Изобарный вихревой кондиционер
Кондиционер предназначен для охлаждения и отопления зданий, очистки воздуха, в приточной и вытяжной вентиляции. Кондиционер содержит корпус, патрубок подвода и патрубки отвода газа, первую камеру объемного вихря со входом, размещенным в центре первого торца корпуса и соединенным с патрубком подвода газа. На входе первой камеры размещены последовательно вентилятор и диафрагма, а на выходе первой камеры объемного вихря на большем радиусе установлен спиральный отвод, соединенный с первым патрубком отвода газа, и диафрагма с центральным отверстием, внутри которого размещены наклонные лопатки. Диафрагма образует со вторым торцом корпуса вторую камеру адиабатного сжатия, на большем радиусе которой установлен спиральный отвод, соединенный со вторым патрубком отвода газа. Технический результат - расширение функциональных возможностей. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к области холодильной техники, а более конкретно к энерготрансформаторам, и может быть использовано как кондиционер для охлаждения и отопления зданий, очистки воздуха, в приточной и вытяжной вентиляции, нагрева воды для ГВС.
Известна вихревая труба ("Теплотехнический справочник", том 1, 1975, с.429).
Недостатком этого устройства является очень низкий КПД, поскольку энергия газа с давлением 4-6 кг/см2, подводимая к вихревой трубе, рассеивается в основном за счет дросселирования и выработка тепла и холода минимальная.
Эффект вихревой трубы открыт в 1933 г. и назван эффектом Ранка-Хильта. Этот эффект подтверждает молекулярно-кинетическую теорию газа, а именно, что давление и температура газа есть функция среднекинетической энергии данного объема газа. По закону Максвелла-Больцмана разделение газа по скоростям и энергии происходит в потенциальном силовом поле. В вихревой трубе при тангенциальной подаче сжатого газа происходит винтовое вихревое движение газа, при этом распределение скоростей по сечению, перпендикулярному оси трубы, таково, что максимальная скорость газа будет возле стенки трубы, а минимальная скорость - возле оси трубы, в результате происходит разделение газа по скоростям и энергии. Поэтому температура торможения газа, выходящего возле стенки трубы, будет больше первоначальной, а температура торможения газа, выходящего по центру трубы, меньше первоначальной.
Существует понятие вихревое движение и чистый вихрь. Вихрь по закону Стокса для жидкости должен соответствовать WF=const (произведение угловой скорости на площадь расхода есть величина постоянная.) В вихревой трубе сжатый газ в тангенциальном сопле срабатывает всю свою энергию и распределяется по скоростям по сечению трубы. Газ может двигаться только в сторону большего радиуса, уменьшая свою скорость, но этому препятствует стенка трубы. В вихревой трубе полноценного вихря нет, а есть вихревое движение газа.
Известна также вихревая труба, используемая для вихревых кондиционеров, имеющая нагнетатель воздуха, теплообменник охлаждения сжатого воздуха (см. RU 2207472 С2, кл. F 25 В 9/04, опубл. 27.06.2003).
Недостатком ее является то, что в вихревую трубу встроен инжектор, создающий в комплексе с тангенциальным подводом воздуха три вихревых движения воздуха внутри вихревой трубы, поэтому при массе всасываемого в вихревую трубу охлаждаемого воздуха, равной массе сжатого воздуха, поступающего в вихревую трубу, на основании закона о сохранении количества движения можно сделать вывод, что скорости движения воздуха в вихревой трубе уменьшаются в два раза, энергия уменьшается в четыре раза, а энтропия системы увеличится. Возрастание массы охлажденного воздуха в два раза не компенсирует потери, следовательно, ее КПД минимум в два раза ниже, чем КПД обычной вихревой адиабатной трубы.
В термодинамике известно, что работа процесса не зависит от промежуточных процессов, а зависит от начальных и конечных параметров. Подвод горячего воздуха к нагнетателю приводит к увеличению затрат энергии на сжатие газа. Исключение из схемы известного кондиционера вихревой трубы увеличит КПД на порядок, но все равно КПД будет ниже воздушной холодильной машины XIX века с детандером. Техническое применение вихревой трубы экономически не целесообразно. Первая ступень энерготрансформатора отличается от адиабатной трубы своей противоположностью как конструктивно, так и противоположным процессом. Общее в них это использование закона Максвелла-Больцмана для разделения молекул газа по скоростям в потенциальном силовом поле.
Целью изобретения является создание надежного с минимальным количеством движущих частей разделительного энерготрансформатора, а именно изобарного вихревого кондиционера.
Стоимость тепловой энергии, выработанной в режиме работы теплового насоса, должна конкурировать со стоимостью тепловой энергии, выработанной от теплофикационных отборов турбины, а в режиме работы холодильной машины стоимость выработки "холода" должна приближаться к стоимости прокачки теплоносителя. В вихревом инжекторе (суммирующем энерготрансформаторе) на входе инжектирующего и инжектируемого газа возникают вихри как вредное явление. Для ликвидации входных вихрей устанавливаются патрубки относительно малого диаметра и сужающие сопла по направлению движения среды, для уменьшения окружной скорости газа на входе в сопла. Разделительный энерготрасформатор отличается от суммирующегося тем, что его функция обратная, заключающаяся в том, что необходимо разделить один поток газа на два потока с разной энергией. Для этого на входе инжектирующего газа в вихревую камеру инжектора устанавливается вторая вихревая камера, которая будет именоваться в дальнейшем первой по ходу газа, а второй вход для инжектируемого газа исключается.
Принимая во внимание относительную сложность выделения и разделения существенных признаков при решении поставленной задачи и точности их изложения, формула изобретения составлена без разделения на отличительную и ограничительную части.
Для решения поставленной задачи энерготрансформатор - изобарный вихревой кондиционер - содержит корпус, патрубок подвода и патрубки отвода газа, первую камеру объемного вихря, на входе, размещенном в центре первого торца корпуса и соединенном с патрубком подвода газа, которой размещены последовательно вентилятор и диафрагма, а на выходе первой камеры объемного вихря на большем радиусе установлен спиральный отвод, соединенный с первым патрубком отвода газа, и диафрагма с центральным отверстием, внутри которого размещены наклонные лопатки, образующая со вторым торцом корпуса вторую камеру адиабатного сжатия, на большем радиусе которой установлен спиральный отвод, соединенный со вторым патрубком отвода газа.
Возможен вариант выполнения устройства, в котором он содержит регулятор проходного сечения патрубков отвода газа.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязанными между собой причинно-следственной связью с образованием совокупности существенных признаков, достаточных для достижения технического результата.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 изображен вид устройства со стороны выхода горячего и холодного газа;
на фиг.2 - разрез по В-В на фиг.1, при выполнении устройства без вентилятора;
на фиг.3 - разрез по В-В на фиг.1, при выполнении устройства с вентилятором;
на фиг.4 - разложение скоростей на входе в устройство;
на фиг.5 - разрез Г-Г фиг.3 с распределением молекул газа по скоростям в силовом потенциальном поле.
Изобарный вихревой кондиционер (фиг.1, 3) имеет конусный корпус 1, вентилятор 2, первую диафрагму 3, первый торец 4 корпуса 1, входное отверстие 5, первый спиральный отвод 6 для выхода холодного воздуха, вторую диафрагму 7 с центральным отверстием, второй спиральный отвод 8 для выхода горячего воздуха, вихревые лопатки 9, второй торец 10 корпуса 1, крепежные болты 11, регулятор 12 проходного сечения. Кондиционер имеет первую камеру А объемного вихря, в которой создается объемный вихрь, и вторую камеру Б адиабатного сжатия, в которой создается плоский вихрь.
Первая камера А объемного вихря имеет один тангенциальный вход газа по большему радиусу между первой диафрагмой 3 и стенками корпуса 1 и два выхода, при этом один выход по большему радиусу в первый спиральный отвод 6, а второй центральный через центральное отверстие во второй диафрагме 7 с выходом потока газа по меньшему радиусу во вторую камеру Б адиабатного сжатия. Вход в первую камеру А объемного вихря перекрывает первая диафрагма 3 (фиг.2), которая может быть выполнена с направляющими лопатками для направления потока газа или с вентилятором 2 (фиг.3). Первая диафрагма 3 посажена на цилиндр, проходящий по оси устройства через центральное отверстие и закрепленный во второй торцевой крышке 10 корпуса 1 со стороны второй камеры Б адиабатного сжатия. Газ от компрессора или от другого источника подается в первую камеру А объемного вихря, где он, проходя через направляющие лопатки первой диафрагмы 3, получает вращательное движение, создающее в объеме первой камеры А вихрь, в котором за счет массоэнергообмена происходит разделение потока газа на два с разной энергией. Первый поток, охлажденный в процессе массоэнергообмена, с относительно небольшой скоростью и давлением, равным поступившему в первую камеру А газу, покидает ее по большему радиусу через первый спиральный отвод 6. Второй поток газа, опускаясь по спирали к меньшему радиусу, ускоряется, при этом энергию на ускорение забирает у первой части газа. Далее поток с большой кинетической энергией входит во вторую камеру Б адиабатного сжатия, где в результате адиабатного торможения температура газа и его давление повышается и выходит из устройства с температурой выше первоначальной и давлением меньше первоначального.
Применяя в устройстве в качестве рабочего газа воздух с параметрами окружающей среды, а в качестве компрессора - встроенный в корпус вентилятор 2 (фиг.3), получим вихревой кондиционер. Для газа вихрь - это естественное трехмерное движение и в атмосфере вихрь - это обратимый процесс (если вихрь не выполняет работу). Увеличение энтропии в нагретой части газа компенсируется ее уменьшением в охлажденной части газа, а момент количества движения всегда сохраняется. Параметр - давление, в начале и конце вихря одинаков, поэтому процесс изобарный. Для отличия от кондиционеров на основе вихревых труб данный кондиционер будет изобарным вихревым кондиционером.
Работает кондиционер следующим образом.
Работа компрессора (вентилятора) заключается в преодолении термодинамического и аэродинамического сопротивления "горячей" части потока воздуха.
Таблица принятых обозначений:
W - скорость газа на входе в устройство;
Wo - осевая скорость газа;
Wт - тангенциальная скорость газа;
Q - количество поступившего в устройство газа;
Qx - количество холодного газа (воздуха);
Qг - количество горячего газа (воздуха);
μ-Qx/Q - доля холодного газа (воздуха);
(1-μ)Q - доля горячего газа (воздуха);
Wx - скорость холодного газа (воздуха) на выходе;
Wг - скорость горячего газа (воздуха) на выходе;
Wк - скорость потока газа (воздуха) на входе во вторую камеру Б адиабатного сжатия;
Ро - давление на входе в устройство;
Рк - давление по оси устройства;
β=Рк/Ро - коэффициент разрежения в устройстве в режиме его работы в качестве кондиционера;
То - температура на входе в кондиционер воздуха (в градусах Кельвина);
Тх - температура холодного воздуха на выходе из кондиционера;
Тг - температура горячего воздуха на выходе из кондиционера;
Тп - температура потока воздуха на входе во вторую камеру Б адиабатного сжатия кондиционера;
R - радиус входа воздуха в кондиционер;
r - радиус входа воздуха во вторую камеру Б адиабатного сжатия кондиционера;
Rx - радиус выхода холодного воздуха из кондиционера;
Rг - радиус выхода горячего воздуха из кондиционера.
Вентилятор 2 забирает воздух из помещения или из атмосферы и подает его в первую камеру А. Воздух, проходя первую диафрагму 3 с направляющими лопатками (при встроенном вентиляторе лопатки можно не ставить), со скоростью W входит в первую камеру А объемного вихря. Скорость W (см. фиг.4) раскладывается на Wo и Wт, при этом Wo создает давление в камере, a Wт - момент количества движения - mWтR, который определяет режим работы кондиционера. Наиболее экономичный режим кондиционера это когда μ=Qx/Qo=0,5, поэтому площади выходных сечений холодного и горячего газа рассчитываются на обеспечение μ=0,5 в рабочем режиме. Отклонение μ в любую сторону приводит к перерасходу энергии. Корректировка μ производится регулятором 12. Вихрь - природное явление и известно, что процесс массоэнергообмена, происходящий внутри вихря, изотермический. Объем воздуха, поступивший в первую камеру А объемного вихря с параметрами Ро, температурой То, равной температуре окружающей среды, и моментом количества движения - mWтR, конструктивно разделяется на две части, при этом первый поток выходит через первый спиральный отвод 6 на корпусе 1, а второй поток проходит через центральное отверстие второй диафрагмы 7, лопатки 9, вторую камеру Б адиабатного сжатия и выходит в атмосферу через второй спиральный отвод 8. Поток воздуха, выходящий через центральное отверстие диафрагмы 7, двигаясь в сторону меньшего радиуса, ускоряется за счет сохранения момента количества движения (см. фиг.5) до скорости Wк, одновременно с появлением момента вращения возникает центробежная сила, которая, компенсируясь, создает разрежение по оси кондиционера, которое лавинообразно увеличивает скорость потока.
Одновременно с появлением момента вращения в первой камере А объемного вихря возникает момент вращения и во второй камере Б адиабатного сжатия. При этом кинетическая энергия потока преобразуется в потенциальную энергию с давлением Рг и температурой Тг выходящего через второй спиральный отвод 8 воздуха. Лавинообразный процесс увеличения скорости Wк остановится при наступлении равенства моментов количества движений, создаваемых вентилятором 2 и выходящим из кондиционера воздухом:
mWтR=μmWxRx+(1-μ)mWгRг.
Изменение Wт приводит к изменению коэффициента разрежения β=Рк/Ро, что приводит к изменению температуры выходящего из кондиционера холодного и горячего воздуха.
В первой камере А объемного вихря молекулы газа могут разделиться на два потока только при обмене энергией (распределение молекул газа в потенциальном силовом поле - закон Максвелла-Больцмана). Две молекулы (см. фиг.5) с одинаковой энергией зависли на орбите с радиусом R, при этом одна молекула не имеет энергии, чтобы увеличить скорость и выйти через центральное отверстие второй диафрагмы 7, а вторая молекула - излишек энергии, чтобы выйти через первый спиральный отвод 6. При столкновении данные молекулы обмениваются энергией и расходятся в разные стороны.
В термодинамике данные процессы описываются так: при μ=0,5
а) температура холодного газа определяется температурой адиабатного расширения и равна Тх-β0,285·То;
б) температура горячего газа определяется так Тг=То+(То-Тх);
в) процесс передачи энергии описывается изотермическим сжатием первой части газа при Tx=const, а вторая часть газа изотермически расширяется при To=const;
г) на малом радиусе при входе в "воронку" процесс изотермического движения срывается и переходит в политропный, при этом температура воздуха второго потока понижается, скорость увеличивается. В процессе политропного расширения выравнивается количество теплоты и энтропии, полученное вторым потоком, численно равно количеству теплоты и энтропии, уменьшенному в первом потоке воздуха. Первый и второй закон термодинамики не нарушается.
Холодный воздух, выходящий со спирального отвода 6, имеет давление Ро, которое выше атмосферного и может преодолевать аэродинамическое сопротивление разводки холодного воздуха. Давление горячего воздуха будет меньше Ро, т.к. сумма работы изотермического и политропного расширения меньше работы адиабатного сжатия газа во второй камере Б адиабатного сжатия на величину ΔА. Поэтому вентилятор 2 рассчитывается на создание давления, способного выполнить работу ΔА и преодолеть аэродинамическое сопротивление разводки горячего воздуха при работе кондиционера в режиме теплового насоса.
Основное преимущество вихревого кондиционера заключается в том, что в нем используется потенциальная энергия окружающей среды (атмосфера с давлением 1 кг/см2), поэтому сжимать газ в компрессоре не надо. Изменением числа оборотов двигателя вентилятора можно регулировать температуру холодного или горячего воздуха.
Надежность кондиционера определяется только надежностью двигателя вентилятора.
1. Изобарный вихревой кондиционер, содержащий корпус, патрубок подвода и патрубки отвода газа, первую камеру объемного вихря, на входе которой, размещенном в центре первого торца корпуса и соединенном с патрубком подвода газа, размещены последовательно вентилятор и диафрагма, а на выходе первой камеры объемного вихря на большем радиусе установлен спиральный отвод, соединенный с первым патрубком отвода газа, и диафрагма с центральным отверстием, внутри которого размещены наклонные лопатки, образующая со вторым торцом корпуса вторую камеру адиабатного сжатия, на большем радиусе которой установлен спиральный отвод, соединенный со вторым патрубком отвода газа.
2. Изобарный вихревой кондиционер по п.1, отличающийся тем, что он содержит регулятор проходного сечения патрубков отвода газа.
