УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕПЛОВЛАЖНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ ВОЗДУХА
DEVICE FOR HEAT AND MOISTURE TREATMENT OF AIR

Изобретение относится к системам вентиляции и кондиционирования воздуха с режимами регенеративной теплоутилизации и может быть использовано для создания комфортных условий микроклимата в бытовых, административных и производственных помещениях.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому объекту является устройство для обработки воздуха по патенту РФ №2319906, кл. F24F 5/00 от 13.10.06 (прототип), содержащее камеру смешения, подогреватель и блок орошения.
Недостатком прототипа является сравнительно невысокая эффективность процесса тепловлажностной обработки воздуха за счет недостаточной эффективности очистки рециркуляционного воздуха от тонкой пыли и невозможности подмеса воздуха других параметров уже после обработки рециркуляционного ввиду отсутствия вихревой камеры смешения.
Технический результат - повышение эффективности тепловлажностной обработки воздуха, экономия энергоресурсов, упрощение конструкции систем кондиционирования воздуха, их монтажа и обслуживания.
Это достигается тем, что в устройстве для тепловлажностной обработки воздуха, содержащем камеру смешения, подогреватель и блок орошения, предусмотрено две ступени, причем первая ступень представляет собой многофункциональный аппарат со встречными закрученными потоками, предназначена для очистки от пыли рециркуляционного воздуха, поступающего из помещения и имеющего положительную температуру, а также для увлажнения воздуха и включает в себя корпус с емкостью для сбора жидкости, в которой расположен насос с фильтром для осуществления рециркуляции жидкости по трубопроводу и подачи ее в блок орошения, который выполнен в виде, по крайней мере, двух круговых трубчатых коллекторов с равномерно распределенными по внутренней поверхности центробежными форсунками, причем в нижней части корпуса расположен нижний входной патрубок, а в верхней части - верхний входной патрубок, а в патрубках установлены соответственно нижний тангенциальный закручиватель и верхний тангенциальный закручиватель, при этом выхлопной патрубок соединяет первую ступень устройства со второй ступенью устройства, предназначенной для смешения потоков воздуха, поступающих из первой ступени, с потоком наружного воздуха, причем вторая ступень устройства выполнена в виде тепломассообменного аппарата смешения и включает в себя входной патрубок камеры смешения, центробежную камеру смешения, диффузор, конфузор, раскручиватель, выходной патрубок, при этом корпус каждой из форсунок выполнен полым, осесимметричным, его ось перпендикулярна оси отверстия трубы коллектора, а по форме корпус выполнен в виде тела вращения, образованного кривой второго порядка, например сферическим, в виде усеченного эллипсоида или параболоида вращения, а со стороны проточного отверстия трубы коллектора в форсунке установлен спрямляющий элемент, выполненный в виде кольца, имеющего центральную втулку, с которой жестко соединены радиально расположенные, по крайней мере, три лопасти, соединенные с корпусом форсунки, причем корпус выполнен с двумя противоположно расположенными перпендикулярно оси форсунки уступами, посредством которых через хомуты с замками форсунка закрепляется на коллекторе, при этом в нижней части корпуса форсунки выполнено коническое дроссельное отверстие, соединенное с камерой смешения, которая расположена между дроссельным отверстием и спрямляющим элементом, а на внутренней поверхности камеры смешения имеются винтообразные канавки.
На фиг.1 представлен общий вид устройства для тепловлажностной обработки воздуха, на фиг.2 - схема форсунки, на фиг.3 - расходная характеристика форсунки.
Устройство для тепловлажностной обработки воздуха состоит из двух ступеней: первая ступень представляет собой многофункциональный аппарат со встречными закрученными потоками, предназначена для очистки от пыли рециркуляционного воздуха, поступающего из помещения и имеющего положительную температуру, а также для увлажнения воздуха и включает в себя корпус 1 с емкостью 2 для сбора жидкости, в которой расположен насос 20 с фильтром 19 для осуществления рециркуляции жидкости по трубопроводу 21 и подачи ее в блок орошения 5, который выполнен в виде, по крайней мере, двух круговых трубчатых коллекторов с равномерно распределенными по внутренней поверхности центробежными форсунками. В нижней части корпуса 1 расположен нижний входной патрубок 18, а в верхней части - верхний входной патрубок 17. Для интенсификации процесса тепловлажностной обработки воздуха в патрубках установлены соответственно нижний тангенциальный закручиватель 3 и верхний тангенциальный закручиватель 4.
1
Выхлопной патрубок 6 соединяет первую ступень устройства со второй ступенью устройства, предназначенной для смешения потоков воздуха, поступающих из первой ступени, с потоком наружного воздуха, имеющего в летний период положительную температуру, а в зимний - отрицательную. Вторая ступень устройства выполнена в виде тепломассообменного аппарата смешения и включает в себя: входной патрубок камеры смешения 7, центробежную камеру смешения 8, диффузор 9, конфузор 10, раскручиватель 11, выходной патрубок 12. Потоки воздуха 13 и 14 - это рециркуляционные потоки воздуха, 15 - поток наружного воздуха, 16 - поток обработанного воздуха. Центробежная камера смешения 8 выполнена по габаритному внешнему размеру - диаметру D, больше, чем габаритный внешний размер корпуса 1 многофункционального аппарата - диаметр D.
Каждый из коллекторов 5 разбрызгивающего устройства имеет проточное отверстие 22 и снабжен форсунками (фиг.2). Каждая из форсунок выполнена в виде полого осесимметричного корпуса 23, ось которого перпендикулярна оси отверстия коллектора, а по форме корпус выполнен в виде тела вращения, образованного кривой второго порядка, например сферическим, в виде усеченного эллипсоида или параболоида вращения и др. Со стороны проточного отверстия 22 трубы коллектора 5 в форсунке установлен спрямляющий элемент 27, который демпфирует турбулентность потока жидкости, идущей от коллектора 5 к форсунке. Спрямляющий элемент выполнен в виде кольца, имеющего центральную втулку 27, с которой жестко соединены радиально расположенные, по крайней мере, три лопасти 28, соединенные с корпусом 23 форсунки. Корпус 23 выполнен с двумя противоположно расположенными перпендикулярно оси форсунки уступами 26, посредством которых через хомуты 24 с замками 25 форсунка закрепляется на коллекторе 5. В нижней части корпуса 23 форсунки выполнено коническое калиброванное дроссельное отверстие 30, соединенное с камерой смешения 29, которая расположена между отверстием 30 и спрямляющим элементом 27. Камера смешения 29 предназначена для образования вихревого турбулентного потока, формировавшегося на выходе из отверстия 30 форсунки. Для этой цели на внутренней поверхности камеры смешения имеются винтообразные канавки (не показано), которые могут быть образованы токарной обработкой по копиру или получены литьевым способом. В результате этого на выходе из форсунки образуется мелкодисперсный и равномерный факел распыла жидкости. Расходная характеристика форсунки представлена на фиг.3. Рекомендуемый диапазон давлений для цельнофакельной форсунки от 1,2 до 7,0 метров водяного столба. При данном диапазоне давлений обеспечивается полное раскрытие и заполнение факела форсунки капельной влагой.
Устройство для тепловлажностной обработки воздуха работает следующим образом.
1
В многофункциональном аппарате со встречными закрученными потоками в рабочем пространстве первой ступени образуются, как и в классическом аппарате со встречными закрученными потоками, два закрученных в одну сторону, но встречно направленных потока: восходящий - в центральной части камеры и нисходящий - в периферийной части. Для тепловлажностной обработки воздуха в блок орошения 5 по трубопроводу 21 подается вода, распыляемая центробежными тангенциальными форсунками. Под действием центробежных сил капли воды отбрасываются на вертикальные стенки аппарата и по ним стекают в нижнюю часть камеры. Затем увлажненный воздух выводится из камеры через выхлопной патрубок 6, расположенный в верхней части первой ступени аппарата, и поступает в камеру смешения - вторую ступень устройства. Часть наружного воздуха, заранее подготовленная в системе кондиционирования воздуха, через тангенциальный закручиватель входного патрубка камеры смешения 7 подается в центробежную камеру смешения 8, где поток увлажненного и очищенного от пыли воздуха смешивается с наружным потоком воздуха. Увеличение диаметра D камеры смешения 8 относительно диаметра D корпуса 1 многофункционального аппарата первой ступени устройства, где происходит увлажнение и мокрое обеспыливание, обеспечивает падение скорости воздуха в поперечном сечении аппарата, и, как следствие, не создается существенного дополнительного аэродинамического сопротивления, что способствует предотвращению каплеуноса. На выходе из аппарата второй ступени установлен раскручиватель 11 обработанного потока воздуха.
3
Были проведены расчеты, которые показали, что многофункциональный аппарат со встречными закрученными потоками диаметром 2000 мм, обеспечивает производительность по воздуху до 100000 м/ч, при этом диаметр камеры смешения составляет 2500 мм, а высота ее достигает 1300 мм.
а
ф
ап
ап
в
2в
3в
2в
3в
2
Оптимальные значения факторов в числовом выражении, характеризующих эффективность адиабатного процесса Е, следующие: vρ=6,5 кг/(мс), ε=0,6, В=0,9, α=50°, H/D=2,2, h/D=0,9, отношение расходов воды ε=D/D=0,5 (G и G - расходы воды, распыляемой форсунками, соответственно в верхнем вводе воздуха и во всем аппарате). Потери давления Δp в аппарате при этом составили 810 Па.
Было также установлено, что в аппарате достигаются высокие скорости обработки воздуха до 10 м/с без выноса капель. Исследования показали также возможность регулирования процесса обработки воздуха без изменения суммарного расхода воздуха и воды путем изменения соотношения расходов воздуха ε. Аэродинамическое сопротивление аппарата ВЗПМ изменялось в пределах 600÷900 Па.
Форсунка разбрызгивающего устройства работает следующим образом.
3
Жидкость под давлением поступает со стороны проточного отверстия 22 коллектора 5 в форсунку и встречает на своем пути спрямляющий элемент 27, который демпфирует турбулентность потока жидкости, идущей от коллектора 5 к форсунке. Камера смешения 29 предназначена для образования вихревого турбулентного потока, формировавшегося на выходе из отверстия 30 форсунки. Для этой цели на внутренней поверхности камеры смешения имеются винтообразные канавки (не показано), в результате чего на выходе из форсунки образуется мелкодисперсный и равномерный факел распыла жидкости. Расходная характеристика форсунки представлена на фиг.3. Расход воды через форсунку (м/ч) определяется по следующей формуле:
W
G=2,245·√H,
где Н - напор воды перед форсункой (м вод. ст.).
Превышение давления перед форсунками обычно свидетельствует об их засорении и необходимости их очистки.
Основным преимуществом разработанного устройства является возможность проведения процессов увлажнения, смешения, санитарной очистки от мелкой пыли, а также возможность повторного использования тепла и влаги больших объемов рециркуляционного воздуха (до 90%). Таким образом, использование многофункционального аппарата со встречными закрученными потоками для обработки рециркуляционного воздуха, при взаимодействии с малогабаритным кондиционером (не показан) для обработки свежего воздуха (от 10%), позволяет существенным образом сократить стоимость климатического оборудования, эксплуатационные затраты, а также обеспечить более стабильную работу всей системы.
Объем обрабатываемого в многофункциональном аппарате воздуха ограничивается только санитарными нормами, согласно которым количество наружного воздуха в рециркуляционном должно быть не менее 10% (при условии, что выполняются требования, регламентирующие количество наружного воздуха на одного работающего).