УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАГРЕВАНИЯ И УВЛАЖНЕНИЯ ВОЗДУХА НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНЫМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ

Устройство относится к технике вентиляции и кондиционирования воздуха и может быть использовано в вентиляционных установках зданий и сооружений различного назначения, в частности в жилых, административных, промышленных и т.п.
Известен роторно-пленочный тепломассообменный аппарат, содержащий корпус с входными и выходными воздушными патрубками, размещенный в корпусе ротор с приводом, состоящий из закрепленных на горизонтальном валу плоских параллельно установленных дисков, рабочую камеру тепло- и массообмена, нижняя часть которого заполнена нагретой жидкостью, при этом вал ротора расположен выше уровня жидкости [Патент РФ №2158393, 1999 г. - аналог].
Недостатком устройства является низкая производительность по расходу циркулирующей жидкости, вызванная тем, что в зоне центрального треугольного ребра создается дополнительное гидравлическое сопротивление и происходит вынос капель жидкости в воздушный поток, тем самым снижая эффективность тепломассообмена.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели по наибольшему количеству общих существенных признаков и достигаемому техническому результату является устройство для нагрева воздуха низкопотенциальным теплоносителем, содержащее корпус с входными и выходными воздушными патрубками, размещенный в нем дисковый роторный теплообменник с приводом, снабженный радиальными лопатками, установленными между дисками, поддон с жидкостью и размещенный в нем трубчатый теплообменник, при этом вал ротора расположен выше уровня жидкости, а роторный теплообменник установлен с возможностью вращения по потоку воздуха [АС №1209941, 1984 г. - прототип].
Недостатком прототипа являются низкие значения коэффициента теплопередачи от теплообменника к циркулирующей жидкости, вызванные тем, что циркуляционный поток жидкости, проходящий через теплообменник, создаваемый радиальными лопатками на вращающемся роторе, имеет малые величины скорости жидкости в межтрубном пространстве теплообменника.
Так же недостатком прототипа является то, что проскок необработанного воздуха через зоны размещения радиальных лопаток снижает суммарную эффективность процесса тепломассообмена.
Технической задачей заявленной полезной модели является повышение надежности и эффективности работы устройства за счет конструктивного исполнения, направленного на интенсификацию тепломассообменных процессов при использовании теплоты низкопотенциального теплоносителя.
Техническая задача решается тем, что в устройстве для нагревания и увлажнения воздуха низкопотенциальным теплоносителем, содержащем корпус с входными и выходными воздушными патрубками, поддон с водой, трубопровод для подачи воды в поддон, трубопроводы для подачи низкопотенциального теплоносителя и его отвода, размещенный в корпусе с возможностью вращения по потоку воздуха дисковый роторный теплообменник, состоящий из закрепленных на валу с заданным зазором плоских гладких дисков с образованием между ними щелевых каналов, трубчатый теплообменник, размещенный в поддоне, электродвигатель с редуктором, источник тепла; трубчатый теплообменник выполнен спиралеобразно в виде коаксиально расположенных двух рядов трубчатых навивок с образованием внутренней полости, внутри которой по всей длине трубчатого теплообменника жестко смонтирована перфорированная труба, соединенная трубопроводом с системой подачи воды, забираемой из поддона циркуляционным насосом, а спиралеобразный трубчатый теплообменник выполнен из меди.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что для повышения тепломассообменных процессов в устройстве применяется, при использовании низкопотенциального источника теплоты, например теплоты вентиляционных выбросов, смонтированный в поддоне спиралеобразный медный трубчатый теплообменник, через который проходит низкопотенциальный теплоноситель, обеспечивая нагрев воды в поддоне, а посредством перфорированной трубы, размещенной внутри спиралеобразного трубчатого теплообменника, в которую под давлением подается вода, забираемая из поддона, создается интенсивная принудительная циркуляция воды в поддоне.
Для экспериментальной проверки указанного технического результата при осуществлении заявленной полезной модели был подготовлен опытный образец устройства и проведены испытания по тепловлажностной обработке воздуха при различных температурных режимах и расходе теплоносителя, подаваемого в трубчатый теплообменник. В качестве низкопотенциального теплоносителя использовали воду, нагреваемую в теплообменнике, размещенном в системе вентиляционных выбросов.
Согласно заявленной полезной модели роторный теплообменник был изготовлен из гладких плоских дисков из дюралюминия с диаметром равным 390 мм и закрепленных на горизонтальном валу с помощью распорных шпилек и шайб с зазором между дисками, равным 2 мм.
Спиралеобразный теплообменник, размещенный в поддоне с водой и предназначенный для ее подогрева низкопотенциальным теплоносителем, изготавливали в виде двух коаксиально расположенных рядов навивок из медных трубок с диаметром равным 11,5 мм.
Перфорированную трубу, установленную во внутренней полости спирального трубчатого теплообменника по всей его длине, изготавливали из стальной трубы диаметром 25 мм, в которой были выполнены рядами отверстия диаметром 2 мм с шагом 20 мм.
Испытания устройства осуществляли следующим образом.
3
Воздух, подлежащий нагреванию и увлажнению, поступал в устройство при температуре, равной -5…-13,5°С, расход воздуха составлял 1000 м/ч. Вращение ротора по потоку воздуха от электродвигателя через редуктор составляло 6 об/мин. Подогрев воды в поддоне осуществлялся от теплообменника, в который подавался низкопотенциальный теплоноситель с температурой ~30°С, его расход варьировался от 0,11 до 0,24 л/с. Для создания интенсивной принудительной циркуляции воды в поддоне в перфорированную трубу насосом подавалась вода, забираемая из верхней части поддона, ее расход составлял 0,53 л/с.
Для сравнения были проведены испытания с теплообменником, выполненным в виде прямых трубок, как было предусмотрено в прототипе.
Результаты испытаний приведены в таблице.
Вид теплообменника
Теплоноситель
Параметры воздуха
Количество тепла, переданное воздуху Q, кВт
Расход G, л/с
Температура, °С
Температура, °С
Влагосодержание, г/кг
на входе t<sub>вx</sub>
на выходе t<sub>вых</sub>
на входе t<sub>1</sub>
на выходе t<sub>2</sub>
на входе d<sub>1</sub>
на выходе d<sub>2</sub>
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Спиральный теплообменник с перфорированной трубой
0,14
29,8
19,9
-12,5
0
1,2
3,6
6,4
0,18
30
21,8
-12,6
0,6
1,2
3,8
6,8
0,22
30,1
22,9
-12,9
0,9
1,2
3,9
7,1
0,23
30,6
23,2
-13,5
0,7
1,1
3,8
7,2
Спиральный теплообменник, перфорированная труба отключена
0,12
32,2
22,5
-8,5
0,9
1,8
3,9
5,2
0,16
32,2
24,0
-8,7
1,7
1,7
4,1
5,8
0,2
32,2
25,5
-8,9
2,3
1,7
4,3
6,3
0,24
32,6
26,5
-9,0
2,9
1,7
4,5
6,7
Теплообменник по прототипу
0,11
30,7
17,8
-5,5
2,5
2,3
4,3
4,6
0,16
31
21,4
-5,4
3,9
2,3
4,8
5,4
0,2
31,3
23,6
-5,3
4,4
2,3
5
5,7
0,22
31,7
25,9
-5,1
4,8
2,4
5,1
5,8
По данным испытаний была построена графическая зависимость Q-G, наглядно отражающая эффективность каждого из теплообменников, а также преимущество при принудительной циркуляции воды в поддоне, составляющая соответственно около 15% к теплообменнику без принудительной циркуляции воды в поддоне и 25% к теплообменнику по прототипу.
1 - для спирального теплообменника с принудительной циркуляцией через перфорированную трубу;
2 - для спирального теплообменника при выключенной циркуляции через перфорированную трубу;
3 - для теплообменника по прототипу.
Таким образом, предлагаемое устройство, в сравнении с устройством по прототипу, обеспечивает повышение эффективности тепломассообменных процессов, что и является новым техническим результатом заявляемой полезной модели.
Полезная модель поясняется графическим материалом:
- на фиг.1 схематично показано устройство для нагревания и увлажнения воздуха низко потенциальным теплоносителем;
- на фиг.2 - поперечный разрез устройства.
Устройство для нагревания и увлажнения воздуха низкопотенциальным теплоносителем содержит корпус 1 с входными и выходными воздушными патрубками 2 и 3 и поддон 4, заполненный водой, имеющий трубопроводы 5 и 6 для подачи низкопотенциального теплоносителя и его отвода. Внутри корпуса 1 смонтирован с возможностью вращения роторный теплообменник 7, состоящий из закрепленных на горизонтальном валу с помощью распорных шпилек и шайб плоских параллельно установленных с заданным зазором дисков 8 для предотвращения их слипания и с образованием между ними щелевых каналов. Диски выполнены гладкими из хорошо смачиваемого материала, например дюралюминия. Ротор установлен с возможностью вращения по потоку воздуха, при этом вал ротора расположен выше уровня жидкости, а вращение осуществляется от электродвигателя 9 через редуктор 10.
В поддоне 4, параллельно оси ротора жестко смонтирован спиралеобразный медный трубчатый теплообменник 11, выполненный в виде коаксиально расположенных двух трубчатых навивок с образованием внутренней полости, подсоединенных к низкопотенциальному источнику тепла и предназначенный для подогрева воды в поддоне.
Внутри трубчатого теплообменника 11, по всей длине жестко смонтирована перфорированная труба 12, соединенная трубопроводом с системой подачи воды 13, забираемой из поддона 4 с помощью циркуляционного насоса 14, а трубопроводом 15 осуществляется подпитка воды в поддоне.
Устройство работает следующим образом.
Нагреваемый воздух поступает через входной патрубок 2 в корпус 1 устройства в радиальном направлении к вращающимся дискам 8 роторного теплообменника 7, свободно проходя в щелевых каналах, образованных дисками, к выходному патрубку 3. При вращении дисков 8 их нижняя часть находится в поддоне 4 с нагретой водой, которая в виде пленки размывается по всей поверхности дисков, и с этой пленки нагретой воды происходит тепломассопередача в обрабатываемый воздух, обеспечивая тем самым его нагревание и увлажнение. Для лучшего смачивания поверхность дисков должна быть тщательно обезжирена.
Для подогрева воды в поддоне 4 используется низкопотенциальный теплоноситель, который поступает в медный спиралеобразный трубчатый теплообменник 11 через трубопровод 5, а отводится через трубопровод 6. Для интенсификации циркуляции воды в поддоне посредством трубопровода 13 в перфорированную трубу 12 под давлением циркуляционным насосом 14 подается вода из верхней части поддона.
В качестве низкопотенциального теплоносителя использована вода, нагреваемая в теплообменнике, размещенном в вентиляционном выбросе.
Таким образом, применение предлагаемой полезной модели позволяет повысить эксплуатационные характеристики устройства, а использование теплоты низкопотенциального теплоносителя для нагрева воды в поддоне позволяет сократить потребление высокопотенциальной теплоты из тепловых сетей или электронагревательных устройств, тем самым сокращаются затраты на приобретение энергоемкого оборудования, кроме того, утилизация теплоты вентиляционных выбросов способствует улучшению экологической обстановки, снижая негативное воздействие высокотемпературных выбросов в окружающую среду, тепло которых участвует в «парниковом эффекте».
В качестве низкопотенциального теплоносителя может использоваться также вода после охлаждения технологического оборудования, обратная сетевая вода из теплосети, из тепловых насосов и других источников.