СИСТЕМА КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА ПАССАЖИРСКОГО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ВАГОНА Российский патент 2001 года по МПК B61D27/00 

Изобретение относится к термоэлектрическим кондиционирующим устройствам, применяемым, например, на железнодорожном транспорте.

Известны пассажирские вагоны, оборудованные установками для кондиционирования воздуха, что осуществляется комплексом систем вентиляции, отопления и охлаждения при автоматическом поддержании заданного режима. Наиболее распространенной системой охлаждения воздуха в пассажирских вагонах является автоматическая регулируемая компрессионная холодильная установка, состоящая из испарителя, поршневого компрессора, конденсатора, ресивера, терморегулирующего вентиля, которые последовательно соединены трубопроводом, заполненным хладагентом типа жидкого хладона-12 или каким-либо другим фреоном (cм. "Системы вентиляции и установки кондиционирования воздуха", книга "Вагоны", под ред. Л.Д. Кузьмича, М.: Машиностроение, 1978, 44, с.277-284).

Недостатком таких систем с кондиционерами является их большие массо-габаритные параметры, сложность и низкая эксплуатационная надежность компрессионной установки; частый выход из строя ее узлов из-за постоянных вибрационных нагрузок, действующих при движении вагонов, что приводит их к выходу из строя и не позволяет получать потребные кондиции воздуха по желанию пассажиров. Кроме того, в связи с принятием Венской Конвенции об охране озонового слоя и Монреальского Протокола (МП) по веществам, разрушающим озоновый слой, и Обязательств Российской Федерации о полном прекращении с января 1966 года производства и применения озоноразрушающих веществ (фреонов в холодильной технике), контролируемых МП и Лондонскими поправками к нему (1990 г.), объективно встал вопрос о переходе на другие системы работы кондиционеров, в частности, на основе термоэлектрических батарей, имеющих такие преимущества, как большой ресурс и надежность в работе из-за отсутствия движущихся частей в термобатареях, возможность работы как в режиме охлаждения воздуха, так и в режиме его нагрева, простота в управлении и обслуживании.

Известна установка для кондиционирования воздуха в железнодорожных пассажирских вагонах /SU, A, 1084469/ с использованием генератора холода для кондиционирования воздуха на основе термоэлектрических батарей. Для повышения эффективности охлаждения воздуха и снижения расхода электроэнергии холодные спаи в такой термобатарее снабжены вертикальным оребрением с каналами для прохода наружного и рециркуляционного воздуха, а горячие спаи снабжены вертикальным оребрением, образуя теплообменник испарительного охлаждения. Установка снабжена водораспылителем и вентилятором для обдувания поверхностей теплообменника.

Известны другие устройства для кондиционирования воздуха в транспортных средствах, содержащие теплообменники (водяной, испарительный, воздушный), радиационно-конвективные панели разных видов, форм и назначений, связанные с термоэлектрическими батареями, включающие источник постоянного тока - термоэлектрические генераторы тепла и холода, замкнутые контуры циркулирующего теплоносителя в виде фильтро-вентиляционных и теплоотводящих жидкостных систем, системы диагностики и контроля, ряд других вспомогательных систем, например вентилей, насосов и других.

Термоэлектрические кондиционеры, осуществляющую полную обработку воздуха, в зарубежных странах практически не используются. Зато разработано множество конструкций отопительно-охладительных агрегатов, а также отдельных устройств для осушения воздуха /US, A, 4499736, 4506103/. Интересно использование термоэлектрических тепловых насосов, устанавливаемых на стенке или потолке для обогрева или создания микроклимата в комнатах, в которых нет движущихся частей, и теплообмен осуществляется путем естественной конвекции /пат. США N 4492086/.

Используются экструдированные теплообменники сложной конфигурации /US, A, 4472945/; игольчатые или пластинчатые теплообменники, изготовленные из одной цельной заготовки /US, A, 4297849/; развитые теплообменники из пористого материала, в которых имеются каналы для транспортировки сконденсировавшейся жидкости, и изотермичность системы достигается при использовании испарения и конденсации вещества, заполняющего теплообменники. Такие системы можно использовать для естественно-конвективного теплообмена /US, A, 4448028/. В патенте /US, A, 4350016/ описывается устройство и способ охлаждения при помощи термоэлектрического элемента, работающего от постоянного тока, в котором тепло, перенесенное на горячую сторону, рассеивается на внешнем теплообменнике, охлаждаемом водой, а также взаимодействием с внешней средой.

Вышеперечисленные устройства и установки для кондиционирования воздуха имеют ряд существенных недостатков, главные из которых: низкая энергетическая эффективность и эксплуатационная надежность, большие холодопотери, приводящие к повышенным затратам на кондиционирование воздуха и тем самым приводящие к увеличению габаритов кондиционера, что снижает холодопроизводительность генератора холода, отсутствие равномерности температурного поля и возникновение на радиационной поверхности переохлажденных или перегретых участков, например, из-за осаждения и засорения вентиляторной пылью поверхностей теплообменников, ухудшающих работу термобатарей, снижая их холодильный коэффициент, выход из строя термобатарей из-за перегрева их горячих спаев в условиях жаркого климата или на производстве с повышенными температурными режимами, вынужденное отключение термобатарей от источника электроэнергии, что приводит к повышенным тепловым потерям между холодными и горячими спаями и ряд других.

Наиболее близким аналогом является установка для кондиционирования кабины транспортного средства /US, A, 688351, 1572839/, где содержатся термоэлектрические батареи, подключенные к источнику постоянного тока, фильтро-вентиляционная и теплоотводящая жидкостная система, соединенные с радиационно-конвективными панелями, направленными радиационными поверхностями в зону нахождения водителя транспортного средства; с противоположной стороны панели имеют тепловой контакт с термоэлектрическими батареями, причем эти панели выполнены с внутренними воздушными каналами, к ним присоединены коллекторы, снабженные выпускными кранами. Вторая установка для кондиционирования воздуха, содержащая радиационную и конвективную системы теплообмена, связанные с термоэлектрическим блочно-модульным генератором холода, теплообменник горячих спаев термобатарей, воздуховоды, снабжена кондуктивными теплообменниками, термоэлектрическими генераторами тепла и холода, причем генератор холода выполнен из радиационной и конвективной частей. Термобатареи радиационной части выполнены с водяным съемом тепла с горячих спаев термобатарей, а модули конвективной - с воздушным и связаны с кондуктивными теплообменниками. Установки могут работать в режимах аэрации, радиационного, лучистого, радиационно-конвективного охлаждения (нагрева), а также кондуктивного теплообмена с возможностью использования (в конкретном случае) охлажденного ниже течки росы воздуха для частичного отводы тепла от горячих спаев термобатарей, что позволяет повысить эффективность кондиционирования воздуха и обеспечить комфортные условия при более значительных теплопоступлениях в кабину за счет применения комплексного воздействия на среду рабочей зоны кабины.

Вышеуказанная система кондиционирования воздуха, взятая нами в качестве прототипа, имеет также некоторые из вышеупомянутых недостатков аналогов, главный из которых - недостаточная холодопроизводительность и мощность системы, низкая эффективность системы кондиционирования, что ограничивает ее применение для использования в качестве кондиционера для транспортного средства в широком диапазоне климатических зон.

Предложенное изобретение направлено на устранение перечисленных выше недостатков, а именно на получение высокой энергетической и гигиенической эффективности, а также надежности термоэлектрических генераторов холода или тепла на базе термоэлектрических батарей Пельтье, собранных в виде пакетов при минимальных массогабаритных параметрах устройства. Как известно, термоэлектрический эффект зависит от температуры и может быть выражен как Q = Q_o(1-ΔT/ΔT_max), где Q - холодопроизводительность батареи Пельтье на рабочем режиме при перепаде температуры ΔT на "холодной" и "горячей" стороне (перепад температуры охлаждаемого воздуха); Q₀ - начальная (максимальная) холодопроизводительность; ΔT_max - максимально достижимая разница температур на "горячей" и "холодной" стороне батареи Пельтье. Из рассмотрения этого соотношения следует, что для генератора холода на батарее Пельтье при уменьшении ΔT увеличивается холодопроизводительность генератора холода. Расчеты и экспериментальные данные показывают, что для достижения высоких холодильных коэффициентов (ε > 1, где ε = Q/W и W - потребляемая электрическая мощность, необходимо максимально увеличить воздухообмен с теплообменниками для снижения перепада температуры ΔT. Это достигается в предлагаемом решении, благодаря введению двухконтурной схемы кондиционируемого воздуха. При этом можно достичь холодильных коэффициентов ε > 1, что сравнимо с компрессионными холодильными машинами.

Сущность решения поставленной задачи, согласно изобретению, заключается в том, что система кондиционирования воздуха пассажирского железнодорожного вагона, содержащая вентилятор подачи кондиционируемого воздуха, воздуховод-распределитель воздухорассеивающие панели подачи воздуха в служебном помещении и всех купе, термоэлектрический генератор холода или тепла, соединенный с напорным и сливным трубопроводами системы жидкостного теплоотвода и насосом с трубопроводами циркуляции теплоносителя, включает в себя, по меньшей мере, второй термоэлектрический генератор холода или тепла, причем оба генератора автономно работающие, один из которых через жидкостный насос прокачки теплоносителя подключен к теплообменникам, расположенным на всасывающих и нагнетающем воздушных каналах центрального электровентилятора и установлен над тамбуром для обеспечения первой ступени централизованного охлаждения или нагрева воздуха, поступающего в вагон и купе; второй термоэлектрический генератор холода или тепла расположен под вагоном для обеспечения второй ступени охлаждения или нагрева воздуха в вагоне и соединен через жидкостный насос с доводчиками купе, состоящими из теплообменников и вентиляторов, смонтированных в служебном помещении и пассажирских купе, причем теплообменники доводчиков соединены в параллельную или последовательную гидравлическую систему прокачки теплоносителя, при этом вентиляторы доводчиков обеспечивают циркуляцию охлаждаемого воздуха в купе вагона.

Кроме того, система кондиционирования включает в себя: канал рециркуляции воздуха из коридора вагона с установленным в нем теплообменником косвенного испарительного охлаждения, по меньшей мере две форсунки, расположенные перед теплообменником, распыляющие воду в канале рециркуляции, бак с водой и насос, соединенный трубопроводом с ванной, а также канал для поступления вспомогательного воздуха, соединенный с каналом подачи центрального вентилятора.

Существенными отличиями предложенной системы кондиционирования воздуха пассажирского железнодорожного вагона является наличие следующих принципиально новых конструктивных элементов, блоков и систем и их размещение в вагоне:
- доводчики в каждом купе, состоящие из теплообменника и вентилятора доводчика, обеспечивающие, соответственно, дополнительное охлаждение и рециркуляцию воздуха;
- ряд теплообменников, расположенных на всасывающих и нагнетающем воздушных каналах центрального электровентилятора, обеспечивающих дополнительное охлаждение воздуха, подаваемого в вагон и купе;
- дополнительная возможность независимого включения одного из двух термоэлектрических генераторов холода или тепла, расположенного над тамбуром и обеспечивающего поступление воздуха в купе, или расположенного под вагоном и обеспечивающего охлаждение доводчиков купе;
- дополнительная возможность регулирования параметров влажности воздуха и повышения общей холодопроизводительности генераторов охлаждения за счет применения форсунок косвенного испарительного охлаждения и прямого испарительного увлажнения, установленного в контуре рециркуляции центрального (первого) канала.

При изменении полярности жидкостные термоэлектрические генераторы холода превращаются в термоэлектрические генераторы тепла.

Все основные признаки предложенной системы кондиционирования воздуха вагона в их совокупности отсутствуют в устройствах-аналогах и прототипе, взаимосвязаны друг с другом и с признаками констатирующей части. Их связь носит устойчивый характер.

Предложенная система кондиционирования воздуха пассажирского железнодорожного вагона показана на прилагаемом чертеже. На чертеже показана принципиальная схема системы кондиционирования воздуха, включающая в себя: фильтро-вентиляционный блок, состоящий из наружных воздухоприемников 1 с теплообменниками 2, центральный вентилятор 3, обдувающий теплообменник 4, воздуховод-распределитель 5, а также термоэлектрические генераторы 6, 7 холода и тепла, теплообменники 8, 9 съема тепла с вентилятоpами 10, 11, жидкостные теплообменники 12 с вентиляторами 13 доводчиков купе, напорного 14 (с "холодной" водой) и сливного 15 (с "нагретой" водой) трубопроводов, жидкостных насосов 16-19, блока испарительного охлаждения, включающего теплообменник 20, "сухой" и "мокрый" тракты 21, 22 подачи воздуха соответственно с форсункой(ми) 23 прямого испарительного увлажнения и форсункой(ми) 24 косвенного испарительного охлаждения, соединительный канал 25 вспомогательного воздуха, насос 26 и ванну 27 с водой.

Работа системы кондиционирования для охлаждения или нагрева воздуха состоит в следующем. При включении термоэлектрических генераторов 6, 7 холода или тепла в режиме "охлаждение", теплоносители, циркулирующие в системе кондиционирования, при помощи насосов 16 (Н1) и 17 (Н2), начинают охлаждаться и приобретают более низкую температуру по сравнению с окружающей температурой. Процесс понижения температуры продолжается до тех пор, пока не наступит баланс между отводом тепла термоэлектрическими генераторами 6, 7 холода и подводом тепла от теплообменников 2, 4 центрального воздуховода-распределителя 5 подачи воздуха в купе по первому контуру и теплообменников купе 12 по второму контуру. При этом воздух, проходящий через воздушно-жидкостные радиаторы 2, 4, охлаждается и поступает в купе по воздуховоду-распределителю 5, а воздух купе, проходящий через теплообменник 12 доводчиков, охлаждается в режиме рециркуляции. При работе генераторов 6, 7 холода, представляющих собой тепловые насосы, происходит выделение теплоты на теплосъемной стороне генераторов за счет "перекачиваемого" тепла с их холодной стороны и потребления электрической энергии, требуемой для осуществления работы термобатарей элементов Пельтье. Отвод тепла от генераторов холода осуществляется теплоносителем, циркулирующим с помощью насосов 18 (Н3), 19 (Н4) через теплообменники 8, 9, охлаждаемые в свою очередь внешним воздухом от вентиляторов 10, 11. Блок испарительного охлаждения в системе кондиционирования воздуха работает следующим образом. Форсунка(и) 23 увлажняет поверхность "сухого" тракта 21 прямого испарительного увлажнения теплообменника 20, а форсунка(и) 24 увлажняет поверхность "мокрого" тракта 22 косвенного испарительного охлаждения теплообменника 20. Вода в форсунки 23, 24 подается насосом 26 (Н5), при этом избыточная вода стекает в поддон ванны 27. Вспомогательный воздух по каналу 25 проходит "мокрый" тракт и охлаждает стенки теплообменника 20. Рецеркулируемый воздух, проходя через тракт 21, охлаждается и подается через воздуховод-распределитель 5 в служебные помещения и купе вагона, и оттуда в коридор, из которого всасывается вновь в центральный вентилятор 3 через теплообменник 20 косвенного испарительного охлаждения.

В предлагаемой системе кондиционирования воздуха пассажирского железнодорожного вагона создана возможность регулирования холодопроизводительности, т.е. комфортных условий, путем переключения режимов вентиляции доводчиков купе (переключения скорости воздухообмена). Кроме того, повышается общая надежность системы кондиционирования, т.к. при выходе из строя одного из генераторов холода или тепла, продолжает работать другой генератор, и система кондиционирования работает в половинном режиме. Наличие форсунок прямого испарительного увлажнения и косвенного испарительного охлаждения обеспечивает возможность повышения комфортных условий в зонах с сухим жарким климатом, создавая дополнительное охлаждение воздуха в пассажирском вагоне.

Изобретение относится к транспорту, в частности железнодорожному, и к системам отопления и кондиционирования. Система кондиционирования воздуха пассажирского железнодорожного вагона содержит вентилятор 3 подачи кондиционируемого воздуха, воздуховод-распределитель 5, воздухорассеивающие панели подачи воздуха в служебном помещении и всех купе, термоэлектрические генераторы 6, 7 холода или тепла, работающие автономно. Один из генераторов соединен с напорным и сливным трубопроводами системы жидкостного теплоотвода, насосом с трубопроводами циркуляции теплоносителя и через насос прокачки теплоносителя подключен к теплообменникам, расположенным на всасывающих и нагнетающем воздушных каналах центрального электровентилятора, и установлен над тамбуром для обеспечения первой ступени централизованного охлаждения или нагрева воздуха, поступающего в вагон и купе. Второй генератор установлен под вагоном для обеспечения второй ступени охлаждения или нагрева воздуха в вагоне и соединен через насос с доводчиками купе, состоящими из теплообменников и вентиляторов, смонтированных в служебном помещении и пассажирских купе. Теплообменники доводчиков соединены в параллельную или последовательную гидравлическую систему прокачки теплоносителя. Вентиляторы доводчиков обеспечивают циркуляцию охлаждаемого воздуха в купе вагона. Изобретение повышает энергетические параметры. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Система кондиционирования воздуха пассажирского железнодорожного вагона, содержащая вентилятор подачи кондиционируемого воздуха, воздуховод-распределитель, воздухорассеивающие панели подачи воздуха в служебном помещении и всех купе, термоэлектрический генератор холода или тепла, соединенный с напорным и сливным трубопроводами системы жидкостного теплоотвода и насосом с трубопроводами циркуляции теплоносителя, отличающаяся тем, что она включает в себя по меньшей мере второй термоэлектрический генератор холода или тепла, причем оба генератора автономно работающие, один из которых через насос прокачки теплоносителя подключен к теплообменникам, расположенным на всасывающих и нагнетающем воздушных каналах центрального электровентилятора, и установлен над тамбуром для обеспечения первой ступени централизованного охлаждения или нагрева воздуха, поступающего в вагон и купе, а второй установлен под вагоном для обеспечения второй ступени охлаждения или нагрева воздуха в вагоне и соединен через насос с доводчиками купе, состоящими из теплообменников и вентиляторов, смонтированных в служебном помещении и пассажирских купе, причем теплообменники доводчиков соединены в параллельную или последовательную гидравлическую систему прокачки теплоносителя, при этом вентиляторы доводчиков обеспечивают циркуляцию охлаждаемого воздуха в купе вагона. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что в канале рециркуляции воздуха из коридора вагона и вспомогательном канале подачи воздуха от центрального вентилятора установлены теплообменник испарительного охлаждения, по меньшей мере, две форсунки в каждом канале перед теплообменником для прямого испарительного увлажнения и косвенного испарительного охлаждения, бак с водой и насос, соединенный трубопроводом с ванной, обеспечивающие дополнительное охлаждение и увлажнение воздуха в вагоне.