Устройство для нагрева и охлаждения воздуха

 

Газораспределительное устройство выполнено в виде золотника, расположенного внутри детандера соосно штоку и плате с возможностью переключения его крышками сильфонов детандера. Охлаждение воздуха в детандере производят последовательно, сначала в камере большого сильфона, а затем в камере меньшего сильфона. Устройство снабжено теплообменником со встречными потоками холодного и горячего рабочего тела. Использование изобретения позволяет повысить КПД, сократить паразитные пространства и снизить гидродинамические потери. 2 ил.

Изобретение относится к разделу механики, а точнее к классам отопительной и холодильной техники, представляет собой газовый тепловой насос с силовым приводом и может найти применение при создании кондиционеров и агрегатов для воздушного обогрева и охлаждения салонов автомобилей, жилых и производственных помещений.

В настоящее время известны устройства для получения тепла и холода, например, по а.с. N 892148, кл. F 25 B 29/00; 9/02, тепловой насос, содержащий вихревую трубу, центробежный компрессор, высокотемпературный и низкотемпературный теплообменники, объединенные трактом газообмена в одно устройство.

Недостатком описанного устройства является его сложность, т.к. компрессор центробежного типа для создания значительного перепада давлений, необходимого для работы вихревой трубы, должен иметь высокое число оборотов и значительные габариты по диаметру колеса.

Известна также "Установка для получения тепла и холода" по а.с. N 1522001, кл. F 25 B 11/00, 9/02, содержащая линию, подводящую сжатый воздух, детандер, волновой криогенератор и теплообменники, связывающие их в одну систему.

Установка достаточно проста, но решающим ее недостатком является "открытость" цикла, требующего постоянного подвода извне сжатого воздуха, что делает КПД установки низким, а установку непригодной для нужд отопления.

Наиболее близким аналогом является "Газовая холодильная машина", описанная в патенте N 2053461, кл. F 25 B 9/00, содержащая две пары складывающихся сильфонов, расположенных на общем штоке и образующих компрессор и детандер, заключенные в герметичный вакуумированный кожух.

Недостатком описанной конструкции является то, что полости внешних /горячего и холодного/ теплообменников образуют значительные паразитные пространства, а в случае использования ее в качестве устройства для нагрева и охлаждения воздуха, для прокачки воздуха через теплообменники нужны дополнительные устройства. Размещение газораспределительных устройств вне рабочих полостей снижает надежность герметизации газообменных трактов.

Существенным недостатком является также отсутствие утилизации недоиспользованного тепла и холода за время рабочего такта, что существенно снижает термодинамический КПД машины и усложняет ее устройство.

Предлагаемое изобретение призвано решить задачу повышения КПД, сокращения паразитных пространств и снижения гидродинамических потерь за счет упрощения теплообмена между р.т. и воздухом непосредственно через мембраны сильфонов, без применения устройств для прокачки воздуха через них, а также полной герметизации газообменного тракта между сильфонами.

Поставленная задача решается тем, что газообмен рабочим телом между компрессором и детандером осуществлен через посредство газораспределительного золотника, расположенного внутри детандера соосно штоку и плате и выполненного с возможностью привода от крышек сильфонов детандера, а камеры, содержащие сильфоны компрессора, выполнены с возможностью периодического вытеснения нагреваемого воздуха из большей камеры в меньшую и далее к потребителю, камеры, содержащие сильфоны детандера, выполнены с возможностью периодического вытеснения охлаждаемого воздуха из большей камеры в меньшую и далее к потребителю.

Предлагаемое устройство схематически изображено в разрезе на фиг. 1; на фиг. 2 показана его диаграмма P-V.

Устройство, см. фиг. 1, состоит из корпуса 1, разделенного герметичной перегородкой 2. В нижней части корпуса 1 на плате 3 установлен компрессор, состоящий из приемного сильфона 4, расположенного в камере 5, и меньшего по диаметру сильфона сжатия 6, расположенного в камере 7.

В верхней части корпуса на плате 8 установлен детандер, состоящий из сильфона расширения 9, расположенного в камере 10, и меньшего по диаметру приемного сильфона 11, расположенного в камере 12.

Все сильфоны выполнены мембранными со складывающимися гофрами, т.е. имеют минимальное вредное пространство, а внутренние полости, образованные сильфонами 4, 6, 9, 11 и их крышками 13, 14. 16 и 15 соответственно, заполнены под избыточным давлением газообразным р.т., например гелием, азотом, воздухом и т.п.

Все крышки сильфонов жестко закреплены на общем штоке 17, нижний конец которого пропущен в полость картера 18, где через посредство шатуна 19, кинематически связанного с силовым механизмом привода (условно не показан).

В плате 3 расположен обратный клапан 20, выполненный с возможностью сообщения полости приемного сильфона 4 компрессора с полостью сильфона сжатия 6.

В плате 8 расположен газораспределительный золотник 21, выполненный с возможностью сообщения полостей 9,11 детандера через каналы 22 и 23, или сообщения этих полостей с полостями компресора 4, 6 через каналы 24 и 25.

Камера 5 снабжена впускным клапаном 26 и выпускным 27, выполненным с возможностью сообщения с камерой 7.

Камера 12 снабжена впускным клапаном 28 для перепуска охлаждаемого воздуха из камеры 10 в камеру 12, а последняя снабжена выпускным (холодным) патрубком 29.

Каналы 24 и 25 заключены в корпус 30 и образуют теплообменник со встречными потоками р.т.

Устройство для получения тепла и холода работает следующим образом (см. фиг. 1).

На фиг. 1 устройство изображено в момент прихода штока 17 в нижнюю мертвую точку, когда закончены циклы перепуска р.т., без изменения объема.

При дальнейшем повороте кривошипа привода шток 17 под действием шатуна 19 пойдет вверх. В результате чего р.т. в детандере будет вытесняться из меньшего приемного сильфона 11 в больший сильфон расширения 9 по каналу 22, через выточку золотника 21 и каналу 23, т.е. р.т. будет расширяться, а температура его - падать (см. политропу III-IV на диаграмме P-V). При этом р.т. будет отбирать теплоту от воздуха, поступающего через впускной клапан 28 в камеру 12 через стенки мембран приемного сильфона 11, и от воздуха, находящегося в камере 10, через стенки мембран сильфона расширения 9, который будет при этом вытеснять охлаждаемый воздух из камеры 10 через клапан 28 в камеру 12 и далее к потребителю через патрубок 29.

Одновременно р.т. из полости приемного сильфона 4 компрессора будет вытесняться через обратный клапан 20 в сильфон сжатия 6 (см. политропу I-II на диаграмме P-V). В результате чего давление и температура р.т. будут повышаться и его теплота будет передаваться через мембраны сильфона сжатия 6 воздуху, вытесняемому им из камеры 7 через патрубок 31, и далее к потребителю. Одновременно в камеру 5 через впускной клапан 26 будет поступать воздух и отбирать теплоту от р.т., находящегося в полости сильфона 4, через стенки его мембран.

При подходе штока 17 к верхней мертвой точке крышка 15 приемного сильфона 11 коснется хвостовика газораспределительного золотника 21 и передвинет его в крайнее верхнее положение, что соответствует точкам II и IV диаграммы P-V. При этом сильфонные полости детандера будут разобщены, а полость сильфона сжатия 6 компрессора через канал 25, выточку золотника 21 и канал 22 будет сообщена с полостью приемного сильфона 11 детандера, а полость расширения 9 детандера через каналы 23, выточку золотника 21 и канал 24 будет сообщена с полостью приемного сильфона 4 компрессора.

При начале движения штока 17 вниз р.т. через канал 23, выточку золотника 21 и канал 24 будет вытесняться из сильфона расширения 9 детандера в приемный сильфон 4 компрессора без изменения объема, но при повышении давления, вследствие отбора теплоты от воздуха, всасываемого в камеру 10, а также от теплоты встречного потока р. т. в теплообменнике 30 (см. изохору IV-I на диаграмме P-V), который вытесняется в это время из полости сильфона сжатия 6 компрессора через канал 25, выточку золотника 21 и канал 22 в полость приемного сильфона 11 детандера, без изменения объема, но при снижении давления вследствие охлаждения от воздуха в камере 7 и в теплообменнике 30 (см. изохору II-III на диаграмме P-V).

Одновременно воздух из камеры 5 будет вытесняться через клапан 27 в камеру 7, где дополнительно подогреется от сильфона сжатия 6, и далее через патрубок 31 к потребителю.

При достижении штоком 17 нижней мертвой точки крышка 16 сильфона расширения 9 опять переместит золотник 21 в нижнее положение (см. фиг.1), запрет каналы 24 и 25 и сообщит каналами 22 и 23 полости сильфонов 9 и 11, т.е. устройство вернется в исходное положение (см. фиг.1), что соответствует точкам I и III на диаграмме P-V.

В течение рабочего процесса масса р.т. перемещается двумя равными по весовому количеству потоками (на диаграмме параллельно) из сильфона в сильфон "по кругу".

Из вышеизложенного следует, что предлагаемое устройство для получения тепла и холода имеет минимальный паразитный объем.

Поскольку система газообмена между компрессором и детандером выполнена в виде трубопроводов со встречными потоками р. т., объединенных в корпусе теплообменника, то теплообмен между холодным и горячим встречными потоками р. т. увеличивает перепад давлений в изохорных процессах II-III и IV-I (см. диаграмму P-V,фиг. 2).

Все это обеспечивает повышение термодинамического КПД устройства, а привод газораспределительного золотника от крышек сильфонов детандера позволяет расположить его внутри рабочих полостей, чем обеспечивается полная герметизация рабочего пространства устройства.

Кроме того, оппозитное расположение сильфонов детандера по отношению к сильфонам компрессора позволяет использовать работу расширения р.т. в детандере во время такта сжатия р.т. в компрессоре, что существенно снижает потребляемую мощность и выравнивает крутящий момент на валу привода.

Формула изобретения

Устройство для нагрева и охлаждения воздуха, содержащее корпус с расположенными в нем компрессором и детандером, выполненными из мембранных сильфонов со складывающимися гофрами, отличающееся тем, что газообмен рабочим телом между компрессором и детандером осуществлен через посредство газораспределительного золотника, расположенного внутри детандера соосно штоку и плате и выполненного с возможностью привода от крышек сильфонов детандера, а камеры, содержащие сильфоны компрессора, выполнены с возможностью периодического вытеснения нагреваемого воздуха из большей камеры в меньшую и далее к потребителю, камеры, содержащие сильфоны детандера, выполнены с возможностью периодического вытеснения охлаждаемого воздуха из большей камеры в меньшую и далее к потребителю.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2