Система кондиционирования воздуха для автомобиля

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СИСТЕМА КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА ДЛЯ АВТОМОБИЛЯ(71) Заявитель Учреждение образования Гомельский государственный технический университет имени П.О.Сухого(72) Автор Киселевич Валентин Владимирович(73) Патентообладатель Учреждение образования Гомельский государственный технический университет имени П.О.Сухого(57) Система кондиционирования воздуха для автомобиля, содержащая теплообменник с вентилятором, контур циркуляции теплоносителя, контур циркуляции холодоносителя,сообщенный с аккумулятором холода, и контур циркуляции хладагента, состоящий из испарителя, выполненного в виде устройства для теплообмена между хладагентом и жидким холодоносителем, компрессора, конденсатора и терморегулирующего вентиля, отличающаяся тем, что дополнительно содержит аккумулятор теплоты, включенный в контур циркуляции теплоносителя, при этом упомянутый контур и контур циркуляции холодоносителя выполнены с возможностью их попеременного подключения к теплообменнику. 97452013.12.30 Полезная модель относится к транспортному машиностроению, а именно к системам и устройствам для кондиционирования воздуха в салонах автомобилей. Известна система кондиционирования воздуха для автомобиля 1, содержащая испаритель, выполненный в виде пористой пропитанной водой мембраны и обдуваемый вентилятором. Охлаждение воздуха достигается за счет испарения воды с мембраны. Недостатком данной системы является низкая эффективность охлаждения воздуха. Известна система кондиционирования воздуха для автомобиля 2, содержащая обдуваемый вентилятором теплообменник, выполненный в виде алюминиевых плоскоовальных труб, на которые установлены термоэлектрические модули с холодными и горячими спаями, и радиатор сброса тепла. Недостатками данной системы являются сложность ее конструктивного исполнения и низкое значение холодильного коэффициента. Известна система кондиционирования воздуха для автомобиля 3, содержащая теплообменник с вентилятором, контур циркуляции холодоносителя, контур циркуляции хладагента, состоящий из испарителя, выполненного в виде устройства для теплообмена между хладагентом и жидким холодоносителем, компрессора, конденсатора и терморегулирующего вентиля, и дополнительный вентиль, обеспечивающий возможность попеременного подключения компрессора со стороны конденсатора или со стороны испарителя. Недостатком данной системы является низкое значение ее теплопроизводительности в режиме обогрева. Наиболее близка к заявляемой система кондиционирования воздуха для автомобиля 4, содержащая теплообменник с вентилятором, контур циркуляции теплоносителя, контур циркуляции холодоносителя, сообщенный с аккумулятором холода, и контур циркуляции хладагента, состоящий из испарителя, выполненного в виде устройства для теплообмена между хладагентом и воздухом, компрессора, конденсатора и терморегулирующего вентиля. Система кондиционирования воздуха для автомобиля, внутреннее пространство которого разбито на выполненные с возможностью раздельного отопления и охлаждения переднюю и заднюю зоны, состоит из передней установки для нагрева и охлаждения передней зоны при включенном двигателе автомобиля, задней установки для нагрева и охлаждения задней зоны при включенном двигателе автомобиля и интегрированной в заднюю установку стояночной установки для нагрева и охлаждения, по меньшей мере, задней зоны при выключенном двигателе автомобиля. Недостатками прототипа являются сложность конструктивного исполнения, обусловленная необходимостью усиления системы для обеспечения возможности безопасного теплообмена между газообразным хладагентом и холодоаккумулирующим веществом, а также низкая энергоэффективность работы системы кондиционирования воздуха в режиме обогрева при длительном простое автомобиля с выключенным двигателем. Задачей предлагаемой полезной модели является повышение энергетической эффективности работы системы кондиционирования воздуха для автомобиля и упрощение ее конструкции. Поставленная задача решается тем, что система кондиционирования воздуха для автомобиля, содержащая теплообменник с вентилятором, контур циркуляции теплоносителя, контур циркуляции холодоносителя, сообщенный с аккумулятором холода, и контур циркуляции хладагента, состоящий из испарителя, выполненного в виде устройства для теплообмена между хладагентом и жидким холодоносителем, компрессора, конденсатора и терморегулирующего вентиля, согласно предлагаемой полезной модели дополнительно содержит аккумулятор теплоты, включенный в контур циркуляции теплоносителя, при этом упомянутый контур и контур циркуляции холодоносителя выполнены с возможностью их попеременного подключения к теплообменнику. Упрощение системы кондиционирования воздуха для автомобиля достигается посредством оптимизации ее схемы, согласно которой теплообменник выполняет функции как 2 97452013.12.30 воздухоохладителя (при включении в контур циркуляции холодоносителя), так и воздухонагревателя (при включении в контур циркуляции теплоносителя). Установка аккумулятора теплоты/холода позволяет снизить энергопотребление системы кондиционирования воздуха при ее работе в режиме нагрева/охлаждения и, как следствие, увеличить продолжительность поддержания комфортной температуры в салоне автомобиля при выключенном двигателе за счет расходования аккумулированного во время работы двигателя тепла/холода. Система кондиционирования воздуха для автомобиля, представленная на фиг. 1, содержит контур 1 циркуляции хладагента, контур 2 циркуляции холодоносителя и контур 3 циркуляции теплоносителя, сообщенный с системой 4 охлаждения двигателя. Контур 1 циркуляции хладагента (фиг. 2) образован компрессором 5, конденсатором 6,ресивером-осушителем 7, терморегулирующим вентилем 8, испарителем 9 и аккумулятором-осушителем 10. Отвод теплоты от конденсатора 6 осуществляется вентилятором 11. Контур 2 циркуляции холодоносителя образован испарителем 9, циркуляционным насосом 12 для прокачки холодоносителя (жидкость с высокими теплоемкостью и коэффициентом теплопроводности), теплообменником 13, обдуваемым вентилятором 14 и выполняющим функции воздухоохладителя, аккумулятором холода 15 и обеспечивающими необходимое направление движения холодоносителя электромагнитными 16, 18, 20,21, 23 и обратными 17, 19, 22, 24 клапанами. Контур 3 циркуляции теплоносителя образован системой 4 охлаждения двигателя, теплообменником 13, обдуваемым вентилятором 14 и выполняющим функции воздухонагревателя, циркуляционным насосом 25 для прокачки теплоносителя (жидкость системы 4 охлаждения двигателя), аккумулятором теплоты 26 и обеспечивающими необходимое направление движения теплоносителя электромагнитными 27, 28, 29, 31 и обратными 30, 32 клапанами. Соединение контуров (контура 1 циркуляции хладагента и контура 2 циркуляции холодоносителя контура 2 циркуляции холодоносителя и контура 3 циркуляции теплоносителя) между собой, а также отдельных элементов, образующих каждый из указанных контуров, выполнено с помощью трубопроводов, обозначенных на фиг. 1 и фиг. 2 сплошными линиями со стрелками. Стрелки указывают направления движения хладагента в контуре 1, холодоносителя в контуре 2 и теплоносителя в контуре 3. В заявляемой системе кондиционирования воздуха для автомобиля использован аккумулятор холода 15, представленный на фиг. 3 и состоящий из внешнего 33 и внутреннего 34 корпусов, выполненных из нержавеющей стали (например, 12 Х 18 Н 10 Т, 12 Х 18 Н 9 Т,12 Х 17 Г 9 АН 4, 10 Х 14 Г 14 Н 4 Т, 08 Х 18 Н 10) и разделенных порошково-вакуумной теплоизоляцией 35. Внутри корпуса 34, заполненного холодоаккумулирующим материалом 36,размещена выполненная по ГОСТ 21646-2003 из меди марок М 1 р (М 1 ф) или М 2 р гофрированная спиралевидная трубка 37, сообщенная при помощи патрубков входа 38 и выхода 39 с контуром 2 циркуляции холодоносителя. Аккумулятор холода 15 снабжен отверстием с пробкой 40 и втулкой 41, предназначенным для смены холодоаккумулирующего материала 36. Для снижения тепловых потерь перемычки 42 и втулки 41 и 43 выполняют из материала с низким коэффициентом теплопроводности (например, пеноалюминий либо сплавы на основе титана марок ВТ 1, ВТ 5-1, ВТ 20). В качестве холодоаккумулирующего материала 36 используют кристаллическое вещество, способное испытывать обратимые фазовые превращения с поглощением/выделением теплоты. Теплофизические характеристики веществ, пригодных для использования в качестве холодоаккумулирующего материала 36 в заявляемой системе кондиционирования воздуха для автомобиля, приведены в таблице. 97452013.12.30 В заявляемой системе кондиционирования воздуха для автомобиля использован аккумулятор теплоты 26, представленный на фиг. 4 и состоящий из внешнего 44 и внутреннего 45 корпусов, выполненных из нержавеющей стали (например, 12 Х 18 Н 10 Т, 12 Х 18 Н 9 Т,12 Х 17 Г 9 АН 4, 10 Х 14 Г 14 Н 4 Т, 08 Х 18 Н 10) и разделенных порошково-вакуумной теплоизоляцией 46. Внутри корпуса 45, заполненного теплоаккумулирующим материалом 47, размещена выполненная по ГОСТ 21646-2003 из меди марок М 1 р (М 1 ф) или М 2 р гофрированная спиралевидная трубка 48, сообщенная при помощи патрубков входа 49 и выхода 50 с контуром 3 циркуляции теплоносителя. Аккумулятор теплоты 26 снабжен отверстием с пробкой 51 и втулкой 52, предназначенным для смены теплоаккумулирующего материала 47. Для снижения тепловых потерь перемычки 53 и втулки 52 и 54 выполняют из материала с низким коэффициентом теплопроводности (например, пеноалюминий либо сплавы на основе титана марок ВТ 1, ВТ 5-1, ВТ 20). В качестве теплоаккумулирующего материала 47 используют кристаллическое вещество, способное испытывать обратимые фазовые превращения с выделением/поглощением теплоты. Теплофизические характеристики веществ, пригодных для использования в качестве теплоаккумулирующего материала 47 в заявляемой системе кондиционирования воздуха для автомобиля, приведены в таблице. Функционирование системы кондиционирования воздуха для автомобиля, имеющей четыре основных режима работы, осуществляется следующим образом. 1. Режим охлаждения воздуха при включенном двигателе. В данном режиме компрессор 5 включен, электромагнитные клапаны 16, 18 и 20 находятся в открытом состоянии, а клапаны 21, 23, 27, 28, 29 и 31 в закрытом. Работающий компрессор 5 всасывает и сжимает газообразный хладагент, при этом температура и давление хладагента повышаются. Сжатый в компрессоре 5 газообразный хладагент подается в конденсатор 6, где охлаждается в результате теплообмена с холодным воздухом, поступающим от вентилятора 11, и переходит в жидкое состояние. Далее жидкий хладагент поступает в ресивер-осушитель 7 для очистки от примесей и воды, после чего очищенный хладагент проходит через терморегулирующий вентиль 8, где его температура и давление понижаются до значений, требуемых для охлаждения салона автомобиля. Затем жидкий хладагент направляется в испаритель 9, в котором нагревается, отдавая холод жидкому холодоносителю, циркулирующему в контуре 2, и переходит в газообразное состояние. После этого газообразный хладагент, проходящий через аккумулятор-осушитель 10, предназначенный для доиспарения выходящего из испарителя 9 хладагента, снова подается в компрессор 5 для сжатия. Цикл производства холода повторяется. Циркуляция холодоносителя, охлаждаемого за счет теплообмена с хладагентом, в контуре 2 обеспечивается насосом 12, который нагнетает холодоноситель в теплообменник 13, обдуваемый поступающим от вентилятора 14 воздухом. Охлажденный в теплообменнике 13 воздух по системе воздухопроводов (на фигурах не показана) поступает в салон автомобиля. Зарядку аккумулятора холода 15 проводят в режиме охлаждения воздуха при включенном двигателе. Для этого электромагнитный клапан 21 открывают, а клапан 18 закрывают. Охлажденный в испарителе 9 холодоноситель насосом 12 нагнетается через входной патрубок 38 для циркуляции по спиралевидной трубке 37 и возвращается через патрубок выхода 39 в контур 2. Циркулирующий по трубке 37 холодоноситель охлаждает холодоаккумулирующий материал 36, испытывающий при этом фазовое превращение с выделением теплоты (кристаллизация либо полиморфный переход в низкотемпературную фазу). Тепловая изоляция 35 поддерживает температуру холодоаккумулирующего материала 36 на уровне ниже температуры его фазового превращения и обеспечивает хранение аккумулированного холода. После зарядки аккумулятора холода 15 электромагнитный клапан 18 открывают, а клапан 21 закрывают. 2. Режим охлаждения воздуха при выключенном двигателе. 4 97452013.12.30 В данном режиме компрессор 5 отключен, электромагнитные клапаны 20, 21 и 23 находятся в открытом состоянии, а клапаны 16, 18, 27, 28, 29 и 31 в закрытом. Холодоноситель циркуляционным насосом 12 нагнетается в аккумулятор холода 15, где охлаждается за счет теплообмена с холодоаккумулирующим материалом 36, при этом происходит разрядка аккумулятора холода 15. Затем охлажденный холодоноситель подается в теплообменник 13, обдуваемый поступающим от вентилятора 14 воздухом. Охлажденный в результате теплообмена с холодоносителем воздух по системе воздухопроводов поступает в салон автомобиля. Процесс разрядки аккумулятора холода 15 происходит следующим образом. Холодоноситель насосом 12 нагнетается через входной патрубок 38 для циркуляции по спиралевидной трубке 37 и возвращается через патрубок выхода 39 в контур 2. Циркулирующий по трубке 37 холодоноситель охлаждается за счет нагрева холодоаккумулирующего материала 36, испытывающего при этом фазовое превращение с поглощением теплоты (плавление либо полиморфный переход в высокотемпературную фазу). 3. Режим нагрева воздуха при включенном двигателе. В данном режиме компрессор 5 отключен, электромагнитные клапаны 27, 28 и 29 находятся в открытом состоянии, а электромагнитные клапаны 16, 18, 20, 21, 23 и 31 в закрытом. Теплоноситель, нагретый сбросной теплотой двигателя, циркуляционным насосом 25 нагнетается в теплообменник 13, обдуваемый поступающим от вентилятора 14 воздухом. Нагретый в теплообменнике 13 воздух по системе воздухопроводов поступает в салон автомобиля. Зарядку аккумулятора теплоты 26 проводят в режиме нагрева воздуха при включенном двигателе. Для этого электромагнитный клапан 31 открывают, а клапан 29 закрывают. Нагретый сбросной теплотой двигателя теплоноситель насосом 25 нагнетается через входной патрубок 49 для циркуляции по спиралевидной трубке 48 и возвращается через патрубок выхода 50 в контур 3. Циркулирующий по трубке 48 теплоноситель нагревает теплоаккумулирующий материал 47, испытывающий при этом фазовое превращение с поглощением теплоты (плавление либо полиморфный переход в высокотемпературную фазу). Тепловая изоляция 46 поддерживает температуру теплоаккумулирующего материала 47 на уровне, превышающем температуру его фазового превращения, и обеспечивает хранение аккумулированной тепловой энергии. После зарядки аккумулятора теплоты 26 электромагнитный клапан 29 открывают, а клапан 31 закрывают. 4. Режим нагрева воздуха при выключенном двигателе. В данном режиме компрессор 5 отключен, электромагнитные клапаны 27, 28 и 31 находятся в открытом состоянии, а клапаны 16, 18, 20, 21, 23 и 29 в закрытом. Теплоноситель циркуляционным насосом 25 нагнетается в аккумулятор теплоты 26, где нагревается за счет теплообмена с теплоаккумулирующим материалом 47, при этом происходит разрядка аккумулятора теплоты 26. Затем нагретый теплоноситель подается в теплообменник 13, обдуваемый поступающим от вентилятора 14 воздухом. Нагретый в результате теплообмена с теплоносителем воздух по системе воздухопроводов поступает в салон автомобиля. Процесс разрядки аккумулятора теплоты 26 происходит следующим образом. Теплоноситель насосом 25 нагнетается через входной патрубок 49 для циркуляции по спиралевидной трубке 48 и возвращается через патрубок выхода 50 в контур 3. Циркулирующий по трубке 48 теплоноситель нагревается за счет охлаждения теплоаккумулирующего материала 47, испытывающего при этом фазовое превращение с выделением теплоты (кристаллизация либо полиморфный переход в низкотемпературную фазу). 97452013.12.30 Теплофизические характеристики холодо- и теплоаккумулирующих веществ Температура фазоТеплота фазового превраВещество вого превращещения, кДж/кг ния, С Аккумулятор холода 282 78,2 267 Таким образом, заявленное конструктивное исполнение системы кондиционирования воздуха для автомобиля позволяет повысить энергетическую эффективность ее работы, в особенности при длительном простое автомобиля с выключенным двигателем. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7