УСТРОЙСТВО КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА Российский патент 2001 года по МПК F24F3/14 

Изобретение относится к области вентиляции и кондиционирования воздуха методом косвенно-испарительного охлаждения и тепломассообмена.

Метод косвенно-испарительного охлаждения заключается в том, что основной поток воздуха охлаждают при постоянном влагосодержании, пропуская его по каналу с влагонепроницаемыми стенками, находящимися в теплообменном отношении со смежным влажным каналом, по которому подается вспомогательный поток воздуха. Эффект охлаждения достигается за счет испарения влаги, соответствующего снижения температуры на стенке влажного канала и теплопередачи от более теплого основного потока через влагонепроницаемую стенку к влажной стенке.

Метод тепломассообмена заключается в выравнивании разности потенциалов температуры и влагосодержания при взаимодействии двух несмешивающихся потоков через теплопроводящую и влагопроницаемую стенку, разделяющей эти потоки.

Известно устройство косвенно-испарительного охлаждения воздуха (патент РФ N 2031317, МКИ F 24 F 1/02, 1992 г.).

Оно содержит вентилятор подачи основного и вспомогательного потока, корпус с патрубками входа потоков, размещенные в корпусе емкость для воды, теплообменные секции с сухими и смежными влажными каналами, воздухораспределительную камеру, при этом сухие каналы образованы стенками из влагонепроницаемого материала, а влажные - стенками из капиллярно-пористого материала с возможностью контакта последнего с водой в емкости, причем влажные каналы всех секций заглушены со стороны патрубков входа потоков и сообщены с патрубками выхода влажного вспомогательного потока, а входы в сухие каналы секций сообщены патрубками с выходом вентилятора. В пределе данное техническое решение позволяет охладить основной поток до точки росы.

К недостаткам устройства по патенту N 2031317 относятся:
- невозможность его использования в системе обменной вентиляции, т.к. во входной патрубок поступает полный поток воздуха, равный сумме основного и вспомогательного потоков, что требует больших затрат энергии на создание напора полного потока, часть из которого (вспомогательный поток) не используется для вентиляции помещения;
- для получения необходимого соотношения расходов основного и вспомогательного потоков в существующем устройстве на выходных патрубках установлены регуляторы, которые создают дополнительное аэродинамическое сопротивление.

Известно устройство, содержащее пакет гигроскопичных капиллярно-пористых пластин, образующих каналы для воздушных потоков (патент США N 4051898, кл. F 28 F 3/12 от 04.10.1977 г.), использующее метод тепломассообмена и позволяющее выравнивать температурный и влажностный перепад двух потоков.

Недостатки этого устройства - снижение эффективности при низких температурах и высоком уровне относительной влажности одного из потоков, возможность практически полного прекращения влагообмена при отрицательных температурах приточного воздуха из-за образования ледяной корки со стороны входящего потока на гигроскопичной поверхности, невозможность регулирования процессов тепловлагообмена, а также необходимость контроля и регулярной специальной пропитки гигроскопического материала составом, предохраняющим его от процессов гниения и размножения микроорганизмов.

Наиболее близким к заявленному изобретению является устройство косвенно-испарительного охлаждения воздуха (патент РФ N 2140044, кл. F 24 F 3/14 от 27.02.1998 г.). Оно содержит вентиляторы для подачи основного и вспомогательного потоков, корпус с патрубками входа и выхода потоков, размещенные в корпусе емкость для воды, теплообменные секции с сухими и смежными влажными каналами, воздухораспределительную камеру. При этом сухие каналы образованы стенками из влагонепроницаемого материала, а влажные - стенками из капиллярно-пористого материала с возможностью контакта последнего с водой емкости, причем вход сухих каналов части теплообменных секций соединен с патрубками входа вспомогательного потока, а выход с воздухораспределительной камерой, вход сухих каналов другой части теплообменных секций соединен с патрубками входа основного потока, а выход - с патрубками выхода кондиционируемого основного потока, причем воздухораспределительная камера расположена на выходе из сухих каналов теплообменных секций вспомогательного потока и сообщена газодинамически со входом влажных каналов всех секций.

В известном устройстве увеличена эффективность охлаждения основного потока, снижена доля вспомогательного потока до 25 - 30% от полного потока, а также обеспечена возможность использования в процессе охлаждения потоков с различными характеристиками по температуре, влажности и газовому составу.

Хотя известное устройство имеет конструкцию теплообменника, обеспечивающего два независимых потока и эффективное охлаждение воздуха, оно не может эффективно работать в режиме обменной вентиляции и рекуперативной утилизации тепла помещения.

Предложенное техническое решение направлено на повышение эффективности работы устройства как в режиме охлаждения основного потока в теплый период года, так и в режиме рекуперативной утилизации тепла в холодный период года.

Этот результат достигается тем, что устройство снабжено двумя клапанами и дополнительным патрубком, при этом один клапан установлен в дополнительном патрубке, соединяющем воздухораспределительную камеру с кондиционируемым помещением, другой клапан установлен в патрубке входа вспомогательного потока, а часть стенки сухих каналов теплообменных секций выполнена из капиллярно-пористого материала, соединенного с капиллярно-пористым материалом влажных каналов вспомогательного потока. Клапаны выполнены в виде регуляторов расхода, перераспределяющих потоки по вспомогательным каналам, а в дополнительном патрубке вспомогательного потока перед входом в воздухораспределительную камеру установлена система подогрева воздуха.

В предложенном решении устройство не только эффективно охлаждает воздух, но и эффективно работает в режиме рекуперативной утилизации тепла. Это достигается следующими конструктивными решениями:
а) соединение воздухораспределительной камеры с кондиционируемым помещением дополнительным патрубком с клапаном и установка во входном патрубке вспомогательного потока второго клапана позволяет в холодный период года более эффективно использовать (утилизировать) тепло воздуха помещения для нагрева свежего воздуха, подаваемого в кондиционируемое помещение при удалении из него отработанного воздуха;
б) выполнение части стенки сухих каналов теплообменных секций, например на участке воздухораспределительной камеры, из капиллярно-пористого материала, соединенного с капиллярно-пористым материалом влажных каналов вспомогательного потока позволяет собирать конденсируемую влагу из удаляемого из помещения отработанного воздуха и возвращать ее в вентилируемый свежий воздух, подаваемый в кондиционируемое помещение, а в теплый период повышать эффективность охлаждения основного потока;
в) выполнение клапанов в виде регуляторов расхода позволяет более эффективно распределять воздушные потоки как при охлаждении, так и при утилизации тепла;
г) установка в дополнительном патрубке перед входом в воздухораспределительную камеру системы подогрева воздуха позволяет избегать замерзания влажных каналов при выходе воздуха в сборный коллектор и в выходной патрубок.

На фиг. 1 представлен общий вид устройства кондиционирования воздуха с сечением по сухим каналам теплообменных секций для теплого периода эксплуатации.

На фиг. 2 и 3 представлены общие виды устройства с сечениями по влажным каналам теплообменных секций, в которых показаны вспомогательные потоки для теплого (фиг. 2) и холодного (фиг. 3) режимов эксплуатации.

На фиг. 4 и 5 - разрезы на фиг. 1, 2 и 3 по А-А и по Б-Б.

На фиг. 6 - разрез по В-В воздухораспределительной камеры.

Устройство кондиционирования воздуха методом косвенно-испарительного охлаждения и тепломассообмена содержит вентилятор 1 подачи основного потока 2, вентилятор 3 удаления вспомогательного потока 4, корпус 5 с емкостью для воды 6, патрубок 7 входа основного потока 2, патрубок 8 и клапан 9 входа вспомогательного потока 10 при работе в режиме охлаждения (теплый период года), патрубок 11 и клапан 12 входа вспомогательного потока 13 при работе в режиме утилизации тепла в холодный период года, патрубок 14 выхода основного потока 15, патрубок 16 выхода вспомогательного потока 4, теплообменные секции 17 и 18 с сухими каналами 19, 20 и смежными влажными каналами 21, 22, воздухораспределительную камеру 23 и коллектор 24.

Сухие каналы 19 и 20 образованы стенками 25 из влагонепроницаемого материала, а влажные каналы 21 и 22 образованы стенками из капиллярно-пористого материала 26 с возможностью контакта последнего с водой в емкости 6. Выходы влажных каналов 21 и 22 секций 17 и 18 соединены с коллектором 24, который заглушен деталями 27 со стороны патрубков 7 и 8 входа потоков 2 и 10. Сухие каналы 19 секции 17 газодинамически последовательно сообщены на входе патрубком 7 основного потока 2 и на выходе патрубком 14, а часть стенки 25 сухого канала 19 выполнена из капиллярно-пористого материала 28. Сухие каналы 20 секции 18 газодинамически последовательно сообщены на входе патрубком 8 вспомогательного потока 10, а на выходе с воздухораспределительной камерой 23, которая сообщена со входами всех влажных каналов 21 и 22.

Устройство кондиционирования воздуха методом косвенно-испарительного охлаждения и тепломассообмена может быть снабжено клапанами 9 и 12, выполненными в виде регуляторов расхода для плавного регулирования частей расходов вспомогательного потока через секции 17 и 18. Во входном патрубке 11 может быть также дополнительно установлен нагреватель 29 для прогрева воздухораспределительной камеры 23 и устранения промерзания каналов 21 на выходе в коллектор 24 и выходного патрубка 16 при работе в режиме рекуперации тепла в холодный период. При этом одновременно усиливается передача влаги и тепла сухому холодному основному потоку 15 от подогретого более влажного вспомогательного потока 13 и возвращается в помещение большая часть затраченного на дополнительный подогрев тепла.

Предложенное устройство предназначено для использования как в теплый, так и в холодный периоды и работает следующим образом.

В обоих режимах (охлаждения и подогрева) основной поток воздуха 2 подается вентилятором 1 через входной патрубок 7 в сухие каналы 19 теплообменной секции 17, где охлаждается (теплый период) или нагревается (холодный период) за счет теплообмена. После прохождения участка тепломассообмена основной поток 15 подается в помещение через выходной патрубок 14. Удаление отработавшего вспомогательного потока 4 (см. фиг. 2 и 3) обеспечивается вытяжным вентилятором 3 через выходной патрубок 16.

В режиме охлаждения клапан 9 открыт и вспомогательный поток 10 через патрубок 8 попадает через сухие каналы 20 секции 18 (фиг. 1) в воздухораспределительную камеру 23. В воздухораспределительной камере 23 поток 10 (фиг. 2) разделяется на две части. Одна часть направляется противоточно по влажным каналам 22 секции 18. Оставшаяся часть вспомогательного потока 10 направляется из воздухораспределительной камеры 23 во влажные каналы 21 секции 17. При этом за счет испарения влаги на поверхности капиллярно-пористого материала 26 во влажных каналах 21 (фиг. 4) одна часть вспомогательного потока охлаждает в секции 17 через стенки 25 каналов 19 основной поток 2, а во влажных каналах 22 (фиг. 5) другая часть вспомогательного потока охлаждает в секции 18 через стенки 25 каналов 20 вспомогательный поток 10, входящий через патрубок 8. Нагретый вследствие теплообмена с встречным основным потоком 2 и сухим вспомогательным потоком 10, влажный вспомогательный поток 4 из каналов 21 и 22 собирается в коллектор 24 и далее через патрубок 16 отработавший вспомогательный поток 4 удаляется вентилятором 3 в атмосферу.

При работе устройства в режиме охлаждения процесс тепломассообмена на пористой поверхности окна 28 может протекать различно в зависимости от параметров вспомогательного режима.

В первом случае при работе в зоне влажного климата вспомогательный поток предварительно осушается (например, в осушителе) и его влагосодержание значительно ниже влагосодержания основного потока так, что точка росы основного потока будет выше температуры его охлаждения, то выпадающий конденсат будет впитываться пористым материалом и удаляться вспомогательным потоком, протекающим в смежном канале.

Во втором случае при работе в зоне сухого климата, влагосодержание обоих потоков одинаковы, то в зоне 28 происходит дополнительное снижение температуры основного потока за счет его увлажнения. Охлажденный и увлажненный основной поток в этом случае позволяет создать комфортные условия в кондиционируемом помещении по температуре и относительной влажности воздуха.

В режиме утилизации тепла (нагрева холодного наружного воздуха теплом удаляемого воздуха помещения, см. фиг. 3), клапан 9 закрыт, а клапан 12 открыт и отработанный воздух помещения 13 через патрубок 11 сразу попадает в воздухораспределительную камеру 23. Дальнейший путь вспомогательного потока полностью совпадает с описанным выше режимом охлаждения, но с противоположным по знаку режимом тепломассообмена. В секции 17 происходит подогрев холодного основного потока 2, охлаждение вспомогательного потока 13 с конденсацией влаги (при снижении его температуры ниже точки росы). Капиллярно-пористый материал во влажных каналах 21 служит для сбора конденсата, передачи его в зону тепломассообмена окна 28 и возвращения через пористый материал влаги помещения в предварительно подогретый основной поток 15. Часть теплого вспомогательного потока 13 из воздухораспределительной камеры 23 по каналам 22 секции 18 без теплообмена, т.к. клапан 9 закрыт, попадает в коллектор 24, что обеспечивает дополнительный прогрев коллектора 24 и выходного патрубка 16. При очень низкой температуре наружного воздуха включается нагреватель 29 для дополнительного подогрева вспомогательного потока 13, что позволяет исключить замораживание системы и при этом вернуть основную часть затраченного тепла в помещение. Важным преимуществом такой системы подогрева является возможность обеспечения экологической чистоты вентилируемого воздуха даже при использовании таких источников тепла, которые невозможно использовать для подогрева основного потока (применение продуктов горения углеводородных топлив, электронагревателей с открытой спиралью, сжигающих кислород, и т.п.), т.к. подогретый поток удаляется.

Таким образом, предлагаемое устройство наиболее полно из известных нам косвенно-испарительных систем кондиционирования отвечает своему назначению и позволяет использовать в качестве вспомогательного потока отработанный воздух помещения, который может получить дополнительную обработку (осушение, нагрев). Устройство применяется для целей охлаждения вентилируемого воздуха в теплый период года, утилизации тепла в холодный период и регулирования влагосодержания в экологически чистых системах кондиционирования жилых, производственных, сельскохозяйственных помещениях и на транспорте.

Устройство кондиционирования воздуха методом косвенно-испарительного охлаждения и тепломассообмена, предназначено для охлаждения вентилируемого воздуха, а также утилизации тепла и выравнивания влагосодержания приточного воздуха за счет тепломассообмена с вспомогательным потоком воздуха, удаляемым из помещения. Устройство содержит вентиляторы подачи основного и вспомогательного потоков, корпус с патрубками входа и выхода потоков, размещенные в корпусе емкость для воды, теплообменные секции, воздухораспределительную камеру, расположенную на выходе из сухих каналов теплообменных секций вспомогательного потока и газодинамически связанную с входами влажных каналов всех секций и кондиционируемым помещением. Техническим результатом является возможность использования в качестве вспомогательного потока отработанного воздуха, который может получить дополнительную обработку (осушение, нагрев) и применяется для целей охлаждения вентилируемого воздуха, утилизации тепла и выравнивания влагосодержания приточного воздуха и удаляемого воздуха помещения в экологически чистых системах кондиционирования жилых, производственных, сельскохозяйственных помещениях и на транспорте. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство кондиционирования воздуха, содержащее вентиляторы подачи основного и вспомогательного потоков, корпус с патрубками входа и выхода потоков, размещенные в корпусе емкость для воды, теплообменные секции с сухими и смежными влажными каналами, воздухораспределительную камеру, при этом сухие каналы образованы стенками из влагонепроницаемого материала, а влажные - стенками из капиллярно-пористого материала с возможностью контакта последнего с водой в емкости, причем вход сухих каналов части теплообменных секций соединен с патрубками входа вспомогательного потока, а выход - с воздухораспределительной камерой, вход сухих каналов другой части теплообменных секций соединен с патрубками входа основного потока, а выход - с патрубками выхода кондиционируемого основного потока, при этом воздухораспределительная камера расположена на выходе из сухих каналов теплообменных секций вспомогательного потока и сообщена газодинамически с входом влажных каналов всех секций, отличающееся тем, что, устройство снабжено двумя клапанами и дополнительным патрубком, при этом один клапан установлен в дополнительном патрубке, соединяющем воздухораспределительную камеру с кондиционируемым помещением, а другой клапан установлен в патрубке входа вспомогательного потока, а часть стенки сухих каналов теплообменных секций выполнена из капиллярно-пористого материала, соединенного с капиллярно-пористым материалом влажных каналов вспомогательного потока. 2. Устройство кондиционирования воздуха по п.1, отличающееся тем, что клапаны выполнены в виде регуляторов расхода, перераспределяющих потоки по вспомогательным каналам. 3. Устройство кондиционирования воздуха по п.1, отличающееся тем, что в дополнительном патрубке вспомогательного потока перед входом в воздухораспределительную камеру установлена система подогрева воздуха.