ВЕНТИЛЯТОР-ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 2004 года по МПК F04D17/02 F28D11/02 

Изобретение относится к теплообменным аппаратам, в которых теплоносители не смешиваются друг с другом, и может быть использовано, например, в системах вентиляции и кондиционирования воздуха для теплообмена между заборным и вытяжным воздушными потоками.

Известен вентилятор-теплообменник [1], содержащий корпус и установленные в корпусе на одном валу два центробежных вентилятора, ориентированные в противоположных направлениях друг другу. В корпусе сформировано два канала для теплоносителей (воздушных потоков) с различной температурой, разделенные теплообменным элементом, выполненным в виде гофрированной радиальной перегородки, установленной за кромкой рабочих колес вентиляторов и имеющей диск, разделяющий вентиляторы. При вращении вентиляторов теплоносители через соответствующие всасывающие патрубки поступают в межлопаточное пространство вентиляторов и далее, омывая с обеих сторон гофрированную радиальную перегородку теплообменного элемента, выводятся из корпуса через соответствующие нагнетательные патрубки. Теплообмен осуществляется через гофрированную перегородку во время омывания теплоносителями ее граней.

К недостаткам данной конструкции следует отнести большие радиальные габариты.

Известен также вентилятор-теплообменник [2], содержащий корпус и установленные в корпусе на одном валу два центробежных вентилятора, ориентированные в противоположных направлениях друг другу. В корпусе сформировано два канала для теплоносителей с различной температурой, разделенные стенкой, разделяющей также оба вентилятора. Теплообменный элемент выполнен в виде радиальных ребер, установленных на обеих поверхностях перегородки за кромкой рабочих колес вентиляторов. При вращении вентиляторов теплоносители через соответствующие всасывающие патрубки поступают в межлопаточное пространство вентиляторов и далее, омывая с обеих сторон радиальные ребра теплообменного элемента, выводятся из корпуса через соответствующие нагнетательные патрубки. Теплообмен осуществляется через радиальные ребра и собственно перегородку.

К недостаткам данной конструкции также следует отнести большие радиальные габариты.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является вентилятор-теплообменник [3] , содержащий корпус и установленное в корпусе рабочее колесо двустороннего центробежного вентилятора, выполненного в виде радиально гофрированного диска с внешним ободом, при этом грани гофры выполняют функцию радиальных лопаток. В корпусе имеется перегородка, примыкающая к внешнему ободу рабочего колеса и разделяющая корпус на две изолированные полости (канала) для теплоносителей (воздушных потоков) с различной температурой. Благодаря указанной перегородке в корпусе образуются два изолированных центробежных вентилятора с единым двусторонним рабочим колесом. При вращении рабочего колеса теплоносители через соответствующие всасывающие патрубки в корпусе поступают в межлопаточное пространство вентиляторов и далее выводятся из корпуса через соответствующие нагнетательные патрубки. Теплообмен в таком устройстве осуществляется через радиальные грани гофрированного рабочего колеса.

В известном вентиляторе-теплообменнике рабочее колесо, являющееся одновременно теплообменной поверхностью, образовано радиально гофрированной поверхностью. Такое исполнение рабочего колеса приводит к низкой его эффективности как элемента центробежного вентилятора, так и как теплообменника.

Первое объясняется тем, что функцию лопаток выполняет радиально гофрированная поверхность. В этом случае воздушный поток на выходе вентилятора имеет избыточное давление, превышающее давление, необходимое для преодоления полного гидравлического сопротивления вентилятора. Это требует увеличения подводимой мощности. Для устранения этой особенности, характерной для центробежных вентиляторов с радиальными лопатками, необходимы лопатки иного профиля, а именно - загнутые назад лопатки. Очевидно, что изготовление гофрированного диска с загнутыми лопатками представляет собой достаточно сложную технологическую задачу. Кривизна таких гофр будет определяться допустимой пластической деформацией материала, из которого изготавливается рабочее колесо. При этом такие свойства материала входят в противоречие с требуемой жесткостью рабочего колеса, на которое во время работы действуют значительные центробежные силы. Данное противоречие приводит к тому, что изготовить гофрированный диск с большой кривизной лопаток не удается. Следовательно, не удается для такой конструкции устранить избыточное давление и уменьшить подводимую мощность.

Низкая эффективность теплообмена известного устройства объясняется следующим. На эффективность теплообмена в равной степени сказывается как площадь поверхности теплообмена, так и скорость омывания этой поверхности. В случае с радиальными лопатками, во-первых, площадь теплообмена будет минимальной, так как радиальные лопатки имеют минимальную длину, а во-вторых, скорость омывания будет уменьшаться по мере приближения к периферии рабочего колеса, что обусловлено, с учетом сплошности воздушного потока, увеличением площади сечения межлопаточного пространства к периферии. Таким образом, несмотря на сравнительно большую поверхность теплообмена, его эффективность будет невысокой.

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является снижение потребляемой мощности и повышение эффективности теплообмена.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в известном вентиляторе-теплообменнике, содержащем корпус и установленное в корпусе рабочее колесо двустороннего центробежного вентилятора, при этом корпус разделен на две изолированные полости, которые вместе с рабочим колесом образуют два изолированных центробежных вентилятора, согласно изобретению рабочее колесо выполнено в виде сплошного разделительного диска, на обеих сторонах которого нормально к его плоскости выполнены лопатки, при этом лопатки выполнены загнутыми назад.

Замена гофрированного диска рабочего колеса на сплошной диск, на обеих сторонах которого нормально к его поверхности выполнены лопатки, позволяет изготавливать последние любой заданной кривизны, так как такая конструкция уже не связана с технологией изготовления гофрированной поверхности. Выполнение лопаток загнутыми назад позволяет существенно уменьшить избыточное давление на выходе центробежного вентилятора и, тем самым, снизить потребляемую мощность. Изменяя кривизну лопаток, можно менять площадь нормального к лопаткам сечения межлопаточного пространства, добиваясь постоянства скорости смывания воздушным потоком поверхности лопаток. Указанное выполнение лопаток, в отличие от известного, позволяет существенно увеличить как число лопаток, так и "густоту решетки рабочего колеса", то есть отношение длины лопатки к расстоянию между лопатками на среднем радиусе, что существенно увеличивает эффективность теплообмена. Несмотря на то что в заявляемом вентиляторе теплообмен между двумя воздушными потоками осуществляется дополнительно через введенный разделительный диск, возможности модификации лопаток рабочего колеса, обусловленной новым конструктивным исполнением последнего, в значительной степени компенсируют снижение эффективности теплообмена, связанное с дополнительно введенным разделительным диском.

Для заметного увеличения эффективности теплообмена в заявляемом устройстве лопатки целесообразно изготавливать с отношением их длины к расстоянию между лопатками на среднем радиусе не менее 10.

Для увеличения площади теплообмена между лопатками рабочего колеса по периферии разделительного диска дополнительно могут быть выполнены промежуточные лопатки.

Дополнительно, лопатки рабочего колеса могут быть выполнены с постоянной шириной межлопаточного канала, что обеспечивает равномерную скорость движения теплоносителя в межлопаточном канале и, соответственно, повышает эффективность теплообмена.

Дополнительно вентиляторы могут содержать скрепленный с лопатками передний диск, имеющий осевое отверстие для прохода теплоносителя в межлопаточное пространство. Передний диск закрывает межлопаточное пространство, снижая тем самым вентиляторные потери и увеличивая эффективность теплообмена.

Нагнетательные патрубки обоих вентиляторов могут быть выполнены осесимметрично и развернуты в осевом направлении в противоположную сторону относительно соответствующего всасывающего патрубка. Такая конструкция обеспечивает прохождение теплоносителей с одной на противоположную сторону устройства. Это значительно упрощает монтаж заявляемого вентилятора-теплообменника в системах вентиляции и кондиционирования воздуха, поскольку соответствует направлению приточного и вытяжного воздушных потоков.

Сущность заявляемого изобретения поясняется графическими материалами, на которых изображено:
фиг. 1 - вентилятор-теплообменник с однонаправленным симметричным расположением нагнетательных патрубков;
фиг. 2 - вентилятор-теплообменник с разнонаправленным осесимметричным расположением нагнетательных патрубков;
фиг. 3 - вентилятор-теплообменник с разнонаправленным осесимметричным расположением нагнетательных патрубков, развернутых в осевом направлении в противоположную сторону относительного соответствующих всасывающих патрубков;
фиг. 4 - пример выполнения лопаток рабочего колеса с постоянной шириной межлопаточного канала;
фиг.5 - иллюстрация к соотношениям для расчета профиля лопаток с постоянной шириной межлопаточного канала.

Заявляемый вентилятор-теплообменник (фиг.1-3) состоит из корпуса 1 улиткообразной формы с осевыми всасывающими патрубками 2 и 3, выполненными на его противоположных торцевых сторонах, и соответствующими тангенциально расположенными нагнетательными патрубками 4 и 5. В корпусе 1 на валу 6 установлено рабочее колесо, состоящее из разделительного диска 7 с нормально закрепленными на обеих его поверхностях лопатками 8 и 9, выполненными загнутыми назад (относительно направления вращения). Внутреннее пространство корпуса 1 разделено перегородкой 10 на две полости 11 и 12, образующих улитки двух центробежных вентиляторов. Своей центральной частью перегородка 10 примыкает к внешней кромке диска 7 через уплотнительный элемент 13, выполненный, например, из резины или фетра. Также на фиг.1-3 стрелками показано направление движения воздушных потоков-теплоносителей.

На фиг.1 показан пример выполнения вентилятора-теплообменника с однонаправленным симметричным расположением нагнетательных патрубков 4 и 5, а на фиг.2 - пример выполнения вентилятора-теплообменника с разнонаправленным осесимметричным расположением нагнетательных патрубков 4 и 5.

Предпочтительным является выполнение вентилятора-теплообменника, представленное на фиг.3. В данном случае рабочее колесо имеет с каждой стороны передние диски 14 и 15, имеющие осевое отверстие для прохода всасываемого воздуха в межлопаточное пространство. Передние диски 14 и 15 в области упомянутых осевых отверстий имеют конические части 16 и 17 соответственно, которые размещаются в соответствующих всасывающих патрубках 2 и 3 с минимально допустимым зазором. Дополнительно с обеих сторон диска 7 по его периферии выполнены промежуточные лопатки 18 (на фиг.3 показаны только на одной стороне диска 7), которые увеличивают площадь теплообмена. Отличительной особенностью данной конструкции является выполнение нагнетательных патрубков 4 и 5, которые расположены разнонаправленно осесимметрично и развернуты в осевом направлении в противоположную сторону относительного соответствующих всасывающих патрубков 2 и 3.

Пример выполнения лопаток 8 (или 9) центробежного вентилятора с постоянной шириной межлопаточного канала представлен на фиг.4. На фиг.5 показаны две соседние лопатки (дуга АВ и дуга CD) и соответствующие геометрические построения для расчета указанного профиля лопаток. Для произвольной точки Е дуги АВ, лежащей на расстоянии r от центра О рабочего колеса, и соответствующей ей точки F дуги CD, расстояние между которыми t(r) есть ширина межлопаточного канала, определяется точка G дуги CD, лежащая также на расстоянии r от центра О рабочего колеса. Расстояние а(r) между точками Е и G для большого числа лопаток Z приблизительно равно длине дуги EG, или a(r)≈2πr/Z. При этих же условиях значение величины t(r) можно определить как t(r)≈a(r)•sinβ(r). Используя численные методы, можно для t(r)=Т, где Т=const, рассчитать значения угла β(r), определив тем самым профиль лопатки. В частности, на фиг.4 и фиг.5 представлен пример с числом лопаток Z=22 и соотношением минимального расстояния r₀ лопатки от центра О (точка А) и максимального r_к (точка В): r₀=0,4r_к. Для данного случая определены значения β(r), которые лежат в пределах: β(r₀) = 34,22^° и β(r_к) = 13,0^°. Одним из способов выполнения лопаток указанного профиля может быть фрезерование диска, исходная толщина которого определяется требуемой глубиной межлопаточного канала. В этом случае используется фреза диаметром Т, а программное управление фрезерным станком использует рассчитанные значения β(r).
Заявляемое устройство работает следующим образом. При вращении вала 6 с закрепленным на нем рабочим колесом воздушные потоки (теплоносители), имеющие разные температуры, с обеих сторон поступают через всасывающие патрубки 2 и 3 и попадают в пространство между лопатками 8 и 9 соответственно. Под действием центробежных сил воздушные потоки перетекают по межлопаточному пространству к наружной окружности рабочего колеса, поступают в соответствующие улиткообразные полости 11, 12 и далее через нагнетательные патрубки 4, 5 выводятся из корпуса 1. По мере прохождения воздушных потоков через рабочее колесо между ними происходит процесс прямоточного теплообмена через лопатки 8, 9 и разделительный диск 7. В конструкции, представленной на фиг. 3, в процессе теплообмена участвуют также промежуточные лопатки 18.

Источники информации
1. Заявка Японии 60-75634, F 28 D 9/00, заявл. 10.04.85, опубл. 06.07.94.

2. Заявка Японии 60-75635, F 28 D 9/00, заявл. 10.04.85, опубл. 06.07.94.

3. Заявка Японии 61-86463, F 28 D 11/02, заявл. 15.04.86, опубл. 01.06.94 - ПРОТОТИП.

Изобретение предназначено для систем вентиляции и кондиционирования воздуха, в которых теплоносители не смешиваются друг с другом. Устройство содержит корпус и установленное в нем рабочее колесо двустороннего центробежного вентилятора, при этом корпус разделен на две изолированные полости (канала), которые вместе с рабочим колесом образуют два изолированных центробежных вентилятора. Рабочее колесо выполнено в виде сплошного разделительного диска, на обеих сторонах которого нормально к его плоскости выполнены лопатки, при этом лопатки выполнены загнутыми назад. Это упрощает монтаж вентилятора-теплообменника в системах вентиляции и кондиционирования воздуха, поскольку соответствует направлению приточного и вытяжного потоков. 5 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Вентилятор-теплообменник, содержащий корпус и установленное в корпусе рабочее колесо двустороннего центробежного вентилятора, при этом корпус разделен на две изолированные полости, которые вместе с рабочим колесом образуют два изолированных центробежных вентилятора, отличающийся тем, что рабочее колесо выполнено в виде сплошного разделительного диска, на обеих сторонах которого нормально к его плоскости выполнены лопатки, при этом лопатки выполнены загнутыми назад.2. Вентилятор-теплообменник по п.1, отличающийся тем, что отношение длины лопаток, по крайней мере, одного из вентиляторов к расстоянию между лопатками на среднем радиусе не менее 10.3. Вентилятор-теплообменник по п.1, отличающийся тем, что между лопатками, по крайней мере, одного из вентиляторов по периферии разделительного диска выполнены промежуточные лопатки.4. Вентилятор-теплообменник по п.1, отличающийся тем, что лопатки, по крайней мере, одного из вентиляторов выполнены с постоянной шириной межлопаточного канала.5. Вентилятор-теплообменник по п.1, отличающийся тем, что, по крайней мере, один из вентиляторов дополнительно содержит скрепленный с лопатками передний диск, имеющий осевое отверстие для прохода теплоносителя в межлопаточное пространство.6. Вентилятор-теплообменник по п.1, отличающийся тем, что нагнетательные патрубки обоих вентиляторов выполнены осесимметрично и развернуты в осевом направлении в противоположную сторону относительного соответствующего всасывающего патрубка.