СИСТЕМА И СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ ПРОСТРАНСТВА В ТРАНСПОРТНОМ СРЕДСТВЕ Российский патент 2013 года по МПК B64D13/06 B60H3/02 

Область применения изобретения

Настоящее изобретение имеет отношение к созданию системы и способа для охлаждения пространства, а также к транспортному средству по меньшей мере с одним пространством, которое охлаждено при помощи системы в соответствии с настоящим изобретением и/или при помощи способа в соответствии с настоящим изобретением.

Предпосылки к созданию изобретения

Существует ряд различных способов и устройств для охлаждения пространств. Особенно широко применяют системы охлаждения абсорбционного типа и системы охлаждения компрессионного типа. Например, системы охлаждения абсорбционного типа, которые содержат испарительный контур для хладагента, являются преобладающими для автомобильных и железнодорожных транспортных средств. В отличие от этого в современных пассажирских воздушных судах преимущественно используют пневматические системы кондиционирования воздуха с системами охлаждения компрессионного типа, работающими с использованием стравливаемого воздуха, получаемого от реактивных двигателей. В достаточной степени кондиционированный воздух, который годится для воздушного кондиционирования пассажирского салона, может быть получен при помощи сжатия, расширения, промежуточного охлаждения и разделения воды. На современном пассажирском воздушном судне компоненты пневматической системы кондиционирования воздуха в некоторой степени также приводят в действие за счет электроэнергии.

Трудозатраты и потребность в энергии, связанные с работой традиционных систем кондиционирования воздуха в транспортных средствах, являются значительными. Что касается пассажирского воздушного судна, то кпд двигателей также снижается, когда используют пневматические системы кондиционирования воздуха, которые работают с использованием стравливаемого воздуха.

Краткое изложение изобретения

Традиционные системы кондиционирования воздуха, предназначенные для охлаждения пространств в транспортных средствах, обладают недостатками, связанными с высоким потреблением энергии. При использовании, в частности, на пассажирских воздушных судах это приводит к дополнительному потреблению горючего и к увеличению взлетной массы, что снижает рентабельность. Задачей настоящего изобретения является создание надежных системы и способа охлаждения воздуха в пространстве транспортного средства при возможно более низком потреблении энергии, при этом система должна иметь малую сложность, а также малый вес.

Система в соответствии с п.1 формулы изобретения позволяет решить эту задачу, так как она обеспечивает охлаждение на базе испарительного процесса, в котором одновременно используют отходящую теплоту и выделенный водяной пар топливного элемента. За счет этого может быть сведена к минимуму необходимая для охлаждения дополнительная энергия.

Так как топливные элементы все шире используют в современных транспортных средствах, в частности на пассажирских воздушных судах, то система в соответствии с настоящим изобретением позволяет реализовать симбиотическую связь между уже установленными топливными элементами и системами охлаждения, при этом дополнительное использование отходящей теплоты и влажности приводит к экономии топлива.

Система в соответствии с первым вариантом настоящего изобретения преимущественно содержит сорбционное колесо, теплообменник, по меньшей мере один увлажнитель и топливный элемент.

Сорбционное колесо, которое известно также как "ротационный осушитель", представляет собой устройство для осушения воздушного потока за счет использования сорбента, который содержит гигроскопические материалы, такие как силикагель, цеолиты или хлорид лития, осажденные во множестве тонких воздуховодов. Если сорбционное колесо воздействует на первый воздушный поток в первом секторе, так что этот воздушный поток может протекать через сорбционное колесо, то при этом водяной пар будет связан сорбентом во время этого процесса и вытекающий из сорбционного колеса воздушный поток будет иметь пониженную влажность.

Осушенный (сухой) воздух дополнительно нагревается во время этого процесса, причем основной причиной этого является выделение конденсационной теплоты молекул водяного пара, освобождение энергии связи молекул воды и всегда слегка нагретая несущая масса сорбционного колеса ("захваченная теплота").

Так как осушение воздуха может происходить только до насыщения сорбента, то необходимо регулярно производить сушку сорбционного колеса. Для удаления связанной влажности нагретый воздух регенерации, который сушит сорбент, вводят в сорбционное колесо, во второй его сектор. Воздух регенерации охлаждается во время этого процесса и преимущественно выпускается в окружающую среду транспортного средств.

Увлажнитель представляет собой устройство, которое кондиционирует потоки воздуха, протекающие через него, так что воздух увлажняется. Конструкция увлажнителя не имеет значения для системы в соответствии с настоящим изобретением, однако преимущественно могут быть использованы форсуночные увлажнители. Они представляют собой камерные конструкции, через которые может протекать воздух, который абсорбирует водяной пар за счет форсуночного увлажнения. Увлажнители этого типа являются по существу адиабатическими, так что температура увлажненного вытекающего воздуха будет ниже, чем температура втекающего воздуха, за счет постоянной энтальпии.

Индивидуальные компоненты системы в соответствии с настоящим изобретением взаимодействуют так, как это описано ниже. Первоначально первый сектор сорбционного колеса воздействует на окружающий воздух, который протекает через сорбционное колесо и осушается во время этого процесса. Выходящий окружающий воздух - который далее называют как технологический воздух - имеет более высокую температуру, чем окружающий воздух. Технологический воздух затем поступает в расположенный ниже по течению теплообменник, который понижает температуру технологического воздуха. Охлажденный технологический воздух затем протекает через первый увлажнитель и увлажняется. Температура технологического воздуха за счет этого еще раз понижается и преимущественно достигает значения ниже, чем температура воздуха в охлаждаемом пространстве.

Таким образом, увлажненный и охлажденный воздух поступает в охлаждаемое пространство и по меньшей мере в некоторых областях перемешивается с воздухом, который уже присутствует в этом пространстве. За счет этого процесса вытекающий поток избыточного воздуха пространства с более высокой температурой, чем температура технологического воздуха, использованного для охлаждения, возникает в другом месте пространства. Этот избыточный воздух пространства пропускают через теплообменник, в котором он поглощает часть теплоты осушенного технологического воздуха, который ранее вытекал из сорбционного колеса, и выпускают из системы в соответствии с настоящим изобретением в виде отработавшего воздуха.

Поток нагретого воздуха, который используют для регенерации сорбционного колеса, может быть получен в виде отработавшего воздуха топливного элемента, который уже установлен в транспортном средстве и служит, например, для замены генератора. Топливные элементы с относительно низкой температурой около 60-80°С хорошо подходят для использования в транспортных средствах и одновременно создают идеальную температуру отработавшего воздуха для осуществления процесса регенерации. Таким образом, отработавший воздух топливного элемента вводят во второй сектор сорбционного колеса, где он поглощает влажность, и выпускают из сорбционного колеса в окружающую среду транспортного средства. За счет ввода теплоты в сорбционное колесо его несущий материал нагревается, как уже было упомянуто здесь выше.

Другое преимущество системы в соответствии с настоящим изобретением может быть обеспечено за счет того, что многие конструкции топливных элементов при их работе производят воду в виде отходов, а эта вода может быть использована для втекающего потока увлажнителей. Это является весьма выгодным, особенно в системе в соответствии с настоящим изобретением, так как в идеальном случае в транспортном средстве нет другого отдельного источника воды.

Для дополнительного повышения характеристик системы в соответствии с настоящим изобретением можно использовать второй увлажнитель, через который протекает вытекающий воздух из охлаждаемого пространства и в котором этот воздух увлажняется и охлаждается. Это позволяет обеспечивать улучшенный теплообмен в теплообменнике, за счет чего может быть достигнута еще более высокая производительность охлаждения.

В другом предпочтительном варианте осуществления системы в соответствии с настоящим изобретением отработавший воздух может быть факультативно перемешан с отработавшим воздухом топливного элемента, чтобы облегчить оптимальную температуру регенерации для сорбционного колеса.

Другие предпочтительные варианты осуществления системы в соответствии с настоящим изобретением раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.

Вышеупомянутые задачи настоящего изобретения также решены при помощи способа охлаждения пространства в транспортном средстве и использования топливного элемента для работы испарительной системы охлаждения. Эти задачи также решены при помощи транспортного средства, содержащего по меньшей мере одну систему в соответствии с настоящим изобретением.

Указанные ранее и другие характеристики, преимущества и возможные применения настоящего изобретения будут более ясны из последующего детального описания примерных вариантов осуществления изобретения, приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых аналогичные детали имеют одинаковые позиционные обозначения. В этом контексте следует иметь в виду, что все описанные и/или показанные на чертежах характеристики образуют предмет настоящего изобретения индивидуально и в произвольных комбинациях, а именно вне зависимости от их состава в индивидуальных пунктах формулы изобретения или от ссылки на них в других пунктах формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

На фиг.1а схематично показана система в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.1b показана модификация системы в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.2 схематично показана система в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.3 показан пример воздушного судна с системой в соответствии с настоящим изобретением.

Подробное описание примерных вариантов осуществления изобретения

На фиг.1а схематично показана система 2 в соответствии с настоящим изобретением, содержащая сорбционное колесо 4, топливный элемент 6, теплообменник 8, первый увлажнитель 10 и второй увлажнитель 12. Также показано пространство 14, охлаждаемое при помощи системы 2 в соответствии с настоящим изобретением.

Сорбционное колесо 4 воздействует на окружающий воздух 16, который протекает через пластинчатую конструкцию сорбционного колеса, которая охлаждается подходящим сорбентом. Вытекающий технологический воздух 18 соответствующим образом осушается и имеет более высокую температуру, чем окружающий воздух 16, втекающий в сорбционное колесо 4. Технологический воздух 18 направляют в теплообменник 8, в котором он охлаждается и затем втекает в первый увлажнитель 10 в виде охлажденного технологического воздуха 20.

Первый увлажнитель 10 снабжается водой 22 из топливного элемента и увлажняет охлажденный технологический воздух 22, например, при помощи распылительного устройства. Этот процесс является почти адиабатическим, так что температура охлажденного воздуха 24, вытекающего из первого увлажнителя 10, ниже температуры охлажденного технологического воздуха 22. Охлажденный воздух затем поступает в охлаждаемое пространство 14, в котором он перемешивается с более теплым воздухом и вызывает охлаждение воздуха.

Так как пространство 14 имеет ограниченный объем, то отработавший воздух 26 пространства вытекает из пространства 14 и поступает, например, во второй увлажнитель 12, в котором температура отработавшего воздуха 26 пространства понижается, но его влажность повышается. Увлажненный отработавший воздух 28 пространства направляют в теплообменник, где он может поглощать по меньшей мере часть теплоты технологического воздуха 18, чтобы дополнительно понизить его температуру, после чего воздух из теплообменника 8 выпускают в окружающую среду в виде отработавшего воздуха 30.

Слева на чертеже показано, что отработавший воздух 32 топливного элемента вытекает из топливного элемента 6 в сорбционное колесо 4 для регенерации, так что удаляется связанная с сорбентом влажность. Непрерывное вращение сорбционного колеса 4 позволяет производить непрерывное осушение окружающего воздуха 16, так как окружающий воздух 16 всегда протекает поверх достаточно сухого и поэтому хорошо абсорбирующего сорбента. Кроме того, использованный воздух 34 регенерации вытекает из сорбционного колеса 4.

Для того чтобы получить оптимальную температуру регенерации для сорбционного колеса 4, отработавший воздух 30 из теплообменника 8 может быть факультативно перемешан с отработавшим воздухом 32 топливного элемента и может образовать дополнительный воздух 35, причем перемешивание производят при помощи клапана 33, показанного в виде блока на фиг.1b. Это может быть предпочтительным в тех случаях, когда отработавший воздух 32 топливного элемента имеет чересчур высокую или чересчур низкую температуру, а отработавший воздух 30 из теплообменника 8 имеет температуру, которая подходит для получения оптимальной температуры регенерации перемешанного воздуха регенерации, втекающего в сорбционное колесо 4.

Способ в соответствии с настоящим изобретением будет описан более подробно со ссылкой на фиг.2. После введения 36 окружающего воздуха 16 этот окружающий воздух осушают 38 в сорбционном колесе 4, охлаждают 40 при помощи теплообменника 8, вновь увлажняют 42 в первом увлажнителе 10 и направляют 44 в пространство 4. Отработавший воздух 26 пространства увлажняют 46 во втором увлажнителе 12 и нагревают 48 при помощи теплообменника 8. Затем воздух выпускают 50 в окружающую среду в виде отработавшего воздуха 30. Отработавший воздух 32 топливного элемента используют параллельно для регенерации 52 сорбционного колеса 4, причем накопленную воду 22 направляют в первый увлажнитель 10 и во второй увлажнитель 12.

На фиг.3 показано примерное воздушное судно 56, которое оборудовано по меньшей мере одной системой 2 в соответствии с настоящим изобретением.

Следует иметь в виду, что термин "сорбционное колесо" является общим для всех средств, которые с использованием сорбента производят сушку воздуха и могут быть использованы в непрерывном процессе. В настоящее время сорбционные колеса обеспечивают оптимальное техническое решение, но они могут быть заменены другими техническими решениями в ближайшие годы. Таким образом, настоящее изобретение не ограничено использованием сорбционных колес, а может быть также реализовано с использованием других устройств для сушки воздуха.

Позиционные обозначения

2 Система в соответствии с настоящим изобретением

4 Сорбционное колесо

6 Топливный элемент

8 Теплообменник

10 Первый увлажнитель

12 Второй увлажнитель

14 Пространство

16 Окружающий воздух

18 Технологический воздух

20 Охлаждение технологического воздуха

22 Вода

24 Охлаждающий воздух

26 Отработавший воздух пространства

28 Увлажненный отработавший воздух пространства

30 Отработавший воздух

32 Отработавший воздух топливного элемента

33 Клапан

34 Использованный воздух регенерации

35 Дополнительный воздух

36 Введение окружающего воздуха

38 Сушка окружающего воздуха

40 Охлаждение технологического воздуха

42 Увлажнение охлажденного технологического воздуха

44 Введение в пространство

46 Увлажнение отработавшего воздуха пространства

48 Охлаждение увлажненного отработавшего воздуха пространства

50 Выпуск в окружающую среду

52 Регенерация сорбционного колеса

54 Перемещение воды в увлажнители

56 Воздушное судно

Система для охлаждения пространства в транспортном средстве содержит сорбционное колесо (4), по меньшей мере один теплообменник (8), по меньшей мере первый увлажнитель (10) и по меньшей мере один топливный элемент (6). Сорбционное колесо (4) приспособлено для сушки окружающего воздуха (16) и для перемещения сухого технологического воздуха (18) в расположенный ниже по течению теплообменник (8). Теплообменник (8) приспособлен для охлаждения технологического воздуха (18) и соединен с первым увлажнителем (10) для увлажнения охлажденного технологического воздуха (20). Топливный элемент (6) соединен с сорбционным колесом (4) и с первым увлажнителем (32) и приспособлен для выработки отработавшего воздуха (32) для регенерации сорбционного колеса (4) и воды (22), вводимой в первый увлажнитель (10). Способ заключается в охлаждении путем испарения с топливным элементом в качестве источника тепла и воды. Достигается надежность системы охлаждения воздуха в пространстве транспортного средства и снижение потребления энергии. 4 н. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Система для охлаждения пространства в транспортном средстве, которая содержит:
сорбционное колесо (4),
по меньшей мере один теплообменник (8),
по меньшей мере первый увлажнитель (10) и
по меньшей мере один топливный элемент (6), причем сорбционное колесо (4) приспособлено для сушки окружающего воздуха (16) и для перемещения сухого технологического воздуха (18) в расположенный ниже по течению теплообменник (8), при этом теплообменник (8) приспособлен для охлаждения технологического воздуха (18), причем теплообменник (8) соединен с первым увлажнителем (10) для увлажнения охлажденного технологического воздуха (20), причем топливный элемент (6) соединен с сорбционным колесом (4) и с первым увлажнителем (32) и приспособлен для выработки отработавшего воздуха (32) для регенерации сорбционного колеса (4) и воды (22), вводимой в первый увлажнитель (10).

2. Система по п.1, содержащая по меньшей мере второй увлажнитель (12), который соединен с пространством (14), чтобы получать и увлажнять отработавший воздух (26) пространства, и с топливным элементом (6), чтобы получать воду (22) от него.

3. Система по п.1 или 2, в которой теплообменник (8) приспособлен для переноса теплоты технологического воздуха (18) из сорбционного колеса (4) в отработавший воздух (26, 28) пространства.

4. Система по п.1, в которой топливный элемент (6) представляет собой низкотемпературный топливный элемент.

5. Система по п.1, которая дополнительно содержит клапан (33) для перемешивания отработавшего воздуха (30) из теплообменника (8) и отработавшего воздуха (32) топливного элемента для регенерации сорбционного колеса (4).

6. Способ охлаждения пространства в транспортном средстве, который включает в себя следующие операции:
введение (36) окружающего воздуха (16) в сорбционное колесо (4) и его последующую сушку (30) при помощи сорбционного колеса,
охлаждение (40) при помощи теплообменника (8),
увлажнение (42) при помощи первого увлажнителя (12) водой (22) из топливного элемента (6),
введение в охлаждаемое пространство (4),
нагревание отработавшего воздуха (28) пространства при помощи теплообменника (8) и выпуск (50) в окружающую среду,
регенерация (52) сорбционного колеса (4) при помощи отработавшего воздуха (32) топливного элемента (6) и перемещение (54) воды (22) в первый увлажнитель (10).

7. Способ по п.6, который дополнительно включает в себя следующие операции:
перемещение (54) воды (22) во второй увлажнитель (12) и увлажнение отработавшего воздуха (28) пространства при помощи второго увлажнителя (12).

8. Применение испарительной системы охлаждения с топливным элементом (6) в качестве источника тепла для регенерации сорбционного колеса (4) и в качестве источника воды для снабжения но меньшей мере первого увлажнителя (10) водой для увлажнения воздуха.

9. Транспортное средство, содержащее по меньшей мере одну систему по одному из пп.1-5.

10. Транспортное средство по п.9, представляющее собой воздушное судно.