ТЕПЛООБМЕННИК И СПОСОБ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
HEAT EXCHANGER AND METHOD OF ITS APPLICATION

Изобретение относится к теплообменнику.
Подобный теплообменник описан в патентах JP 61-153388А (Kokai) и ЕР 0735328 А.
В теплообменниках, известных из этих публикаций, газ протекает через отверстия сетчатого каркаса, образованного из капилляров и проволок. При этом газ, протекающий через теплообменник, преодолевает значительное гидравлическое сопротивление. Для преодоления такого гидравлического сопротивления необходимо использование вентилятора, направляющего поток газа через теплообменник. Затраты электрической энергии, необходимой для этой цели, снижают характеристику теплообменника.
Кроме того, в сетчатых каркасах известных теплообменников невозможно предотвратить накапливание осажденной пыли, происходящее за очень короткий период времени. В связи с этим проектная характеристика теплообменника может быть временно восстановлена только за счет проведения мероприятий по техническому обслуживанию или обратной продувки газа и, таким образом, очистки сетчатого каркаса.
Задача настоящего изобретения заключается в значительном улучшении характеристики теплообменника указанного типа и создании теплообменника, по существу, не требующего технического обслуживания.
Для решения поставленной задачи предложен теплообменник вышеуказанного типа, в котором для осуществления теплообмена между текучей средой, представляющей собой жидкость, такую как вода или смесь пара с жидкостью, и газом, таким как воздух, содержащий кожух с входным и выходным отверстиями для газа, вход и выход для текучей среды, по меньшей мере, один по существу плоский сетчатый каркас, который содержит несколько капилляров из теплопроводного материала, например из покрытой оловом меди, расположенных параллельно и эквидистантно относительно друг друга, и несколько проволок из теплопроводного материала, например из покрытой оловом меди, которые соединены с капиллярами с возможностью передачи тепла посредством теплопроводности t, предпочтительно с реализацией металлического контакта, и проходят эквидистантно относительно друг друга в поперечном направлении относительно капилляров, причем расстояние между проволоками имеет порядок величины диаметра проволок, при этом под действием устройства, приводящего газ в движение, газ может протекать вдоль проволок для осуществления теплопередачи между этим газом и текучей средой, протекающей по капиллярам, через стенку капилляров и посредством проволок, отличающийся тем, что теплообменник выполнен так, что газ протекает вдоль каждого из указанных сетчатых каркасов в продольном направлении относительно проволок, при этом предотвращено протекание, по меньшей мере, существенной части газа сквозь сетчатые каркасы.
Возможное практическое выполнение теплообменника, который содержит входной и выходной коллекторы, между которыми проходят капилляры таким образом, что через капилляры и указанные коллекторы может протекать текучая среда.
Проволоки могут контактировать с примыкающими к ним капиллярами попеременно с одной и с другой сторон капилляров, при этом соседние проволоки или группы проволок контактируют с другими сторонами капилляров по отношению к близлежащим проволокам или группам проволок, так что в результате эти проволоки или группы проволок взаимно переплетены.
Две группы проволок могут проходить в двух основных плоскостях во взаимно параллельном направлении, при этом проволоки каждой группы контактируют с одной и той же стороной капилляров. Проволоки присоединяют к капиллярам не путем переплетения, а прикрепляют их параллельно друг другу с обеих сторон капилляров. По сравнению с конструкцией, соответствующей пункту 3, конструкция, согласно пункту 4, обладает значительным преимуществом, состоящим в том, что расстояние между центральными осями капилляров может быть значительно уменьшено, что улучшает теплопередачу. Например, теплообменник по пункту 3 может соответствовать подробному описанию, изложенному в пункте 13, а теплообменник по пункту 4 может быть выполнен согласно подробному описанию, изложенному в пункте 14.
Входной коллектор имеет, по меньшей мере, один разрыв или пробку, и выходной коллектор имеет, по меньшей мере, один разрыв или пробку, размещенную со смещением, относительным разрыва или пробки во входном коллекторе, так что текучая среда, поступающая через вход входного коллектора, направляется последовательно через первый входной коллектор, группу присоединенных к нему капилляров, первый промежуточный коллектор, вторую группу капилляров и так далее и, наконец, через выходной коллектор, и, перемещаясь в результате по зигзагообразной траектории, текучая среда протекает в одном направлении в одной группе капилляров и в противоположном направлении в следующей группе капилляров. Входной коллектор может также образовывать часть выходного коллектора для предшествующей группы капилляров, в то же время выходной коллектор может образовывать часть входного коллектора последующей группы капилляров. Очевидно, что расположенные на одной линии соответствующие коллекторы должны быть теплоизолированы друг от друга, поскольку в процессе работы между ними все-таки существует разность температур. Капилляры сформированы из одной капиллярной трубки зигзагообразной формы, при этом каждый конец каждого капилляра соединен посредством криволинейного участка U-образной формы с концом ближайшего капилляра, а концевые участки капиллярной трубки присоединены к соответствующим трубам коллекторов.
Капилляры могут быть сформированы из одной капиллярной трубки зигзагообразной формы, при этом каждый конец каждого капилляра соединен посредством криволинейного участка U-образной формы с концом ближайшего капилляра, а концевые участки капиллярной трубки присоединены к соответствующим трубам коллекторов. Капилляры соединены друг с другом последовательно, при этом входной и выходной коллекторы вообще не используются, а текучая среда в соседних капиллярах протекает во взаимно противоположных направлениях. Такое выполнение обуславливает большее гидравлическое сопротивление для текучей среды, чем, например, выполнение согласно пункту 5 формулы, но оно имеет преимущество в том, что для его реализации достаточно использование весьма небольшого объема текучей среды. В частности, в том случае когда эта текучая среда является вредным и опасным веществом, таким, например, как фреон, используемый в системах кондиционирования воздуха, пропан и тому подобное, количество текучей среды в теплообменнике, даже если он содержит большое количество сетчатых каркасов, может быть пренебрежимо малым, и это количество составляет, например, лишь несколько десятков миллилитров. При использовании коллекторов количество текучей среды внутри теплообменника в значительной степени увеличивается и составляет, например, литры. Потенциально возможно, что такой теплообменник не удовлетворяет установленным нормативным требованиям и, следовательно, неприемлем для выбранного применения.
Криволинейные участки U-образной формы с обеих сторон сетчатого каркаса выровнены и механически соединены друг с другом с помощью усиливающего профиля, материал которого имеет низкую теплопроводность. В некоторых условиях необходимо механическое усиление конструкции, поскольку зигзагообразная капиллярная трубка имеет весьма ограниченную механическую жесткость.
Каждый коллектор представляет собой трубу с перфорационными отверстиями, в которые герметично вставлены концы капилляров. В соответствующей коллекторной трубе перфорационные отверстия могут быть выполнены любым подходящим образом. Можно применять, например, сверление, пробивку с помощью перфоратора или тому подобного средства или сверление струей. Вместо перфорационных отверстий в трубе стенку воздушного канала можно снабдить щелевидными несквозными прорезями, полученными, например, посредством вакуумформования или литья под давлением, в которых закрепляют U-образные колена так, что сетчатые каркасы теплообменника становятся жесткими и при этом между ними имеются одинаковые промежутки.
Трубы могут быть выполнены из металла, например из покрытой оловом меди, а капилляры соединены с каждой трубой посредством пайки мягким припоем при температуре, приблизительно равной 300°С или посредством пайки твердым припоем при температуре 500°С-800°С. Пайка твердым припоем может осуществляться за счет локального нагрева до температуры порядка от 500 до 800°С.Тем самым, весьма простым и известным путем получают очень прочное соединение, способное выдерживать высокие давления порядка 15-20 бар, которые имеют место в охладителях компрессора и в системах кондиционирования воздуха. То же самое преимущество получают при осуществлении изобретения согласно пункту 6, которое, благодаря его свойствам, может очень легко выдерживать указанные высокие давления.
Каждый капилляр может быть выполнен из покрытой оловом меди, при этом концы каждого капилляра перед пайкой твердым припоем очищены от олова, например, с помощью анодирования в водном растворе NaOH или HCl. Могут быть приняты во внимание также и другие возможные способы обработки перед покрытием оловом. Однако анодирование может быть осуществлено просто, быстро и надежно.
Каждый коллектор может представлять собой трубу из термопластичного материала, например из полипропилена, полиэтилена, АБС-сополимера или этиленпропилендиена, а капилляры по существу герметично соединены с трубой путем выполнения в трубе с одной ее стороны прорези в продольном направлении, размещения в ней концов капилляров и расплавления в этих местах материала трубы посредством локального нагрева.
Каждый из капилляров может иметь внешний диаметр приблизительно 1,8 мм ±30%, а толщина стенки капилляра составляет приблизительно 0,4 мм ±40%.
Расстояние между центральными осями капилляров может составлять приблизительно 10 мм ±40%.
Расстояние между центральными осями капилляров может находиться в интервале приблизительно от 4 мм до 16 мм.
Диаметр проволок может составлять 0,12 мм ±50%. В частности, рассматриваются покрытые оловом медные проволоки. Медь является металлом с высоким коэффициентом теплопроводности. В этом отношении лучше использовать серебряные проволоки, но серебро имеет недостаток, который заключается в значительно большей стоимости этого металла. Походящим материалом для проволок может быть также алюминий. Однако несмотря на большую величину коэффициента теплопроводности алюминия, он все-таки меньше коэффициента теплопроводности меди. Кроме того, алюминиевые проволоки трудно надежно соединять с осуществлением металлического контакта с капиллярами так, чтобы обеспечивалась передача теплоты посредством теплопроводности. В случае меди, покрытой оловом, такое соединение может быть легко реализовано с помощью пайки. В процессе изготовления сетчатый каркас, состоящий из капилляров и проволок, изготовленных из луженой меди, может быть нагрет выше температуры плавления олова. В результате с помощью пайки в зонах контакта происходит адгезия.
Основное направление потока текучей среды противоположно направлению потока газа. Теплообменник может функционировать в режиме противотока. Как известно, противоток обеспечивает наибольшую эффективность теплообмена, в частности большую, чем в случае перекрестного тока, описанного, например, в более ранних публикациях, на которые сделаны ссылки в начале данного описания. В отношении пункта 16 необходимо, конечно, принимать во внимание, что в теплообменнике реализуется не противоток в буквальном смысле этого слова, а "эффективный" противоток, при котором в действительности капилляры расположены в поперечном направлении относительно направления течения газа, но при этом разность температур между соседними капиллярами соответствует противоточному течению.
Теплообменник может содержать несколько плоских сетчатых каркасов, удерживаемых с помощью дистанционирующих элементов параллельно и эквидистантно по отношению друг к другу. Очевидно, что вход каждого из сетчатых каркасов должен быть соединен с выходом других сетчатых каркасов, например, с помощью общего основного питающего входного коллектора. Выходы сетчатых каркасов должны быть соединены друг с другом посредством основного выходного коллектора.
Дистанционирующими элементами могут являться являются прилегающие друг к другу входные и выходные коллекторы. Согласно пункту 18 дистанционирующими элементами могут служить коллекторы. Между этими коллекторами существуют локальные разности температур, поэтому они должны быть теплоизолированы друг от друга. Однако сетчатые каркасы и связанные с ними коллекторы предпочтительно выполнены одинаковыми и соединены друг с другом во всех отношениях параллельно. Поэтому можно не опасаться непреднамеренного теплообмена и, следовательно, тепловая изоляция между коллекторами не является необходимой. Дистанцирующие элементы могут удерживаться в контакте друг с другом известным образом. При этом сетчатые каркасы могут быть, например, сформированы в стопку, а дистанцирующие элементы прижаты друг к другу с помощью средств зажима.
Дистанционирующими элементами могут являться прилегающие друг к другу усиливающие профили. Теплообменник не имеет коллекторов, но с каждой стороны сетчатый каркас снабжен усиливающими жесткость профилями. Кроме того, эти профили могут служить в качестве дистанционирующих элементов. Стенка воздушного канала также может иметь также геометрические размеры, при которых щелевидные прорези удерживают U-образные колена капилляров в их заданном положении.
Теплообменник может иметь вентилятор для приведения газа в движение.
2
Кожух выполнен и расположен так, что он выполняет функцию вытяжной трубы, в которой газ движется за счет естественной конвекции. Для улучшения роста растений в теплицу часто добавляют выхлопные газы, содержащие CO, отводимые из установки для комбинированной выработки электрической и тепловой энергии. Импульсы потока этих газов могут быть использованы для поддержания естественной тяги в теплообменнике.
Известные промышленные теплицы охлаждают в солнечные часы суток за счет открытия окон на крыше теплиц. Это является эффективным приемом не только для замещения горячего внутреннего воздуха более холодным внешним воздухом, но, кроме того, для обеспечения возможности необходимого для растительной культуры испарения воды, происходящего за счет замещения влажного внутреннего воздуха более сухим внешним воздухом. Однако открытие окон теплицы на практике связано с опасностью внесения инфекции вместе с летающими насекомыми и приводит к потере практически всей оросительной воды, которая необходима растениям.
Окна можно держать закрытыми, а теплицу охлаждать водой, например, грунтовой водой. Эта грунтовая вода в теплице нагревается, и ее вновь необходимо охлаждать, например, ночью или в зимний период, в связи с чем имеется возможность запасать теплоту, отведенную из теплицы в тот период, когда необходимо охлаждение. Для реализации такого рабочего процесса обычно используется тепловой насос, такой как используют в системах кондиционирования воздуха, которые в соответствии с известным уровнем техники снабжены типовыми теплообменниками в виде пучков труб с пластинчатыми ребрами, при этом по трубам теплообменника протекает текучая среда, а снаружи трубы обтекает поток воздуха. Тепловой насос может повторно охлаждать нагретые грунтовые воды и использует отведенную теплоту для нагрева теплицы ночью и в зимнее время. Это позволяет экономить топливо в том случае, если в эти периоды теплица нагревается за счет сжигания топлива. Следует отметить, что сбережения топлива являются небольшими, а капиталовложения высокими, в связи с чем при отсутствии дополнительных преимуществ или государственных субсидий, направляемых на экономию энергии, описанный рабочий процесс является не приемлемым с экономической точки зрения.
В патентном документе NL 9301439-А описан теплообменник с тонкими проволоками. Такие теплообменники экономно могут передавать теплоту от воды к воздуху или от воздуха к воде, когда разность температуры между ними составляет только 3-5°С. Важно отметить, что для такого функционирования теплообменники используют количество электрической энергии, эквивалентное лишь нескольким процентам от передаваемой теплоты. Это означает, что тепловой насос или охлаждающее устройство больше не является необходимым, и сбережение энергии значительно повышается. В результате может быть сэкономлено значительное количество топлива, обычно используемого для нагревания. Во время публикации цитируемого документа это считалось прорывом в технологии воздействия на климат.
В патентном документе NL 1012114 С описан теплообменник, выполненный с использованием тонких проволок и снабженный вентилятором радиального типа. Вентилятор огражден панелями или сетчатыми каркасами, образованными из сетчатой структуры, состоящей из тонких медных проволок, служащих основой, и медных капилляров, используемых в качестве утка. В этой структуре каждая проволока припаяна к каждому капилляру панели или сетчатого каркаса. Кроме того, все капилляры присоединены к входному водяному коллектору и выходному водяному коллектору, которые имеют форму тороидальных труб, расположенных вокруг вентилятора. В соответствии с вышеуказанным известным аналогом воздух продувается между панелями или сетчатыми каркасами. Это, по меньшей мере, частично соответствует описанному выше принципу поперечного обтекания.
Для охлаждения теплиц такие теплообменники могут быть установлены ниже уровня растений так, что они не препятствуют падению на растения солнечного света. Охлажденный воздух из теплообменника необходимо продувать вверх для того, чтобы не менять направление движения горячего воздуха на противоположное, который стремиться подниматься в теплице поверх холодного воздуха. Однако такие теплообменники имеют ряд недостатков. В частности, для нескольких таких теплообменников, если они используются соединенными друг с другом, затруднено регулирование температуры выхода воды. Кроме того, трудно регулировать температуру выхода воды из различных капилляров в одном теплообменнике. В месте с тем, необходимо точно регулировать разность температуры воды для накапливания теплоты, отводимой из теплицы. Таким образом, в соответствии с описанным уровнем техники для каждого из теплообменников необходим свой собственный электронный блок, который регулирует скорость вращения вентилятора так, что всегда можно обеспечить оптимальную величину разности температуры между входом и выходом воды. При кольцеобразной конфигурации описанного выше известного теплообменника внутренним капиллярам передается больший тепловой поток от обтекающего потока воздуха, чем капиллярам, расположенным ближе к внешней поверхности теплообменника, так что даже в одном теплообменнике возникает проблема потоков воды с различной температурой, которые смешиваются друг с другом.
Для рассмотренного выше известного теплообменника необходим кожух спиральной формы, который изменяет радиальное или тангенциальное направление выходящего воздушного потока таким образом, чтобы перемещение воздуха в теплице можно было контролировать. Теплообменник, в соответствии с настоящим изобретением, нуждается лишь в обычном кожухе, в котором, например, на входной стороне размещен вентилятор, создающий и направляющий воздушный поток через теплообменник. В отличие от круговых кольцевых теплообменников со спиральным кожухом теплообменники согласно изобретению, могут быть выполнены узкими и размещены в протяженный ряд между стойками, поддерживающими крышу теплицы. При таком размещении они не занимают пространство, которое может быть использовано для разведения растений.
Теплица содержит поверхность земли, образующие лиственный полог растения, поддерживаемые поверхностью земли или посредством опорных средств, таких как горшки, несущие полки и культивационные желоба, и средства нагрева и охлаждения с, по меньшей мере, одним теплообменником по любому из вышеописанных вариантов выполнения теплообменника, при этом одно из входного или выходного отверстий для газа расположено над уровнем лиственного полога, а другое из указанных отверстий расположено ниже уровня лиственного полога или же оба отверстия расположены в пределах лиственного полога.
Теплица может содержать тепловой аккумулятор для временного накапливания избыточной теплоты.
В теплице тепловой аккумулятор может быть выполнен многослойным.
В теплице средства нагрева и охлаждения могут быть приспособлены для присоединения к водоносному пласту, т.е. к проницаемому пласту, содержащему воду. В летний период для охлаждения воздуха в теплице может быть использована вода из водоносного пласта, и нагретая в теплице вода в течение какого-то времени может вновь накапливаться в водоносном пласте. В зимний период аккумулированная теплота вновь извлекается из водоносного пласта и используется для нагревания воздуха в теплице.
Установка для очистки воздуха содержит средства нагрева и охлаждения с, по меньшей мере, одним теплообменником по любому из описанных выше вариантов выполнения.
Система центрального отопления содержит несколько установленных у потребителей теплообменников по любому из описанных выше вариантов выполнения.
Система с тепловым насосом, содержащая теплообменник по любому из описанных выше вариантов выполнения.
Ниже изложено описание изобретения с указанием некоторых конкретных особенностей возможных применений теплообменника, соответствующего изобретению, и способа, которым он может быть изготовлен.
Известно, что для растений, которые содержатся в теплице, весьма благоприятно закрытие теплицы и сохранение ее закрытой, что позволяет предотвратить потери вследствие охлаждения и потери подаваемой двуокиси углерода. Кроме того, можно производить опрыскивание растений с использованием пестицидов, можно повторно использовать орошающую воду, с помощью воздуха можно производить опыление растений и можно сохранять влажность на желательном высоком уровне. Все эти аспекты обеспечивают более низкую стоимость производства продуктов, получаемых в теплице, и увеличение выхода продуктов.
2
2
Исследования, проведенные в последние годы, показали, что оптимальным выбором параметров для улучшенной современной теплицы являются относительная влажность 90%, концентрация СО, равная 1000 промиль, закрытая крыша и установка с охлаждающей способностью 600 Вт/м.
2
Летом от циркулирующего в теплице воздуха грунтовой воде может быть передано значительно большее количество теплоты (так, как это предусмотрено в соответствии с пунктом 25), чем необходимо для нагревания теплицы во время холодных ночей и в зимний сезон. Максимальная температура воздуха в теплице составляет около 30°С, в то же время минимальная температура составляет около 19°С. Задача, таким образом, заключается в охлаждении, сохранении теплоты и нагревании без использования теплового насоса. Однако с помощью известных теплообменников с оребренными трубами это не может быть реализовано, как это стало ясно в процессе испытаний, проведенных в Голландии (конкретно в Themato, Naaldwijk) в 2003-2004 годах. Вышеуказанная задача, однако, может быть решена с помощью теплообменников, выполненных с проволоками, что было продемонстрировано путем всесторонних исследований, проведенных в Huissen (Голландия) в 2005-2006 годах. Капиталовложения в закрытую теплицу определяются максимальной энергией солнечного излучения, приходящейся на единицу площади в единицу времени в летний период, т.е. приблизительно составляющей 600-700 Вт/м, и эта энергия должна быть отведена путем охлаждения с помощью воды, которая только на 10°С холоднее воздуха. Для этого требуется использование нетривиального конструктивного решения на основе теплообменника, соответствующего настоящему изобретению.
Ниже будут приведены краткие сведения, касающиеся процессов теплообмена и отвода конденсата в теплице.
1/3
2
2
Критерий Стантона представляет собой частное от деления коэффициента теплоотдачи на произведение теплоемкости, плотности и скорости воздуха. В обычных теплообменниках с оребренной поверхностью теплообмена критерий Стантона имеет величину, приблизительно равную 0,002, значительно меньшую, чем коэффициент трения f Феннинга, минимальная величина которого равна 0,02. Длительное время считалось, что отношение (St/Pr) (так называемое отношение Чилтона-Колбурна) никогда не может превышать величину, равную f/2, что объясняется гомологией дифференциального уравнения, которое определяет гидравлическое сопротивление (основанное на переносе количества движения) и теплоотдачу к плоской поверхности. Если теплообменник выполнен с плоскими сетчатыми каркасами с использованием тонких проволок и обеспечена высокая степень точности их эквидистантности, можно получить St≥f и возможно даже, что St=2f. Помимо того, установлено, что критерий St для теплообменника с тонкими проволоками - величина постоянная, даже при интенсивной конденсации водяного пара на проволоках. Это является существенным отличием от теплообменника с ребристой поверхностью теплообмена, который при данных условиях, как и следовало ожидать, покрыт пленкой конденсата, создающей сопротивление для теплового потока. Для надлежащего функционирования теплообменника эту пленку необходимо сдувать с регулярными временными интервалами. Вокруг тонкой проволоки пленка конденсата формироваться не может. Вместо нее образуется ряд очень небольших капель, напоминающих росу на нитях сети паука. Когда расстояние между проволоками имеет точную заданную величину, эти капли конденсата перемещаются к капиллярам, к которым присоединены эти проволоки, и попадают в систему отвода конденсата. Этот очень удивительный и неожиданный результат, который был выявлен на практике в теплице и подтвержден результатами измерений, предполагает, что коэффициент теплоотдачи достигает величины, равной 500 Вт/(м·К), которую следует сопоставить с соответствующей величиной, составляющей лишь 25 Вт/(м·К), полученной в трубчатом теплообменнике с оребренной поверхностью теплообмена. Далее будет кратко рассмотрена теплопередача от воды к меди. Исходя из соображений экономичности и практичности, капилляры, к которым прикреплены тонкие проволоки, имеют внешний диаметр порядка 2 мм и внутренний диаметр 1 мм (см. пункт 12 формулы). В нагретой и влажной теплице с экономичной скоростью движения воздуха в теплообменнике, составляющей несколько метров в секунду, для теплообмена между охлаждающей водой и внутренней стенкой этих капилляров, так же как и для передачи теплоты посредством теплопроводности вдоль тонких проволок, необходимо расстояние между продольными осями капилляров порядка лишь 4-6 мм. Это делает переплетение проволок непривлекательным, поскольку между каждыми из ряда соседних капилляров будет иметь место пересечение переплетаемых проволок. В этом положении проволоки расположены очень близко друг к другу, что приводит к низкой эффективности передачи теплоты к потоку обтекающего воздуха. Поэтому значительно более эффективно расположение проволок в две группы параллельно друг другу с каждой стороны капилляров и тем самым пересечения проволок в сетчатой структуре исключаются.
Значительную часть стоимости охладителя для теплицы составляет процесс введения тысяч капилляров в субколлектор, с обеспечением герметичности, с целью их сообщения по текучей среде, которой обычно является вода. В целях экономии каждый коллектор может быть выполнен в виде недорогой трубы из полиэтилена. Эффективная конструкция с использованием коллектора из термопластичного материала охарактеризована в пункте 11. Полиэтилен является весьма дешевым и доступным материалом. Некоторые незначительные утечки из теплицы в атмосферу не представляют собой проблему. Вода, в конце концов, имеется в распоряжении в изобилии.
Еще одно выгодное решение заключается в выборе диаметра каждого субколлектора, т.е. коллектора одного теплообменника, с расстоянием между центральными осями сетчатых каркасов, равным желательному. Субколлекторы, плотно размещенные в контакте друг с другом, могут в результате образовать стенку воздушного канала. В этой связи следует дать ссылку на пункты 17 и 18 формулы.
Как установлено, для использования разности температур втекающей и вытекающей воды весьма выгодно запасать теплоту в подпочве и, кроме того, использовать большую разность температуры входящего и выходящего воздуха. Это позволяет уменьшить расход воздуха и, следовательно, необходимую производительность вентилятора, улучшить конденсацию за счет снижения температуры ниже точки росы и выровнять разность температур между водой и воздухом по всему теплообменнику.
TU
TU
Такой результат может быть достигнут в соответствии с пунктом 5 формулы путем блокирования потока воды (в общем случае, потока текучей среды) в целом от трех до пяти раз в трубах субколлекторов, расположенных на обеих сторонах сетчатого каркаса, для того, чтобы создать вынужденное течение воды с эффективным противотоком по отношению к потоку воздуха. Оптимальное количество теоретически необходимых мест блокирования труб (N) теплообменника составляет приблизительно 1 и, если проход для потока блокирован более одного раза, то пробки, блокирующие поток воды в трубе, могут немного пропускать воду без слишком большого уменьшения эффективных N. Важно осуществлять указанное блокирование нечетное количество раз с тем, чтобы можно было реализовать два открытых конца на одном субколлекторе и два закрытых конца - на другом.
Расстояние между центральными осями субколлекторов равно диаметру субколлекторов, и в результате невозможно соединить все субколлекторы с двумя одинаковыми основными входным и выходным коллекторами. Необходимо использовать четыре коллектора, т.е. два входных коллектора и два выходных коллектора так, что между отверстиями, которые соединяют между собой торцы субколлекторов, имелся промежуток. Основные коллекторы, как и субколлекторы, могут быть изготовлены из пластмассы, например из полиэтилена, и снабжены перфорационными отверстиями, диаметр которых меньше внешнего диаметра субколлекторов, так что эти субколлекторы могут быть запрессованы в указанные перфорационные отверстия. Такое соединение является очень простым соединением, проверенным в технологии капельного орошения. Далее кратко рассмотрена проблема предотвращения коррозии.
В странах с нехваткой воды теплицу зачастую орошают с помощью очищенных сточных вод, направляемых из установки для очистки сточной городской воды. Эта очищенная вода содержит летучий аммиак, который вызывает коррозию луженых проволок. Коррозия предотвращается в случае, если воздух течет вверх. Поток конденсата всегда стекает вниз, и в случае течения воздуха вверх передний конец теплообменника при конденсации всегда остается свободным от конденсата, предотвращая тем самым коррозию, катализируемую аммиаком.
Ниже кратко обсуждаются различные аспекты применения теплообменника, соответствующего изобретению, в системах с тепловым насосом.
Коэффициент полезного действия (к.п.д.) теплового насоса, такого как используемый для кондиционеров воздуха и иногда для систем отопления помещений, в значительной степени зависит от перепада температуры в теплообменниках испарителя и конденсатора.
Известные в настоящее время теплообменники не могут быть использованы непосредственно для текучих сред, которые испаряются и конденсируются в тепловом насосе. Плоские медные коллекторы не могут выдерживать высокие давления, поэтому в целях безопасности соединения капилляров с коллекторами должны осуществляться с помощью пайки твердым припоем. См. в этой связи пункт 9 формулы.
Для давлений более 4 бар требуется металлический коллектор в виде трубы круглого сечения, к которой капилляры присоединяют посредством пайки твердым припоем при температуре, например, равной 500°С. Такая пайка не может быть реализована для капилляров длиной лишь 15 см, поскольку в этом случае будет слишком много концов капилляров, требующих проведения пайки твердым припоем. В связи с этим одна из основных задач состоит в решении указанной проблемы. Предложенное решение заключается в технологии, соответствующей пункту 6. Расход текучей среды в этом случае значительно меньше, чем в случае использования воды с разностью температуры между входом и выходом в несколько градусов Цельсия, поскольку количество скрытой теплоты фазового перехода намного больше. Даже если длина капилляра составляет несколько метров, перепад давления в двухфазной текучей среде не препятствует хорошей работе теплообменника.
На основе этих длинных зигзагообразно изогнутых труб использовать процесс переплетения для монтажа проволок не представляется возможным. Ширина машины для переплетения не достаточно большая, и переплетение длинного капилляра тонкими проволоками, количество которых составляет более 1000, с перемещением машины назад и вперед к утку технически невыполнимо. Следовательно, для того чтобы перекрыть зону размером, например, 15×15 см с расстоянием между центральными осями капилляров, например, равным 12 мм необходимо придать длинной капиллярной трубе зигзагообразную форму из взаимно параллельных, эквидистантно расположенных капилляров, и в итоге формируется сетчатый каркас только с двумя концевыми участками вместо сетчатого каркаса с тридцатью концевыми участками, к которым должны быть присоединены коллекторы, каждый из которых имеет тридцать перфорационных отверстий. Эти концевые участки очищают для последующего лужения путем анодирования в кислой или основной среде и затем присоединяют к соответствующему коллектору с помощью пайки твердым припоем.
После этого сетчатый каркас может быть присоединен посредством пайки твердым припоем к тонким медным трубам круглого сечения, которые несут рабочую текучую среду к компрессору и из компрессора.
Все кондиционеры воздуха работают в настоящее время с оребренными трубчатыми теплообменниками, которые содержат жесткие медные трубы большого диаметра. Иначе, при ином выполнении труб, они могут изгибаться или коробиться под действием усилий давления, необходимых для того, что напрессовать на эти трубы алюминиевые ребра. Испаритель и конденсатор, таким образом, имеют весьма значительный объем рабочей текучей среды. По соображениям безопасности это большое количество рабочей текучей среды не может быть огнеопасным. По этой причине используют фторированные и даже хлорированные соединения, которые, однако, являются проблематичными с точки зрения защиты окружающей среды. В теплообменнике с тонкими проволоками, соответствующем настоящему изобретению, трубы большого диаметра не используются, и вследствие малого внутреннего объема можно использовать пропан или бутан, и общий активный объем рабочей текучей среды может быть уменьшен до минимальных пропорций, например до величины объема резервуаров, служащих для заправки жидким газом зажигалок, которые широко доступны для приобретения и являются столь малыми, что считаются совершенно огнебезопасными. Весьма незначительный объем теплообменника обеспечивается, в частности, с помощью конструкции, соответствующей пункту 6 формулы.
Плоский сетчатый каркас размером, например, 15×15 см, имеющий два тонких конца, не является механически достаточно прочным. Поэтому все изгибы с поворотом на 180° между соседними капиллярами должны быть зафиксированы. С этой целью используют жесткую конструкцию, которая удерживает сетчатую структуру на месте. В этой связи следует обратиться к пунктам 7 и 19.
Наконец, ниже приведен краткий обзор различных аспектов, относящихся к теплоснабжению районов.
В холодное время центральное отопление густонаселенных стран является очень эффективным способом отопления помещений. Отходящая теплота, получаемая при выработке электроэнергии, используется здесь при самой низкой возможной температуре, при этом здания или абонентские пункты действуют аналогично конденсаторам для паровых турбин. Температура воды в обратном трубопроводе сетей центрального отопления в настоящее время составляет приблизительно от 40 до 50°С. Было бы очень выгодно понизить эту температуру, например, до 25°С. В этом случае можно было бы отапливать в два раза больше зданий при таком же расходе воды и при более низком давлении пара в конденсаторе, что позволяет повысить эффективность выработки электрической энергии. Эти пожелания также могут быть реализованы с помощью теплообменника, соответствующего настоящему изобретению.
Температура воды, подводимой в систему центрального отопления, часто составляет 100°С. Температура воды в обратном трубопроводе может быть запланирована равной от 25 до 27°С. Разность этих температур достаточно большая для того, чтобы использовать очень длинные капилляры и придавать теплообменнику такую же форму, которая может быть использована для непосредственного соединения с испарителем или конденсатором кондиционера воздуха.
Протяженные трубы, такие как используют в системах центрального отопления, подвержены гидравлическому удару. Теплообменник, выполненный в соответствии с изобретением, охарактеризованным, например, в пунктах 6 и 9, может выдерживать очень высокие давления.
TU
Используя описанную выше конструкцию, воздух может быть нагрет, например, до 50°С, и для этого может быть предусмотрено необходимое количество мест блокирования потока N в субколлекторе, за счет чего для отвода в теплообменнике необходимой теплоты требуется очень небольшой расход воздуха и, следовательно, может быть выбран вентилятор с очень низким уровнем шума. С точки зрения соответствия располагаемому объему помещений теплообменник может быть спроектирован узким, например шириной 15 см, длиной 1 м и высотой 15 см, при этом может быть использован бесшумный вентилятор с малым числом оборотов и с обеспечением поперечного движения воздуха относительно движения воды.
Настоящее изобретение ниже будет раскрыто со ссылкой на сопровождающие чертежи.
На фиг.1 показан теплообменник в соответствии с настоящим изобретением, вид в перспективе с частичным вырезом;
на фиг.2 схематически изображено поперечное сечение теплообменника, представленного на фиг.1;
на фиг.3 изображен вид в перспективе части конструкции сетчатого каркаса теплообменника, в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения, где несколько проволок для ясности не показано;
на фиг.4 показан поперечный разрез по линии IV- IV на фиг.3;
на фиг.5 изображен вариант конструкции, показанной на фиг.3, вид в перспективе;
на фиг.6 показан поперечный разрез по линии VI- VI на фиг.5;
на фиг.7 показан сетчатый каркас теплообменника, в котором группа капилляров соединена с образованием зигзагообразного проходного канала, вид в перспективе;
на фиг.7а изображен продольный разрез узла конструкции, показанного стрелкой на фиг.7;
на фиг.8 показан вариант конструкции, соответствующей фиг.7;
на фиг.8а изображен продольный разрез узла, показанного стрелкой на фиг.8;
на фиг.9 показан еще один вариант осуществления изобретения, иллюстрируемого на фиг.7 и фиг.8;
на фиг.10 схематично изображено поперечное сечение части теплицы в соответствии с изобретением;
на фиг.11 показана схематическая иллюстрация использования системы охлаждения вместе с теплообменником, соответствующим настоящему изобретению.
На фиг.1 представлен теплообменник 1 в соответствии с настоящим изобретением. Теплообменник 1 снабжен кожухом 2 с входным отверстием 3 для воздуха и выходным отверстием 4. Во входном отверстии 3 установлен осевой вентилятор 5.
Внутри кожуха 2 размещены два входных коллектора 6 и два выходных коллектора 7. Коллекторы 6 и 7 соединены посредством соответствующих субколлекторов 91, 92 с капиллярами 8, размещенными группами в составе сетчатых каркасов. Капилляры 8, которые проходят от входного коллектора 91 к выходному коллектору 92, присоединены к промежуточному коллектору 9, служащему в качестве, соответственно, выходного коллектора и входного коллектора. На фиг.2 показано, каким образом через входное отверстие 3 с помощью вентилятора 5 в кожух 2 вдувается воздух 63. Воздух проходит вдоль капилляров 8 и покидает кожух 3 через выходное отверстие 3 (показано стрелкой 64). Вода, протекающая через капилляры, нагревается воздухом 63, 64, который в свою очередь охлаждается водой. Следует отметить, что для ясности на фиг.1 и фиг.2, так же как и на фигурах, рассмотренных ниже, не отображены тонкие проволоки, которые являются важными элементами конструкции теплообменника согласно настоящему изобретению.
На фиг.3 показана часть плоского сетчатого каркаса теплообменника, выполненного в соответствии с изобретением. Капилляры 8 расположены взаимно параллельно и эквидистантно, и расстояние между их центральными осями составляет 12 мм. Тонкие проволоки 10 переплетены с капиллярами 8.
На фиг.4 поясняется эта конструкция. Расстояние между центральными осями соседних расположенных соответствующим образом проволок 10 может быть равным или большим диаметра проволок 10.
На фиг.5 и 6 показано альтернативное выполнение, в котором проволоки 10 не переплетены с капиллярами, а образуют две группы, которые взаимно параллельно располагаются с обеих сторон капилляров 8.
Очевидно, что для осуществления конструкции согласно фиг.3 и фиг.4 необходимо выполнение операции переплетения. Однако она выполняется относительно медленно, что делает массовое производство таких теплообменников проблематичным. Для изготовления проще теплообменник, показанный на фиг.5 и 6. В настоящее время очевидно, что для массового производства он более приемлем.
Капилляры 8 выполнены из меди, а их внешняя поверхность покрыта слоем олова. Проволоки также медные и покрыты слоем олова. Следовательно, для реализации в короткий период времени между капиллярами и проволоками интенсивного металлического контакта с теплопередачей достаточной является операция пайки с локальным нагревом.
Важно отметить, что расстояние между центральными осями капилляров 8 на фиг.3 и 4 должно быть больше, чем расстояние между центральными осями капилляров 8 на фиг.5 и 6. Это связано с тем, что операция переплетения для конструкции согласно фиг.3 и фиг.4 накладывает нижний предел, определяемый техническими возможностями. В то же время для конструкции, соответствующей фиг.5 и 6, такого нижнего предела не существует. Поэтому теплообменник согласно фиг.5 и фиг.6 легче выполнить с размерами, соответствующими выбранным конструкционным требованиям.
На фиг.7 показано, что капилляры 8 вставлены в луженые медные трубы, служащие коллекторами, и соединены с ними с помощью пайки мягким припоем. Плоский сетчатый каркас 21 теплообменника в соответствии с фиг.7 включает четыре секции 22, 23, 24 и 25. Входной коллектор 26 соединен с пятью капиллярами 8, в которых текучая среда протекает в направлении, показанном стрелкой 127, к коллектору 27, который также соединен с группой из пяти капилляров 8 секции 23, в которой поток текучей среды движется в направлении, показанном стрелкой 128, т.е. в противоположном направлении, к коллектору 29. Затем поток протекает по пяти капиллярам к коллектору 30 секции 24, из которой - в секцию 25 и, наконец, по пяти капиллярам проходит к выходному коллектору 31. Вход для текучей среды показан стрелкой 32, а выход текучей среды показан стрелкой 33. Движение текучей среды в коллекторных трубах также показано стрелками. Поток воздуха обозначен ссылочной позицией 64. Как видно, воздух проходит с каждой стороны плоского сетчатого каркаса 21 вдоль проволок 10.
На фиг.7а представлен в увеличенном масштабе поперечный разрез узла, на котором показано, что между коллекторными трубами, находящимися на одной линии, имеются разрывы. В тех местах, где находятся эти разрывы, рассматриваемые коллекторные трубы закрыты пробками, обозначенными позицией 34. Кроме того, такими же пробками закрыты концы трубы 27 и 30.
На фиг.8 представлен вариант исполнения, реализующий такую же функцию. Изображенный на фигуре сетчатый каркас 35 теплообменника функционирует таким же образом, что и сетчатый каркас 21, но коллекторные трубы 41 и 42 изготовлены из полиэтилена или другого термопластичного материала, имеющего низкую теплопроводность. В процессе изготовления в каждой трубе с одной стороны делают прорезь в продольном направлении, после чего в ней размещают концы капилляров 8 и расплавляют в этом месте материал трубы путем локального нагрева так, что капилляры 8 герметично соединяются с обеими коллекторными трубами 41, 42 так, как это показано фиг.8. Вместо разрывов и пробок 34, используемых в варианте, показанном на фиг.7а, в соответствии с фиг.8а в определенном месте трубы размещают одну пробку 43. Концы трубы 41 также закрыты соответствующими пробками.
На фиг.9 показан плоский сетчатый каркас 51 теплообменника согласно важному альтернативному варианту осуществления изобретения. В этом варианте капилляры 8 формируют из одной капиллярной трубки, которой придают зигзагообразный профиль, при этом каждый конец каждого из капилляров соединяют посредством криволинейного участка 52 U-образной формы, с концом соседнего капилляра. Эти криволинейные участки U-образной формы, расположенные с обеих сторон сетчатого каркаса 51, выровнены и механически соединены друг с другом с помощью соответствующих упрочняющих профильных элементов 53, 54 с низкой теплопроводностью, выполненных, например, из пластмассы. Входной участок 101 и выходной участок 102 капиллярной трубки, формирующей капилляры 8, и участки 52 U-образной формы присоединяют с возможностью выдерживать высокое давление посредством пайки твердым припоем к соответствующим коллекторам (не показано), к которым таким же способом присоединяют другие сетчатые каркасы теплообменников.
На фиг.10 показана теплица 11 с теплообменниками, соответствующими настоящему изобретению. Теплица 11 содержит пол 12, на котором расставлены растения 95 в горшках, или же они поддерживаются на некотором расстоянии от пола с помощью, например, роликового конвейера 61. Растения 95 образуют листовой полог, который зависит от природы растения и стадии его роста. В целях удобства изображения различные листовые пологи показаны в целом прерывистыми линиями 62. Понятно, что листовые пологи не могут быть ограничены строгими границами и могут демонстрировать значительные разности высот растений, причем даже в пределах одного листового полога.
Теплица 11 имеет просвечивающуюся, предпочтительно прозрачную, крышу 13, через которую солнечные лучи 96 могут падать на листовые пологи 62. Между растениями 95 размещены теплообменники 1, соответствующие фиг.1. В рассматриваемом варианте воздух 63 всасывается в теплообменники 1 вблизи пола 12, направляется вдоль плоских сетчатых каркасов теплообменников (см. фиг.1 и 2) и охлаждается или нагревается водой, проходя вдоль вертикально протянутых проволок 10. Затем воздух выдувается вверх, как показано стрелками 64, в направлении верхней части теплицы 11.
Следует отметить, что теплообменник можно использовать и без вентилятора 5, т.е. за счет применения кожуха наподобие вытяжной трубы, один конец которого проходит в верхнюю часть теплицы 11, а другой конец располагается вблизи пола 12. При таком выполнении кожуха может возникать естественная тяга, за счет которой экономится энергия на привод вентилятора 5.
2
На фиг.11 показана часть конструкции теплицы, где в промежуточной зоне между прозрачными участками крыши 13 находится желоб 71. Под этим желобом установлена труба 72, выполненная из пленки и имеющая ряд перфорационных отверстий 73. Эта труба заполняется отходящими газами газовой турбины, используемой для комбинированной выработки электрической и тепловой энергии. Следует отметить, что в газовой турбине эти газы содержат только 4% СО. Таким образом, в распоряжении имеется большое количество газа, давление которого на выходе из турбины может составлять 3600 Па. Это соответствует скорости выходящего потока, равной 50 м/сек. Рассматриваемый воздух вытекает из перфорационных отверстий 73, показанных стрелками 74, и поступает в "реверсную вытяжную трубу" 75, в верхней части которой размещен теплообменник 76, соответствующий изобретению. Конструкция теплообменника в основном соответствует конструкции, показанной на фиг.7. Посредством трубопровода 77 для подачи охлаждающей воды охлаждающую воду впускают с нижней стороны теплообменника, нагревают и отводят нагретой посредством выходного трубопровода 78. "Реверсная вытяжная труба" 75 выполнена, например, из полиэтиленовой пленки.
Благодаря естественной опускной тяге и ее поддержанию с помощью вытекающих газов 74 происходит эффективное охлаждение горячего воздуха, отводимого из верхней части теплицы (см. стрелки 79), а охлажденный воздух выдувается снизу, как показано стрелками 80.