УНИВЕРСАЛЬНОЕ КЛИМАТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2011 года по МПК B60H1/22 

Изобретение относится к охлаждающе-нагревающим устройствам, работающим с применением вихревых труб, и может быть использовано в кондиционерах, климатических камерах и установках транспортных средств, а также для создания необходимых климатических условий в замкнутых объемах бытовых и производственных помещений.

Известна климатическая установка транспортного средства (RU №2213016 C2, МПК В60Н 1/22, 3/00, опубл. 27.09.2003 г.), принятая за прототип. Климатическая установка содержит источник сжатого воздуха, теплообменник, вихревой энергоразделитель в виде вихревой трубы с вводом, подключенным к выходу теплообменника, систему трубопроводов, три вентиля, нагревательное устройство, камеру смешения кондиционера, глушитель шума, холодильную камеру, аккумуляционную плиту, блок очистки воздуха и два эжектора. Выход горячего потока вихревого энергоразделителя через первый вентиль подключен к нагревательному устройству, имеющему сброс отработанного воздуха в атмосферу. Выход холодного потока вихревого энергоразделителя через второй вентиль соединен с эжектором кондиционера, установленным в камере смешения, и через глушитель шума с салоном. Выход холодного потока вихревого энергоразделителя через третий вентиль соединен с аккумуляционной плитой холодильной камеры, выход из аккумуляционной плиты подключен к входу теплообменника. Блок очистки воздуха включен между источником сжатого воздуха и теплообменником, а основной эжектор соединен с источником сжатого воздуха и выходом теплообменника и сообщен с замкнутым объемом (кабиной транспортного средства).

Недостатком прототипа является недостаточная эффективность и ограниченные функциональные возможности.

Предлагаемым изобретением решается задача сокращения энергозатрат, расширения функциональных возможностей устройства.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в создании эффективного универсального устройства для обеспечения заданных климатических параметров в замкнутом объеме.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом универсальном климатическом устройстве, состоящем из источника сжатого воздуха, теплообменника типа воздух-воздух, вихревого энергоразделителя в виде вихревой трубы с выходами холодного и горячего воздуха, системы трубопроводов, вентилей, нагревательного устройства, камеры смешения кондиционера, глушителя шума, аккумуляционной плиты, блока очистки воздуха, эжекторов, новым является то, что на входе вихревой трубы установлен ускоритель потока, выполненный в виде патрубка с внутренней поверхностью, способствующей ускорению потока воздуха, на выходе горячего потока вихревой трубы установлена система дополнительного разогрева воздуха, состоящая из патрубка, внутренняя поверхность которого выполнена в форме сопла, переходящего в прямой трубопровод, который заканчивается обратным коническим насадком, которая соединена с коллектором, имеющим три выхода, подключенные соответственно через вентили к нагревательному устройству, имеющему канал сброса отработанного горячего воздуха в атмосферу, к теплообменнику, размещенному в плоской открытой емкости, заполненной водой, и далее к каналу сброса горячего воздуха в атмосферу, к вентилю, соединенному напрямую с каналом сброса горячего воздуха в атмосферу, выход из аккумуляционной плиты подключен через вентили к входу теплообменника типа воздух-воздух и к дополнительному каналу сброса холодного воздуха в атмосферу, все каналы сброса воздуха в атмосферу оснащены глушителями шума.

Камера смешения кондиционера оснащена вентилятором.

В варианте исполнения устройство может быть оснащено программируемым термостатом с дистанционными датчиками температуры и влажности воздуха, с функциями управления процессами нагрева и охлаждения, с регулирующими клапанами, с возможностью осуществления программирования и получения заданных климатических параметров внутри замкнутого объема.

Установка на входе вихревой трубы ускорителя потока, выполненного в виде патрубка с внутренней поверхностью, способствующей ускорению потока воздуха (суживающиеся сопла, сопла Лаваля и т.п.), позволяет придать потоку воздуха значительное ускорение перед поступлением в вихревую трубу, что способствует повышению эффективности разделения потока на горячий и холодный.

Установка на выходе горячего потока вихревой трубы системы дополнительного разогрева воздуха, состоящей из патрубка, внутренняя поверхность которого выполнена в форме сопла, переходящего в прямой трубопровод, который заканчивается обратным коническим насадком, обусловлена необходимостью решения задачи дополнительного поднятия температуры горячего потока воздуха за счет имеющегося у него запаса кинетической энергии. Воздух под давлением, попадая в сопло, перемещается через него с повышением скорости, понижением давления и выделением тепловой энергии. Нагрев продолжается при движении воздуха в прямом трубопроводе с постепенным повышением давления. Резкое повышение давления происходит в обратном коническом насадке, и оно сопровождается интенсивным процессом нагрева воздуха, который далее используется для повышения температуры в нагревательном устройстве.

Соединение системы дополнительного разогрева воздуха с коллектором позволяет затормозить, с выделением тепловой энергии, единый поток горячего воздуха и направить его по трем направлениям в различных комбинациях за счет открытия/закрытия соответствующих вентилей. Первый поток перемещается через вентиль к нагревательному устройству, второй поток перемещается через вентиль к теплообменнику, размещенному в плоской открытой емкости, заполненной водой, причем оба потока соединены с каналом сброса горячего воздуха в атмосферу, третий поток перемещается через вентиль напрямую к каналу сброса горячего воздуха в атмосферу.

Движение горячего потока воздуха при открытом соответствующем вентиле через нагревательное устройство позволяет обеспечить повышение температуры в замкнутом объеме, в котором используется устройство (климатическая камера, салон транспортного средства, помещения различного назначения и т.п.). Далее отработанный горячий воздух, минуя глушитель шума, поступает в атмосферу.

Для обеспечения необходимых параметров влажности воздуха поток горячего воздуха при открытом соответствующем вентиле поступает в теплообменник, размещенный в плоской открытой емкости, заполненной водой, и далее в канал сброса горячего воздуха в атмосферу. При прохождении горячего воздуха через теплообменник происходят подогрев воды в плоской открытой емкости и ее испарение, что позволяет получить необходимую влажность в замкнутом объеме (климатической камере, производственном помещении с пониженной влажностью воздуха).

При отсутствии необходимости повышения температуры в замкнутом объеме поток горячего воздуха поступает через соответствующий вентиль напрямую в канал сброса горячего воздуха в атмосферу.

Размещение нагревательного устройства и плоской емкости с теплообменником в замкнутом объеме производится, исходя из его конфигурации и других конструктивных особенностей.

Для быстрого распределения в замкнутом объеме образовавшейся в камере смешения кондиционера воздушной среды с определенными температурными параметрами камера может быть оснащена вентилятором, мощность которого зависит от мощности источника сжатого воздуха и вихревой трубы, размеров замкнутого объема.

В зависимости от необходимости обеспечения тех или иных режимов работы устройства выход из аккумуляционной плиты подключен через вентиля к входу теплообменника типа воздух-воздух или к дополнительному каналу сброса холодного воздуха в атмосферу. При отсутствии необходимости охлаждения поступающего из основного эжектора потока отработанным в аккумуляционной плите холодным воздухом он сбрасывается в атмосферу.

С целью снижения аэродинамического шума, сопровождающего сброс отработанного воздуха в атмосферу, все каналы сброса оснащены глушителями шума. В качестве звукопоглощающего материала используется искусственное волокно, уложенное между стенками кожуха глушителя.

В варианте исполнения устройство может быть оснащено программируемым термостатом с дистанционными датчиками температуры и влажности воздуха, с функциями управления процессами нагрева и охлаждения, с регулирующими клапанами, с возможностью осуществления программирования и получения заданных климатических параметров внутри замкнутого объема. Весь комплекс регистрирующих, регулирующих и управляющих средств может функционировать, исходя из данных, заложенных в персональном компьютере.

Технические решения с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, не известны и явным образом из уровня техники не следуют. Это позволяет считать, что заявляемое решение является новым и обладает изобретательским уровнем.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана общая схема универсального климатического устройства; на фиг.2 - общая схема универсального климатического устройства в варианте исполнения с возможностью программирования климатических параметров.

Универсальное климатическое устройство состоит из последовательно соединенных между собой основного эжектора 1, источника сжатого воздуха 2 (компрессора или нагнетателя), блока очистки воздуха 3, двухполостного теплообменника типа воздух-воздух 4, ускорителя потока 5 воздуха, вихревой трубы 6 с выходом 7 горячего потока, последовательно с которым установлена система дополнительного разогрева воздуха 8, состоящая из патрубка, внутренняя поверхность которого выполнена в форме сопла 9, переходящего в прямой трубопровод 10, который заканчивается обратным коническим насадком 11, а также с выходами 12 и 13 холодного потока воздуха. Трубопроводы выходов вихревой трубы 6 перекрыты вентилями 14-16. Насадок 11 системы дополнительного разогрева 8 через вентиль 14 подключен к коллектору 17. Коллектор 17 одним своим выходом через вентиль 18 подключен к нагревательному устройству 19, имеющему сброс отработанного воздуха 20 через глушитель 21 в атмосферу, следующим своим выходом коллектор 17 через вентиль 22 соединен с теплообменником 23, размещенным в плоской открытой емкости 24, заполненной водой, и далее с каналом сброса горячего воздуха в атмосферу 20, третьим своим выходом коллектор 17 через вентиль 25 напрямую подключен к каналу сброса горячего воздуха в атмосферу 20. Выход 12 холодного потока вихревой трубы 6 через вентиль 15 соединен с эжектором 26 кондиционера. Эжектор 26 установлен в камере смешения кондиционера 27 и дополнительно осуществляет подсос 28 в камеру 27 из верхней части рабочего замкнутого объема 29, который может иметь различную конфигурацию (на чертежах не показан). Камера смешения кондиционера 27 оснащена глушителем шума 21 и при необходимости вентилятором 30. Выход 13 холодного потока вихревой трубы 6 через вентиль 16 соединен с аккумуляционной плитой 31. Выход из аккумуляционной плиты 31 через вентиль 32 соединен с выходом теплообменника 4 или через вентиль 33 - с каналом сброса в атмосферу 20 и глушителем шума 21. Другой выход теплообменника 4 подключен к основному эжектору 1, который забирает воздух из атмосферы и направляет его в источник сжатого воздуха 2. Основной эжектор 1 сообщен с замкнутым объемом 29 и осуществляет отбор 34 воздуха из нижней части замкнутого объема, обеспечивая циркуляцию отработанного воздуха. Кроме того, часть воздуха из теплообменника 4 отбирается в основной эжектор 1, что создает разрежение в полости теплообменника 4, с которым соединена аккумуляционная плита 31. Нагревательное устройство 19, емкость 24 с теплообменником 23, аккумуляционная плита 31 размещены внутри замкнутого объема 29, который в зависимости от назначения может быть выполнен различным по форме и состоять из одного или более отсеков. Слив жидкости из емкости 24 осуществляется через вентиль 35, а уровень жидкости поддерживается за счет устройства поддержания уровня 36. Вентили 14-16, 18, 22, 25, 32, 33 выведены на панель управления (на чертежах не показана).

В варианте исполнения устройство может быть оснащено программируемым термостатом 37 с датчиком температуры воздуха 38, оснащенным дополнительными входами, при помощи которых происходит управление клапанами позиционного регулирования 39-46, установленных вместо вентилей 14-16, 18, 22, 25, 32, 33. К одному из дополнительных входов подключен датчик влажности воздуха 47, имеющий унифицированный выходной сигнал. Работа программируемого термостата 37 организована совместно с персональным компьютером 48.

Универсальное климатическое устройство работает следующим образом. Источник сжатого воздуха 2, например компрессор, забирает атмосферный воздух через основной эжектор 1, сжимает его и подает через блок очистки 3 в одну из полостей теплообменника 4, где он охлаждается при открытом вентиле 32 и закрытом вентиле 33 отработанным в аккумуляционной плите 31 холодным воздухом, поступающим в другую полость теплообменника 4. Приобретая скорость и температуру, воздух поступает на вход ускорителя потока 5, где приобретает дополнительную скоростную составляющую, и далее поступает на вход вихревой трубы 6, где он закручивается. В вихревой трубе 6 закрученный воздух разделяется на горячий 7 и холодный 12, 13 потоки.

При отсутствии необходимости повышения температуры и влажности воздуха в замкнутом объеме 29 горячий поток 7, дополнительно подогретый в системе дополнительного разогрева воздуха 8, через коллектор 17 и открытый вентиль 25 напрямую попадает в канал сброса 20 отработанного воздуха с глушителем шума 21. Для осуществления нагрева воздуха в замкнутом объеме 29 открывается вентиль 18, горячий поток 7 поступает в нагревательное устройство 19. При необходимости повышения влажности в замкнутом объеме 29 открывается вентиль 22, горячий поток поступает в теплообменник 23, размещенный в плоской открытой емкости 24, заполненной водой, которая, прогревшись, начинает испаряться. Нагрев воздуха в системе дополнительного разогрева 8 осуществляется при движении внутри патрубка, внутренняя поверхность которого выполнена в виде сопла 9, переходящего в прямой трубопровод 10, который заканчивается коническим насадком 11, за счет процессов изменения давления и скорости потока воздуха, сопровождающихся его нагревом.

При работе универсальной климатической установки в режиме кондиционирования холодильная камера отключена, вентиль 16 перекрыт. Холодный поток 12 из вихревой трубы 6 при включении вентиля 15 подается на эжектор 26 кондиционера, установленный в камере смешения кондиционера 27. Эжектор обеспечивает подсос 28 из верхней части замкнутого объема 29 в камеру 27, в которой происходит выравнивание давления и температуры перемешиваемых потоков, затем через глушитель шума 21 и вентилятор 30 воздух попадает в кондиционируемую зону замкнутого объема 29.

При работе универсальной климатической установки в режиме холодильника включен вентиль 16, при этом вентиль 15 перекрыт. Горячий поток 7 при открытых вентилях 14, 25 и закрытых вентилях 18, 22 через канал сброса 20 поступает в атмосферу. Холодный поток 13 из вихревой трубы 6 поступает в аккумуляционную плиту 31, расположенную в замкнутом объеме 29.

Для отбора отработанного холодного воздуха предназначен основной эжектор 1, который создает разрежение в теплообменнике 4, одна из полостей которого соединена с выходом аккумуляционной плиты 31 через открытый вентиль 32. Для уменьшения эффекта холодообразования вентиль 32 закрывается, открывается вентиль 33, отработанный холодный воздух сбрасывается через канал сброса 20 и глушитель 21 в атмосферу.

Основной эжектор 1 производит отбор 34 воздуха из нижней части замкнутого объема 29. В смесительной камере основного эжектора 1 потоки из замкнутого объема 29 и теплообменника 4 перемешиваются и поступают на вход источника сжатого воздуха 2, за счет чего обеспечивается частичная рециркуляция воздуха.

Регулирование температурных режимов осуществляется за счет изменения соотношения холодного и горячего потоков при помощи вентилей 14-16.

В варианте исполнения универсального климатического устройства с возможностью программирования климатических параметров регулирование расхода воздуха осуществляется при помощи клапанов позиционного регулирования 39-46, которые управляются при помощи программируемого термостата 37, соединенного с датчиком температуры воздуха 38 и датчиком влажности воздуха 47. Все данные по линиям связи передаются на персональный компьютер 48, где они сохраняются в архиве и могут быть обработаны любыми штатными средствами компьютера (например, MS Office), и выведены на принтер.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к универсальному климатическому устройству, состоящему из источника сжатого воздуха, теплообменника типа воздух-воздух, вихревого энергоразделителя в виде вихревой трубы с выходами холодного и горячего воздуха, системы трубопроводов, вентилей, нагревательного устройства, камеры смешения кондиционера, глушителя шума, холодильной камеры, аккумуляционной плиты, блока очистки воздуха и эжекторов. На входе вихревой трубы установлен ускоритель потока, а на выходе горячего потока вихревой трубы установлена система дополнительного разогрева воздуха, соединенная с коллектором, имеющим три выхода: к теплообменнику, к вентилю и к дополнительному каналу сброса холодного воздуха в атмосферу. Все каналы сброса воздуха в атмосферу оснащены глушителями шума. Достигается повышение эффективности поддержания микроклимата в замкнутом объеме. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Универсальное климатическое устройство, состоящее из источника сжатого воздуха, теплообменника типа воздух-воздух, вихревого энергоразделителя в виде вихревой трубы с выходами холодного и горячего воздуха, системы трубопроводов, вентилей, нагревательного устройства, камеры смешения кондиционера, глушителя шума, холодильной камеры, аккумуляционной плиты, блока очистки воздуха, эжекторов, отличающееся тем, что на входе вихревой трубы установлен ускоритель потока, выполненный в виде патрубка с внутренней поверхностью, способствующей ускорению потока воздуха, на выходе горячего потока вихревой трубы установлена система дополнительного разогрева воздуха, состоящая из патрубка, внутренняя поверхность которого выполнена в форме сопла, переходящего в прямой трубопровод, который заканчивается обратным коническим насадком, соединенным с коллектором, имеющим три выхода, подключенных соответственно через вентили к нагревательному устройству, имеющему канал сброса отработанного горячего воздуха в атмосферу, к теплообменнику, размещенному в плоской открытой емкости, заполненной водой, и далее к каналу сброса горячего воздуха в атмосферу, к вентилю, соединенному напрямую с каналом сброса горячего воздуха в атмосферу, выход из аккумуляционной плиты подключен через вентили к входу теплообменника типа воздух-воздух и к дополнительному каналу сброса холодного воздуха в атмосферу, при этом все каналы сброса воздуха в атмосферу оснащены глушителями шума.

2. Универсальное климатическое устройство по п.1, отличающееся тем, что камера смешения кондиционера оснащена вентилятором.

3. Универсальное климатическое устройство по п.1, отличающееся тем, что устройство оснащено программируемым термостатом с дистанционными датчиками температуры и влажности воздуха для управления процессами нагрева и охлаждения, с регулирующими клапанами для возможности осуществления программирования и получения заданных климатических параметров внутри замкнутого объема.