УСТРОЙСТВО ПОДАЧИ И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВОЗДУХА

Полезная модель относится к области систем воздушного охлаждения и вентиляции. Защищаемое устройство предназначено для подачи и распределения воздушного потока с целью оптимального охлаждения нагревающихся конструкционных элементов и электронных компонентов. Основной особенностью устройства является возможность рационального распределения воздушного потока в ограниченном пространстве и в соответствии с техническими требованиями работы системы охлаждения, в состав которой устройство включено.
Известно решение «Воздухораспределитель» по патенту России №2307987, предназначенное для использования для распределения приточного воздуха в помещениях. Изобретение по указанному патенту отвечает поставленной для него задаче: формирование стабильного потока приточного воздуха и его равномерное распределение.
Однако, технический результат указанного решения - повышение интенсивности затухания приточных струй, не отвечает цели представляемой в настоящей заявке полезной модели, поэтому применение его в системах охлаждения - не рационально.
Ближайшим аналогом предлагаемого решения является типичный воздуховод (переход круглый/прямоугольный), предлагаемый многочисленными производителями, например, ВентСтройПром (по материалам сайта http://vsservice.ru/page49A дата регистрации 10.12.2007 год).
Основное назначение воздуховода - направление потока воздуха из трубы с круглым сечением в трубу с прямоугольным сечением. Основным недостатком воздуховода является неравномерное распределение воздуха на выходе из воздуховода, причем степень неравномерности распределения возрастает с уменьшением длины воздуховода. По этой же причине его невозможно использовать в ограниченном пространстве. Кроме того, технология изготовления воздуховода предполагает использование в качестве исходного материала оцинкованную сталь, что категорически недопустимо в конструкциях с высоковольтными элементами. (Предполагается подача высокого напряжения на элементы системы охлаждения). Также отмечено, что для создания высокой скорости потока воздуха на выходе из данного воздуховода по всему сечению необходимы существенные энергетические затраты.
Целью предлагаемой полезной модели, является создание такого устройства, которое исключило бы указанные недостатки и отвечало предъявляемым требованиям системы охлаждения.
Для достижения поставленной задачи было разработано устройство подачи и распределения воздуха, состоящее из конусообразного кожуха, торцевые части которого, соответственно, имеют сечение круглой и прямоугольной формы, с такими отличительными признаками, что кожух устройства подачи и распределения воздуха выполнен в продольном сечении с переменной кривизной, в центральной части устройства жестко закреплен конусообразный осесимметричный обтекатель потока воздуха, между обтекателем и кожухом расположено не менее одного промежуточного каркаса соосно кожуху с образованием воздушного зазора между каркасом и кожухом, а также между обтекателем и каркасом, при этом устройство подачи и распределения воздуха выполнено, исходя из условия, что отношение его длины к диаметру входного сечения составляет меньше единицы, а отношение площадей сегментов входных отверстий к выходным, образуемых поверхностями кожуха, каркаса и обтекателя устройства, одинаково для всех каналов устройства. При этом возможно выполнение устройства подачи и распределения воздуха из композитных материалов.
Теория течения газа в воздуховодах (переходах) и диффузорах недостаточно разработана, поэтому основные характеристики и оптимальную форму устройств определяют на основании результатов экспериментальных исследований и их теоретического обобщения. Однако известно, что недостаточная длина перехода или наличие большого полного угла (значения более 10°) между расходящимися стенками в начале перехода увеличивают сопротивление из-за отрыва потока газа (воздуха) от расходящихся стенок. При высоких значениях скоростей потока воздуха на выходе из воздуховода (не менее 25 м/с по всему сечению, что соответствует требованиям эксплуатации) указанный негативный эффект обостряется.
Для выполнения условий между оптимальной длиной и минимальным аэродинамическим сопротивлением в переходе, а в конечном итоге - для создания равномерного распределения (течения) воздуха при перемещении его из трубопровода круглого сечения в трубопровод прямоугольного сечения, - требуется конфигурация перехода (воздуховода) с длиной, существенно превышающей размер входного диаметра в сечении воздуховода.
По имеющимся расчетным данным отношение длины воздуховода к входному диаметру должно составлять более 5 единиц. (Данные приведены на основании источника: «Справочник по гидравлическим сопротивлениям», автор И.Е. Идельчик, издательство Москва, Машиностроение, 1992 год, стр. 208).
Наряду с изложенным фактом следует констатировать невозможность использования воздуховодов с подобным соотношением размеров во многих видах продукции. Очень часто производители сознательно соглашаются на аэродинамические потери и ухудшение распределения газа (воздуха), если это не критично, с целью оптимизации продукции по размерам, стоимости и привлекательности в целом.
Но подобное послабление возможно не во всех устройствах, в том числе системах охлаждения. Например, для охлаждения тормозного резистора, входящего в состав системы электродинамического тормоза современного электровоза, требуется обеспечение равномерного обдува воздухом всех сопротивлений нагрузки в прямоугольном сечении, что является одним из условий исправной работы тормозного резистора. Не менее жесткие требования предъявляются к размерам воздуховода и системы охлаждения в целом из-за ограничений свободного объема для размещения указанных систем. В итоге, разработчики столкнулись с противоречием: разместить в минимальных объемах конструкцию, которая по известным законам и данным должна иметь размеры, многократно превышающие свободный объем.
Еще одним недостатком известных воздуховодов (переходов) является наличие токопроводящего материала в конструкции. Фактически, приведенный ближайший аналог изготовлен из оцинкованной стали. Учитывая, что устройство распределения и подачи воздуха предполагает его монтаж на конструкцию тормозных резисторов, к которым подключается высокое напряжение, необходимо обеспечить надежную изоляцию устройства. Выполнение требования посредством введения изоляционных элементов усложняет конструкцию, снижает надежность и уровень безопасности при эксплуатации.
С целью устранения сложившихся противоречий и для решения технических задач было разработано устройство подачи и распределения воздуха, позволяющее в ограниченном по длине пространстве сформировать равномерный поток воздуха в прямоугольном сечении.
Для повышения безопасности и бесперебойной работоспособности было предложено изготавливать устройство из композиционных материалов, удовлетворяющих требованиям прочности, надежности и электробезопасности.
На фигуре 1 показан внешний вид ближайшего аналога в проекциях, где символами обозначено: L - длина воздуховода, D - диаметр воздуховода в круглом сечении, A и B - размеры в выходной (прямоугольной) части в сечении (длина и ширина). На фигурах 2 и 3 представлено устройство подачи и распределения воздуха в изометрии (на фигуре 2 - вид спереди, на фигуре 3 - вид сзади). На фигурах 1, 2, и 3 указано:
1 - конусообразный кожух;
2 - входное отверстие круглого сечения;
3 - выходное отверстие прямоугольного сечения;
4 - конусообразный осесимметричный обтекатель потока воздуха;
5 - промежуточные каркасы;
D - диаметр входного сечения;
L - длина.
Преимущества полезной модели заключаются в том, что представленное устройство подачи и распределения воздуха позволяет в минимально возможных размерах длины (отношение длины устройства к входному диаметру составляет менее единицы) обеспечить перевод высокоскоростного (более 25 м/с) потока воздуха из воздуховода с круглым сечением в воздуховод с прямоугольным сечением с равномерным распределением потока (в том числе без отрыва потока) с минимальным аэродинамическим сопротивлением, а также обеспечить электробезопасность конструкции.
В итоге, благодаря разработанному устройству стало возможным обеспечение равномерного обдува воздухом всех сопротивлений тормозного резистора в прямоугольном сечении потоком воздуха на выходе из тормозного резистора не менее 25 м/с по всему сечению.
Разработанное устройство отвечает требованиям, предъявляемым к аналогичным конструкциям. Опытные образцы выдержали необходимые испытания на соответствие техническим требованиям, а разработанные технологии изготовления позволяют применить устройство (например, в системах охлаждения электровозов) в промышленных масштабах.