Гибкий рекуператор
FLEXIBLE RECUPERATOR

Настоящее изобретение относится к теплообменным и теплопередающим устройствам и может быть использовано для обеспечения приточно-вытяжной вентиляции воздуха и рекуперации энергии тепла воздуха в образовательных, медицинских, административных, развлекательных учреждениях; квартирах, офисах, бытовках, индивидуальных и многоквартирных домах и в любых других помещениях, где требуется замена воздуха. Гибкий рекуператор выполнен в виде труб из гофрированного металла с адаптерами на концах выполненными из пластика, составленного из, по меньшей мере, одного модуля, образованного из, по меньшей мере, двух гофрированных труб разного диаметра с центраторами с одинаковым шагом установки, при этом на концах гофрированные трубы соединяются с адаптерами для распределения потоков входящего и удаляемого воздуха, в одном из которых установлена нейлоновая вставка для передачи влаги от удаляемого воздуха к входящему.
Известны пластинчатые рекуператоры, которые изготавливаются в двух вариантах: перекрестный и противоточный. Наиболее эффективный вариант - это перекрестный пластинчатый рекуператор, в котором потоки входящего и удаляемого воздуха движутся по множеству небольших каналов, образованных этими теплопроводящими пластинами, по схеме противотока. Коэффициент полезного действия (КПД) такого рекуператора может достигать 70% (патенты RU 129617 и RU 2531738). Недостатком этих рекуператоров является необходимость установки двух вентиляторов, для получения высокого КПД применяют несколько рекуператоров последовательно, большой вес, большой размер, возможность обмерзания, отсутствие передачи влаги от удаляемого воздуха к входящему.
Известны роторные рекуператоры, представляющие собой медленно оборачивающийся ротор-теплонакопитель, который продувается двумя противоположными воздушными потоками входящего и выходящего воздуха. Теплота от одного потока воздуха к другому передается через вращающийся между вытяжной и приточной секциями цилиндрический барабан или лопасти, закрепленные на самом роторе, которые аккумулируют тепло. Роторный рекуператор позволяет достичь КПД 80% (RU 165820, RU 2672958).
Недостатком таких рекуператоров является необходимость установки двух вентиляторов, наличие отдельного двигателя для вращения ротора, большой вес, большой размер, большая материалоемкость, частичное смешение входящего и исходящего потоков воздуха, отсутствие передачи влаги от удаляемого воздуха к входящему.
Наиболее близким по технической сущности является изобретение по патенту RU 2568094, которое относится к трубчатым рекуператорам, включающим коаксиально расположенные трубы с постоянным кольцевым зазором между ними по их длине. Известное устройство с цилиндрическим корпусом, в котором с радиальным зазором расположен пучок трубок теплообменника. В радиальном зазоре по концам устройства оппозитно установлены полуцилиндрические вставки, перекрывающие половину радиального зазора и соединенные между собой двумя оппозитно расположенными продольными перегородками с целью создания турбулентного потока в кольцевом пространстве.
Недостатком такого рекуператоров является его низкая производительность и эффективность нагрева, проходящего по нему втягиваемого воздуха, отсутствие передачи влаги от удаляемого воздуха к втягиваемому. Это объясняется тем, что режим движения потоков входящего воздуха в пучке трубок является ламинарным и упорядоченным. В этих условиях эффективность теплоотдачи от удаляемого воздуха к входящему воздуху незначительна вследствие низкой теплопроводности воздуха. В результате для нагрева входящего воздуха необходимо увеличение длины рекуператора, что приводит к увеличению его габаритов, веса и увеличению энергозатрат для приведения в движение воздуха.
Технический эффект при использовании заявляемого изобретения заключается в повышении эффективности работы трубчатого рекуператора, передачи влаги от удаляемого воздуха к входящему, возможности изгиба рекуператор на любой угол при установке, а также в сокращении его габаритов и веса.
Сущность заявляемого технического решения состоит в том, что гибкий рекуператор выполнен в виде труб из гофрированного металла с адаптерами на концах выполненными из пластика, составленного из, по меньшей мере, одного модуля, образованного из, по меньшей мере, двух гофрированных труб разного диаметра с центраторами с одинаковым шагом установки, при этом на концах гофрированные трубы соединяются с адаптерами для распределения потоков входящего и удаляемого воздуха, в одном из которых установлена нейлоновая вставка для передачи влаги от удаляемого воздуха к входящему.
Таким образом, заявляемое техническое решение всей своей совокупностью существенных признаков позволяет уменьшить габаритные размеры в транспортном положении, снизить вес, повысить КПД и передавать часть влаги от удаляемого воздуха к входящему.
Из описанного технического решения (RU 2568094) известен трубчатый рекуператор, представляющий собой устройство с цилиндрическим корпусом, в котором с радиальным зазором расположен пучок трубок теплообменника. В радиальном зазоре по концам устройства оппозитно установлены полуцилиндрические вставки, перекрывающие половину радиального зазора и соединенные между собой двумя оппозитно расположенными продольными перегородками с целью создания турбулентного потока в кольцевом пространстве.
Этот известный трубчатый рекуператор выбирается в качестве прототипа, так как он имеет наибольшее число существенных признаков, совпадающих с существенными признаками заявляемого технического решения.
Однако это изобретение имеет существенный недостаток, заключающийся в низком КПД, так как движение воздуха внутри пучка трубок является ламинарным; а также в невозможности передачи части влаги от удаляемого воздуха к входящему.
Задачей настоящей изобретения является создание нового трубчатого рекуператора с достижением следующего технического результата: повышение КПД, снижение габаритов в транспортном положении, снижение веса, передача части влаги от удаляемого воздуха к входящему.
Поставленная задача в части повышения КПД трубчатого рекуператора решена за счет того, что в теплообменном модуле использованы гофрированные металлические трубы, тогда при движении воздуха вдоль них приводит к образованию микровихрей между выступами и впадинами гофр. Образование этих микровихрей способствует турбулентизации потока воздуха как в кольцевом пространстве при движении удаляемого воздуха, так и при движении входящего воздуха во внутренней трубке теплообменного модуля. Так же за счет применения гофрированных металлических труб решена задача по снижению длины в транспортном положении, так как гофрированная труба номинальной длиной 2,5 м в транспортном положении имеет длину 0,3 м. Толщина стенки гофрированной трубы составляет 0,0009 м (90 микрометров), соответственно это решает задачу по снижению веса.
Поставленная задача по передаче части влаги от удаляемого воздуха к входящему решена за счет установки нейлоновой вставки в адаптер, соединяющей кольцевую полость и полость внутренней трубки. Так как нейлон является гигроскопичным материалом с антибактериальными свойствами, то это позволяет сконденсировавшуюся влагу в кольцевом пространстве за счет капиллярных сил перевести в полость внутренней трубки и испарить ее в поток входящего воздуха.
Сущность заявляемого технического решения состоит в том, что гибкий рекуператор выполнен в виде труб из гофрированного металла с адаптерами на концах выполненными из пластика, составленного из, по меньшей мере, одного модуля, образованного из, по меньшей мере, двух гофрированных труб разного диаметра с центраторами с одинаковым шагом установки, при этом на концах гофрированные трубы соединяются с адаптерами для распределения потоков входящего и удаляемого воздуха, в одном из которых установлена нейлоновая вставка для передачи влаги от удаляемого воздуха к входящему.
Возможен вариант развития изобретения, заключающийся в том, что к двум адаптерам может быть присоединено два и более модулей для увеличения площади теплообмена и соответственно КПД при уменьшении высоты рекуператора.
Возможен вариант развития изобретения, заключающийся в том, что в кольцевое пространство модуля может быть установлено две и более внутренние трубки для увеличения площади теплообмена и соответственно КПД при сохранении внешних габаритов рекуператора.
Таким образом, заявляемое изобретение всей своей совокупностью существенных признаков позволяет расширить его функциональное назначение путем увеличения вариантов сборки рекуператора с упрощением контроля качества сборки.
Сущность заявляемого изобретения и возможность его практической реализации поясняется приведенным ниже описанием и чертежами.
Гибкий рекуператор (фиг.1) состоит из двух адаптеров 1 и по меньшей мере одного модуля 2, состоящего из, по меньшей мере, двух гофрированных труб, вставленных одна в другую. Каждый модуль 2 гибкого рекуператора (Фиг.2) образован из, по меньшей мере, двух гофрированных труб 3 и 4, и центраторов 5 (Фиг.3). Гофрированные трубы выполнены из полос металла толщиной 90 мкм путем навивки.
В каждом модуле 2 гибкого рекуператора внешняя и внутренняя трубы расположены параллельно друг другу разделены соединены между собой центраторами 5 (Фиг.3) для свободного прохода нагревающей среды (удаляемый воздух).
Упомянутые гофрированные трубы могут быть растянуты на любое расстояние от транспортного положения (0,3 м) до максимального рабочего (2,5 м), при этом увеличивается площадь теплообмена. В этом случае КПД рекуператора будет зависеть от длины теплообменного модуля в рабочем положении.
Количество внутренних труб может быть выполнено различным в зависимости от необходимого КПД установки в целом. Так при внутреннем диаметре всей системы вентиляции в помещении 100 мм при одномодульном исполнении гибкого рекуператора с соблюдением соразмерности площадей поперечного сечения внутреннего и кольцевого пространств (с учетом потерь на центраторах), диаметр внутренней гофрированной трубы составит 100 мм, внешней 160 мм, а его КПД составит 64%. При двух внутренних трубах их диаметр составит 70,7 мм, внешней трубы так же 160 мм, при этом КПД установки поднимется до 71% за счет увеличения площади теплообмена на 41%. При трех внутренних трубах их диаметр составит 57,7 мм, внешней трубы так же 160 мм, при этом КПД установки поднимется до 74% за счет увеличения площади теплообмена на 73%.
Гибкий рекуператор может состоять из одного и более модулей. При варианте одного модуля диаметр внутренней гофрированной трубы составит 100 мм, внешней 160 мм, а общий габарит гибкого рекуператора в максимальном рабочем положении длина - 2700 мм, ширина - 320 мм, высота - 190 мм.  Тогда как при использовании двух модулей при разделении потоков диаметр внутренней гофрированной трубы составит 70,7 мм, внешней 120 мм, общий габарит гибкого рекуператора длина - 2700 мм, ширина - 300 мм, высота - 150 мм. Одновременно с уменьшением габарита высоты происходит увеличение КПД установки до 73% за счет за счет увеличения площади теплообмена на 41%. При варианте трехмодульного гибкого рекуператора диаметр внутренней гофрированной трубы составит 57,7 мм, внешней 100 мм, общий габарит гибкого рекуператора длина - 2700 мм, ширина - 300 мм, высота - 130 мм. Одновременно с уменьшением габарита высоты происходит увеличение КПД установки до 75% за счет за счет увеличения площади теплообмена на 73%. Больший КПД двух и трехмодульного гибкого рекуператора по сравнению с одномодульным двухтрубным и трехтрубным вариантами соответственно объясняется тем, что в последних двух вариантах внутренняя гофрированная труба расположена по центру кольцевого пространства и равномерно обдувается нагревающей средой (удаляемый воздух). Дальнейшее увеличение числа модулей не приведет к снижению габарита высоты, так как диаметр входных воздуховодов системы вентиляции равен 100 мм. Увеличение числа модулей больше 3 приведет к повышению КПД установки за счет увеличения площади теплообмена.
Внутренняя труба 3 модуля выполнена из тонкостенного листа металла толщиной 90 мкм навитого вокруг направляющей. Поверхность трубы имеет гофрированный вид, обеспечивающий улучшение теплосъема за счет создания турбулентных потоков воздуха. Такая внутренняя труба оптимально подходит для решения указанных выше задач, так как обладает развитой поверхностью при минимальной металлоемкости и имеет высокие механические характеристики на изгиб, что позволяет изогнуть модуль при установке рекуператора на любой угол. Внутренняя труба, являющейся перегородкой между средами теплообмена, обеспечивает высокую эффективность процесса теплопередачи, даже при использовании материалов с низкой теплопроводностью. Внутренняя труба может быть изготовлена как из обычного алюминия, так и из коррозионностойких и жаропрочных сплавов, а также из комбинаций этих материалов. Внешняя гофрированная труба 3 может быть изготовлена из как ранее упоминаемых материалов, так и из пластика.
Адаптер гибкого рекуператора изготовлен из пластика, толщина стенки составляет 1 мм. Назначение адаптера - перераспределение удаляемого и входящего потоков воздуха без их смешения с целью теплообмена в модуле. Отличительной особенностью адаптера (фиг. 4), который принимает удаляемый воздух из помещения и выдает в помещение подогретый в модуле входящий воздух, является наличие гигроскопичной нейлоновой вставки 6 диаметром 8 мм и длиной 190 мм, соединяющей кольцевую и внутренние полости, но препятствующую перемещению воздуха между ними. Так же на адаптере предусмотрены дренажные отверстия 7 для слива избыточной воды из системы в канализацию. Верхнее дренажное отверстие закрыто пластиковой пробкой 8, нижнее отверстие через гидрозатвор подключается к канализации. Для удобства обслуживания нейлоновой вставки, последняя устанавливается через дренажные отверстия с выпуском над кромкой отверстия на 1 мм. При закручивании верхней пробки и подсоединении гидрозатвора произойдет уплотнение нейлоновой вставки с увеличением ее диаметра по всей длине, что дополнительно герметизирует отверстия между кольцевой и внутренней полостями гибкого рекуператора.
Адаптер гибкого рекуператора, который принимает входящий воздух из внешней среды (атмосферы) и выдает во внешнюю среду охлажденный в модуле удаляемый воздух, не содержит нейлоновую вставку, кольцевая и внутренние полости разобщены.