Устройство для нагрева и охлаждения воздуха

 

В устройстве для нагрева и охлаждения воздуха расположены привод и компрессор с детандером, выполненные из мембранных сильфонов со складывающимися гофрами. Сильфоны компрессора расположены в общей горячей полости корпуса. Сильфоны компрессора и детандера расположены соосно. Использование устройства позволит повысить КПД, сократить паразитные пространства и снизить гидродинамические потери за счет упрощения теплообмена между рабочим телом и воздухом без применения внешних теплообменников и устройств для прокачки воздуха через них. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

Предполагаемое изобретение относится к разделу механики, а точнее к классам отопительной и холодильной техники, представляет собой газовый тепловой насос с силовым приводом и может найти применение при создании кондиционеров и агрегатов для воздушного обогрева и охлаждения салонов автомобилей, жилых и производственных помещений.

В настоящее время известны устройства для получения тепла и холода, например "Холодильно-газовая машина", работающая по обратному циклу Стирлинга, описанная по а.с. N 1437635, кл. 4 F 25 B 9/00, содержащая поршневые компрессор и вытеснитель с механическими приводами. Вытеснитель выполнен со встроенными, не менее двух, секциями регенераторов, подпружиненных между собой, причем 1-я секция соединена с приводом со стороны компрессора, а последняя дополнительно подпружинена со стороны нагрузки.

Недостатком этой конструкции является сложность уплотнений штоков, наличие трущихся пар, работающих в условиях сухого трения и сложность привода, обеспечивающего гармонические колебания поршня и вытеснителя.

Известна также "Газовая холодильная машина", работающая по обратному циклу Стирлинга, см. а.с. N 1613821, кл. F 25 B 9/00. Машина содержит детандерную и компрессорную рабочие полости, выполненные в виде сильфонных цилиндров, сообщенных между собой через регенератор и снабженных раздельными механическими приводами, обеспечивающими их гармонические колебания. При этом детандерный сильфон заключен в теплоизолированный кожух и сообщен через посредство обратных клапанов с холодильной камерой. Отвод тепла от охлаждаемого объекта осуществляется через промежуточное рабочее тело (р.т.), что существенно сужает область применения этой машины.

Недостатком является сложность механического привода (раздельного для компрессора и детандера), следовательно, громозкость конструкции машины относительно охлаждаемой площади, а также наличие регенератора, необходимость которого обусловлена возвратно- поступательным движением газообразного р.т. в тракте холодильной машины.

Наиболее близким аналогом является "Газовая холодильная машина", описанная в патенте N 2053461 по кл. F 25 B 9/00, содержащая расположенные на общем штоке сильфоны, образующие компрессор и детандер, заключенные в герметичный вакуумированный кожух.

Недостатком описанной конструкции является то, что полости внешних теплообменников образуют значительные паразитные пространства, а для прокачки воздуха через теплообменники нужны дополнительные устройства (при использовании устройства для нагрева и охлаждения воздуха).

Все это приводит к снижению термодинамического КПД машины и усложняет ее устройство.

Предполагаемое изобретение призвано решить задачу повышения КПД, сокращения паразитных пространств и снижения гидродинамических потерь за счет упрощения теплообмена между р. т. и воздухом без применения внешних теплообменников и устройств для прокачки воздуха через них.

Поставленная задача решается тем, что сильфонные цилиндры компрессора и детандера расположены в корпусе устройства и выполняют еще и функцию поршней для прокачки нагреваемого или охлаждаемого воздуха в процессе теплообмена его через развитую поверхность гофр сильфонов с р.т., заключенным внутри цилиндров.

Предлагаемое устройство схематически изображено в разрезе на чертеже (см. фиг. 1, а на фиг. 2 показана его диаграмма P-V).

Устройство содержит корпус-1, в котором установлены состоящие из мембранных сильфонов со складывающимися гофрами (далее "сильфонов"), компрессор, содержащий сильфон сжатия-2 и приемный сильфон-3 детандера, а также приемный сильфон-4 компрессора и сильфон расширения-5 детандера. При этом сильфон сжатия-2 компрессора и приемный сильфон-3 детандера имеют одинаковый диаметр-d_ср (меньше диаметров D_ср приемного сильфона-4 компрессора и сильфона расширения-5 детандера). Внутренние полости выполнены с возможностью сообщения по газообменным каналам-6, 7, 8 и 9 через посредство газораспределительного крана-10, кинематически связанного с валом кривошипа-13. Каналы-7 и 9 снабжены ребрами охлаждения, полости сильфонов заполнены под избыточным давлением газообразным р.т., например гелием.

Все сильфоны жестко соединены штоком-11, который через шатун-12 кинематически связан с кривошипом-13. Двигатель привода расположен в корпусе (на чертеже не показан).

Сильфоны-5, 4 и 2 заключены в полости-14 и 15, которые снабжены выпускными клапанами-16(холодный) и 17(горячий) и всасывающими-18 и 19.

Кинематическая связь крана-10 и кривошипа-13 осуществлена посредством кулачка-20 и толкателя-21.

Устройство для получения тепла и холода работает следующим образом (см. чертеж).

На чертеже, фиг. 1, кривошип привода-13 находится в верхней мертвой точке и газораспределительный кран-10 разобщает все полости сильфонов, поэтому приемный сильфон-4 компрессора имеет минимальную длину, а меньший по размерам сильфон сжатия-2 компрессора - максимальную, т.е. р.т. в этой паре находится в основном в сильфоне- 2. Это положение соответствует окончанию цикла сжатия, т.е. перепуска р.т. из приемной полости сильфона-4 компрессора в полость сильфона сжатия (нагрева)-2 компрессора, что соответствует точке 2 на диаграмме P-V, фиг. 2.

В детандере в этот момент все р.т. находится в полости большего сильфона-5, что соответствует точке 4 на диаграмме P-V, см. фиг. 2, следовательно, р.т. находится при минимальном давлении и температуре.

При вращении кривошипа-13 шток-11 пойдет вниз и газораспределительный кран-10, повернувшись против часовой стрелки, сообщит сильфонные полости-4 и 5 через каналы-6 и 7, а сильфонные полости-2 и 3 через каналы-8 и 9. В результате этого р.т. из сильфона расширения-5 детандера будет вытесняться в равный ему по размерам приемный сильфон-4 компрессора при постоянном объеме, что соответствует изохоре 4 - 1 на диаграмме P-V, см. фиг.2.

При этом теплота воздуха, заключенного внутри полостей-14 и 15, перейдет через стенки мембран сильфонов-4 и 5 к р.т., заполняющему их, т.е. температура и давление его повысятся. Одновременно произойдет такт всасывания воздуха в полость-14 через всасывающий клапан-18, и (при движении штока-11 вниз) сжатое р.т. из сильфона сжатия-2 будет вытесняться в приемный сильфон-3, т. е. при постоянном объеме, но при снижении температуры и давления, горячее р. т. передаст теплоту через стенки мембран сильфона-2 воздуху, находящемуся в полости-15, который вытесняется в это время сильфоном-4.

При достижении кривошипом-11 нижней мертвой точки гидрораспределительный кран-10 вновь разобщит все полости сильфонов и тогда все р.т. в детандере будет находиться в полости приемного сильфона-3, что соответствует точке 3 диаграммы P-V, а в компрессоре в полости приемного сильфона-4, что соответствует точке 1 диаграммы P-V.

При дальнейшем повороте кривошипа-13 шток-11 пойдет вверх и кран- 10 сообщит через каналы-6 и 8 полость приемного сильфона-4 компрессора с полостью сильфона сжатия-2 компрессора, а через каналы-7 и 9 полость приемного сильфона-3 детандера с полостью сильфона расширения-5 детандера.

В течение этих процессов будет происходить вытеснение р.т. из приемного сильфона-3 детандера в сильфон расширения-5, где в результате расширения температура его понизится и за счет передачи тепла через стенки мембран сильфона от воздуха, вытесняемого сильфоном расширения-5 из полости-14, воздух будет охлаждаться и вытесняться через холодный выпускной клапан-16.

Вследствие этого процесса давление р.т. в сильфоне-5 к концу хода понизится, см. отрезок 3 - 4 на диаграмме P-V, фиг.2. Одновременно р.т. будет перетекать по каналам-6 и 8 через посредство газораспределительного крана-10 из приемного сильфона-4 компрессора в меньший по размерам приемный сильфон сжатия-2 компрессора, при этом температура и давление р.т. будет повышаться, что на диаграмме P-V изображено отрезком 1 - 2, см. фиг. 2. Вследствие теплопередачи от р. т. воздуху, всасываемому в полость-15 через впускной клапан-19, температура р.т. снизится, а воздуха повысится.

При подходе кривошипа-13 к верхней мертвой точке кран-10 вновь разобщит все каналы и устройство вновь займет положение. изображенное на фиг. 1, т.е. процесс повторится.

Для компрессора (сильфон-2 и 4) это будет соответствовать точке- 2, а для детандера (сильфоны 3 и 5) зто будет соответствовать точке 4.

В течение рабочего процесса масса р.т. будет перемещаться двумя, равными по весовому количеству потоками (на диаграмме параллельно) из сильфона в сильфон "по кругу".

Из вышеизложенного следует, что предлагаемое устройство для получения тепла и холода не требует регенераторов, рекуператоров и т.п., имеет минимальный паразитный объем за счет простейшей системы газораспределения выполненной в виде четырехканального двухпозиционного газораспределительного крана, кинематически связанного с кривошипом.

Вышесказанное, а также хорошее изолирование горячих полостей от холодных обеспечивает повышение термодинамического КПД устройства, а соосное движение компрессора и детандера позволяет хорошо уравновешивать инерционные силы.

Кроме того,устройство не требует специальных механизмов для прокачки охлаждаемого и нагреваемого воздуха.

Формула изобретения

1. Устройство для нагрева и охлаждения воздуха, содержащее корпус с расположенными в нем приводом, компрессором и детандером, выполненными из мембранных сильфонов со складывающимися гофрами, отличающееся тем, что сильфоны компрессора расположены в общей горячей полости корпуса.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сильфоны компрессора и детандера расположены соосно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2