ВОЗДУХО-ВОЗДУШНЫЙ РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ЖИДКОСТНЫМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ Российский патент 2024 года по МПК F24F12/00 

Изобретение относится к области кондиционирования воздуха, вентиляционной техники для регенерации тепла или холода выходящего воздуха из помещения.

Основными элементами конструкции рекуператора с промежуточным теплоносителем являются скрубберы (колонны с насадкой). Колонны с насадкой являются широко распространённым видом технологического оборудования и применяются в различных областях промышленности. Также они используются для увлажнения газов в установках кондиционирования воздуха, для нагревания или охлаждения газа при контакте с жидкостью.

Известны рекуператоры с промежуточным теплоносителем, где применяют воду или солевые растворы, которые позволяют снизить интенсивность процессов испарения и повысить эффективность теплообменника. Изменяя концентрацию солевого раствора, можно регулировать влажность поступающего в помещение воздуха. Применение солевых растворов позволяет работать теплообменнику при отрицательных наружных температурах без обмерзания.

Наиболее близким аналогом предлагаемого решения является регенератор тепла или холода вентиляционного воздуха [RU2789397, F24F12/00, 20.07.2022], который включает две вертикальные теплообменные колонны, заполненные теплообменной насадкой частично, ограниченной снизу решеткой, в верхней части которых под слоем насадки размещены оросители, и трубопроводы с промежуточным теплоносителем, подаваемым насосами последовательно в колонны сверху вниз через оросители в противоток подаваемому снизу вверх воздуху. В качестве насадки используют в частности, керамзитовый гравий или кольца Рашига. В качестве промежуточного теплоносителя – раствор хлористого кальция (CaCl₂) расчетной концентрации.

Известные рекуператоры с промежуточным теплоносителем, водой или солевым раствором, имеют сложную конструкцию и высокую тепловую инерционность.

Задачей предлагаемого решения является создание устройства утилизации тепла и холода вентиляционного воздуха, отличающегося простотой конструкции, с малой тепловой инерционностью и, следовательно, малым временем выхода аппарата на рабочий режим, и при этом имеющего эффективность работы не ниже, чем у известных из уровня техники.

Технический результат – упрощение конструкции устройства утилизации тепла и холода вентиляционного воздуха, уменьшение времени выхода устройства на рабочий режим.

Задача решена путём создания воздухо-воздушного регенеративного теплообменника с промежуточным жидкостным теплоносителем, характеризующегося тем, что теплообменник для теплообмена двух воздушных потоков выполнен в виде одной вертикальной теплообменной колонны, внутри корпуса которой последовательно сверху вниз расположены:

1) ограниченный снизу решеткой верхний слой теплообменной насадки с оросителем, размещенным в верхней зоне слоя насадки, для подачи промежуточного теплоносителя;

2) гидрозатвор для разделения двух воздушных потоков;

3) ограниченный снизу решеткой нижний слой теплообменной насадки с оросителем, размещенным в верхней зоне слоя насадки, для подачи поступающего через гидрозатвор промежуточного теплоносителя;

4) резервуар для солевого раствора, соединенный с насосом для подачи промежуточного теплоносителя в виде солевого раствора по трубопроводу в теплообменную колонну сверху вниз в противоток, подаваемому снизу-вверх в каждый слой насадки насосами двух воздушных потоков с разной температурой.

Согласно изобретению, в качестве теплоносителя используют раствор хлористого кальция (CaCl₂) расчетной концентрации, выбранной с возможностью обеспечения нормативного диапазона влажности для помещений.

Согласно изобретению, концентрацию раствора хлористого кальция выбирают с возможностью учета сезонных перепадов температуры уличного воздуха.

Согласно изобретению, в качестве засыпки в теплообменной насадке используют кольца Рашига.

Согласно изобретению, в качестве засыпки в теплообменном насадке используют керамзитовый гравий.

Схема воздухо-воздушного регенеративного теплообменника с промежуточным жидкостным теплоносителем приведена на фиг.1, где: 1 - верхний слой теплообменной насадки; 2,3 - воздушные насосы; 4 - жидкостный насос; 5,6 - оросители; 7 - вход воздуха из помещения; 8 - выход воздуха в помещение; 9 - вход воздуха с улицы; 10 - выход воздуха на улицу;

11 - резервуар раствора соли; 12 - воздушный поток; 13 - гидрозатвор; 14 - нижний слой теплообменной насадки.

В верхний слой теплообменной насадки 1 воздушным насосом 2 подают наружный холодный воздушный поток 9, который проходит снизу-вверх через слой теплообменной насадки 1. Сверху слой теплообменной насадки 1 орошается оросителем 5, размещенным в верхней зоне насадки, солевым раствором, стекающим сверху вниз. Солевой раствор проходит через слой насадки 1 и нагревает воздушный поток, который через выход 8 поступает в помещение.

Охлажденный солевой раствор через гидрозатвор 13 стекает в ороситель 6, и через него поступает в нижней слой теплообменной насадки 14. Навстречу ему движется поток воздуха, который поступает из помещения через вход 7, проходит через насадку 14, охлаждаясь за счёт теплообмена с солевым раствором, и выводится на улицу через выход 10 воздушным насосом 3. Солевой раствор, нагретый воздухом из помещения, стекает в резервуар 11, из которого, жидкостным насосом 4 он подается в верхнюю часть колонны в ороситель 5.

В качестве промежуточного теплоносителя в теплообменнике используется концентрированный раствор хлорида кальция, а в качестве засыпки насадки - слой из колец Рашига или керамзитового гравия.

Два воздушных потока в теплообменнике разделены и не смешиваются при работе устройства за счет установки гидрозатвора.

В конструкции теплообменника используется гидрозатвор, который позволяет разделить потоки воздуха с разной температурой. Конструктивное исполнение устройства позволяет уменьшить объем жидкости в теплообменнике, по сравнению с прототипом, что приводит к снижению тепловой инерционности, и уменьшает время выхода устройства на рабочий режим. Кроме того для работы устройства требуется один, а не два жидкостных насоса, как в прототипе, в результате теплообменник более прост в изготовлении и эксплуатации, что расширяет возможности его промышленного производства и варианты его использования. Экспериментально показано, что эффективность такого устройства выше, чем у прототипа.

Важная особенность работы данного теплообменника заключается еще и в том, что он позволяет, помимо регенерации тепла вентиляционного воздуха, регулировать влажность воздуха помещении:

• повышать влажность поступающего в помещение воздуха, что важно в регионах с холодным климатом, так как наружный воздух в них имеет низкую влажность в зимнее время;

• удалять избыточную влажность из воздуха, что важно для помещений с повышенной влажностью, например, в бассейнах, банных комплексах и др.

Был изготовлен лабораторный образец одноколоночного воздухо-воздушного регенеративного теплообменника с промежуточным жидкостным теплоносителем (солевым раствором) и проведено исследование тепловых характеристик заявленного теплообменника.

При проведении экспериментов на каждом воздушном входе и выходе теплообменника были установлены термопары и датчики влажности с электронными блоками памяти для фиксации результатов измерений. Расходы потоков воздуха из помещения и улицы были одинаковы, G_v=130 м³/ч. Расход промежуточного теплоносителя G_w составлял 60-80 л/ч,

Для оценки эффективности теплообменника рассчитывали два параметра: температурную эффективность ε_t и влажностную эффективность ε_w.

Температурную эффективность определяли как отношение абсолютной величины перепада температуры воздуха на входе и выходе каждого воздушного потока к температурному перепаду между температурой воздуха в помещении и на улице.

На фиг. 2 показана температурная эффективность теплообменника от времени по нагреваемому воздушному потоку.

На фиг. 3 показана температурная эффективность теплообменника от времени по охлаждаемому воздушному потоку.

Температурная эффективность составила по нагреваемому воздушному потоку при расходе теплоносителя G_w=80 л/ч, ε_t = 68,4%, а при расходе G_w=60 л/ч, ε_t = 62,1%. По охлаждаемому воздушному потоку при большем расходе теплоносителя ε_t = 66,1%, а при меньшем расходе ε_t = 63,3%.

Влажностная эффективность теплообменника определялась, как отношение изменения абсолютной величины разности влажности воздуха на входе и выходе воздушных потоков к изменению абсолютной величины разности влажности воздушного потока на улице и в помещении.

На фиг. 4 показана влажностная эффективность теплообменника от времени по нагреваемому воздушному потоку.

На фиг. 5 показана влажностная эффективность теплообменника от времени по охлаждаемому воздушному потоку.

Согласно результатам экспериментов, средняя влажностная эффективность составила по нагреваемому воздушному потоку при расходе промежуточного теплоносителя G_w=80 л/ч, ε_w = 81,7%, а при расходе G_w=60 л/ч, ε_w = 76,9%. По охлаждаемому воздушному потоку при большем расходе теплоносителя ε_w = 47,4%, а при меньшем расхода ε_w = 35,5%.

Таким образом, экспериментально подтверждена высокая эффективность предложенного одноколоночного воздухо-воздушного регенеративного теплообменника с промежуточным жидкостным теплоносителем.

Изобретение относится к области кондиционирования воздуха, вентиляционной техники для регенерации тепла или холода выходящего воздуха из помещения. Технический результат – увеличение эффективности теплообменника, упрощение конструкции, уменьшение времени выхода на рабочий режим. Теплообменник выполнен в виде одной вертикальной теплообменной колонны, внутри корпуса которой последовательно сверху вниз расположены: верхний слой теплообменной насадки с оросителем, для подачи промежуточного теплоносителя; гидрозатвор для разделения двух воздушных потоков; нижний слой теплообменной насадки с оросителем для подачи поступающего через гидрозатвор промежуточного теплоносителя; резервуар для солевого раствора, соединенный с насосом для подачи промежуточного теплоносителя по трубопроводу в теплообменную колонну сверху вниз в противоток, подаваемому снизу-вверх в каждый слой насадки насосами двух воздушных потоков с разной температурой. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Воздухо-воздушный регенеративный теплообменник с промежуточным жидкостным теплоносителем, характеризующийся тем, что теплообменник для теплообмена двух воздушных потоков выполнен в виде одной вертикальной теплообменной колонны, внутри корпуса которой последовательно сверху вниз расположены: ограниченный снизу решеткой верхний слой теплообменной насадки с оросителем, размещенным в верхней зоне слоя насадки, для подачи промежуточного теплоносителя; гидрозатвор для разделения двух воздушных потоков, ограниченный снизу решеткой нижний слой теплообменной насадки с оросителем, размещенным в верхней зоне слоя насадки, для подачи поступающего через гидрозатвор промежуточного теплоносителя; резервуар для солевого раствора, соединенный с насосом для подачи промежуточного теплоносителя по трубопроводу в теплообменную колонну сверху вниз в противоток подаваемому снизу-вверх в каждый слой насадки насосами двух воздушных потоков с разной температурой.

2. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что в качестве теплоносителя используют раствор хлористого кальция (CaCl₂) расчетной концентрации, выбранной с возможностью обеспечения нормативного диапазона влажности для помещений.

3. Теплообменник по п.1 или 2, отличающийся тем, что концентрацию раствора хлористого кальция выбирают с возможностью учета сезонных перепадов температуры уличного воздуха.

4. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что в качестве засыпки в теплообменной насадке используют кольца Рашига.

5. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что в качестве засыпки в теплообменной насадке используют керамзитовый гравий.