирского салона. Система ОВКВ включает в себя вентилятор для циркуляции воздуха и теплообменники, такие как нагреватель и испаритель для кондиционирования циркулирующего воздуха. В автомобилях типа седан и других транспортных средствах, имеющих не более двух рядов сидений, единственный корпус системы ОВКВ, как правило, расположен за передней панелью приборов на центральной линии транспортного средства. Ввиду относительно большого размера корпуса системы ОВКВ за панелью приборов может остаться мало места для других компонентов, например, для электронного оборудования и отсеков для хранения мелких вещей. Для того чтобы преобразовать центральную часть приборной панели для других применений, желательно разделить большой корпус системы ОВКВ на два меньших корпуса, чтобы обеспечить раздельную подачу кондиционированного воздуха на стороне водителя и на стороне пассажира передней панели приборов, соответственно.
В более крупных транспортных средствах с тремя или более рядами сидений, одного корпуса системы ОВКВ может быть недостаточно для кондиционирования воздуха во всех областях транспортного средства. Кроме того, появилась тенденция к обеспечению индивидуально регулируемых условий кондиционирования воздуха для разных зон или посадочных мест (например, обеспечение для задних пассажирских мест отдельных элементов управления температурой и вентиляцией). Это привело к использованию дополнительных корпусов системы ОВКВ, расположенных, например, в задней пассажирской зоне. Каждый отдельный корпус системы ОВКВ включает в себя вентилятор и испаритель для раздельного охлаждения соответствующих воздушных потоков согласно индивидуальным потребностям.
Компрессор системы кондиционирования воздуха подает сжиженный хладагент к терморегулирующему клапану (ТРК), который при достижении требуемой температуры дозирует хладагент для направления в испаритель. В системе с двумя испарителями для отдельных испарителей в любой момент времени могут быть установлены различные требования по охлаждению. В обычных системах количество хладагента, пропускаемого в испаритель, контролируется таким образом, чтобы весь хладагент полностью переходил в парообразное состояние к моменту выхода из испарителя. Другими словами, сжиженный хладагент имеет низкое паросодержание (степень сухости) на входе в испаритель, и практически 100% паросодержание на выходе из испарителя для возврата в компрессор. Для достижения подобных условий в каждом отдельном испарителе в системе с двумя испарителями сжиженный хладагент, поступающий из конденсатора, обычно разделяют на два индивидуально регулируемых потока. Например, в патенте США 6,983,793 описана система, в которой хладагент подается на основное и вспомогательное устройства ОВКВ через соответствующие ТРК. Каждый ТРК регулируется отдельно в зависимости от температуры соответствующего испарителя.
Ввиду высокой стоимости ТРК желательно подавать хладагент на оба испарителя через один ТРК. Как показано в заявке на патент США 2007/0151287 А1, хладагент поступает на два испарителя параллельными потоками из устройства для понижения давления (редуктора) и распределительного клапана, который контролирует относительное количество хладагента, направляемого в каждый испаритель. Распределительный клапан регулируется на основании тепловой нагрузки испарителей. Однако для измерения температуры каждого испарителя необходимы специальные алгоритмы управления, а также отдельные датчики. Поэтому желательно реализовать систему с двумя испарителями и одним ТРК таким образом, чтобы не возникало потребности в дополнительных клапанах или изменениях системы управления или алгоритмов.
Раскрытие изобретения
В одном из вариантов выполнения представленная система кондиционирования воздуха включает в себя компрессор для сжатия хладагента. К компрессору присоединен расширительный клапан для обеспечения дозированного потока сжатого хладагента. Первичный испаритель предназначен для охлаждения первичного воздушного потока, проходящего по первичному пути хладагента от первичного входа до первичного выхода. Первичный вход соединен с расширительным клапаном для приема дозированного потока хладагента. Степень сухости хладагента имеет начальное значение на первичном входе и конечное значение на первичном выходе. Первичный испаритель имеет вход обводной линии, соединенный с первичным путем хладагента в первой точке, где степень сухости хладагента составляет менее 80% от конечного значения. Вторичный испаритель предназначен для охлаждения вторичного воздушного потока, имеющего вторичный вход и вторичный выход. Вторичный вход получает байпасную часть дозированного потока хладагента, разделенного во второй точке пути хладагента между первой точкой и расширительным клапаном. Вторичный выход соединен с входом обводной линии.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой блок-схему, на которой изображены основные компоненты типичной системы кондиционирования воздуха.
Фиг.2 представляет собой блок-схему, на которой изображена система с двумя испарителями, соответствующая существующему уровню техники.
Фиг.3 представляет собой блок-схему, на которой показана реализация системы с последовательным/параллельным расположением двух испарителей в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.4 представляет собой график, на котором показано изменение степени сухости хладагента, проходящего через испаритель.
Фиг.5 представляет собой график, на котором показан пример изменения степени сухости в первичном испарителе по изобретению.
Фиг.6 представляет собой схематичное изображение одного из вариантов выполнения первичного испарителя.
Осуществление изобретения
На Фиг.1 показана система 10 кондиционирования воздуха, включающая в себя компрессор 11 (например, компрессор переменного рабочего объема или компрессор с муфтой), который сжимает хладагент и подает его на конденсатор 13. Конденсированный (т.е. сжиженный) хладагент из конденсатора 13 может храниться и осушаться в приемнике/осушителе 14, после чего он подается на терморегулирующий клапан 15 (ТРК). ТРК 15 отмеряет необходимое количество сжиженного хладагента для подачи в испаритель 16, где хладагент кипит и затем возвращается в компрессор 13 в виде пара. Вентилятор 17 прогоняет кондиционируемый воздух над испарителем 16 для обеспечения потока 18 кондиционированного воздуха, который при помощи трубок и заслонок может быть направлен в зону, занятую людьми, например, в комнату или в пассажирский салон транспортного средства.
На Фиг.2 показана приборная панель 20 в передней части транспортного средства с центральной областью 21 между первым концом 22 со стороны водителя и вторым концом 23 со стороны пассажира. Центральную область 21 обычно занимает единственное главное устройство системы ОВКВ. Однако на Фиг.2 показаны раздельные устройства 24 и 25 ОВКВ, использованные со стороны водителя и со стороны пассажира и обладающие меньшими размерами, что позволяет установить их на концах 22 и 23 приборной панели. Общие компрессор 26 и конденсатор 27 параллельно подают хладагент в устройства 24 и 25 системы ОВКВ. Устройство 24 со стороны водителя подает определенное количество хладагента через ТРК 30 в испаритель 31 со стороны водителя. Вентилятор 32 со стороны водителя генерирует воздушный поток на стороне водителя. Определенное количество хладагента отмеряется ТРК 33 для подачи в испаритель 34 устройства 25 со стороны пассажира. Вентилятор 35 со стороны пассажира генерирует отдельный воздушный поток на стороне пассажира, обеспечивая таким образом независимое охлаждение для водителя и пассажира. Однако стоимость ТРК и отдельных автоматических регуляторов является двойной.
Настоящее изобретение, как показано на Фиг.3, позволяет добиться значительного снижения расходов за счет отсутствия отдельного ТРК у вторичного испарителя. Отличительной особенностью изобретения является отведение хладагента из первичного испарителя во вторичный испаритель, осуществляемое в ключевой точке, где хладагент выкипает из высококонцентрированной жидкой смеси. После разделения каждый поток продолжает выкипать, проходя по первичному и обводному путям через соответствующие испарители. Кипение во вторичном испарителе обеспечивает требуемое охлаждение, но хладагент покидает вторичный испаритель все еще со значительным содержанием жидкости. Этот параллельный обводной поток, проходящий через вторичный испаритель, опять соединяется с первичным потоком, проходящим через первичный испаритель, в точке первичного испарителя, находящейся примерно перед первичным выходом или выше его по потоку. Объединенный поток хладагента продолжает выкипать в оставшейся части первичного испарителя и достигает полностью парообразного состояния к тому моменту, когда он покидает первичный испаритель. Таким образом, вторичный (обводной) поток испарителя проходит параллельно первой части первичного испарителя и последовательно по отношению ко второй части первичного испарителя. Хладагент обводного потока выходит из первичного испарителя в точке, соответствующей примерно 35% степени сухости или менее, и возвращается в первичный испаритель в точке, соответствующей примерно 65-82% степени сухости.
На Фиг.3 показан ТРК 40, подающий дозированный поток сжатого хладагента на первичный вход 42 первичного испарителя 41. В первичном испарителе 41 путь 43 хладагента проходит от первичного входа 42 до первичного выхода 44. Степень сухости хладагента имеет начальное значение на первичном входе 42 (примерно 20% или меньше, т.е. практически жидкое состояние). После выкипания в первичном испарителе 41 хладагент имеет степень сухости, соответствующую конечному значению на первичном выходе, при этом конечное значение обычно регулируют так, чтобы оно составляло практически 100% (т.е. полностью пар).
Первичный испаритель 41 имеет обводной выход 45, соединенный со вторичным входом 51 вторичного испарителя 50. Хладагент проходит через вторичный испаритель 50 ко вторичному выходу 52, соединенному с входом 46 обводной линии первичного испарителя 41. Вход 46 обводной линии расположен в точке на пути 43, где степень сухости холодильного агента в первичном испарителе 41 на 20% меньше конечного значения (т.е. степень сухости меньше примерно 80%). Такое расположение обеспечивает то, что хладагент, возвращающийся после прохождения через вторичный испаритель 50 в первичный испаритель 41, получает достаточную возможность завершить испарение до выхода из первичного испарителя 41.
Выход 45 обводной линии может быть расположен ниже по потоку первичного входа 42 или же они могут быть подключены к одной и той же точке потока. В любом случае обводной поток должен быть убран (перенаправлен) из первичного потока в точке, где степень сухости основного потока меньше или равна 35%. Это необходимо для обеспечения достаточного количества жидкости, доступной для испарения во вторичном испарителе 50.
В системе, показанной на Фиг.3, может быть более удобным обеспечивать в первичном испарителе большую охлаждающую способность, чем во вторичном испарителе. Таким образом, предпочтительно располагать первичный испаритель 41 со стороны водителя, а вторичный испаритель 50 со стороны пассажира, так как система ОВКВ со стороны водителя будет использоваться чаще. Основной вентилятор 53 генерирует первичный воздушный поток через испаритель 41, а вторичный вентилятор 54 генерирует вторичный воздушный поток через вторичный испаритель 50. Когда потребность во вторичном испарителе 50 отсутствует (т.е. когда вентилятор 54 не генерирует воздушный поток, так как место пассажира свободно), в испарителе 50 будет происходить небольшое кипение хладагента. Тем не менее, работа системы продолжается на приемлемом уровне, так как невыкипевший хладагент возвращается в первичный испаритель 41 с достаточной дистанцией для прохода через испаритель 41 и завершения полного выкипания.
В другом варианте изобретения в обводной линии между первичным испарителем 41 и вторичным испарителем 50 может быть предусмотрен запорный клапан 55 для ограничения фактического потока хладагента только внутри первичного испарителя 41, когда отсутствует потребность во вторичной системе ОВКВ.
На Фиг.4 изображена линия 60, показывающая увеличение степени сухости по мере прохождения хладагента по пути хладагента внутри первичного испарителя. При начальном значении степени сухости во время прохождения хладагента через начальную часть пути обводной поток убирается или перенаправляется. Перенаправление может быть предпочтительно произведено после того, как хладагент преодолел определенное расстояние внутри первичного испарителя, однако поток также может быть перенаправлен до того, как поток входит в первичный испаритель (например, в фитинге первичного входа). Как показано на Фиг.4, обводной поток возвращается на первичный путь хладагента в точке, где степень сухости составляет от 65% до 80%.
Как показано на Фиг.5, линия 61 показывает изменение действительной степени сухости при возвращении в первичный испаритель обводного потока с более высокой концентрацией жидкости. Падение 62 имеет место на входе обводной линии, когда хладагент из обводного потока от вторичного испарителя смешивается с первичным потоком. К тому времени как хладагент полностью проходит по пути хладагента к первичному выходу, все равно достигается степень сухости 100%.
На Фиг.6 изображен первичный испаритель 70 с несколькими трубами 71 теплообменника, расположенными между головками 73 и 74. Первичный вход 75 в головке 73 принимает хладагент, стандартным образом проходящий через трубы 71 к выходу 76. Выход 77 обводной линии в головке 74 включает в себя фитинг для приема жидкостной линии, соединяющей обводной поток с вторичным испарителем. Вход 78 обводной линии также включает в себя фитинг для приема обратного потока хладагента из вторичного испарителя. Поперечный размер труб 71, соединяющихся с обратным потоком хладагента на входе 78 обводной линии, может быть больше, чем размер труб, пропускающих поток непосредственно выше по течению входа 78, благодаря тому, что количество холодильного агента увеличивается и, возможно, увеличивается концентрации жидкости.