CC BY
27Научные разработки и исследования
Бортовой термоакустическии кондиционер на природном газе
В.И. Карагусов,
профессор Омского Государственного Технического Университета, д.т.н., П.С. Мальцев,
магистрант Омского Государственного Технического Университета
Современное состояние развития термоакустических систем позволяет использовать их для создания бортовых транспортных теплоиспользую-щих систем кондиционирования воздуха с подводом энергии путем сжигания природного газа. Использование такого подхода позволяет перейти к экологически чистым технологиям климатотехники, а также улучшить потребительские свойства транспортных теплоиспользующих систем кондиционирования воздуха.
Ключевые слова: система кондиционирования воздуха, термоакустическая система, транспорт, природный газ.
The onboard thermoacoustic conditioner on natural gas
V.I. Karagusov, P.S. Maltsev
The modern condition of development of thermoacoustic systems allows to use them for creation of onboard transport heat energized air conditioner systems with a supply of energy by burning of natural gas. Use of such approach allows to pass to ecologically pure technologies climate technique, and also to improve consumer properties transport heat energized air conditioner systems.
Keywords: heat energized air conditioner systems, thermoacoustic system, transport, natural gas.
Большинство применяемых в настоящее время бортовых систем кондиционирования воздуха (СКВ) работают по пароком-прессионному циклу с фреонами (хладоны) в качестве рабочих тел. Парокомпрессионные СКВ содержат экологически неблагоприятные рабочие тела и требуют их дозаправки в процессе эксплуатации из-за утечек в атмосферу. Применение СКВ, отбирающих мощность с вала ДВС для работы компрессо-
ра, связано с потерями мощности на валу ДВС, увеличением расхода топлива, снижением динамических характеристик транспортного средства, использованием механических узлов и передач, в которых возникают трение и износ.
При эксплуатации автомобильных бортовых парокомпрессион-ных СКВ возникает противоречие: кондиционер работает практически на полную мощность в летнее время в пробках и на остановках,
когда двигатель работает на минимальных оборотах и мощности, которой обычно не хватает для работы СКВ. При увеличении скорости автомобиля мощность, отбираемая СКВ с вала двигателя, значительно увеличивает время разгона и расход топлива. Работа таких кондиционеров невозможна при неработающем двигателе. Кроме того, требования Монреальского протокола стимулируют разработчиков искать альтернативные решения для построения экологически чистых систем охлаждения и СКВ.
Анализ известных трансформаторов теплоты показал, что наиболее эффективное, технически простое и надежное решение может быть реализовано на основе термоакустического эффекта, который заключается в том, что в прямом термодинамическом цикле тепловая энергия преобразуется в акустическую, а в обратном акустическая энергия генерирует холод (термоакустический эффект К.Саундхауса и П.Рийке) [1, 2].
При нагревании газообразного рабочего тела в прямом термодинамическом цикле под действием термоакустического эффекта теплота преобразуется в энергию акустических колебаний. Затем энергия этих акустических колебаний в обратном термодинамическом цикле преобразуется в тепловую: в одном теплообменнике теплота выделяется (нагрев), в другом - поглощается (охлаждение). Таким образом, при нагревании одной части устройства на другой происходит генерация холода, что позволяет создать бортовую теплоиспользу-ющую СКВ.
В настоящее время значительное количество автомобильного транспорта переводится на природный газ, как на одно из самых
т
Научные разработки и исследования
Рис. 1. Схема бортовой теплоиспользующей термоакустической СКВ: 1 - вентиль подачи природного газа; 2 - камера сгорания; 3 - теплообменник нагрева; 4
- регенеративный теплообменник (горячий стек); 5, 11 - охлаждающие теплообменники; 6 - резонансная труба; 7, 14 - теплообменники сброса теплоты в окружающую среду; 8
- двухпоточный регенеративный теплообменник; 9 - «холодный» теплообменник; 10 -регенеративный теплообменник (холодный стек); 12 - салонный теплообменник кондиционера; 13 - циркуляционный насос
экономичных и экологичных топ-лив. Таким образом, на борту транспортного средства имеется газообразное топливо, которое с высокой эффективностью и независимо от работы двигателя может нагревать теплоиспользующий термоакустический кондиционер.
Теплоиспользующие термоакустические СКВ должны состоять как минимум из трех систем:
• генерации пульсаций давления (акустическая волна);
• циркуляции теплоносителей, коммуникации и теплообменников;
• термоакустического охлаждения.
Все эти системы имеют свои особенности.
Системы генерации пульсаций давления и термоакустического охлаждения должны включать специфичные теплообменные аппараты малых габаритов, выдерживающие большие тепловые нагрузки и расходы теплоносителей. Система генерации пульсаций давления должна иметь камеру сгорания с регулировкой подачи природного газа и воздуха. Система циркуляции теплоносителей, коммуникации и теплообменников должна
предусматривать достаточно большие расходы теплоносителя (или теплоносителей) на трех температурных уровнях, а также иметь набор теплообменных аппаратов, работающих в различных условиях. Габариты и форма системы бортовой СКВ должны позволять оптимальное ее размещение в моторном отсеке и в салоне. Необходимо также решить ряд проблем, связанных с увеличением звукового давления внутри термоакустического аппарата и уменьшением шума снаружи.
В схеме теплоиспользующей термоакустической СКВ (рис. 1) можно выделить четыре части.
1. Акустический генератор, состоящий из камеры сгорания 2, двух теплообменников 3 и 5, горячего стека 4 - регенеративного теплообменника, прозрачного для акустической волны. Горячий конец стека 4 находится в непосредственном контакте с теплообменником 3, а холодный конец - с теплообменником 5. За счет разности температур на концах стека генерируется акустическая волна, фронт которой направлен вправо (по рис. 1).
2. Промежуточная система охлаждения, которая состоит из охлаждающих теплообменников 5 и 9, теплообменников 7 и 14 сброса теплоты в окружающую среду с воздушным охлаждением, а также циркуляционного насоса 13. Назначение этой системы заключается в поддержании необходимой разности температур в горячем и холодном стеках для преобразования тепловой энергии в энергию акустической волны и для
2200
Л ООО
1800
1600
НПО
иго
ЯЯ)
««о
400
-----
1А
1.6
1А
ЗА
ад
ОЁ1»ем салйлэ, м1
Рис. 2. Зависимость холодопроизводительности СКВ от объема салона транспортного средства и температуры забортного воздуха
Научные разработки и исследования
?ык>
о 0.1 о.г ад а.4 с.5
Расход при одного rjjj, хг/чи Рис. 3. Зависимость холодопроизводительности СКВ от расхода природного газа
преобразования энергии акустической волны в полезный холод в салоне транспортного средства. В зависимости от объекта размещения циркуляционная система может быть выполнена одно-, двух- или трехконтурной с одним или несколькими разными теплоносителями. На рис. 1 показан вариант одноконтурной системы, в которую включен салонный теплообменник 12 кондиционера и двухпоточный регенеративный теплообменник 8 для регенерации холода, выносимого теплоносителем из салона.
3. Термоакустический охладитель, который включает теплообменники 9, 11 и холодный стек 10. За счет обратного термоакустического эффекта стек со стороны теплообменника 9 охлаждается, а со стороны теплообменника 8 нагревается, тем самым осуществляется холодильный цикл. Теплоноситель, охлажденный в теплообменнике 9, передается в салонный теплообменник 12, где охлаждает воздух.
4. Резонансная труба 6 представляет собой цилиндрический или более сложной формы сосуд, тепло- и звукоизолированный от окружающей среды, с системой креплений к корпусу транспортного средства и к циркуляционным контурам. На резонансной трубе 6 смонтированы в единый агрегат камера сгорания 2, теплообменники 3,5, 9, 11 и стеки 4, 10.
В герметичном объеме резонансной трубы 6 создается интенсивная акустическая волна, под действием которой образуются холодная (ниже температуры окружающей среды) и горячая зоны. Акустическая волна переносит тепловую энергию от холодной зоны к горячей. В итоге термоакустическая СКВ использует тепловую энергию сжигаемого природного газа и вырабатывает холод для кондиционирования салона, при этом не нуждается в компрессоре, хладонах и механических передачах. В качестве термоакустического рабочего тела может использоваться воздух или гелий.
В салоне транспортного средства теплообменник 12 кондиционера размещается аналогично традиционным. Теплообменники 7 и 14 размещаются вблизи радиатора ДВС или в другом вентилируемом месте. Для обеспечения функционирования СКВ при неработающем ДВС эти теплообменники должны иметь собственный вентилятор.
Были проведены расчеты зависимости холодопроизводительности СКВ от объема салона транспортного средства и температуры забортного воздуха (рис. 2), а также от расхода природного газа (рис. 3).
Использование термоакустического эффекта позволяет перейти к экологически чистым технологиям климатотехники и уменьшить воздействие на окружающую среду за счет уменьшения расхода топлива транспортными средствами, применения экологически чистых хладагентов, а также снизить стоимость, повысить ресурс, надежность и доступность бортовых СКВ, улучшить их потребительские свойства. Следует отметить, что избыточное давление рабочего тела в термоакустических СКВ значительно ниже, чем в паро-компрессионных и не превышает 0,1...0,2 МПа.
Литература
1. Feldman K.T. Review of literature on Rijke thermoacoustic phenomena // Journal of Sound and Vibration. - 1968. - Vol. 7. - No. 1. - P. 83-89.
2. Swift G.W. Thermoacoustics: A unifying perspective for some engines and refrigerators // Published by the Acoustical Society of America through the American Institute of Physics. - 2002. - 300 р.
