ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ ГИДРОКАЛОРИФЕР
ENERGY-SAVING HYDROHEATER

Изобретение относится к вентиляционной технике, а именно к устройствам для нагрева воздуха за счет скрытой теплоты льдообразования воды.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому объекту является гидрокалорифер по патенту РФ №2318162 (прототип), содержащий шахту с патрубками для входа наружного воздуха и выхода приточного воздуха и водоразбрызгивающую систему.
Недостатком прототипа является сравнительно невысокая эффективность процесса нагрева холодного наружного воздуха.
Технический результат - повышение эффективности процесса нагрева холодного наружного воздуха.
Это достигается тем, что в энергосберегающем гидрокалорифере, содержащем шахту с патрубками для входа наружного воздуха и выхода приточного воздуха и водоразбрызгивающую систему, причем патрубок для входа наружного воздуха расположен в нижней части шахты, в которой расположен поддон с перфорированной решеткой и теплообменником, расположенным под решеткой и подсоединенным к входной и выходной магистралям системы сбросных технологических вод предприятия, а вода подается из поддона насосом в напорный водопровод, подающий ее в коллекторы водоразбрызгивающей системы с форсунками камеры орошения, расположенными соответственно до и после каплеуловителя, расположенного в верхней части шахты, а в патрубке для выхода приточного воздуха расположен калорифер дополнительного нагрева воздуха до температуры приточного воздуха, который вентилятором подается в приточную вентиляционную систему, при этом гидрокалорифер обеспечивает нагрев холодного наружного воздуха до температуры 0,2…1°С, при следующих параметрах: скорость движения воздуха в камере орошения до 3 м/с; крупность капель воды - до 300 мкм; коэффициент орошения - 0,03…0,2 кг/кг; давление воды перед форсункой - не менее 2 атм, согласно изобретению каждая из форсунок содержит полый корпус с соплом и центральным сердечником, корпус выполнен с каналом для подвода жидкости и содержит соосную, жестко связанную с корпусом втулку с закрепленным в ее нижней части соплом, выполненным в виде цилиндрической двухступенчатой втулки, верхняя цилиндрическая ступень которой соединена посредством резьбового соединения с центральным цилиндрическим сердечником, имеющим сквозное внутреннее центральное отверстие и установленным с кольцевым зазором относительно внутренней поверхности цилиндрической втулки, а кольцевой зазор соединен по крайней мере с тремя радиальными каналами, выполненными в двухступенчатой втулке, соединяющими его с кольцевой полостью, образованной внутренней поверхностью втулки и внешней поверхностью верхней цилиндрической ступени.
На фиг. 1 изображен общий вид гидрокалорифера, на фиг. 2 - общий вид форсунки для распыливания жидкостей.
н
п
п
Гидрокалорифер содержит шахту 1 с патрубками 13 и 14 соответственно для входа наружного воздуха с минусовой температурой -t°С и выхода приточного воздуха с температурой +t°С. Наружный воздух входит в шахту 1 через патрубок 13, навстречу ему из форсунок 2 камеры орошения разбрызгивается вода. При контакте с воздухом вода, замерзая, отдает ему свою явную и скрытую теплоту и в виде шуги и мокрого снега 8 оседает на перфорированную решетку 15 поддона 16, в котором, под решеткой 15, расположен теплообменник 12, подсоединенный к входной 9 и выходной 10 магистралям системы сбросных технологических вод предприятия. Насосом 11 вода подается из поддона 16 через фильтр в напорный водопровод 7, подающий ее в коллекторы с центробежными форсунками 2 и 4, расположенными соответственно до и после каплеуловителя 3. Нагретый воздух проходит каплеуловитель 3, догревается в водяном или паровом калорифере 5 до температуры приточного воздуха +t°С и вентилятором 6 подается в приточную вентиляционную систему.
Форсунка содержит (фиг. 2) цилиндрический полый корпус 17 с каналом 19 для подвода жидкости и содержит соосную и жестко связанную с корпусом втулку 18 с закрепленным в ее нижней части соплом, выполненным в виде цилиндрической двухступенчатой втулки 20, верхняя цилиндрическая ступень 22 которой соединена посредством резьбового соединения с центральным цилиндрическим сердечником 23, имеющим сквозное внутреннее центральное отверстие 26 и установленным с кольцевым зазором 25 относительно внутренней поверхности цилиндрической втулки 20. Кольцевой зазор 25 соединен по крайней мере с тремя радиальными каналами 21, выполненными в двухступенчатой втулке 20, соединяющими его с кольцевой полостью 24, образованной внутренней поверхностью втулки 18 и внешней поверхностью верхней цилиндрической ступени 22, причем кольцевая полость 24 связана с каналом 19 корпуса 17 для подвода жидкости.
В нижней части центрального цилиндрического сердечника 23 закреплен полый конический завихритель 27, коническая обечайка которого фиксируется посредством по крайней мере трех спиц 28, закрепленных одним концом на конической обечайке завихрителя, в ее верхней части, а другим концом - в кольцевой канавке (не показано), выполненной на внутренней поверхности центрального цилиндрического сердечника 23. На внешней поверхности полого конического завихрителя 27 выполнена винтовая нарезка.
Работа форсунки осуществляется следующим образом.
Жидкость под давлением подается в полость 19 корпуса форсунки 17 и затем поступает по двум направлениям: первое - в кольцевую полость 24 через радиальные каналы 21 в кольцевой зазор 25 между соплом и центральным сердечником 23.
Второе направление, по которому поступает жидкость, - через канал 19 для подвода жидкости в полость центрального отверстия 26 центрального сердечника 23, а затем в нижнюю часть центрального цилиндрического сердечника 23, и через конический завихритель 27 выходит наружу и встречается с потоком первого направления, образуя мелкодисперсный поток жидкости. Использование мелкодисперсного распылителя описанной конструкции позволяет получить равномерный по объему поток капель мелкодисперсного распыла в диапазоне диаметров капель от 30 до 150 мкм при давлении подачи воды не более 1 МПа.
Гидрокалорифер работает следующим образом.
Н
п
Наружный воздух с отрицательными температурами t входит в шахту 1 через нижний патрубок 13, а навстречу ему из форсунок 2 разбрызгивается вода. При контакте с воздухом вода, замерзая, отдает ему свою явную и скрытую теплоту, и в виде шуги и мокрого снега 8 оседает на перфорированной решетке 15 поддона 16, в котором расположен теплообменник 12. Нагретый воздух проходит каплеуловитель 3, догревается в водяном или паровом калорифере 5 до температуры приточного воздуха +t°С и вентилятором 6 подается в приточную вентиляционную систему (не показано).
Центробежная форсунка для распыливания жидкостей работает следующим образом.
Жидкость подается по впускному отверстию 19 в кольцевой зазор 24, откуда в завихритель 23 через тангенциально расположенные к внутренней поверхности завихрителя 23 дроссельные отверстия 25. Вращающийся поток жидкости из завихрителя 23 выходит через калиброванное коническое отверстие 27 соплового вкладыша 26, в результате чего образуется факел распыленной жидкости, корневой угол которого определяется величиной угла наклона конической поверхности отверстия 27.
При среднем диаметре отверстия 27, находящемся в диапазоне 2,5…3,5 мм, и давлении подаваемой через впускное отверстие 19 жидкости под давлением 6…9 МПа обеспечивается распыление от 400 до 1000 кг/ч жидкости. Форсунка проста в изготовлении и обслуживании.
Отходы гидрокалорифера, мокрый снег и шуга, легко удаляются водой. Но особенно перспективно использование теплоты сбросных технологических вод предприятия для растапливания отходов непосредственно в поддоне теплообменником 12. Тогда насосом 11 можно замкнуть тракт орошающей воды и сделать гидрокалорифер безотходным.
Наиболее благоприятные условия тепло- и массообмена между воздухом и водой связаны с временем их контакта, а длительность его обусловлена максимальной взвешенностью капель в воздушном потоке, что диктует необходимость противоточной схемы движения воздуха снизу вверх, а движение капель воды сверху вниз. Наиболее высокий термический КПД установки достигается при одном ряде водораспыляющих форсунок с диаметром выходного отверстия 2 мм и скорости восходящего потока 1…1,5 м/с.
Исследования показали, что воздух нагревается за счет скрытой теплоты льдообразования воды, но при строгом соблюдении теплового режима в камере орошения.
Скорость нагреваемого воздуха обусловлена необходимостью взвешивания в потоке капелек воды преобладающей крупности, но не более 3,5 м/с.
Н
На процесс нагрева воздуха оказывают значительное влияние также его температура и степень орошения. Чем ниже t, тем выше термический КПД гидрокалорифера, что и предопределяет целесообразность применения последнего для условий климата с низкими и продолжительными по времени температурами наружного воздуха.
Полностью использовать теплоту замерзания воды невозможно, поскольку водяные капли имеют различный дисперсный состав, а следовательно, разное время нахождения в потоке воздуха. Часть воды в виде крупных капель быстро пройдет зону контакта с воздухом, часть окажется на стенках камеры орошения. По этим причинам коэффициент орошения в гидрокалорифере достаточно высок - до 0,3 кг/кг. Кроме нагрева воздуха, необходима также вода, поступающая из форсунок 4, для смачивания пластин каплеуловителя 3, смыва льда со стенок воздухопроводящего канала и удаления мокрого снега из поддона установки в открытый водоем.
Для предупреждения уноса капель воздушным потоком выше водораспределяющих форсунок 2 устанавливают пластинчатый каплеуловитель 3. Его оптимальные параметры: угол наклона пластин - 90°, расстояние между пластинами - 20 мм, радиус изгиба пластин - 5 мм, скорость прохода воздуха - 4…6 м/с, отношение расстояния между пластинами к расстоянию между их изгибами - 1:5.
3
3
3
3
Гидрокалорифер обеспечивает нагрев холодного наружного воздуха до температуры 0,2…1°С, при этом можно достичь экономии топливной энергии на 25…40% при следующих параметрах: объем нагреваемого воздуха 936000 м/ч; скорость движения воздуха 3 м/с; вода подается из открытого водоема с расходами: для работы форсунок орошения - 59 м/ч, для орошения каплеуловителей 25 м/ч, для смыва шуги и мокрого снега из поддона камеры - 51 м/ч.
H
Таким образом, найдены оптимальные параметры гидрокалорифера для промышленных приточных вентсистем: скорость движения воздуха в камере орошения до 3 м/с; крупность капель воды - до 300 мкм; коэффициент орошения - 0,03…0,2 кг/кг; конечная температура нагрева - ±1,0°С; тип форсунки - ШФ 9/5; давление воды перед форсункой - не меньше 2 атм. Область применения распространяется на регионы со среднемесячными температурами t<-10°С.
Конструкция гидрокалорифера обладает рядом технико-экономических достоинств.
Сравнительно несложными системами автоматики производительность насоса 11 легко увязать с температурой наружного воздуха и тем самым обеспечить подачу только необходимых для обработки воздуха объемов орошающей воды.
п
Гидрокалорифер полностью покрывает отрицательные температуры, оставляя на долю теплового калорифера 5 стабильный диапазон температур 0…+t. Это позволяет применять калориферы небольшой тепловой производительности, работающие в постоянном тепловом режиме с высоким КПД.
Нагрев воды до 0°С позволяет повысить ее влагосодержание и относительную влажность внутренней атмосферы. В орошающую воду легко ввести дезинфицирующие добавки, одоранты. Дробление воды на мелкие капли сопровождается образованием и насыщением воздуха отрицательными ионами, благотворно влияющими на человека.
Отходы гидрокалорифера безвредны по отношению к окружающей среде, а весной естественным путем превращаются в воду.
Чем ниже и продолжительнее зимние температуры наружного воздуха, тем экономичнее становится использование гидрокалорифера.