УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАГРЕВАНИЯ И УВЛАЖНЕНИЯ ВОЗДУХА НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНЫМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ

Устройство относится к технике вентиляции и кондиционирования воздуха и может быть использовано в вентиляционных установках зданий и сооружений различного назначения, в частности в жилых, административных, промышленных и т.п.
Известно устройство для нагревания и увлажнения воздуха низкопотенциальным теплоносителем, содержащее корпус с входным и выходным воздушными патрубками, размещенный в нем дисковый роторный теплообменник, снабженный радиальными лопатками, установленный ниже дисков поддон с водой и размещенный в нем трубчатый теплообменник, отделенный вертикальной стенкой в поддоне, обеспечивающей разделение поддона на две части и тем самым циркуляцию воды через теплообменник [АС №1209 941, 1984 г - аналог].
Недостатком этого устройства является низкое значение коэффициента теплопередачи от теплообменника к циркулирующей воде в поддоне, вызванное тем, что циркуляция воды, создаваемая лопатками на роторе, имеет малые величины скорости в межтрубном пространстве теплообменника.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели по наибольшему количеству общих существенных признаков и достигаемому техническому результату является устройство для нагревания и увлажнения воздуха низкопотенциальным теплоносителем, содержащее корпус с входным и выходным воздушными патрубками, поддон с водой, трубопровод для подачи воды в поддон; трубопроводы для подачи низкопотенциального теплоносителя и его отвода, размещенный в корпусе с возможностью вращения по потоку воздуха, трубчатый теплообменник, размещенный в поддоне с водой, выполненный спиралеобразно из медных трубок с образованием внутренней полости, внутри которой смонтирована перфорированная труба, соединения трубопроводов с системой подачи воды, забираемой из поддона посредством циркуляционного насоса и электродвигатель с редуктором [Патент РФ на полезную модель №95802, 2009 г - прототип].
Недостатком прототипа является низкая эффективность работы устройства, так как исполнение теплообменника в виде гладких трубчатых змеевиков, даже при условии дополнительной циркуляции воды в поддоне, незначительно повышает коэффициент теплопередачи от теплообменника к воде в поддоне.
Недостатком прототипа также является повышенная масса теплообменника, наличие вспомогательного оборудования, малая величина передаваемой теплоты на единицу массы (не более 1 кВт/кг).
Технической задачей заявляемой полезной модели является повышение эффективности работы устройства за счет конструктивного исполнения, направленного на повышение тепломассообменных процессов при одновременном упрощении устройства со снижением массы теплообменника на единицу передаваемой теплоты.
Техническая задача решается тем, что в устройстве для нагревания и увлажнения воздуха низкопотенциальным теплоносителем, содержащем корпус с входным и выходными воздушными патрубками, поддон с водой, трубопроводы подвода воды в поддон и для подачи низкопотенциального теплоносителя и его отвода, размещенный в корпусе с возможностью вращения по потоку воздуха дисковый роторный теплообменник, состоящий из закрепленных на валу с заданным зазором плоских гладких дисков с образованием между ними щелевых каналов, трубчатый теплообменник, размещенный в поддоне, источник низкопотенциальный теплоты и электродвигатель с редуктором, в котором трубчатый теплообменник выполнен из гофрированной гибкой трубы в виде змеевиков, размещенных в поддоне горизонтальными рядами параллельно горизонтальной оси ротора и подключенных к входному и выходному коллекторам прямоугольного сечения, вертикально установленным и жестко смонтированным внутри поддона, причем каждый четный ряд змеевика смещен относительно нечетного ряда на величину диаметра трубки змеевика, и на входе в коллектор каждый змеевик снабжен регулирующим устройством и подключается к коллекторам посредством фитингов, при этом змеевики теплообменника выполнены из тонкостенной стальной трубки, а регулирующее устройство выполнено в виде винтообразного штока.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что повышение эффективности работы устройства достигается тем, что трубчатый теплообменник, размещенный в поддоне с водой, выполнен в виде змеевиков из стальной гофрированной гибкой трубы, обеспечивающей за счет гофрированной внутренней поверхности разрушение ламинарного подслоя жидкости.
В процессе передачи теплоты от теплоносителя к нагреваемой жидкости (воде), находящейся в поддоне, внутри змеевиков, при прохождении по ним низкотемпературного теплоносителя, в качестве которого может использоваться вода после охлаждения технологического оборудования, обратная сетевая вода из теплосети, из тепловых насосов и т.п., вблизи стенок образуется ламинарный подслой жидкости, снижающий интенсивность передачи теплоты от теплоносителя к нагреваемой жидкости (воде), так как теплообмен при этом осуществляется непосредственно только за счет теплопередачи, исключая при этом конвективную составляющую.
Отрицательное влияние ламинарного подслоя жидкости в змеевиках можно избежать двумя способами:
- увеличением скорости движения теплоносителя выше критического значения числа Рейнольдса. При этом происходит турбулизация потока при снижении толщины ламинарного подслоя до величины, при которой влияние данного подслоя на величину теплопередачи становится пренебрежительно мало. Однако резкое увеличение гидравлического сопротивления теплообменного аппарата при переходе на турбулентный режим движения жидкости приводит к дополнительным затратам на увеличение мощности насосов, предназначенных для перекачивания жидкости в контуре теплообмена.
- предлагаемое конструктивное исполнение трубчатого теплообменника в виде гофрированной гибкой трубы направлено на разрушение ламинарного подслоя без увеличения скорости движения жидкости в контуре теплообмена и, при заданных конструктивных параметрах и формы поверхности теплообменника позволяет создавать условия, при которых гидравлические потери будут несопоставимо малы в сравнении с повышением коэффициента теплопередачи.
Второй способ повышения теплообмена за счет использования гофрированной трубы змеевиков применен в предлагаемой полезной модели.
Подключение трубчатых змеевиков к коллекторам со смещением четных рядов относительно нечетных на величину диаметра трубки змеевика способствует максимальному обтеканию подогретой водой всей поверхности змеевиков в условиях естественной конвекции, тем самым так же способствует интенсификации тепломассообменных процессов в устройстве.
Установленное на каждый змеевик на его входе в коллектор регулирующее устройство, выполненное в виде штока, предназначено для регулирования расхода нагретой воды, поступающей в каждый змеевик, что обеспечивает поддержание заданной температуры воды в нижней части поддона. При этом при наличии большего нагрева воды внизу возникает дополнительная циркуляция снизу вверх.
M
Кроме этого отсутствие в устройстве вспомогательного оборудования не только является упрощением конструкции в целом, но также обеспечивает повышение значения удельного показателя передаваемой теплоты по массе - Е, что также способствует интенсификации тепломассообменных процессов в устройстве.
Таким образом, конструктивное исполнение предлагаемого устройства, в сравнении с устройством по прототипу, обеспечивает повышение эффективности тепломассообменных процессов в устройстве, что и является новым техническим результатом заявляемой полезной модели.
Полезная модель поясняется графическим материалом:
- на фиг.1 схематично представлено устройство для нагревания и увлажнения воздуха низкопотенциальным теплоносителем, поперечный разрез;
- на фиг.2 - то же, продольный разрез;
- на фиг.3 схематично показан трубчатый теплообменник с вертикальными коллекторами и горизонтальными рядами змеевиков;
- на фиг.4 схематично представлен вид сверху на теплообменник с поддоном;
- на фиг.5 представлена графическая зависимость коэффициента теплопередачи от скорости воды в змеевиках теплообменника;
- на фиг.6 - фотоснимок «Теплообменник из стальной гофрированной трубы. Вид сверху»;
- на фиг.7 - фотоснимок «Теплообменник из стальной гофрированной трубы на стенде сборки».
Устройство для нагревания и увлажнения воздуха низкопотенциальным теплоносителем сдержит корпус 1 с входным и выходным воздушными патрубками 2 и 3 и поддон 4, заполенный водой, имеющий трубопроводы 5 и 6 для заполнения водой поддона и подачи низкопотенциального теплоносителя и его отвода. Внутри корпуса 1 смонтирован с возможностью вращения роторный теплообменник 7, состоящий из закрепленных на горизонтальном валу с помощью распорных шпилек и шайб плоских параллельно установленных с заданным зазором дисков 8 для предотвращения их слипания и с образованием между ними щелевых каналов. При этом вал ротора расположен выше уровня жидкости в поддоне 4. Диски выполнены гладкими из хорошо смачиваемого материала, например дюралюминия. Вращение ротора 7 по потоку воздуха осуществляется от электродвигателя 9 через редуктор 10. В поддоне 4 размещен теплообменник 11, выполненный в виде змеевиков 12 из стальной гофрированной гибкой тонкостенной трубы, расположенных горизонтальными рядами параллельно горизонтальной оси ротора и подключенных к входному и выходному коллекторам прямоугольного сечения 13, вертикально установленным и жестко смонтированным внутри поддона 4. Причем, каждый четный ряд трубчатого змеевика теплообменника 11 подключен к коллекторам относительно нечетного ряда со смещением, равным величине диаметра трубки змеевика. Для возможности регулирования расхода теплоносителя в теплообменнике 11 на каждый змеевик на его входе в коллектор установлено регулирующее устройство в виде подвижного винтообразного штока 15 с уплотнительным кольцом. Подключение каждого ряда змеевиков 12 к коллекторам 13 осуществляется через фитинги 16.
Устройство работает таким образом. Нагреваемый воздух поступает через входной патрубок 2 в корпус 1 устройства в радиальном направлении к вращающимся дискам 8 роторного теплообменника 7, свободно проходя в щелевых каналах, образованных дисками, к выходному патрубку 3. При вращении дисков 8 их нижняя часть находится в поддоне 4 с нагретой водой, которая в виде пленки размывается по всей поверхности дисков, и с этой пленки нагретой воды происходит тепломассопередача в обрабатываемый воздух, обеспечивая его нагревание и увлажнение одновременно.
Для нагрева воды в поддоне используется низкопотенциальный теплоноситель, который поступает в трубчатый теплообменник 11 через трубопровод 6 во входной коллектор 13, откуда распределяется по горизонтальным рядам змеевиков и отводится чрез выходной коллектор и трубопровод 6. Регулирование расхода теплоносителя в змеевиках 12 осуществляется регулирующими устройствами 15.
В качестве низкопотенциального теплоносителя используется вода, нагреваемая в теплообменнике 11 устройства, размещенном в системе вентиляционным выбросов.
Таким образом, применение предлагаемой полезной модели позволяет повысить эксплуатационные характеристики устройства, а использование теплоты низкопотенциального теплоносителя для нагрева воды в поддоне позволяет сократить потребление высокопотенциальной теплоты из тепловых сетей или электронагревательных устройств, тем самым сокращаются затраты на приобретение энергоемкого оборудования. Кроме того, утилизация теплоты вентиляционных выбросов способствует улучшению экологической обстановки, снижая негативное воздействие высокотемпературных выбросов в окружающую среду.
В качестве низкотемпературного теплоносителя также может использоваться вода после охлаждения технологического оборудования, обратная сетевая вода из теплосети, из тепловых насосов и других источников.
Пример конкретного исполнения
н
Для экспериментальной проверки указанного технического результата при осуществлении заявленной полезной модели был изготовлен опытный образец устройства и проведены испытания по тепловлажностной обработке холодного воздуха (t=-5…-20°С) при различных температурных режимах и изменяемом расходе теплоносителя, подаваемого в трубчатый теплообменник. В качестве низкопотенциального теплоносителя использовали воду, нагреваемую в теплообменнике, размещенном в системе вентиляционных выбросов.
Согласно заявленной полезной модели роторный теплообменник был изготовлен из гладких плоских дисков из дюралюминия с диаметром, равным 400 мм, и закрепленных на горизонтальном валу с помощью распорных шпилек и шайб с зазором между дисками, равным 2 мм.
Теплообменник, размещенный в поддоне с водой и предназначенный для ее нагрева низкопотенциальным теплоносителем, изготавливали в виде трубчатых змеевиков из тонкостенной 0,3 мм стальной гибкой гофрированной трубы, размещенных в поддоне горизонтальными рядами и подключенных к вертикальным коллекторам прямоугольного сечения и снабженных регулирующими устройствами.
н
w
3
Испытания осуществляли следующим образом. Наружный холодный воздух, надлежащий нагреванию и увлажнению, поступал в устройство при температуре t=-15°С, расход воздуха составил 8000 м/час, скорость вращения ротора по потоку воздуха n=6 об/мин. Подогрев воды в поддоне осуществлялся от теплообменника со змеевиками при температуре низкопотенциального теплоносителя t=30…35°С и скорости подачи в трубки змеевиков
ω=0,5…1,0 м/с.
Для сравнения воздух, подлежащий обработке при тех же температурных режимах, подвергался испытанию на устройстве по прототипу. Результаты испытаний приведены в таблице.
Таблица
Показатель
Заявленное устройство
Устройство по прототипу
1
2
3
Суммарная длина трубок, l, п.м
56,0
32,0
Вес теплообменника, М, кг
12,5
8,0
Площадь поверхности теплообмена, F, м<sup>2</sup>
6,4
1,1
Коэффициент теплопередачи, К, Вт/м<sup>2.</sup>°С (при ω=0,82 м/с)
1310
740
Коэффициент эффективности по массе, Е<sub>M</sub>, кВт/кг
6,8
1,1
Коэффициент эффективности по поверхности теплообмена, Е<sub>F</sub>, кВт/м<sup>2</sup>
13,3
7,6
1
2
1
2
Из экспериментальных данных видно, что коэффициент теплопередачи К по заявленному устройству превышает коэффициент теплопередачи по прототипу К в 1,77 раза, а графическая зависимость К=f(ω), приведенная на фиг.5, наглядно подтверждает высокую эффективность работы заявленного устройства в сравнении с устройством по прототипу К=f(ω).
2.
2.
Результаты испытаний показали, что основной показатель эффективности теплопередачи - коэффициент теплопередачи К составлял 750…1400 Вт/мС при скорости теплоносителя в трубках змеевиков 0,5…1,0 м/с, что обеспечивает значение числа Рейнольдса в пределах Re=14400…23100. Значение числа Рейнольдса оказывает влияние на величину гидравлических потерь давления в трубопроводе. Так как при сопоставимой скорости движения теплоносителя в змеевике, выполненным по прототипу из медной трубы, а, соответственно, и сопоставимых значениях числа Рейнольдса значение коэффициента теплопередачи составляло 375…740 Вт/м°С (что меньше приблизительно на 95…77% по сравнению со змеевиком из гофрированной трубы), можно сделать вывод, что применение теплообменника, выполненного из гофрированной трубы позволяет получить коэффициент теплопередачи значительно выше, в сравнении с теплообменником по прототипу, выполненным из гладкой медной трубы, при тех же значениях гидравлического сопротивления. Также у предложенного теплообменника значительно выше показатели, как по коэффициенту теплопередачи, так и по удельным показателям по массе и поверхности теплообмена.