RU2131563C1

RU2131563C1 - Air heating and cooling device

Info

Publication number: RU2131563C1
Application number: RU97113575A
Authority: RU
Inventors: С.И. Петров; В.И. Андреев; К.В. Андреев; П.Ф. Волохов
Original assignee: Петров Сергей Иванович; Волохов Петр Федорович
Priority date: 1997-07-21
Filing date: 1997-07-21
Publication date: 1999-06-10

Abstract

FIELD: gas-handling facilities. SUBSTANCE: gas-dispensing device is, essentially, slide valve mounted inside expander coaxially to rod and plate for its change-over by means of covers of expander bellows. Air is cooled down within expander in succession, that is, first in chamber of large bellows and then in that of small bellows. Device is provided with heat exchanger handling opposing flows of cold and hot working media. EFFECT: improved efficiency, reduced idle space and hydrodynamic loss. 2 dwg

Description

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. The invention relates to the field of mechanics, and more specifically to the classes of heating and refrigeration equipment, is a gas heat pump with a power drive and can be used to create air conditioners and units for air heating and cooling of automobiles, residential and industrial premises.

В настоящее время известны устройства для получения тепла и холода, например, по а.с. N 892148, кл. F 25 B 29/00; 9/02, тепловой насос, содержащий вихревую трубу, центробежный компрессор, высокотемпературный и низкотемпературный теплообменники, объединенные трактом газообмена в одно устройство. Currently known devices for generating heat and cold, for example, by A. with. N 892148, cl. F 25 B 29/00; 9/02, a heat pump containing a vortex tube, a centrifugal compressor, high-temperature and low-temperature heat exchangers, combined by a gas exchange path into one device.

Недостатком описанного устройства является его сложность, т.к. компрессор центробежного типа для создания значительного перепада давлений, необходимого для работы вихревой трубы, должен иметь высокое число оборотов и значительные габариты по диаметру колеса. The disadvantage of the described device is its complexity, because a centrifugal compressor to create a significant pressure drop necessary for the operation of the vortex tube must have a high speed and significant dimensions in diameter of the wheel.

Известна также "Установка для получения тепла и холода" по а.с. N 1522001, кл. F 25 B 11/00, 9/02, содержащая линию, подводящую сжатый воздух, детандер, волновой криогенератор и теплообменники, связывающие их в одну систему. Also known is "Installation for receiving heat and cold" by as N 1522001, CL F 25 B 11/00, 9/02, containing a line supplying compressed air, an expander, a wave cryogenerator and heat exchangers connecting them into one system.

Установка достаточно проста, но решающим ее недостатком является "открытость" цикла, требующего постоянного подвода извне сжатого воздуха, что делает КПД установки низким, а установку непригодной для нужд отопления. The installation is quite simple, but its decisive disadvantage is the "openness" of the cycle, which requires constant supply of compressed air from the outside, which makes the installation's efficiency low and the installation unsuitable for heating needs.

Наиболее близким аналогом является "Газовая холодильная машина", описанная в патенте N 2053461, кл. F 25 B 9/00, содержащая две пары складывающихся сильфонов, расположенных на общем штоке и образующих компрессор и детандер, заключенные в герметичный вакуумированный кожух. The closest analogue is the "Gas refrigeration machine" described in patent N 2053461, class. F 25 B 9/00, containing two pairs of folding bellows located on a common stem and forming a compressor and expander enclosed in a sealed evacuated casing.

Недостатком описанной конструкции является то, что полости внешних /горячего и холодного/ теплообменников образуют значительные паразитные пространства, а в случае использования ее в качестве устройства для нагрева и охлаждения воздуха, для прокачки воздуха через теплообменники нужны дополнительные устройства. Размещение газораспределительных устройств вне рабочих полостей снижает надежность герметизации газообменных трактов. The disadvantage of the described construction is that the cavities of the external / hot and cold / heat exchangers form significant stray spaces, and if it is used as a device for heating and cooling air, additional devices are needed for pumping air through the heat exchangers. The placement of gas distribution devices outside the working cavities reduces the reliability of sealing gas exchange paths.

Существенным недостатком является также отсутствие утилизации недоиспользованного тепла и холода за время рабочего такта, что существенно снижает термодинамический КПД машины и усложняет ее устройство. A significant drawback is the lack of utilization of underused heat and cold during the working cycle, which significantly reduces the thermodynamic efficiency of the machine and complicates its construction.

Предлагаемое изобретение призвано решить задачу повышения КПД, сокращения паразитных пространств и снижения гидродинамических потерь за счет упрощения теплообмена между р.т. и воздухом непосредственно через мембраны сильфонов, без применения устройств для прокачки воздуха через них, а также полной герметизации газообменного тракта между сильфонами. The present invention is intended to solve the problem of increasing efficiency, reducing parasitic spaces and reducing hydrodynamic losses by simplifying heat transfer between mercury and air directly through the membranes of the bellows, without the use of devices for pumping air through them, as well as complete sealing of the gas exchange path between the bellows.

Поставленная задача решается тем, что газообмен рабочим телом между компрессором и детандером осуществлен через посредство газораспределительного золотника, расположенного внутри детандера соосно штоку и плате и выполненного с возможностью привода от крышек сильфонов детандера, а камеры, содержащие сильфоны компрессора, выполнены с возможностью периодического вытеснения нагреваемого воздуха из большей камеры в меньшую и далее к потребителю, камеры, содержащие сильфоны детандера, выполнены с возможностью периодического вытеснения охлаждаемого воздуха из большей камеры в меньшую и далее к потребителю. The problem is solved in that the gas exchange by the working fluid between the compressor and the expander is carried out through a gas distribution valve located inside the expander coaxially to the rod and circuit board and configured to drive expander bellows from the covers, and chambers containing compressor bellows are made to periodically displace the heated air from a larger chamber to a smaller one and further to the consumer, chambers containing expander bellows are configured to periodically be displaced hlazhdaemogo air from the larger chamber in a lower and further to the consumer.

Предлагаемое устройство схематически изображено в разрезе на фиг. 1; на фиг. 2 показана его диаграмма P-V. The proposed device is shown schematically in section in FIG. 1; in FIG. 2 shows its P-V diagram.

Устройство, см. фиг. 1, состоит из корпуса 1, разделенного герметичной перегородкой 2. В нижней части корпуса 1 на плате 3 установлен компрессор, состоящий из приемного сильфона 4, расположенного в камере 5, и меньшего по диаметру сильфона сжатия 6, расположенного в камере 7. The device, see FIG. 1, consists of a housing 1, separated by a sealed partition 2. In the lower part of the housing 1, a compressor 3 is installed on the board 3, consisting of a receiving bellows 4 located in the chamber 5 and a smaller diameter compression bellows 6 located in the chamber 7.

В верхней части корпуса на плате 8 установлен детандер, состоящий из сильфона расширения 9, расположенного в камере 10, и меньшего по диаметру приемного сильфона 11, расположенного в камере 12. In the upper part of the housing, an expander is installed on the board 8, consisting of an expansion bellows 9 located in the chamber 10, and a smaller diameter bellows 11 located in the chamber 12.

Все сильфоны выполнены мембранными со складывающимися гофрами, т.е. имеют минимальное вредное пространство, а внутренние полости, образованные сильфонами 4, 6, 9, 11 и их крышками 13, 14. 16 и 15 соответственно, заполнены под избыточным давлением газообразным р.т., например гелием, азотом, воздухом и т.п. All bellows are made of membrane with folding corrugations, i.e. have minimal harmful space, and the internal cavities formed by the bellows 4, 6, 9, 11 and their caps 13, 14, 16 and 15, respectively, are filled under overpressure with gaseous mercury, for example helium, nitrogen, air, etc. .

Все крышки сильфонов жестко закреплены на общем штоке 17, нижний конец которого пропущен в полость картера 18, где через посредство шатуна 19, кинематически связанного с силовым механизмом привода (условно не показан). All bellows covers are rigidly fixed to a common stem 17, the lower end of which is passed into the cavity of the crankcase 18, where, through a connecting rod 19, kinematically connected with the power drive mechanism (not shown conditionally).

В плате 3 расположен обратный клапан 20, выполненный с возможностью сообщения полости приемного сильфона 4 компрессора с полостью сильфона сжатия 6. In the circuit board 3 there is a check valve 20, configured to communicate the cavity of the receiving bellows 4 of the compressor with the cavity of the compression bellows 6.

В плате 8 расположен газораспределительный золотник 21, выполненный с возможностью сообщения полостей 9,11 детандера через каналы 22 и 23, или сообщения этих полостей с полостями компресора 4, 6 через каналы 24 и 25. In the circuit board 8 there is a gas distribution valve 21, configured to communicate the cavities 9.11 of the expander through channels 22 and 23, or to communicate these cavities with the cavities of the compressor 4, 6 through channels 24 and 25.

Камера 5 снабжена впускным клапаном 26 и выпускным 27, выполненным с возможностью сообщения с камерой 7. The camera 5 is equipped with an inlet valve 26 and an outlet 27, configured to communicate with the camera 7.

Камера 12 снабжена впускным клапаном 28 для перепуска охлаждаемого воздуха из камеры 10 в камеру 12, а последняя снабжена выпускным (холодным) патрубком 29. The chamber 12 is equipped with an inlet valve 28 for bypassing the cooled air from the chamber 10 into the chamber 12, and the latter is equipped with an outlet (cold) pipe 29.

Каналы 24 и 25 заключены в корпус 30 и образуют теплообменник со встречными потоками р.т. Channels 24 and 25 are enclosed in a housing 30 and form a heat exchanger with oncoming flows of mercury.

Устройство для получения тепла и холода работает следующим образом (см. фиг. 1). A device for generating heat and cold works as follows (see Fig. 1).

На фиг. 1 устройство изображено в момент прихода штока 17 в нижнюю мертвую точку, когда закончены циклы перепуска р.т., без изменения объема. In FIG. 1, the device is shown at the time the rod 17 arrives at bottom dead center when the mercury bypass cycles are completed, without changing the volume.

При дальнейшем повороте кривошипа привода шток 17 под действием шатуна 19 пойдет вверх. В результате чего р.т. в детандере будет вытесняться из меньшего приемного сильфона 11 в больший сильфон расширения 9 по каналу 22, через выточку золотника 21 и каналу 23, т.е. р.т. будет расширяться, а температура его - падать (см. политропу III-IV на диаграмме P-V). При этом р.т. будет отбирать теплоту от воздуха, поступающего через впускной клапан 28 в камеру 12 через стенки мембран приемного сильфона 11, и от воздуха, находящегося в камере 10, через стенки мембран сильфона расширения 9, который будет при этом вытеснять охлаждаемый воздух из камеры 10 через клапан 28 в камеру 12 и далее к потребителю через патрубок 29. With further rotation of the drive crank, the rod 17 under the action of the connecting rod 19 will go up. As a result of which in the expander it will be forced out from the smaller receiving bellows 11 into the larger expansion bellows 9 along channel 22, through the recess of the spool 21 and channel 23, i.e. rt will expand, and its temperature will drop (see polytropus III-IV in diagram P-V). In this case, mercury will take heat from the air entering through the inlet valve 28 into the chamber 12 through the walls of the membranes of the receiving bellows 11, and from the air inside the chamber 10 through the walls of the membranes of the expansion bellows 9, which will then expel the cooled air from the chamber 10 through the valve 28 into the chamber 12 and further to the consumer through the pipe 29.

Одновременно р.т. из полости приемного сильфона 4 компрессора будет вытесняться через обратный клапан 20 в сильфон сжатия 6 (см. политропу I-II на диаграмме P-V). В результате чего давление и температура р.т. будут повышаться и его теплота будет передаваться через мембраны сильфона сжатия 6 воздуху, вытесняемому им из камеры 7 через патрубок 31, и далее к потребителю. Одновременно в камеру 5 через впускной клапан 26 будет поступать воздух и отбирать теплоту от р.т., находящегося в полости сильфона 4, через стенки его мембран. At the same time mercury from the cavity of the receiving bellows 4, the compressor will be forced out through the check valve 20 into the compression bellows 6 (see polytropic I-II in diagram P-V). As a result, the pressure and temperature of mercury will increase and its heat will be transmitted through the membranes of the compression bellows 6 to the air displaced by it from the chamber 7 through the pipe 31, and then to the consumer. At the same time, air will enter the chamber 5 through the inlet valve 26 and take away heat from the mercury located in the cavity of the bellows 4 through the walls of its membranes.

При подходе штока 17 к верхней мертвой точке крышка 15 приемного сильфона 11 коснется хвостовика газораспределительного золотника 21 и передвинет его в крайнее верхнее положение, что соответствует точкам II и IV диаграммы P-V. При этом сильфонные полости детандера будут разобщены, а полость сильфона сжатия 6 компрессора через канал 25, выточку золотника 21 и канал 22 будет сообщена с полостью приемного сильфона 11 детандера, а полость расширения 9 детандера через каналы 23, выточку золотника 21 и канал 24 будет сообщена с полостью приемного сильфона 4 компрессора. When the rod 17 approaches the top dead center, the cover 15 of the receiving bellows 11 touches the shank of the gas distribution valve 21 and moves it to its highest position, which corresponds to points II and IV of the diagram P-V. The bellows cavity of the expander will be disconnected, and the cavity of the compression bellows 6 of the compressor through channel 25, the recess of the valve 21 and channel 22 will be communicated with the cavity of the receiving bellows 11 of the expander, and the expansion cavity 9 of the expander through channels 23, the recess of the valve 21 and channel 24 will be communicated with the cavity of the receiving bellows 4 compressor.

При начале движения штока 17 вниз р.т. через канал 23, выточку золотника 21 и канал 24 будет вытесняться из сильфона расширения 9 детандера в приемный сильфон 4 компрессора без изменения объема, но при повышении давления, вследствие отбора теплоты от воздуха, всасываемого в камеру 10, а также от теплоты встречного потока р. т. в теплообменнике 30 (см. изохору IV-I на диаграмме P-V), который вытесняется в это время из полости сильфона сжатия 6 компрессора через канал 25, выточку золотника 21 и канал 22 в полость приемного сильфона 11 детандера, без изменения объема, но при снижении давления вследствие охлаждения от воздуха в камере 7 и в теплообменнике 30 (см. изохору II-III на диаграмме P-V). At the beginning of the movement of the rod 17 down RT through channel 23, the recess of the spool 21 and channel 24 will be expelled from the expansion bellows 9 of the expander to the receiving bellows 4 of the compressor without changing the volume, but with increasing pressure, due to the selection of heat from the air drawn into the chamber 10, as well as from the heat of the oncoming flow p. i.e., in the heat exchanger 30 (see isochore IV-I in the PV diagram), which is expelled at this time from the cavity of the compression bellows 6 of the compressor through channel 25, the recess of the spool 21 and channel 22 into the cavity of the receiving bellows 11 of the expander, without changing the volume, but with a decrease in pressure due to cooling from air in the chamber 7 and in the heat exchanger 30 (see isochore II-III in the PV diagram).

Одновременно воздух из камеры 5 будет вытесняться через клапан 27 в камеру 7, где дополнительно подогреется от сильфона сжатия 6, и далее через патрубок 31 к потребителю. At the same time, air from the chamber 5 will be forced out through the valve 27 into the chamber 7, where it is additionally heated from the compression bellows 6, and then through the pipe 31 to the consumer.

При достижении штоком 17 нижней мертвой точки крышка 16 сильфона расширения 9 опять переместит золотник 21 в нижнее положение (см. фиг.1), запрет каналы 24 и 25 и сообщит каналами 22 и 23 полости сильфонов 9 и 11, т.е. устройство вернется в исходное положение (см. фиг.1), что соответствует точкам I и III на диаграмме P-V. When the stem 17 reaches the bottom dead center, the cover 16 of the expansion bellows 9 again moves the slide valve 21 to the lower position (see Fig. 1), prohibits the channels 24 and 25 and communicates the cavities of the bellows 9 and 11 with the channels 22 and 23, i.e. the device will return to its original position (see figure 1), which corresponds to points I and III in the diagram P-V.

В течение рабочего процесса масса р.т. перемещается двумя равными по весовому количеству потоками (на диаграмме параллельно) из сильфона в сильфон "по кругу". During the working process, the mass of mercury moves by two flows equal in weight quantity (in the diagram in parallel) from the bellows to the bellows "in a circle."

Из вышеизложенного следует, что предлагаемое устройство для получения тепла и холода имеет минимальный паразитный объем. From the foregoing, it follows that the proposed device for generating heat and cold has a minimum parasitic volume.

Поскольку система газообмена между компрессором и детандером выполнена в виде трубопроводов со встречными потоками р. т., объединенных в корпусе теплообменника, то теплообмен между холодным и горячим встречными потоками р. т. увеличивает перепад давлений в изохорных процессах II-III и IV-I (см. диаграмму P-V,фиг. 2). Since the gas exchange system between the compressor and the expander is made in the form of pipelines with oncoming flows p. t., combined in the heat exchanger housing, the heat exchange between cold and hot oncoming flows p. t. increases the pressure drop in isochoric processes II-III and IV-I (see diagram P-V, Fig. 2).

Все это обеспечивает повышение термодинамического КПД устройства, а привод газораспределительного золотника от крышек сильфонов детандера позволяет расположить его внутри рабочих полостей, чем обеспечивается полная герметизация рабочего пространства устройства. All this provides an increase in the thermodynamic efficiency of the device, and the drive of the gas distribution valve from the bellows covers of the expander allows you to place it inside the working cavities, which ensures complete sealing of the working space of the device.

Кроме того, оппозитное расположение сильфонов детандера по отношению к сильфонам компрессора позволяет использовать работу расширения р.т. в детандере во время такта сжатия р.т. в компрессоре, что существенно снижает потребляемую мощность и выравнивает крутящий момент на валу привода. In addition, the opposite arrangement of the expander bellows relative to the compressor bellows allows the expansion work of the RT to be used. in the expander during the compression stroke rt in the compressor, which significantly reduces power consumption and evens out the torque on the drive shaft.

Claims

A device for heating and cooling air, comprising a housing with a compressor and expander located in it, made of membrane bellows with folding corrugations, characterized in that the gas exchange between the compressor and the expander is carried out by means of a gas distribution valve located inside the expander coaxially with the rod and circuit board and made with the possibility of drive from the covers of the expander bellows, and the chamber containing the compressor bellows, made with the possibility of periodic displacement agrevaemogo air from the larger chamber in a lower and further to the consumer chamber containing bellows expander adapted to periodically displacing cooled air from the larger chamber in a lower and further to the consumer.