Установка для охлаждения и нагрева воздуха

Изобретение относится к системам кондиционирования воздуха в салонах и кабинах пассажирских или грузовых транспортных средств. Установка для охлаждения и нагрева воздуха содержит блок термоэлектрических батарей с источником питания и каналами для протока жидкого теплоносителя со стороны горячих и холодных теплопереходов. Теплопереходы подключены к замкнутым контурам циркуляции горячего и холодного теплоносителей. Контур циркуляции холодного теплоносителя включает радиатор-охладитель воздуха и первый циркуляционный насос. Контур циркуляции горячего теплоносителя включает радиатор-отопитель и второй циркуляционный насос. Радиатор-отопитель и радиатор-охладитель снабжены вентиляторами для продувки через них, соответственно, нагреваемого и охлаждаемого воздуха. Блок термоэлектрических батарей установлен в корпусе с образованием двух равных по объему полостей. На холодных и горячих теплопереходах установлены теплообменные радиаторы, коэффициент упаковки которых составляет не менее 1000 м²/м³. В результате достигается упрощение конструкции, улучшение весовых и габаритных характеристик, снижение эксплуатационных затрат, повышение экологической безопасности при эксплуатации установки. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к системам кондиционирования воздуха в салонах и кабинах пассажирских или грузовых транспортных средств и может быть использовано в холодильной технике.

Известны отечественные и зарубежные автомобильные кондиционеры, которые обеспечивают охлаждение и нагрев воздуха и конструктивно состоят из компрессора с электромагнитной муфтой, конденсатора с электровентилятором, ресивера-осушителя, климатического блока, патрубков и шлангов, соединяющих отдельные части установки, датчиков и электронных приборов управления, причем привод компрессора осуществляется приводным ремнем от двигателя автомобиля через электромагнитную муфту (см. С.Т.Степанов и др. Автомобильные кондиционеры. Москва, "Легион-Автодата", 2001, с.6 - 18).

Однако такой кондиционер имеет сравнительно высокое энергопотребление, поскольку компрессор отбирает от двигателя от 1,1 до 3,7 кВт мощности. Кроме того, данный кондиционер предъявляет высокие требования к герметичности контура циркуляции хладагента, а в качестве последних используются экологически вредные фтор-хлорсодержащие хладагенты.

Более просты в эксплуатации и экологически безопасны установки, в которых используется термоэлектрический эффект Пельтье, например установки для охлаждения или нагревания воздуха в замкнутом объеме, а также для обработки потоков воздуха, подаваемого в салоны транспортных средств.

Известна конструкция термоэлектрического кондиционера, содержащего кожух, разделенный на каналы основного и вспомогательного потоков воздуха перегородкой, термобатареи, одни спаи которых расположены со стороны канала основного потока воздуха, а другие - со стороны канала вспомогательного потока воздуха, и вентиляторы, установленные в каждом из этих каналов, имеющих входные и выходные отверстия. Выходные отверстия каналов расположены у противоположных торцов кожуха и направлены в противоположные стороны, при этом торцевые стенки каждого из каналов, расположенные противоположно выходным отверстиям, выполнены выпуклыми в сторону этих отверстий, причем входные отверстия упомянутых каналов выполнены на их боковых стенках, а выходные отверстия сообщены с вентиляторами (см. патент RU №2029687, кл. В 60 Н 3/00, 27.02.1995).

Однако, несмотря на простоту конструкции данного кондиционера, основным недостатком его является низкая тепловая эффективность холодного и горячего теплоперехода и наличие в тракте охлажденного воздуха электровентилятора, выделяющего в процессе работы теплоту, которая подогревает охлажденный воздух и, тем самым, снижает эффективность работы кондиционера.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является термоэлектрический кондиционер, содержащий блок термоэлектрических батарей с источником питания блока термоэлектрических батарей и каналами для протока жидкого теплоносителя со стороны горячих и холодных теплопереходов, каждый из которых подключен, соответственно, к замкнутому контуру циркуляции горячего и холодного теплоносителей, причем контур циркуляции холодного теплоносителя включает радиатор-охладитель воздуха и первый циркуляционный насос, а контур циркуляции горячего теплоносителя включает радиатор-отопитель и второй циркуляционный насос, причем вход последнего подключен к выходу канала протока жидкого теплоносителя со стороны горячих теплопереходов блока термоэлектрических батарей, выход второго циркуляционного насоса подключен к входу горячего теплоносителя в радиатор-отопитель, а выход горячего теплоносителя из радиатора-отопителя подключен к входу в канал протока жидкого теплоносителя со стороны горячих теплопереходов блока термоэлектрических батарей, при этом радиатор-отопитель и радиатор-охладитель снабжены вентиляторами для продувки через них, соответственно, нагреваемого и охлаждаемого воздуха (см. патент RU №2129492, кл. В 60 Н 3/00, 27.04.1999).

Однако этот кондиционер требует установки в салоне автомобиля или иного транспортного средства дополнительного радиатора приема тепла с вентилятором и специально устраиваемых воздуховодов. Применение же каналов для протока жидкого теплоносителя как со стороны тепловыделяющих (горячих), так и со стороны теплопоглащающих (холодных) теплопереходов (спаев) термоэлектрических батарей не решает до конца проблемы интенсификации теплопередачи тепла по спаям, учитывая высокие плотности тепловых потоков на спаях, достигающих в зависимости от рабочей высоты ветвей термоэлектрических батарей единиц и десятков Вт/см². Такие плотности тепловых потоков можно отводить при вынужденной конвекции воды, движущейся в канале со скоростью не менее 4 м/с. Однако это требует значительных энергетических затрат на прокачку теплоносителя (см. Иванов О.А. Охлаждение аппаратуры РЛС. Москва, Военное издательство МО СССР, 1975 г., с.23).

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является упрощение конструкции, улучшение весовых и габаритных характеристик, снижение эксплуатационных затрат, повышение экологической безопасности при эксплуатации установки для охлаждения и нагрева воздуха.

Указанный технический результат достигается за счет того, что установка для охлаждения и нагрева воздуха содержит блок термоэлектрических батарей с источником питания блока термоэлектрических батарей и каналами для протока жидкого теплоносителя со стороны горячих и холодных теплопереходов, каждый из которых подключен, соответственно, к замкнутому контуру циркуляции горячего и холодного теплоносителей, причем контур циркуляции холодного теплоносителя включает радиатор-охладитель воздуха и первый циркуляционный насос, а контур циркуляции горячего теплоносителя включает радиатор-отопитель и второй циркуляционный насос, причем вход последнего подключен к выходу канала протока жидкого теплоносителя со стороны горячих теплопереходов блока термоэлектрических батарей, выход второго циркуляционного насоса подключен к входу горячего теплоносителя в радиатор-отопитель, а выход горячего теплоносителя из радиатора-отопителя подключен к входу в канал протока жидкого теплоносителя со стороны горячих теплопереходов блока термоэлектрических батарей, при этом радиатор-отопитель и радиатор-охладитель снабжены вентиляторами для продувки через них, соответственно, нагреваемого и охлаждаемого воздуха, причем вход первого циркуляционного насоса подключен к выходу канала протока жидкого теплоносителя со стороны холодных теплопереходов блока термоэлектрических батарей, выход первого циркуляционного насоса подключен к входу холодного теплоносителя в радиатор-охладитель, а выход холодного теплоносителя из радиатора-охладителя подключен к входу в канал протока жидкого теплоносителя со стороны холодных теплопереходов блока термоэлектрических батарей, блок термоэлектрических батарей установлен в корпусе, внутренний объем которого блок термоэлектрических батарей делит на две равные по объему полости с образованием последними, соответственно, канала для протока горячего и холодного теплоносителя, при этом на холодных и горячих теплопереходах блока термоэлектрических батарей установлены теплообменные радиаторы, коэффициент упаковки которых составляет не менее 1000 м²/м³.

В качестве источника питания блока термоэлектрических батарей может быть использован автомобильный электрогенератор.

Источник питания блока термоэлектрических батарей может быть снабжен стабилизатором тока, включенным в цепь автомобильного электрогенератора.

Как показали проведенные исследования, существенное влияние на работу установки оказывает организация процесса съема тепла с горячего и холодного теплопереходов. Было выявлено, что установка блока термоэлектрических батарей в корпусе, внутренний объем которого блок термоэлектрических батарей делит на две равные по объему полости с образованием последними, соответственно, канала для протока горячего и холодного теплоносителя, с установкой на холодных и горячих теплопереходах блока термоэлектрических батарей теплообменных радиаторов, коэффициент упаковки которых составляет не менее 1000 м²/м³, и организацией двух контуров циркуляции жидкого теплоносителя позволяет эффективно снимать тепло теплопереходов, при этом было выявлено, что коэффициент упаковки теплообменного радиатора, т.е. отношение поверхности теплообмена к полному объему радиатора, должен быть не менее 1000 м²/м³. В качестве такого радиатора может быть использован радиатор с сетчатым или сферическим насадком, коэффициент упаковки которого составляет от 1150 до 6857 м²/м³, либо пластинчато-ребристый радиатор, коэффициент упаковки которого составляет от 600 до 1840 м²/м³ (см. В.М.Кэйс, А.Л.Лондон. Компактные теплообменники. Москва-Ленинград, Госэнергоиздат, 1962).

На чертеже представлена схема установки для охлаждения и нагрева воздуха. Установка содержит:

- автомобильный электрогенератор - 1;

- стабилизатор тока - 2;

- блок термоэлектрических батарей - 3;

теплообменный радиатор 4 со стороны холодных теплопереходов (теплопоглощающих спаев);

- соединительные шланги 5 контура циркуляции холодного теплоносителя;

- первый циркуляционный насос 6 контура циркуляции холодного теплоносителя;

- радиатор-охладитель - 7;

- электрический вентилятор 8 радиатора-охладителя - 7;

теплообменный радиатор 9 со стороны горячих теплопереходов (тепловыделяющих спаев);

- соединительные шланги 10 контура циркуляции горячего теплоносителя;

- второй циркуляционный насос 11 контура циркуляции горячего теплоносителя;

- радиатор-отопитель - 12;

- электрический вентилятор 13 радиатора-отопителя 12;

- блок управления установкой (кондиционером) - 14.

Установка для охлаждения или нагрева воздуха содержит замкнутые контуры циркуляции холодного и горячего теплоносителей, например воды или тосола. Контур циркуляции холодного теплоносителя включает радиатор-охладитель 7 воздуха и циркуляционный насос 6. Вход последнего подключен к выходу канала протока жидкого теплоносителя со стороны холодных теплопереходов блока термоэлектрических батарей 3. Выход циркуляционного насоса 6 подключен к входу холодного теплоносителя в радиатор-охладитель 7, а выход холодного теплоносителя из радиатора-охладителя 7 подключен к входу в канал протока жидкого теплоносителя со стороны холодных теплопереходов блока термоэлектрических батарей 3. Контур циркуляции горячего теплоносителя включает радиатор-отопитель 12 и циркуляционный насос 11, причем вход последнего подключен к выходу канала протока жидкого теплоносителя со стороны горячих теплопереходов блока термоэлектрических батарей 3. Выход циркуляционного насоса 11 подключен к входу горячего теплоносителя в радиатор-отопитель 12, а выход горячего теплоносителя из радиатора-отопителя 12 подключен к входу в канал протока жидкого теплоносителя со стороны горячих теплопереходов блока термоэлектрических батарей 3. Радиатор-отопитель 12 и радиатор-охладитель 7 снабжены вентиляторами, соответственно, 13 и 8 для продувки через них, соответственно, нагреваемого и охлаждаемого воздуха. Блок термоэлектрических батарей 3 установлен в корпусе, внутренний объем которого блок термоэлектрических батарей 3 делит на две равные по объему полости с образованием последними, соответственно, канала для протока горячего и холодного теплоносителя. На холодных и горячих теплопереходах блока термоэлектрических батарей установлены теплообменные радиаторы, соответственно, 4 и 9, коэффициент упаковки которых составляет не менее 1000 м²/м³.

В качестве источника питания блока термоэлектрических батарей может быть использован автомобильный электрогенератор 1.

Источник питания блока термоэлектрических батарей может быть снабжен стабилизатором тока 2, включенным в цепь автомобильного электрогенератора 1, и блоком управления 14.

Работает установка для охлаждения или нагрева воздуха в замкнутом объеме или потоке следующим образом.

При запущенном двигателе автомобильный генератор 1 вырабатывает электрический ток, который регулируется посредством стабилизатора тока 2 и от которого питается блок термоэлектрических батарей 3. В результате эффекта Пельтье при прохождении тока на одной стороне блока термоэлектрических батарей 3 поглощается тепло (холодные спаи), на другой стороне блока термоэлектрических батарей 3 выделяется тепло, равное сумме поглощенного на холодных спаях тепла и потребленной блоком термоэлектрических батарей 3 электрической мощности постоянного тока. Электропитание циркуляционных насосов 6 и 11 и вентиляторов 8 и 13 осуществляется также от автомобильного генератора 1. Стабилизатором тока 2 можно задавать питающий ток блока термоэлектрических батарей 3 и его "полюсовку", обеспечивая режимы: "обогрев", "вентиляция", "умеренное охлаждение", "сильное охлаждение", в зависимости от температуры окружающего воздуха.

Тепловыделяющие (горячие) спаи блока термоэлектрических батарей 3 находятся в тепловом контакте с теплообменным радиатором 9, образуя горячий теплопереход. При этом полость корпуса, в которой установлен радиатор 9, последовательно шлангами 10 соединена с циркуляционным насосом 11 и радиатором-отопителем 12. При циркуляции теплоносителя по замкнутому контуру тепло от тепловыделяющих (горячих) спаев теплоносителем переносится в радиатор-отопитель 12, где за счет потока воздуха, создаваемого вентилятором 13, тепло отводится во внешнюю среду или на обогрев салона автомобиля. Контроль температурных режимов (создание микроклимата) может осуществляться посредством приборов и датчиков, например термометров и расходомеров, а управление потоком воздуха - с помощью заслонок, управляемых блоком управления 14, установкой.

Воздух, забираемый из окружающей среды или из салона транспортного средства при работе установки (кондиционера) в режиме рециркуляции, электрическим вентилятором 8 прогоняется через радиатор-охладитель 7, где он отдает тепло холодному теплоносителю и охлажденный поступает в салон транспортного средства. Отведенный теплоносителем тепловой поток поглощается холодными спаями блока термоэлектрических батарей 3.

Расчеты показывают, что применение автогенератора Г 263 (С.В.Акимов, А.В.Акимов. Автомобильные генераторные установки. Москва, Транспорт, 1995 г., с.39, табл.8) обеспечит функционирование установки холодопроизводительностью в 1500 Вт при температуре окружающего воздуха в 42°С. Расход воздуха, подаваемого в салон транспортного средства с температурой в 28°С, составит 0,1 м³/с. Изменение полярности тока питания блока термоэлектрических батарей 3 позволяет менять местами контуры циркуляции горячего и холодного теплоносителей. Таким образом, применение предлагаемой установки позволяет решить вопрос поддержания комфортного микроклимата в салоне транспортного средства или другом замкнутом объеме в различное время года. Использование теплообменных радиаторов с высоким коэффициентом упаковки позволяет получить приемлемые весовые и габаритные характеристики установки для охлаждения и нагрева воздуха. Переход на твердотельное охлаждение упрощает эксплуатацию установки и обеспечивает ее экологическую безопасность.

1. Установка для охлаждения и нагрева воздуха, содержащая блок термоэлектрических батарей с источником питания блока термоэлектрических батарей и каналами для протока жидкого теплоносителя со стороны горячих и холодных теплопереходов, каждый из которых подключен, соответственно, к замкнутому контуру циркуляции горячего и холодного теплоносителей, причем контур циркуляции холодного теплоносителя включает радиатор-охладитель воздуха и первый циркуляционный насос, а контур циркуляции горячего теплоносителя включает радиатор-отопитель и второй циркуляционный насос, причем вход последнего подключен к выходу канала протока жидкого теплоносителя со стороны горячих теплопереходов блока термоэлектрических батарей, выход второго циркуляционного насоса подключен к входу горячего теплоносителя в радиатор-отопитель, а выход горячего теплоносителя из радиатора-отопителя подключен к входу в канал протока жидкого теплоносителя со стороны горячих теплопереходов блока термоэлектрических батарей, при этом радиатор-отопитель и радиатор-охладитель снабжены вентиляторами для продувки через них, соответственно, нагреваемого и охлаждаемого воздуха, отличающаяся тем, что вход первого циркуляционного насоса подключен к выходу канала протока жидкого теплоносителя со стороны холодных теплопереходов блока термоэлектрических батарей, выход первого циркуляционного насоса подключен к входу холодного теплоносителя в радиатор-охладитель, а выход холодного теплоносителя из радиатора-охладителя подключен к входу в канал протока жидкого теплоносителя со стороны холодных теплопереходов блока термоэлектрических батарей, блок термоэлектрических батарей установлен в корпусе, внутренний объем которого блок термоэлектрических батарей делит на две равные по объему полости с образованием последними соответственно канала для протока горячего и холодного теплоносителей, при этом на холодных и горячих теплопереходах блока термоэлектрических батарей установлены теплообменные радиаторы, коэффициент упаковки которых составляет не менее 1000 м²/м³.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве источника питания блока термоэлектрических батарей используют автомобильный электрогенератор.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что источник питания блока термоэлектрических батарей снабжен стабилизатором тока, включенным в цепь автомобильного электрогенератора.