Кондиционер на парах воды

Изобретение относится к области кондиционирования и может быть использовано для охлаждения помещений и салонов транспортных средств. Кондиционер на парах воды содержит хладагент, камеру с высоким давлением, камеру с низким давлением, соединенные между собой, устройство для создания перепада давления, в качестве хладагента используются пары воды, и в камере с низким давлением вакуум создается посредством соединения кондиционера трубкой с приемным коллектором двигателя автомобиля. Техническим результатом является повышение эффективности процесса теплопередачи от стенок кондиционера к хладагенту. 1 табл., 2 ил.

 

Изобретение относится к холодильной технике и может быть использовано для охлаждения помещений, салонов транспортных средств, например автомобилей.

Известен кондиционер, содержащий хладагент, камеру с высоким давлением, камеру с низким давлением, соединенные между собой, и устройство для создания перепада давления (SU 279653 А, 26.11.1970).

Основным недостатком кондиционера является неэффективность теплопередачи между охлажденным воздухом и окружающей средой.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности теплопередачи между хладагентом и стенками расширительной камеры и возможность использовать кондиционер данной конструкции в транспортном средстве.

Технический результат достигается тем, что кондиционер на парах воды содержит хладагент, камеру с высоким давлением, камеру с низким давлением, соединенные между собой, устройство для создания перепада давления, при этом в качестве хладагента используют пары воды и в камере с низким давлением вакуум создают посредством соединения кондиционера трубкой с приемным коллектором двигателя автомобиля.

При истечении паров воды в вакуум происходит их адиабатическое расширение. Охлаждение паров воды связано с тем, что внутренняя тепловая энергия паров превращается в кинетическую энергию поступательного движения паров воды. Наиболее резкое охлаждение паров воды происходит на начальном участке струи, которому соответствует наиболее резкое увеличение скорости движения паров. При таком резком охлаждении происходит конденсация паров воды и превращение их в лед.

В результате вблизи среза сопла на стенках расширительной камеры происходит образование ледяного нароста. Часть паров воды превращается в дисперсные частицы льда. Образовавшийся лед непосредственно соприкасается со стенками расширительной камеры. При этом от стенок расширительной камеры отводится тепло. Отводимое от стенок расширительной камеры тепло расходуется на: нагревание льда до температуры таяния льда, таяние льда и испарение воды. В разреженной атмосфере процесс испарения воды очень эффективен. Использование в качестве хладагента паров воды и истечение их в вакуум, сопровождающееся образованием льда, который непосредственно контактирует со стенками расширительной камеры, позволяет эффективно осуществлять процесс теплопередачи между хладагентом и стенками расширительной камеры.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый кондиционер на парах воды соответствует критерию изобретения «новизна».

Сравнение заявляемого технического решения с другими техническими решениями в данной области техники не позволил выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию «существенные отличия».

Техническая сущность изобретения поясняется принципиальной схемой кондиционера на парах воды, приведенной на фиг.1.

Кондиционер 1 включает в себя парогенератор 2, внутри которого содержится вода, и расширительную камеру 3, соединенные между собой отверстием (соплом) 4 или несколькими отверстиями (соплами). Расширительная камера 3 соединена с вакуумным насосом 5. Вблизи кондиционера устанавливается вентилятор 6.

Работает кондиционер на парах воды следующим образом. В качестве источника паров воды или парогенератора 2 используется емкость, изготовленная из материала, хорошо проводящего тепло. Внутри парогенератора содержится вода. Парогенератор 2 соединен посредством отверстия (сопла) 4 или системы отверстий с расширительной камерой 3, изготовленной из теплопроводящего материала. Расширительная камера 3 имеет большую поверхность (радиатор), позволяющую эффективно осуществлять процесс теплообмена с окружающей средой. Вакуум в расширительной камере 3 поддерживается с помощью вакуумного насоса 5. При истечении паров воды из парогенератора 2 через сопло 4 в расширительную камеру 3 происходит их охлаждение, приводящее к конденсации паров и превращению их в лед. Образовавшийся лед непосредственно соприкасается со стенками расширительной камеры 3, что приводит к таянию льда и испарению образовавшейся воды. При этом от стенок расширительной камеры отводится тепло. Принудительный обдув кондиционера вентилятором 6 повышает эффективность процесса теплообмена кондиционера с окружающей средой.

Пример конкретного выполнения

Кондиционер размещается внутри охлаждаемого помещения или салона транспортного средства, и его температура Т₀ равна температуре помещения или салона. Этой температуре соответствует давление насыщенных паров воды р₀. Поскольку площадь выходного отверстия парогенератора мала в сравнении с площадью поперечного сечения парогенератора, то приближенно можно полагать, что направленная скорость паров в парогенераторе равна нулю. Поэтому параметры паров в парогенераторе называют параметрами торможения. Основные параметры парогенератора: давление торможения р₀, температура торможения Т₀ и массовый расход испаряемого вещества G.

При истечении паров из парогенератора молекулярный расход паров через самое узкое сечение сопла (критическое сечение сопла) равен

n=n_*v_*F_*=p_*(γR/T_*)^1/2F_*/k,

где n_*=p_*/(kT_*) - плотность паров в критическом сечении сопла, v=(γRT_*)^1/2 - скорость паров в критическом сечении сопла, F_* - площадь критического сечения сопла, р_* - и Т_* - соответственно давление и темпера в критическом сечении сопла, k - постоянная Больцмана, γ - показатель адиабаты, R - газовая постоянная. Параметры потока в критическом сечении сопла можно выразить через соответствующие параметры торможения р₀ и Т₀ по изоэнтропическим соотношениям [ 2 ]:

p_*=p₀[2/(γ+1)]^(γ/γ-1); Т_*=2Т₀/(γ+1).

Подставляя значения критических параметров в уравнение для молекулярного расхода, получим

n=[2/(γ+1)]^{(γ+1)/2(γ-1)} p₀(γR/T₀)F_*/k.

Массовый расход паров воды из парогенератора за единицу времени можно представить в виде

G=nAm,

где n - расход молекул паров вещества за единицу времени, А - молекулярный вес паров воды в атомных единицах массы, m - атомная единица массы. Подставив значения постоянных, получим

G=4,17*10^-3p₀F_*/T₀ ^1/2.

Предположим, что температура в охлаждаемом помещении или салоне транспортного средства может изменяться от 20°С до 50°С в зависимости от погодных условий и работы кондиционера. Определенному значению температуры Т₀ соответствует определенное значение давления насыщенных паров р₀ в парогенераторе. Зависимость значений р₀ от Т₀ приведена в таблице 1. По этим данным рассчитывался массовый расход паров воды G из парогенератора. Для сопла с диаметром критического сечения 2*10^-3 м рассчитанные значения G приведены в таблице 1 и на фиг.2. Количество теплоты Q, необходимое для превращения в пар массы воды m, равно

Q=Lm,

где L=2,4*10⁶ Дж/кг - удельная теплота испарения воды. Значения Q от Т₀ приведены в таблице 1 и на фиг.2. Уменьшение температуры паров воды при их адиабатическом расширении определялось по условию [1]

Т_k=[р_к/Р₀]^(γ-1)/γТ₀,

где р_к и Т_к - соответственно давление и температура в расширительной камере. Полученные значения Т_к приведены в таблице 1.

Таблица 1
Т0, °С	p0, Па 103	G, кг/с 10-6	Q, Дж/с	Тk, °C	q, Дж/с	∑, Дж/с
20	2,38	1,82	4,4	-185	5,2	9,6
25	3,15	2,38	5,7	-189	6,7	12,4
30	4,23	3,18	7,6	-192	9,0	16,6
35	5,60	4,19	10,1	-197	11,9	22,0
40	7,35	5,43	13,0	-200	15,4	28,4
45	9,84	7,24	17,4	-204	20,5	37,9
50	12,3	8,95	21,5	-206	25,4	46,9

Из таблицы 1 видно, если не происходила бы конденсации паров воды и превращение их в лед, то температура паров достигала бы очень низких значений (порядка -200°С). К сожалению, оценить температуру льда не предоставляется возможным. Положим, что в результате адиабатического расширения температура льда, образовавшегося в расширительной камере, составляет Т_л=-50°С. Для того, чтобы массу льда, соответствующую массе паров или массовому расходу паров G, вновь превратить в пар, необходимо затратить количество теплоты:

для нагревания льда до температуры плавления

q₁=rΔTm;

для плавления этой массы льда

q₂=λm;

а затем на испарение этой же массы воды, соответствующее значению Q

q₃=Q=Lm.

Здесь r=2,1*10³ Дж/(кг К) - удельная теплоемкость льда, λ=3,3*10⁵ Дж/кг - удельная теплота плавления льда, L=2,4*10⁶ Дж/кг - удельная теплота испарения воды в вакууме при значениях температур ниже температуры кипения. Следовательно, полное количество теплоты, затраченное на испарение льда, образовавшегося в результате адиабатического расширения, равно

Q=rΔTm+λm+Lm=m(rΔT+λ)+Q.

Значения q, полученные при подстановке значений r,λ, Q и ΔT=50°С, приведены в таблице 1 и на фиг.2. Там же приведены суммарные значения количеств теплоты

∑=Q+q,

которые поглощает кондиционер в процессе работы.

Приведенный пример соответствует диаметру критического сечения сопла 2*10^-3 м. Это же соответствует системе сопел с суммарной площадью поперечного сечения, равной площади указанного сопла. Для сопел с большим диаметром критического сечения сопла массовый расход паров из парогенератора увеличивается, и соответственно увеличивается количество теплоты ∑, поглощаемое кондиционером в единицу времени. Из таблицы 1 и фиг.2 также видно, что с увеличением температуры Т₀ в охлаждаемом объеме производительность кондиционера возрастает, т.е. кондиционер сам регулирует свою производительность.

В автомобилях, у которых используется двигатель внутреннего сгорания, создается разрежение в коллекторе впрыска топлива. Например, для ВАЗ-2105, в соответствии с паспортными данными, оно составляет 10-400 мм рт. ст. Это условие позволяет применять кондиционер предлагаемой конструкции без использования вакуумного насоса. Так как разрежение, создаваемое двигателем автомобиля, ниже, чем разрежение, создаваемое вакуумным насосом, то производительность кондиционера меньше, но при этом отпадает необходимость использования вакуумного насоса. В этом случае кондиционер посредством трубки соединяется с приемным коллектором двигателя автомобиля.

Использование кондиционера на парах воды позволяет снизить и поддерживать температуру в помещениях и салонах транспортных средств, в которых достаточно поддерживать температуру на 5-10°С ниже, чем на улице. При этом исключается использование в качестве хладагента фреонов. При использовании в качестве хладагента паров воды увеличивается эффективность процесса теплопередачи от стенок кондиционера к хладагенту. Возможно применение кондиционера на парах воды в автомобилях с двигателем внутреннего сгорания без использования вакуумного насоса.

Источники информации, принятые во внимание

1. Кушнырев В.И., Лебедев В.И., Павленко В.А. Техническая термодинамика и теплопередача. - М.: Стройиздат, 1986.

2. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. - М.: Наука, 1987.

Кондиционер на парах воды, содержащий хладагент, камеру с высоким давлением, камеру с низким давлением, соединенные между собой, устройство для создания перепада давления, отличающийся тем, что в качестве хладагента используются пары воды и в камере с низким давлением вакуум создается посредством соединения кондиционера трубкой с приемным коллектором двигателя автомобиля.