СПОСОБ РАБОТЫ ОСЕВОГО ВЕНТИЛЯТОРА И ОСЕВОЙ ВЕНТИЛЯТОР Российский патент 2005 года по МПК F04D19/00 

Изобретение относится к области конструкции и работы воздушных вентиляторов и воздуходувок.

Известен способ работы осевого вентилятора, включающий раскручивание воздушного потока лопастями и его подача в круглый канал, т.е. одновременное и поступательное продвижение по каналу.

Такой способ реализуется в конструкции, описанной в [1, с.72], которая содержит установленную внутри кожуха втулку с лопастями.

Известный способ работы осевого вентилятора и конструкция для его реализации предназначены для создания только направленного потока воздуха без существенного изменения его температуры.

Это является недостатком.

Техническим результатом изобретения является устранение этого недостатка, т.е. обеспечение возможности разделения воздуха на холодный и горячий потоки.

Технический результат в части способа достигается тем, что в канале организуют осевой поток, противоположно направленный движению основного вращающегося потока.

Технический результат в части устройства достигается тем, что выходная (напорная) часть кожуха выполняется в виде удлиненного напорного канала, в конце которого установлена крышка, выполненная, например, в виде отражателя потока, а втулка выполнена пустотелой.

Фиг.1 изображает предлагаемую конструкцию. Осевой вентилятор содержит лопасти 1, размещенные на полой осевой втулке 2, наружный кожух 3, конусный дефлектор 4, удлиненный напорный канал 5, внутренняя полость которого образует камеру энергоразделения 6, замкнутую отражателем потока 7, расположенным с внутренней стороны крышки 7’, установленной в конце канала 5.

Зазор между отражателем 7 и каналом 5 образует дроссельные отверстия 8. Канал 5 может выполняться или цилиндрическим (фиг.1), или коническим (фиг.2).

Начало удлиненного напорного канала 5 выполняется в виде конусного дефлектора 4, сочлененного широкой стороной с кожухом 3 осевого вентилятора.

Устройство может быть и без конусного дефлектора 4 (фиг.3), но в таком случае для обеспечения требуемых параметров потребуется существенно увеличивать скорость вращения лопастей 1.

Дроссельные отверстия могут располагаться не только в отражателе потока 7, но и непосредственно в стенке удлиненного напорного канала 5 (см. поз 8’ на фиг.3а и 3б).

На внутренней поверхности полой осевой втулки 2 размещены спиральные выступы 9 (и/или канавки) или же вместо них размещен спиральный шнек (на фиг.1 не показан). Втулка 2 установлена на подшипниках 10 и имеет приводной шкив 11. Полая втулка 2 может и не иметь приводного шкива 11, а выполняться в виде пустотелого вала электродвигателя (электродвигатель не показан).

Работает рассматриваемое устройство следующим образом. При раскручивании втулки 2, закрепленные на ней лопасти 1 раскручивают и засасывают из окружающей среды воздух, а также и гонят его по внутренней поверхности дефлектора 4. Благодаря наличию сходящейся конусной внутренней поверхности у дефлектора 4, воздух еще более увеличивает скорость своего вращения и в таком состоянии поступает на внутреннюю поверхность камеры энергоразделения 6. В результате интенсивного вращения воздух под действием центробежных сил прижимается к внутренней конусной поверхности и, в своем вращении, продвигается в сторону отражателя 7. Достигнув отражателя, вращающийся поток газа разделяется. При этом периферийный слой вращающегося потока через дроссель 8 сбрасывается, например, в атмосферу, а оставшаяся внутренняя часть вращающегося потока на поверхности отражателя 7 разворачивается и формирует обратный осевой поток 12, направляющийся обратно в сторону втулки 2.

В процессе продвижения сформированного осевого потока газа 12 от отражателя 7 до дефлектора 4 происходит интенсивный процесс энергообмена между движущимся поступательно осевым и периферийным вращающимся, потоками, в результате чего осевой поток выхолаживается и поступает в полость втулки 2, а периферийный вращающийся - разогревается и сбрасывается через дроссельные отверстия 8.

При вращении втулки 2 имеющийся у нее внутри спиральный шнек или расположенные на ее внутренней поверхности спиральные выступы и/или канавки интенсивно прокачивают газ и создают в такой полости разрежение, способствующее увеличению эффективности процесса охлаждения.

В результате процесса энергообмена в камере 6 сбрасываемый через дроссель 8 газ подогревается и может использоваться в целях подогрева. Прокачиваемый через спиральный шнек во втулке 2 газ выхолаживается и может использоваться в целях охлаждения.

Осевой поток можно организовать и за счет ввода дополнительного потока через осевое отверстие 13 в крышке 7’ напорного канала 5 (фиг.4 и 8). При этом весь поток, подаваемый лопатками 1 вентилятора после теплообмена с осевым потоком 12, сбрасывается через дроссельные отверстия 8. Но может и подмешиваться к осевому потоку, исходящему из отверстия 13.

Интенсивность прокачки холодного потока через внутреннюю полость втулки 2 можно увеличить за счет увеличения разрежения (перепада давления) путем установки центробежного пневмонасоса 13 на вращающейся втулке 2 (см. фиг.5). Такой пневмонасос можно установить и вне втулки. Но в любом случае всасывающая сторона такого насоса должна связываться с полостью диафрагмы.

В зависимости от места установки пневмонасоса разрежение создается или непосредственно в полости втулки 2 (при установке пневмонасоса на втулке), или на выходе из нее (при установке вне втулки).

При установке пневмонасоса 13 на втулке 2 она выполняется без сквозного осевого сверления (фиг.5), но с отверстиями 14 на ее периферийной поверхности. Через такие отверстия межлопаточное пространство пневмонасоса 13 своей всасывающей стороной связывается с полостью втулки и через нее - с осевым потоком 12.

Применение центробежного насоса 13 (взамен внутренних спиральных выступов 7 или шнека) приводит к значительному повышению разрежения в диафрагме и за счет этого - к повышению эффективности охлаждения осевого потока.

Напорный канал 5 может быть изготовлен или цилиндрическим, или коническим. Практика показывает, что длину цилиндрического канала целесообразно принимать в пределах от 12 до 30 его диаметров. А длина конического канала может находиться в пределах 5...10 начального диаметра конуса, поэтому применение конического конуса предпочтительнее, хотя цилиндрический канал более прост в изготовлении.

Отражатель 7, замыкающий напорный канал 5, проще выполнить плоским, как показано на рис.1 и др. Однако такая форма отражателя не обеспечивает плавного обтекания газового потока, а именно на его поверхности происходит разворот в обратную сторону основной массы прямого пристеночного вращающегося потока, из которого формируется осевой обратный холодный поток 12. Произвольно организованный основной поток газа, проходя через дроссель 8, дробится на отдельные мелкие потоки, которые, встречаясь с поверхностью отражателя, не согласованной с направлением движения газа, тормозятся, турбулизируются, мешают друг другу (фиг.1 и др.), что отрицательно сказывается на выхолаживании осевого потока 12.

Получается, что плоский отражатель создает излишнее (дополнительное) сопротивление движущимся потокам.

Для устранения такого недостатка отражатель 7 выполняется чашеобразной (вогнутой) формы, причем чаша такого отражателя имеет заостренные края (фиг.6).

Слои вращающегося основного потока газа, расположенные ближе к центру камеры 6, вырезаются из основного потока заостренным краем 14 отражателя 7, плавно обтекают его чашеобразную (вогнутую) поверхность и в центре (по оси камеры 6) формируют обратный поток 12, который при движении к втулке 2, в результате энергообменных процессов, выхолаживается и образует холодный поток, выходящий через полость втулки 2.

Заостренные края 14 отражателя 7 позволяют легко вырезать (выделить) обратный поток из основного, а благодаря вогнутости отражателя удается более четко сформировать этот поток.

Однако анализ распределения поля скоростей формирующегося обратного потока на поверхности вогнутого отражателя показывает, что сходящиеся в центральной части чашеобразного отражателя потоки газа все равно взаимно турбулизируются, т.е. мешают друг другу, что отрицательно сказывается на эффективности выхолаживания осевого потока 12. Для уменьшения отмеченного недостатка в центре чашеобразного отражателя необходимо расположить фигурный выступ 15, имеющий обтекаемую форму, плавно сопрягающуюся с чашеобразным отражателем (фиг.7). Благодаря наличию такого выступа 15 можно разнести (отделить друг от друга) встречно движущиеся по поверхности отражателя потоки, формирующие обратный (осевой холодный) поток, соединяя их вместе только после совпадения вектора скорости. Это дополнительно позволяет повысить эффективность выхолаживания осевого потока 12, поскольку рассмотренные плавные обводы внутренней поверхности отражателя 7, плавно переходящие в выступ 15, позволяют обеспечить наиболее благоприятные условия формирования обратного потока 12.

Работу предлагаемого осевого вентилятора можно организовать либо за счет раздельной подачи основного потока от лопаток 1 и сброса всей этой воздушной массы через дроссель 8, а также одновременной подачи осевого потока из отверстия 13, либо за счет смешения части основного потока, вырезанного острым краем чашеобразного отражателя, и потока, выходящего из осевого отверстия 13, расположенного в крышке 7’ напорного канала (фиг.4 и 8). Это позволяет легко производить регулирование процесса выхолаживания осевого потока за счет изменения расхода осевого потока из отверстия 13 без изменения скорости вращения втулки и лопастей вентилятора.

Обратный осевой поток 12, сформированный за счет вырезания из вращающегося прямого потока, продолжает вращаться и на выходе из отражателя. А это снижает эффективность выхолаживания осевого потока, т.к. вращение приводит к разрушению его структуры.

С целью уменьшения этого недостатка необходимо осевой поток 12 выпрямить (остановить вращение) за счет установки на отражателе 7 и на выступе 15 крестовины-развихрителя 16 (фиг.9).

Обнаружено, что при работе рассматриваемого устройства одновременно с появлением холодного потока, выходящего из полости втулки 2, разогревается наружная поверхность канала 5. Это происходит в результате возникновения строго направленного электромагнитного излучения, обеспечивающего лучистый энергообмен между движущимися потоками газа, имеющими разную температуру, что приводит к интенсивному энергообмену между осевым и периферийным потоками.

Такое излучение возникает как результат кинематического взаимодействия между молекулами встречно движущихся неперемешивающихся потоков газа, причем оно возникает в камере энергообмена 6 и направлено радиально по направлению от холодного осевого потока, движущегося поступательно, к горячему периферийному вращающемуся потоку. Именно за счет поглощения такого излучения внутренней поверхностью камеры энергоразделения и происходит нагрев этой поверхности, а также периферийных вращающихся слоев газа, прилегающих к этой поверхности и выходящих из дросселя 8.

Камера энергоразделения 6 может выполняться из обычного металла, хорошо отражающего электромагнитное излучение (алюминий, нержавеющая сталь, медь и медные сплавы), и ее внутренняя поверхность для уменьшения потерь на трение обязательно должна тщательно полироваться. В результате появляется цилиндрическое или коническое отражающее вогнутое зеркало с фокусом, расположенным по оси камеры 6, именно там, откуда интенсивно первоначально выводится это излучение и где происходит интенсивное охлаждение осевого потока, именно туда, в охлаждаемый осевой поток газа вогнутым зеркалом опять возвращается - переизлучается (отражается) тепловое излучение. В результате эффективность охлаждения осевого потока резко снижается.

Для устранения указанного существенного недостатка на внутренней поверхности камеры энергоразделения улавливают излучение, радиально исходящее от потоков газа. Для этого на внутренней поверхности камеры энергоразделения размещают специальный слой, поглощающий излучение, исходящее от взаимодействующих потоков газа.

Такой слой должен иметь темный (лучше черный) цвет и может быть выполнен в виде электрогальванического или химического покрытия черным хромом, за счет черного анодирования, оксидирования, воронения, напыления черными углеродными волокнами, вжиганием в поверхность сажи и т.п. Но практически поглощающий слой может иметь любой цвет, отличный от белого, например красный, но лучше темнокрасный; синий, но лучше темносиний; зеленый, но лучше темнозеленый; фиолетовый и т.п.

Известно, что чем менее гладкая поверхность такого покрытия, тем выше его поглощающие свойства. Можно поверхность выполнить просто матовой. Но наивысшей поглощающей способностью обладает шероховатая поверхность с равномерно напыленными микроволокнами, типа черного бархата. Такая поверхность даже подпадает под физическое определение абсолютно черного тела.

Однако обычная шероховатая поверхность оказывает большое сопротивление движению потока газа. Поэтому ее использование приведет к большим потерям кинетической энергии вращающегося потока газа. Для уменьшения этих потерь шероховатую черную поглощающую поверхность следует покрыть слоем, прозрачным для улавливаемого излучения и имеющим гладкую (полированную) поверхность. Таким слоем может быть оптическое полированное стекло, оргстекло, оптический корунд (лейкосапфир) и др. синтетические кристаллы, разного рода прозрачные пластмассы, специальные (оптические) сорта эпоксидных смол и т.п. Такая комбинация темного цвета, внутренней шероховатости и наружной гладкости внутренней поверхности камеры энергоразделения 6 обеспечит значительное повышение эффективности выхолаживания осевого потока 12 за счет обеспечения более полного поглощения радиального излучения от газовых потоков.

Однако и такой процесс можно интенсифицировать, если между гладким прозрачным слоем и поглощающей поверхностью образовать зазор, который нужно заполнить охлаждающей непрозрачной жидкостью, лучше темного (черного) цвета или в нее ввести темный краситель.

В результате получаем прозрачную камеру энергоразделения, омываемую темной охлаждающей жидкостью.

При этом тепловое излучение, проходящее через прозрачную стенку (через гладкий прозрачный слой), поглощается непосредственно темной жидкостью, которая может быть легко охлаждена известными методами.

Для этого полость, образованную таким зазором, необходимо снабдить патрубками, соединенными с устройством для прокачки охлаждающей жидкости (с насосом). С помощью такого насоса производится прокачка охлаждающей жидкости через теплообменники, сбрасывающие тепло, и через упомянутый зазор.

Если стенку камеры энергообмена 6 выполнить из материала, обладающего высокой теплоопроводностью (медь и ее сплавы, алюминий и его сплавы), то появляется возможность интенсивного теплоотвода через стенку 5, например, за счет ее интенсивного охлаждения, поэтому рассматриваемый осевой вентилятор способен работать и без дроссельных отверстий 8 или 8’, и только в одном режиме - в режиме охлаждения. При этом такой вентилятор будет иметь только один выход через полость осевой втулки 2, а для обеспечения теплоотвода на внешней поверхности камеры энергообмена необходимо разместить теплообменные ребра 5’ (фиг.3в). Это позволяет использовать для охлаждения весь входящий поток воздуха (исключив выход теплого поток).

Изобретение может быть использовано в промышленных системах вентиляции и кондиционирования воздуха большой производительности, соизмеримой с производительностью современных больших центробежных компрессоров.

Таким образом, сущность изобретения в части способа заключается в организации дополнительного осевого потока, противоположно направленного движению основного вращающегося потока, создаваемого лопастями осевого вентилятора, что позволяет разделять воздух на горячий и холодный потоки.

Осевой поток организуют:

- либо в результате возврата части основного потока за счет его отражения от крышки, установленной в конце напорного канала, путем вырезания части основного потока острыми краями отражателя, имеющего чашеобразную (вогнутую) форму, а также за счет плавного огибания выступа, расположенного по оси такого отражателя;

- либо в результате ввода дополнительного потока через крышку напорного канала, а также смешения части основного потока, и потока, выходящего из осевого отверстия, расположенного в крышке напорного канала.

При этом:

- производят регулирование количества подаваемого газа через осевое отверстие, расположенное в крышке напорного канала, а на выходе из отражателя производят выпрямление (остановку вращения) осевого потока;

- осевой поток выводят из канала через пустотелую втулку вентилятора, внутри которой или на ее выходе создают разрежение, а на внутренней поверхности камеры энергоразделения улавливают излучение, исходящее от потоков газа и выводят из зоны излучения.

Сущность изобретения в части устройства заключается в том, что выходная часть кожуха, выполнена в виде напорного канала, в конце которого установлена крышка, выполненная, например, в виде отражателя потока, а втулка выполнена пустотелой.

При этом:

- начало напорного канала выполнено в виде конусного дефлектора, сочлененного широкой стороной с кожухом вентилятора, а отражатель потока выполнен чашеобразной (вогнутой) формы, имеющий заостренные края, причем в центре отражателя расположен выступ, имеющий плавное сопряжение с вогнутой поверхностью отражателя;

- на отражателе размещен выпрямитель-развихритель осевого потока;

- отражатель имеет осевое отверстие, расположенное по оси отражателя;

- в полости втулки расположена спиральная направляющая, выполненная, например, или в виде шнека, или в виде спиральных выступов, и/или канавок;

- полость втулки связана с всасывающей стороной пневмонасоса, который может быть расположен непосредственно на втулке;

- напорный канал может быть выполнен или цилиндрическим с длиной от 15 до 30 его диаметров, или конусным с длиной от 5 до 10 начального диаметра конуса;

- внутренняя поверхность камеры энергоразделения выполнена поглощающей излучение, исходящего от потоков газа, например, имеет темный (черный) цвет, при этом она может выполняться шероховатой или даже иметь свойство абсолютно черного тела, а также может покрываться гладким слоем, прозрачным для улавливаемого излучения;

- гладкий прозрачный слой и поглощающая поверхность размещены с зазором, заполненным охлаждающей жидкостью, имеющей темный цвет. Такая полость соединена с устройством для прокачки охлаждающей жидкости.

ЛИТЕРАТУРА

1. Политехнический словарь. - М.: Советская энциклопедия, 1976.

Изобретение может быть использовано в крупных вентиляционных установках и кондиционерах с производительностью до тысячи кубометров воздуха в минуту. В предложенном способе работы осевого вентилятора и осевом вентиляторе, отличием которого является пустотелая втулка с лопастями, через которую организуют возврат дополнительного осевого потока, формируемого внутри удлиненной напорной камеры, осуществляется разделение воздушного потока вентилятора на холодный и горячий потоки. 2 с. и 34 з.п.ф-лы, 9 ил.

1. Способ работы осевого вентилятора, включающий раскручивание воздушного потока лопастями и его продвижение в напорном круглом канале, отличающийся тем, что в напорном канале организуют осевой поток, противоположно направленный движению основного потока.2. Способ работы осевого вентилятора по п.1, отличающийся тем, что осевой поток организуют в результате возврата части основного потока за счет его отражения от крышки, установленной в конце напорного канала.3. Способ работы осевого вентилятора по п.1, отличающийся тем, что осевой поток организуют в результате ввода дополнительного потока через крышку напорного канала.4. Способ работы осевого вентилятора по п.2, отличающийся тем, что осевой поток организуют за счет вырезания части основного потока острыми краями отражателя, имеющего чашеобразную (вогнутую) форму.5. Способ работы осевого вентилятора по п.4, отличающийся тем, что осевой поток организуют за счет плавного огибания выступа, расположенного по оси чашеобразного отражателя.6. Способ работы осевого вентилятора по п.2 или 3, отличающийся тем, что осевой поток организуют за счет смешения части основного потока, и потока, выходящего из осевого отверстия, расположенного в крышке напорного канала.7. Способ работы осевого вентилятора по п.3 или 6, отличающийся тем, что производят регулирование количества подаваемого газа через осевое отверстие, расположенное в крышке напорного канала.8. Способ работы осевого вентилятора по п.1, отличающийся тем, что на выходе из отражателя производят выпрямление (остановку вращения) осевого потока.9. Способ работы осевого вентилятора по п.1, отличающийся тем, что осевой поток выводят из канала через пустотелую втулку вентилятора.10. Способ работы осевого вентилятора по п.9, отличающийся тем, что создают разряжение внутри пустотелой втулки вентилятора.11. Способ работы осевого вентилятора по п.9, отличающийся тем, что создают разряжение на выходе из пустотелой втулки вентилятора.12. Способ работы осевого вентилятора по п.1, отличающийся тем, что на внутренней поверхности камеры энергоразделения улавливают излучение, исходящее от потоков газа, и выводят из зоны излучения.13. Осевой вентилятор, содержащий втулку с лопастями, установленную внутри кожуха, отличающийся тем, что выходная часть кожуха выполнена в виде напорного канала, в конце которого установлена крышка, выполненная, например, в виде отражателя потока, а втулка выполнена пустотелой.14. Осевой вентилятор по п.13, отличающийся тем, что начало напорного канала выполнено в виде конусного дефлектора, сочлененного широкой стороной с кожухом вентилятора.15. Осевой вентилятор по п.13, отличающийся тем, что отражатель потока выполнен чашеобразной (вогнутой) формы.16. Осевой вентилятор по п.13, отличающийся тем, что чашеобразный отражатель потока имеет заостренные края.17. Осевой вентилятор по п.13, отличающийся тем, что в центре чашеобразного отражателя расположен выступ, имеющий плавное сопряжение с вогнутой поверхностью отражателя.18. Осевой вентилятор по п.13 или 17, отличающийся тем, что крышка напорного канала имеет осевое отверстие, расположенное по оси отражателя.19. Осевой вентилятор по п.13, отличающийся тем, что на отражателе размещен выпрямитель-развихритель осевого потока.20. Осевой вентилятор по п.13, отличающийся тем, что в полости втулки расположена спиральная направляющая, выполненная, например, или в виде шнека, или спиральных выступов, и/или канавок.21. Осевой вентилятор по п.13, отличающийся тем, что полость втулки связана с всасывающей стороной пневмонасоса.22. Осевой вентилятор по п.21, отличающийся тем, что на втулке расположен центробежный пневмонасос.23. Осевой вентилятор по п.13, отличающийся тем, что напорный канал выполнен цилиндрическим.24. Осевой вентилятор по п.23, отличающийся тем, что длина цилиндрического напорного канала находится в пределах 15-30 его диаметров.25. Осевой вентилятор по п.13, отличающийся тем, что напорный канал выполнен конусным.26. Осевой вентилятор по п.25, отличающийся тем, что длина конусного напорного канала находится в пределах 5-10 начального диаметра конуса.27. Осевой вентилятор по п.25, отличающийся тем, что угол конуса напорного канала находится в пределах 4-15 угловых градусов.28. Осевой вентилятор по п.13, отличающийся тем, что внутренняя поверхность камеры энергоразделения выполнена поглощающей излучение, исходящего от потоков газа.29. Осевой вентилятор по п.28, отличающийся тем, что внутренняя поверхность камеры энергоразделения имеет темный, например черный, цвет.30. Осевой вентилятор по п.29, отличающийся тем, что внутренняя поверхность камеры энергоразделения выполнена шероховатой.31. Осевой вентилятор по п.29, отличающийся тем, что внутренняя поверхность камеры энергоразделения покрыта слоем, имеющим свойство абсолютно черного тела.32. Осевой вентилятор по п.28, отличающийся тем, что внутренняя поверхность камеры энергоразделения покрыта гладким слоем, прозрачным для улавливаемого излучения.33. Осевой вентилятор по п.32, отличающийся тем, что гладкий прозрачный слой и поглощающая поверхность размещены с зазором по отношению друг к другу.34. Осевой вентилятор по п.33, отличающийся тем, что зазор заполнен охлаждающей жидкостью.35. Осевой вентилятор по п.34, отличающийся тем, что охлаждающая жидкость имеет темный цвет или в нее введен краситель.36. Осевой вентилятор по п.34, отличающийся тем, что полость, образованная зазором между гладким прозрачным слоем и поглощающей поверхностью, соединена с устройством для прокачки охлаждающей жидкости.