ТЕПЛООБМЕННИК ВОЗДУХ-ВОЗДУХ
AIR-TO-AIR HEAT EXCHANGER

Изобретение касается теплообменника воздух-воздух для вентиляционных систем, согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения.
Современные строительные нормы требуют от отапливаемых зданий параметров герметичности обшивки зданий, которые приводят к необходимости контролируемого проветривания. При этом проветривании спертый, т.е. насыщенный вредными веществами и влагой воздух транспортируется наружу и заменяется свежим, содержащим кислород наружным воздухом. Раньше это происходило путем регулярного проветривания через окна и наружные двери, что часто не могло осуществляться в достаточной степени, например, в периоды длительного отсутствия жильцов здания. Кроме того, при проветривании нагретый воздух помещения заменяется холодным наружным воздухом, что, в свою очередь, требует энергозатрат для нагрева свежего воздуха. Это невыгодно с точки зрения экологии и затрат.
Уже давно применяются разные виды систем проветривания, которые работают с регенерацией тепла. При этом часть энергосодержания нагретого отработавшего воздуха передается подведенному свежему воздуху. Это происходит, как правило, с помощью перекрестноточного теплообменника или ротационного теплообменника при высоких затратах на оборудование, которые приводят к относительной дороговизне этих устройств. Другим вариантом являются так называемые устройства для реверсивного проветривания, в которых вентилятор через определенные интервалы времени изменяет направление своего вращения и при этом изменяет направление нагнетания, и, таким образом, сначала некоторая доля спертого воздуха помещения выдувается наружу, в то время как затем вслед за этим при встречной тяге свежий воздух движется внутрь.
Противоточные теплообменники известны, например, из DE 10 2006 051003 A1, DE 10 2006 035531 A1, DE 10 2005 045734 A1, DE 10 2005 035712 A1 и DE 10 2004 046587 A1 и EP 2077428 A2. Немецкая заявка на патент DE 10 2008 058817 A1, которая представляет ближайший уровень техники, раскрывает теплообменник воздух-воздух, который работает по принципу противотока и у которого первый воздушный поток движется в закрытых трубах, в то время как второй воздушный поток, который направлен встречно первому воздушному потоку, расположен в промежутке между трубами и цилиндрическим наружным корпусом. Для нагнетания встречно направленных воздушных потоков служит вентилятор, который расположен на конце цилиндрического корпуса и включает в себя внутреннее кольцо и наружное кольцо, нагнетающее во встречном направлении и концентрически расположенное вокруг внутреннего кольца. Пространства наружного кольца и внутреннего кольца отделены друг от друга цилиндрической стенкой. В одном из вариантов осуществления трубы, начиная от вентилятора, сначала конически расходятся, затем проходят параллельно и в самом конце снова конически сходятся. Таким образом трубы обдуваются вторым воздушным потоком в промежутке между трубами, так что может осуществляться эффективный теплообмен.
Конструкция этого теплообменника, однако, является относительно трудоемкой, так что ее изготовление требует больших затрат. Кроме того, по возможности делаются попытки еще большего повышения эффективности теплообменника.
Поэтому задачей настоящего изобретения является конструктивно усовершенствовать описанный выше теплообменник из DE 10 2008 058817 A1, в частности, упростить его конструкцию, так чтобы его изготовление стало более экономичным. Одновременно усовершенствованный теплообменник должен иметь такой же или даже более высокий коэффициент полезного действия, как и теплообменник, известный из уровня техники.
Эти задачи в соответствии с изобретением решаются с помощью теплообменника воздух-воздух с признаками п.1 формулы изобретения.
Предлагаемый изобретением теплообменник включает в себя пучок прямых, параллельно расположенных труб, концевые части которых на стороне, которая обращена к вентилятору, заключены в кольцевой конец цилиндрической стенки, которая отделяет друг от друга пространства наружного кольца и внутреннего кольца, в то время как концевые части труб на противоположной стороне заключены в конец соответствующего цилиндрического патрубка. При этом концевые части плотно, то есть без промежутка, прилегают друг к другу, так что между соседними концевыми частями не может протекать воздушный поток. Между концевыми частями трубы сужаются к средним участкам, между которыми имеются промежутки внутри пучка. При этом воздух противотока, то есть так называемого второго воздушного потока, может проникать в пучок и свободно обтекать средние участки труб. Внутренняя стенка корпуса в области этих средних участков облицована изолирующей вставкой в форме втулки или оболочки, которая, например, может легко вставляться или вдвигаться в корпус. Изолирующая вставка уменьшает внутренний диаметр корпуса и при этом сужает поперечное сечение потока. Второй воздушный поток, который направляется в наружном кольце, вследствие этого сужения направляется внутрь, так что он неизбежно должен обтекать трубы и за изолирующей вставкой снова радиально выходить из пучка труб наружу. Изолирующая вставка служит в первую очередь для теплоизоляции и, кроме того, может иметь функцию звукоизоляции.
Направление первого воздушного потока внутри труб упрощается благодаря возможности применения прямых и параллельных труб. Они должны быть только снабжены выполненными в соответствующей форме концевыми частями, которые плотно соединяются и могут заключаться в цилиндрическую стенку, соответственно, противоположный патрубок. Уплотнение соседних концевых частей друг относительно друга может осуществляться путем склеивания, сваривания или тому подобного. Сами трубы могут, например, изготавливаться из обычных имеющихся в продаже цельнотянутых труб, концы которых только расширяются и формуются так, чтобы они могли соединяться вышеописанным образом без промежутков. Однако можно также объединять концевые части на данном одном конце пучка труб в один единственный цельный конструктивный элемент, так чтобы соседние концевые части были отделены друг от друга перегородками и в поперечном сечении образовывали сотовую структуру.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения по меньшей мере часть концевых частей имеет многоугольное поперечное сечение. Тогда стороны многоугольников образуют контактные поверхности, соответственно, разделительные поверхности концевых частей.
Предпочтительно это многоугольное поперечное сечение концевых частей представляет собой шестиугольник.
Также предпочтительно по меньшей мере упомянутые концевые части соответственно на одном конце пучка выполнены цельно из отлитой под давлением детали и образуют внутри этой отлитой под давлением детали сотовую структуру.
В этой отлитой под давлением детали на концевых частях могут быть предпочтительно отформованы присоединительные элементы для помещения участков труб, которые образуют средние участки. Отлитая под давлением деталь может также включать в себя кольцевой концевой участок цилиндрической стенки, соответственно, патрубка, в котором заключены концевые части.
Также предпочтительно средние участки труб на своей внутренней стороне и/или на своей наружной стороне имеют структурированную поверхность. Она создает турбулентности, которые улучшают теплопередачу между воздушными потоками. Такие структуры могут, например, образовываться желобками или выступами на поверхностях труб.
По другому варианту осуществления изобретения концевые части плотно соединены друг с другом, с кольцевым концом цилиндрической стенки и/или с концом противоположного цилиндрического патрубка путем склеивания или сварки.
Также предпочтительно изолирующая вставка имеет концевые поверхности, имеющие скошенное поперечное сечение, через которые внутренний диаметр изолирующей вставки переходит в больший внутренний диаметр соседних участков внутренней стенки корпуса. Таким образом, от вентилятора второй воздушный поток течет через наружное кольцо сначала к одной из этих скошенных концевых поверхностей на торцевой стороне изолирующей вставки и вдавливается по ней внутрь в пучок труб. Изолирующая вставка проходит по участку длины пучка, который достаточен, чтобы служить для эффективного теплообмена между воздушными потоками. На конце изолирующей вставки поперечное сечение потока снова расширяется посредством скошенной концевой поверхности, которая снова направляет второй воздушный поток наружу вокруг цилиндрического патрубка, в котором заключены противоположные вентилятору концевые части труб.
Также предпочтительно внутренняя стенка корпуса имеет структурированную поверхность. Она создает турбулентности, которые приводят к еще лучшей теплопередаче между воздушными потоками.
По другому предпочтительному варианту осуществления изолирующая вставка состоит из вспененного полимера.
Ниже предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения поясняются подробнее с помощью чертежей.
Фиг.1 и 2 представляют собой схематичные продольные сечения одного из вариантов осуществления предлагаемого изобретением теплообменника воздух-воздух, а
фиг.3 и 4 представляют собой виды сверху концов заключенного пучка труб внутри теплообменника с фиг.1 и 2.
Изображенный на фиг.1 и 2 теплообменник 10 представляет собой теплообменник воздух-воздух, имеющий цилиндрический корпус 12, который открыт на своих концах. На одном конце корпуса 12 (на фигурах слева) в корпус 12 вставлен вентилятор 14. Ось вращения вентилятора 14 соответствует оси вращения корпуса 12. Термин «цилиндрический» в отношении корпуса 12 не должен обозначать исключительно точную цилиндрическую форму, а возможны также отклонения от нее, например, многоугольное поперечное сечение.
Привод вентилятора 14 осуществляется от двигателя 16, который установлен на его центральной оси. Пространство вокруг двигателя 16 образует внутреннее кольцо 18, вокруг которого, в свою очередь, расположено наружное кольцо 20, охватывающее внутреннее кольцо 18. Внутреннее кольцо 18 и наружное кольцо 20 отделены друг от друга цилиндрической стенкой 22. Снаружи наружное кольцо 20 ограничено внутренней стенкой 24 корпуса 12.
Во внутреннем кольце 18 и наружном кольце 20 транспортируются воздушные потоки во встречном направлении. Воздушный поток во внутреннем кольце 18 ниже будет называться первым воздушным потоком, посредством которого воздух транспортируется из корпуса 12 на конце теплообменника 10, на котором расположен вентилятор 14. В отличие от этого, в наружном кольце 20 транспортируется второй воздушный поток, посредством которого воздух на снабженном вентилятором конце транспортируется внутрь теплообменника 10.
Для транспортировки этих встречно направленных воздушных потоков нагнетательное колесо вентилятора 14 проходит радиально наружу до наружного кольца 20 и внутрь него. Лопасти 26 внутреннего кольца 18 установлены встречно лопастям 28 наружного кольца 20, так что при вращении вентилятора 14 воздух может нагнетаться/транспортироваться в данные кольца 18, 20 во встречных направлениях, и создаются первый и второй воздушные потоки, как описано выше.
Расположение вентилятора 14, внутреннего кольца 18 и наружного кольца 20 и разделяющей цилиндрической стенки 22 по существу уже известно из DE 10 2008 058817 A1.
Внутри теплообменника 10 встречно направленные воздушные потоки обмениваются теплом друг с другом, однако движутся в отдельных структурах, так что эти два воздушных потока не могут смешиваться. Эти структуры включают в себя центральный пучок 30 труб, который включает в себя некоторое количество прямых, параллельно расположенных труб 32. Концевые части 34 этих труб 32 имеют поперечное сечение, которое отличается от поперечного сечения средних участков 36 труб 32 между концевыми частями 34. А именно, в то время как средние участки 36 в настоящем случае имеют круглое поперечное сечение, концевые части 34 расширены с получением многоугольного поперечного сечения. На виде в плане на фиг.3 и 4 видно, что это многоугольное поперечное сечение представляет собой правильный шестиугольник. Благодаря этой форме концевые части 34 могут компоноваться с получением правильной структуры в виде пчелиных сот, как легко можно видеть на фиг.3 и 4. Тогда между концевыми частями 34 больше не остается промежутков, так как концевые части 34 плотно соединены, и между ними больше не может протекать воздух.
Концевые части 34 могут быть, например, цельно соединены в одну единственную отлитую под давлением деталь из полимера, которая в поперечном сечении имеет структуру в виде пчелиных сот. Эта отлитая под давлением деталь может также включать в себя и другие компоненты присоединительных элементов, такие как, например, присоединительные элементы для помещения участков труб, которые образуют средние участки 36. На эти присоединительные элементы или внутри них могут быть наклеены или вклеены или насажены, соответственно, вставлены концы средних участков.
Как, в частности, видно на фиг.1, средние участки 36 труб 32 внутри пучка 30 не прилегают плотно друг к другу. Более того, между этими средними участками 36 имеются промежутки 40, через которые может протекать воздух.
Со стороны вентилятора 14 концевые части 34 труб 32 плотно заключены в кольцевой конец 42 цилиндрической стенки 22, которая отделяет друг от друга внутреннее кольцо 18 и наружное кольцо 20. Выражение «плотно» должно здесь также означать, что воздух не может проходить по пучку 30 труб сбоку, а что, более того, обеспечено заключение пучка 30 в кольцевой конец 42 стенки 22 гидравлически плотным образом. Таким же образом встречно направленные концевые части 34 на стороне теплообменника 10, которая находится напротив вентилятора 14 (то есть на правой стороне на фиг.1), заключены в конец 44 цилиндрического патрубка 46, диаметр которого примерно соответствует цилиндрической стенке 22. Это заключение пучка 30 труб также осуществляется гидравлически плотным образом, т.е. цилиндрический патрубок 46 охватывает пучок 30 труб таким образом, что воздух не может проходить по пучку 30. Разумеется, что и на этом конце концевые части 34 заключены, прилегая друг к другу гидравлически плотным образом. Кольцевой конец 42 цилиндрической стенки 22 и/или конец 44 цилиндрического патрубка 46 тоже могут выполняться в виде отлитой под давлением детали, которая включает в себя сотовую структуру для образования концевых частей 34, как описано выше.
Цилиндрический патрубок 46 открыт в направлении обращенной от вентилятора 14 стороны теплообменника 10. Как обозначено на фиг.1 стрелками A, при работе вентилятора 14 воздух в первом воздушном потоке всасывается через это отверстие, проникает через концевые части 34 в пучок 30 труб, направляется в трубы 32 и через обращенные к вентилятору концевые части 34 входит в пространство внутреннего кольца 18, где он протекает через вентилятор 14 и в самом конце может выходить из корпуса 12. При этом первый воздушный поток транспортируется внутри теплообменника 12 через пучок 30 труб.
В отличие от этого, встречно направленный второй воздушный поток транспортируется/нагнетается через корпус 12 так, что он входит в пучок 30 труб и обходит вокруг средних участков 36 отдельных труб 32, так что может происходить теплообмен. В частности, второй воздушный поток слева (стрелки B) через наружные лопасти 28 вентилятора 14 втягивается в наружное кольцо 20, направляется через сужение 48 внутренней стенки 24 корпуса 12 внутрь между трубами 32 пучка 30 труб и в конце пучка 30 труб снова направляется наружу вокруг цилиндрического патрубка 46, так что в самом конце второй воздушный поток может выходить радиально наружу.
Сужение 48 образуется цилиндрической изолирующей втулкой 50, которая облицовывает внутреннюю стенку 24 корпуса 12 в области средних участков 36 и уменьшает внутренний диаметр корпуса 12. Сужение 48 может также образовываться с помощью одной или нескольких выпуклых изолирующих оболочек, которые прилегают к внутренней стенке корпуса 12. Торцевые стороны этой изолирующей втулки 50 образуются концевыми поверхностями 52, 54, имеющими скошенное поперечное сечение, через которые внутренний диаметр изолирующей втулки 50 переходит в больший внутренний диаметр соседних участков внутренней стенки корпуса 12. Концевые поверхности 52, 54 направляют второй воздушный поток радиально внутрь, соответственно, наружу. При этом от наружного кольца 20 второй воздушный поток сначала попадает на первую концевую поверхность 52 изолирующей втулки 50, по которой второй воздушный поток направляется между трубами 32 пучка 30. Целесообразным образом внутреннее поперечное сечение изолирующей втулки 50 только несущественно больше, чем поперечное сечение пучка 30 труб, так что пучок 30 интегрирован в изолирующую втулку 50. При этом внутри изолирующей втулки 50 второй воздушный поток течет между трубами 32. В конце пучка 30 второй воздушный поток по оконечной концевой поверхности 54 снова направляется наружу вокруг цилиндрического патрубка 46.
Изолирующая втулка 50 дает дополнительное преимущество уменьшения потерь энергии наружу. Кроме теплоизоляции, изолирующая оболочка 40 дополнительно может обеспечивать звукоизоляцию. Эти преимущества соответственно относятся к изолирующей оболочке. Изолирующая втулка 50 состоит, например, из вспененного полимера, такого как, например, полистирол или полипропилен. Пригодны и другие полимеры, такие как, например, ПВХ (поливинилхлорид).
Внутренняя стенка 24 корпуса 12 может иметь структурированную поверхность, то есть, например, быть снабжена желобками (гофрами) или тому подобным, так чтобы второй воздушный поток завихрялся. Это приводит к дополнительному улучшению теплоотдачи. Кроме того, средние участки 36 труб 34 могут иметь структурированную поверхность на своей внутренней стороне и/или на своей наружной стороне. Эти структуры могут, например, образовываться желобками или выступами на данных поверхностях. Структуры могут также служить для изменения направления воздушного потока.
Трубы 32 могут также представлять собой обычные цельнотянутые трубы, имеющие цилиндрическое поперечное сечение, которые на своих концах расширяются с получением многоугольного поперечного сечения, так что образуются концевые части 34. Затем эти части должны только собираться и свариваться или склеиваться друг с другом для образования пучка труб.
Для обеспечения хорошего замыкания с кольцевым заключением посредством конца 42 цилиндрической стенки 22 и конца 44 патрубка 46 поперечные сечения концевых частей 34, находящихся в пучке 30 снаружи, могут отличаться от поперечных сечений внутри пучка 30. Это отчетливо видно на фиг.2 и 4. Здесь имеются концевые части, находящиеся снаружи, такие как, например, та, которая наглядно обозначена ссылочным обозначением 56, которые отличаются от шестиугольного поперечного сечения остальных концевых частей 34 в середине пучка 30. Закругленная наружная поверхность 58 этой концевой части 56 служит в этом случае контактной поверхностью с цилиндрической стенкой 22, соответственно, патрубком 46. При этом наружными контурами находящихся снаружи концевых частей 34 может воспроизводиться круглый периметр пучка 30 на его концах, который может точно интегрироваться в цилиндрическую стенку 22 и патрубок 46.