автономный кондиционер с водяным конденсатором

Формула изобретения

Автономный кондиционер с водяным охлаждением, содержащий компрессор, водяной конденсатор, терморегулирующий вентиль, испаритель с вентилятором, двухполостной теплообменник, одна полость которого связана с выходом водяного конденсатора и входом терморегулирующего вентиля, а другая полость соединена с выходом испарителя и входом компрессора, датчик температуры воздуха, отличающийся тем, что в него введены двухпозиционный регулятор расхода с приводом, установленный на выходе из компрессора, нагревательный теплообменник, при этом один выход регулятора соединен с входом нагревательного теплообменника, другой выход регулятора подключен к выходу нагревательного теплообменника и входу водяного конденсатора, нагревательный теплообменник установлен в воздушном канале на выходе из испарителя, датчик температуры воздуха установлен по воздушному каналу на выходе из нагревательного теплообменника, введены также задатчики максимально допустимого и минимально допустимого значений температур воздуха, две схемы сравнения, два формирователя управляющих команд на закрытие и открытие регулятора соответственно, при этом датчик температуры подключен к одному входу упомянутых схем сравнения, а ко второму входу этих схем подключены выходы задатчиков максимально допустимого и минимально допустимого значений температур воздуха соответственно, выходы схем сравнения соединены с соответствующими входами формирователей управляющих команд на закрытие и открытие регуляторов, а их выходы - с приводом двухпозиционного регулятора.

Описание изобретения к патенту

Автономный кондиционер предназначен в основном для использования в замкнутых объемах обитаемых отсеков космических аппаратов, подводных лодок и наземных транспортных средств с герметичным объемом для экипажа, где необходимо собирать выделяемую экипажем влагу и одновременно регулировать температуру воздуха в герметичном объеме.

Известны различные типы системы регулирования температурно-влажностного режима замкнутых объемов, одной из разновидностью которых являются автономные кондиционеры. Принцип действия их практически одинаков, различаются они системами регулирования и температурным уровнем хладагента в испарителе. Такие системы приведены в книге В.Мааке, Г.Ю.Эккерт, Ж.Л.Кошпен. "ПОЛЬМАНН - Учебник по холодильной технике, изд. МГУ, 1998 г. стр. 326, в книге авторов М. Р. Барского и др. "Электрооборудование и кондиционирование воздуха пассажирских вагонов", Трансжелезнодориздат, 1963 г., стр. 165, и ряде других изданий. Регулирование температуры в камере осуществляется путем изменения расхода хладагента через испаритель-воздухоохладитель, что обеспечивает постоянство заданной температуры испарения в трубках этого теплообменника. Как правило, такие системы, аналогичные системам регулирования холодильного контура домашних холодильников, вызывают частые циклы включения и выключения компрессора.

При этом компрессор выбирается исходя из максимально возможной нагрузки на камеру, тем самым его энергопотребление является также достаточно большим. При этом для оттаивания вымороженной на поверхности воздухоохладителя влаги компрессор выключают принудительно, что является одним из недостатков такой системы. Необходимо учитывать, что в период оттайки влажность воздуха в камере повышается. Типовая система регулирования температурно-влажностного режима, использукющая для регулирования температурно-влажностного режима датчик температуры воздуха в камере, представлена в упомянутой выше книге авторов В. Мааке, Г.Ю.Эккерт, Ж.Л.Кошпен "ПОЛЬМАНН - Учебник по холодильной технике"; изд. МГУ, 1998 г., на стр.217. В этой системе температура воздуха регулируется путем включения и выключения компрессора по сигналу от этого датчика. Недостатком систем этого типа является невозможность сбора влаги, а периоды остановки компрессора, а также повышение влажности воздуха в период оттайки.

Одним из аналогов предлагаемого кондиционера является кондиционер БК-1500, устройство и принцип работы которого описаны на стр. 254-255 в книге О.Я.Кокорина "Установки кондиционирования воздуха", Москва, изд. Машиностроение, 1978 г. Работа холодильного компрессора осуществляется от команды датчика, контролирующего температуру воздуха в обслуживаемом помещении. При понижении внутренней температуры от контролируемого значения датчик воздействует на привод компрессора и останавливает его. При повышении внутренней температуры воздуха по команде от указанного датчика электродвигатель компрессора выключается.

Прототипом заявляемого кондиционера выбран автономный кондиционер КВ1-17 с водяным конденсатором, описанным в книге О.Я.Кокорина "Установки кондиционирования воздуха", Москва, изд. Машиностроение, 1978 г., стр.247-249. Указанный кондиционер включает компрессор, водяной конденсатор, терморегулирующий вентиль, испаритель с вентилятором, двухполостной теплообменник и датчик температуры воздуха, установленный на входе в испаритель. Датчик температуры контролирует температуру воздуха в охлаждаемом объеме и при понижении температуры датчик подает команду на выключение компрессора, а при повышении температуры - на его включение.

Недостатком прототипа является то, что в периоды остановки компрессора, которые при малой тепловой нагрузке могут достигать практически 50-60% суточного времени, влага, выделяемая в воздух замкнутого объема, не собирается на поверхности испарителя, что снижает комфортность пребывания человека в этом объеме. При использовании кондиционера такого типа на борту орбитальной космической станции "Мир" проявились крайне нежелательные следствия этого недостатка. Влажный воздух, попадая на холодные элементы конструкции станции, начинал конденсироваться, после чего частицы влаги в условиях невесомости перемещались в капельном виде в потоках воздуха, создаваемых вентилятором. Периодически возникала опасность попадания капельной влаги внутрь электронных приборов, обдуваемых вентиляторами, и выхода их из строя по причине короткого замыкания. При непрерывной работе кондиционера (принудительная работа с отключением канала регулирования) выделяемая в гермоотсеке влага постоянно конденсировалась в испарителе-воздухоохладителе, поэтому приведенная выше опасность устранялась, однако при этом температура воздуха в обитаемом объеме термоотсека снижалась ниже допустимого значения. Особый дискомфорт у членов экипажа вызывала холодная струя воздуха, выходящая из испарителя воздухоохладителя кондиционера. Для подогрева воздуха в процессе работы кондиционера на осушку воздуха экипаж был вынужден включать электронагревательные устройства, что накладывало ограничения на проведение в этот период времени энергоемких работ на борту станции.

Задачей предлагаемого изобретения являлось создание автономного кондиционера, позволяющего регулировать температуру выходящего из теплообменника охлаждения и осушки воздуха при непрерывном процессе осушки воздуха в замкнутом объеме за счет использования тепла сжатого хладагента, т.е. без затрат дополнительной электроэнергии.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в состав кондиционера, содержащем компрессор, водяной конденсатор, терморегулирующий вентиль, испаритель, двухполостной теплообменник, одна полость которого связана с выходом водяного конденсатора и входом терморегулирующего вентиля, а другая полость связана с выходом испарителя и входом компрессора, и датчик температуры воздуха, введены двухпозиционный регулятор расхода с приводом, установленный на выходе из компрессора, нагревательный теплообменник, при этом один выход регулятора соединен с входом нагревательного теплообменника, другой выход регулятора подключен к выходу нагревательного теплообменника и входу конденсатора, нагревательный теплообменник установлен в воздушном канале на выходе из испарителя датчик температуры воздуха установлен по воздушному каналу на выходе из нагревательного теплообменника, введены также задатчики максимально допустимого и минимально допустимого значений температур воздуха, две схемы сравнения, два формирователя управляющих команд на закрытие и открытие регулятора соответственно, при этом датчик температуры подключен к одному входу упомянутых схем сравнения, а ко второму входу этих схем подключены выходы датчиков максимально допустимого и минимально допустимого значений температур воздуха соответственно, выходы схем сравнения соединены с соответствующими входами формирователей управляющих команд на закрытие и открытие регуляторов, а их выходы с приводом двухпозиционного регулятора.

На фиг 1 изображен предложенный автономный кондиционер, где

1 - компрессор,

2 - водяной конденсатор,

3 - терморегулирующий вентиль,

4 - испаритель с вентилятором,

5 - двухполостной теплообменник,

6 - двухпозиционный регулятор,

7 - нагревательный теплообменник,

8 - задатчик минимальной допустимой температуры воздуха,

9 - задатчик максимально допустимой температуры воздуха,

10 - схема сравнения,

11 - схема сравнения,

12 - формирователь управляющей команды на открытие регулятора,

13 - формирователь управляющей команды на закрытие регулятора,

14 - привод регулятора,

15 - датчик температуры воздуха.

Автономный кондиционер включает компрессор 1, на выходе которого установлен двухпозиционный регулятор 6 с приводом 14, при этом один выход регулятора 6 соединен с входом нагревательного теплообменника 7, другой выход регулятора 6 соединен с выходом данного теплообменника 7 и входом водяного конденсатора 2. Выход водяного конденсатора 2 соединен через одну из полостей теплообменника 5 с входом терморегулирующего вентиля 3, а выход терморегулирующего вентиля 3 соединен с входом испарителя 4 с вентилятором, причем выход испарителя 4 через другую полость теплообменника 5 гидравлически связан с входом компрессора 1. По воздушному каналу нагревательный теплообменник 7 установлен на выходе испарителя 4 с вентилятором, а датчик температуры воздуха 15 установлен на выходе воздуха из нагревательного теплообменника 4.

Датчик температуры воздуха 15 электрически подключен к одному из двух входов схем сравнения 10 и 11, при этом ко второму входу схемы сравнения 10 электрически подключен выход задатчика минимально допустимой температуры воздуха 8, а ко второму входу схемы сравнения 11 подключен выход задатчика максимально допустимой температуры воздуха. Выход схемы сравнения 10 электрически соединен с входом формирователя управляющей команды 13 на закрытие регулятора 6, а выход схемы сравнения 11 соединен с формирователем управляющей команды 12 на открытие регулятора 6, при этом выходы этих формирователей соединены с приводом 14 двухпозиционного регулятора.

Кондиционер работает следующим образом.

Для поддержания заданного влажностного режима с постоянным выделением влаги компрессор 1 работает непрерывно в течение всего периода активного выделения влаги, например в течение всего рабочего дня экипажа. Сжатые в компрессоре 1 пары хладагента, например R218, поступают на вход двухпозиционного регулятора 6, после которого в зависимости от температуры воздуха на выходе из кондиционера, измеренной датчиком температуры 15, поступают либо непосредственно в водяной конденсатор 2 (положение регулятора "закрыто"), либо сначала проходят через нагревательный теплообменник 7 (положение регулятора "открыто") и лишь затем поступают в водяной конденсатор 2. В конденсаторе 2 пары хладагента конденсируются за счет его охлаждения, например теплоносителем контура системы термостатирования оболочки гермоотсека. Из конденсатора 2 жидкий хладагент через одну из полостей рекуперативного теплообменника 5 поступает в терморегулирующий вентиль 3, где происходит его дросселирование с понижением температуры, после которого он попадает в испаритель 4 с вентилятором. В этом теплообменнике хладагент охлаждает и осушает проходящий через него воздух, при этом сам хладагент испаряется и его пары проходят через другую полость теплообменника 5, охлаждая жидкость, поступающую на вход терморегулирующего вентиля 3. При этом пары хладагента подогреваются. Из теплообменника 5 подогретые пары засасываются компрессором 1. Поток воздуха, создаваемый вентилятором через теплообменную поверхность испарителя 4, имеющую температуру ниже точки росы, охлаждается, при этом влага из него конденсируется на поверхности теплообменника и удаляется системой сбора конденсата.

Осушенный и охлажденный воздух попадает затем в нагревательный теплообменник 7, где при его низкой температуре подогревается до необходимого комфортного значения.

Датчик температуры воздуха 15 измеряет температуру выходящего из нагревательного теплообменника 7 воздуха, при этом, если намеренное значение температуры воздуха выходит за минимальнодопустимый диапазон, устанавливаемый задатчиком минимально допустимой температуры воздуха 8, например, 15^oC, это значение через схему сравнения 11 и формирователь 12 выдает управляющее воздействие на привод 14 регулятора 6, после чего регулятор открывается и нагретые до 50 - 60^oC пары хладагента поступают в нагревательный теплообменник, который, в свою очередь, подогревает осушенный воздух. При повышении температуры воздуха выше максимально допустимого значения, например 25^oC, сигнал от датчика 5 попадает в схему сравнения 10, где сравнивается с значением максимально допустимой температуры, выдаваемым задатчиком 9, после чего формирователь 13 выдаст управляющую команду на привод 14 регулятора для его закрытия и подогрева воздуха не происходит.

Предложенный кондиционер позволяет полностью выполнить поставленную задачу, а именно обеспечить непрерывный сбор влаги из атмосферы отсека и поддержание температуры выходящего из испарителя воздуха в диапазоне комфортных значений. При этом не требуется дополнительной электроэнергии, поскольку в системе используется тепло, выделяемое в холодильном цикле.

Данный автономный кондиционер в полном объеме реализовал при проектировании и изготовлении системы терморегулирования служебного модуля новой международной орбитальной станции, при этом использованы все комплектующие отечественного производства.