ТЕПЛОУТИЛИЗАТОР
HEAT REGENERATOR

Изобретение относится к теплообменным устройствам для газовых сред и может быть использовано, в частности, для рекуперации тепла вытяжного воздуха в приточно-вытяжных вентиляционных системах.
Известны пластинчатые теплоутилизаторы рекуперативного типа, в которых горячий и холодный теплоносители перемещаются в смежных каналах по взаимно перпендикулярным направлениям [1, 2]. При этом коэффициент рекуперации тепла мал. Из-за низких значений разности температур теплоносителей площадь поверхности теплопередачи велика и теплоутилизатор оказывается конструктивно сложным и громоздким.
Большую эффективность и меньшие размеры имеют теплоутилизаторы с противоточным движением обменивающихся теплотой сред [3].
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является теплоутилизатор, содержащий вертикальные пластины из теплопроводного материала, образующие чередующиеся каналы для горячего и холодного теплоносителей, горизонтальные дно и крышку, входные и выходные патрубки [4] - прототип.
Известное устройство работает по принципу противотока и имеет повышенный КПД. Недостатками утройства являются его конструктивная сложность и трудоемкости изготовления и ремонта. Наличие переходов с резким изменением площади поперечного сечения каналов по пути движения горячего и холодного теплоносителей обусловливает повышенные гидравлические сопротивления и затраты энергии на перемещение теплоносителей. При использовании теплоутилизатора в вентиляционных системах в зимнее время не удается эффективно бороться с льдообразованием в каналах вытяжного воздуха, так как нет возможности регулирования числа одновременно перекрываемых заслонкой каналов приточного воздуха. Недостатком является и то, что при жестком соединении между собой элементов теплоутилизатора и его значительных габаритах и протяженности, в рабочих условиях, из-за разности температур элементов в последних возникают внутренние напряжения, которые могут привести к деформациям и механическим разрушениям.
Задача настоящего изобретения - упрощение конструкции, снижение трудоемкости изготовления и ремонта, а также улучшение эксплуатационных показателей.
Поставленная задача решается тем, что теплоутилизатор, содержащий вертикальные пластины из теплопроводного материала, образующие чередующиеся каналы для горячего и холодного теплоносителей, горизонтальные дно и крышку, входные и выходные патрубки, дополнительно снабжен рамным каркасом, нижние и боковые связи которого жестко соединены между собой, а верхние поперечные связи имеют разъемное болтовое соединение с боковыми связями, причем боковые связи одного ряда снабжены упорными болтами и прижимными планками, к боковым связям другого ряда примыкают планки-подушки, на поверхности дна и непосредственно под крышкой размещены прокладки из эластичного материала, выходные патрубки размещены на крышке в непосредственной близости к входным патрубкам, во входных и выходных патрубках установлены обтекатели, замыкающие соответствующие каналы и имеющие разъемные соединения с кромками пластин, во входном патрубке холодного теплоносителя установлены секционированные жалюзи, каждая секция которых имеет самостоятельный привод фиксирования положения «открыто-закрыто», внутренние пластины, через одну, снабжены дистанционирующими проставками, в дне, на стороне выхода горячего теплоносителя, выполнены отверстия, полости которых соединены с дренажным коллектором.
В отличие от известного устройства наличие рамного каркаса с верхними съемными связями дает возможность выполнить теплоутилизатор из набора одинаковых вертикальных пластин, не соединенных жестко между собой. Это значительно упрощает конструкцию и обеспечивает свободное термическое расширение и сжатие элементов без возникновения опасных механических напряжений. Каналы для прохода горячего и холодного теплоносителей формируются путем сжатия между планками-подушками и прижимными планками набора пластин, снабженных дистанционирующими проставками. Наличие прокладок из эластичного материала между крышкой и верхними кромками пластин и между дном и нижними кромками пластин обеспечивает газоплотность каналов. Размещение в выходных и входных патрубках однотипных съемных обтекателей, замыкающих соответствующие каналы, позволяет уменьшить гидравлическое сопротивление по трактам теплоносителей. Установка во входном патрубке холодного теплоносителя секционированных жалюзи с самостоятельным для каждой секции приводом фиксирования положения «открыто-закрыто» дает возможность эффективно управлять процессом оттаивания льда, откладывающегося на стенках каналов горячего теплоносителя, путем закрытия прохода холодного теплоносителя в необходимое количество предназначенных для него каналов на время оттаивания. Наличие отверстий в дне на стороне выхода горячего теплоносителя, полости которых соединены с дренажным коллектором, обеспечивает отвод конденсата, образующегося при охлаждении горячего теплоносителя, из предназначенных для него каналов. Отсутствие неразъемных соединений основных конструктивных элементов и размещение выходных патрубков на крышке в непосредственной близости к входным патрубкам значительно облегчают изготовление и ремонт устройства. Таким образом, отличительные признаки изобретения позволяют решить поставленную задачу.
Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с прототипом показывает, что заявляемое устройство соответствует критерию изобретения «новизна».
В известных теплоутилизаторах [1, 2] горячий и холодный теплоносители перемещаются по схеме перекрестного тока, имеющей худшие эксплуатационные показатели по отношению к схеме противотока, реализованной в предлагаемом устройстве. Известные теплоутилизаторы более конструктивно сложны, имеют большое число неразъемных соединений основных элементов.
Все это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию изобретения «существенные отличия».
На фиг.1 показан вид сверху на теплоутилизатор со снятыми крышкой и верхней прокладкой; на фиг.2 - вид сбоку на теплоутилизатор; на фиг.3 - поперечный разрез А-А на фиг.2; на фиг.4 - поперечный разрез Б-Б на фиг.2; на фиг.5 - обтекатель; на фиг.6 - выносной элемент I на фиг.1.
Теплоутилизатор содержит одинаковые пластины 1 из теплопроводного материала, дно 2, крышку 3, входные патрубки 4 и 5 и размещенные на крышке 3 выходные патрубки 6 и 7 соответственно для горячего (В) и холодного (П) теплоносителей. Патрубки 6 и 7 размещены на крышке 2 с некоторым относительным поперечным смещением. Между крышкой 3 и кромками пластин 1 расположена верхняя уплотняющая прокладка 8, выполненная из листового эластичного материала и имеющая окно под выпускными патрубками 6 и 7. Между дном 2 и нижними кромками пластин 1 расположена нижняя уплотняющая прокладка 9. Каркас теплоутилизатора состоит из нижних связей 10, жестко с ними соединенных боковых связей 11 и из верхних связей 12, которые посредством болтов 13 соединены с боковыми связями 11. К боковым связям 11, расположенным в ряд с одной стороны теплоутилизатора, примыкают планки-подушки 14. Боковые связи 11 в ряду с другой стороны теплоутилизатора снабжены упорными болтами 15 и прижимными планками 16. Во входных патрубках 4 и 5 и в выходных патрубках 6 и 7 установлены однотипные обтекатели 17 так, что в их разъемы входят кромки пластин 1. Обтекатели 17 в местах их установки замыкают каналы 18 и 19 для горячего (В) и холодного (П) теплоносителей, образованные пластинами 1. Ширина каналов 18 и 19 определяется продольными размерами ступенчатых стержней 20 и надетых на тонкую часть стержней 20 втулок 21. Стержни 20 и втулки 21 в совокупности являются дистанционирующими проставками, распределенными по площади внутренних пластин 1. Во входном патрубке 5 холодного теплоносителя (П) установлены секционированные жалюзи 22. Каждая секция жалюзи 22 имеет самостоятельный привод 23 фиксирования положения «открыто-закрыто». В прокладке 9 и дне 1, на стороне выхода горячего теплоносителя (В) из каналов 18, выполнены отверстия 24, которые соединены трубками 25 с дренажным коллектором 26.
Теплоутилизатор состоит из однотипных основных элементов, легко собирается и разбирается. Газоплотность трактов горячего (В) и холодного (П) теплоносителей достигается путем обжатия набора вертикальных пластин 1 между дном 2 и крышкой 3 с помощью болтов 13 и наличием прокладок 8 и 9, а в поперечном направлении - с помощью упорных болтов 15 и прижимных планок 16. Обтекатели 17 прижимаются в своих разъемах к кромкам пластин 1 и фиксируются по месту краями внешних газоходов, присоединяемых к патрубкам 4, 5 и 6, 7. Присоединяемые внешние газоходы выполняются на 1÷2 см меньшей ширины, чем длина обтекателей 17 и, соответственно, ширина патрубков 4, 5 и 6, 7. Это дает возможность без использования дополнительных конструктивных элементов закреплять по месту установки обтекатели 17, оконечности которых совмещены с фланцевыми плоскостями патрубков 4, 5 и 6, 7.
Теплоутилизатор работает следующим образом. Горячий теплоноситель (В) (в вентиляционных системах - это вытяжной воздух) поступает из внешнего газохода в входной патрубок 4, где, проходя между обтекателями 17, распределяется по каналам 18. Отдав тепло в процессе теплообмена с поверхностью пластин 1, теплоноситель (В) выводится через выходной патрубок 6, проходя между установленными в патрубке 6 обтекателями 17. Холодный теплоноситель (П) (в вентиляционных системах - это приточный воздух) поступает в входной патрубок 5, где проходит между обтекателями 17, распределяется по каналам 19 и в них перемещается во встречном направлении по отношению к потоку горячего теплоносителя (В). В процессе теплообмена с поверхностью пластин 1 холодный теплоноситель (П) нагревается и выводится через выходной патрубок 7, проходя между установленными в патрубке 7 обтекателями 17.
В зимнее время, при отрицательных температурах приточного воздуха, водяные пары, содержащиеся в вытяжном воздухе, в процессе охлаждения могут конденсироваться. Образующийся конденсат самотеком выводится из каналов 18 через отверстия 24 и трубки 25 в дренажный коллектор 26.
При дальнейшем охлаждении конденсата и льдообразовании на стенках каналов 18 бороться с этим явлением можно путем закрытия одной или нескольких секций жалюзи 22 и прекращения подачи приточного воздуха в соответствующие каналы 19 на время, необходимое для размораживания каналов 18.
Предлагаемое устройство имеет следующие преимущества:
- конструкция проста, с высокой степенью унификации;
- отсутствие жестких связей между основными элементами обеспечивает возможность их свободного термического расширения и сжатия;
- противоточное движение теплоносителей способствует достижению высокой тепловой эффективности;
- наличие обтекателей и отсутствие резких изменений площади проходных сечений по трактам теплоносителей позволяет уменьшить гидравлические сопротивления;
- секционированное жалюзи в входном патрубке приточного воздуха, с независимым приводом каждой секции, дает возможность эффективно управлять процессом оттаивания льда в каналах вытяжного воздуха;
- пониженная трудоемкость изготовления и высокая ремонтопригодность.
Источники информации
1. Варфоломеев Ю.М., Кокорин О.Я. Отопительные и тепловые сети. - М.: ИНФРА-М, 2005. С.364-365.
2. Данилов О.Л., Мунц В.А. Использование вторичных энергетических ресурсов. - Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2008. С.98-100.
3. Авторское свидетельство СССР №907354, кл. F24F 7/06, опубл. 23.02.82, бюл. №7.
4. Хараз Д.И., Псахис Б.И. Пути использования вторичных энергоресурсов в химических производствах. - М.: Химия, 1984. С.94, рис.4.25.