Установка для охлаждения и обогрева воздуха

Полезная модель относится к термоэлектрическим кондиционирующим и холодильно-морозильным устройствам, применяемым, например, на пассажирском и другом транспорте. Полезная модель позволяет упростить конструкцию установки и ее монтаж, уменьшить тепловой инерционность, обеспечить индивидуальное регулирование температуры, упростить и повысить удобство обслуживания и при необходимости ремонта, уменьшить потребность в обслуживании и ремонте, уменьшить потребность оборудования в площади, на улучшить увязку элементов оборудования с устройством салона автомобиля, усилить виброизоляцию и звукоизоляцию оборудования и повысить пожарную безопасность. Установка для охлаждения и нагрева воздуха в кабине транспортного средства содержит фильтровентиляционную систему, воздухораспределитель транспортного средства, термоэлектрический воздушный генератор холода и тепла, выполненный в виде теплообменника с теплоизолирующим корпусом, размещенных в теплоизолированном корпусе теплообменника воздушных радиаторов обрабатываемого воздуха, теплоотводящих радиаторов, разделительных термоизолирующих прокладок, вентилятора и термоэлектрических батарей, подключенных к источнику постоянного тока через пульт управления, позволяющий изменять полярность приложенного к термоэлектрическим батареям напряжения. Установка дополнительно снабжена воздухораспределительным коллектором с двумя патрубками, термоэлектрическим датчиком температуры, дефлекторами. Корпус теплообменника образован крышкой с выпуклой и плоской поверхностями и основанием. В корпусе теплообменника выполнены первая и вторая воздушные камеры, ограниченные соответственно выпуклой и плоской поверхностями крышки и основанием. В основании, в зоне расположения первой воздушной камеры, выполнены отверстия. Теплоотводящие радиаторы выполнены воздушными и размещены в первой камере, сообщенной с атмосферой через отверстия и дефлекторы по числу теплоотводящих радиаторов (технологического воздуха). Радиаторы обрабатываемого воздуха размещены во второй камере, сообщенной через воздухораспределитель транспортного средства и дефлекторы с кабиной транспортного средства. Каждый из воздушных радиаторов включает в себя корпус, образованный пластинами из теплоизолирующего материала и решеткой, пластину из медного сплава толщиной 1,0 мм-1,5 мм, медную трубку диаметром 4,0 мм-5,0 мм, прикрепленную к пластине, пластины толщиной 0,5 мм-1,0 мм, нанизанные

на медную трубку с шагом 1,0 мм-1,5 мм. Выходы патрубков коллектора сообщены соответственно с первой воздушной и второй воздушной камерами. Диаметр патрубка, сообщенного с первой воздушной камерой, выполнен больше диаметра патрубка, сообщенного со второй воздушной камерой.

Полезная модель относится к термоэлектрическим кондиционирующим и холодильно-морозильным устройствам, применяемым, например, на пассажирском и другом транспорте.

Уже известна выбранная заявителем в качестве ближайшего аналога (прототипа) установка для охлаждения и нагрева воздуха в кабине транспортного средства, содержащая фильтровентиляционную систему, воздухораспределитель транспортного средства, термоэлектрический воздушный генератор холода и тепла, выполненный в виде теплообменника с теплоизолирующим корпусом, размещенных в теплоизолированном корпусе теплообменника воздушных радиаторов обрабатываемого воздуха, теплоотводящих радиаторов, разделительных термоизолирующих прокладок, вентилятора и термоэлектрических батарей, подключенных к источнику постоянного тока через пульт управления, позволяющий изменять полярность приложенного к термоэлектрическим батареям напряжения (см. патент RU №2140365, опубл.27.10.1999 г.).

Недостатком известной установки является сложность конструкции из-за наличия жидкостного радиатора, а также недостаточная экономичность.

Задача заявленной полезной модели направлена на упрощение конструкции установки (замена жисткостного радиатора на воздушный) и ее монтажа (наименьшие затраты времени и труда на монтаж и установку), на уменьшение тепловой инерционности (возможность быстрого переключения с режима охлаждения на обогрев), на обеспечение индивидуального регулирования температуры, на упрощение и удобство обслуживания и при необходимости ремонта, на уменьшение потребности в обслуживании и ремонте, на минимальную потребность оборудования в площади (малая масса и габариты), на улучшение увязки элементов оборудования с устройством салона автомобиля, на усиление виброизоляции и звукоизоляции оборудования и на повышение пожарной безопасности.

Задача заявленной полезной модели достигается за счет того, что установка для охлаждения и нагрева воздуха в кабине транспортного средства, содержащая фильтровентиляционную систему, воздухораспределитель транспортного средства, термоэлектрический воздушный генератор холода и тепла, выполненный в виде теплообменника с теплоизолирующим корпусом, размещенных в теплоизолированном корпусе теплообменника воздушных радиаторов обрабатываемого воздуха, теплоотводящих радиаторов, разделительных термоизолирующих прокладок, вентилятора и термоэлектрических батарей, подключенных к источнику постоянного тока через пульт управления, позволяющий изменять полярность приложенного к термоэлектрическим

батареям напряжения, снабжена воздухораспределительным коллектором с двумя патрубками, термоэлектрическим датчиком температуры, дефлекторами, корпус теплообменника образован крышкой с выпуклой и плоской поверхностями и основанием, в корпусе теплообменника выполнены первая и вторая воздушные камеры, ограниченные соответственно выпуклой и плоской поверхностями крышки и основанием, в основании, в зоне расположения первой воздушной камеры, выполнены отверстия, причем теплоотводящие радиаторы выполнены воздушными и размещены в первой камере, сообщенной с атмосферой через отверстия и дефлекторы по числу теплоотводящих радиаторов, радиаторы обрабатываемого воздуха размещены во второй камере, сообщенной через воздухораспределитель транспортного средства и дефлекторы с кабиной транспортного средства, каждый из воздушных радиаторов включает в себя корпус, образованный пластинами из теплоизолирующего материала и решеткой, пластину из медного сплава толщиной 1,0 мм-1,5 мм, медную трубку диаметром 4,0 мм-5,0 мм, прикрепленную к пластине, пластины толщиной 0,5 мм-1,0 мм, нанизанные на медную трубку с шагом 1,0 мм-1,5 мм, а выходы патрубков коллектора сообщены соответственно с первой и второй воздушными камерами, причем диаметр патрубка, сообщенного с перовой воздушной камерой, больше диаметра патрубка, сообщенного со второй воздушной камерой.

Корпус теплообменника может быть выполнен из термостойкого материала.

Линия, образованная выпуклой частью крышки, может представлять собой параболу.

Диаметр патрубка, сообщенного с первой воздушной камерой, равен 3-5 диаметров патрубка, сообщенного со второй воздушной камерой.

На фиг.1 представлена принципиальная схема установки для охлаждения и обогрева воздуха.

На фиг.2 представлена принципиальная схема термоэлектрического генератора.

На фиг.3 представлен теплообменник - общий вид.

На фиг.4 представлен внешний вид батареи радиатора.

На фиг.5 представлена принципиальная схема воздушного радиатора.

На фиг.6 представлен воздухораспределительный коллектор.

Принципиальная схема установки (фиг.1) включает в себя замкнутый объем 1, фильтровентиляционную систему 2, термоэлектрический воздушный генератор 3 холода и тепла, источник постоянного напряжения 4, пульт 5 управления и защиты, распределитель воздушного потока 6, воздухораспределитель 7 транспортного средства, вентилятор 8, распределительные каналы 9, дефлекторы 10. Термоэлектрический воздушный генератор 3 холода и тепла (фиг.2) выполненный в виде теплообменника с теплоизолирующим корпусом 11, содержит первую воздушную камеру 12, вторую воздушную камеру 13, воздушные радиаторы 14 обрабатываемого воздуха, теплоотводящие радиаторы в виде воздушных радиаторов 15 технологического

воздуха, размещенные в теплоизолированном корпусе 11 теплообменника, каскад термоэлектрических батарей 16, подключенный к источнику постоянного тока через пульт 5 управления и защиты, позволяющий изменять полярность приложенного к термоэлектрическим батареям 16 напряжения, разделительные термоизолирующие прокладки 17, выполненные из теромстойкого материала и разделяющие первую и вторую воздушные камеры 12 и 13 для лучшей герметизации. Установка также снабжена воздухораспределительным коллектором 18, термоэлектрическим датчиком температуры 19, вентиляторами 20, фильтрующим элементами 21, дефлекторами 22. Воздухораспределительный коллектор 18 выполнен с двумя патрубками 23 и 24 (фиг.6). Корпус 11 теплообменника образован крышкой 25 с выпуклой 26 и плоской 27 поверхностями и основанием 28 (фиг.3). Первая и вторая воздушные камеры 12 и 13 ограничены соответственно выпуклой 26 и плоской 27 поверхностями крышки 25 и основанием 28 (фиг.3). В основании 28, в зоне расположения первой воздушной камеры 12 выполнены отверстия (на фиг. не показаны) для выброса отработанного воздуха за пределы кондиционируемого (обогреваемого) пространства. Теплоотводящие радиаторы 15 выполнены воздушными. Теплоотводящие радиаторы 15 (технологического воздуха) размещены в первой камере 12, сообщенной с атмосферой через отверстия и дефлекторы 12 по числу теплоотводящих радиаторов 15 (технологического воздуха). Радиаторы 14 обрабатываемого воздуха размещены во второй камере 13, сообщенной через воздухораспределитель 7 транспортного средства и дефлекторы 10 с кабиной транспортного средства. Каждый из воздушных радиаторов 14 и 15 включает в себя корпус, образованный пластинами 29 из теплоизолирующего материала и решеткой 30 (фиг.4), пластину 31 из медного сплава толщиной 1,0 мм-1,5 мм, медную трубку 32 диаметром 4,0 мм-5,0 мм, прикрепленную к пластине 31 (фиг.5), пластины толщиной 0,5 мм-1,0 мм, нанизанные с шагом 1,0 мм-1,5 мм (на фиг. не показаны) на медную трубку 32 (фиг.5). Выходы патрубков 23 и 24 коллектора 18 сообщены соответственно с первой 12 и второй воздушными камерами 13. Диаметр патрубка 23, сообщенного с первой воздушной камерой 12 больше диаметра патрубка 24, сообщенного со второй воздушной камерой 13. Например, диаметр патрубка 23, сообщенного с первой камерой 12, может быть равен от 3 до 5 диаметров патрубка 24, сообщенного со второй воздушной камерой 13. Для исключения рассеивания воздуха воздушный радиаторы 14 и 15 с 3-х нерабочих сторон накрывается пластинами из термоизоляционного материала, аналогичного материалу теплоизолирующего корпуса 11 теплообменника. Корпус 11 теплообменника может выполнен из термостойкого материала. Линия, образованная выпуклой частью крышки 25, может представлять собой параболу.

Работа установки для охлаждения и обогрева заключается в следующем.

Воздух, проходя через фильтровентиляционную систему 2, через распределитель 6 воздушного потока поступает в термоэлектрический воздушный генератор 3 холода и тепла, который работает следующим образом.

От источника постоянного напряжения 4 на термоэлектрические батареи 16 подается постоянное напряжение, которые производят перекачку тепла с холодной своей стороны на горячую. Так как, холодная сторона каждой термоэлектрической батареи 16 соединена с воздушным радиатором 15, то они охлаждаются и охлаждают воздух, продуваемый в них вентилятором 20.

Тепло, выделяемое термоэлектрическими батареями 16, отводится воздушными радиаторами 14 технологического воздуха через дефлекторы 22 в атмосферу.

Обработанный (охлажденный или нагретый) воздух - по воздуховоду подается в воздухораспределитель 7 транспортного средства и распределяется через дефлекторы 10 в замкнутое пространство кабины.

Также, предлагаемая установка обеспечивает подогрев воздуха путем переключения полярности, приложенного к термоэлектрическим батареям 16 напряжения.

Увеличение (уменьшение) подаваемого в воздушные камеры 12 и 13 воздуха, позволяет регулировать температуру воздушных радиаторов 14 и 15 обрабатываемого и технологического воздуха, тем самым, снимая с них критическую температуру.

Поток воздуха, подаваемого в воздушные камеры 12 и 13 вентиляторами 20, предлагается регулировать изменением оборотов лопастей вентиляторов 20, а следовательно, объема подаваемого в воздушные камеры 12 и 13 воздуха, при помощи изменения силы тока, подаваемого на него.

В первой и во второй воздушных камерах 12 и 13 теплообменника устанавливается 8 (по 4) воздушных радиаторов 14 и 15 продуваемых соответственно с верху и прямо. В первой воздушной камере 12 расположены горячие радиаторы, во второй 13 холодные.

Нагнетаемый воздух, проходя через радиаторы, нагревается (охлаждается), а затем горячий воздух из первой воздушной камеры 12 выбрасывается в атмосферу, а охлажденный в салон автомобиля. При изменении полярности подаваемого на термоэлемент тока происходит обратное.

ОПТИМАЛЬНЫЕ НОРМЫ

температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха в обслуживаемой зоне жилых, общественных и административно-бытовых помещений

Примечание: Нормы установлены для людей, находящихся в помещении более 2-х часов.

Тепловой расчет кабины

При расчете примем среднее значение кондиционируемого (отапливаемого) помещения S=5 м², высота h=1,7 м, максимальное количество людей постоянно находящихся в кабине автомобиля - 2.

Согласно СНиП 2.04.05-91* - санитарная норма необходимого на 1 человека воздуха должна составлять 60 м³ /ч.

Исходя из максимального количества человек, определяем необходимое количество приточного воздуха l_h =60×2=120 м³/ч (общее количество обрабатываемого воздуха).

Для расчета теплоизбытков примем, что:

1) Теплопритоки, за счет разности температур внутри и снаружи помещения, а также от солнечной радиации составят: Q ₁=V×q_yд, где

V=S×h - объем помещения;

q_уд - предельная тепловая нагрузка. При расчетах примем среднее значение 35 Вт/м ³. Q₁=5×17×35=297,5 Вт

2) Теплопритоки от оборудования Q₂ примем условно равными 1500 Вт.

3) Теплопритоки от людей Q ₃=2×150 Вт=300 Вт

4) Общий теплоприток Q _общ.=(Q₁+Q₂ +Q₃)×1,2=(297,5+1500+300)×1,2 (+20% на неучтенные теплопритоки)=2673 Вт,

Для выбора вентилятора 20 учитываются следующие условия:

1. Воздух, подаваемый вентилятором в первую воздушную камеру теплообменника, должен поступать под давлением, позволяющим протолкнуть его сверху вниз через вертикально установленный радиатор, тем самым быстрее охлаждая их.

Для этой цели предлагается округлая форма верхней части левой воздушной камеры.

Воздух, попадая в нее, практически без потери давления на трение, испытывая местное сопротивление округлости крышки, будет поступать в радиаторы технологического воздуха и, проходя через них охлаждать.

2. Воздух, подаваемый вентилятором в правую воздушную камеру теплообменника, будет подаваться, и проходить через нее практически без потери давления (суммарные потери давления - 0) и охлаждаться до заданной температуры пропорционально (последовательно).

При этом необходимо учесть, что воздух, попадающий в первую радиаторную батарею и последнюю должен иметь разницу в температуре равной температуре, на какую нужно охладить воздух.

В данном устройстве, предполагается использовать от 1 до 4 термоэлементов, а соответственно от 1 до 4 радиаторов 14 и 15.

В случае использования радиаторов 14 и 15 более 1 температура воздуха, поступающего из салона автомобиля, должна понижаться в каждом радиаторе 14 и 15 пропорционально.

Учитывая, что при прохождении через радиаторы 14 и 15 воздух практически не будет испытывать сопротивления на трение, то скорость потока значительно снижаться не будет.

Кроме того, средний объем салона автомобиля равен 5 м³ и воздухообмен в нем примерно на 70% осуществляется за счет естественной инфильтрации воздуха.

Таким образом, для обеспечения наиболее комфортных условий, данное устройство должно обеспечивать охлаждение воздуха с учетом данного показателя.

Таким образом, в данной установке можно использовать центробежный вентилятор канального типа круглого сечения с загнутыми лопатками, работающим на постоянном токе напряжением от 12 до 24 В, со следующими характеристиками:

- Расход воздуха от 5 до 25 м³/час (воздухообмен в салоне);

- Мощность до 70 Вт;

Частота вращения - от 500 до 2000 об./мин.

Данные показатели определяются экспериментальным путем, с установкой в систему различного количества термоэлементов и вентиляторов различной мощности.

Расчет мощности вентилятора

В начале расчетов примем условие, что на 1 кВт поглощаемого тепла, для охлаждения воздуха с перепадом температуры 8-10°С расходуется 300-370 м ³/час воздуха (соответственно на 1 Вт - 0,3-0,37 м ³/час.

При мощности вентилятора 70 Вт воздушный поток оставит:

0,37×70 Вт=25,9 м³/час

Примечание:

1. Канальные вентиляторные агрегаты предназначены для установки непосредственно в воздушный канал (проточную сеть).

Вентиляторы этого типа устанавливаются на одном валу с электродвигателем в едином корпусе с использованием виброизолирующих прокладок.

Всасывающий и нагнетательный патрубки должны быть расположены на одной оси.

Для большей эффективности работы предлагается снабдить встроенным устройством автоматического регулирования.

Данное устройство, кроме салона автомобиля, может применяться:

- в существующих жилых домах и административных зданиях (при наличии выпрямителя и трансформатора тока) для поддержания теплового микроклимата в отдельных офисных помещениях или в жилых комнатах;

- для отдельных комнат, режим потребления холода в которых резко отличается от такого режима в большинстве других помещений. Например, в серверных и других насыщенных тепловыделяющей техникой комнатах административных зданий.

- во вновь строящихся зданиях, если поддержание оптимальных тепловых условий, требуется в небольшом помещении.

При разработке данного устройства учтены требования к системам кондиционирования и вентиляции, изложенные в СНиП 2.04.05-91*:

1. Установка для охлаждения и нагрева воздуха в кабине транспортного средства, содержащая фильтровентиляционную систему, воздухораспределитель транспортного средства, термоэлектрический воздушный генератор холода и тепла, выполненный в виде теплообменника с теплоизолирующим корпусом, размещенных в теплоизолированном корпусе теплообменника воздушных радиаторов обрабатываемого воздуха, теплоотводящих радиаторов, разделительных термоизолирующих прокладок, вентилятора и термоэлектрических батарей, подключенных к источнику постоянного тока через пульт управления, позволяющий изменять полярность приложенного к термоэлектрическим батареям напряжения, отличающаяся тем, что снабжена воздухораспределительным коллектором с двумя патрубками, термоэлектрическим датчиком температуры, дефлекторами, корпус теплообменника образован крышкой с выпуклой и плоской поверхностями и основанием, в корпусе теплообменника выполнены первая и вторая воздушные камеры, ограниченные соответственно выпуклой и плоской поверхностями крышки и основанием, причем в основании, в зоне расположения первой воздушной камеры, выполнены отверстия, теплоотводящие радиаторы выполнены воздушными и размещены в первой камере, сообщенной с атмосферой через отверстия и дефлекторы по числу теплоотводящих радиаторов, радиаторы обрабатываемого воздуха размещены во второй камере, сообщенной через воздухораспределитель транспортного средства и дефлекторы с кабиной транспортного средства, каждый из воздушных радиаторов включает в себя корпус, образованный пластинами из теплоизолирующего материала и решеткой, пластину из медного сплава толщиной 1,0 - 1,5 мм, медную трубку диаметром 4,0 - 5,0 мм, прикрепленную к пластине, пластины толщиной 0,5 - 1,0 мм, нанизанные на медную трубку с шагом 1,0 - 1,5 мм, а выходы патрубков коллектора сообщены соответственно с первой и второй воздушными камерами, причем диаметр патрубка, сообщенного с первой воздушной камерой, больше диаметра патрубка, сообщенного со второй воздушной камерой.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что корпус теплообменника выполнен из термостойкого материала.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что линия, образованная выпуклой частью крышки, представляет собой параболу.

4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что диаметр патрубка, сообщенного с первой воздушной камерой, равен 3-5 диаметров патрубка, сообщенного со второй воздушной камерой.