МОДУЛЬНЫЙ ТЕПЛОАККУМУЛИРУЮЩИЙ ТЕПЛООБМЕННИК ДЛЯ РЕВЕРСИВНОЙ СИСТЕМЫ ВЕНТИЛЯЦИИ Российский патент 2020 года по МПК F24F7/06 F28D15/00 

Изобретение относится к вентиляционной технике, кондиционированию воздуха и энергосбережению. Изобретение относится к небольшим приточно-вытяжным приборам с неподвижным регенератором и реверсивным потоком воздуха, предназначенным для вентиляции небольших помещений.

Известно, что в современных системах вентиляции могут применяться пластинчатые теплообменники. Конструктивное исполнение таких теплообменников может быть выполнено как по цельному типу, так и по сборно-разборному типу. При проектировании вентиляционных систем руководствуются нормативными документами. Согласно [СП 60.13330.2016 Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха для поддержания микроклимата] в помещениях необходимо поддерживать определенную кратность воздухообмена. Необходимый воздухообмен обеспечивается постоянным расходом воздуха, поэтому теплообменники подбирают из стандартного размерного ряда, т.е. цельные готовые с постоянными характеристиками. Поэтому увеличение или уменьшение секций для регулирования теплообмена методом сбора-разбора в теплообменниках остается не актуальной задачей. Кроме того, недостатками секционных теплообменников являются: высокая стоимость единицы поверхности нагрева, так как деление ее на секции вызывает увеличение количества наиболее дорогих элементов аппарата - фланцевых соединений, переходных камер, прокладок на основе синтетических каучуков и т.д. Сборно-разборные теплообменники изготавливают из металла (большой вес) и по конструкции они имеют шпильки, на которые монтируются разное количество секций (большие габариты). Таким образом, из-за большого веса и больших габаритных размеров данные типы теплообменников нельзя использовать в компактных аппаратах в реверсивной системе вентиляции.

Известен энергосберегающий вентиляционный прибор [Патент РФ №167765, 16.07.2015, F24F 7/00, F24F 12/00, F24F 13/00], состоящий из размещенных в общем вентиляционном канале теплоемкого регенератора, воздушного фильтра, клапана для перекрывания вентиляционного канала при выключении прибора, наружной решетки и реверсивного нагнетателя воздуха, оснащенного подвижным вентилятором и электроприводом, перемещающим вентилятор таким образом, чтобы изменять направление движения воздуха в канале. Регенератор в указанном приборе представляет собой пластмассовый или керамический цилиндр с системой параллельных продольных каналов, обладающий хорошо развитой поверхностью теплообмена и достаточной теплоемкостью.

Конструкция регенератора в указанном техническом решении не рассматривается, как объект защиты. Следует отметить, что из-за ограниченной теплоаккумулирующей способности насадки энергосберегающий вентиляционный прибор имеет частое время переключения с приточного режима вентиляции на вытяжной.

Известен рекуператор тепла VAKIO компании ООО «Вакио» [https://vakio.ru], в котором в качестве теплообменного модуля используют полипропиленовую насадку, выполненную в форме цилиндра с системой параллельных продольных каналов.

Недостатком рекуператоров VAKIO также является частое время переключения с приточного режима вентиляции на вытяжной из-за ограниченной объемной теплоемкости теплоаккумулирующей насадки.

Известен рекуператор MARLEYMEnV-180 немецкой компании MARLEY [https://www.marley-rus.ru/], в котором в качестве теплообменного модуля используют керамический тепловой аккумулятор объемом 2500 куб. см. При работе рекуператора теплый использованный воздух отводится из помещения наружу в течение 70 секунд и нагревает при этом керамический элемент. После этого устройство меняет направление подачи воздуха, а именно, теперь в помещение поступает свежий воздух снаружи, который подогревается за счет тепла, аккумулированного в керамическом элементе.

Известно устройство для реализации способа регулирования теплообмена в системе вентиляции офисных и жилых помещений [патент РФ №2277205, 14.12.2004, F24F 3/147; патент РФ №49209, 14.12.2004, F28D 17/00], представляющее собой трубу круглого, или прямоугольного, или другого сечения, один конец которой выходит в помещение, а другой - на улицу, в которую помещен реверсивный вентилятор или два прямоточных вентилятора, а перед теплоаккумулирующей насадкой со стороны помещения расположен слой сорбента паров воды. Теплоаккумулирующая насадка представляет собой гранулы сферической, цилиндрической или другой формы, изготовленные из материала с высокой объемной теплоемкостью не ниже 1.5 Дж/(см³ К), например, отходы керамики, шлаки, отсев гравия, чугунная крошка у которых размер гранул находится в интервале от 2-6 мм. Также теплоаккумулирующая насадка может представлять собой блочные структуры с каналами для прокачки воздуха.

Гранулированные частицы при размещении в канале имеют плотную упаковку. Такая упаковка обладает высоким гидродинамическим сопротивлением, что увеличивает затраты энергии на прокачку воздуха и ухудшает параметры устройства.

К недостаткам известных аналогов относится маленькая продолжительность циклов вытяжки и приточки, т.е. выбрасываемый комнатный воздух не успевает обновиться на улице. И не обновленный воздух всасывается устройством обратно в помещение.

Наиболее близким аналогом (прототипом) является теплообменник [I.V. Mezentsev, Yu.I. Aristov, N.N. Mezentseva, and V.A. Mukhin. Reversible heat exchange in the nozzle with water - ice phase transition in filtration of air // Journal of Engineering Thermophysics. 2019. Vol. 28, №. 1, P. 103-113], который представляет собой металлический каркас прямоугольного сечения, боковые стороны которого закрыты металлической сеткой, в ячейки которой помещены пластиковые трубки, частично заполненные водой. Пластиковые трубки помещены в ячейки сетки таким образом, что горизонтальные и вертикальные слои трубок чередуются.

В конструкции теплообменника имеются металлические элементы (прямоугольный каркас, сетка). Масса этих элементов может достигать до 20% от общей массы теплообменника. Металлические элементы увеличивают массу теплообменника и уменьшают объемную теплоемкость теплообменника. Кроме того, применение металлических элементов в теплообменниках приводит к частичной конденсации влаги при движении теплого влажного воздуха из помещения и испарению ее при поступлении сухого холодного наружного воздуха. Теплообменник в виде квадратного сечения устанавливается в круглое сечение канала, тем самым сечение канала используется нерационально.

Таким образом, к недостаткам известных аналогов относятся низкая эффективность работы, что связано с недостаточной продолжительностью циклов вытяжки и приточки, а также сложности, возникающие в процессе эксплуатации, а именно, невосстанавливаемость теплоаккумулирующего элемента в случае его выхода из строя, сложность обслуживания, например, при зарастании пылью, сложность переноса теплообменного устройства с целью установки в другое помещение, стены которого имеют другую толщину.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение эффективности работы модульного теплоаккумулирующего теплообменника для реверсивной системы вентиляции.

Задачей также является упрощение обслуживания теплообменника в процессе его эксплуатации.

Поставленные задачи решают путем создания модульного теплоаккумулирующего теплообменника для реверсивной системы вентиляции, позволяющего за счет его конструктивных особенностей и использования фазового перехода увеличить период между переключениями воздушных потоков, а также упростить его обслуживание в процессе эксплуатации.

Согласно изобретению, модульный теплоаккумулирующий теплообменник для реверсивной системы вентиляции, выполненный в виде каркаса круглого, или другого сечения, заполненного пластиковыми трубочками, частично заполненными жидкостной теплоаккумулирующей средой, и расположенными поперек к направлению движения потока воздуха и таким образом, что горизонтальные и вертикальные слои трубочек чередуются, выполнен в виде модульной сборно-разборной конструкции, а именно, в виде набора установленных соосно и плотно друг к другу идентичных решеток, сборно-разборной конструкции, заполненных трубочками одного или разных диаметров, причем трубочки заполнены жидкостной теплоаккумулирующей средой на 86-92% их объема, запаяны с обоих концов и установлены в отверстия каркаса решетки и ребер жесткости параллельно друг другу на расстоянии не более диаметра трубочки, при этом решетки установлены по отношению друг к другу таким образом, чтобы трубочки каждой следующей решетки были расположены под углом от 0 до 180 градусов относительно трубочек предыдущей решетки, и при этом было достигнуто максимальное увеличение турбулентности потока, проходящего через теплообменник, а количество решеток в теплообменнике N=k*LСТ, где LСТ - толщина стены, в которой устанавливают теплообменник (мм), k - конструкционный коэффициент (мм-1), k=0.07-0.12.

Модульный теплоаккумулирующий теплообменник в качестве теплоаккумулирующей среды содержит воду и жидкостные среды с объемной теплоемкостью 1.85 Дж/ см³К и более.

Материалы, из которых изготовлен теплообменник, имеют объемную теплоемкость 1.90 Дж/(см³К) и более.

Соотношение масс жидкостной теплоаккумулирующей среды, материала корпуса решетки и материала трубочек составляет (53-56%):(37-32%):(10-12%), соответственно.

Решетка может быть выполнена с ребрами жесткости, каркас решетки является монолитным (цельнолитым) и может быть выполнен с использованием аддитивных технологий методом послойной печати одним из следующих методов: выдавливания, выливания, распыления, спекания, склеивания.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 показан модульный теплоаккумулирующий теплообменник для реверсивной системы вентиляции, состоящий из набора решеток (модулей), где: 1 - каркас решетки; 2 - трубочки; 3 - отверстия для установки трубочек; 4 - ребра жесткости.

Каждая решетка представляет собой каркас 1 с ребрами жесткости 4, заполненный одного или разных диаметров трубочками 2, установленными в отверстия 3, выполненные в каркасе решетки и ребрах жесткости, параллельно друг другу и на расстоянии друг от друга - не более диаметра трубочки.

Трубочки заполнены жидкостной теплоаккумулирующей средой, например, водой или другой жидкостной средой с объемной теплоемкостью более 1.85 Дж/(см³⋅К), на 86-92% их объема и запаяны с обоих концов. Теплоаккумулирующая способность воды в 7.0 и 8.5 раз больше, чем, например, для стекла и полипропилена, соответственно. Использование фазового перехода "вода-лед" позволяет почти на порядок увеличить объемную емкость запасания теплоты. И это обстоятельство приводит к существенному увеличению времени между переключением направлением потока воздуха.

Элементы теплообменника выполнены в трубчатом виде, трубочки по рядам расположены в коридорном или шахматном порядке. Это известные конструкции и для них существуют методики точного расчета коэффициента теплоотдачи [Справочник по теплообменникам: В 2-х т. Т. 1 / Пер. с англ. под ред. Б.С. Петухова, В.К. Шикова. М.: Энергоатомиздат. 1987. 560 с. (Параграф 3.3.7). Справочник по теплообменникам: В 2-х т. Т. 2 / Пер. с англ. под ред. О.Г. Мартыненко и др. М.: Энергоатомиздат. 1987. (Параграф 2.2.4)].

Для достижения высокой эффективности теплообменника, материалы, из которых изготовлен теплообменник (каркас решетки, трубочки), выбирают с объемной теплоемкостью более 1.90 Дж/(см³⋅К).

Вклад массы жидкостной теплоаккумулирующей среды в общий вес теплообменника может достигать до 56%, масса материала трубочек до 12%, остальной вклад несет материал, из которого сделана решетка корпуса. Минимальное значение вклада материала для решетки корпуса составляет 32%.

Для придания жесткости конструкции служат ребра жесткости. Чем выше теплообменник, тем большей жесткостью должен обладать каркас решетки, т.е. решетка должна иметь ребра жесткости. Наличие повышенной жесткости конструкции теплообменника особенно актуально при его эксплуатации холодном регионе. На фиг. 2 и фиг. 3 показаны возможные варианты расположения ребер жесткости в решетке.

Таким образом, теплообменник выполнен в виде сборно-разборной модульной конструкции. Теплообменник собран из установленных соосно и плотно друг к другу идентичных решеток (модулей) круглого или другого сечения, заполненных трубочками с теплоаккумулирующей средой с высокой объемной теплоемкостью. Сборно-разборную конструкцию имеет также каждый модуль.

Количество решеток в теплообменнике зависит от толщины стены, L_СТ (мм), в которой устанавливают теплообменник. Количество решеток определяют по формуле N=k*L_СТ, где k - конструкционный коэффициент (мм^-1), k=0.07-0.12. Таким образом, минимальное количество решеток будет N_min=0.07*L_СТ, а максимально количество решеток - N_max=0.12*L_СТ. Теплообменник не может быть больше толщины стены, в которой он установлен. Вынос теплообменника на улицу в случае тонких стен результата не принесет, т.к. в условиях низких отрицательных температур, выносимый теплообменник обмерзнет и перестанет работать. Предложенная конструкция теплообменника позволяет подобрать количество решеток, имеющих необходимую теплоаккумулирующую способность теплообменника для его эффективной работы, т.е. позволяет теплообменник расположить в стене, и не выносить его на улицу. Теплообменник, находясь в стене, не подвержен замерзанию.

Решетки по отношение друг к другу могут быть установлены с различными углами поворота, от 0 до 180 градусов (например, трубочки каждого четного слоя расположены к трубкам нечетного под углом 90 градусов), что позволяет добиваться достижения максимального увеличения турбулентности потока при прохождении его через теплообменник и тем самым - увеличения теплоотдачи.

Обтекание средой различных схем расположения решеток накладывают свое влияние на изменение местного коэффициента теплоотдачи по поверхности трубочек различных рядов (решеток). Причиной возрастания теплоотдачи является увеличение турбулентности потока при прохождении его через пучок трубочек. Начиная с третьего ряда турбулентность потока принимает стабильный характер, присущий данной компоновке. Известно, что по абсолютному значению теплоотдача в шахматных пучках выше, чем в коридорных, что обусловлено лучшим перемешиванием жидкости в них [Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: "Энергоиздат", 1981. 416 с. (Глава девятая)].

Модульный теплоаккумулирующий теплообменник является основной или составной частью приточно-вытяжной системы вентиляции, предназначенной для принудительной подачи свежего и чистого воздуха с улицы в помещение, вытяжки загрязненного воздуха из помещения, а также подогрева воздуха зимой, охлаждения летом (рекуперации).

На фиг. 4 представлена схема монтажа приточно-вытяжного устройства с модульным теплоаккумулирующим теплообменником в стене, где: 5 - приточно-вытяжное устройство; 6 - стена; 7 - настенный блок (фильтр, шумопоглотитель); 8 - реверсивный вентилятор; 9 - теплоаккумулирующий теплообменник; 10 - уличная решетка (защита от попадания больших предметов).

Принцип работы теплообменника следующий.

Воздух из помещения (цикл вытяжки), проходя через теплоаккумулирующий теплообменник 9, нагревает его теплотой уходящего воздуха до комнатной температуры. Пройдя через теплоаккумулирующий теплообменник, воздух поступает в атмосферу. В следующий период работы холодный уличный воздух, проходя через теплоаккумулирующий теплообменник (цикл приточки), нагревается. Свежий теплый воздух поступает в помещение. Потом происходит переключение на цикл вытяжки. И далее циклы чередуются. Переключение направления потока воздуха происходит либо при достижении определенной разности температур между воздухом на входе и на выходе теплообменника, либо через фиксированное время, типичное для данного разряда помещений. Такая схема переключения обеспечивает поддержание высокой эффективности регенерации теплоты на высоком уровне (не меньше 80%).

Таким образом, увеличение эффективности теплоаккумулирующего теплообменника достигнуто за счет интенсификации теплообмена между средой теплоносителем (воздухом) и теплоаккумулирующей средой путем:

1. увеличения объемной теплоемкости теплообменника;

2. улучшением переноса теплоты посредством увеличения турбулентности воздуха между элементами теплообменника.

На увеличение объемной теплоемкости теплообменника влияют следующие признаки изобретения:

- конструкция теплообменника (набор решеток, заполненных трубочками с теплоаккумулирующей средой с большой теплоемкостью);

- соотношение массы теплоаккумулирующей среды и массы материала трубочек и каркаса решеток;

- форма элементов теплообменника, заполненных теплоаккумулирующей средой.

На увеличения турбулентности воздуха между элементами теплообменника (решетками) влияют количество и расположение решеток в теплообменнике.

Установка, обслуживание и ремонт теплообменника отличаются простотой и малой трудоемкостью, что достигается за счет сборно-разборной модульной конструкции, т.е. теплообменник собирают из решеток (модулей), каждая из которых также выполнена в виде сборно-разборной конструкции, состоящей из таких элементов, как каркас и трубочки с жидкостной теплоаккумулирующей средой. Теплообменник легко собирать и разбирать, подбирая необходимую теплоаккумулирующую способность теплообменника для его эффективной работы (количество модулей), например, в случае переноса теплообменника и установки в другое помещение с другой толщиной стены, в случае необходимости замены вышедших из строя элементы, в случае необходимости обслуживания, например, при зарастании пылью.

Для подтверждения работоспособности предлагаемой конструкции были выполнены теоретические расчеты, изготовлен и испытан опытный экземпляр теплообменника. Полученные результаты, подтвердили, что период между переключениями воздушных потоков выше более чем в 2-3 раза, чем у известных аналогов.

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в теплоаккумулирующих регенеративных теплообменниках. В модульном теплоаккумулирующем теплообменнике, выполненном в виде каркаса круглого, или другого сечения, заполненного пластиковыми трубочками, частично заполненными жидкостной теплоаккумулирующей средой, и расположенными поперек к направлению движения потока воздуха, горизонтальные и вертикальные слои трубочек выполнены в виде модульной сборно-разборной конструкции, а именно в виде набора установленных соосно и плотно друг к другу идентичных решеток. Технический результат - повышение эффективности работы и упрощение процесса эксплуатации теплоаккумулирующего теплообменника. 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Модульный теплоаккумулирующий теплообменник для реверсивной системы вентиляции, выполненный в виде каркаса круглого, или другого сечения, заполненного пластиковыми трубочками, частично заполненными жидкостной теплоаккумулирующей средой, и расположенными поперек к направлению движения потока воздуха и таким образом, что горизонтальные и вертикальные слои трубочек чередуются, отличающийся тем, что теплообменник выполнен в виде модульной сборно-разборной конструкции, а именно в виде набора установленных соосно и плотно друг к другу идентичных решеток, сборно-разборной конструкции, заполненных трубочками одного или разных диаметров, причем трубочки заполнены жидкостной теплоаккумулирующей средой на 86-92% их объема, запаяны с обоих концов и установлены в отверстия каркаса решетки и ребер жесткости параллельно друг другу на расстоянии не более диаметра трубочки, при этом решетки установлены по отношению друг к другу таким образом, чтобы трубочки каждой следующей решетки были расположены под углом от 0 до 180 градусов относительно трубочек предыдущей решетки, и при этом было достигнуто максимальное увеличение турбулентности потока, проходящего через теплообменник, а количество решеток в теплообменнике N=k*L_СТ, где L_СТ - толщина стены, в которой устанавливают теплообменник (мм), k - конструкционный коэффициент (мм^-1), k=0.07-0.12.

2. Модульный теплоаккумулирующий теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что в качестве теплоаккумулирующей среды он содержит воду и жидкостные среды с объемной теплоемкостью 1.85 Дж/(см³⋅К) и более.

3. Модульный теплоаккумулирующий теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что материалы, из которых изготовлен теплообменник, имеют объемную теплоемкость 1.90 Дж/(см³⋅К) и более.

4. Модульный теплоаккумулирующий теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что соотношение масс жидкостной теплоаккумулирующей среды, материала корпуса решетки и материала трубочек составляет (53÷56%):(37÷32%):(10÷12%) соответственно.

5. Модульный теплоаккумулирующий теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что решетка выполнена с ребрами жесткости.

6. Модульный теплоаккумулирующий теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что каркас решетки является монолитным (цельнолитым).

7. Модульный теплоаккумулирующий теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что каркас решетки выполнен с использованием аддитивных технологий.

8. Модульный теплоаккумулирующий теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что каркас решетки выполнен методом послойной печати.

9. Модульный теплоаккумулирующий теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что каркас решетки выполнен одним из следующих методов: выдавливания, выливания, распыления, спекания, склеивания.