Регенеративный теплообменник утилизации теплоты и влаги в децентрализованной вентиляционной системе Российский патент 2024 года по МПК F24F7/06 

Изобретение относится к теплообменным устройствам и может быть использовано в качестве элементов теплообменных аппаратов, испарителей, систем охлаждения энергетических и других установок, в частности к трубчатым элементам теплоаккумулирующим теплообменникам.

В основе работы вентиляции заложен принцип рекуперации, это возвращение части энергии для повторного использования в том же технологическом процессе при котором из отработанного воздуха, возвращается часть тепла. Покидая помещение, теплый воздух частично нагревает встречный холодный поток в теплообменнике. Таким образом, на улицу выходит полностью отработанный воздух, а в помещение попадает не только свежий, но и уже нагретый воздух. Для утилизации теплоты воздушных потоков могут применяться различные конструкции теплообменников: пластинчатые, роторные, насадки с миниканалами или в виде засыпки гранул, трубчатые теплообменники или утилизаторы, использующие промежуточный теплоноситель. Использование того или иного типа теплообменника в каждом конкретном случае имеет свои достоинства и недостатки, а также свою область применения.

Обычное решение проблемы энергосбережения связано с использованием теплого воздуха, выходящего из помещения, для подогрева холодного воздуха, поступающего в помещение. Для этого обычно используют теплообменные устройства рекуперативного и регенеративного типа (RU 2120087, F24E 11/00, 10.10.1998; RU 2119129, F24D 9/00, 20.09.1998).

Известны пластинчатые теплообменники, в которых передача теплоты от вытяжного воздуха к приточному, передается через пластину (RU 2282124, МПК F28D 9/00, RU 2673375, F28D 3/00, RU 2147110). Передача тепла осуществляется путем теплопроводности пластины из теплого канала в холодной. При низких отрицательных температурах происходит обледенение теплообменных поверхностей, т.к. используются миниканалы.

В роторных теплообменниках передача теплоты осуществляется во вращающейся насаде теплообменника. Известен рекуператор тепла по патенту RU 2658265, МПК F24F 7/00, 23.08.2016 г., который может быть использован в системах вентиляции животноводческих и других помещений с повышенной влажностью. В нем технический результат достигается за счет того, что в рекуператоре тепла, содержащем закрытый корпус с установленным внутри него ротором, пластины которого попеременно оказываются в потоке уходящего из помещения теплого воздуха или в потоке поступающего в помещение холодного воздуха. Пластины ротора выполнены в виде дисков, насаженных с промежутком между ними на вал, ориентированный горизонтально, перпендикулярно горизонтальному потоку воздуха. Недостатком данного рекуператора является то, что в нем наледь не образуется только в том случае, если температура воздуха на выходе рекуператора, а, следовательно, и температура наружной части пластин не ниже нуля. Это при отрицательной температуре окружающего пространства не позволяет полностью использовать тепло уходящего воздуха, что в конечном итоге снижает эффективность рекуператора. К недостаткам роторных теплообменников можно отнести также то, что: удаляемый загрязненный воздух частично переносится из вытяжки в приток, поэтому использование роторных теплообменников в условиях присутствия токсичных веществ недопустимо; эксплуатация возможна при температуре наружного воздуха не ниже -10°С.

Одним из наиболее перспективных решений проблемы энергосбережения является утилизация теплоты вытяжного воздуха для нагрева приточного через теплоаккумулирующую насадку (засыпку). Вытяжной теплый воздух из помещения проходит через теплоаккумулирующую засыпку (неподвижный слой гранулированного материала), которая поглощает часть тепловой энергии воздуха. Затем направление воздушного потока изменяется, и приточный холодный воздух проходит через теплоаккумулирующую засыпку, получая от нее тепло. Теплообмен между газом и зернистым слоем происходит во время прохождения газа по каналам, образованным твердыми частицами - элементами засыпки (патент RU 2075718, F28D 17/00, 20.03.1997).

Как уже отмечалось, применение таких теплообменников в условиях холодного климата может приводить к замерзанию сконденсированной влаги и частичной или полной закупорке проходных каналов в теплообменной насадке.

Известно изобретение по патенту RU 2213645, МПК B22F 3/11, 05.09.2001 г., где функцию теплоаккумулирующего элемента выполняет материал, имеющий ячеисто-каркасную пеноподобную структуру, характеризующуюся значительной открытой пористостью и низким гидродинамическим сопротивлением, в котором, ячейки пересекаются таким образом, чтобы образовалось множество связанных между собой разномерных, извилистых свободных полостей и каналов для проточного воздуха.

Известны устройства, где роль теплоаккумулятора выполняет полипропиленовая насадка с миниканалами. В устройстве по патенту RU 2127408, МПК F28F 1/44, 10.06.1997, выполнена теплообменная труба, содержащая пакет пористых элементов, размещенных по длине трубы, и установленных с переменной пористостью, уменьшающейся в направлении движения горячего потока, где каждый пористый элемент выполнен в виде объемной решетки, образующей ячейки, при этом элементы расположены по длине и по диаметру трубы вплотную друг к другу. Ячейки пористого элемента выполнены или квадратного, или прямоугольного, или круглого сечения.

Недостатком может являться частое время переключения с приточного режима вентиляции на вытяжной. Фактически лопастям вентилятора сначала нужно остановится, а потом снова раскрутиться до необходимой мощности двигателя вентилятора. Процесс остановки и запуска реверсивного режима может составлять до 20% полуцикла, что снижает эффективность работы устройства и повышает износ механических элементов вентилятора.

Известны рекуператоры: VAKIO компании ООО «Вакио» (https://vakio.ru) и УВРК компании ООО Научно-производственная фирма «Экотерм» (https://www.ecotherm.ru). У них в качестве теплообменного модуля используют полипропиленовую насадку, выполненную в форме цилиндра с системой параллельных продольных каналов. Недостатком рекуператоров является частое время переключения с приточного режима вентиляции на вытяжной из-за ограниченной объемной теплоемкости теплоаккумулирующей насадки (около 40 с). Также существует опасность обмерзания каналов в условиях холодного климата. Чтобы этого избежать, рекуператор VAKIO один раз в час включается на режим вытяжки и обеспечивает подачу воздуха в течении пяти минут. Такая работа обусловлена повышенным уровнем шумом из-за увеличенного расхода воздуха, что является негативным моментом для потребителя, который вынужден слышать шум.

Оптимальным решением по устранению образования наледи будет являться установка в аппарат сорбирующего слоя - адсорбента. Применение соответствующего адсорбента "в связке" с теплоаккумулирующей насадкой позволяет не только устранить проблему обмерзания теплообменника и выхода его из строя, но и расширяет область их применения в условиях холодного климата.

Известен способ регулирования теплообмена в системе вентиляции офисных и жилых помещений и устройство для реализации этого способа по патенту RU 2277205, МПК F24F 1/147, 14.12.2004, согласно которому воздух периодически подают из помещения на улицу и с улицы в помещение через устройство, в которое помещен слой теплоаккумулирующей насадки, перед теплоаккумулирующей насадкой со стороны помещения располагают слой сорбента, способного поглощать и отдавать пары воды в проходящий через него воздух, регулирую тем самым его влажность. Устройство для реализации этого способа представляет 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. Слой сорбента поглощает пары воды и отдает пары воды в проходящий через него воздух, регулирую тем самым его влажность, т.е. решает задачу обмена влагой между входящим и выходящим воздушными потоками. Применение соответствующего адсорбента в паре с теплоаккумулирующей насадкой позволяет не только устранить проблему обмерзания теплообменника, но и расширяет область их применения в условиях холодного климата.

Известны трубчатые теплообменники, в которых передача теплоты от вытяжного воздуха к приточному, передается через трубчатые элементы. Трубчатые теплообменники являются эффективными теплоаккумуляторами в системе приточной вентиляции и имеют широкое применение, но, однако и они не обеспечивают достаточную защиту от обмерзания при низких температурах наружного воздуха.

Известно приточно-вытяжное вентиляционное устройство по заявке на изобретение RU 2013104221, МПК F24F 7/00, 01.02.2013 г., размещаемое в наружной стене здания, включающее корпус и встроенный в него теплообменник-рекуператор типа воздух-воздух, выполненный из большого числа тонкостенных трубок, внутренние полости которых как со стороны помещения здания, так и со стороны улицы, аэродинамически объединены в единый канал, по которому из помещения удаляют вытяжной воздух, а по межтрубному пространству в помещение подают свежий приточный воздуха, предварительно подогретый при обтекании трубок теплообменника-рекуператора за счет теплообмена через стенки трубок с протекающим в них вытяжным воздухом. Материал и толщину стенок трубок выбирают из условия не превышения термического сопротивления стенки трубы и изготавливают, например, из полимерных материалов, бумаги, картона и т.д.

Недостатком этого устройства является относительно высокий уровень шума, создаваемый при работе устройства, что снижает комфорт от его использования.

Известно приточно-вытяжное вентиляционное устройство с рекуперацией теплоты по патенту RU 2732179, МПК F24F 7/00, 30.07.2018 г., оснащенное вентилятором и рекуператором теплоты вытяжного воздуха, при этом устройство дополнительно снабжено расширительной камерой, устанавливаемой на выходе приточного воздуха из устройства в вентилируемое помещение и снижающей (гасящей) скорость приточного воздуха до величин, исключающих аэродинамический шум. Через расширительную камеру проходят дополнительные воздушные каналы с протекающим по ним вытяжным воздухом, дополнительно подогревающим приточный воздух перед его поступлением в помещение, а дополнительные каналы одновременно выполняют функции шумоглушения. Это позволяет повысить комфорт от использования устройства путем снижения уровня шума, создаваемого при работе, однако не обеспечивает предотвращение замерзание конденсата при низких температурах наружного воздуха.

Наиболее близким техническим решениям, является прототип - модульный тепло-аккумулирующий теплообменник для реверсивной системы вентиляции по патенту RU 2739211, МПК F24F 7/06, 19.02.2020, выполненного в виде каркаса круглого, или другого сечения, заполненного пластиковыми трубочками, частично заполненными жидкостной теплоаккумулирующей средой, и расположенными поперек круглого каркаса, и 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 прототипа - повышение эффективности работы и упрощение процесса эксплуатации теплоаккумулирующего теплообменника. Недостатком прототипа является то, что изготовление трубочек усложняется из-за их разной длины. Так, например, для стандартного канала 125 мм трубочки должны иметь семь различных длин.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение аккумулирования тепловой энергии теплообменника путем передачи теплоты от вытяжного воздуха к поступающему приточному воздуху, а также предотвращение выпадения конденсата при низких температурах наружного воздуха при реверсивных процессах.

В данном изобретении для решения этих задач предлагается использовать регенеративный теплообменник, в котором в качестве теплоаккумулирующей среды применен набор трубчатых элементов, а в качестве влагообменной среды используют гладкие участки трубчатых элементов, на которые нанесен слой сорбента.

Технический результат достигается тем, что регенеративный теплообменник утилизации теплоты и влаги в децентрализованной вентиляционной системе, выполнен в виде трубы с патрубками подвода и отвода среды, и теплообменным модулем, заполненным набором трубчатых теплообменных элементов одинакового или различного диаметра, заполненных без избыточного давления жидкостной теплоаккумулирующей средой, герметично запаянных с обоих концов и установленных по концам в отверстия перфорированных трубных досок на расстоянии друг от друга, параллельно стенкам трубы вдоль движения потока воздуха, в количестве одного или нескольких модулей. Согласно изобретению, трубчатые теплообменные элементы выполнены из мягкого гибкого материала и с целью интенсификации теплообмена содержат гладкие цилиндрические участки, чередующиеся с гофрированными участками, обеспечивающими эффективную турбулизацию обтекающего потока воздуха, а на смежных гладких участках трубчатых элементов нанесен слой сорбента. Сорбент является буфером влаги. Он способен поглощать и отдавать пары воды в проходящем через него потоком воздуха.

Гофрированные участки трубчатых элементов могут быть выполнены с переменным шагом, обеспечивающим сужение или увеличение поперечного сечения трубчатых элементов и их поверхности теплообмена для регулирования степени турбулизации потока. На гладкие участки трубчатых элементов, слой сорбента наносится любым известным способом: распылением, погружением, капельным или клеевым методом и может состоять из оксида кремния, оксида алюминия, цеолита, неорганических солей, внесенных в их поры. Модули теплообменника выполнены с возможностью соединения в секции. Для получения эффективной поверхности теплообмена компоновка гофрированных и гладких трубчатых участков может быть многоходовой.

В данном изобретении для решения задач тепло- и влагообмена предлагается использовать регенеративный теплообменник. Задачу теплообмена решают трубчатые элементы, выполненные из мягкого гибкого материала, заполненные без избыточного давления жидкостной теплоаккумулирующей средой, например дистиллированной водой. Трубчатые теплоаккумулирующие элементы эффективно аккумулируют тепловую энергию, т.к. они имеют объемную теплоемкость выше значения 1.90 Дж/(см³⋅К). Кроме того, на гладкие участки трубчатых элементов нанесен слой сорбента, который регулирует влажность, поступающего с улицы воздуха. Фактически решает задачу обмена влагой между входящими и выходящими воздушными потоками. В качестве сорбента используют оксид кремния или оксид алюминия, или цеолит, или неорганические соли, внесенные в их поры.

Регенеративный теплообменник утилизации теплоты и влаги в децентрализованных вентиляционных системах, может устанавливаться вертикально или горизонтально в стене здания. Если размер стены не позволяет разместить теплообменник, то он может быть расположен в самом рекуператоре, который расположен внутри помещения.

На фиг.1 изображен регенеративный теплообменник утилизации теплоты и влаги децентрализованной вентиляционной системы: 1 - стена здания; 2 - установочный канал (в виде трубы); 3 - приточный вентилятор; 4 - модуль регенеративного теплообменника из трубчатых элементов; 5 - вытяжной вентилятор. Вентиляторы попеременно подают воздух по патрубкам в помещение и наружу. Воздух проходит через трубчатый теплообменный элемент 4. При движении воздуха наружу из помещения, трубчатые элементы и весь модуль нагревается, а при движении внутрь помещения (холодного воздуха), трубчатый модуль отдает накопленное тепло потоку холодного воздуха. Теплообмен происходит в результате разности температур между комнатным и уличным воздухом. Сорбент, нанесенный на стенки трубчатых элементов, способствует накоплению влаги при движении воздуха с более высоким влагосодержанием наружу и увлажнению поступающего с улицы воздуха с более низким влагосодержанием (в зимнее время). Таким образом, реверсивное движение воздуха в вентилируемом помещении может сохранять не только теплоту, но и возвращать влагу, поддерживая комфортный режим в помещении. Трубчатые теплообменные элементы 4 выполнены гладкой цилиндрической формы, чередующейся с гофрированными участками, частично заполнены теплоаккумулирующей жидкостью, и герметично запаяны с двух концов. На смежных гладких участках трубчатых элементов нанесен влагообменный слой сорбента, способного поглощать и отдавать пары воды в проходящий через него поток воздуха, регулируя при этом его влажность. На фиг.2 показано нанесение сорбента на трубчатый теплообменный элемент в лабораторных условиях клеевым методом при осуществлении эксперимента.

Испытания экспериментального образца регенеративного теплообменника для утилизации теплоты и влаги в децентрализованных вентиляционных системах было проведено на стенде (см. фиг.3). Стенд представляет собой корпус размером 300×300 мм высотой 580 мм. Внутри корпуса устанавливали регенеративный теплообменник с трубчатыми элементами из полиолефина с диаметрами 2,4 и 3,2 мм. Трубчатые элементы заполняли теплоаккумулирующей жидкостью, например, водой или другой жидкостной средой с объемной теплоемкостью более 1.85 Дж/(см³ К) на 90% от объема и герметично запаивали с обоих концов. Для запайки концов использовался термоклеевой пистолет, т.к. такой монтаж является наиболее простым, надежным и безопасным способом запайки.

На гладкие стенки трубчатых элементов был нанесен композитный сорбент. В качестве сорбента использовали оксид кремния (0.2 - 0.3 мм), пропитанный гигроскопичной неорганической солью.

На входе и выходе теплообменника были расположены хромель-копелевые термопары. Также по концам были установлены вентиляторы Vent 100L. Абсолютную влажность воздуха измеряли термогигрометрами ИВА-6Б со стороны комнаты и улицы.

Схема экспериментального стенда, представленная на фиг.3, изображена с вертикальным расположением регенеративного теплообменника, в корпусе которого установлены в патрубках: 3 - приточный вентилятор; 4 - регенеративный теплообменник; 5 - вытяжной вентилятор, 6 - термопара на теплом конце (со стороны помещения); 7 - термопара на холодном конце (со стороны улицы); 8 - датчик влажности на холодном конце; 9 - датчик влажности на теплом конце.

На фиг.4 показан график изменения температуры и абсолютной влажности в ходе экспериментальных исследований регенеративного теплообменника для утилизации теплоты и влаги. Теплый и холодный воздух подавался вентиляторами, установленными на входе и выходе устройства. В этом случае температура и влажность воздуха на входе в устройство определялась условиями в комнате и на улице. Объемную скорость подачи воздуха регулировали до 70 м³/ч. Стенд оборудовался системой автоматики, изменяющей направление движения воздуха по заданной программе (реверс процессы).

Коэффициенты регенерации теплоты θ и влаги β рассчитывали, как отношение площадей S_АВГД/S_АБГД и S_МОПК/S_МНПК соответственно. Методика определения коэффициентов регенерации подробно рассмотрена и представлена в статье, опубликованной: Аристов Ю.И., Мезенцев И.В., Мухин В.А. Новый подход к регенерации теплоты и влаги в системе вентиляции помещений. 2. Прототип реального устройства // ИФЖ. 2006, Т. 79, №3, С.151-157.

Испытания регенеративного теплообменника для утилизации теплоты и влаги в децентрализованных вентиляционных системах, предложенной конструкции при расходе воздуха в диапазоне 10-70 м³/ч показали, что коэффициенты регенерации теплоты (Фиг. 5) и влаги (Фиг. 6) имеют высокие значения при времени реверса 820 с по сравнению с теплообменным модулем рекуператора MARLEY MEnV-180 (https://www.marley-rus.ru/ventilation-systems/teploobmennik-dlya-svezhego-vozdukha) или модуля рекуператора VAKIO BASE (https://vakio.ru/wp-ontent/uploads/2021/09/2022_07_base_smart.pdf, стр. 3).

Так, например, коэффициент регенерации теплоты изменяется в интервале от 0.80 до 0.92, а коэффициент регенерации влаги - от 0.60 до 0.84. Такие коэффициенты, особенно по регенерации влаги, не показывает ни один регенеративный теплообменник, который используется на рынке в настоящее время.

Изобретение относится к теплообменным устройствам и может быть использовано в качестве элементов теплообменных аппаратов, испарителей, систем охлаждения энергетических установок. Регенеративный теплообменник утилизации теплоты и влаги в децентрализованной вентиляционной системе выполнен в виде трубы (2) с вентиляционными патрубками подвода и отвода среды, и теплообменным модулем (4), заполненным набором трубчатых теплообменных элементов одинакового или различного диаметра, частично заполненных жидкостной теплоаккумулирующей средой, герметично запаянных с обоих концов и установленных по концам в отверстия перфорированных трубных досок на расстоянии друг от друга, параллельно стенкам трубы вдоль движения потока воздуха. Трубчатые теплообменные элементы выполнены из полиолефина и с целью интенсификации теплообмена содержат гладкие цилиндрические участки, чередующиеся с гофрированными участками, обеспечивающими эффективную турбулизацию потока воздуха, а на смежных гладких участках трубчатых элементов нанесен слой сорбента, способного поглощать и отдавать пары воды в проходящий через него поток воздуха. Повышается аккумулирование тепловой энергии теплообменника, а также предотвращается выпадение конденсата при низких температурах наружного воздуха при реверсивных процессах. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Регенеративный теплообменник утилизации теплоты и влаги в децентрализованной вентиляционной системе, выполненный в виде трубы с вентиляционными патрубками подвода и отвода среды, и теплообменным модулем, заполненным набором трубчатых теплообменных элементов одинакового или различного диаметра, частично заполненных жидкостной теплоаккумулирующей средой, герметично запаянных с обоих концов и установленных по концам в отверстия перфорированных трубных досок на расстоянии друг от друга, параллельно стенкам трубы вдоль движения потока воздуха, отличающийся тем, что трубчатые теплообменные элементы выполнены из полиолефина и с целью интенсификации теплообмена содержат гладкие цилиндрические участки, чередующиеся с гофрированными участками, обеспечивающими эффективную турбулизацию потока воздуха, а на смежных гладких участках трубчатых элементов нанесен слой сорбента, способного поглощать и отдавать пары воды в проходящий через него поток воздуха.

2. Регенеративный теплообменник утилизации теплоты и влаги в децентрализованной вентиляционной системе по п. 1, отличающийся тем, что гофрированные участки трубчатых элементов выполнены с переменным шагом, обеспечивающим сужение или увеличение поперечного сечения трубчатых элементов и их поверхности теплообмена.

3. Регенеративный теплообменник утилизации теплоты и влаги в децентрализованной вентиляционной системе по п. 1, отличающийся тем, что слой сорбента на гладкие участки трубчатых элементов наносят любым известным способом: распылением, погружением, капельным или клеевым методом.

4. Регенеративный теплообменник утилизации теплоты и влаги в децентрализованной вентиляционной системе по п. 1, отличающийся тем, что в качестве сорбента используют оксид кремния, или оксид алюминия, или цеолит, или неорганические соли, внесенные в их поры.

5. Регенеративный теплообменник утилизации теплоты и влаги в децентрализованной вентиляционной системе по п. 1, отличающийся тем, что используют один или несколько теплообменных модулей с возможностью получения эффективной поверхности теплообмена и компоновка модулей может быть многоходовой.