ТЕПЛОВЛАГООБМЕННИК

Полезная модель относится к тепловлагообменным устройствам и предназначена для передачи тепла и влаги от одного потока воздуха к другому. В первую очередь полезная модель предназначена для использования в системах вентиляции жилых помещений, где необходимо осуществлять тепло- и влагообмен между потоками вытяжной вентиляции (удаляющей из помещения воздух) и приточной вентиляции (подающей воздух в помещение). Наиболее типичным для России применением является подогрев и увлажнение приточного потока холодного воздуха за счет тепла и влаги вытяжного воздуха, хотя возможна эксплуатация тепловлагообменника и в режиме охлаждения и осушения приточного потока воздуха за счет сброса тепла и влаги в вытяжной воздух (в жаркий период года).
Известен тепловлагообменник, содержащий пакет пластин, образующих коллекторы для газов, между которыми зигзагообразно расположена полимерная пленка-мембрана, разделяющая пластины между собой [1 - RU 72306, F24F 3/147, F28D 9/04, F28F 3/02, 2007].
Недостатком указанного теплообменника является ограничения по условиям применения: теплообменники с мембранной пленкой могут использоваться при температурах наружного воздуха не ниже -10°С..-15°С [2 - технические данные Лоссней LGH-RX4, Mitsubishi electric corporation, http//www.hiconix.ru/UserFiles/File/Lossney/Lossnay_From_Tech_Dates_2009.pdf]. При более низких температурах наружного воздуха на поверхности мембранной пленки образуется вода в твердой фазе (снег или лед), что ухудшает теплообмен, препятствует влагообмену и может привести к поломке тепловлагообменника.
Приемлемыми для климатических условий центральных и северных регионов РФ (температура наружного воздуха до -40°С) являются тепловлагообменники, рабочие поверхности которых выполнены из пористой среды, пропитанной водяным раствором соли.
Ближайшим аналогом является тепловлагообменник, содержащий пакет гигроскопичных капиллярно-пористых пластин, образующих каналы для воздушных потоков, поддон с раствором жидкого сорбента, в который частично погружены пластины, ванну с прорезями в днище, в который выведены в которые выведены верхние концы пластин, и секцию подъема раствора с трубами, заполненными капиллярно-пористым материалом и выведенными своими концами в ванну и поддон [3 - SU 1041815, F24F 3/147, 1983].
Основным недостатком указанного тепловлагообменника является практически полная бесполезность ванны с прорезями в днище и секции подъема раствора, т.к. распределение раствора с высотой в пористых пластинах и капиллярно-пористом материале труб различается незначительно. В результате для сохранения работоспособности тепловлагообменника необходимо постоянное добавление раствора в ванну с целью обеспечения смачивания капиллярно-пористых пластин.
Еще одним недостатком указанного теплоовлагобменника при использовании его в системах вентиляции жилых помещений, является отсутствие ограничения влажности воздуха, подаваемого помещение: при больших площадях теплообмена, необходимых для обеспечения энергетической эффективности 80%..90%, подаваемый в помещение воздух будет чрезмерно увлажнен (до 70%..75%), и наоборот, при малых площадях теплообмена можно обеспечить требуемую влажность подаваемого в помещение воздуха, но энергетическая эффективность тепловлагообменника будет невелика.
Авторам неизвестны промышленно производимые устройства, конструкция которых основана на описанном решении, что подтверждает вышеизложенные недостатки известной конструкции.
Технический результат, который может быть получен от использования предложенной полезной модели, заключается в расширении условий эксплуатации тепловлагообменника по температуре воздуха до -40°С, в повышении эффективности теплообмена, а также в ограничении влажности подаваемого в помещение воздуха до норм, установленных [4 - СНиП 2.04.05-91] (максимум 60% для рабочих помещений и 65% для жилых помещений).
2
2
Указанный технический результат достигается в конструкции тепловлагообменника, содержащей корпус, в котором выполнены отверстия для входа и выхода потоков воздуха, установленный в корпусе пакет формирующих воздушные каналы пластин, причем в нижней части каждой пластины выполнено отверстие площадью от 60% до 80% площади пластины, закрытое листом ворсистого капиллярно-пористого материала, а нижний край капиллярно-пористого материала помещен в поддон, наполненный водным раствором солей, содержащих преимущественно CaCl или ZnCl. При этом пластины образуют чередующиеся каналы для остужаемого/осушаемого и нагреваемого/увлажняемого потоков воздуха, причем потоки направлены вертикально: остужаемый/осушаемый поток движется сверху вниз, а нагреваемый/увлажняемый поток движется снизу вверх. Если предполагается применение тепловлагообменника преимущественно при низких температурах (от -20°С до -40°С), то расстояние между пластинами, формирующими остужаемый/осушаемый поток, выполняют меньше, чем между пластинами, формирующими нагреваемый/увлажняемый поток.
Отличительные признаки заявленной полезной модели от ближайшего аналога заключаются в том, что:
1. потоки воздуха относительно капиллярно-пористого материала движутся в вертикальном направлении, причем более теплый и влажный поток движется сверху вниз, а более холодный и сухой - снизу вверх;
2. капиллярно-пористый материал разделяет только нижнюю часть воздушных каналов (от 60% до 80% по высоте), а верхнюю часть воздушных каналов образуют пластины, передающие тепло, но не передающие влагу;
2
2
3. для смачивания капиллярно-пористого материала применен водный раствор солей преимущественно CaCl или ZnCl;
4. капиллярно-пористый материал имеет ворсистые поверхности, интенсифицирующие процессы теплообмена и влагообмена;
5. расстояние между пластинами, формирующими остужаемый/осушаемый поток, выполняют 70%..90% расстояния между пластинами, формирующих нагреваемый/увлажняемый поток.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существующим признакам заявленной полезной модели, следовательно, она соответствует критерию «новизна».
Сущность заявленной полезной модели поясняется чертежами.
На фиг.1 представлен общий вид тепловлагообменника, на фиг.2 показаны пластины и ворсистый капиллярно-пористый материал, на фиг.3 приведены зависимости эффективности теплообмена и влагообмена от расхода воздуха.
Тепловлагообменник является устройством, применяемым в установках, осуществляющих утилизацию тепла (влаги) воздуха, температура (влажность) которого отличается от температуры (влажности) окружающей среды.
Тепловлагообменник (см. фиг.1) содержит корпусные детали 1, в верхней части которых выполнены отверстия для входа остужаемого/осушаемого потока воздуха 2 и выхода нагреваемого/увлажняемого потока воздуха 3, а в нижней части - отверстия для выхода остужаемого/осушаемого потока воздуха 4 и входа нагреваемого/увлажняемого потока воздуха 5, установленный в корпусе пакет параллельных пластин 6, размещенный между ними ворсистый капиллярно-пористый материал 7 и поддон 8.
Работа тепловлагообменника происходит следующим образом. Остужаемый/осушаемый поток воздуха подают в отверстие 2, откуда его подают в вертикальные каналы, образованные пластинами 6 и ворсистым капиллярно-пористым материалом 7 и направляют вниз. За счет теплообмена производят понижение температуры потока и, как следствие, повышение его относительной влажности. Часть водяных паров конденсируют на поверхности ворсистого капиллярно-пористого материала 7. Охлажденный и осушенный поток воздуха удаляют через выходное отверстие 4. Нагреваемый/увлажняемый поток воздуха подают в отверстие 5, откуда его направляют вверх в вертикальные каналы, образованные пластинами 6. За счет теплообмена производят повышение его температуры, при этом содержащуюся в ворсистом капиллярно-пористом материале влагу испаряют в поток воздуха с повышением его влажности. Последнюю часть пути этот поток проходит в каналах, стенки которых образованы пластинами 6, без контакта с ворсистым капиллярно-пористым материалом 7. Вследствие этого, за счет теплопередачи через пластины температуру потока повышают, а его абсолютную влажность сохраняют неизменной, т.е. понижают относительную влажность до 45%..55%.
Взаимное расположение ворсистого капиллярно-пористого материала 7 и пластин 6 показано на фиг.2: в варианте «a» на фиг.2 расстояние между пластинами, формирующими остужаемый/осушаемый поток равно расстоянию между пластинами, формирующими нагреваемый/увлажняемый поток, в варианте «б» на фиг.2 расстояние между пластинами, формирующими остужаемый/осушаемый поток меньше расстояния между пластинами, формирующими нагреваемый/увлажняемый поток.
2
2
2
2
От ближайшего аналога заявленная полезная модель отличается направлением движения воздушных потоков - остужаемый/осушаемый поток движется вертикально вниз, а нагреваемый/увлажняемый - вертикально вверх. За счет этого под действием низких температур находится только нижняя часть капиллярно-пористого материала 7, которая вследствие близости поддона 8 гарантировано пропитана концентрированным солевым раствором и потому лед на ней не образуется. Использование солевого раствора CaCl обеспечивает защиту от обмерзания при температурах до -50°С, а использование ZnCl - при температурах до -60°С. Верхняя же часть капиллярно-пористого материала 7 находится в условиях близких к комнатным температур и вследствие этого более обильного увлажнения (например, при охлаждении воздуха с относительной влажностью 100% на 1°С при температуре 20°С из него выпадает 100 г воды, а при температуре -20°С только 10 г). Эффект конденсации влаги из потока воздуха усиливают солевым раствором: например, насыщенный раствор CaCl поглощает водяные пары из воздуха при относительной влажности последнего выше 32%, а насыщенный раствор ZnCl - при относительной влажности выше 10%. При уменьшении толщины зазоров в воздушном канале интенсивность тепло- и влагопередачи между потоком воздуха и стенками увеличивается, поэтому для тепловлагообменников, преимущественно эксплуатируемых при низких температурах окружающей среды (-20°С..-40°С) с целью обеспечения гарантированного отсутствия обмерзания каналы для вытяжного потока воздуха должны быть уже каналов для приточного потока воздуха. Применение ворсистого капиллярно-пористого материала увеличивает интенсивность процессов теплопереноса и влагопереноса.
2
2
2
Экспериментальный образец заявленной полезной модели изготовлен и испытан в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2012 годы», в ходе исполнения Государственного контракта №02.516.11.6181). Изготовленный экспериментальный образец имеет габариты 250×900×1000, площадь теплообменных пластин около 10 м, в качестве ворсистого капиллярно-пористого материала использована фланель С 514-ТИ (ГОСТ 29298-2005), поддон заполнен 35% раствором CaCl, первого сорта (с массовой долей CaCl в сухом веществе не менее 90%). Результаты испытаний тепловлагообменника приведены на фиг.3.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент RU 72306, F24F 3/147, F28D 9/04, F28F 3/02, 2007.
2. Технические данные Лоссней LGH - RX4, Mitsubishi electric corporation, http//www.hiconix.ru/UserFiles/File/Lossney/Lossnay_From_Tech_Dates_2009.pdf
3. Патент SU 1041815, F24F 3/147, 1983.
4. Санитарные нормы и правила СНиП 2.04.05-91.