ПЛАСТИНЧАТЫЙ ТЕПЛОУТИЛИЗАТОР
PLATE-TYPE HEAT RECOVERY UNIT

Изобретение относится к теплообменным устройствам для газовых сред и может быть использовано, в частности, для рекуперации теплоты вытяжного влажного воздуха в приточно-вытяжных вентиляционных системах.
Известны пластинчатые теплоутилизаторы рекуперативного типа [1], содержащие пластины из теплопроводного материала, образующие чередующиеся каналы для греющего и нагреваемого теплоносителей, и работающие по схеме перекрестного тока. Они имеют невысокую тепловую эффективность и отличаются громоздкостью.
Существенно большее значение коэффициента рекуперации тепла греющего теплоносителя может быть достигнуто в теплоутилизаторах [2] и [3], работающих по схеме противотока. Недостатком известных устройств с противоточным движением обменивающихся теплотой сред является их конструктивная сложность, трудоемкость изготовления и ремонта.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является пластинчатый теплоутилизатор, содержащий вертикальные пластины из теплопроводного материала, образующие чередующиеся каналы для греющего и нагреваемого теплоносителей, горизонтальные дно и крышку с прокладками из эластичного материала, рамный каркас, состоящий из боковых, верхних и нижних связей, примыкающие к боковым связям планки, входные и выходные патрубки, обтекатели, замыкающие соответствующие каналы и имеющие разъемные соединения с кромками пластин, дренажные отверстия, соединенные с дренажными коллекторами [4] - прототип. Известное устройство [4] работает по схеме противотока и имеет повышенный КПД. Его недостатком, как и известных устройств [2] и [3], является необходимость изменять режим работы по отношению к номинальному для оттаивания льда, откладывающегося на стенках каналов для прохода влажного греющего теплоносителя в зимнее время. Оттаивание льда осуществляется путем прекращения подачи нагреваемого теплоносителя, либо уменьшения его расхода на определенное время, необходимое для оттаивания. Такой режим работы вентиляционных систем с переменной подачей свежего воздуха во многих случаях является недопустимым. Недостатком является и то, что в угловых участках каналов, примыкающих к размещенным на крышке патрубкам, при поворотах потоков теплоносителей на 90° образуются застойные зоны с малоинтенсивным теплообменом. В связи с этим, часть площади теплопередающих пластин, приходящаяся на застойные зоны, работает с низкой эффективностью.
Задача настоящего изобретения состоит в обеспечении оттаивания льда на стенках каналов теплоутилизатора в процессе его работы с регламентным номинальным режимом, а также в повышении эффективности работы.
Поставленная задача решается тем, что пластинчатый теплоутилизатор, содержащий вертикальные пластины из теплопроводного материала, образующие чередующиеся каналы для греющего и нагреваемого теплоносителей, горизонтальные дно и крышку с прокладками из эластичного материала, рамный каркас, состоящий из боковых, верхних и нижних связей, примыкающие к боковым связям планки, входные и выходные патрубки, обтекатели, замыкающие соответствующие каналы и имеющие разъемные соединения с кромками пластин, дренажные отверстия, соединенные с дренажными коллекторами, дополнительно снабжен поворотными камерами для теплоносителей, которые расположены на одной из торцовых сторон теплоутилизатора, а с другой, противоположной, торцовой стороны установлена реверсивная камера, имеющая перегородки и два гибких рукава, один конец которых закреплен неподвижно, а другой имеет возможность перемещаться и соединяться либо с выходными, либо с входными патрубками, торцовые кромки вертикальных пластин из теплопроводного материала выполнены со срезанными углами.
В отличие от известного устройства, наличие поворотных камер для теплоносителей позволяет выполнять теплоутилизатор двухходовым по обоим теплоносителям. Последнее в свою очередь дает возможность расположить вход и выход каждого из теплоносителей в непосредственной близости друг от друга в реверсивной камере.
Наличие реверсивной камеры, имеющей перегородки и два гибких рукава, один конец которых закреплен неподвижно, а другой конец имеет возможность перемещаться и соединяться либо с входным, либо с выходным патрубками греющего и нагреваемого теплоносителей, позволяет периодически изменять направления движения теплоносителей и тем самым осуществлять оттаивание льда, образующегося в зимнее время на стенках каналов для прохода влажного греющего теплоносителя. Образующаяся при плавлении льда жидкость стекает в виде пленки по поверхности каналов, достигает дренажных отверстий и через них выводится в дренажные коллекторы. Часть образующейся жидкости может уноситься в виде капель потоком греющего теплоносителя. В поворотной камере для греющего теплоносителя унесенные капли за счет действия центробежной силы выделяются из потока и также выводятся из теплоутилизатора через дренажные отверстия.
Наличие угловых срезов на торцовых кромках вертикальных теплопередающих пластин из теплопроводного материала увеличивает площади проходных сечений входа и выхода теплоносителей в каналы теплоутилизатора. Это, а также отсутствие резких поворотов теплоносителей на 90° способствует уменьшению гидравлического сопротивления теплоутилизатора. При этом повышается и степень использования площади поверхности теплопередачи пластин за счет исключения застойных зон теплоносителей в каналах.
Таким образом, отличительные признаки изобретения позволяют решить поставленную задачу.
Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с прототипом показывает, что заявляемое устройство соответствует критерию изобретения «новизна».
В известных теплоутилизаторах [2], [3] и [4] движение каждого из теплоносителей осуществляется постоянно в одном и том же направлении, отсутствует возможность изменять направление движения на обратное и за счет этого осуществлять оттаивание льда, образующегося в зимнее время на стенках каналов, в процессе регламентного номинального режима работы устройств.
Все это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию изобретения «существенные отличия».
На фиг. 1 показан вид сбоку на пластинчатый теплоутилизатор; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - сечение Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 - узел I на фиг. 2; на фиг. 5 - узел II на фиг. 2.
Пластинчатый теплоутилизатор содержит набор одинаковых вертикальных пластин 1, выполненных из теплопроводного материала, со срезанными углами торцовых кромок. Вертикальные пластины 1 дистанционируются между собой с помощью распределенных по их площади колец-проставок 2, в которые вставлены стержни 3, прошивающие пластины 1. Однотипные обтекатели 4 установлены своими разъемами на угловых срезах торцовых кромок пластин 1. В каждой из четырех зон набора пластин 1 обтекатели 4 размещены так, что замыкают каналы 5 для греющего теплоносителя по тракту движения нагреваемого теплоносителя и соответственно замыкают смежные каналы 6 для нагреваемого теплоносителя по тракту движения греющего теплоносителя. Набор вертикальных пластин 1, крышка 7 с эластичной прокладкой 8 и дно 9 с эластичной прокладкой 10 охвачены каркасом, состоящим из боковых 11, верхних 12 и нижних 13 связей. К боковым связям 11 с одной стороны теплоутилизатора примыкают планки-подушки 14, а с другой стороны - прижимные планки 15, которые прижимаются к набору пластин 1 упорными болтами 16. Пластинчатый теплоутилизатор имеет поворотные камеры 17 для греющего и 18 для нагреваемого теплоносителей. Пространства камер 17 и 18 отделены друг от друга перегородкой 19, имеющей планку 20, которая вместе с уплотняющей прокладкой 21 примыкает к несрезанным частям торцовых кромок вертикальных пластин 1. Со стороны, противоположной поворотным камерам 17 и 18, пластинчатый теплоутилизатор оборудован реверсивной камерой 22, имеющей сплошную продольную 23 и поперечную 24 с угловыми вырезами перегородки. Кроме того, реверсивная камера 22 ниже и выше продольной перегородки 23 содержит по две вертикальных перегородки 25 и 26, расположенных со смещением друг относительно друга в горизонтальном направлении на величину, равную ширине каналов 5 и 6. Вертикальные перегородки 25 совместно с поперечной перегородкой 24 и корпусом реверсивной камеры 22 образуют закрытую проточную зону для нагреваемого теплоносителя. Соответственно, вертикальные перегородки 26 совместно с поперечной перегородкой 24 и корпусом реверсивной камеры 22 образуют закрытую проточную зону для греющего теплоносителя. На поперечной перегородке 24 имеются патрубок 27, на котором неподвижно закреплен конец гибкого рукава 28, и патрубок 29, на котором неподвижно закреплен конец гибкого рукава 30. Противоположные концы гибких рукавов 28 и 30 оснащены жесткими обводами соответственно 31 и 32, которые соединены приводом 33 с механизмом их перемещения. При помощи механизма перемещения с приводом 33 обводов 31 и 32 гибкий рукав 28 своим подвижным концом может быть плотно соединен или с входным 34 или с выходным 35 патрубками нагреваемого (П) теплоносителя, а гибкий рукав 30 - с входным 36 или с выходным 37 патрубками греющего (В) теплоносителя. Поперечная перегородка 24 реверсивной камеры 22 на той части площади, на которой она примыкает к несрезанным частям торцовых кромок вертикальных пластин 1, оснащена эластичной уплотняющей прокладкой 38. Дренажные отверстия 39 трубками 40 соединены с дренажными коллекторами 41.
Пластинчатый теплоутилизатор состоит из однотипных основных элементов, легко собирается и разбирается. Газоплотность трактов греющего (В) и нагреваемого (П) теплоносителей достигается наличием прокладок 8, 9, 21 и 38, обжатием набора вертикальных пластин 1 с помощью упорных болтов 16, прижимных планок 15, планок-подушек 14 и резьбовых соединений связей каркаса. Обтекатели 4 выполнены со скошенными концами, что позволяет фиксировать их по месту установки в соответствующих зонах на угловых срезах торцовых кромок пластин 1 путем защемления скошенных концов между прокладками 8 и 21, 21 и 9, 8 и 38, 38 и 9. Отсутствие перетоков между прямым и обратным потоками теплоносителей в реверсивной камере 22 достигается за счет плотного соединения перемещаемых жестких обводов 31 и 32 гибких рукавов 28 и 30 с основанием входных 34, 36 и выходных 35, 37 патрубков.
Пластинчатый теплоутилизатор работает следующим образом. Греющий теплоноситель (В) (в вентиляционных системах - это вытяжной воздух) поступает из внешнего газохода во входной патрубок 36. Если жесткий обвод 32 соединен с основанием выпускного патрубка 37, то греющий теплоноситель заполняет часть пространства реверсивной камеры 22, ограниченную нижней и боковыми стенками ее корпуса и перегородками 23 и 24. Там теплоноситель распределяется по каналам 5, открытым в это пространство. Пройдя двумя потоками через каналы 5, расположенные по бокам теплоутилизатора, и достигнув поворотной камеры 17, греющий теплоноситель поворачивает на 180° и через те каналы 5, которые пространственно расположены между вертикальными перегородками 26, возвращается назад одним общим потоком, проходящим далее через патрубок 29 и гибкий рукав 30, жесткий обвод 32, который при этом соединен с основанием выпускного патрубка 37. Через выпускной патрубок 37 охлажденный в каналах 5 теплоутилизатора греющий теплоноситель подается во внешний газоход.
Нагреваемый теплоноситель (П) (в вентиляционных системах - это приточный воздух), поступающий из внешнего газохода во входной патрубок 34, перемещается в каналах 6 теплоутилизатора во встречном направлении по отношению к движению греющего теплоносителя, то есть реализуется схема противотока. В рассматриваемом случае жесткий обвод 31 соединен с основанием впускного патрубка 34 и нагреваемый теплоноситель последовательно проходит через гибкий рукав 28, неподвижный патрубок 27, закрытую проточную зону между вертикальными перегородками 25, каналы 6 в центральной части теплоутилизатора, пространственно расположенные между вертикальными перегородками 25, затем - поворотную камеру 18, после чего движется назад по каналам 6, расположенным в боковых частях теплоутилизатора. Боковые потоки нагреваемого теплоносителя объединяются в пространстве реверсивной камеры 22 над горизонтальной перегородкой 23 и далее теплоноситель одним общим потоком выходит через выпускной патрубок 35 во внешний газоход в нагретом состоянии.
При отрицательных начальных температурах нагреваемого теплоносителя температура греющего теплоносителя на выходе из теплоутилизатора также может быть отрицательной. В этом случае, при наличии паров влаги в греющем теплоносителе, на стенках каналов 5 теплоутилизатора может образовываться лед, нарастание слоя которого может привести к закупорке каналов. Для борьбы с данным явлением осуществляется периодическое синхронное изменение направления движения греющего и нагреваемого теплоносителей на обратное путем одновременного перемещения жестких обводов 31 и 32 соответственно от патрубка 34 к патрубку 35 и от патрубка 37 к патрубку 36, и наоборот. При перемещениях обводов и связанных с ними гибких рукавов 28 и 30 сохраняется противоточное движение теплоносителей, но меняются местами «холодная» с льдом на стенках каналов и «теплая» стороны тракта движения. Образовавшийся на стенках каналов 5 лед, после переключения направления движения теплоносителей, оказывается на «теплой» стороне и переходит в жидкую фазу под тепловым воздействием исходного греющего теплоносителя. Образовавшаяся жидкость через дренажные отверстия 39 по трубкам 40 самотеком сливается в дренажные коллекторы 41, откуда автоматически удаляется во внешнюю среду.
При этом для борьбы с льдообразованием нет необходимости прекращать на некоторое время подачу нагреваемого теплоносителя или использовать для этой цели другие известные способы и приемы, которые снижают эффективность работы теплоутилизаторов.
Предлагаемое устройство имеет следующие преимущества:
- конструкция проста, легко собирается и разбирается;
- высокая степень унификации;
- возможность достижения высокой степени рекуперации теплоты;
- работа в номинальном режиме с постоянными во времени характеристиками как при положительных, так и при отрицательных температурах нагреваемого теплоносителя;
- возможность автоматического управления оттайкой льда на стенках каналов и удаления влаги из каналов без использования дополнительных источников тепла и без снижения эффективности работы теплоутилизатора.
Источники информации
1. Варфоломеев Ю.М., Кокорин О.Я. Отопительные и тепловые сети. - М.: ИНФРА - М., 2005, с. 364-365.
2. Авторское свидетельство СССР №907354. Кл. F24F 7/06, опубл. 23.02.82, бюл. №7.
3. Хараз Д.И., Псахис Б.И. Пути использования вторичных энергоресурсов в химических производствах. - М.: Химия, 1984, с. 94, рис. 4.25.
4. Патент RU №2416764 C1. МПК F24F 7/0, опубл. 20.04.2011, бюл. №11.