Автомобильный кондиционер на основе пароэжекторной холодильной установки

УДК 621.57

АВТОМОБИЛЬНЫЙ КОНДИЦИОНЕР НА ОСНОВЕ ПАРОЭЖЕКТОРНОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

А.П. Графов, к.т.н., доцент, А.В. Лысак, аспирант, Запорожская государственная инженерная академия

Аннотация. Приведена оценка влияния парокомпрессионной холодильной установки автомобильного кондиционера на потребление полезной мощности, вырабатываемой двигателем. Дан анализ альтернативной пароэжекторной холодильной установки для автомобильного кондиционера, позволяющей уменьшить потребление полезной мощности двигателя для кондиционирования салона автомобиля.

Ключевые слова: кондиционер, холодильная установка, испаритель, конденсатор, компрессор, парогенератор, насос, эжектор.

Введение

В настоящее время неотъемлемой частью почти каждой модели легкового автомобиля, грузовика или автомобиля специального назначения является кондиционер воздуха. Обычно в автомобильных кондиционерах применяется парокомпрессионная холодильная установка (ПКХУ) с компрессором, привод которого осуществляется через ременную передачу от коленвала двигателя автомобиля.

Недостатком данной схемы является то, что для привода компрессора расходуется часть полезной мощности вырабатываемой двигателем. Это приводит к увеличению расхода топлива и ухудшению динамических характеристик автомобиля.

Анализ публикаций

Известна [1] парокомпрессионная холодильная установка (рис. 1), которая работает следующим образом: компрессор засасывает холодные пары хладагента — лег-кокипящей жидкости из испарителя при давлении кипения р0 (точка 1) и сжимает их по-литропно (процесс 1-2) до давления нагнетания, теоретически равного давлению конденсации рк. При этом температура паров существенно возрастает. Сжатый пар хладагента

(точка 2) поступает в конденсатор, в котором при постоянном давлении рк вначале охлаждается (снятие перегрева - процесс 2 - 3), а затем конденсируется (процесс 3 - 4) при постоянной температуре ^ и том же давлении Рк- Жидкий хладагент (точка 4) дросселируется в регулирующем клапане. Процесс дросселирования (4 - 5) происходит при постоянной энтальпии.

В результате дросселирования давление понижается до ро, а температура - до жидкость превращается во влажный пар - парожидкостную смесь (точка 4). Далее эта смесь поступает в испаритель, где кипит при охлаждении тёплого воздуха, поступающего в кабину. Процесс кипения хладагента в испарителе происходит при постоянном давлении р0 и температуре ^ (процесс 5 - 1). Далее процессы повторяются.

диаграмме

Цель и постановка задачи

Для обеспечения кондиционирования воздуха в кабине современного автомобиля холо-допроизводительность его холодильной установки должна составлять от 1 до 6 кВт. При этом на привод компрессора холодильной установки кондиционера двигатель автомобиля «затрачивает» 5 - 10 % вырабатываемой им полезной мощности. Здесь необходимо отметить, что, как известно, в двигателях внутреннего сгорания только 20 -40 % располагаемой энергии сгорания топлива превращается в полезную механическую работу. Несколько большая часть энергии сгорания топлива выбрасывается в атмосферу с выхлопными газами, температура которых на выходе из двигателя обычно более 300 °С. Так при расходе бензина 10 л/час с топливом в двигатель подводиться 100 кВт тепла. Распределение тепла в двигателе приведено в табл. 1 [2].

Таблица1 Значение составляющих

внешнего теплового балланса двигателей различных типов

В табл. 1:

qe - теплота, эквивалентная эффективной работе двигателя;

qв- теплота, отводимая от двигателя охлаждающей средой ( жидкостью или воздухом);

qг - теплота, отводимая выпускными газами; qосг - сумма теплот неполного сгорания топлива, теплоты, отводимой маслом, теплоты, отводимой в результате конвективного и лучистого теплообменов.

Во множестве ДВС кинетическую энергию выхлопных газов используют для привода в действие турбонаддува воздуха в двигатель, но по-прежнему около половины расходуемого двигателем топлива сегодня ещё тра-

тится на обогрев окружающей нас атмосферы выхлопными газами. Усугубляющаяся необходимость экономить энергоресурсы и негативные крупномасштабные последствия влияния выбросов выхлопных газов в атмосферу явились причиной нашей попытки использовать тепло, выделяющееся при работе ДВС, для привода холодильной установки кондиционера.

Решение задачи

Существует альтернативный способ получения холода, который возможно применить в автомобильном кондиционере. Реализуется он в теплоиспользующих холодильных установках. Теплоиспользующие установки вырабатывают холод, потребляя тепловую энергию, в том числе и низкопотенциальную, а также некоторое количество электроэнергии для привода насоса. Среди теплоиспользующих холодильных установок выделяют абсорбционные и пароэжекторные холодильные установки [3]. Для автомобильного кондиционера, исходя из условий эксплуатации и простоты конструкции, наиболее

подходит пароэжекторная холодильная установка (ПЭХУ).

Работа пароэжекторной холодильной установки (рис. 2) осуществляется в результате подвода тепла высокого потенциала от выхлопных газов либо от жидкости системы охлаждения двигателя. Пар состояния 1, образовавшийся в парогенераторе Г при подводе высокопотенциального тепла, поступает в эжектор 5. Проходя через сопло эжектора, он расширяется и изменяет свое состояние на 2. В сопле потенциальная энергия пара преобразуется в кинетическую энергию струи, которая, вытекая с большой скоростью, эжектирует пар состояния 9 из испарителя И. После смешения пара состояний 2 и 9 в камере смешения эжектора получается пар состояния 3. Затем этот смешанный пар, проходя диффузор эжектора, где его кинетическая энергия преобразуется в потенциальную, поступает в конденсатор Кн в состоянии 4. В конденсаторе пар конденсируется (процесс 4 - 5), отдавая тепло окружающей среде. Часть конденсата состояния 5 в количестве, равном массовой подаче пассивного пара, поступает через дроссельный вентиль Др в испаритель (процесс 5 - 8), где кипит (процесс 8 - 9), отводя тепло из салона

Составляющие теплового баланса Двигатели qe qв qг qост

Карбюраторные поршневые 22-29 20-35 30-55 6-63

Дизели без наддува 29-42 20-35 25-40 4-16

Комбинированные с наддувом: умеренным высоким 35-45 40-48 10-25 10-18 25-45 20-40 5-19 6-20

автомобиля. Другая часть конденсата в количестве, равном массовой подаче пара из парогенератора, нагнетается насосом Н в парогенератор (процесс 5 - 6), нагревается (процесс 6 - 7), кипит (процесс 7 - 1). Образовавшийся в результате кипения пар состояния 1 направляется в эжектор Э. Далее процессы повторяются.

Рис. 2. Схема и идеальный цикл работы ПЭХУ в Г-^-диаграмме

Сравнивая две схемы холодильных установок ПКХУ и ПЭХУ, для автомобильного кондиционера необходимо сравнить затраты на их эксплуатацию. Для парокомпрессионной холодильной

установки эти затраты связаны с энергией, которую необходимо подвести к компрессору для сжатия хладагента от давления кипения в испарителе до давления конденсации. Для пароэжекторной холодильной установки эти затраты составляют лишь энергию, которую использует насос для нагнетания жидкого хладагента в парогенератор от давления конденсации до давления генерации.

Для автомобильных кондиционеров преобладает применение хладона R134a,

поэтому при сравнительном анализе двух схем используем его как хладагент ПКХУ. Выбор хладагента для ПЭХУ зависит от конкретных условий работы установки. С точки зрения требований холодильного цикла ПЭХУ и требований безопасности и неагрес-сивности, предъявляемых к хладагенту, наиболее подходящим является R141b. В результате анализа, в качестве источника тепла выбрана

жидкость из системы охлаждения двигателя при температуре ^г = 85 °С на выходе из рубашек охлаждения двигателя.

Для сравнительных расчётов затрат энергии в каждой из этих двух систем

использовались одинаковые условия работы автомобильного кондиционера:

холодопроизводительность О) = 1 кВт ; температура кипения хладагента в испарителе ^0 = 15 °С;

температура конденсации хладагента в конденсаторе tк = 40 °С.

Таблица 2 Основные характеристики работы установок

Установки Характеристики ПКХУ ПЭХУ

Хладагент R134a R141b

Удельная холодопроизводительность, кДж/кг 153 205

Расход хладагента из испарителя, кг/с 0,0065 0,0048

Тепловая нагрузка на конденсатор, Вт 1148 11880

Затраты энергии на привод установки, Вт 154 10,9

Из табл. 2 видно, что при использовании ПЭХУ для автомобильного кондиционера необходимо затратить меньше энергии на привод, чем для ПКХУ, но при этом возрастает тепловая нагрузка на конденсатор.

Объясняется это тем, что кроме пара из испарителя в конденсатор попадает пар из парогенератора. Увеличение тепловой нагрузки на конденсатор приводит к увеличению площади его поверхности. Несмотря на это, анализ первоначальных затрат на установку кондиционеров на базе ПКХУ и ПЭХУ не показывает значительной разницы.

При использовании как ПКХУ, так и ПЭХУ для обеспечения кондиционирования салона автомобиля необходимы затраты энергии. Использование «бросового» тепла в ПЭХУ позволяет значительно уменьшить потребление полезной мощности

вырабатываемой двигателем.

Расчёты показывают, что для привода ПЭХУ необходимо затратить в 14 раз меньше энергии, чем для ПКХУ. Уменьшение потребления энергии ведёт к уменьшению расхода топлива, что в эпоху сокращения запасов энергетических ресурсов и постоянного роста цен на них является важным шагом в энергосбережении.

Предлагаемая холодильная установка повышает надёжность автомобильного кондиционера вследствие отказа от механического компрессора с которым связаны основные неисправности и замены его надёжным струйным. Следует учитывать, что автомобильный транспорт является одним из

основных источников загрязнения окружающей среды.

С экологической точки зрения, благодаря снижению количества расходуемого топлива, происходит значительное уменьшение вредных выбросов СО2 и других экологически опасных элементов в атмосферу. Проведенные расчёты и анализ состояния вопроса позволяет сделать вывод: пароэжекторная холодильная установка для автомобильного кондиционера имеет прекрасные перспективы для широкого внедрения и завоевания потребительского рынка.

Литература

1. Чумак И.Г. Холодильные установки: Учеб-

ник. - Одесса: Пальмира, 2006. - 552 с.

2. Вырубов Д.Н. и др. Двигатели внутреннего

сгорания: Теория поршневых и

комбинированных двигателей. - М.:

Машиностроение, 1983. - 372 с.

3. Захаров Ю.В. Судовые установки конди-

ционирования воздуха и холодильные машины. - Л.: Судостроение, 1979. - 586 с.

4. Графов А.П., Лысак А.В. Исследование и

разработка пароэжекторной

холодильной установки для

автомобильного кондиционера // Материалы 10-й научно-технической конференции студентов, магистров, аспирантов и преподавателей ЗГИА. -Запорожье, 2005. - С.158 - 159.

5. Графов А.П., Лысак А.В. Анализ выбора

холодильного агента для

пароэжекторной холодильной установки автомобильного кондиционера // Материалы 11-й научно-технической конференции студентов, магистров,

аспирантов и преподавателей ЗГИА. -Запорожье, 2006. -

С. 38.

6. Графов А.П., Лысак А.В. Разработка

способов уменьшения тепловой

нагрузки на конденсатор

пароэжекторной холодильной установки // Материалы 12-й научно-технической конференции студентов, магистров,

аспирантов и преподавателей ЗГИА. -Запорожье, 2007. - С. 46.

Рецензент: Ф.И. Абрамчук, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 10 апреля 2000 г.