ЭЛЕМЕНТ ТЕПЛООБМЕННИКА И СПОСОБ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА Российский патент 2017 года по МПК F28D20/02 F28F21/00 

Настоящее изобретение относится к элементам теплообменника. Кроме того настоящее изобретение раскрывает способ для производства элементов теплообменника. В результате настоящее изобретение относится к теплообменнику, содержащему элементы теплообменника, обладающие признаками изобретения.

В уровне техники применяют различные виды теплообменников для различных целей. Как правило, теплообменники применяют для извлечения тепловой энергии из одной текучей среды в другую. Этот вид тепловой энергии называется ощутимой энергией. Тепловую энергию или ощутимую энергию одной текучей среды, как правило воздуха, извлекают в другую, которая течет в смежном, например параллельном, противоположном или поперечном потоке, к первой, где текучая среда находится при более низкой температуре. Посредством инвертирования потоков текучих сред обмен между двумя потоками образует более холодную текучую среду. Теплообменники, применяемые для извлечения ощутимой энергии, как правило, изготавливают из металлических или пластмассовых пластин. Существуют различные типы, поскольку могут быть конфигурации с поперечным потоком, с параллельным потоком или встречным потоком. Пластины определяют каналы потока между собой таким образом, что текучие среды могут течь между пластинами. Такие устройства, например, используют в жилищной и промышленной вентиляции (HRV).

Другой тип энергообменников относится к так называемой потенциальной энергии, что является влагой. Для обмена потенциальной энергией, как известно, применяют металл, покрытый высушивающим веществом, или пластмассовые подложки, или мембраны, изготовленные из целлюлозы, пропитанной высушивающим веществом, или полимера. Вентиляционные каналы между пластинами, изготовленными из целлюлозы или полимера, определены или созданы так, чтобы дать возможность текучим средам проходить по поверхности пластин, таким образом передавая влагу от одной текучей среды к другой. В силу того, что мембраны, как правило, не обладают структурной прочностью, известно комбинирование мембран с каркасами или решетками, посредством которых определяют расстояния между мембранами.

В случае указанного комбинирования энергообменники называются энтальпийным обменником. Эти энтальпийные обменники создают возможность для обмена ощутимой энергией и потенциальной энергией, что приводит к извлечению полной энергии.

Материалы мембран, доступные в настоящее время, поставляют в рулоне. Материал мембраны является наиболее важной частью энтальпийного обменника. Мембрана должна быть зафиксированной и герметизированной в виде сетки или каркаса и расположена в направлении, позволяющем текучей среде течь между каждым мембранным слоем. Следовательно, очевидно, что энтальпийные обменники известного уровня техники являются компромиссом. Они, как правило, теряют в ощутимой энергии для увеличения потенциальной энергии вследствие избирательной области и характеристик мембран, используемых в настоящее время.

Указанный теплообменник, созданный из соответствующих элементов, значится, например, в WO 02/072242 A1. На решетках расположены соответствующие мембраны, изготовленные из волокон. Решетки соединены скобами, благодаря чему изменяют направление пластин для того, чтобы создать различные направления воздушного потока.

Ввиду указанного уровня техники целью настоящего изобретения является предоставление элементов теплообменника и теплообменников, а также способа для производства элементов теплообменника. Обладающие признаками изобретения элементы теплообменника дают возможность для создания энтальпийных обменников, при помощи которых коэффициент полезного действия обмена ощутимой энергией и обмена потенциальной энергией может быть изменяющимся и управляемым и особенно улучшенным.

В настоящем изобретении достижение указанной выше цели представлено способом для производства элементов теплообменника по пункту 1. Относительно элемента теплообменника цель достигнута благодаря элементу с признаками по пункту 11. Теплообменник заявлен в пункте 18. Улучшения и дополнительные признаки раскрыты в зависимых пунктах.

В соответствии с настоящим изобретением предоставлен новый комбинированный элемент обменника, который, с одной стороны, обладает достаточной структурной прочностью и плотностью для создания каналов воздушного потока для любого типа энергообменника с поперечным потоком и/или встречным потоком и, таким образом, позволяет применение структурно прочного материала, который является подходящим для обмена ощутимой энергией, с другой стороны, посредством размера и количества перфорационных отверстий или каналы, или отверстия можно определить область, которая наполнена полимерным раствором с характеристиками обмена потенциальной энергией. Очевидно, что коэффициент полезного действия обмена ощутимой энергией, с одной стороны, и обмена потенциальной энергией, с другой стороны, может быть определен, управляем и приспособлен к соответствующим потребностям окружающей среды (в сухом воздухе, влажности, температуре наружного воздуха и т.п.).

В соответствии с настоящим изобретением пластинчатый элемент может быть изготовлен из алюминия или пластмассы, или их комбинаций. Элемент может быть снабжен гофрами. Гофры могут быть предназначены для оптимизации коэффициента полезного действия к коэффициенту перепада давления. Гофры могут быть выбраны, чтобы сделать возможным создание каналов потока между подобными пластинами, когда те расположены друг над другом. При определении гофра преимуществом будет являться улучшение поверхности, которая является подходящей для передачи энергии. Он может быть изготовлен таким большим, насколько это возможно, и может достигать даже увеличения на 100% и более. Кроме того, гофры могут быть предназначены для того, чтобы обеспечить простое расположение конфигураций встречного потока или поперечного потока, например, посредством выбора ориентированных гофров и чередования расположения пластины.

Границы пластин определяют область, где подобные пластины могут быть зафиксированы вместе соответствующим образом. Это может быть сваривание, например лазерное сваривание, ультразвуковое сваривание и/или фальцовка, обжатие и т.п. Это стабилизирует жесткость пакета, а также позволяет сформировать необходимые каналы потока. Область границы может быть сплющенной, быть системой типа «шпунт/паз», профильной или с ободом для обеспечения плотного, герметичного соединения между пластинами.

Перфорационные отверстия могут быть выполнены во время производства пластины, например, в то время, когда пластину формуют или штампуют, или чеканят, или формируют вакуумом.

Полимер может быть полимером в соответствии с уровнем техники, например, как продукт "Aquivion", торговая марка Solvay или "Nexar", торговая марка Kraton.

Материал может быть, например, ионосодержащим полимером в виде сополимера, произведенного из тетрафторэтилена, C₂F₄, и этансульфонилфторида, 1,1,2,2-тетрафтор-2-[(трифторэтенил)-окси], C₂F₃-O-(CF₂)₂-SO₂F, сульфированный блок-сополимер.

Тем не менее полимеры могут быть приспособлены к желаемым характеристикам и признакам.

В соответствии с настоящим изобретением полимер подводят как дисперсию. Дисперсия может быть нанесена на пластину посредством заполнения или покрытия отверстий или перфорационных отверстий раствором полимера путем распыления, погружения, трафаретной печати или любым другим способом получения слоистой структуры. Очевидно, что количество или коэффициент полезного действия извлечения потенциальной энергии зависит от поверхности, предоставленной отверстиями или перфорационными отверстиями, их формами и их расположениями. Таким образом, является возможным приспособить пластины теплообменника к окружающей среде и условиям функционирования.

При применении материалов с высокой теплопроводностью, таких как структурных элементов для энтальпийной мембраны, обеспечен высокий ощутимый коэффициент полезного действия. Посредством определения перфорационных отверстий и выбора полимера обеспечено извлечение высокой потенциальной энергии.

Гофрирование/чеканка пластин значительно увеличивает теплообменную поверхность.

Перфорированные или открытые части каждой пластины могут достигать 70% или более от общей площади поверхности, например, как в структуру москитной сетки. В таком случае поверхность превышает поверхность плоской мембраны в соответствии с уровнем техники с минимальной потерей характеристики высокого извлечения ощутимой энергии пластин теплообменника. Коэффициент полезного действия извлечения полной энергии, составляющий до 85%, может быть достигнут в режиме нагрева, и 72% в режиме охлаждения. Множество завершенных пластин могут быть расположены друг над другом, образуя пакет, который внутри каркаса или корпуса создает теплообменник в соответствии с настоящим изобретением.

Комбинированные ощутимая и потенциальная энергии до такого высокого уровня извлечения полной энергии могут в некоторых климатических зонах исключать необходимость в теплообменнике, использующем только ощутимую энергию.

Полимер может быть скомбинирован с присадками, чтобы преумножить и усилить его свойства. Он может обладать, например, эффективным антибактериальным действием и может удовлетворять требованиям огнеупорности (по UL). Его вязкость может быть адаптирована для достижения оптимально настроенных параметров обмена пластины, обеспечивая как можно больший влагообмен.

Очевидно, что возможность передачи ощутимой энергии и передачи потенциальной энергии теплообменника настраиваемые и регулируемые. Пластины способны к адаптации к условиям окружающей среды посредством меняющейся мозаичной геометрии перфорационных отверстий. Например, теплообменник может быть предназначен для эксплуатации при температуре ниже точки замерзания (–10°C) без образования льда только посредством выбора правильного положения перфорационных отверстий и полимерной обработки базовых пластин.

Жесткость структурных элементов может придавать пластине и тем самым мембране способность выдерживать перепад давления до 1 кПа. Это преимущество предоставляет возможности для более крупных конструкций обменника для промышленных применений.

Настоящее изобретение предоставляет простой способ для производства пластин энергообменника, обеспечивающих обмен как ощутимой энергией, так и потенциальной энергией. Исполнение и приспособление пластин предусмотрены для конструкции и исполнения теплообменников, которые оптимизированы с учетом технических требований и/или условий окружающей среды.

Штампованный, гофрированный, чеканный или формируемый вакуумом алюминий, нержавеющая сталь, пластины на основе смол и/или пластмассовые пластины могут быть изготовлены с применением проверенных технологий автоматизации, в том числе сборки, например, посредством вакуумного сжатия, и герметизации, например, посредством лазерной сварки, ультразвуковой сварки, фальцовки, обжатия, для получения пакетов наложенных друг на друга жестких пластин. Пластины моющиеся, являются огнеупорными, антибактериальными, герметизироваными, например, защищены от утечек. Они обладают всеми ценными преимуществами, необходимыми для создания теплообменников с высоким КПД.

Избирательное перфорирование пластин и герметичное литье полимерных микромембран мозаичного типа позволяют конструировать структурные комбинированные мембраны мозаичного типа. Перфорация пластины также может быть выполнена посредством запрограммированной непрерывной лазерной обработки, посредством механических систем, подобных игольчатому ролику и т.п., или процессов химического травления.

Другие признаки и аспекты настоящего изобретения становятся очевидными из следующего описания графических материалов. В графических материалах представлено:

Фиг. 1 – вид сверху одного примера для варианта осуществления пластины теплообменника в соответствии с настоящим изобретением и

Фиг. 2 – вид сбоку пластины в соответствии с фиг. 1.

В графических материалах одинаковые элементы представлены посредством одинаковых ссылочных позиций.

Пластина 1 теплообменника состоит из структурной жесткой пластины 2, выполненной из алюминия, пластмассы или т.п. Пластина 2 содержит обод 4, который является плоским герметичным ободом и может быть деформирован для герметизации. Области обода 4 открыты или отклонены, как представлено посредством ссылки №5 для определения, например, входа и выхода канала потока.

В пределах области обода гофры 3 штампуются или выдавливаются в пластине 2. Когда подобные пластины скреплены друг с другом, каналы потока определены. В примере ссылка №6 обозначает области с перфорационными отверстиями.

Для разъяснения обозначены только некоторые перфорированные области 6 и некоторые гофрированные области 3.

Элемент 1 теплообменника имеет большую поверхность для теплообмена, которая увеличена посредством гофров 3, которые гофрируются только в одном направлении и выходят на другую поверхность. Кроме того, перфорированные области 6 определяют область обмена потенциальной энергии для переноса влаги.

Эти пластины будут установлены одна на другую для образования теплообменника, например для вентиляционных систем, для обмена тепла от исходящего к входящему воздуху (или наоборот для свободного охлаждения в летний период), а также влажности от исходящего к входящему воздуху в зимний период (или наоборот для уменьшения влаги в летний период или круглый год в жарких и влажных климатических зонах).

Графические материалы и описание никоим образом не ограничивают настоящее изобретение и предназначены только для описания примера.

Позиционные обозначения:

1 элемент теплообменника

2 пластина

3 гофр

4 граница

5 открытая граница

6 перфорационные отверстия

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для изготовления элементов теплообменников, которые позволяют создание энтальпийных обменников, причем коэффициент полезного действия обмена ощутимой энергией и обмена потенциальной энергией может быть различным и контролируемым, и особенно улучшенным, при этом способ для производства элементов теплообменника включает: а) производство пластинчатого элемента с определенными внешними размерами и гофрами в области с внутренней стороны границы, b) перфорирование пластины в заранее определенных областях и с заранее определенными размерами, с) заполнение перфорационных отверстий полимером с возможностью извлечения потенциальной энергии и d) затвердение полимера. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ для производства элементов теплообменника, включающий этапы, на которых:

а) производят пластинчатый элемент с определенными внешними размерами и гофрами в области с внутренней стороны границы,

b) перфорируют пластину в заранее определенных областях и с заранее определенными размерами,

c) заполняют перфорационные отверстия полимером с возможностью извлечения потенциальной энергии и

d) дают отвердеть полимеру.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для пластины используют алюминий.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для пластины используют пластмассу.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пластину штампуют.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пластину гофрируют.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пластину формуют.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пластину перфорируют посредством штампования.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перфорационное отверстие формируют во время формования.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что полимер представляет собой сульфированный сополимер.

10. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что полимер наносят как дисперсию.

11. Элемент теплообменника, содержащий пластинчатый элемент с определенными внешними размерами и гофрами в области с внутренней стороны границы, при этом указанный пластинчатый элемент содержит перфорационные отверстия в заранее определенных областях и с заранее определенными размерами, при этом указанные перфорационные отверстия наполнены полимером с возможностью извлечения потенциальной энергии.

12. Элемент теплообменника по п. 11, отличающийся тем, что перфорационные отверстия являются небольшими отверстиями.

13. Элемент теплообменника по п. 11, отличающийся тем, что перфорированные области составляют до 70% от полной поверхности пластинчатого элемента.

14. Элемент теплообменника по п. 11, отличающийся тем, что полимер представляет собой сульфированный сополимер.

15. Элемент теплообменника по п. 11, отличающийся тем, что пластинчатый элемент обладает границей, делающей возможным газонепроницаемое соединение с другим аналогичным пластинчатым элементом.

16. Элемент теплообменника по п. 11, отличающийся тем, что пластинчатый элемент содержит гофры, увеличивающие теплообменную поверхность до 100%.

17. Элемент теплообменника по любому из предыдущих пунктов 11 – 16, отличающийся тем, что гофры ориентированы для направления потока текучей среды.

18. Теплообменник с по меньшей мере тремя пластинообразными элементами теплообменника, прикрепленными друг к другу в параллельной ориентации для образования двух путей текучей среды, позволяющих текучим средам течь по ним, отличающийся тем, что пластинообразные элементы теплообменника являются элементами по любому из пп. 11 – 17.