RU90881U1

RU90881U1 - HEAT AND WATER EXCHANGER

Info

Publication number: RU90881U1
Application number: RU2009137572/22U
Authority: RU
Inventors: Андрей Виссарионович Карякин; Мария Григорьевна Карякина
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Уральский центр инновационных технологий"
Priority date: 2009-10-09
Filing date: 2009-10-09
Publication date: 2010-01-20

Abstract

1. Тепловлагообменник, содержащий корпус, в котором выполнены отверстия для входа и выхода потоков воздуха, установленный в корпусе пакет пластин, которые образуют чередующиеся каналы для нагреваемого и увлажняемого потока воздуха и остужаемого и осушаемого потоков воздуха, капиллярно-пористый материал, нижний край которого помещен в поддон, заполненный раствором сорбента, отличающийся тем, что потоки воздуха направлены вертикально - остужаемый/осушаемый поток воздуха движется сверху вниз, а нагреваемый и увлажняемый поток воздуха движется снизу вверх, капиллярно-пористый материал имеет ворсистую структуру и закрывает отверстие площадью от 60 до 80% в нижней части каждой пластины, а в качестве сорбента применен водный раствор солей, содержащих преимущественно CaCl2 или ZnCl2. ! 2. Тепловлагообменник по п.1, отличающийся тем, что расстояние между пластинами, формирующими остужаемый и осушаемый поток воздуха, составляет от 70 до 90% от расстояния между пластинами, формирующими нагреваемый и увлажняемый поток воздуха.1. A heat and moisture exchanger comprising a housing in which openings are made for air inlet and outlet, a package of plates installed in the housing, which form alternating channels for a heated and humidified air flow and a cooled and drained air flow, a capillary-porous material, the lower edge of which is placed into a pan filled with a sorbent solution, characterized in that the air flows vertically - the cooled / drained air stream moves from top to bottom, and the heated and humidified air stream moves etsya upwards capillary-porous material has a fleecy structure and covers the opening area of 60 to 80% at the bottom of each plate and used as a sorbent salt aqueous solution, preferably containing CaCl2 or ZnCl2. ! 2. The heat and moisture exchanger according to claim 1, characterized in that the distance between the plates forming a cooled and drained air stream is from 70 to 90% of the distance between the plates forming a heated and humidified air stream.

Description

Полезная модель относится к тепловлагообменным устройствам и предназначена для передачи тепла и влаги от одного потока воздуха к другому. В первую очередь полезная модель предназначена для использования в системах вентиляции жилых помещений, где необходимо осуществлять тепло- и влагообмен между потоками вытяжной вентиляции (удаляющей из помещения воздух) и приточной вентиляции (подающей воздух в помещение). Наиболее типичным для России применением является подогрев и увлажнение приточного потока холодного воздуха за счет тепла и влаги вытяжного воздуха, хотя возможна эксплуатация тепловлагообменника и в режиме охлаждения и осушения приточного потока воздуха за счет сброса тепла и влаги в вытяжной воздух (в жаркий период года).The utility model relates to heat and moisture exchange devices and is designed to transfer heat and moisture from one air stream to another. First of all, the utility model is intended for use in residential ventilation systems, where it is necessary to carry out heat and moisture exchange between the exhaust ventilation flows (removing air from the room) and the supply ventilation (supplying air to the room). The most typical application for Russia is heating and humidification of the supply flow of cold air due to the heat and moisture of the exhaust air, although it is possible to operate the heat and moisture exchanger in the mode of cooling and drying the supply air stream due to the discharge of heat and moisture into the exhaust air (during the hot season).

Известен тепловлагообменник, содержащий пакет пластин, образующих коллекторы для газов, между которыми зигзагообразно расположена полимерная пленка-мембрана, разделяющая пластины между собой [1 - RU 72306, F24F 3/147, F28D 9/04, F28F 3/02, 2007].Known heat and moisture exchanger containing a package of plates forming a manifold for gases, between which is a zigzag polymer film-membrane that separates the plates between them [1 - RU 72306, F24F 3/147, F28D 9/04, F28F 3/02, 2007].

Недостатком указанного теплообменника является ограничения по условиям применения: теплообменники с мембранной пленкой могут использоваться при температурах наружного воздуха не ниже -10°С..-15°С [2 - технические данные Лоссней LGH-RX4, Mitsubishi electric corporation, http//www.hiconix.ru/UserFiles/File/Lossney/Lossnay_From_Tech_Dates_2009.pdf]. При более низких температурах наружного воздуха на поверхности мембранной пленки образуется вода в твердой фазе (снег или лед), что ухудшает теплообмен, препятствует влагообмену и может привести к поломке тепловлагообменника.The disadvantage of this heat exchanger is the restrictions on the conditions of use: membrane-type heat exchangers can be used at outdoor temperatures not lower than -10 ° С ..- 15 ° С [2 - technical data of Lossney LGH-RX4, Mitsubishi electric corporation, http // www. hiconix.ru/UserFiles/File/Lossney/Lossnay_From_Tech_Dates_2009.pdf]. At lower outside temperatures, water forms in the solid phase (snow or ice) on the surface of the membrane film, which impairs heat transfer, inhibits moisture exchange, and can lead to breakdown of the heat exchanger.

Приемлемыми для климатических условий центральных и северных регионов РФ (температура наружного воздуха до -40°С) являются тепловлагообменники, рабочие поверхности которых выполнены из пористой среды, пропитанной водяным раствором соли.Heat and moisture exchangers, the working surfaces of which are made of a porous medium saturated with an aqueous solution of salt, are acceptable for the climatic conditions of the central and northern regions of the Russian Federation (outdoor temperature up to -40 ° C).

Ближайшим аналогом является тепловлагообменник, содержащий пакет гигроскопичных капиллярно-пористых пластин, образующих каналы для воздушных потоков, поддон с раствором жидкого сорбента, в который частично погружены пластины, ванну с прорезями в днище, в который выведены в которые выведены верхние концы пластин, и секцию подъема раствора с трубами, заполненными капиллярно-пористым материалом и выведенными своими концами в ванну и поддон [3 - SU 1041815, F24F 3/147, 1983].The closest analogue is a heat and moisture exchanger containing a packet of hygroscopic capillary-porous plates forming channels for air flows, a tray with a liquid sorbent solution in which the plates are partially immersed, a bath with slots in the bottom, into which the upper ends of the plates are brought out, and a lifting section solution with pipes filled with capillary-porous material and brought to the end of the tub and pan [3 - SU 1041815, F24F 3/147, 1983].

Основным недостатком указанного тепловлагообменника является практически полная бесполезность ванны с прорезями в днище и секции подъема раствора, т.к. распределение раствора с высотой в пористых пластинах и капиллярно-пористом материале труб различается незначительно. В результате для сохранения работоспособности тепловлагообменника необходимо постоянное добавление раствора в ванну с целью обеспечения смачивания капиллярно-пористых пластин.The main disadvantage of this heat and moisture exchanger is the almost complete uselessness of the bath with slots in the bottom and the solution lifting section, because the distribution of the solution with height in the porous plates and capillary-porous pipe material differs slightly. As a result, to maintain the operability of the heat and moisture exchanger, it is necessary to constantly add the solution to the bath in order to ensure the wetting of the capillary-porous plates.

Еще одним недостатком указанного теплоовлагобменника при использовании его в системах вентиляции жилых помещений, является отсутствие ограничения влажности воздуха, подаваемого помещение: при больших площадях теплообмена, необходимых для обеспечения энергетической эффективности 80%..90%, подаваемый в помещение воздух будет чрезмерно увлажнен (до 70%..75%), и наоборот, при малых площадях теплообмена можно обеспечить требуемую влажность подаваемого в помещение воздуха, но энергетическая эффективность тепловлагообменника будет невелика.Another drawback of this heat exchanger when used in residential ventilation systems is the lack of humidity limits for the air supplied to the room: with large areas of heat exchange necessary to ensure energy efficiency of 80% .. 90%, the air supplied to the room will be excessively humidified (up to 70 % .. 75%), and vice versa, with small areas of heat transfer, you can provide the required humidity of the air supplied to the room, but the energy efficiency of the heat and moisture exchanger will be small.

Авторам неизвестны промышленно производимые устройства, конструкция которых основана на описанном решении, что подтверждает вышеизложенные недостатки известной конструкции.The authors are not aware of industrially manufactured devices, the design of which is based on the described solution, which confirms the above disadvantages of the known design.

Технический результат, который может быть получен от использования предложенной полезной модели, заключается в расширении условий эксплуатации тепловлагообменника по температуре воздуха до -40°С, в повышении эффективности теплообмена, а также в ограничении влажности подаваемого в помещение воздуха до норм, установленных [4 - СНиП 2.04.05-91] (максимум 60% для рабочих помещений и 65% для жилых помещений).The technical result that can be obtained from the use of the proposed utility model is to expand the operating conditions of the heat exchanger by air temperature to -40 ° C, to increase the efficiency of heat transfer, and also to limit the humidity of the air supplied to the room to the standards established [4 - Construction Norms and Regulations 2.04.05-91] (maximum 60% for working premises and 65% for residential premises).

Указанный технический результат достигается в конструкции тепловлагообменника, содержащей корпус, в котором выполнены отверстия для входа и выхода потоков воздуха, установленный в корпусе пакет формирующих воздушные каналы пластин, причем в нижней части каждой пластины выполнено отверстие площадью от 60% до 80% площади пластины, закрытое листом ворсистого капиллярно-пористого материала, а нижний край капиллярно-пористого материала помещен в поддон, наполненный водным раствором солей, содержащих преимущественно CaCl₂ или ZnCl₂. При этом пластины образуют чередующиеся каналы для остужаемого/осушаемого и нагреваемого/увлажняемого потоков воздуха, причем потоки направлены вертикально: остужаемый/осушаемый поток движется сверху вниз, а нагреваемый/увлажняемый поток движется снизу вверх. Если предполагается применение тепловлагообменника преимущественно при низких температурах (от -20°С до -40°С), то расстояние между пластинами, формирующими остужаемый/осушаемый поток, выполняют меньше, чем между пластинами, формирующими нагреваемый/увлажняемый поток.The indicated technical result is achieved in the design of a heat and moisture exchanger comprising a housing in which openings are made for air inlet and outlet, a package of plates forming air channels installed in the housing, and a hole with an area of 60% to 80% of the plate area is made in the lower part of the plate, closed a sheet of fleecy capillary-porous material, and the lower edge of the capillary-porous material is placed in a tray filled with an aqueous solution of salts containing mainly CaCl ₂ or ZnCl ₂ . The plates form alternating channels for the cooled / drained and heated / humidified air flows, the flows being directed vertically: the cooled / drained flow moves from top to bottom, and the heated / humidified stream moves from bottom to top. If it is supposed to use a heat and moisture exchanger mainly at low temperatures (from -20 ° С to -40 ° С), then the distance between the plates forming the cooled / drained stream is less than that between the plates forming the heated / humidified stream.

Отличительные признаки заявленной полезной модели от ближайшего аналога заключаются в том, что:Distinctive features of the claimed utility model from the closest analogue are that:

1. потоки воздуха относительно капиллярно-пористого материала движутся в вертикальном направлении, причем более теплый и влажный поток движется сверху вниз, а более холодный и сухой - снизу вверх;1. air flows relative to the capillary-porous material move in the vertical direction, with a warmer and wetter stream moving from top to bottom, and cooler and drier moving from bottom to top;

2. капиллярно-пористый материал разделяет только нижнюю часть воздушных каналов (от 60% до 80% по высоте), а верхнюю часть воздушных каналов образуют пластины, передающие тепло, но не передающие влагу;2. capillary-porous material separates only the lower part of the air channels (from 60% to 80% in height), and the upper part of the air channels is formed by plates that transfer heat, but do not transfer moisture;

3. для смачивания капиллярно-пористого материала применен водный раствор солей преимущественно CaCl₂ или ZnCl₂;3. To wet the capillary-porous material, an aqueous solution of salts of mainly CaCl ₂ or ZnCl _{2 was used} ;

4. капиллярно-пористый материал имеет ворсистые поверхности, интенсифицирующие процессы теплообмена и влагообмена;4. the capillary-porous material has fleecy surfaces that intensify the processes of heat transfer and moisture exchange;

5. расстояние между пластинами, формирующими остужаемый/осушаемый поток, выполняют 70%..90% расстояния между пластинами, формирующих нагреваемый/увлажняемый поток.5. the distance between the plates forming the cooled / drained stream is 70% .. 90% of the distance between the plates forming the heated / moistened stream.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существующим признакам заявленной полезной модели, следовательно, она соответствует критерию «новизна».The analysis of the prior art made it possible to establish that the applicant has not found an analogue characterized by features identical to all existing features of the claimed utility model, therefore, it meets the criterion of "novelty."

Сущность заявленной полезной модели поясняется чертежами.The essence of the claimed utility model is illustrated by drawings.

На фиг.1 представлен общий вид тепловлагообменника, на фиг.2 показаны пластины и ворсистый капиллярно-пористый материал, на фиг.3 приведены зависимости эффективности теплообмена и влагообмена от расхода воздуха.Figure 1 presents a General view of the heat and moisture exchanger, figure 2 shows the plate and a fleecy capillary-porous material, figure 3 shows the dependence of the efficiency of heat transfer and moisture exchange on air flow.

Тепловлагообменник является устройством, применяемым в установках, осуществляющих утилизацию тепла (влаги) воздуха, температура (влажность) которого отличается от температуры (влажности) окружающей среды.A heat and moisture exchanger is a device used in installations that utilize heat (moisture) in air whose temperature (humidity) differs from the ambient temperature (humidity).

Тепловлагообменник (см. фиг.1) содержит корпусные детали 1, в верхней части которых выполнены отверстия для входа остужаемого/осушаемого потока воздуха 2 и выхода нагреваемого/увлажняемого потока воздуха 3, а в нижней части - отверстия для выхода остужаемого/осушаемого потока воздуха 4 и входа нагреваемого/увлажняемого потока воздуха 5, установленный в корпусе пакет параллельных пластин 6, размещенный между ними ворсистый капиллярно-пористый материал 7 и поддон 8.The heat and moisture exchanger (see Fig. 1) contains body parts 1, in the upper part of which holes are made for the entrance of the cooled / drained air stream 2 and the outlet of the heated / humidified air stream 3, and in the lower part there are holes for the exit of the cooled / drained air stream 4 and the input of the heated / humidified air stream 5, a package of parallel plates 6 installed in the housing, a fleecy capillary-porous material 7 placed between them and a tray 8.

Работа тепловлагообменника происходит следующим образом. Остужаемый/осушаемый поток воздуха подают в отверстие 2, откуда его подают в вертикальные каналы, образованные пластинами 6 и ворсистым капиллярно-пористым материалом 7 и направляют вниз. За счет теплообмена производят понижение температуры потока и, как следствие, повышение его относительной влажности. Часть водяных паров конденсируют на поверхности ворсистого капиллярно-пористого материала 7. Охлажденный и осушенный поток воздуха удаляют через выходное отверстие 4. Нагреваемый/увлажняемый поток воздуха подают в отверстие 5, откуда его направляют вверх в вертикальные каналы, образованные пластинами 6. За счет теплообмена производят повышение его температуры, при этом содержащуюся в ворсистом капиллярно-пористом материале влагу испаряют в поток воздуха с повышением его влажности. Последнюю часть пути этот поток проходит в каналах, стенки которых образованы пластинами 6, без контакта с ворсистым капиллярно-пористым материалом 7. Вследствие этого, за счет теплопередачи через пластины температуру потока повышают, а его абсолютную влажность сохраняют неизменной, т.е. понижают относительную влажность до 45%..55%.The operation of the heat and moisture exchanger is as follows. The cooled / drained air stream is fed into the opening 2, from where it is fed into the vertical channels formed by the plates 6 and the fleecy capillary-porous material 7 and directed downward. Due to heat exchange, the flow temperature is lowered and, as a result, its relative humidity is increased. Part of the water vapor is condensed on the surface of a fleecy capillary-porous material 7. The cooled and dried air stream is removed through the outlet 4. The heated / humidified air stream is fed into the hole 5, from where it is directed upward into the vertical channels formed by the plates 6. Due to heat exchange, increasing its temperature, while the moisture contained in the fleecy capillary-porous material evaporates into the air stream with an increase in its humidity. The last part of the path this flow passes in the channels, the walls of which are formed by plates 6, without contact with the fleecy capillary-porous material 7. As a result, due to heat transfer through the plates, the flow temperature is increased, and its absolute humidity is kept constant, i.e. lower relative humidity to 45% .. 55%.

Взаимное расположение ворсистого капиллярно-пористого материала 7 и пластин 6 показано на фиг.2: в варианте «a» на фиг.2 расстояние между пластинами, формирующими остужаемый/осушаемый поток равно расстоянию между пластинами, формирующими нагреваемый/увлажняемый поток, в варианте «б» на фиг.2 расстояние между пластинами, формирующими остужаемый/осушаемый поток меньше расстояния между пластинами, формирующими нагреваемый/увлажняемый поток.The relative position of the fleecy capillary-porous material 7 and the plates 6 is shown in FIG. 2: in the variant “a” in FIG. 2, the distance between the plates forming the cooled / drained stream is equal to the distance between the plates forming the heated / moistened stream, in the variant “b "In Fig.2, the distance between the plates forming the cooled / drained stream is less than the distance between the plates forming the heated / moistened stream.

От ближайшего аналога заявленная полезная модель отличается направлением движения воздушных потоков - остужаемый/осушаемый поток движется вертикально вниз, а нагреваемый/увлажняемый - вертикально вверх. За счет этого под действием низких температур находится только нижняя часть капиллярно-пористого материала 7, которая вследствие близости поддона 8 гарантировано пропитана концентрированным солевым раствором и потому лед на ней не образуется. Использование солевого раствора CaCl₂ обеспечивает защиту от обмерзания при температурах до -50°С, а использование ZnCl₂ - при температурах до -60°С. Верхняя же часть капиллярно-пористого материала 7 находится в условиях близких к комнатным температур и вследствие этого более обильного увлажнения (например, при охлаждении воздуха с относительной влажностью 100% на 1°С при температуре 20°С из него выпадает 100 г воды, а при температуре -20°С только 10 г). Эффект конденсации влаги из потока воздуха усиливают солевым раствором: например, насыщенный раствор CaCl₂ поглощает водяные пары из воздуха при относительной влажности последнего выше 32%, а насыщенный раствор ZnCl₂ - при относительной влажности выше 10%. При уменьшении толщины зазоров в воздушном канале интенсивность тепло- и влагопередачи между потоком воздуха и стенками увеличивается, поэтому для тепловлагообменников, преимущественно эксплуатируемых при низких температурах окружающей среды (-20°С..-40°С) с целью обеспечения гарантированного отсутствия обмерзания каналы для вытяжного потока воздуха должны быть уже каналов для приточного потока воздуха. Применение ворсистого капиллярно-пористого материала увеличивает интенсивность процессов теплопереноса и влагопереноса.The claimed utility model differs from the closest analogue in the direction of air flow movement - the cooled / drained stream moves vertically downward, and the heated / humidified one moves vertically upward. Due to this, under the influence of low temperatures there is only the lower part of the capillary-porous material 7, which due to the proximity of the tray 8 is guaranteed to be saturated with concentrated saline solution and therefore ice is not formed on it. The use of CaCl ₂ saline solution provides protection against freezing at temperatures up to -50 ° C, and the use of ZnCl ₂ - at temperatures up to -60 ° C. The upper part of the capillary-porous material 7 is in conditions close to room temperature and as a result of more abundant moistening (for example, when air with a relative humidity of 100% is cooled by 1 ° C at a temperature of 20 ° C, 100 g of water falls out, and at at a temperature of -20 ° C only 10 g). The effect of condensation of moisture from the air stream is enhanced by saline: for example, a saturated solution of CaCl ₂ absorbs water vapor from the air at a relative humidity of the latter above 32%, and a saturated solution of ZnCl ₂ - at a relative humidity above 10%. With a decrease in the thickness of the gaps in the air channel, the heat and moisture transfer between the air flow and the walls increases, therefore, for heat and moisture exchangers, mainly operated at low ambient temperatures (-20 ° C ..- 40 ° C) in order to ensure guaranteed freezing of the channels for exhaust air flow should already be channels for the supply air flow. The use of fleecy capillary-porous material increases the intensity of the processes of heat transfer and moisture transfer.

Экспериментальный образец заявленной полезной модели изготовлен и испытан в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2012 годы», в ходе исполнения Государственного контракта №02.516.11.6181). Изготовленный экспериментальный образец имеет габариты 250×900×1000, площадь теплообменных пластин около 10 м², в качестве ворсистого капиллярно-пористого материала использована фланель С 514-ТИ (ГОСТ 29298-2005), поддон заполнен 35% раствором CaCl₂, первого сорта (с массовой долей CaCl₂ в сухом веществе не менее 90%). Результаты испытаний тепловлагообменника приведены на фиг.3.An experimental sample of the claimed utility model was manufactured and tested in the framework of the federal target program “Research and Development in Priority Directions for the Development of the Russian Science and Technology Complex for 2007-2012”, during the execution of State Contract No. 02.516.11.6181). The manufactured experimental sample has dimensions of 250 × 900 × 1000, the area of heat transfer plates is about 10 m ² , C 514-TI flannel (GOST 29298-2005) is used as a fleecy capillary-porous material, the tray is filled with a 35% CaCl ₂ solution, first grade ( with a mass fraction of CaCl ₂ in dry matter of at least 90%). The test results of the heat exchanger are shown in figure 3.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИINFORMATION SOURCES

1. Патент RU 72306, F24F 3/147, F28D 9/04, F28F 3/02, 2007.1. Patent RU 72306, F24F 3/147, F28D 9/04, F28F 3/02, 2007.

2. Технические данные Лоссней LGH - RX4, Mitsubishi electric corporation, http//www.hiconix.ru/UserFiles/File/Lossney/Lossnay_From_Tech_Dates_2009.pdf2. Technical data of Lossney LGH - RX4, Mitsubishi electric corporation, http // www.hiconix.ru / UserFiles / File / Lossney / Lossnay_From_Tech_Dates_2009.pdf

3. Патент SU 1041815, F24F 3/147, 1983.3. Patent SU 1041815, F24F 3/147, 1983.

4. Санитарные нормы и правила СНиП 2.04.05-91.4. Sanitary norms and rules of SNiP 2.04.05-91.

Claims

1. A heat and moisture exchanger comprising a housing in which openings are made for air inlet and outlet, a package of plates installed in the housing, which form alternating channels for a heated and humidified air flow and a cooled and drained air flow, a capillary-porous material, the lower edge of which is placed into a pan filled with a sorbent solution, characterized in that the air flows vertically - the cooled / drained air stream moves from top to bottom, and the heated and humidified air stream moves etsya upwards capillary-porous material has a fleecy structure and covers the opening area of 60 to 80% at the bottom of each plate and used as a sorbent salt aqueous solution containing preferably CaCl ₂ or ZnCl _2.

2. The heat and moisture exchanger according to claim 1, characterized in that the distance between the plates forming a cooled and drained air stream is from 70 to 90% of the distance between the plates forming a heated and humidified air stream.