Утилизатор тепла вентиляционного воздуха Российский патент 2021 года по МПК F24F7/00 

Изобретение относится к теплообменным устройствам для газовых сред, а именно к рекуперативным теплоутилизаторам приточно-вытяжных вентиляционных систем бытового и промышленного назначения.

Известны рекуперативные теплоутилизаторы с теплопередающей поверхностью из пластин, работающие по схеме перекрестного тока [1]. Данные теплоутилизаторы имеют невысокий коэффициент рекуперации теплоты греющего теплоносителя.

В известных теплоутилизаторах [2] и [3], работающих по схеме противотока, достигается более высокий коэффициент рекуперации теплоты. Недостатком известных теплоутилизаторов является их конструктивная сложность, трудоемкость изготовления и ремонта.

Известен теплоутилизатор [4] с вертикальными пластинами из теплопроводного материала, составляющими теплопроводящую поверхность, работающий по схеме противотока. Его работа характеризуется повышенным тепловым КПД. Недостатком известного теплоутилизатора является большое количество крепежных элементов, технологические сложности сборки и отсутствие защиты от льдообразования на теплопередающей поверхности в зимнее время года.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является теплоутилизатор, содержащий вертикальные пластины из теплопроводного материала, образующие чередующиеся щелевые каналы для греющего и нагреваемого теплоносителей, дистанционирующие проставки из эластичного материала, состоящие из не замыкающихся между собой частей, расположенных на кромках вертикальных пластин, раздающую и приемную камеры нагреваемого теплоносителя с размещенными в них электронагревателями-доводчиками, дренажную трубку, входной и выходной патрубки с установленными в них звукозадерживающими вставками [5] - прототип. Конструкция устройства [5] проста и технологична, имеет высокую степень унификации. Недостатком известного устройства [5] является необходимость электроподогрева поступающего в теплоутилизатор холодного приточного воздуха при отрицательных его температурах в зимнее время года, чтобы исключить образование льда на стенках каналов для вытяжного воздуха, удаляемого из помещений. Нагрев приточного воздуха перед входом его в каналы теплоутилизатора приводит к дополнительным затратам электроэнергии. Кроме того, при этом понижается коэффициент рекуперации теплоты, содержащейся в удаляемом вытяжном воздухе.

Техническая проблема, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, состоит в минимизации дополнительных затрат электроэнергии на предварительный нагрев приточного воздуха и в повышении коэффициента рекуперации теплоты, содержащейся в удаляемом из помещения вытяжном воздухе.

Сущность изобретения заключается в том, что в утилизаторе тепла вентиляционного воздуха, содержащем вертикальные пластины из теплопроводного материала (например, алюминия или пластмассы), образующие чередующиеся щелевые каналы для греющего и нагреваемого теплоносителей, дистанционирующие проставки из эластичного материала (например, техпластины 2Н-1-ТМКЩ-С-2С), состоящие из не замыкающихся между собой частей, расположенных на кромках вертикальных пластин, раздающую и приемную камеры нагреваемого теплоносителя с размещенными в них электронагревателями-доводчиками, дренажную трубку, входной и выходной патрубки с установленными в них звукозадерживающими вставками, между вертикальными пластинами из теплопроводного материала, в средней их части, установлены дополнительные дистанционирующие проставки из эластичного материала, причем в щелевых каналах для нагреваемого теплоносителя дополнительные проставки укороченные с образованием проходов для теплоносителя, к нижней части вертикальных пластин из теплопроводного материала примыкает поворотная камера для греющего теплоносителя, в который установлена сменная кассета с зернистым твердым адсорбентом (например, силикагель), вертикальные пластины из теплопроводного материала выполнены гофрированными или (и) имеют дискретную шероховатость в виде выступов и впадин, для побуждения движения потоков греющего и нагреваемого теплоносителей используется двухпоточный нагнетатель по патенту RU № 2707790 от 29.11.2019, который установлен с наружной стороны стены вентилируемого помещения.

В отличие от известного устройства, наличие дополнительных дистанционирующих проставок из эластичного материала между вертикальными пластинами в средней их части, при том, что в щелевых каналах для нагреваемого теплоносителя дополнительные дистанционирующие проставки укороченные с образованием проходов для теплоносителя, наличие примыкающей к нижней части вертикальных пластин из теплопроводного материала поворотной камеры для греющего теплоносителя, в которой установлена сменная кассета с зернистым твердым адсорбентом, обеспечивает осушение вытяжного воздуха по пути его движения в щелевых каналах утилизатора, что исключает образование льда на их стенках и позволяет охлаждать вытяжной воздух до отрицательных температур, приближенных к температуре атмосферного воздуха вне вентилируемого помещения в зимнее время. При этом увеличивается коэффициент рекуперации тепла вытяжного воздуха, отпадает необходимость в предварительном нагреве приточного воздуха и затратах электроэнергии для этой цели. Размещенный в раздающей камере нагреваемого теплоносителя электронагреватель-доводчик включается в работу только при экстремально низких температурах атмосферного воздуха вне вентилирующего помещения в зимнее время, меньших расчетной ее величины, принятой при проектировании утилизатора.

Кроме того, исполнение вертикальных пластин из теплопроводного материала гофрированными или (и) с дискретной шероховатостью в виде выступов и впадин обеспечивает необходимую их жесткость и устойчивость к изгибу, а также интенсифицирует теплообмен потоков греющего и нагреваемого теплоносителей в каналах между пластинами. Использование двухпоточного нагнетателя по патенту RU №2707790 для побуждения движения потоков греющего и нагреваемого теплоносителей и установка его с наружной стороны стены вентилируемого помещения значительно упрощает синхронизацию подачи теплоносителей через утилизатор, обеспечивает постоянство подачи и независимость ее от возможных колебаний напора в условиях работы конкретной вентиляционной системы, способствует защите помещения от шума работающего нагнетателя.

Известные технические решения [2], [3] и [4] конструктивно более сложны и менее технологичны, подвержены льдообразованию на стенках каналов для греющего теплоносителя в процессе работы при регламентном номинальном режиме в зимнее время.

На фиг. 1 показан разрез утилизатора тепла вентиляционного воздуха по щелевому каналу для нагреваемого теплоносителя (обозначено: П - приточный воздух); на фиг. 2 - разрез по щелевому каналу для греющего теплоносителя (обозначено: В - вытяжной воздух); на фиг. 3 - сечение А-А на фиг. 2.

Утилизатор тепла вентиляционного воздуха содержит гофрированные или (и) с дискретной шероховатостью в виде выступов и впадин вертикальные пластины 1 из теплопроводного материала, которые образуют чередующиеся каналы 2 для греющего и каналы 3 для нагреваемого теплоносителей. На кромках вертикальных пластин 1 расположены не замыкающиеся между собой части дистанционирующих проставок 4. В средней части вертикальных пластин 1 установлены дополнительные дистанционирующие проставки 5 из эластичного материала. В раздающей 6 и приемной 7 камерах нагреваемого теплоносителя размещены электронагреватели-доводчики 8 и 9. К нижней части вертикальных пластин 1 примыкает поворотная камера 10 для греющего теплоносителя, в которой размещена сменная кассета 11 с зернистым твердым адсорбентом. Поворотная камера 10 имеет соединение с дренажной трубкой 12, предназначенной для вывода сконденсировавшейся влаги. В стене 13 вентилируемого помещения размещаются входной 14 и выходной 15 патрубки с установленными в них звукозадерживающими вставками 16. С наружной стороны стены 13 установлен двухпоточный нагнетатель 17 с электродвигателем 18.

Утилизатор тепла вентиляционного воздуха работает следующим образом.

При включении электродвигателя 18 приводятся в движение рабочие органы двухпоточного нагнетателя 17, установленного с наружной стороны стены 13, и осуществляется уравновешенное по расходам перемещение через утилизатор греющего и нагреваемого теплоносителей. Греющий теплоноситель (вытяжной воздух) входит из вентилируемого помещения в открытые щелевые каналы 2, образованные вертикальными пластинами 1 и дистанционирующими проставками 4 и 5. При ходе вниз в щелевых каналах 2 вытяжной воздух, отдавая тепло через стенки вертикальных пластин нагреваемому теплоносителю в смежных каналах, охлаждается и часть влаги, содержащейся в нем в виде пара, конденсируется. Вместе с каплями конденсата поток вытяжного воздуха далее поступает в поворотную камеру 10, примыкающую к нижней части вертикальных пластин 1. В поворотной камере 10 за счет действия на поток центробежных сил, возникающих при его повороте на 180 градусов, капли конденсата сепарируются, собираются в нижней части поворотной камеры 10, откуда постоянно или периодически конденсат выводится через дренажную трубку 12. Окончательное осушение вытяжного воздуха осуществляется при его фильтрации через слой зернистого твердого адсорбента в сменной кассете 11. Сменная кассета 11 по мере насыщения адсорбента влагой заменяется другой, свежей кассетой и подвергается регенерации. Поток осушенного вытяжного воздуха затем совершает второй ход в щелевых каналах 2, передвигаясь снизу вверх, охлаждаясь при этом до температуры близкой к начальной температуре нагреваемого теплоносителя на входе в утилизатор тепла. Таким образом, поток греющего теплоносителя имеет в утилизаторе тепла U-образную траекторию движения (показана стрелками на фиг.2). Выйдя из открытых щелевых каналов 2 второго, подъемного, хода, вытяжной воздух одним общим потоком поступает в выходной патрубок 15, проходит через звукозадерживающую вставку 16, расположенную в патрубке 15, и через двухпоточный нагнетатель 17, который соединен с патрубком 15, выбрасывается в атмосферу.

Нагреваемый теплоноситель (приточный воздух) также имеет два хода и перемещается в утилизаторе по U-образной траектории (показана стрелками на фиг. 1) противотоком вытяжному воздуху. Взятый снаружи вентилируемого помещения из атмосферы, приточный воздух двухпоточным нагнетателем 17 через соединенный с ним входной патрубок 14 и звукозадерживающую вставку 16 подается в раздающую камеру 6. При необходимости, в раздающей камере 6 приточный воздух подогревается с помощью электронагревателя-доводчика 8 и затем распределяется по щелевым каналам 3 опускного хода, которые образованы вертикальными пластинами 1 и дистанционирующими проставками 4 и 5. Пройдя по щелевым каналам 3 опускного хода, приточный воздух в проходах между укороченными дистанционирующими проставками 5 и проставками 4 на кромках вертикальных пластин 1 поворачивает на 180 градусов и далее движется вверх в щелевых каналах 3 подъемного хода. При движении в щелевых каналах 3 приточный воздух нагревается, воспринимая тепло от вытяжного воздуха в процессе теплопередачи через стенки вертикальных пластин 1. Из щелевых каналов 3 подъемного хода приточный воздух поступает в приемную камеру 7, где при необходимости догревается до необходимой температуры электронагревателем-доводчиком 9. Из приемной камеры нагретый приточный воздух выходит в вентилируемое помещение.

Площадь поверхности теплопередачи утилизатора тепла вентиляционного воздуха определяется с учетом выбранной расчетной температуры наружного воздуха t_н и требуемой температуры воздуха t_в в вентилируемом помещении. Если температура наружного воздуха по климатическим условиям оказывается выше расчетной величины t_н, то утилизатор тепла в этом случает будет работать с запасом по площади поверхности теплопередачи, необходимость в работе электронагревателя-доводчика 8 в раздающей камере 6 отпадает, а электронагреватель-доводчик 9 в приемной камере 7 работает с уменьшенной нагрузкой. В том случае, если по климатическим условиям температура наружного воздуха становится ниже расчетной величины t_н, включается в работу электронагреватель-доводчик 8 для нагрева вводимого в утилизатор тепла приточного воздуха до расчетной величины t_н. При этом исключается льдообразование в щелевых каналах 2 в условиях работы с любыми экстремально низкими температурами наружного воздуха. Эпизодическая работа электронагревателя-доводчика 8 и работа электронагревателя-доводчика 9 с уменьшенной нагрузкой приводит к тому, что снижается расход электроэнергии на нагрев приточного воздуха по отношению к прототипу, а при некоторых климатических условиях расход электроэнергии становится равным нулю.

Конденсация паров влаги в потоке вытяжного воздуха при его охлаждении и процесс поглощения паров зернистым твердым адсорбентом сопровождаются выделением теплоты фазового перехода. По этой причине изменение температуры от входа до выхода в утилизаторе тепла больше для потока приточного воздуха, чем для вытяжного, при равных их расходах.

Коэффициент рекуперации тепла, определяемый как отношение потока тепла воспринимаемого приточным воздухом к предельной его величине при нагреве приточного воздуха от температуры на входе в утилизатор до температуры входа вытяжного воздуха, составляет 0,9-0,94. В известных теплоутилизаторах подобного назначения данный показатель не превышает 0,6.

Предлагаемое устройство имеет следующие преимущества:

- простота и технологичность конструкции;

- отсутствие льдообразования на теплопередающей поверхности;

- отсутствие шума при работе;

- высокий коэффициент рекуперации тепла вытяжного воздуха;

- минимальные затраты электроэнергии на температурную доводку потока приточного воздуха.

Источники информации

1. Варфоломеев Ю.М., Кокорин О.Я. Отопительные и тепловые сети. - М.: ИНФРА-М, 2005. с. 364-365.

2. Авторское свидетельство СССР № 907354. Кл. F24F 7/06, опубл. 23.02.82, бюл. № 7.

3. Хараз Д.И., Псахис Б.И. Пути использования вторичных энергоресурсов в химических производствах. - М.: Химия, 1984. с. 94, рис. 4.25.

4. Патент RU № 2416764 С1. МПК F24F 7/10, опубл. 20.04.2011, бюл. № 11.

5. Патент RU № 2688384 С1. МПК F24F 7/00, F24F 12/00, F24D 9/00, опубл. 21.05.2019, бюл. № 15.

Изобретение относится к теплообменным устройствам для газовых сред, а именно к рекуперативным теплоутилизаторам приточно-вытяжных вентиляционных систем бытового и промышленного назначения. Техническая проблема, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, состоит в минимизации дополнительных затрат электроэнергии на предварительный нагрев приточного воздуха и в повышении коэффициента рекуперации теплоты, содержащейся в удаляемом из помещения вытяжном воздухе. Утилизатор тепла вентиляционного воздуха содержит вертикальные пластины из теплопроводного материала, образующие чередующиеся щелевые каналы для греющего и нагреваемого теплоносителей, дистанционирующие проставки из эластичного материала, состоящие из не замыкающихся между собой частей, расположенных на кромках вертикальных пластин, раздающую и приемную камеры нагреваемого теплоносителя с размещенными в них электронагревателями-доводчиками, дренажную трубку, входной и выходной патрубки с установленными в них звукозадерживающими вставками. Между вертикальными пластинами из теплопроводного материала, в средней их части, установлены дополнительные дистанционирующие проставки из эластичного материала. Причем в щелевых каналах для нагреваемого теплоносителя дополнительные проставки укороченные с образованием проходов для теплоносителя, к нижней части вертикальных пластин из теплопроводного материала примыкает поворотная камера для греющего теплоносителя, в которой установлена сменная кассета с зернистым твердым адсорбентом. Вертикальные пластины из теплопроводного материала выполнены гофрированными. Вертикальные пластины из теплопроводного материала имеют дискретную шероховатость в виде выступов и впадин. Для побуждения движения потоков греющего и нагреваемого теплоносителей используется двухпоточный нагнетатель, установленный с наружной стороны стены вентилируемого помещения. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Утилизатор тепла вентиляционного воздуха, содержащий вертикальные пластины из теплопроводного материала, образующие чередующиеся щелевые каналы для греющего и нагреваемого теплоносителей, дистанционирующие проставки из эластичного материала, состоящие из не замыкающихся между собой частей, расположенных на кромках вертикальных пластин, раздающую и приемную камеры нагреваемого теплоносителя с размещенными в них электронагревателями-доводчиками, дренажную трубку, входной и выходной патрубки с установленными в них звукозадерживающими вставками, отличающийся тем, что между вертикальными пластинами из теплопроводного материала, в средней их части, установлены дополнительные дистанционирующие проставки из эластичного материала, причем в щелевых каналах для нагреваемого теплоносителя дополнительные проставки укороченные с образованием проходов для теплоносителя, к нижней части вертикальных пластин из теплопроводного материала примыкает поворотная камера для греющего теплоносителя, в которой установлена сменная кассета с зернистым твердым адсорбентом.

2. Утилизатор тепла вентиляционного воздуха по п.1, отличающийся тем, что его вертикальные пластины из теплопроводного материала выполнены гофрированными.

3. Утилизатор тепла вентиляционного воздуха по п.1, отличающийся тем, что вертикальные пластины из теплопроводного материала имеют дискретную шероховатость в виде выступов и впадин.

4. Утилизатор тепла вентиляционного воздуха по п.1, отличающийся тем, что для побуждения движения потоков греющего и нагреваемого теплоносителей используется двухпоточный нагнетатель, установленный с наружной стороны стены вентилируемого помещения.