Устройство и способ нагревания воздуха в устройстве для очистки воздуха
APPARATUS AND METHOD FOR HEATING AIR AT AIR TREATMENT DEVICE

Область техники
Настоящее изобретение относится к аппаратуре и способу доставки внешней тепловой энергии к потоку воздуха в устройстве для очистки воздуха, в первую очередь, чтобы иметь возможность нагревать воздух, подаваемый, например, в производственные помещения, до необходимой температуры вне зависимости от температуры снаружи. Устройство для очистки воздуха включает в себя вентиляционный блок и регенератор тепла, а также тепловой насос, и то, и другое предназначено для использования энергии отработанного воздуха помещений и ее переноса к подаваемому воздуху, если требуется его нагревание. В дополнение к восстановлению энергии посредством регенератора тепла и извлечению энергии из отработанного воздуха с помощью теплового насоса, может потребоваться дополнительная внешняя энергия для соответствия всем условиям эксплуатации на установке, вот почему на предприятии имеется дополнительный нагреватель.
Предпосылки создания изобретения
В рамках технологии очистки воздуха хорошо известны различные способы обеспечения установки для очистки воздуха оборудованием регенерации тепла для сокращения затрат на обогрев холодного наружного воздуха, используемого для нагревания подаваемого на установку воздуха. Стандартными вариантами являются решения на основе воздуха, например, ротационный теплообменник или теплообменник с перекрестным током. Кроме того, существуют решения, связанные с использованием жидкости, циркулирующей между горячей и холодной сторонами для поглощения тепла из отработанного воздуха и его высвобождения в подаваемый воздух.
Для увеличения уровня утилизации энергии отработанного воздуха, применяются решения с использованием теплового насоса, в котором так называемый змеевик непосредственного охлаждения - змеевик НО - помещается в подаваемый воздух, в направлении потока воздуха после регенерации тепла, и один змеевик НО помещается в вытяжной воздух, то есть воздух после регенерации тепла, таким образом, чтобы воздух высвобождался в свободный канал. В режиме нагревания, змеевик НО, расположенный в вытяжном воздухе, является испарителем, в то время как змеевик НО в подаваемом воздухе является конденсатором. Змеевики НО обычно состоят из определенного количества медных трубок с алюминиевыми теплообменными пластинами, где охладитель проходит через медные трубки и тепло выделяется или поглощается посредством обмена с атмосферным воздухом, проходящим через змеевик НО. Алюминиевые пластины увеличивают теплопередающую поверхность змеевика НО. Принцип работы теплового насоса здесь подробно не описывается. Посредством теплового насоса, можно восстановить больше тепловой энергии из отработанного или вытяжного воздуха и с более высоким содержанием энергии перенести ее в процессе накачки тепла в подаваемый воздух. Также, конечно, имеют место решения, использующие только тепловые насосы только для «рециркуляции».
Несмотря на то, что регенерация тепла в наши дни обычно является очень эффективной - например, ротационный теплообменник достигает температурного КПД около 85% - во многих случаях возникает необходимость дополнительного использования внешней тепловой энергии, чтобы справиться с нагревом подаваемого воздуха в течение всего года, особенно зимой, а также частично осенью и весной, конечно, в зависимости от географического местоположения вентиляционной установки. В странах Северной Европы наиболее распространенным способом является расположение нагревательного змеевика или жидкостного нагревательного змеевика, подключенного, например, к системе центрального отопления, в подаваемый воздух после регенератора тепла, чтобы увеличить температуру подаваемого воздуха до желаемого уровня, в тех случаях, где теплообменник и/или тепловой насос не обеспечивают полного нагрева. В Европе широко распространено оснащение вентиляционных установок так называемым «змеевиком замораживания», который является нагревательным змеевиком для подачи внешней энергии для размораживания теплообменника. Для этой цели нагревательный змеевик помещается в направлении потока воздуха перед теплообменником, на стороне подачи, т.е. в этом положении внешняя тепловая энергия подается на входящий наружный или подаваемый воздух.
Известной проблемой тепловых насосов является то, что их эксплуатация становится неэффективной и в некоторых случаях приводит к высокому износу компонентов насоса, когда температура воздуха, проходящего через испаритель, становится слишком низкой. В условиях северного климата обычно рекомендуется отключать тепловой насос при температуре около -15°С. Когда тепловой насос не может использоваться, весь его вклад в нагревание подаваемого воздуха необходимо компенсировать дополнительным нагревом, обычно в подаваемый воздух после оборудования регенерации тепла помещается внешний нагреватель, как описано выше. В тепловом насосе взаимное соотношение подводимой движущей энергии и восстановленной тепловой энергии описывается как значение СОР, и обычно, это значение находится между СОР 2-5, это означает, что извлеченная энергия в 2-5 раз больше электрической энергии, подводимой к тепловому насосу. Если соответствующую энергию необходимо добавить к подаваемому воздуху посредством электронагревательного змеевика, затраты прямо пропорциональны потреблению энергии. Если вместо этого используется жидкостный нагревательный змеевик, тем или иным образом должна быть произведена соответствующая энергия и поставлена к нагревательному змеевику. В установке электронагревательного змеевика есть свои преимущества, поскольку эта установка является простой и относительно недорогой, в то время как жидкостное решение является значительно более затратным. В свою очередь, это решение может быть предпочтительным при наличии правильных условий для производства и подключения к поверхности нагрева. Следующими недостатками существующих решений является то, что при добавлении всего объема тепла в подаваемый воздух, при самых низких температурах, физические размеры вспомогательного обогревателя становятся больше, поскольку для управления необходима высокая мощность. Более того, если используется электронагревательный змеевик, может произойти воздействие даже на главный предохранитель установки, когда ей приходится справляться с основной электроэнергией, что само по себе повышает стоимость монтажа, и эти эксплуатационные затраты повышаются из-за более высоких пошлин за более мощный предохранитель, все эти недостатки, несмотря на данные условия эксплуатации, появляются лишь в некоторых случаях или на короткий период общего времени эксплуатации установки.
Описание изобретения
го
В первом аспекте данного изобретения достигнута цель решения вышеуказанных проблем, путем использования устройства для очистки воздуха в соответствии с преамбулой 1 пункта формулы, устройство имеет в своем составе вспомогательный нагреватель, расположенный в вытяжном воздухе в направлении воздушного потока после регенератора тепла и до испарителя. Посредством такого расположения и путем добавления к воздуху внешней тепловой энергии непосредственно перед испарителем, увеличивается время эксплуатации теплового насоса, а регулирование вспомогательного нагревателя оптимальным образом адаптируется для подачи минимального дополнительного тепла с целью поддержания эксплуатации теплового насоса, также поддерживается его положительная производительность. Поддерживается правильная температура воздуха, входящего в испаритель, система сбалансирована и работает на достижение минимальных эксплуатационных затрат. Общий КПД установки будет выше, особенно в условиях холодного климата, как в странах Северной Европы. В дальнейшем, общий КПД увеличивается за счет возможности максимальной регенерации тепла (например, с использованием ротационного теплообменника). В предыдущих решениях, происходило принудительное отключение теплового насоса при более низких наружных температурах, и, помимо тепла, которое переносилось от теплообменника в подаваемый воздух, происходило добавление внешней энергии для обеспечения всех потребностей. При ином варианте, например, рекуперацию тепла нужно уменьшить, чтобы повысить температуру перед испарителем и, таким образом, продолжить использование теплового насоса, но это плохое решение, поскольку использование теплообменника, такого как ротор, стоит «почти ничего» относительно высокого уровня рекуперации, который он в действительности дает. Экономически нецелесообразно компенсировать это увеличением времени работы теплового насоса.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления вентиляционной установки, вспомогательный обогреватель интегрируется с испарителем, формируя единый блок. Система затем может быть доставлена и установлена как один блок, что упрощает общий монтаж по соединению к вентиляционной установке или внутри нее. Важно, что вспомогательный нагреватель расположен на стороне испарителя и обращен к теплообменнику - до впуска испарителя - в целях реализации этого изобретения. Развитие технологии очистки воздуха все больше и больше двигается в сторону решений по принципу «подключай и работай», при которых заказчик или подрядчик закупают уже готовое решение. Это позволяет более четко обозначить сторону, ответственную за функционирование, и такой стороной становится поставщик. Это выгодно для подрядчика, которому только требуется, например, подключить электропитание, кабельные каналы, соединения труб и так далее, и, в дополнение, он может быть уверен, что вспомогательный нагреватель хорошо подходит к испарителю, и они оба работают вместе как единое решение. Благодаря интеграции вспомогательного нагревателя и испарителя, блок становится более компактным, т.е. занимает меньше места внутри или вместе с блоком обработки воздуха. В предыдущих решениях отмечается абсолютное отсутствие вспомогательного нагревателя внутри испарителя или в связи с ним, и в них вспомогательные нагреватели представлены только на стороне подаваемого воздуха, или, в качестве альтернативного варианта, решение со змеевиком замораживания, которое описано в предпосылках создания изобретения.
В соответствии с предпочтительным осуществлением изобретения, чтобы сохранить низкую стоимость и простоту проектного решения в сочетании с наиболее простым способом подключения, используется электрический нагреватель. Электрические нагреватели представлены в различных вариантах, и, в зависимости от требований заказчика к определенному типу электрического нагревателя, изобретение не сводится к предложению лишь одного типа вспомогательного нагревателя. Несмотря на, что могут быть рассмотрены различные типы электрических нагревателей, все же для монтажной организации легче рассчитать затраты на установку и пр., с подключением вспомогательного нагревателя к электричеству. Электрический нагреватель предоставляет практически не имеющую потерь подачу тепла в воздух перед испарителем.
В соответствии с другим предпочтительным осуществлением устройства, вспомогательный нагреватель представляет собой так называемую электронагревательную спираль, или, проще говоря, нагревательный элемент. Электронагревательная спираль является простым устройством, состоит из нагревательного контура простейшей формы с электрической связью и возможных средств управления. В виду простоты и дешевизны конструкции, она подходит для обеспечения дополнительным теплом в соединении с тепловым насосом, что предоставляет вышеуказанные преимущества посредством простого и недорогого монтажа. Электронагревательную спираль можно легко интегрировать в вентиляционную установку или в качестве модуля в соединении с блоком или тепловым насосом, в зависимости от того, какой вид конструкции устройства необходим. Предыдущие решения представляют, как было сказано, вспомогательные нагреватели в форме электронагревательной спирали, но с той разницей, что сам элемент расположен в канале подаваемого воздуха. Нельзя не признать, что КПД самого нагревателя одинаково высок, где бы он ни был расположен, но общий КПД является ключевым моментом. Посредством расположения в соответствии с изобретением, тепловой насос используется в полной мере, что, в общем, обеспечивает большую экономичность в эксплуатации по сравнению с другими решениями. В идеале, тепловой насос фактически управляет всей работой, в то время как электронагревательная спираль нужна лишь на короткие периоды, и, таким образом, важно, чтобы вспомогательный нагреватель был простым и недорогим вариантом, как в случае с электронагревательной спиралью. Дополнительными преимуществами по сравнению с предыдущими решениями в плане нагрева подаваемого воздуха электронагревательной спиралью является то, что спираль не требует такого высокого уровня энергии в новом месте установки, что влияет на размер главного предохранителя и потребность в площади, как упомянуто выше.
В соответствии со следующим предпочтительным осуществлением, электрический нагреватель состоит из одного или более так называемых электронагревательных стержней. Наиболее благоприятным является его использование в сочетании с испарителем, если в тонкослоистой листообразной структуре содержится определенное количество пустот. Типовой нагревательный или охладительный змеевик или испаритель состоит из медной спирали для теплопоглощающей или тепловыделяющей среды, состоящей из нескольких витков трубок, и одного набора пластин из, например, алюминия. Эти теплообменные пластины фланцами соединяются с медными трубами с большой площадью контакта с поверхностью трубы. Тем не менее, обычно в теплообменных пластинах пробиваются отверстия для всех возможных конфигураций медных трубок, но это еще не означает, что все эти места будут «заполнены» медными трубками. Спираль проектируется с оптимальными характеристиками, но, если взять в расчет то, что медь является дорогим материалом, неэффективно заполнять все позиции в поперечном сечению спирали медными трубами. Следовательно, можно легко интегрировать эти электронагревательные стержни, в данном случае, в испаритель, путем задвигания их в пустые положения в пакете пластин. Таким образом, вспомогательный нагреватель не занимает дополнительного пространства, что влияет на внешние размеры испарителя, и, при желании, вспомогательный нагреватель можно легко интегрировать в испаритель. Воплощение не ограничивается тем, что электронагревательные стержни могут быть интегрированы в испаритель, их с таким же успехом можно расположить в другом месте установки.
Предпочтительным осуществлением изобретения является то, что электрический нагреватель состоит из одной или более так называемых электронагревательных пленок. Электронагревательная пленка является обычным типом нагревателя, используемым для обогрева участков, таки как, например, зеркала автомобиля. Даже в сфере вентиляции на некоторых рынках встречается электронагревательная пленка как дополнительный источник тепла, например, в нагревательных или охладительных балках, где поверхность пластины нагревается пленкой и подает воздух в комнату, проходя через теплую поверхность пластины. При таком способе, воздух нагревается от поверхности пластины посредством конвекции. Похожим образом, возможен нагрев поверхностей на различных участках, например, внутри блока обработки воздуха, в положениях, где воздух проходит от теплообменника к испарителю. Поскольку электронагревательная пленка является тонкой, она фактически не занимает дополнительного пространства и не вызывает избыточного падения давления. Решение с электронагревательной пленкой не требует воздействия на базовую конструкцию блока обработки воздуха, что сокращает стоимость функционирования и увеличивает линейку изделий, не затрагивая производство компонентов блока обработки воздуха. Вспомогательный нагреватель, в соответствии с используемыми в настоящее время решениями, в форме, не влияющей на конструкцию блока обработки воздуха, обычно монтируется как дополнительная деталь в систему трубопроводов со стороны подачи воздуха, то есть, он является отдельно управляемым и устанавливаемым компонентом, вместо решения по принципу «подключай и работай», в соответствии с изобретением.
В наиболее предпочтительном осуществлении изобретения, теплообменник является управляемым и вращающимся. Ротационный теплообменник имеет высокий термический КПД и вращается с определенной скоростью на полном ходу, для максимальной регенерации тепла из отработанного воздуха и переноса тепла в подаваемый воздух. На стороне отработанного воздуха также находится испаритель с тепловым насосом, служащий для поглощения тепловой энергии из воздуха, прошедшего через теплообменник по пути наружу, как описано выше. Во время эксплуатации ротационный теплообменник не поглощает большое количество энергии. Энергия требуется только для вращения колеса ротора с постоянной скоростью. Другими словами, затраты на работу ротора для максимальной регенерации тепла невелики, и из-за его высокого температурного КПД, желательно интенсивное использование ротационного теплообменника, когда требуется обогрев. На температуру на стороне отработанного или вытяжного воздуха перед испарителем, конечно, влияет количество тепловой энергии, регенерированной теплообменником, вот почему увеличение времени работы теплового насоса может быть достигнуто путем уменьшения скорости ротора, т.е. сокращением повторного использования тепла и, таким образом, поднятия температуры после ротора и перед испарителем. Аргументом против, однако, является общий КПД, потому что эксплуатация ротора потребляет меньше энергии в сравнении с эксплуатацией теплового насоса для компенсации соответствующей подачи тепла. Дальнейшая оптимизация и взаимодействие имеет место в случае вспомогательного нагревателя, и взаимодействие между этими компонентами в отношении различных условий эксплуатации важно, потому что в некоторых случаях, или на короткие периоды, хорошим вариантом может быть уменьшение времени работы ротора, а в других случаях лучше подойдет непрерывный режим работы и использование вспомогательных средств, и т.д. Другими словами, целесообразно использовать управляемый ротационный теплообменник, чтобы оптимизировать эксплуатацию в различные времена года и при определенных условиях, совместно с эксплуатацией теплового насоса и использованием вспомогательного нагревателя. Посредством управления блоком в направлении максимально возможного общего КПД, достигается низкая стоимость эксплуатации.
В качестве альтернативы использованию управляемого вращающегося теплообменника, в соответствии с альтернативным осуществлением, предпочтительно использование управляемого теплообменника с перекрестным током. Их секционная конструкция дает возможность регулировки, в силу чего есть возможность открывать и закрывать клапаны, регулирующие объем воздушного потока, проходящего через теплообменник. Преимущества те же, что указаны выше, и даже если регулировка в некоторой степени затруднена, в некоторых случаях она достаточна.
Для случаев, когда дополнительный теплоноситель должен быть в соответствии с, например, требованием заказчика, жидким, используется вспомогательный нагреватель такого типа. Идея изобретения та же, то есть, применить тепло в направлении потока после регенерации тепла и до испарителя. Решения с использованием жидкости могут быть оправданы, если на предприятии есть доступ к внешним источникам тепла, не электричеству, таким как централизованное отопление района или подобие этого. Изобретение не ограничивается особым типом внешнего вспомогательного нагревателя, но именно расположение позволяет увеличивать время работы теплового насоса, что наиболее важно.
В предпочтительном осуществлении изобретения, устройство для очистки воздуха включает в себя устройство управления, который плавно контролирует электрический нагреватель, главным образом, при непрерывной регулировке тепловой мощности. Желательно, чтобы это выполнялось так называемым симметричным триодным тиристором (TRIAC), который позволяет балансировать тепловыделение так, чтобы температура между теплообменником и испарителем была достаточной для поддержания эксплуатации теплового насоса даже при низкой температуре. Плавное управление означает, что нагревательная мощность регулируется небольшими шагами, обеспечивая фактически непрерывную силовую характеристику производимой мощности нагревателя. По меньшей мере, один (одна) из нагревательных змеевиков / стержней / пленок имеет такое плавное управление. Наиболее общей чертой предыдущих решений является то, что управление выполняется путем подключения различных шагов приращения по мощности или комбинаций соответственно, что обеспечивает более резкое управление.
Во втором аспекте изобретения достигнута цель решения вышеупомянутых проблем способом для нагревания воздуха в соответствии с преамбулой пункта 1 формулы, который включает в себя положение о том, что дополнительное тепло подается через вспомогательный нагреватель, расположенный в вытяжном воздухе, в направлении воздушного потока после регенератора тепла, но до испарителя, вместо того, чтобы, как в известных решениях, добавлять дополнительное тепло на сторону подаваемого воздуха. Путем добавления внешней тепловой энергии в вытяжной воздух непосредственно перед испарителем, продлевается время эксплуатации теплового насоса для тех случаев, когда обычно насос должен быть выключен, благодаря низкой температуре входящего в испаритель воздуха. В предыдущих известных решениях, когда тепловой насос выключен, вся тепловая энергия, необходимая для достижения оптимальной температуры подаваемого воздуха, в придачу к энергии, восстановленной регенератором тепла, должна подаваться вместе с дополнительным теплом на сторону подаваемого воздуха. Различие в том, что добавление внешнего тепла на сторону подаваемого воздуха произведет, в лучшем случае, соотношение производимой энергии и достигаемой тепловой энергии 1:1, в то время как тепловой насос выдает, по меньшей мере, обмен 1:3, по умеренной оценке. Регулировка подачи дополнительного тепла оптимальным образом адаптируется для подачи минимального количества этого тепла с целью поддержания эксплуатации теплового насоса с сохранением его положительной производительности. Поддерживается нужная температура входящего в испаритель воздуха, система сбалансирована и работает на достижение наименьших затрат на эксплуатацию. Повышается общий КПД установки, особенно в холодном климате, таком как в северных странах. Далее, общий КПД улучшается за счет возможности обеспечить максимальную работу регенератора тепла. В предыдущих решениях происходит вынужденное отключение теплового насоса, например, при наружной температуре около -15°С, происходит внешняя подача энергии, сосредоточенной в подаваемом воздухе, для обеспечения полной потребности, в придачу к теплу, которое переносится регенератором тепла в подаваемый воздух.
В соответствии с предпочтительным осуществлением способа, подача внешней тепловой энергии в вытяжной воздух начинается посредством вспомогательного нагревателя, когда температура перед испарителем приближается к нижнему предельному значению, где в обычных условиях тепловой насос бы выключился, например, -15°С. Путем размещения датчика температуры в вытяжном воздухе измеряется действительная температура воздуха, входящего в испаритель. В то время как достигается нижнее предельное значение, которое предпочтительно должно быть слегка выше нижнего эксплуатационного предела теплового насоса, начинается нагревание воздуха посредством вспомогательного нагревателя. Естественно, изобретение не ограничивается тем, что подача тепла может начаться только при нижнем пределе, но неизменный интерес представляет общий КПД, то есть, насколько энергосберегающей может быть работа блока. Оптимизация эксплуатации выполняется путем балансировки эксплуатации теплового насоса, регенерации тепла и вспомогательного тепла.
В следующем предпочтительном осуществлении изобретенного способа, подача внешней тепловой энергии начинается посредством вспомогательного нагревателя, когда испаритель указывает на замораживание. Как именно выполняется индикация, здесь не уточняется, но есть множество способов обнаружения замораживания в испарителе, важно то, что индикация инициирует размораживание. Испаритель размораживается за необходимое время с использованием добавления внешней тепловой энергии, или сочетания с другими способами размораживания. Заявитель подал патент - SE 1200784-5 в котором описывается двустороннее размораживание испарителя в системе обработки воздуха с регулируемым теплообменником и тепловым насосом, подобно монтажу в данной заявке. В SE 1200784-5 двустороннее размораживание осуществляется путем повышения разными способами температуры охладителя внутри испарителя, в то время как теплообменник регулируется на понижение, чтобы поднять температуру входящего в испаритель вытяжного воздуха и, таким образом, достичь ускоренного размораживания путем нагрева изнутри и снаружи. Имея данное изобретение, можно сочетать или чередовать поднятую температуру вытяжного воздуха снаружи, используя вспомогательный нагреватель и/или регулируемый регенератор тепла для достижения двустороннего размораживания.
В предпочтительном осуществлении изобретенного способа, вспомогательный нагреватель является электрическим нагревателем, а устройство для очистки воздуха включает в себя устройство управления, который мягко контролирует электрический нагреватель, для практически непрерывной регулировки тепловой мощности. Желательно, чтобы это выполнялось так называемым симметричным триодным тиристором (TRIAC), которые делает возможным балансировать тепловыделение так, чтобы температура между теплообменником и испарителем была достаточной для поддержания эксплуатации теплового насоса даже при низкой температуре. Мягкое управление означает, что нагревательная мощность регулируется небольшими шагами DC (постоянного тока) 0-10 В или связью, обеспечивая фактически непрерывную силовую характеристику производимой мощности нагревателя. По меньшей мере, один (одна) из нагревательных змеевиков / стержней / пленок имеет это мягкое управление. Наиболее общей чертой предыдущих решений является то, что управление выполняется путем подключения различных шагов приращения по мощности или комбинаций соответственно, что обеспечивает более резкое управление.
В соответствии с предпочтительным осуществлением способа, производимая мощность электрического нагревателя управляется пошагово, предпочтительно, посредством одного или более производимых шагов, и устройство управления далее сочетает плавное управление с пошаговым управлением для достижения наилучшей адаптации производимой мощности, подобно тому, как температура между регенератором тепла и испарителем балансируется и адаптируется для минимального потребления энергии и наилучшего общего КПД.
В изобретении реализовано большое количество преимуществ по сравнению с известными решениями:
- увеличенное время работы теплового насоса, которое заменяет необходимость дополнительного нагревания подаваемого воздуха, приводя к лучшему использованию тепловой энергии от (в лучшем случае) 1:1 до порядка 1:3 - 1:5 при сравнении электронагревательного змеевика, помещенного в подаваемый воздух, и электронагревательного змеевика, помещенного перед испарителем.
- Меньше пусков и остановок для теплового насоса, а значит, меньше износ.
- Продолжение работы теплового насоса при низких температурах означает повышенный износ - теперь не допускается работа теплового насоса при низких температурах, но благодаря небольшой подаче тепловой энергии перед испарителем тепловой насос может работать в благоприятных условиях.
- Новый тип размораживания испарителя вспомогательным нагревателем, который также делает возможной непрерывную работу регенератора тепла с полным восстановлением тепла между вспомогательным и подаваемым воздухом, для тех случаев, когда это выгодно с точки зрения общих экономических производственных перспектив.
- Меньшие размеры и меньшая сила тока на главном предохранителе в сравнении с тем, если бы соответствующая производимая мощность поставлялась как электрическое тепло в подаваемый воздух, что дает большую общую экономию.
- В сочетании с управляемым регенератором тепла, достигается высокая гибкость эксплуатации, что дает возможность лучшего управления в направлении хорошего общего КПД.
- Плавная регулировка в сочетании с пошаговой регулировкой при немощи разных контуров мощности в электрическом нагревателе обеспечивает гибкое и точное управление мощностью от вспомогательного нагревателя, что адаптирует температуру перед испарителем для поддерживаемой эксплуатации теплового насоса и оптимального общего КПД.
Краткое описание чертежей
- На фиг. 1 показана принципиальная схема блока обработки воздуха, где внешняя тепловая энергия подается вспомогательным нагревателем, расположенным на стороне подаваемого воздуха в направлении воздушного потока перед регенератором тепла.
- На фиг. 2 показана принципиальная схема блока обработки воздуха, где внешняя тепловая энергия подается вспомогательным нагревателем, расположенным на стороне подаваемого воздуха в направлении воздушного потока после регенератора тепла.
- На фиг. 3 показана принципиальная схема блока обработки воздуха в соответствии с изобретением, где внешняя тепловая энергия подается вспомогательным нагревателем, расположенным на стороне вытяжного воздуха в направлении воздушного потока после регенератора тепла и перед испарителем.
- На фиг. 4а и 4b показаны схематичные столбчатые диаграммы потребности и потребления энергии блока обработки воздуха в соответствии со современной технологией в сравнении с блоком обработки воздуха в соответствии с патентной заявкой.
Расчет конструкций настоящего изобретения наглядно представлен в следующем подробном описании воплощения изобретения со ссылкой на сопроводительные чертежи, показывающие предпочтительное, но не ограничивающееся им воплощение изобретения.
Подробное описание чертежей
На фиг. 1 показана обзорная принципиальная схема устройства для очистки воздуха (1) в соответствии с существующей технологией, схема включает в себя блок обработки воздуха (2), регенератор тепла (3) - в данном случае, ротационный теплообменник, вентилятор подаваемого воздуха (19) и вентилятор вытяжного воздуха (20), тепловой насос (6), включая испаритель (7) и конденсатор (8). Тепловой насос (6) может быть различных типов и не уточняется / не объясняется более подробно. Блок обработки воздуха (2) включает в себя первую струю воздуха (4), которая на фиг. расположена в верхней половине блока обработки воздуха (2) и направлена справа налево. Первая струя воздуха (4) включает в себя, в направлении воздушного потока, отработанный воздух (15), который после регенератора тепла (3) называется вытяжным (16). Далее, блок обработки воздуха (2) включает в себя вторую струю воздуха (5), которая на фигуре расположена в нижней половине блока обработки воздуха (2) и направлена слева направо. Вторая струя воздуха (5) включает в себя, в направлении воздушного потока, наружный воздух (17), который после регенератора (3) тепла называется подаваемым воздухом (18). В первой струе воздуха (4) расположен испаритель (7), т.е. тот змеевик НО, который для режима действительной эксплуатации нагревания образует испаритель (7). Испаритель (7) установлен в направлении воздушного потока после регенератора тепла (3) и путем процесса накачки тепла оно восстанавливается из вытяжного воздуха (16). Во второй струе воздуха (5), в направлении воздушного потока после регенератора тепла (3) установлен другой змеевик НО, который на случай нагревания образует конденсатор (8) и путем процесса накачки тепла оно конденсатором предоставляется в подаваемый воздух (8). Процесс накачки тепла как таковой далее не обсуждается в этой заявке. На фигуре также показан вспомогательный нагреватель (9), который в настоящем случае расположен во второй струе воздуха (5), до того, как наружный воздух (17) достигнет регенератора тепла (3). Это положение применяется, главным образом, в Средней и Южной Европе и действует как установка для размораживания для вращающегося теплообменника (3) - так называемый «змеевик заморозки». Подача тепла на сторону подаваемого воздуха может быть в форме электрического или водного нагревания. Это решение превращается в чистую подачу на стороне подаваемого воздуха, что не улучшает эксплуатацию теплового насоса при низких температурах и является худшим общим экономическим решением в сравнении с данным изобретением. Замысел, однако, несколько иной.
На фиг. 2 показана обзорная принципиальная схема устройства для очистки воздуха (1) в соответствии с существующим способом и с включенными компонентами, похожими на вышеуказанное описание фиг. 1. Различие в отношении решения на фиг. 1 заключается в том, что внешняя тепловая энергия подается вспомогательным нагревателем (9), расположенным в подаваемом воздухе (18), во второй струе воздуха (5) ив направлении воздушного потока после вращающегося теплообменника (3). Это обычное решение в странах Северной Европы для подачи тепловой энергии с целью поддержания температуры подаваемого воздуха (18). Это решение, однако, имеет вышеописанные недостатки, так, при низких наружных температурах тепловой насос (6) должен быть выключен, и вспомогательный нагреватель должен полностью удовлетворять потребность в нагревании в придачу к тому, что выдает регенератор тепла (3). Таким образом, вспомогательный нагреватель (9), вне зависимости от того, электрический ли это нагреватель или жидкостный змеевик, должен иметь размеры, позволяющие справляться с этими силовыми пиками, и это приводит к большим размерам вспомогательного нагревателя (9). Далее, если вспомогательный нагреватель является электрическим, возможно, придется определять размеры главного предохранителя установки, сравнивая с решением, соответствующим изобретению. Вспомогательный нагреватель (9) может быть, к примеру, электрическим либо жидкостным.
На фиг. 3 показана принципиальная схема устройства для очистки воздуха (1) в соответствии с изобретением, где внешняя тепловая энергия поддается за счет того, что вспомогательный нагреватель (9) расположен в первой струе воздуха (4), т.е. на стороне отработанного воздуха, и на стороне воздушного потока после вращающегося теплообменника (3) и до испарителя (7). Вспомогательный нагреватель (9) может быть различных типов в соответствии с объемом изобретения, но предпочтительно в форме электрического нагревателя (10) и, особенно, так называемого электронагревательного змеевика (11). Другие воплощения, представленные на фигуре, являются альтернативными воплощениями вспомогательного нагревателя (9), в форме одного или более электронагревательных стержней (12), альтернативный вариант - одна или более электронагревательных пленок (13). Вне зависимости от типа, вспомогательный нагреватель (9) может быть отдельной частью или может быть интегрирован в испаритель (7), хотя подача тепла должна происходить перед испарителем (7). На фиг. 3 также есть датчик температуры (14) для измерения температуры Т1 перед испарителем (7), измерение используется для решения, продолжать или нет эксплуатацию теплового насоса (6), а также для контроля над тем, должен ли работать вспомогательный нагреватель (9) или нет. Устройство управления (21), не показанный, используется для управления вспомогательным нагревателем (9), эксплуатацией вращающегося теплообменника (3), эксплуатацией теплового насоса (6) и, предпочтительно, продолжающейся эксплуатацией блока обработки воздуха (2), если он включен в состав, а также управляемых компонентов. Вспомогательный нагреватель (9) предпочтительно использовать как установку для размораживания при указании на замораживание в испарителе (7). Как объяснялось ранее, расположение означает, что тепловой насос (6) используется значительно больше, чем в обычных установках, что способствует лучшей общей экономии, меньшим размерам нагревателя, и т.д.
На фиг. 4а и 4b показаны схематичные столбчатые диаграммы потребности и потребления энергии при низких наружных температурах в стандартном блоке обработки воздуха (2) в соответствии с современной технологией, сравниваемые с блоком обработки воздуха (2) в соответствии с патентной заявкой. На фиг. 4а показано, что, вне зависимости от задействованного предприятия, потребность в энергии очевидно одинаковая, и что регенерация тепла (РТ) из отработанного воздуха (15) и его перенос в подаваемый воздух (18) регенератором тепла (3) вносит огромный вклад в удовлетворение потребности в энергии. Этот вклад (РТ) изменяется в зависимости от типа регенератора тепла (3) и может достигать около 85% для вращающегося теплообменника. Для стандартного блока обработки воздуха в соответствии с современным способом - левый столбец - подача внешней тепловой энергии (ВТ) должна заполнять остающуюся потребность в энергии в добавление к тому, что удовлетворяется регенератором тепла (3). В правом столбце - патенте - указано, что поставка внешней тепловой энергии (ВТ), в этом случае электрической энергии, представляет небольшую долю, в то время как тепловой насос (6) предоставляет оставшуюся потребность в энергии (ТН) путем добавления внешней тепловой энергии (ВТ) в виде подводимой к тепловому насосу (6) приводящей энергии, а также, при необходимости, в виде сверхподачи через вспомогательный нагреватель (9), чтобы поддерживать работу теплового насоса (6) при низкой внешней температуре.
Фиг. 4b схематически знакомит с потреблением энергии блока обработки воздуха (2) в соответствии с современной технологией, сравниваемой со способами, соответствующими патентной заявке. Энергия, необходимая для работы роторного колеса (РТ) на вращающемся теплообменнике (3), очевидно мала, это является мотивацией для ее максимально возможного использования с высоким уровнем регенерации тепла. На установке в соответствии с современным способом - стандартно - тепловой насос (3) выключен и подача внешнего тепла (ВТ) потребляет большое количество энергии и высокую производимую мощность электронагревательного змеевика (11), который, в свою очередь, крупнее по размерам и, вероятно, имеет более высокую силу тока на главном предохранителе в сравнении с новым способом подачи тепловой энергии. Размер главного предохранителя изменяется в зависимости от размера блока обработки воздуха и вариантов электронагревательных змеевиков. С решением в соответствии с настоящим изобретением, подача внешней тепловой энергии (ВТ) является подачей движущей энергии для теплового насоса вместе с энергией для нагрева с вспомогательным нагревателем (9), для поддержания эксплуатации теплового насоса. Очевидно, что потребление энергии уменьшается, а сбережения растут, чем холоднее и дольше период, когда обычная установка, при иных обстоятельствах, отключила бы тепловой насос. В добавление, как было сказано, есть преимущества, касающиеся размеров, главного предохранителя и т.д.
ПЕРЕЧЕНЬ ПОЗИЦИЙ ЧЕРТЕЖЕЙ
1 = устройство для очистки воздуха
2 = вентиляционная установка
3 = регенератор тепла
4 = первая струя воздуха
5 = вторая струя воздуха
6 = тепловой насос
7 = испаритель
8 = конденсатор
9 = вспомогательный нагреватель
10 = электрический нагреватель
11 = электронагревательная спираль
12 = электронагревательный стержень
13 = электронагревательная пленка
14 = датчик температуры
15 = отработанный воздух
16 = вытяжной воздух
17 = наружный воздух
18 = подаваемый воздух
19 = вентилятор подаваемого воздуха
20 = вентилятор отработанного воздуха
21 = устройство управления
ВТ = внешняя тепловая энергия
РТ = регенерация тепла
ТН = тепловой насос