УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ, УВЛАЖНЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ ВОЗДУХА Российский патент 2024 года по МПК B01D53/75 F28C1/00 F24F6/12 F24F7/00 F28F25/06 

Устройство относится к области гидрофильтрации загрязненного воздушного потока («фрикулинг») для центров обработки данных (ЦОД), а также для коммерческих, общественных, социальных или жилых помещений как основное климатические устройство фильтрации, увлажнения и охлаждения.

Известно изобретение (RU 2342614 C2, опубл. 27.12.2008), которое относится к тепломассообменным аппаратам, как градирни, и может быть использовано для охлаждения оборотной воды на электростанциях, предприятиях химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Градирня содержит корпус с воздуховходными окнами, водораспределительный коллектор с разбрызгивателем и связанный с независимым источником водоснабжения испаритель, снабженный кольцевыми трубчатыми элементами, по окружности которых равномерно распределены вихревые форсунки. Испаритель выполнен в виде системы кольцевого типа, в которой вертикально подвешенные трубчатые элементы расположены в воздуховходных окнах.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является охлаждающее устройство (CN 210051182 U, 11.02.2020), которое содержит корпус, сито для распыления воды, расположенное в корпусе и разделяет корпус на верхнюю полость и нижнюю полость, при этом устройство распыления расположено над ситовой пластиной для распыления воды. Устройство для продвижения и распыления содержит вращающуюся машину, распыляющую форсунку с вращающимся потоком инжекционного типа и лопасти, лопасти расположены на периферии вращающейся машины, распылительная форсунка с вращающимся потоком инжекционного типа расположена на вращающейся машине и обеспечивает вращающую силу для во время распыления жидкости, а распылительная форсунка с вращающимся потоком инжекционного типа соединена с внешним трубопроводом корпуса через впускную трубу для воды. Согласно полезной модели, используются капли воды в форме тумана, для замены электровентилятора используется распылительное устройство.

Недостатком данных технических решений является недостаточная надежность при эксплуатации.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка устройства для очистки, увлажнения и охлаждения воздуха.

Данная задача решается благодаря тому, что устройство для очистки, увлажнения и охлаждения воздуха состоит из турбовентиляторной корзины, подшипника скольжения, вентиляторного модуля, камеры гидрофильтрации и узла водоотведения, причем турбовентиляторная корзина представляет собой цилиндрическое основание с крестовиной и фланцами, вентиляторный модуль состоит из лопастей с распылителями, камера гидрофильтрации представляет собой цилиндрическое основание с боковым воздуховодом, узел водоотведения выполнен в виде бутылочного сифона с водяным затвором и боковым фланцем, а подшипник скольжения состоит из верхней втулки, центральной втулки и нижней втулки, при этом в местах сопряжения втулок имеется зазор.

Техническим результатом является энергоэффективность и высокая надежность в реализации и последующем обслуживании, а также то, что конструкция позволяет использовать воду как движитель лопастей вентилятора, как смазочный материал подшипника скольжения и для создания туманообразной взвеси среды гидрофильтрации.

Устройство предназначено для очистки, увлажнения и охлаждения воздушного потока (фрикулинг) в Центрах обработки данных (ЦОД), где вода используется как движитель лопастей вентилятора, фильтр для очистки от примесей и увлажнитель с адиабатическим эффектом, понижающий температуру воздуха.

Сущность изобретения поясняется чертежами:

Фиг. 1 - Общий вид устройства;

Фиг. 2 - Вид устройства сверху;

Фиг. 3 - Общий вид устройства в разрезе;

Фиг. 4 - Турбовентиляторная корзина в разрезе;

Фиг. 3 - Составные части подшипника скольжения;

Фиг. 6 - Составные части подшипника скольжения в разрезе;

Фиг. 7 - Подшипник скольжения в разрезе в сборе;

Фиг. 8 - Сборка турбовентиляторной корзины, подшипника скольжения и вентиляторного модуля;

Фиг. 9 - Турбовентиляторная корзина, подшипник скольжения и вентиляторный модуль в сборе.

На фигурах обозначено: 1 - турбовентиляторная корзина; 2 - подшипник скольжения; 3 - вентиляторный модуль; 4 - камера гидрофильтрации; 5 - узел водоотведения; 6 - боковой фланец; 7 - крестовина; 8 - фланец; 9 - воздуховод; 10 - верхняя втулка; 11 - центральная втулка; 12 - нижняя втулка; 13 - резьбовое отверстие для крепления гидроузла 2 к центральному порту крестовины 7 турбовентиляторной корзины 1; 14 - поверхность скольжения верхней втулки 10 гидроузла 2; 15, 16, 17 - поверхности скольжения центральной втулки; 18 - технологический паз на центральной втулке 11; 19 - сквозное отверстие в центральной втулке 11; 20 - лопасть; 21 - резьбовое отверстие на центральной втулке 11 для крепления лопастей 20; 22, 23 -поверхности скольжения нижней втулки 12; 24 - сквозное отверстие в нижней втулке 12; 25 - центральное отверстие в нижней втулке 12; 26 -технологический паз на нижней втулке 12; 27 - зазор; 28 - распылитель; 29 -винты для крепления лопастей 20 к центральной втулке 11; 30 - сальники между отверстием 32 лопасти 20 и отверстием 19 центральной втулки 11; 31 -сальник между верхней втулкой 10 и центральным портом крестовины 7; 32 -отверстие на лопасти 20; 33 - винты для крепления гидроузла 2 к центральному порту крестовины 7; 34 - трубопровод; 35 - паз для сальника центральной втулки 11; 36 - паз для сальника 31; 37 - центральной резьбовое отверстие; 38 - внешняя резьба; 39 - нижний фланец.

Устройство состоит из турбовентиляторной корзины 1, подшипника скольжения 2, вентиляторного модуля 3, камеры гидрофильтрации 4 и узла водоотведения 5 (фиг.1-3).

Турбовентиляторная корзина 1 (фиг.4) полностью изготовлена из композитных материалов путем RTM (инжекции) и представляет собой цилиндрическое основание с крестовиной 7 с центральным портом в верхней части корзины для крепления подшипника скольжения 2. В основание крестовины 7 интегрирован трубопровод 34 из полимерной трубки для обеспечения подачи воды под давлением от любого из четырех фланцев 8 с внешней стороны корзины 1 на центральный порт крепления подшипника скольжения 2. Фланец 8 предназначен для подачи воды под давлением.

Подшипник скольжения 2 (фиг.5-7) полностью изготавливается из политетрафторэтилена (PTFE) или фторопласта Ф4К20 путем точения, класс точности Ra 2,5 мкм. Подшипник скольжения 2 состоит из: верхней втулки 10, центральной втулки 11 и нижней втулки 12.

Верхняя втулка 10 неподвижна, выполнена ступенчатой и сквозной. Верхняя ступень имеет резьбовые отверстия 13 для крепления к центральному порту крестовины 7 турбовентиляторной корзины 1, паз 36 для уплотнительного сальника 31, центральное резьбовое сквозное отверстие 37 для присоединения нижней втулки 12 внешней резьбой 38 при сборке подшипника скольжения 2. Нижняя ступень втулки 10 имеет внутреннюю конусообразную поверхность скольжения 14 для сопряжения с внешней поверхностью скольжения 15 центральной втулки 11. Верхняя и нижняя ступени втулки 10 выполнены в цилиндрической форме. Поверхность скольжения 14 выполнена под форму внешней поверхности скольжения 15 центральной втулки 11.

Центральная втулка 11 - основной водораспределительный элемент, обеспечивающий перенаправление водяного потока высокого давления на каждую лопасть 20. Центральная втулка 11 является вращающейся втулкой во время работы устройства. Лопасти 20 присоединены к внешнему торцу втулки 11 винтами через два резьбовых отверстия 21 для каждой лопасти 20 вентиляторного модуля 3. Втулка 11 выполнена ступенчатой. Нижняя ступень выполнена в цилиндрической форме, верхняя - в конусообразной форме. Втулка 11 имеет центральное сквозное отверстие с двумя внутренними поверхностями скольжения 16, 17 для сопряжения с двумя внешними поверхностями скольжения 22, 23 нижней втулки 12 и внешнюю поверхность скольжения 15 для сопряжения с внутренней поверхностью скольжения 14 верхней втулки 10. Внешняя поверхность скольжения 15 имеет форму усеченного конуса. Втулка 11 имеет технологический паз 18 со сквозными отверстиями 19 (число сквозных отверстий 19 равно количеству лопастей 20 от четырех до восьми, в зависимости от требуемого объема и скорости воздушного потока), выполняющий роль водяного коллектора.

Нижняя втулка 12 является неподвижной и также выполнена ступенчатой. Нижняя ступень в форме усеченного конуса, средняя и верхняя ступени в цилиндрической форме. Верхняя ступень содержит внешнюю резьбу 38. Ступени выполнены под размеры и формы втулок 10, 11. Средняя часть снаружи имеет паз 26 по всей окружности, который совпадает с пазом 18 втулки 11. Данный паз 26 содержит четыре сквозных отверстия 24. Втулка 12 имеет в центре несквозное отверстие 25 для подачи воды высокого давления с центрального порта крестовины 7 турбовентиляторной корзины 1 через сквозные отверстия 24 от несквозного отверстия 25 в зону технологического паза 26, выполняющий роль водяного коллектора сопряженного с технологическим пазом 18 центральной втулки 11. Несквозное отверстие 25 проходит через верхнюю ступень и часть средней ступени, включая сквозные отверстия 24. Втулка 12 имеет две внешние поверхности скольжения 22, 23. Поверхность скольжения 22 предназначена для сопряжения с внутренней поверхностью скольжения 16, поверхность 23 -с внутренней поверхностью скольжения 17 центральной втулки 11. Внешняя резьба 38 предназначена для присоединения к верхней втулке 10 внутренней резьбой 37 при сборке подшипника скольжения 2.

В собранном состоянии подшипник скольжения 2 в местах сопряжения между поверхностями скольжения 14 и 15 верхней втулки 10 и центральной втулки 11, а также поверхностями скольжения 16, 22 и 17, 23 центральной втулки 11 и нижней втулки 12 имеется зазор 27 не более 0,2 мм.

Вентиляторный модуль 3 (фиг.8-9) состоит из четырех-восьми лопастей 20, полностью изготовленных из композитных материалов путем RTM (инжекции), в основание которых интегрирована трубка водопровода от крепления лопасти 20 к втулке 11 подшипника скольжения 2 до края противоположной стороны лопасти 20, где на конце трубки монтируется широкоугольный распылитель 28 под углом в противоположном направлении рабочего вращения лопастей 20.

Сборка турбовентиляторной корзины 1, подшипника скольжения 2 и вентиляторного модуля 3 (фиг.8).

Лопасти 20 с распылителями 28 крепятся винтами 29 на центральную втулку 11 с установкой сальников 30 в местах сопряжения сквозного отверстия 19 на втулке 11 и отверстия 32 на лопасти 20. Сопряжение верхней втулки 10 с центральной втулкой 11 и нижней втулкой 12 путем скручивания двух втулок 10 и 12 через сквозное отверстие центральной втулки 11. Винтами 33 крепится подшипник скольжения 2 с установленным на него вентиляторным модулем 3 к турбовентиляторной корзине 1 через сальник 31 в месте сопряжения верхней втулки 10 подшипника скольжения 1 и центральным портом крестовины 7 турбовентиляторной корзины 1.

Камера гидрофильтрации 4 (фиг.3) полностью изготовлена из композитных материалов путем RTM (инжекции) и представляет собой цилиндрическое основание с боковым воздуховодом 9 в нижней части камеры гидрофильтрации 4. Воздуховод 9 предназначен для отвода воздушного потока в холодный коридор машинного зал Дата-Центра. Дно камеры 4 выполнено сферическим.

Узел водоотведения 5 (фиг.1, 3) полностью изготовлен из композитных материалов путем RTM (инжекции). Это устройство для слива отработанной воды из камеры гидрофильтрации 4 в зону очистки для повторного использования. Выполнен в виде бутылочного сифона с водяным затвором, который защищает от проникания в узел водоотведения 5 воздушных масс из камеры гидрофильтрации 4. Узел водоотведения 5 содержит боковой фланец 6 для слива отработанной воды на фильтрацию и нижний фланец 39 на промывку узла водоотведения 5. Узел водоотведения 5 присоединяется к нижней части камеры гидрофильтрации 4 путем склеивания, осуществляя формирование двух выкладок препрега (препрег состоит из волокнистого армирующего наполнителя из композитного волокна и нанесенного с двух сторон связующей смолой) с последующим отверждением. Камера гидрофильтрации 4 присоединяется к турбовентиляторной корзине 1 также при помощи склеивания.

Устройство работает следующим образом.

Вода из водопровода (или из резервуара в случае рециркуляции с последующей фильтрацией) поступает на центробежный насос, повышающий давление до 8 бар, и подается на любой из четырех фланцев 8 турбовентиляторной корзины 1. Затем по трубопроводу 34 из полимерной трубки в основание крестовины 7 турбовентиляторной корзины 1 вода поступает на центральный порт крестовины 7 турбовентиляторной корзины 1. После чего вода попадает в несквозное отверстие 25 нижней втулки 12 подшипника скольжения 2, присоединенного к центральному порту крестовины 7 турбовентиляторной корзины 1. Из несквозного отверстия 25 нижней втулки 12 подшипника скольжения 2 через сквозные отверстия 24 вода поступает в технологический паз 26, сопряженный с технологическим пазом 18 центральной втулки 11 подшипника скольжения 2. Два технологических паза 26 и 18 подшипника скольжения 2 выполняют роль водяного коллектора, где происходит распределение поступающей воды в места сопряжения между поверхностями скольжения 14 и 15 верхней втулки 10 и центральной втулки 11, а также между поверхностями скольжения 16, 22 и 17, 23 центральной втулки 11 и нижней втулки 12 для обеспечения повышения эффективности скольжения при вращении центральной втулки 11 подшипника скольжения узла 2. Далее вода поступает через сквозные отверстия 19 центральной втулки 11 подшипника скольжения 2 по интегрированным трубкам водопровода внутри лопастей 20 вентиляторного модуля 3, присоединенного к центральной вращающейся втулке 11 подшипника скольжения 2 на распылители 28. Распыление воды с распылителей 28 на лопастях 20 создает реактивную силу момента, толкающую лопасти 20 вентиляторного модуля 3 в противоположную сторону от направления распыления воды. Вращающийся вентиляторный модуль 3 создает напор перемещающегося воздуха сверху вниз в камеру гидрофильтрации 4 с тангенциальным ускорением. Создается радиальное завихрение среды (воздуха и туманообразной взвеси), что обеспечивает столкновение сорбента, именно молекул воды Н20 размером больше 10 мкм с молекулами / частицами сорбата (загрязняющих веществ - пыли, золы, сажи, газа, дыма, различных частиц вступающих в реакцию с водой) и увлекает ее к внутренним стенкам камеры гидрофильтрации 4, покрытой микропленкой воды. Происходит прилипание частиц сорбата к жидкостной пленке, которая под силой гравитации непрерывно опадает в нижнюю часть камеры гидрофильтрации 4, в узел водоотведения 5 и через боковой фланец 6 узла водоотведения 5 сливается в центральную канализацию (или в резервуар в случае рециркуляции с последующей фильтрацией).

Молекулы воды (Н20) размером менее 10 мкм мгновенно испаряются, то есть переходят из жидкого в газообразное состояние, поглощая тепло из воздуха. Охлажденная, увлажненная и очищенная от сорбата воздушная смесь отводится в боковой воздуховод 9 в нижней части камеры гидрофильтрации 4 в холодный коридор машинного зала Дата-Центра.

В изобретении раскрыт принцип преобразования реактивной силы при распылении воды под давлением с распылителей 28 на лопастях 20 во вращательный момент вентиляторного модуля 3, создающий напор перемещаемого загрязненного, сухого, перегретого воздуха через устройство с последующей гидрофильтрацией, увлажнением и охлаждением за один цикл, используя только воду. Узлом вращения служит подшипник скольжения открытого типа, где смазочным материалом является вода, что повышает эффективность скольжения, так как вода имеет минимальную вязкость.

Открытый вид подшипника скольжения 2 обеспечивает непрерывную смену смазывающего материала (воды), что исключает нагрева ее и испарения.

Конструкция подшипника скольжения 2 представляет собой водяной узел распределения воды по лопастям 20 вентиляторного модуля 3 на распылители 28.

Таким образом, данное изобретение в сравнение с другими техническими решениями имеет следующие преимущества:

- Высокая надежность и стабильность параметров фильтрации, увлажнения и охлаждения. Экономичность в реализации и последующем обслуживании.

- Автономность, так как изобретение работает от воды под давлением и зависит только от насосов, обеспечивающих это давление, установка простого и недорогого гидроаккумулятора, не требующего обслуживания в линию водоснабжения между насосом и фланцем будет обеспечивать полную автономность установки при отключении электроэнергии на необходимое время для восстановления электроснабжения от ДГУ (дизель генераторной установки) и возобновления работы насоса. Это позволяет уменьшить или освободить от 35% до 40% ресурсов ИБП на гарантированное энергоснабжение серверного и телекоммуникационного оборудования.

- Компактность, так как занимает мало места. Изобретение может иметь разные габаритные размеры в зависимости от требований заказчика по объему воздушного потока. Изобретение с турбовентиляторной корзиной диаметром 350 мм и вентиляторным модулем на восемь лопастей с распылителями в каждой лопасти, где диаметр распыляемого сопла 0,25 мм и давлением водяного потока 2 бара, создает вращательный момент 1700-1800 об/мин с напором перемещаемого воздуха в объеме от 1900 м³ до 2200 м³, что сопоставимо по габаритам и техническим показателям с традиционной системой на фреоне но меньшим потреблением электроэнергии с экономией до 60%.

Для получения показателей, подтверждающих успешность заявленного изобретения, было изготовлено демонстрационное устройство.

Турбовентиляторная корзина 1, лопасти 20, камера гидрофильтрации 4 и узел водоотведения 5 были напечатаны на 3D принтере из ESUN ePeek PRO, сверхпрочный пластик ESUN.

Подшипник скольжения 2 был напечатан на 3D принтере из Ateco Ultran М20, композитный филамент на основе нейлона, с минимальным возможным при печати на 3D принтере зазором между опорными поверхностями скольжения вала и внешней втулки менее 1 мм (при необходимом не более 0,2 мм, но допустимом для прототипирования). И подаче воды под давлением 4 атмосферы скорость вращения лопастей 20 была в пределах 1700 об/мин (прибор Vwinget NWSOAD цифровой фото тахометр). Воздушный поток в пределах 1900 м³/час (прибор Testo 405i анемометр).

Параметры воздушного потока (прибор Deyi ТС-8200 счетчик частиц пыли / температуры / влажности).

Температура /влажность отбираемого воздушного потока устройством (из горячего коридора маш. зала ДЦ):

- Температура в пределах 24°С-25°С.

- Влажность 34%-35%.

Температура /влажности подаваемого воздушного потока устройством (в холодный коридор маш. зала ДД):

- Температура в пределах 17°С-18°С.

- Влажность 65%-67%.

Среднее значение понижения температуры устройством на 7°С.

Среднее значение повышения влажности на 31,5%. Индекс чистоты отбираемого воздушного потока устройством (из горячего коридора маш. зал ДЦ):

- 0.3 мкм не более 12897 в м³

- 0.5 мкм не более 5458 в м³

- 1.0 мкм не более 353 в м³

- 2.5 мкм не более 30 в м³

- 5.0 мкм не более 16 в м³

^{- 10 мкм не более 2 в м3.}

Индекс чистоты подаваемого воздушного потока устройством (в холодный коридор маш. зал ДЦ):

- 0.3 мкм не более 9244 в м³

- 0.5 мкм не более 3127 в м³

- 1.0 мкм не более 284 в м³

- 2.5 мкм не более 24 в м³

- 5.0 мкм не более 13 в м³

- 10 мкм не более 1 в м³.

Требования к климатическим условиям эффективной работы ЦОД:

Чистота воздуха в соответствии классу 5 ИСО (0.3 не более 10200 м³), (0.5 не более 3250 м³), (1.0 не более 832 м³), (5.0 не более 29 м³). Влажность воздуха 40% / 65%. Температура в серверном зале холодного коридора 18°С / 24°С.

Следовательно, заявленное изобретение выполняет заявленные задачи, а технический результат достигнут.

Устройство относится к области гидрофильтрации загрязненного воздушного потока для центров обработки данных (ЦОД), а также для коммерческих, общественных, социальных или жилых помещений как основное климатические устройство фильтрации, увлажнения и охлаждения. Устройство для очистки, увлажнения и охлаждения воздуха состоит из турбовентиляторной корзины, подшипника скольжения, вентиляторного модуля, камеры гидрофильтрации и узла водоотведения. Турбовентиляторная корзина представляет собой цилиндрическое основание с крестовиной и фланцами. Вентиляторный модуль состоит из лопастей с распылителями. Камера гидрофильтрации представляет собой цилиндрическое основание с боковым воздуховодом. Узел водоотведения выполнен в виде бутылочного сифона с водяным затвором и боковым фланцем. Подшипник скольжения состоит из верхней втулки, центральной втулки и нижней втулки. При этом в местах сопряжения втулок имеется зазор. Изобретение обеспечивает энергоэффективность и высокую надежность в реализации и последующем обслуживании. 1 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Устройство для очистки, увлажнения и охлаждения воздуха, состоящее из турбовентиляторной корзины, подшипника скольжения, вентиляторного модуля, камеры гидрофильтрации и узла водоотведения, вентиляторный модуль состоит из лопастей с распылителями, камера гидрофильтрации представляет собой цилиндрическое основание с боковым воздуховодом, отличающееся тем, что турбовентиляторная корзина представляет собой цилиндрическое основание с крестовиной и фланцами, а узел водоотведения выполнен в виде бутылочного сифона с водяным затвором и боковым фланцем, подшипник скольжения состоит из верхней втулки, центральной втулки и нижней втулки, при этом в местах сопряжения втулок имеется зазор.

2. Устройство для очистки, увлажнения и охлаждения воздуха по п.1, отличающееся тем, что зазор равен менее 1 мм.