Устройство для устранения теплоизбытков в кабине оператора мобильного энергетического средства

Полезная модель относится к устройствам для устранения теплоизбытков в кабине мобильного энергетического средства (МЭС), например тракторов, автомобилей и др.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату к заявляемому техническому решению является распределитель потоков воздуха, взятый за аналог, содержащий канал для распределения потоков воздуха в кабину, который имеет два конуса, находящиеся один в другом, и механизм изменения конусности с шарнирным сочленением, позволяющий менять поперечное сечение выходного отверстия и направление распределения потоков воздуха (патент RU № 91695, кл. В60Н 1/00, опубл. в 2010 г.). Существенный признак аналога «два конуса, находящиеся один в другом» совпадает с существенными признаками заявляемой полезной модели.
Другим аналогом заявляемой полезной модели является установка для кондиционирования воздуха транспортного средства, взятый за аналог, содержащая радиационную и конвективную системы теплообмена, связанные с термоэлектрическим блочно-модульным генератором типа холода, теплообменники горячих спаев термобатарей, пульт управления, воздуховоды (патент № SU 1572839 А1, кл. В60 Н 3/00, опубл. в 1990 г.). Существенные признаки аналога «теплообменники, расположенные в спинке и сиденье оператора» совпадают с существенными признаками заявляемой полезной модели.
Прототипом заявляемой полезной модели является устройство, автомобильный парокомпрессорный кондиционер, состоящий из компрессора, конденсатора, капиллярной трубки, испарителя и остальных узлов холодильного агрегата (Матюхин Л.М. Теплотехнические устройства автомобилей: учеб. пособие/Л.М. Матюхин. - М.: МАДИ, 2009. - С. 51-70). Существенные признаки прототипа «компрессор, конденсатор, капиллярная трубка, испаритель» совпадают с существенным признаком заявляемой полезной модели.
Недостатками прототипа и аналогов являются:
– недостаточно экономичное производство холода, нуждающееся в дополнительном подмешивании наружного или подкапотного воздуха при регулировании температуры, что приводит к частичному непроизводительному выбросу избыточного холода;
– переохлаждения всего объема кабины МЭС в случае существенной инерционности регулирующей эту температуру системы, как правило, неизбежны в таких системах, это приводит к переохлаждению элементов кабины и тела оператора, что вызывает регулярные простудные явления;
– недостаточно эффективное направление охлаждающего потока в нижнюю зону тела оператора (зону ног).
кип.
кип.
кип.
кип.
кип.
кип.
Необходимо отметить, что в большинстве кондиционеров МЭС используются хладагенты термодинамически предназначенные для кипения при низких значениях температуры и давления, что не вполне оптимально для применения их непосредственно в сиденье при контакте с телом оператора из-за явного переохлаждения. В связи с этим явно целесообразным является применение хладагентов, для которых термодинамическая связь между температурой кипения и требуемой температурой при контакте с телом оператора является более близкой, например, при замене фреона R-134а на фреон R-600а. Для сравнения при давлении Р=0,1 бар температура кипения для фреона R-134а t=-23°С; для фреона R-600а t=-10°С; при Р=1 бар для фреона R-134а t=-10°С; для фреона R-600а t=7°С; при Р=2 бар для фреона R-134а t=4°С; для фреона R-600а t=20°С.
В случае необходимости получения более высокотемпературного холода возможно использование процесса изобарно-изотермического кипения хладагента при более высоких давлениях, что может быть обеспечено повышением давления в объеме испарителей с помощью регулирующих клапанов. Например, при использовании в качестве хладагента фреона R-600а такими клапанами целесообразно обеспечивать давление кипения в диапазоне 0,1-2 бар. Обеспечение сухого хода компрессора в этих случаях достижимо направлением выходящих паров через теплообменник, установленный, например, за конденсатором (на принципиальной схеме, фиг. 2, не показан).
Для преодоления указанных недостатков, повышения экономичности при производстве холода, снижения переохлаждения тела оператора предлагается заявляемое устройства для устранения теплоизбытков в кабине оператора МЭС.
Техническая задача полезной модели заключается в достижении более равномерной подачи охлажденного воздуха как в зону дыхания и охлаждения верхней части тела оператора (голова и грудь), так и в нижнюю часть (зону ног), получение более высокотемпературного холода, целесообразного для использования в спинке основания сиденья, а также исключающего для этой цели подмешивания внешнего или подкапотного воздуха. Тем более что получение холода термодинамически наиболее выгодно в том случае, если температура кипения хладагента при данных условиях выше. Об этом свидетельствует оценочный критерий, называемый холодильным коэффициентом
2
ЗАТР
, где q - холодопроизводительность; q - затрачиваемая работа. Холодильный коэффициент тем меньше, а следовательно удельные энергозатраты цикла тем больше, чем ниже температура кипения. Поскольку в заявляемой полезной модели предлагается преднамеренное изменение температуры кипения, в том числе ее повышение, то при этом энергозатраты уменьшаются, а эффективность цикла возрастает.
Техническим результатом полезной модели является повышение равномерности охлаждения тела оператора, получением температуры кипения близкой к оптимальной, исключение переохлаждения тела, исключения необходимости подмешивания теплого воздуха при регулировании.
Технический результат полезной модели достигается, что устройство для устранения теплоизбытков в кабине оператора мобильного энергетического средства содержит компрессор, конденсатор, испаритель, расширительный клапан, капиллярную трубку. Устройство выполнено в виде двойного усеченного конуса, находящиеся один в другом, с регулируемой подачей воздуха в кольцевое пространство для дыхания через внутренний конус и охлаждения через кольцевое пространство. В основании сиденья оператора и встроены змеевики испарителей хладагента, имеющие на входе капиллярные трубки и снабжены на выходе изобарно-изотермическими клапанами. За испарителями устанавливаются изобарно-изотермические клапаны регулирующие давление кипения хладагента в диапазоне изменения температуры для фреона R-600а от -10 до +15°С. В качестве покрытия в основании спинки сиденья может использоваться композитный материал, содержащий пористое базовое основание, в котором поры заполняются порошкообразным металлическим сыпучим материалом с малой плотностью и высокой температуропроводностью а, например алюминиевая пудра и т.д. Основные элементы устройства: усеченные конуса с соплами, компрессор, конденсатор, испаритель, змеевики объединены неразъемными соединениями, трубопроводами сборочной операцией сваркой в единое целое.
Целесообразность данного предложения подтверждается формулой , где λ - коэффициент теплопроводности; С - теплоемкость материала; ρ - плотность.
На фиг. 1 представлены основные элементы устройства; на фиг. 2 - принципиальная схема охладителя кондиционера устройства для устранения теплоизбытков кабины оператора МЭС; на фиг. 3 – изобарно-изотермический клапан управления процессами кипения в испарителях.
Охлажденный воздух, предназначенный в первую очередь для дыхания и охлаждения верхней части тела оператора, направляется в регулируемую систему усеченных конусов 1 (фиг. 1) и далее для охлаждения нижней части, зоны ног, через трубопровод охлаждения с соплами 2. Усеченные конуса крепятся к кабине при помощи несущего элемента, кронштейна 16 (фиг. 2). Равномерность температурной стабилизации тела оператора достигаемая при охлаждении спинки и основания сиденья для достижения технического результата обеспечивается направлением хладагента в змеевик испарителя в спинки 3 и змеевик испарителя в основании сиденья 4. Изобарно-изотермический клапан 5 регулируется поворотом рукоятки 6 и содержит пружину 17 (фиг. 3), мембрану 18, конус 19, коническое седло 20. Оператор вручную осуществляет регулирование температуры кипения и давление хладагента. Температурное состояние, режим работы и интенсивность кипения оценивается термометрами 7 (фиг. 1) встроенными в спинке и в основании сиденья. Термометры выполняют функцию контрольного наблюдения оператора за двумя параметрами: собственно температурой кипения и временем выхода на установленный режим после регулирования. Оба параметра имеют первостепенное значение для установления уровня охлаждения спинки в основании сиденья и оценки времени отклика, т. е. времени релаксации, наступления установившегося режима охлаждения Указанное время может быть использовано для установления опережающего режима управления.
Непосредственно холод производится в компрессорно-конденсаторном агрегате, имеющий компрессор 8, конденсатор 9, испаритель 10, расширительный клапан 14 (фиг. 2), капиллярную трубку 15 (фиг. 2), объединенных в единое целое управляемыми дроссель-клапанами. Сжиженный в конденсаторе 9 хладагент по отдельному трубопроводу направляется в расширительный клапан 14 (фиг. 2) и далее в испаритель 10, где выкипает в условиях сформированного этим клапаном давления при соответствующей температуре. Полученный в испарителе 10 холод реализуется направлением охлажденного потока воздуха в кабину с помощью вентилятора 11 (фиг. 1). Он же обеспечивает подачу воздуха по трубопроводу охлаждения с соплами 2 в зону ног. Дополнительно количество хладагента через тройник 12 направляется в змеевик испарителя в спинки 3 и змеевик испарителя в основании сиденья 4.
Основные элементов устройства: компрессор, конденсатор, испаритель, змеевики охлаждения спинки и сиденья, изобарно-изотермические клапаны, а так же усеченные конуса конструктивно связаны в единое целое трубопроводами неразъемного соединения 13 (фиг. 1, фиг. 2) при помощи сборочной операции сварки. Трубопровод 13 огибает конуса петлей, с прогибом обеспечивающей подвижность конусов при изменении их положения.
Изобарно-изотермический клапан (фиг. 3) имеет пружину 17 с переменной величиной жесткости затяжки, регулируемой рукояткой 6, мембрану 18, запорный конус 19, размещенный в коническом седле 20 при запирании.
Работа клапана заключается в изменении жесткости пружины 17 посредством винтового приспособления выведено на рукоятку 6. При этом меняется давление хладагента, действующее на мембрану 18, передающее усилие на пружину 17, которая сжимается и приподнимает конус клапана 19 над его седлом 18. Через это проходное сечение происходит всасывание хладагента в компрессор. Клапан работает таким образом, что при ослаблении пружины температура кипения понижается, при сжатии пружины – повышается.
Устройство работает следующим образом. Техническое исполнение предлагаемого устройства для устранения теплоизбытков в кабине оператора МЭС обеспечено наличием компрессорно-конденсаторной холодильной установки. Сжатый в компрессоре хладагент сжижается в конденсаторе и после расширительного клапана выкипает в испарителе, имеющем развитую поверхность теплообмена, через которую прокачивается вентиляторный воздух для обеспечения дыхания и охлаждения верхней зоны тела оператора (голова и грудь), а также для направления потока охлажденного воздуха в нижнюю зону (зону ног). Потоки, направляемые в усеченные конуса, регулируются вручную их поворотами, а для нижней зоны – поворотами сопел. Температурное состояние спинки и основания сиденья оценивается термометрами и регулируется поворотом рукояток изобарно-изотермических клапанов.
Работа предлагаемой модели обеспечивает подачу холода соответствующей температуры в зависимости от индивидуальных требований оператора.