Воздушный пластинчатый рекуператор
AIR PLATE-TYPE RECUPERATIVE HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к устройствам для рекуперации тепла путём теплообмена между двумя теплоносителями.
Известен воздушный пластинчатый рекуператор, включающий корпус прямоугольного сечения, разделённый установленными в нём теплообменными пластинами на ряд каналов, имеющих одинаковую ширину, воздуховод для первого теплоносителя, сообщающийся с одной половиной каналов, и воздуховод для второго теплоносителя, сообщающийся с другой половиной каналов, причём каналы для первого теплоносителя чередуются с каналами для второго (Сферы использования и устройство пластинчатого рекуператора воздуха: особенности выбора и обзор лучших моделей / https://ventilsystem.ru/klimaticheskaya-texnika/rekuperator/plastinchatyj-rekuperator.html. Дата обращения 15.08.2020). Движение потоков теплоносителей по каналам сопровождается теплообменом между нагретым и холодным воздухом через теплообменные пластины, вследствие чего один из теплоносителей охлаждается, а другой нагревается.
Недостатком известного технического решения являются завышенные ширина и масса в том случае, если воздушный пластинчатый рекуператор предназначен для теплообмена между потоками, расходы которых значительно различаются. Ширина всех каналов одинаковая, поэтому скорость воздуха в каналах с меньшим расходом ниже скорости в каналах с бόльшим расходом. Ширина каналов с меньшим расходом, а, следовательно, и всего корпуса оказываются завышенными, что обусловливает соответствующее увеличение массы рекуператора.
Известен также воздушный пластинчатый рекуператор, включающий корпус прямоугольного сечения, разделённый установленными в нём теплообменными пластинами на ряд каналов, имеющих одинаковую ширину, воздуховод для первого теплоносителя, сообщающийся с одной половиной каналов, и воздуховод для второго теплоносителя, сообщающийся с другой половиной каналов, причём каналы для первого теплоносителя чередуются с каналами для второго, а теплообменные пластины выполнены с бортиками по периметру, имеющими выходные щели в виде вырезов в торцевых участках бортиков (Лысцев С. А. Элемент пластинчатого рекуператора для систем приточно-вытяжной вентиляции: пат. 194750 Российская Федерация. 2019.  Бюл. № 36).
Недостаток данного воздушного пластинчатого рекуператора тот же, что и предыдущего.
Целью изобретения является уменьшение ширины и массы воздушного пластинчатого рекуператора за счёт обеспечения соответствия ширины каналов расходам теплоносителей.
Указанная цель достигается тем, что в предлагаемом воздушном пластинчатом рекуператоре, включающем корпус прямоугольного сечения, разделённый установленными в нём теплообменными пластинами на ряд каналов, воздуховод для первого теплоносителя, сообщающийся с одной половиной каналов, и воздуховод для второго теплоносителя, сообщающийся с другой половиной каналов, причём каналы для первого теплоносителя чередуются с каналами для второго, ширина каналов выполнена в соответствии с формулами:
1
2
где δ, δ - ширина канала для первого и второго теплоносителя соответственно;
λ - коэффициент аэродинамического сопротивления канала;
l, h - длина и ширина теплообменной пластины соответственно;
1
2
ρ, ρ - среднее значение плотности первого и второго теплоносителя в соответствующем температурном диапазоне;
[Δр] - допускаемое аэродинамическое сопротивление канала;
z - количество теплообменных пластин;
1
2
Q, Q - объёмный расход первого и второго теплоносителя соответственно.
1
2
Конструкция предлагаемого воздушного пластинчатого рекуператора показана на фиг. 1 (воздуховоды для теплоносителей не изображены). В корпусе 1 закреплены теплообменные пластины 2 таким образом, что образуются каналы 3 и 4. Ширина канала для первого теплоносителя - δ, для второго - δ. Число теплообменных пластин z (на фиг. 1 z = 5), общее число каналов равно z + 1, половина из них, т. е. , служит для перемещения первого теплоносителя (каналы 3), другая половина - для второго (каналы 4). Размеры теплообменной пластины 2: длина - l, высота - h. Ширина полости корпуса равна В. Толщина теплообменной пластины 2, толщина стенок корпуса 1 и способ закрепления теплообменной пластины в корпусе принципиального значения не имеют.
Первый теплоноситель, показанный на фиг. 1 чёрными стрелками, поступает в каналы 3, второй, показанный белыми стрелками, - в каналы 4. Движение теплоносителей вдоль каналов сопровождается теплопередачей от нагретого теплоносителя к холодному через теплообменные пластины 2, в результате которой нагретый охлаждается, а холодный нагревается.
1
2
Значения ширины δ канала 3 и δ канала 4 определены следующим образом.
1
2
1
2
1
2
Объёмный расход первого теплоносителя равен Q, второго - Q, и Q > Q. Из теплового расчёта (в данном описании не приводится) получена необходимая для рекуперации площадь F теплопередающей поверхности. В соответствии с имеющимся пространством для размещения воздушного пластинчатого рекуператора назначены размеры h и l теплообменной пластины (см. фиг. 1). Исходя из соответствующих температурных диапазонов, получены средняя плотность ρ первого и ρ второго теплоносителя. Предполагается включение рекуператора в систему вентиляции, исходя из энергетических возможностей которой установлено допускаемое аэродинамическое сопротивление канала [Δр].
Число пластин
Полученное число округляется до целого нечётного в бόльшую сторону.
1
2
Величина [Δр] мала по сравнению с атмосферным давлением, поэтому для минимально допустимых δ и δ справедливы равенства [Ковалевский В.Ф. Теплообменные устройства и тепловые расчёты гидропривода горных машин. - М.: Недра, 1972. - 224 с.]:
1
2
где λ, λ - коэффициент аэродинамического (линейного) сопротивления канала для первого и второго теплоносителя соответственно;
1
2
d, d - характерный размер (гидравлический диаметр) канала 3 и канала 4 соответственно;
1
2
v, v - скорость на входе в канал 3 и канал 4 соответственно.
1
2
1
2
Высокие скорости потоков в каналах обусловливают, как правило, турбулентный характер течения, при котором значения λ и λ слабо различаются. Поэтому с достаточной степенью точности принято, что λ ≈ λ = λ.
1
2
1
1
2
2
Для щелевидных каналов (δ << h; δ << h) d = 2δ; d = 2δ.
Скорости на входах в каналы 3 и 4:
С учётом вышеприведённых соотношений,
откуда ширина канала 3
(а)
Из равенства аэродинамического сопротивления каналов 3 и 4 следует, что ширина канала 4 при известной ширине канала 3 может быть получена по формуле
(б)
Значения ширины каналов, полученные по формулам (а) и (б), минимальны по критерию допускаемого аэродинамического сопротивления. Поэтому и ширина В корпуса 1 (см. фиг. 1), определяющаяся суммарной шириной всех каналов, также будет минимальной.
Такое выполнение ширины канала позволит обеспечить её соответствие расходу теплоносителя и минимизировать ширину и массу воздушного пластинчатого рекуператора.