ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ И НАГРЕВА ПОМЕЩЕНИЙ В ЗДАНИЯХ
EQUIPMENT FOR HEATING AND COOLING OF BUILDING ROOMS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к устройству для охлаждения и нагрева помещений в зданиях.
Уровень техники
Для обеспечения комфортной атмосферы в административных зданиях давно известен и используется вентиляторный теплообменник как конечный элемент системы кондиционирования воздуха, обеспечивающий температурный комфорт без необходимости прямой подачи свежего воздуха. В то же время такой кондиционер является противовесом устройствам радиаторного типа, предлагая взамен этого конечного устройства кондиционирования воздуха достаточно мощное и гибкое приспособление, не зависящее от основного потока воздуха. Дальнейшей целью использования вентиляторного теплообменника было упрощение регулирующей системы для нагревания и охлаждения воды, так как в систему добавлялся вспомогательный вентилятор, позволяющий увеличить спектр технических характеристик за счет обеспечения циркуляции воздуха возле теплопередающей поверхности. Таким образом, возможность нагрева и охлаждения обеспечивалась без жесткой зависимости от прямой подачи воздуха, результатом чего также стала возможность уменьшения диаметров центральной вертикальной воздухораспределительной трубы высотных зданий. Вентиляторные теплообменники сегодня в основном используются как конечные элементы комфортного кондиционирования воздуха в гостиничных комнатах и залах заседаний, в административных и торговых помещениях и т.д., а также для снятия температурной нагрузки в некоторых производственных процессах. Конструкции таких устройств, например, описаны в патентах США №4527762, 4548050, 4856672, 4986087, 5042269, 5071027, 5113667, 5131560, 5152154, 5174467, 5195332, 5199276, 5205472, 6109044.
С точки зрения общего решения, в изготовлении и конструкции вентиляторных теплообменников не было существенных изменений, а их совершенствование, в основном, заключалось в использовании современной производственной техники, включая серийное производство, улучшение возможностей регулирования их работы, уменьшение размеров, а также, отчасти, увеличение эффективности отдельных узлов, вдобавок к этому уменьшение шума в этих устройствах достигалось за счет уменьшения их размеров и увеличения скорости вращения вентилятора. Изначальным результатом конструкции этих систем кондиционирования воздуха было то, что шум устойчиво не уменьшался там, где они использовались. Шум кондиционера является самым проблемным сопутствующим обстоятельством. Изначально вызываемый вращением вентилятора, шум зависит от способа изготовления кондиционера, его нагревающей и охлаждающей мощности и места использования. Шум в основном вызывается неудачной конструкцией устройства, например, ошибочная конструкция рабочих лопаток вентилятора создает турбулентность, или при изменении направления потока воздуха имеются острые углы и т.д. Далее он вызывается неудачным техническим исполнением устройства и его деталей, что подвергает вентилятор чрезмерной общей нагрузке. Потери давления бывают такими большими, что для их преодоления требуется высокая скорость вращения колеса вентилятора и повышение его полезной работы. В общем случае шум вентилятора находится в определенном математическом отношении к его полезной работе и эффективности. В целом действует тот принцип, что, при правильном техническом исполнении, чем больше число оборотов вентилятора, тем больше шум. Потеря давления на деталях и частях кондиционера, которая должна быть компенсирована давлением от вентилятора, равняется квадрату скорости потока воздуха через данный сегмент. На практике это означает, что, если уменьшить наполовину скорость потока воздуха в ключевых областях, испытывающих значительную потерю давления, то эта потеря давления уменьшится на четверть, а требуемая полезная работа вентилятора уменьшится до 25% от первоначально требуемой энергии. Правда, уровень шума не будет понижен в такой пропорции, так как уменьшение шума определяется логарифмической функцией, тем не менее это уменьшение будет значительным.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является создание устройства для охлаждения и нагрева помещений в зданиях, характеризуемого уменьшенным уровнем шума, упрощенным материально-техническим обеспечением, иными словами, уменьшением необходимого количества деталей и поставляемых материалов, упрощением поставки и обслуживания и увеличением серийного производства.
Изобретение предлагает устройство для охлаждения и нагрева помещений в зданиях, в корпусе которого, снабженном впуском для циркулирующего воздуха и выпуском для кондиционированного воздуха, установлен узел теплообменника с вентилятором, причем вентилятор расположен на выходной стороне теплообменника, а под теплопередающей поверхностью теплообменника установлен резервуар для сбора конденсата, при этом теплопередающая поверхность теплообменника плотно закрыта с обоих концов корпусом, снабженным плотно пригнанной крышкой для обеспечения технического обслуживания. Сущность изобретения заключается в том, что теплопередающая поверхность теплообменника представляет собой кольцевой участок в виде цилиндра, ось которого перпендикулярна направлению горизонтального потока входящего циркулирующего воздуха, а открытая часть цилиндра плотно прилегает по всей своей высоте к вертикальной закрывающей стенке корпуса, причем внутри указанной цилиндрической теплопередающей поверхности расположен всасывающий вентилятор, выпуск которого проходит с уплотнением сквозь вертикальную закрывающую стенку корпуса в области открытой части цилиндра теплопередающей поверхности теплообменника и соединен посредством распределительного воздуховода через диффузор с воздухораспределительным элементом.
На впуске в теплообменник воздуха, подлежащего кондиционированию, может быть установлен грязевой фильтр, форма которого соответствует впускной части теплообменника. Распределительный элемент выбран из группы, включающей в себя анемостаты, отверстия, широкие вентиляционные выходы.
Устройство согласно настоящему изобретению является компактным и имеет стандартные внешние габариты, соответствующие размерам систем, имеющимся в потолках или полах зданий, например, 60×60 см. Целью является изготовление модульного оборудования, что позволяет серийное производство с упрощением материально-технического обеспечения, иными словами, уменьшение необходимого количества деталей и поставляемых материалов, упрощение поставки и обслуживания. Дальнейшее преимущество заключается в уменьшении уровня шума оборудования.
Трубка теплообменника на входе и выходе соединена с четырехтрубной системой распределения рабочей среды, причем все подающие и отводящие трубы для охлаждающей и нагревающей рабочей среды имеют связанные между собой запорные клапаны, препятствующие одновременной подаче и отводу из теплообменника охлаждающей и нагревающей рабочей среды, а в подающих трубах для охлаждающей и нагревающей рабочей среды по направлению к теплообменнику установлены индивидуальные регулирующие клапаны, выходы которых соединены с трубой на входе теплообменника, при этом выходы запорных клапанов по направлению к теплообменнику соединены с трубой на выходе теплообменника. Регулирующие клапаны, управляющие потоком охлаждающей и нагревающей рабочей среды, индивидуально связаны через регулятор с датчиком комнатной температуры в кондиционируемой зоне. Предусмотрен, по меньшей мере, один дополнительный узел теплообменника с вентилятором, распределительным воздуховодом и воздухораспределительным элементом, который может быть параллельно подключен к трубе на входе и к трубе на выходе теплообменника. С точки зрения регулирования, предпочтительно, если единственный датчик комнатной температуры, установленный в помещении наибольшей площади или в таком помещении, где имеется наибольшая потеря тепла или повышение температуры, управляет более чем одним узлом устройства.
В распределительный воздуховод, ведущий от узла теплообменника с вентилятором, может входить воздуховод для подачи свежего воздуха от центральной станции обработки наружного воздуха, для обеспечения циркуляции воздуха в кондиционируемом помещении, который подсоединен в направлении потока циркулирующего воздуха. Таким образом достигается эффект впрыскивания, помогающий перемещению воздуха, причем без уменьшения отдачи от устройства. Запорные клапаны, регулирующие клапаны и дополнительные элементы электрооборудования могут быть установлены в корпусе устройства. Все это увеличивает компактность устройства.
Краткое описание чертежей
Изобретение далее иллюстрируется прилагаемыми чертежами и следующим описанием конкретного примера одного возможного воплощения.
Фиг.1 является видом сбоку частичного сечения горизонтального потолочного варианта кондиционирующего устройства.
Фиг.2 является горизонтальной проекцией варианта по Фиг.1.
Фиг.3 схематично изображает систему из более чем одного кондиционирующего устройства, состоящую из устройства-мастера и подключенного к нему зависимого устройства, причем выпуски обоих устройств через индивидуальные распределительные трубы соединены с соответствующими распределительными элементами, в данном варианте являющимися анемостатами. Четырехтрубная система для распределения рабочей среды ведет в теплообменник мастер-устройства, с которым она соединена посредством соответствующих запирающих и регулирующих клапанов двухтрубного соединения. Дополнительное, параллельно подключенное зависимое кондиционирующее устройство присоединено к этому двухтрубному соединению посредством двухтрубной системы для распределения рабочей среды.
На фиг.4 показано соединение четырехтрубной системы для распределения рабочего носителя с мастер-устройством.
Фиг.5 показывает вид сбоку, в частичном сечении, а также горизонтальную проекцию распределительного элемента, в данном случае являющегося анемостатом.
Осуществление изобретения
3
2
Устройство для охлаждения и нагрева (далее именуемое кондиционирующее устройство) содержит многодисковый теплообменник 1 большой площади для воздушного потока с расходом около 400 м/час и с фронтальной площадью потока около 0,2 м. Теплообменник 1, высотой примерно от 220 до 250 мм, является трехрядным (может быть также двух- или четырехрядным) и содержит 3 ряда медных трубок диаметром от 0,8 до 1,2 см, на которые нанизаны ступенчатые продолговатые ребра из алюминиевого сплава, плотно прилегающие к поверхностям медных трубок. Один из этих рядов может использоваться для независимого присоединения к нагревательной распределительной системе, остальные ряды могут быть присоединены к распределительной системе охлаждающей воды. Теплообменник установлен, вместе с вентилятором 4, в корпусе 14 кондиционирующего устройства, имеющего впуск для забора циркулирующего воздуха и выпуск для кондиционированного воздуха. Вентилятор 4 расположен на выходной стороне теплообменника 1, а под теплопередающей поверхностью теплообменника 1 находится резервуар 2 для сбора конденсата. Теплопередающая поверхность теплообменника 1 плотно закрыта с обоих концов корпусом 14, имеющим плотно пригнанную крышку 7, обеспечивающую доступ для технического обслуживания. Теплопередающая поверхность теплообменника 1 представляет собой кольцевой участок в виде цилиндра, ось которого перпендикулярна направлению горизонтального потока входящего циркулирующего воздуха, а открытая часть цилиндра плотно прилегает по всей своей высоте к вертикальной закрывающей стенке корпуса 14. Внутри этой цилиндрической теплопередающей поверхности расположен всасывающий вентилятор 4, выпуск которого проходит с уплотнением сквозь вертикальную закрывающую стенку корпуса 14 в области открытой части цилиндра теплопередающей поверхности теплообменника 1 и соединяется через диффузор 8 посредством распределительного воздуховода 9 с воздухораспределительным элементом 10. Дополнительный резервуар для сбора конденсата, сообщающийся с отверстием для выпуска конденсата, может быть присоединен к резервуару 2 для сбора конденсата в форме кольцевого участка, расположенного под имеющей соответствующую форму теплопередающей поверхностью теплообменника 1. На впуске в теплообменник 1 воздуха, предназначенного для кондиционирования, расположен грязевой фильтр 3, форма которого соответствует этой впускной части теплообменника 1.
Во внутреннем пространстве, определяемом в данном варианте изобретения теплообменником 1, расположен радиальный вентилятор 4 в спиралевидном корпусе 5, так называемый двусторонний всасывающий вентилятор, способный всасывать воздух с обеих сторон спиралевидного корпуса 5. Альтернативно, может использоваться диагональный вентилятор (не показан). Колесо вентилятора 4 приводится в движение асинхронным электромотором 6, имеющим возможность многоступенчатого или непрерывного регулирования скорости вращения. Данный узел (теплообменник 1, вентилятор 4) расположен в герметичном корпусе 14, так что воздух, всосанный вентилятором 4, не выходит за пределы теплообменной поверхности. Нижняя часть корпуса 14 имеет плотно подогнанную крышку 7, обеспечивающую обслуживание и чистку вентилятора 4 и теплообменника 1 изнутри. На верхней панели корпуса 14 имеются фиксаторы для прикрепления всего устройства к горизонтальной строительной конструкции (например, к потолку комнаты). Альтернативно, корпус 14 прикрепляется нижними фиксаторами к полу здания, в этом случае крышка 7 находится в верхней части корпуса 14.
Вентилятор 4 нагнетает воздух через диффузор 8 в распределительный воздуховод 9, который доставляет воздух к распределительному элементу 10, например, к анемостату, проему, вентиляционному выходу большой площади. Назначение диффузора 8 состоит в уменьшении скорости потока воздуха, выходящего из вентилятора 4, и тем самым уменьшении потери давления в присоединенном распределительном воздуховоде 9. Между распределительным воздуховодом 9 и выходным отверстием диффузора 8 может находиться гибкий элемент, например, гибкая труба или тканевая вставка, которая ограничивает передачу вибрации от устройства кондиционирования воздуха на распределительный воздуховод 9, имеющий диаметр 250 мм. Часть диффузора 8 представляет собой переходной воротник, обеспечивающий простое соединение с гибким элементом или с распределительным воздуховодом 9 нужного диаметра. Кондиционирующее устройство имеет стандартные внешние габариты, соответствующие имеющимся в потолках или полах зданий системам, например, 60×60 см. Целью является изготовление модульного устройства кондиционирования воздуха, что позволяет серийное производство с упрощением материально-технического обеспечения, иными словами, уменьшение необходимого количества деталей и поставляемых материалов, упрощение поставки и обслуживания.
Часть электрического соединения устройства и даже управления устройством, так называемая электрическая оснастка, кроме того, пространство для расположения впусков и выпусков теплообменника 1 могут быть частью устройства кондиционирования воздуха согласно настоящему изобретению, что представляет собой его преимущество. Эти части плотно прилегают к диффузору 8 на выходе устройства. Трубка теплообменника 1 присоединена к трубам подачи и отвода рабочей среды, например, воды, смеси антифриза и т.д. Присоединение трубки теплообменника 1 к четырехтрубной системе распределения рабочей среды выполнено таким образом, что подающие и отводящие трубы для охлаждающей и нагревающей рабочей среды снабжены индивидуальными запорными клапанами 11, препятствующими одновременной подаче и отводу из теплообменника 1 охлаждающей и нагревающей рабочей среды. Они могут быть взаимно соединены электрическим образом с независимыми управляющими элементами или связаны механически. В рабочем режиме нагрева вначале открывается двухпозиционный запорный клапан контура горячей воды. Этот двухпозиционный запорный клапан связан с запорным клапаном 11 контура охлаждающей воды, который одновременно закрывается во время рабочего режима нагрева. Это происходит аналогично противоположной последовательности работы двух запорных клапанов 11 во время рабочего режима охлаждения.
Непосредственное управление нагревающей и охлаждающей работой теплообменника 1 осуществляется с помощью регулирующих клапанов прямого действия или двухходовых регулирующих клапанов 12, снабженных, например, термальными головками или приводными механизмами, соединенными через регулятор с датчиком 13 комнатной температуры в кондиционируемой зоне. Регулирующие клапаны 12 управляют потоком нагревающей или охлаждающей рабочей среды в соответствии с требуемой температурой в кондиционируемой зоне.
2
Если охлаждающая рабочая среда имеет температурные параметры 14-18°С (входная-выходная), нагревающая вода -35-30°С (входная - выходная), а заданные параметры в кондиционируемой зоне составляют 22°С для зимы и 24,5°С для лета, то установка кондиционирования воздуха будет иметь охлаждающую или нагревающую мощность около 1,2 кВт при стандартных офисных условиях, например, при полезной площади 10-15 м. Для офисов с большей площадью должны быть добавлены дополнительные кондиционирующие устройства. В этом случае с точки зрения управления будет удобно, если несколько устройств управляются одним датчиком 13 комнатной температуры. Согласно настоящему изобретению, единственный датчик 13 комнатной температуры может управлять управляющим кондиционирующим устройством, т.е. так называемым мастер-устройством, снабженным набором вышеописанных клапанов (запорные клапаны 11 и регулирующие клапаны 12 прямого действия), так что после регулирующих клапанов 12 прямого действия, расположенных по направлению кондиционирующего устройства, от впусков и выпусков теплообменника 1 индивидуально отходят ответвления двухтрубного соединения, которые идут в направлении других (зависимых) кондиционирующих устройств, присоединенных параллельно к главному устройству. Если единственный распределительный элемент 10 используется как для подачи свежего воздуха от центральной станции обработки наружного воздуха, так и для подачи циркулирующего воздуха, поступающего из кондиционирующего устройства, то подача наружного воздуха должна быть обеспечена таким образом, чтобы не уменьшалась эффективность кондиционирующего устройства, т.е. ввод наружного воздуха должен производиться в направлении потока циркулирующего воздуха, что создает эффект впрыскивания и помогает перемещению воздуха.
Решение в соответствии с настоящим изобретением ни в коей мере не уменьшает площадь пола, доступную арендатору или пользователю помещения. Оно весьма гибко и с точки зрения архитектуры позволяет достигать разнообразия интерьерных решений путем подходящего выбора воздухораспределительного элемента. Преимущество заключается в уменьшении необходимости ограничивать поток воздуха через вентиляторный теплообменник, в результате чего в значительной степени избегается ухудшение способности к нагреву и охлаждению из-за засорения фильтра. Дальнейшее преимущество заключается в том, что подача свежего воздуха и циркулирующего воздуха от вентиляторного теплообменника может направляться на один и тот же распределитель. При правильной подаче свежего воздуха путем использования индуктивного эффекта может достигаться увеличение потока (следовательно, увеличение нагревающей и охлаждающей эффективности). Путем установки рядом друг с другом нескольких узлов может достигаться желаемое привнесение на площадь тепла или холода в помещениях с большой интерьерной глубиной.
Изобретение может использоваться для охлаждения и нагрева помещений в зданиях.
Обозначения: 1 - теплообменник; 2 - резервуар для сбора конденсата; 3 - фильтр; 4 - вентилятор; 5 - спиралевидный корпус вентилятора; 6 - электромотор вентилятора; 7 - крышка корпуса; 8 - диффузор; 9 - распределительный воздуховод; 10 - воздухораспределительный элемент; 11 - запорные клапаны; 12 - регулирующие клапаны; 13 - датчик комнатной температуры; 14 - корпус.