RU2774936C1 - Саморазмораживающийся теплообменник для вентиляции - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в роторных теплообменниках. В теплообменнике, включающем ротор, помещенный в корпус, ротор выполнен из кольцевых элементов, образующих каналы, разделяющие приточный и удаляемый воздух. Корпус состоит из внешнего и внутреннего цилиндра. Внешний цилиндр охватывает ротор и содержит ввод удаляемого воздуха и вывод приточного воздуха. Внутренний цилиндр вставлен в ротор и содержит отверстия для ввода приточного воздуха и вывода удаляемого воздуха. Внутренний цилиндр содержит перегородку, разделяющую ввод и вывод приточного воздуха. Изобретение также относится к способу применения теплообменника. Сначала вводят удаляемый воздух в ротор через отверстие для ввода удаляемого воздуха и вводят приточный воздух в ротор через отверстие для ввода приточного воздуха. Пропускают удаляемый и приточный воздух через ротор по каналам для удаляемого и приточного воздуха соответственно. Далее выводят удаляемый и приточный воздух из ротора через отверстия для вывода удаляемого и приточного воздуха соответственно. Ввод приточного воздуха и вывод удаляемого воздуха при этом расположены с одной стороны относительно оси вращения ротора, а вывод приточного и ввод удаляемого воздуха - с другой. Технический результат - повышение КПД теплообменника, обеспечение саморазморозки теплообменника. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Область техники

[1] Настоящее изобретение относится к теплообменникам, обладающим возможностью саморазмораживания, и к способу применения таковых. Предложенный теплообменник обладает высоким КПД и сохраняет работоспособность при практически любом климатическом уровне отрицательных температур и любой влажности в помещениях. Теплообменник предназначен для использования в системах приточно-вытяжной вентиляции и не смешивает удаляемый и приточный воздух.

Уровень техники

[2] Изобретение относится к области систем приточно-вытяжной вентиляции помещений. Предлагается теплообменник для таких систем, в котором удаляемый из помещения нагретый воздух отдает большую часть своего тепла холодному приточному воздуху, входящему с улицы, что дает возможность экономить на отоплении.

[3] Для таких задач существует два класса теплообменников: рекуперативные и регенеративные теплообменники. В рекуперативных теплообменниках теплообмен между газами осуществляется непрерывно, напрямую через разделяющую их стенку или через промежуточный теплоноситель. В регенеративных теплообменниках теплообмен осуществляется посредством попеременного соприкосновения газов разной температуры, из помещения и с улицы, с одними и теми же поверхностями теплообменника.

[4] Наиболее распространенными теплообменниками для применения в приточно-вытяжной вентиляции помещений являются пластинчатые, с промежуточным теплоносителем, роторные и камерные. При этом пластинчатые и с промежуточным теплоносителем относятся к рекуперативным теплообменникам, а роторные и камерные - к регенеративным.

[5] Недостатком всех существующих теплообменников является ограничение, в большей или меньшей степени для разных типов, по параметрам наружной температуры при эксплуатации их зимой. В процессе прохождения теплообменника удаляемый воздух охлаждается, и при понижении его температуры ниже точки росы образуется конденсат. В случае отрицательных температур приточного воздуха, конденсат, образующийся при охлаждении удаляемого воздуха, превращается в лед, что приводит к обмерзанию теплообменников и прекращению их работы. На существующих теплообменниках решение этой задачи достигается разными способами, например, подогревом наружного и/или удаляемого воздуха или изменением соотношения их расходов. Все эти способы приводят к уменьшению КПД этих систем, их усложнению и соответственно удорожанию как самих приточно-вытяжных систем, так и повышению эксплуатационных расходов. Чем более низкие наружные температуры и более высокие влажности внутри помещений, тем более сложные системы применяются для защиты от их обмерзания. При этом происходит значительное снижение общего КПД системы, вплоть до пропадания экономической целесообразности их использования. Так же недостатком регенеративных теплообменников является частичное смешивание приточного и удаляемого воздуха, что неприемлемо в ряде случаев.

[6] В статье Вишневского Е. П. Пластинчатые теплообменники рекуперативного типа в суровых климатических условиях (Сантехника, отопление, кондиционирование. - 2011. - №. 6. - С.56-61.) описываются способы, применяемые для размораживания теплообменников. Первый из описываемых способов заключается в том, что при достижении определенной степени обмерзания теплообменника происходит отключение притока. В результате, через теплообменник проходит только удаляемый теплый воздух со стороны вытяжки, за счет чего теплообменник размораживается. Первым недостатком описываемого способа является то, что приходится отслеживать обмерзание и выключать приток каждый раз при критическом уровне обмерзания. Это делает способ более трудозатратным. Вторым недостатком является то, что на время отключения приточного воздуха, в помещение свежий воздух поступает не организованно, а через щели и другие неплотности. Это приводит к переохлаждению перегородок с неплотностями и их дальнейшему обмерзанию, что даже может вызвать их частичное разрушение (обсыпание теплоизоляции, шелушение покрытий и т.д.).

[7] Также в статье Вишневского Е. П. Пластинчатые теплообменники рекуперативного типа в суровых климатических условиях (Сантехника, отопление, кондиционирование. - 2011. - №. 6. - С.56-61.) описывается способ частичного размораживания теплообменника. Данный способ предполагает наличие на входе со стороны притока многолепестковых, индивидуально управляемых воздушных клапанов. При нормальном функционировании клапаны полностью открыты. По мере обмерзания теплообменника осуществляется управление лепестками клапана, за счет чего происходит кратковременное перекрытие отдельных частей воздушного потока на притоке. Таким образом, могут последовательно размораживаться одна секция за другой. В самой статье упоминается первый из недостатков предложенного способа. Он заключается в том, что при этом система управления является значительно более сложной. Следовательно, система также становится более дорогостоящей и громоздкой. Вторым недостатком данного способа является то, что он подразумевает только частичное размораживание теплообменника. В связи с этим, часть теплообменника плохо функционирует до полной разморозки и в секциях, которые находятся на разморозке, тепло удаляемого воздуха используется неэффективно, что приводит к понижению общего КПД теплообменника.

[8] Еще один способ, описанный в статье Вишневского Е. П. Пластинчатые теплообменники рекуперативного типа в суровых климатических условиях (Сантехника, отопление, кондиционирование. - 2011. - №. 6. - С.56-61.), обеспечивает предотвращение обледенения теплообменника. Предлагается решать эту проблему путем предварительного подогрева приточного воздуха выше температуры обмерзания. Указанное может быть реализовано за счет частичного смешения свежего и удаляемого воздуха на притоке, либо используя дополнительные электрические нагреватели (ТЭНы) или калориферы. Недостатком первого способа является то, что значительная часть удаляемого воздуха возвращается назад в помещение, что фактически лишает помещение вентиляции. Недостатком второго способа является значительное увеличение потребления энергии на постоянный подогрев приточного воздуха.

[9] Статья Савельева Ю. Л. Эффективность и надежность роторных теплообменников в системах вентиляции (Академический вестник УралНИИпроект РААСН. - 2014. - №. 1.) посвящена оценке работы роторного теплообменника в условиях регенерации теплоты влажного воздуха. Составлена гипотетическая модель процесса теплообмена между массивом ротора и воздухом. Проведен анализ мероприятий, которые обеспечивают эксплуатацию роторного теплообменника без образования льда. Показано, что наиболее эффективным из них является снижение скорости вращения ротора. Дано расчетное подтверждение, что при этом эффективность регенерации и эффект энергосбережения уменьшаются. Первым недостатком описанного в статье [2] способа является то, что снижение количества оборотов ротора предлагается применять наряду с подогревом наружного воздуха и/или нагревом удаляемого воздуха. Т.к. на подогрев и/или нагрев требуется тратить много энергии, это значительно снижает КПД способа.

[10] В статье Kragh J. et al. New counter flow heat exchanger designed for ventilation systems in cold climates (Energy and Buildings. - 2007. - Т. 39. - №. 11. - С.1151-1158.) представлены конструкция и испытательные измерения нового противоточного теплообменника, предназначенного для холодного климата. Разработанный теплообменник способен непрерывно размораживаться без дополнительного нагрева. Другими преимуществами разработанного теплообменника являются низкие потери давления, дешевые материалы и простая конструкция. В этой статье эффективность нового теплообменника рассчитывается теоретически и измеряется экспериментально. Эксперимент показывает, что теплообменник способен непрерывно размораживаться при температурах наружного воздуха значительно ниже точки замерзания, сохраняя при этом очень высокую эффективность. Первый недостаток данного теплообменника упоминается в статье [3]. Он заключается в том, что теплообменник имеет большие размеры по сравнению с другими теплообменниками. Еще один недостаток заключается в том, что для оттаивания наледи, то есть для разморозки, используются, по сути, два теплообменника. Два электрических клапана регулируют потоки воздуха к двум теплообменникам. Расход вытяжного воздуха из помещения регулируется таким образом, чтобы поток через активный и пассивный теплообменник составлял 90% и 10% соответственно. По истечении установленного временного интервала потоки воздуха переключаются. Это значительно увеличивает не только габариты системы, но и ее стоимость. Также данный теплообменник был испытан при температурах не ниже -20°C, что является относительно теплой зимней температурой. Работа теплообменника при более низких температурах не обсуждалась.

[11] В статье Nasr M. R. et al. Evaluation of defrosting methods for air-to-air heat/energy exchangers on energy consumption of ventilation (Applied Energy. - 2015. - Т. 151. - С.32-40.) оценивается влияние двух методов размораживания на энергопотребление вентиляции в трех холодных городах (например, Саскатун, Анкоридж и Чикаго). Первый метод заключается в предварительном нагреве наружного воздуха, недостатки которого уже были описаны выше. А второй способ заключается в обходе потока наружного воздуха. Как правило, это достигается путем полного закрытия потока приточного воздуха в теплообменнике, в то время как поток отработанного воздуха продолжает проходить через теплообменник, нагревая вверх по сердцевине и растапливает накопившийся иней или лед. Через некоторое время байпас отключается и возобновляется нормальная работа теплообменника (т.е. рекуперация тепла/энергии). Во время периода размораживания следует включить дополнительный воздухонагреватель (и увлажнитель) для нагрева/кондиционирования наружного воздуха перед подачей в здание. Первым недостатком этого способа является дополнительная трата энергии на подогрев холодного воздуха до температуры выше 0°C. Еще одним его недостатком является то, что во время разморозки останавливается нормальный теплообмен между поступающим и удаляемым воздухом.

[12] Близким аналогом к настоящему изобретению является патент RU2658265C2 (опубл. 19.06.2018; МПК: F24F 12/00), в котором описывается рекуператор тепла, содержащий 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, отличающийся тем, что пластины ротора выполнены в виде дисков, насаженных с промежутком между ними на вал, ориентированный горизонтально, перпендикулярно горизонтальному потоку воздуха, периодически изменяющему направление движения из помещения в окружающее пространство или из окружающего пространства в помещение. Первым недостатком данного теплообменника является то, что для оттаивания наледи, то есть для разморозки, используется два рекуператора, которые работают в разных режимах, один из которых работает в режиме «вытяжки», а второй - в режиме «нагнетание», и через определенный промежуток времени они меняют режим на обратный. Это значительно увеличивает как габариты системы, так и ее себестоимость. Также происходит частичное смешение удаляемого и приточного воздуха в момент переключения направления потоков.

Сущность изобретения

[13] Задачей настоящего изобретения является создание и разработка теплообменника и способа его применения, обеспечивающего саморазморозку теплообменника, то есть обеспечение таяния образующейся наледи, в ходе его работы в любых климатических условиях и сохраняющего при этом непрерывную работоспособность и высокий КПД теплообмена.

[14] Указанная задача достигается благодаря такому техническому результату, как обеспечение высокого КПД и разморозки теплообменника без дополнительных энергозатрат на подогрев. Также в предложенном теплообменнике не смешивается удаляемый и приточный воздух. Это достигается в том числе благодаря:

• медленному вращению ротора;

• содержанию раздельных каналов для приточного и удаляемого воздуха, при не вертикальном расположении оси вращения ротора;

• расположению в нижней части ротора, относительно его оси вращения, ввода удаляемого воздуха и вывода приточного, а в верхней части ротора, относительно его оси вращения, вывода удаляемого воздуха и ввода приточного воздуха;

[15] Технический результат достигается теплообменником, включающим ротор с не вертикальной осью вращения, помещенный в корпус, при этом ротор выполнен из кольцевых элементов, зазоры между которыми заделаны попеременно по внутреннему и внешнему периметру таким образом, что образуются каналы, разделяющие приточный и удаляемый воздух, а корпус состоит из внешнего и внутреннего цилиндров, причем внешний цилиндр охватывает ротор и содержит в нижней части по крайней мере одно отверстие для ввода удаляемого воздуха в ротор и в верхней части по крайней мере одно отверстие для вывода удаляемого воздуха из ротора, а внутренний цилиндр вставлен в ротор и содержит в верхней части по крайней мере одно отверстие для ввода приточного воздуха в ротор и в нижней части по крайней мере одно отверстие для вывода из ротора приточного воздуха, а также во внутренний цилиндр встроена перегородка разделяющая ввод и вывод приточного воздуха, при этом ввод и вывод приточного воздуха во внутренний цилиндр осуществляется через его торцы.

[16] Теплообмен между приточным и удаляемым воздухом происходит через стенки разделяющие каналы без смешивания этих потоков. Указанное расположение отверстий для ввода в ротор и вывода из ротора приточного и удаляемого воздуха обеспечивает в целом противоточную схему движения этих потоков в каналах ротора, что существенно увеличивает эффективность теплообмена между этими потоками, при этом, в случае отрицательных температур приточного воздуха и положительных температур удаляемого воздуха, максимальная температура поверхности каналов будет в нижнем секторе ротора, а минимальная - в верхнем секторе.

[17] Медленное вращение ротора приводит к постепенному перемещению его секторов из зоны отрицательных температур, где происходит обмерзание его поверхностей со стороны удаляемого воздуха, в зону положительных температур, где происходит оттаивание замерзших поверхностей и удаление жидкого конденсата, и обратно. Таким образом происходит непрерывная разморозка ротора. Слишком низкая скорость вращения ротора приведет к значительному увеличению толщина наледи, нарастающей в секторе с отрицательной температурой, что заметно ухудшает теплообмен между каналами для удаляемого и приточного воздуха. При слишком высокой скорости вращения ротора возможно неполное оттаивание наледи в секторе с положительной температурой, а также становится весомым вклад теплоемкости самого ротора, что снижает температурные градиенты между стенками ротора и потоками воздуха и, соответственно, также приводит к ухудшению эффективности теплообменника.

[18] Оптимальная скорость вращения ротора зависит от зазора в каналах, площади поверхности каналов, расхода и влажности удаляемого воздуха. По порядку величины эта скорость составляет около одного оборота в час и может варьироваться в ту или в другую сторону в несколько раз.

[19] Поскольку за время порядка минуты не происходит значительного изменения толщины наледи в процессе ее намерзания и оттаивания, то вращение ротора может быть не только непрерывным, но и с остановками, т.е. с поворотом на некоторый маленький угол с остановкой на время меньше минуты при условии поддержания средней скорости вращения как при непрерывном вращении. Прерывистый способ вращения ротора, то есть с остановками, позволяет применять механизмы с меньшим коэффициентом редукции, соответственно более дешевые.

[20] Вывод жидкого конденсата, образованного в результате охлаждения воздуха и/или оттаивания наледи, может осуществляться самотеком через патрубок в нижней части теплообменника, где он будет собираться под действием силы тяжести.

[21] Кольцевые элементы, формирующие каналы ротора, могут выполнены полностью или содержать вставки из газоплотного паро- влагопроницаемого материала, что позволит впитывать жидкий конденсат из каналов, где он формируется, и испарять в других каналах.

[22] Для облегчения вращение ротора он может быть установлен с небольшим зазором относительно корпуса на вращательных узлах, например, обкатных роликах. Также выполнение теплообменника с зазорами между ротором и корпусом существенно снижают требования к точности изготовления этих узлов, но приводит к нежелательным перетокам удаляемого и приточного воздуха с окружающей средой. Для уплотнения зазоров между ротором и корпусом можно применять скользящие уплотнения, выполненные из щеток, фетра, резины и т.п.

[23] Для уменьшения тепловых потерь теплообменника и, соответственно увеличения его эффективности, корпус и торцы ротора могут быть покрыты теплоизоляцией.

[24] Также технический результат достигается благодаря способу применения теплообменника, содержащего вращающийся ротор, по которому вводят удаляемый воздух в ротор через отверстие теплообменника для ввода удаляемого воздуха, вводят приточный воздух в ротор через отверстие теплообменника для ввода приточного воздуха, пропускают удаляемый воздух через ротор по каналам для удаляемого воздуха, пропускают приточный воздух через ротор по каналам для приточного воздуха, выводят удаляемый воздух из ротора через отверстие теплообменника для вывода удаляемого воздуха, выводят приточный воздух из ротора через отверстие теплообменника для вывода приточного воздуха. При этом вводят приточный воздух и выводят удаляемый воздух с одной стороны относительно оси вращения ротора, а выводят приточный воздух и вводят удаляемый воздух с другой стороны относительно оси вращения ротора, а в процессе работы теплообменника вращают ротор со скоростью, при которой не происходит чрезмерное обмерзание ротора в холодном секторе ротора, происходит полное оттаивание наледи в теплом секторе ротора и при этом остается незначительным влияние собственной теплоемкости ротора на процесс теплообмена между приточным и удаляемым воздухом. Благодаря этому обеспечивается саморазмораживание теплообменника в ходе его работы, высокий КПД и работоспособность в любых климатических условиях.

[25] Теплообмен между приточным и удаляемым воздухом происходит через стенки, разделяющие каналы, без смешивания этих потоков. Указанные места ввода в ротор и вывода из ротора приточного и удаляемого воздуха обеспечивают в целом противоточную схему движения этих потоков в каналах ротора, что существенно увеличивает эффективность теплообмена между этими потоками, при этом, в случае отрицательных температур приточного воздуха и положительных температур удаляемого воздуха, максимальная температура поверхности каналов ротора будет в секторе ввода удаляемого воздуха и, соответственно, вывода приточного воздуха, а минимальная - в секторе вывода удаляемого воздуха и ввода приточного воздуха.

[26] Медленное вращение ротора приводит к постепенному перемещению его секторов из зоны отрицательных температур, где происходит обмерзание его поверхностей со стороны удаляемого воздуха, в зону положительных температур, где происходит оттаивание замерзших поверхностей и удаление жидкого конденсата, и обратно. Таким образом происходит непрерывная разморозка ротора. Слишком низкая скорость вращения ротора приведет к значительному увеличению толщина наледи, нарастающей в секторе с отрицательной температурой, что заметно ухудшает теплообмен между каналами для удаляемого и приточного воздуха. При слишком высокой скорости вращения ротора возможно неполное оттаивание наледи в секторе с положительной температурой, а также становится весомым вклад теплоемкости самого ротора, что снижает температурные градиенты между стенками ротора и потоками воздуха и, соответственно, также приводит к ухудшению эффективности теплообменника.

[27] Оптимальная скорость вращения ротора, зависит от зазора в каналах, площади поверхности каналов, расхода и влажности удаляемого воздуха. По порядку величины эта скорость составляет около одного оборота в час и может варьироваться в ту или в другую сторону в несколько раз.

[28] Поскольку за время порядка минуты не происходит значительного изменения толщины наледи в процессе ее намерзания и оттаивания, то вращение ротора может быть не только непрерывным, но и с остановками, т.е. с поворотом на некоторый маленький угол с остановкой на время меньше минуты при условии поддержания средней скорости вращения как при непрерывном вращении. Прерывистый способ вращения ротора, то есть с остановками, позволяет применять механизмы с меньшим коэффициентом редукции, соответственно более дешевые.

[29] Вывод жидкого конденсата, образованного в результате охлаждения воздуха и/или оттаивания наледи, может осуществляться самотеком из нижней части теплообменника, где он будет собираться под действием силы тяжести.

[30] Жидкий конденсат может впитываться из каналов ротора, где он формируется, и испаряться в других каналах ротора при условии применения газоплотных паро- влагопроницаемых материалов при изготовлении этих каналов.

Описание чертежей

[31] На Фиг.1 изображен теплообменник в поперечном разрезе.

[32] На Фиг.2 изображен теплообменник в разрезе (вид сбоку).

[33] На Фиг.3 изображен теплообменник в поперечном разрезе со скользящими уплотнительными элементами.

[34] На Фиг.4 изображена принципиальная схема, иллюстрирующая способ применения теплообменника.

Подробное описание

[35] В приведенном ниже подробном описании реализации изобретения приведены многочисленные детали реализации, призванные обеспечить отчетливое понимание настоящего изобретения. Однако, квалифицированному в предметной области специалисту очевидно, каким образом можно использовать настоящее изобретение, как с данными деталями реализации, так и без них. В других случаях, хорошо известные методы, процедуры и компоненты не описаны подробно, чтобы не затруднять излишнее понимание особенностей настоящего изобретения.

[36] Кроме того, из приведенного изложения ясно, что изобретение не ограничивается приведенной реализацией. Многочисленные возможные модификации, изменения, вариации и замены, сохраняющие суть и форму настоящего изобретения, очевидны для квалифицированных в предметной области специалистов.

[37] На Фиг.1 и 2 представлен схематичный вид теплообменника в поперечном разрезе и в разрезе с видом сбоку соответственно. Ротор 1 выполнен из кольцевых элементов, зазоры между которыми заделаны попеременно по внутреннему и внешнему периметру. Тем самым образуются каналы 2 и 3, разделяющие удаляемый 4 и приточный 5 воздух. С обоих торцов ротора 1 расположены цилиндры. На части корпуса 7, охватывающего снаружи ротор 1, расположены отверстия ввода 8 и вывода 9 для удаляемого воздуха 4. Внутренняя часть корпуса 7, представляющая собой цилиндр, выполненный с прорезями, образующими отверстия для ввода 10 и вывода 11 приточного воздуха 5. Также в цилиндре 7 установлена перегородка 12 разделяющая ввод 10 и вывод 11 приточного воздуха 5, при этом ввод и вывод приточного воздуха во внутреннюю часть корпуса осуществляется через его торцы.

[38] Вращение ротора 1 может осуществляться непрерывно со скоростью порядка одного оборота в час. Также вращение ротора 1 может осуществляться с остановками, с поворотом на единицы градусов и с остановкой на время не более минуты так, чтобы средняя скорость ротора 1 составляла порядка одного оборота в час. Само вращение ротора 1 может осуществляться при помощи электропривода с механизмами редукции с использованием ременного, цепного, червячного, шестеренчатого и прочих механизмов.

[39] Ось вращения ротора 1 при этом может быть расположена горизонтально или под углом, но при этом она должна быть отличной от вертикали. Более предпочтительным является горизонтальное расположения оси вращения ротора 1, как показано на Фиг.1, Фиг.2 и Фиг.3.

[40] Цилиндры, составляющие корпус 7 теплообменника, могут дополнительно быть охвачены вращательными узлами 6, что позволяет облегчить вращение ротора 1 относительно корпуса 7. В качестве вращательных узлов 6 могут использоваться обкатные ролики и другие подобные узлы, способные позиционировать положение ротора 1 относительно корпуса и при этом облегчить вращение ротора 1.

[41] Теплообмен между приточным 5 и удаляемым 4 воздухом происходит через стенки, разделяющие каналы без смешивания этих потоков. Указанное расположение отверстий для ввода 8, 10 в ротор 1 и вывода 9, 11 из ротора 1 приточного 5 и удаляемого 4 воздуха обеспечивает в целом противоточную схему движения этих потоков в каналах ротора 1, что существенно увеличивает эффективность теплообмена между этими потоками. При этом, в случае отрицательных температур приточного 5 воздуха и положительных температур удаляемого воздуха 4, максимальная температура поверхности каналов будет в нижнем секторе ротора 1, а минимальная - в верхнем секторе. Медленное вращение ротора 1 приводит к постепенному перемещению его секторов из зоны отрицательных температур, где происходит обмерзание его поверхностей со стороны удаляемого воздуха 4, в зону положительных температур, где происходит оттаивание замерзших поверхностей и удаление жидкого конденсата, и обратно. Таким образом происходит непрерывная разморозка ротора 1. Слишком низкая скорость вращения ротора 1 приведет к значительному увеличению толщины наледи, нарастающей в секторе с отрицательной температурой, что заметно ухудшает теплообмен между каналами для удаляемого 4 и приточного 5 воздуха. При слишком высокой скорости вращения ротора 1 возможно неполное оттаивание наледи в секторе с положительной температурой, а также становится весомым вклад теплоемкости самого ротора 1, что снижает температурные градиенты между стенками ротора 1 и потоками воздуха и, соответственно, также приводит к ухудшению эффективности теплообменника. Соответственно, существует некоторая оптимальная скорость вращения ротора 1, зависящая от зазора в каналах, площади поверхности каналов, расхода и влажности удаляемого воздуха 4. По порядку величины эта скорость составляет около одного оборота в час и может варьироваться в ту или в другую сторону в несколько раз. Поскольку за время порядка минуты не происходит значительного изменения толщины наледи в процессе ее намерзания и оттаивания, то вращение ротора 1 может быть не только непрерывным, но и с остановками, т.е. с поворотом на некоторый маленький угол, порядка единиц градусов, с остановкой на время меньше минуты при условии поддержания средней скорости вращения как при непрерывном вращении. Прерывистый способ вращения ротора 1, то есть с остановками, позволяет применять механизмы с меньшим коэффициентом редукции, соответственно более дешевые.

[42] Теплообменник может быть дополнительно оснащен скользящими уплотнительными элементами 13, размещение которых показано на Фиг.3. Скользящие уплотнительные элементы 13, расположенны между корпусом 7 и ротором 1. Дополнительное использование уплотнительных элементов 13 позволяет уплотнить зазоры между ротором 1 и корпусом 7 так, чтобы убрать нежелательные перетоки удаляемого и приточного воздуха с окружающей средой и между собой. Для уплотнения зазоров между ротором 1 и корпусом 7 можно применять скользящие уплотнения, выполненные из щеток, фетра, резины и т.п.

[43] Кольцевые элементы, формирующие каналы 2 и 3 ротора 1, могут дополнительно быть выполнены полностью или содержать вставки из газоплотного паро- влагопроницаемого материала, что позволит впитывать жидкий конденсат из каналов, где он формируется и испарять в других каналах.

[44] Также вывод жидкого конденсата может осуществляться за счет его слива под действием силы гравитации. В этом случае, в корпусе 7 теплообменника могут дополнительно быть выполнены отверстия для слива жидкого конденсата.

[45] Для уменьшения тепловых потерь теплообменника и, соответственно увеличения его эффективности, корпус 7 и торцы ротора 1 дополнительно могут быть покрыты теплоизоляцией.

[46] Теплообменник работает следующим образом, согласно способу применения теплообменника, принципиальная схема которого показана на Фиг.4. Описывается ситуация с вентиляцией теплого помещения (+20°С) с влажностью около 55% (абсолютное влагосодержание 9,4 гр/м³) в условиях значительных отрицательных наружных температур (-30°С). Расходы удаляемого и приточного воздуха сбалансированы, т.е. примерно равны.

[47] Удаляемый воздух 4 попадает внутрь ротора 1 через ввод 8 и, двигаясь по каналам 2 по обеим сторонам от оси вращения ротора 1 к выводу 9, отдает свое тепло приточному воздуху 5, двигающемуся ему навстречу также по обеим сторонам от оси вращения ротора 1 по другим каналам 3 от ввода 10 к выводу 11. При этом удаляемый воздух 4 остывает, а приточный воздух 5 нагревается. Теплообмен между потоками 4 и 5 осуществляется через поверхности разделяющие каналы 2 и 3.

[48] По мере остывания удаляемого воздуха 4 до температуры +10°С он достигает точки росы, и при дальнейшем охлаждении из него начинает конденсироваться влага на поверхностях каналов 2. При охлаждении удаляемого воздуха до 0°С с каждого кубического метра сконденсируется около 4,5 гр жидкости, что составляет практически половину от начального его влагосодержания.

[49] Дальнейшее охлаждение удаляемого воздуха 4 приводит к выпадению водяных паров на поверхностях каналов 2 в виде льда и инея, при этом с падением его температуры влагосодержание в нем значительно снижается, и скорость обмерзания поверхностей соответственно тоже.

[50] Медленное непрерывное или прерывистое вращение ротора 1 приводит к тому, что зона, на которой произошло интенсивное обмерзание поверхностей каналов 2, постепенно смещается. С одной стороны она уходит в зону глубоких отрицательных температур, где скорость обмерзания существенно падает, с другой стороны она переходит в зону положительных температур, где происходит ее оттаивание. Таким образом соотношением скорости вращения ротора 1 и площади поверхности его каналов 2 к объему удаляемого воздуха 4 можно регулировать предельную толщину образование наледи. При этом при условии обеспечения отвода жидкого конденсата, изначальная влажность удаляемого воздуха не влияет на количество наледи. Поскольку влагосодержание воздуха при температуре ниже -20°С (около 1 гр/м³) очень маленькое, то дальнейшее понижение его температуры уже практически не приводит к увеличению нарастания наледи. Тем самым предлагаемое устройство может работать со значительно более низкими наружными температурами.

[51] Вывод жидкого конденсата из каналов 2 удаляемого воздуха 4 возможен разными способами. Например, сливом под действием гравитации через патрубок, расположенный в нижней части теплообменника, (на рисунке не показано) либо впитыванием в поверхности каналов 2 с последующим испарением в каналах 3 при изготовлении кольцевых элементов, формирующих эти каналы, полностью или содержащих вставки из газоплотного паро- влагопроницаемого материала.

[52] При этом в процессе работы ротора 1 может дополнительно вручную или автоматически осуществляться регулировка его скорости работы. Это делается на основании параметров воздух таких, как, например, температура воздуха внутри, температура воздуха снаружи, влажность воздуха внутри, влажность воздуха снаружи и т.д. Регулировка скорости в зависимости от параметров воздуха позволяет использовать теплообменник более эффективно при любых внешних условиях.

[53] В настоящих материалах заявки представлено предпочтительное раскрытие осуществления заявленного технического решения, которое не должно использоваться как ограничивающее иные, частные воплощения его реализации, которые не выходят за рамки запрашиваемого объема правовой охраны и являются очевидными для специалистов в соответствующей области техники.

Claims (28)

1. Теплообменник, включающий ротор, помещенный в корпус, при этом ротор выполнен из кольцевых элементов, зазоры между которыми заделаны таким образом, что образуются каналы, разделяющие приточный и удаляемый воздух,

при этом корпус состоит из внешнего и внутреннего цилиндров,

причем внешний цилиндр охватывает ротор и содержит в нижней части по крайней мере одно отверстие для ввода удаляемого воздуха в ротор и в верхней части по крайней мере одно отверстие для вывода удаляемого воздуха из ротора,

а внутренний цилиндр вставлен в ротор и содержит в верхней части по крайней мере одно отверстие для ввода приточного воздуха в ротор и в нижней части по крайней мере одно отверстие для вывода приточного воздуха из ротора,

при этом во внутренний цилиндр встроена перегородка, разделяющая ввод и вывод приточного воздуха,

при этом ввод приточного воздуха и вывод удаляемого воздуха расположены с одной стороны относительно оси вращения ротора, а вывод приточного и ввод удаляемого воздуха расположены с другой стороны относительно оси вращения ротора.

2. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что ось вращения ротора расположена горизонтально.

3. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что включает промежуточные вращательные узлы.

4. Теплообменник по п. 3, отличающийся тем, что ротор установлен на промежуточных вращательных узлах.

5. Теплообменник по пп. 1-4, отличающийся тем, что между корпусом и ротором имеются скользящие уплотнительные элементы.

6. Теплообменник по пп. 1-5, отличающийся тем, что стенки, разделяющие каналы, выполнены из газоплотного паро- и/или влагопроницаемого материала.

7. Теплообменник по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что стенки, разделяющие каналы, имеют вставки из газоплотного паро- и/или влагопроницаемого материала.

8. Теплообменник по пп. 1-7, отличающийся тем, что корпус и/или торцы ротора покрыты теплоизолирующей оболочкой.

9. Теплообменник по пп. 1-8, отличающийся тем, что в корпусе выполнены отверстия для вывода жидкого конденсата.

10. Способ применения теплообменника, содержащего вращающийся ротор, по которому:

вводят удаляемый воздух в ротор через отверстие теплообменника для ввода удаляемого воздуха;

вводят приточный воздух в ротор через отверстие теплообменника для ввода приточного воздуха;

пропускают удаляемый воздух через ротор по каналам для удаляемого воздуха;

пропускают приточный воздух через ротор по каналам для приточного воздуха;

выводят удаляемый воздух из ротора через отверстие теплообменника для вывода удаляемого воздуха;

выводят приточный воздух из ротора через отверстие теплообменника для вывода приточного воздуха;

при этом ввод приточного воздуха и вывод удаляемого воздуха осуществляют с одной стороны относительно оси вращения ротора, а вывод приточного воздуха и ввод удаляемого воздуха осуществляют с другой стороны относительно оси вращения ротора.

11. Способ применения теплообменника по п. 10, отличающийся тем, что в процессе работы теплообменника вращают ротор со скоростью порядка одного оборота в час.

12. Способ применения теплообменника по п. 11, отличающийся тем, что в процессе работы теплообменника регулируют скорость вращения ротора в зависимости от температуры и влажности внешнего воздуха.

13. Способ применения теплообменника по п. 10, отличающийся тем, что в процессе работы теплообменника вращают ротор с остановками.

14. Способ применения теплообменника по п. 13, отличающийся тем, что ротор поворачивают на угол порядка единиц градусов и останавливают на время не более минуты так, что средняя скорость вращения ротора составляет порядка одного оборота в час.

15. Способ применения теплообменника по п. 10, отличающийся тем, что выводят образовавшийся жидкий конденсат из теплообменника самотеком.

16. Способ применения теплообменника по п. 10, отличающийся тем, что впитывают образовавшийся жидкий конденсат из каналов ротора, где он формируется, и испаряют в других каналах ротора.

Images