ВОЗДУШНО-ТЕПЛОВАЯ ЗАВЕСА

Область техники
Воздушно-тепловая завеса как машиностроительное изделие относится к устройствам локализованной вентиляции и предназначена для организации защиты открытого проема от протекания воздуха сквозь проем (шиберующая защита) или для интенсивного перемешивания нагретыми струями втекающего через проем наружного воздуха (защита смесительного типа). В общем случае, воздушно-тепловая завеса состоит из одного или группы вентиляторов в воздушном тракте корпуса, теплообменного аппарата (воздухоподогревателя), полости всасывания и выходного (соплового) устройства, формирующего струю. В воздушных завесах теплообменный аппарат отсутствует. Вентиляторы могут быть тангенциальные, радиальные и осевые. Теплообменный аппарат может быть установлен как до вентиляторов, так и после.
Уровень техники
Известна и широко распространена конструкция завес с единственным воздушным трактом и вентилятором тангенциального типа в этом тракте - патент РФ 2307291 C1 «Воздушно-тепловая завеса» [1]. В вентиляторах тангенциального типа используются рабочие колеса барабанного типа большой протяженности, например, отношение длины колеса к диаметру не менее 5. Это позволяет сохранять равномерность потока воздуха как на входе в завесу по ее размаху (и соответственно, в теплообменном аппарате), так и по всему размаху выходного устройства, т.е. в струе. Равномерность способствует наибольшей эффективности теплообменника при прочих равных условиях и обеспечивает максимальную дальнобойность струи. Однако завесы с единственным воздушным трактом имеют ряд недостатков.
При заданной фиксированной частоте вращения удельный расход воздуха (расход на единицу длины размаха завесы) зависит, помимо аэродинамической схемы, от диаметра рабочего колеса вентилятора и у вентиляторов тангенциального типа увеличивается пропорционально квадрату диаметра. В этом случае, создание параметрического ряда завес в широком диапазоне удельных расходов воздуха требует использования рабочих колес нескольких диаметров. По сути дела, в конструкции завес одного и того же типа используется несколько типоразмеров вентиляторов не только с рабочими колесами разных диаметров, но и с электродвигателями различной мощности и различных размеров, с соответствующими рабочими камерами вентиляторов и выходными устройствами. Например, в известных завесах 100-й, 200-й, 300-й и 400-й серий (смотреть «Воздушно-тепловые завесы. Тепловентиляторы. Каталог продукции ЗАО «НПО «Тепломаш». 2014-2015 г, [2]) используются тангенциальные вентиляторы с колесами диаметром 80 мм, 90 мм, 100 мм и 130 мм.
Имеется еще один недостаток построения ряда завес с единственным воздушным трактом. Если весь ряд завес предназначен, например, для защиты смесительного типа, то согласно СНиП 41-01-2003, скорость струи на выходе из завесы не должна превышать 8 м/с. Поскольку завесы - представители параметрического ряда обычно конструируются как геометрически подобные изделия с размерами, пропорциональными диаметру рабочего колеса (так требует аэродинамическая схема вентилятора), то и скорость струи в выходном (сопловом) устройстве, равная отношению удельного расхода воздуха к ширине сопла, будет пропорциональна отношению квадрата диаметра к первой степени диаметра, т.е. диаметру. Для удержания скорости струи на допустимом уровне потребуются отступления от аэродинамической схемы, приводящие к снижению энергетической эффективности завесы.
Для преодоления указанных недостатков необходимо использование конструкции завесы с несколькими параллельными воздушными трактами и с соответствующим числом групп одинаковых тангенциальных вентиляторов, имеющих рабочие колеса одного диаметра и одну и ту же частоту вращения. Такая конструкция позволила бы сформировать ряд завес с нарастающим расходом воздуха при заданном ограничении скорости струи на выходе из сопла путем пропорционального увеличения числа параллельных воздушных трактов и групп вентиляторов без отклонений от аэродинамической схемы и ухода от наиболее эффективной рабочей точки.
Известна конструкция воздушно-тепловой завесы для защиты холодильных и морозильных камер с несколькими параллельными воздушными трактами, установленными в них группами радиальных вентиляторов, теплообменником (воздухоподогревателем) в одном из трактов, общим выходным устройством, формирующим струю, патент Air curtain device. EP 0699873 A2. Int. CI. F24F 9/00/ Publication 06.03.1996, [3]. Параллельные воздушные тракты в этой конструкции предназначены для формирования температурно-структурированной струи. В корпусе завесы организованы три воздушных тракта с тремя группами радиальных вентиляторов. Два тракта имеют общую полость всасывания, ограниченную окном всасывания на той же стенке, на которой расположен сопловой аппарат. В одном из этих двух трактов после полости всасывания установлен теплообменник. Третий тракт имеет собственную полость всасывания, окно которой выходит на боковую стенку корпуса, расположенную под углом к стенке с сопловым аппаратом. Выходные устройства каждого тракта объединены в общий сопловой аппарат.
Недостаток конструкции по патенту [3] состоит в использовании радиальных вентиляторов. Радиальные вентиляторы, как правило, двустороннего всасывания должны располагаться по размаху завесы на расстоянии друг от друга порядка длины самого вентилятора для обеспечения минимально деформированного потока на всасывании. Это обстоятельство приводит к ощутимой неравномерности потока воздуха, подтекающего к вентиляторам: наиболее интенсивный поток возникает в пространстве между всасывающими окнами вентиляторов, тогда как над поверхностью корпусов вентиляторов потока практически нет. Учитывая, что теплообменники завес имеют малую протяженность в направлении потока воздуха (от двух до трех рядов труб или трубчатых электронагревателей (ТЭНов), неравномерность потока от организации всасывания радиальных вентиляторов проникает в теплообменник и приводит или к снижению эффективности водяного воздухоподогревателя, или к опасному локальному перегреву ТЭНов. Еще более сильную неравномерность радиальные вентиляторы формируют в выходном устройстве по размаху струи: участки с максимальной скоростью располагаются против нагнетательных патрубков вентиляторов, участки с минимальной скоростью - в пространстве между вентиляторами. Это интенсифицирует размывание струи и сокращает ее дальнобойность.
Прототипом полезной модели является устройство воздушной завесы по патенту EP 0699873 A2 [3]. Прототип решает задачу формирования ряда завес в диапазоне расходов воздуха с использованием параллельно работающих групп одинаковых вентиляторов, установленных в параллельных воздушных трактах завесы. Недостаток прототипа заключается в использовании вентиляторов радиального типа, которые вносят неравномерность потока по размаху завесы и тем самым снижают эффективность теплообменников, создают локальные перегревы трубчатых электронагревателей (ТЭНов) и уменьшают дальнобойность струи.
Решаемой технической задачей является создание конструкции завесы с несколькими параллельными воздушными трактами и соответствующим числом групп одинаковых вентиляторов, обеспечивающих равномерность воздушного потока по размаху завесы как на всасывании при прохождении потока воздуха, например, через единый для всех параллельных трактов теплообменник, так и в выходных устройствах, причем число параллельных воздушных трактов и соответствующих групп вентиляторов определяется заданным расходом воздуха завесы, ограничением скорости струи в выходном устройстве, производительностью вентилятора в рабочей точке и числом вентиляторов в группе (по размаху завесы).
Достигаемый технический результат заключается, во-первых, в общем повышении эффективности завесы с несколькими параллельными воздушными трактами через удержание рабочей точки вентиляторов в наиболее эффективной части аэродинамической характеристики, через повышение эффективности теплообменного аппарата при выравнивании скоростного поля на входе, через повышение надежности трубчатых электронагревателей исключением локальных перегревов и через обеспечение максимально возможной при заданных условиях дальнобойности струи. Во-вторых, достигаемый технический результат заключается в обеспечении одинаковой эффективности всех представителей ряда завес, организованных по принципу параллельных воздушных трактов, в диапазоне расходов воздуха.
Раскрытие полезной модели
Сущность полезной модели заключается в следующем. Воздушно-тепловая завеса, как и прототип [3], имеет несколько параллельных воздушных трактов внутри корпуса и, соответственно, столько же групп однотипных вентиляторов с одним и тем же диаметром рабочего колеса, с одинаковой частотой вращения, с одними и теми же приводными электродвигателями, но в отличие от прототипа, в полезной модели использованы тангенциальные вентиляторы с колесами барабанного типа с большим отношением длины к диаметру, например, больше 5.
Воздушно-тепловая завеса характеризуется тем, что полости всасывания и выходные устройства всех групп тангенциальных вентиляторов располагаются по всей длине рабочих колес, что обеспечивает равномерность воздушного потока по всему размаху завесы, в том числе, на входе в теплообменный аппарат и в струе на выходе.
Воздушно-тепловая завеса характеризуется тем, что при сохранении ограничения скорости струи в выходном устройстве расход воздуха в представителях параметрического ряда с заданным диаметром колеса и частотой вращения возрастает пропорционально числу параллельных воздушных трактов.
Представленные признаки являются существенными и достаточными для решения технической задачи и достижения технического результата. В самом деле, использование параллельно включенных групп одинаковых тангенциальных вентиляторов в параллельных воздушных трактах позволяет без отклонений от аэродинамической схемы и ухода от наиболее эффективной рабочей точки сформировать ряд завес с нарастающим расходом воздуха при заданном ограничении скорости струи на выходе из сопла путем пропорционального увеличения числа параллельных воздушных трактов и групп вентиляторов. Это обеспечивает общее повышение эффективности завесы с несколькими параллельными воздушными трактами через удержание рабочей точки вентиляторов в наиболее эффективной части аэродинамической характеристики, через повышение эффективности теплообменного аппарата при выравнивании скоростного поля на входе, через повышение надежности трубчатых электронагревателей исключением локальных перегревов и через обеспечение максимально возможной при заданных условиях дальнобойности струи. При этом обеспечивается также одинаковая эффективность всех представителей ряда завес.
Полезная модель имеет, как минимум, два параллельных воздушных тракта внутри корпуса с двумя группами одинаковых тангенциальных вентиляторов, общую полость всасывания, например, общий для всех параллельных трактов теплообменник, установленный в полости всасывания, а нагнетательные каналы вентиляторов каждой группы заканчиваются индивидуальными или общими выходными устройствами, формирующими струи. Окна всасывания обеих групп вентиляторов могут быть направлены как в одну сторону, так и навстречу друг другу, причем в этом случае обе группы являются зеркальным отражением друг друга, а каждая группа, кроме того, может состоять из двух параллельно скомпонованных наружной и внутренней групп вентиляторов с однонаправленными окнами всасывания. В компоновке с направлением окон всасывания обеих групп в одну сторону теплообменный аппарат расположен в полости всасывания своим проходным сечением вдоль проходного сечения окон всасывания вентиляторов или развернут на 90° и установлен вдоль стенки корпуса, противоположной стенке, на которую выведены выходные устройства, или вдоль стенки с выходными устройствами. Выходные устройства групп вентиляторов могут быть сближены настолько, насколько позволяет их конструкция, или объединены в общее устройство. В компоновке с зеркальным расположением групп вентиляторов теплообменный аппарат располагается между группами в полости всасывания вдоль стенки, противоположной стенке, на которую выведены выходные устройства. Общее выходное устройство представляет собой, например, камеру, с одной стороны которой расположены выходы нагнетательных патрубков обеих групп вентиляторов, а с противоположной стороны воздуховыпускное устройство как жалюзийного типа, так и, например, декоративно перфорированная решетка.
Описание чертежей
На фиг. 1 представлено поперечное сечение заявляемой завесы с окнами всасывания вентиляторов, направленными в одну сторону в полость всасывания, и расположением теплообменного аппарата вдоль проходного сечения окон всасывания вентиляторов.
На фиг. 2 представлено поперечное сечение заявляемой завесы с окнами всасывания вентиляторов, направленными в одну сторону в полость всасывания, и расположением теплообменного аппарата поперек проходного сечения окон всасывания вдоль стенки, противоположной стенке с выходными устройствами.
На фиг. 3 представлено поперечное сечение заявляемой завесы с окнами всасывания вентиляторов, направленными в одну сторону в полость всасывания, и расположением теплообменного аппарата поперек проходного сечения окон всасывания вдоль стенки с выходными устройствами.
На фиг. 4 представлено поперечное сечение заявляемой завесы с окнами всасывания, направленными навстречу друг другу (зеркальное расположение групп вентиляторов).
На фиг. 5 представлено поперечное сечение заявляемой завесы с зеркальным расположением сдвоенных групп вентиляторов.
На фиг. 6 представлено поперечное сечение заявляемой завесы с зеркальным расположением групп вентиляторов и ориентацией нагнетательных каналов под углом в общее выходное устройство.
Описание практических вариантов выполнения
Воздушно-тепловая завеса устроена следующим образом. Внутри корпуса 1 завесы на фиг. 1-3 установлены два тангенциальных вентилятора 2 и 3 (или две группы вентиляторов, если по размаху завесы установлено более одного вентилятора), имеющих рабочие колеса 4 одинаковых диаметров, обтекатели 5 и языки 6, образующие нагнетательные каналы 7. Окна всасывания вентиляторов (пространство между отгибами 8 и 9 обтекателя 5 и языка 6) на фиг. 1-3 обращены в одну сторону в полость всасывания 10, в которой установлен теплообменный аппарат 11. На фиг. 1 проходное сечение теплообменного аппарата 11 расположено вдоль окон всасывания (между отгибами 8 и 9). На фиг. 2 и 3 проходное сечение теплообменного аппарата 11 ориентировано поперек окон всасывания. На фиг. 2 теплообменный аппарат установлен вдоль стенки корпуса 12, расположенной напротив стенки 13, на которую выведены выходные устройства 14 нагнетательных каналов 7. На фиг. 3 теплообменный аппарат установлен вдоль стенки 13.
При зеркальном расположении групп вентиляторов 2 и 15 на фиг. 4 окна всасывания (между отгибами 8 и 9) направлены навстречу друг другу. Полость всасывания 10 с теплообменным аппаратом 11 обращена к стенке 12 корпуса 1. Нагнетательные каналы 7 параллельны друг другу.
При зеркальном расположении сдвоенных групп вентиляторов 2, 15 и 3, 16 на фиг. 5 окна всасывания также направлены навстречу друг другу. Нагнетательные каналы 7 всех вентиляторов 2, 3, 15, 16 параллельны между собой.
Зеркальное расположение групп вентиляторов 2 и 15 на фиг. 6 отличает ориентация нагнетательных каналов 7 под углом друг к другу. Нагнетательные каналы 7 выведены в общее выходное устройство в виде камеры 17, ограниченной снаружи воздуховыпускным устройством 18, имеющем вид, например, жалюзийного устройства или декоративно перфорированной решетки.
Работа воздушной завесы осуществляется следующим образом. Вентиляторы 2, 3, 15, 16 всасывают воздух из помещения, в котором установлена завеса. Пройдя через теплообменный аппарат 11, подогретый воздух поступает в полость всасывания 10, входит в рабочие колеса 4 через окна всасывания вентиляторов между отгибами 8 и 9, получает энергию от рабочих колес, выходит в рабочую полость вентилятора и через нагнетательные каналы 7 втекает в выходные устройства 14, в которых формируются струи завесы. В завесах с зеркальным расположением групп вентиляторов по фиг. 4 и 5 первоначально образуются две струи. Из аэродинамики струйных течений известно, что обе струи сливаются в одну на расстоянии ширины между выходными устройствами.
Уровень техники позволяет реализовать полезную модель без дополнительного изобретательского творчества, причем такие геометрические параметры завесы, как диаметр и длина рабочего колеса, форма обтекателя и языка, длина и ширина нагнетательных каналов, длина и конфигурация теплообменного аппарата могут быть оптимизированы в зависимости от требуемых характеристик воздушно-тепловой завесы. Кроме того, в завесе может отсутствовать теплообменный аппарат (воздушная завеса без источника тепла). Наконец, форма корпуса завесы и реализация выпускных устройств допускает любые дизайнерские решения.