КОНДИЦИОНЕР НА ПАРАХ ВОДЫ Российский патент 2005 года по МПК F24F5/00 B60H1/00 

Описание патента на изобретение RU2266480C2

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*/T01/2.

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]

Тk=[рк0](γ-1)/γТ0,

где рк и Тк - соответственно давление и температура в расширительной камере. Полученные значения Тк приведены в таблице 1.

Таблица 1Т0, °Сp0, Па 103G, кг/с 10-6Q, Дж/сТk, °Cq, Дж/с∑, Дж/с202,381,824,4-1855,29,6253,152,385,7-1896,712,4304,233,187,6-1929,016,6355,604,1910,1-19711,922,0407,355,4313,0-20015,428,4459,847,2417,4-20420,537,95012,38,9521,5-20625,446,9

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 Тл=-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.

Похожие патенты RU2266480C2

название год авторы номер документа
УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ ПЛЕНОК В ВАКУУМЕ 1991
  • Белов Владимир Григорьевич
  • Иванов Владимир Анатольевич
  • Иванов Валерий Анатольевич
  • Нагоев Теморлан Хусейнович
RU2051200C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МЕЛКОДИСПЕРСНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ 2001
  • Белов В.Г.
  • Иванов В.А.
  • Коробков В.А.
RU2208500C2
СПОСОБ БОРЬБЫ С ПОЖАРАМИ 1994
  • Портола В.А.
RU2092203C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА, АРМИРОВАННОГО НИТЕВИДНЫМИ СТРУКТУРАМИ, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 1992
  • Иванов Владимир Анатольевич
RU2049151C1
СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭКСТРУДЕРОМ 2009
  • Шевцов Александр Анатольевич
  • Лыткина Лариса Игоревна
  • Чайкин Илья Борисович
RU2424903C2
СПОСОБ РАБОТЫ (ВАРИАНТЫ) И УСТРОЙСТВО КОМБИНИРОВАННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ДВУХФАЗНЫМ РАБОЧИМ ТЕЛОМ НА БАЗЕ ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (ВАРИАНТЫ) 2009
  • Акчурин Харас Исхакович
  • Миронычев Михаил Андреевич
  • Зорин Аркадий Данилович
  • Каратаев Евгений Николаевич
RU2472023C2
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ 1996
  • Белов Владимир Григорьевич
  • Иванов Владимир Анатольевич
  • Иванов Валерий Анатольевич
  • Козловский Владимир Сергеевич
RU2116868C1
КОНДЕНСАЦИОННЫЙ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГАЗОВЫХ ГИДРАТОВ 2014
  • Коверда Владимир Петрович
  • Файзуллин Марс Закиевич
RU2568731C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ МАССОВОГО ПОЛУЧЕНИЯ ПРЕСНОЙ ВОДЫ ПУТЕМ КОНДЕНСАЦИИ ВОДЯНЫХ ПАРОВ ИЗ ВОЗДУХА 1998
  • Цивинский С.В.
RU2143033C1
СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЕЙ ПОЛУЧЕНИЯ БИОДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА В СВЕРХКРИТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ 2021
  • Шевцов Александр Анатольевич
  • Сердюкова Наталья Алексеевна
  • Сафин Альберт Мирсалимович
  • Леденёва Ирина Владимировна
  • Орешин Константин Вячеславович
RU2767690C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 266 480 C2

Реферат патента 2005 года 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.

Формула изобретения RU 2 266 480 C2

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.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2005 года RU2266480C2

ХОЛОДИЛЬНАЯ УСТАНОВКА 0
SU279653A1
Способ ускорения действия вакуум-холодильных устройств 1924
  • Гартунг Ф.Ф.
SU2740A1
Система кондиционирования воздуха 1989
  • Бреславец Владимир Дмитриевич
  • Зайцев Юрий Васильевич
  • Сазонов Виктор Владимирович
  • Яковенко Александр Андреевич
SU1672140A1
RU 2003933 C1, 30.11.1993
СИСТЕМА КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ КАБИН ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ 2003
  • Сухолитко В.А.
RU2247035C1
0
SU221306A1
US 5507150 А, 16.04.1996.

RU 2 266 480 C2

Авторы

Белов В.Г.

Иванов В.А.

Мусаев Х.Ц.

Даты

2005-12-20Публикация

2003-09-25Подача