УСТРОЙСТВО КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА
AIR CONDITIONING DEVICE

Изобретение относится к области вентиляции и кондиционирования воздуха методом косвенно-испарительного охлаждения и тепломассообмена.
Метод косвенно-испарительного охлаждения заключается в том, что основной поток воздуха охлаждают, пропуская его по каналу с влагонепроницаемыми стенками, находящимися в теплообменном отношении со смежным каналом, по которому подается вспомогательный поток воздуха. Эффект охлаждения достигается за счет испарения влаги, соответствующего снижения температуры и теплопередачи от более теплого основного потока через влагонепроницаемую стенку к влажной стенке смежного канала. При этом влагосодержание основного потока остается постоянным.
Метод тепломассообмена в процессе рекуперации заключается в выравнивании разности потенциалов температуры и влагосодержания при взаимодействии несмешивающихся потоков (основного и вспомогательного) через теплопроводящую стенку, разделяющую эти потоки.
Известно устройство косвенно-испарительного охлаждения воздуха методом косвенно-испарительного охлаждения и тепломасообмена (патент РФ №2177115, кл. F24F 3/14 от 16.12.1999 г.). Устройство содержит вентиляторы подачи основного и вспомогательного потоков, корпус с патрубками входа и выхода потоков, размещенные в корпусе емкость для воды, теплообменные секции, воздухораспределительную камеру, размещенную на выходе из сухих каналов теплообменных секций вспомогательного потока и газодинамически связанную с входами влажных каналов вех секций и кондиционируемым помещением. Известное устройство охлаждает воздух и работает в режиме рекуперации тепла в зимний период.
Недостатком известного устройства по патенту №2177115 является наличие двух видов секций, одна из которых служит для предварительного охлаждения вспомогательного потока и не должна работать в режиме рекуперации зимой. Это значительно увеличивает сопротивление воздушного потока и снижает эффективность работы этого устройства как утилизатора тепла зимой, так как максимальная эффективность при утилизации тепла (или холода) достигается при равенстве потоков подаваемого воздуха в помещении и удаляемого из него. Недостатком известного устройства по патенту №2177115 является также подача воды путем подъема ее из ванны капиллярно-пористым материалом, что ограничивает высоту капиллярно-пористого материала, ведет к накоплению солей в верхней части капиллярно-пористого материала и уменьшает ресурс работы устройства.
Наиболее близким к заявленному изобретению является устройство кондиционирования воздуха методом косвенно-испарительного охлаждения и тепломассообмена (патент РФ №2216694, кл. F24F 3/14 от 28.06.2002). Устройство содержит: вентиляторы подачи основного и вспомогательного потоков, клапаны-регуляторы, корпус с патрубками входа и выхода воздушных потоков, размещенные в корпусе емкость для воды с системой подачи воды в капиллярно-пористый материал, теплообменную секцию с основными и вспомогательными смежными каналами, воздухораспределительную камеру, при этом смежные каналы теплообменной секции основного потока выполнены из влагонепроницаемого материала, а смежные каналы вспомогательного потока - из капиллярно-пористого материала. Устройство снабжено дополнительным клапаном, а воздухораспределительная камера разделена на две полости перегородкой, в которой установлен дополнительный клапан, при этом одна полость воздухораспределительной камеры соединена с патрубком выхода основного потока, а другая полость соединена с другой стороны со смежными каналами вспомогательного потока, причем устройство подачи воды снабжено форсункой, установленной со стороны входа вспомогательного потока в теплообменную секцию.
Недостатком известного устройства по патенту №2216694 является отсутствие возможности работы в режиме внутренней циркуляции воздуха в помещениях и невозможность регулирования температуры и влагосодержания подаваемого в помещение воздуха. В зимний период при низком влагосодержании наружного воздуха, подаваемого в помещение, возможно значительное снижение относительной влажности в помещении и, следовательно, значительное отклонение от комфортной среды. В летний период отсутствие внутреннего циркуляционного режима не позволяет использовать устройство кондиционирования при высокой загазованности наружного воздуха.
Предложенное техническое решение направлено на повышение эффективности устройства кондиционирования воздуха путем расширения выполняемых функций и диапазона их регулирования, в том числе: более глубокое охлаждение и осушение воздуха в летний период, подогрев воздуха и его увлажнение в зимний период, обеспечение кондиционирования помещения при загазованности наружного воздуха, а также регулирование параметров вентилируемого воздуха за счет выбора оптимального сочетания режимов вентиляции - приточной, приточно-вытяжной или внутренней циркуляции.
Этот результат достигается следующими конструктивными решениями:
1) устройство снабжено второй воздухораспределительной камерой, разделенной на две полости перегородкой, в которой установлен второй дополнительный клапан, при этом одна полость воздухораспределительной камеры соединена с патрубком входа основного потока, а другая полость соединена с патрубком выхода вспомогательного потока. Это позволят устройству работать в режиме внутренней циркуляции и в зимний период регулировать температуру и влажность подаваемого в помещение воздуха, а в летний период автономно охлаждать воздух в помещении при загазованности наружного воздуха;
2) второй дополнительный клапан в перегородке второй воздухораспределительной камеры выполнен в виде регулятора, позволяющего подавать в основной поток (при необходимости) часть влажного воздух из мокрых каналов вспомогательного потока;
3) устройство снабжено нагревателем воздуха, установленным во входном патрубке вспомогательного потока, что позволяет в зимний период поддерживать комфортный уровень температуры на выходе из сухих каналов и исключить обмерзание каналов теплообменной секции;
4) устройство снабжено парокомпрессионной системой охлаждения с испарительным теплообменником и конденсатором с компрессором, при этом испарительный теплообменник установлен в выходном патрубке основного потока, а конденсатор с компрессором установлен в выходном патрубке вспомогательного потока, что обеспечивает дополнительное охлаждение и осушение основного потока в летний период при увеличении влагосодержания атмосферного воздуха (выше 10 г/кг), при котором снижается эффективность испарительного охлаждения, а расположение конденсатора с компрессором в выходном патрубке вспомогательного потока повышает его эффективность при высокой температуре наружного воздуха;
5) в испарительном теплообменнике установлена дополнительная емкость для сбора конденсата, соединенная с емкостью корпуса, что позволяет образующийся в испарительном теплообменнике конденсат утилизировать, сливая в емкость для воды в корпусе устройства кондиционирования воздуха, что уменьшает расход воды при охлаждении основного потока.
На фигуре 1 показан общий вид устройства кондиционирования воздуха с продольным сечением по сухим каналам теплообменной секции.
На фигуре 2 и фигуре 3 представлены поперечные сечения набора пластин сухих и влажных каналов теплообменной секции по ширине и высоте.
На фигуре 4, фигуре 5 и фигуре 6 показана работа устройства в режимах соответственно приточно-вытяжной вентиляции, приточной вентиляции и циркуляции воздуха в помещении.
Устройство кондиционирования воздуха методом косвенно-испарительного охлаждения и тепломассообмена содержит: вентилятор 1 подачи основного потока 2, вентилятор 3 удаления вспомогательного потока 4, корпус 5 с емкостью воды 6, клапаны-регуляторы 7 и 8 соответственно основного и вспомогательного потоков, патрубки входа 9 и выхода 10 основного потока, патрубки входа 11 и выхода 12 вспомогательного потока, теплообменную секцию 13 с сухими каналами 14 и смежными влажными каналами 15, ограниченными на входе впускным коллектором 16 и выпускным коллектором 17 вспомогательного потока, выходную воздухораспределитльную камеру 18, разделенную перегородкой 19 на две полости, и дополнительный клапан-регулятор 20, установленный в этой перегородке, причем одна полость выходной воздухораспределительной камеры 18 соединена с патрубком выхода основного потока 10, а другая полость соединена с впускным коллектором 16 вспомогательного потока, сухие каналы 14 теплообменной секции 13 образованы стенками 21 из влагонепроницаемого материала, а влажные каналы 15 образованы стенками из капиллярно-пористого материала 22, входной коллектор 16 соединен с входным патрубком вспомогательного потока 11, ограничен верхней крышкой 23 емкости 6 и заглушками 24, а выпускной коллектор 17 соединен с выходным патрубком вспомогательного потока 12, входной воздухораспределительной камерой 25 и ограничен заглушками 26, входная воздухораспределительная камера 25 разделена на две полости перегородкой 27 с дополнительным клапаном-регулятором 28, при этом одна полость входной воздухораспределительной камеры соединена с патрубком входа основного потока 9, а другая полость соединена с коллектором выхода вспомогательного потока 17, нагреватель воздуха 29, установленный во входном патрубке вспомогательного потока 11, испарительный теплообменник парокомпрессионной системы 30 с поддоном 32 для сбора конденсата, установленный в выходном патрубке основного потока 10, конденсатор с компрессором 31, установленный в выходном патрубке вспомогательного потока 12, поддон 32 испарительного теплообменника 30 соединен для слива конденсата в емкость 6, в этой емкости установлена помпа подачи воды 33, подающая воду по патрубку 34 на форсунку орошения 35, направленную на вход вспомогательного потока 4 во влажные каналы 15, вентиль подачи воды 36 в емкость 6 из водопровода и вентиль слива отстоя 37 из емкости 6 в канализацию, каплеуловитель 38 установлен в выходном коллекторе 17 на выходе вспомогательного потока 4 из влажных каналов 15 теплообменной секции 13.
Предложенное устройство может работать в 3-х основных режимах: приточно-вытяжная вентиляция, приточная вентиляция и циркуляция воздуха в помещения. Эти режимы задаются в зависимости от внешних условий и задачи кондиционирования следующими способами.
А). Приточно-вытяжная вентиляция. Включены оба вентилятора, клапаны 7 и 8 открыты, а клапаны 20 и 28 закрыты. Схема прохождения потоков представлена на Фиг.4. Вентилятор 1 подает основной поток воздуха 2 через входной патрубок 9 во входную воздухораспределительную камеру 25, из которой основной поток направляется в сухие каналы 14 теплообменной секции 13, где он охлаждается (в теплый период года) или нагревается (в холодный период года) за счет теплообмена с противоточными смежными каналами 15 и через выходную воздухораспределительную камеру 18 и выходной патрубок 10 подается в кондиционируемое помещение. Удаление вспомогательного потока 4 в атмосферу обеспечивается вентилятором 3 через патрубок 12.
Летом косвенно-испарительное охлаждение воздуха обеспечивается подачей воды помпой 33 из емкости 6 по патрубку 34 форсункой 35 на вход во влажные каналы 15 теплообменной секции 13. При высокой влажности наружного воздуха или высоком уровне тепловлаговыделения в помещении включаются парокомпрессионная система охлаждения с конденсатором 31 и испарительным теплообменником 30, которые дополнительно охлаждают и сушат кондиционируемый основной поток.
Зимой помпа 33 отключена, вода в емкость 6 не подается и может включаться теплонагреватель 29 во входном патрубке 11 вспомогательного потока 4 для повышения температуры вспомогательного потока 4 и подогрева в теплообменной секции 13 основного потока 2. При этом обеспечивается комфортный уровень температуры воздуха, подаваемого в помещение, и исключается возможность обмерзания каналов в установке. Удаление вспомогательного потока 4 обеспечивается также вентилятором 3 через патрубок 12.
Увлажнение основного потока 2 (как при охлаждении, так и при нагреве) осуществляется путем открытия клапана-регулятора 28 и перепуска во входную воздухораспределительную камеру 25 части вспомогательного потока из выпускного коллектора 17. При увлажнении вспомогательного потока происходит его дополнительная очистка (наряду со стандартными фильтрами в системе приточно-вытяжной вентиляции).
Б). Приточная вентиляция. Включены вентиляторы 1 и 3, открыты клапаны 7 и 20, а клапаны 8 и 28 закрыты (нет подачи в установку воздуха помещения). Схема прохождения потоков представлена на Фиг.5. Поток, всасываемый вентилятором 1 через патрубок 9 во входную воздухораспределительную камеру 25, является общим и после охлаждения в сухих каналах 14 теплообменной секции 13 разделяется в воздухораспределительной камере 18 на основной 2 и вспомогательный 4 потоки. Далее основной поток 2 через выходной патрубок 10 вентилятором 1 подается в кондиционируемое помещение. Удаление вспомогательного потока 4 в атмосферу после прохождения по влажным каналам происходит так же, как и при приточно-вытяжной вентиляции.
В). Циркуляция воздуха в помещении. Включен вентилятор 1, открыты клапаны 8 и 28, вентилятор 3 выключен, закрыты клапаны 7 и 20. Схема прохождения потоков представлена на Фиг.6. Циркуляционный поток всасывается вентилятором 1 из помещения через патрубок 11 во входной коллектор 16, далее увлажняется во влажных каналах 15 и через выходной коллектор 17 попадает во входную воздухораспределительную камеру 25, из которой, превращаясь в основной поток 2, проходит через сухие каналы 14 в выходную водухораспределительную камеру 18 и подается вентилятором 1 через патрубок 10 в помещения. Если устройство в начальном состоянии находится при отрицательной температуре, то перед включением помпы 33 и подачи воды во входной коллектор 16 оно прогревается в режиме циркуляции при включенном нагревателе 29.
Предлагаемое устройство относится к энергоэффективной системе кондиционирования воздуха для всех климатических зон РФ и применяется для целей охлаждения вентилируемого воздуха в теплый период года, подогрева воздуха в холодный период года, осушения, увлажнения с мокрой очисткой воздуха и утилизации тепла удаляемого воздуха в режиме приточно-вытяжной вентиляции помещения.
В режиме приточной вентиляции устройство служит для вытеснения из помещения отработанного теплого воздуха охлажденным наружным воздухом. Для условий сухого климата при достаточной холодопроизводительности системы косвенно-испарительного охлаждения воздуха отключается парокомрессионная система охлаждения. При высокой влажности дополнительно включается парокомпрессионная система, которая охлаждает и осушает воздух, при этом в качестве основного источника воды для косвенно-испарительной системы используется конденсат, сливаемый из поддона испарительного теплообменника.
Режим циркуляции используется для увлажнения и дополнительной мокрой очистки воздуха, а также в случае необходимости позволяет сократить до минимума подачу наружного воздуха при неблагоприятных внешних условиях (сильный мороз или аномальная жара и задымление), сохраняя при этом возможность регулирования температурных и влажностных параметров воздуха в помещении.