теплотрубная энергосберегающая система терморегулирования приточного воздуха

Формула изобретения

Теплотрубная энергосберегающая система терморегулирования приточного воздуха, включающая вентиляционную камеру, в которой помещены клапан, вентилятор, калорифер, центральный кондиционер, перед которой устроены каплеуловитель и теплообменник, соединенный с источником энергии, отличающаяся тем, что источник энергии представляет собой расположенный ниже уровня промерзания грунта трубчатый теплообменник, составленный из теплообменных элементов, каждый из которых выполнен из труб, соединенных между собой крестовидно и по периметру, внутренняя поверхность верха которых покрыта фитилем (пористым материалом) в форме цилиндрических сегментов, а остальная внутренняя поверхность покрыта решеткой из полос фитиля (пористого материала), образующей ячейки, причем середина верха средней трубы каждого теплообменного элемента трубчатого теплообменника снабжена вертикальной транспортной тепловой трубой, внутренняя поверхность которой покрыта кольцевым фитилем (пористым материалом), нижняя кромка которого соединена с цилиндрическими сегментами фитиля труб теплообменного элемента, верхняя кромка соединена с фитилем секторного коллектора теплообменника, выполненного в виде пластинчатого теплотрубного теплообменника, помещенного выше поверхности грунта, который состоит из прямоугольного корпуса, установленного с некоторым уклоном в сторону движения приточного воздуха, выходной торец которого заканчивается каплеуловителем, снабженным торцевой крышкой с выходным патрубком и пирамидальным поддоном со штуцером, внутри корпус разделен вертикальными продольными перегородками поочередно на проходные воздушные каналы и заглушенные с торцов теплотрубные камеры, образующие секции, сообщающиеся между собой по воздуху, причем внутренние поверхности всех четырех торцов теплотрубных камер по периметру покрыты фитилем камерного коллектора, а внутренние поверхности вертикальных перегородок покрыты решеткой из полос фитиля (пористого материала), образующей ячейки, концы которых соединены с фитилем камерного коллектора, которые снизу, в свою очередь, соединены с фитилем секторного коллектора, при этом вертикальные транспортные тепловые трубы соединены трубопроводами через паровой коллектор и обратный клапан с регулировочным резервуаром, представляющим собой герметичный сосуд, поддон которого заполнен легкокипящей жидкостью, которой заполнены также все фитили цилиндрических сегментов, камерных коллекторов, решеток и вертикальных транспортных тепловых труб.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к строительству и может быть использовано для предварительного подогрева и охлаждения приточного воздуха в системах вентиляции и кондиционирования в зимний и летний периоды, соответственно.

Известна система кондиционирования воздуха, включающая вентилятор, воздухоохладитель, воздухонагреватель (калорифер), камеру орошения, совмещенную с камерой смешения (центральный кондиционер) [Патент РФ № 2253804, МПК F24F 5/00, F24F 3/14, 2005].

Недостатком известной системы является высокий расход энергии на подогрев и охлаждение воздуха, что снижает эффективность ее работы.

Более близким к предлагаемому изобретению является энергоресурсосберегающая система кондиционирования, содержащая приточную (вентиляционную) камеру, в которой помещены клапан, вентилятор, калорифер, камера орошения (центральный кондиционер), перед которой устроены каплеуловитель и теплообменник, соединенный с источником энергии из системы вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) [Патент РФ № 2302588, МПК F24F 5/00, 2007].

Недостатками известной системы кондиционирования являются необходимость наличия поблизости источника ВЭР и подводящих теплопроводов и невозможность использования существующей ВЭР в летнее время для охлаждения приточного воздуха, что снижает ее эффективность.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности теплотрубной энергосберегающей системы терморегулирования приточного воздуха.

Технический результат достигается теплотрубной энергосберегающей системой терморегулирования приточного воздуха, включающей расположенный ниже уровня промерзания грунта трубчатый теплообменник, составленный из теплообменных элементов, каждый из которых выполнен из труб, соединенных между собой крестовидно и по периметру, внутренняя поверхность верха которых покрыта фитилем (пористым материалом) в форме цилиндрических сегментов, а остальная внутренняя поверхность покрыта решеткой из полос фитиля (пористого материала), образующей ячейки, причем середина верха средней трубы каждого теплообменного элемента трубчатого теплообменника снабжена вертикальной транспортной тепловой трубой, внутренняя поверхность которой покрыта кольцевым фитилем (пористым материалом), нижняя кромка которого соединена с цилиндрическими сегментами фитиля труб теплообменного элемента, верхняя кромка соединена с фитилем секторного коллектора пластинчатого теплотрубного теплообменника, помещенного выше поверхности грунта, который состоит из прямоугольного корпуса, установленного с некоторым уклоном в сторону движения приточного воздуха, выходной торец которого заканчивается каплеуловителем, снабженным торцевой крышкой с выходным патрубком и пирамидальным поддоном со штуцером, внутри корпус разделен вертикальными продольными перегородками поочередно на проходные воздушные каналы и заглушенные с торцов теплотрубные камеры, образующие секции, сообщающиеся между собой по воздуху, причем внутренние поверхности всех четырех торцов теплотрубных камер по периметру покрыты фитилем камерного коллектора, а внутренние поверхности вертикальных перегородок покрыты решеткой из полос фитиля (пористого материала), образующей ячейки, концы которых соединены с фитилем камерного коллектора, которые снизу, в свою очередь, соединены с фитилем секторного коллектора, при этом вертикальные транспортные тепловые трубы соединены трубопроводами через паровой коллектор и обратный клапан с регулировочным резервуаром, представляющим собой герметичный сосуд, поддон которого заполнен легкокипящей жидкостью, которой заполнены также фитили цилиндрических сегментов, камерных коллекторов, решеток и кольцевые фитили всех вертикальных транспортных тепловых труб, а выходной патрубок торцевой крышки соединяет пластинчатый теплотрубный теплообменник через входной воздуховод с клапаном, калорифером, вентилятором, центральным кондиционером и магистральным воздуховодом, расположенных в вентиляционной камере здания.

На фиг.1 представлен предлагаемый общий вид, на фиг.2-9 - основные узлы и их разрезы теплотрубной энергосберегающей системы терморегулирования приточного воздуха (ТЭСТПВ).

ТЭСТПВ включает расположенный ниже уровня промерзания грунта 1, трубчатый теплообменник 2, составленный из теплообменных элементов 3, каждый из которых выполнен из труб 4, соединенных между собой крестовидно и по периметру, внутренняя поверхность верха которых покрыта фитилем (пористым материалом), выполненным в форме цилиндрическиих сегментов 5, а остальная внутренняя поверхность покрыта решеткой 6 из полос фитиля (пористого материала), образующей ячейки 7, причем середина верха средней трубы 4 каждого теплообменного элемента 3 трубчатого теплообменника 2 снабжена вертикальной транспортной тепловой трубой 8, внутренняя поверхность которой покрыта кольцевым фитилем (пористым материалом) 9, нижняя кромка которого соединена с цилиндрическими сегментами фитиля 4 труб 3 теплообменного элемента 2, верхняя кромка соединена с фитилем секторного коллектора 10 пластинчатого теплотрубного теплообменника 11, помещенного выше поверхности грунта 1, который состоит из прямоугольного корпуса 12, установленного с некоторым уклоном в сторону движения приточного воздуха, выходной торец которого заканчивается каплеуловителем 13, снабженным торцевой крышкой 14 с выходным патрубком 15 и пирамидальным поддоном 16 со штуцером 17, внутри корпус 12 разделен вертикальными продольными перегородками 18 поочередно на проходные воздушные каналы 19 и заглушенные с торцов теплотрубные камеры 20, образующие секции, сообщающиеся между собой по воздуху (на фиг.1 показан 2-секционный теплообменник, состоящий из I-й и II-й секций), причем внутренние поверхности всех четырех торцов теплотрубных камер 20 по периметру покрыты фитилем камерного коллектора 21, а внутренние поверхности вертикальных перегородок 18 покрыты решеткой 6 из полос фитиля (пористого материала), образующей ячейки 7, концы которых соединены с фитилем камерного коллектора 21, которые снизу, в свою очередь, соединены с фитилем секторного коллектора 10, при этом вертикальные транспортные тепловые трубы 8 соединены трубопроводами через паровой коллектор 22 и обратный клапан 23 с регулировочным резервуаром 24, представляющим собой герметичный сосуд, поддон которого заполнен легкокипящей жидкостью, которой заполнены также фитили цилиндрических сегментов 5, камерных коллекторов 21, решеток 6 и кольцевые фитили 9 всех вертикальных транспортных тепловых труб 8, а выходной патрубок 15 торцевой крышки 14 соединяет пластинчатый теплотрубный теплообменник 11 через входной воздуховод 25 с клапаном 26, калорифером 27, вентилятором 28, центральным кондиционером 29 и магистральным воздуховодом 30, расположенных в вентиляционной камере 31 здания 32.

В основу работы предлагаемой ТЭСТПВ положены: особенности температурного профиля по глубине грунта (в зимнее время на большей части территории России температура грунта ниже уровня промерзания выше нуля), зависимость температуры кипения жидкости от давления и высокая эффективность передачи теплоты в тепловых трубах, покрытых изнутри фитилем и частично заполненных рабочей жидкостью [В.В. Харитонов и др. Вторичные теплоэнергоресурсы и охрана окружающей среды. - Минск: Выш. школа, 1988, с. 146; Тепловые трубы и теплообменники: от науки к практике. Сборник научн. тр. - М.: 1990, с. 22].

В качестве рабочей жидкости для ТЭСТПВ могут быть использованы аммиак, различные виды хладонов (рабочую жидкость выбирают в зависимости от географического расположения объекта строительства).

Перед началом работы контур ТЭСТПВ заполняется легкокипящей (рабочей) жидкостью таким образом, чтобы были заполнены поры фитилей цилиндрических сегментов 5, решеток 6, кольцевые фитили 9 вертикальных тепловых труб 8, фитили секторных и камерных коллекторов 10 и 21 и поддон регулировочного резервуара 24.

Предлагаемая ТЭСТПВ работает в двух режимах: летнем и зимнем. С наступлением зимнего времени производят регулировку обратного клапана 23 на давление P₁, величину которого выбирают такой, чтобы температура кипения (конденсации) рабочей жидкости была ниже, чем средняя температура грунта 1 в зимнее время на глубине заложения теплообменных элементов 3 трубчатого теплообменника 2, которую выбирают ниже глубины промерзания грунта 1 (t_к<t_г). В процессе работы теплообменные элементы 3 ТЭСТПВ подвергаются тепловому воздействию грунта 1, в результате чего рабочая жидкость, находящаяся в порах полос фильтра решеток 6, нагревается, поступает в ячейки 7, где происходит ее испарение (полосы фильтра решетки 6 предотвращают образование паровой пленки на внутренней поверхности труб 4 и, таким образом, интенсифицируют процесс испарения), образуется пар. Полученный пар из всех труб 4 в каждом теплообменном элементе 3 направляется в транспортную тепловую трубу 8 и через ее паровое пространство поступает в теплотрубные камеры 20 соответствующей секции пластинчатого теплотрубного теплообменника 11, в которых процесс конденсации происходит на внутренней поверхности в ячейках 7 вертикальных перегородок 18. Пар, поступивший в камеры 20, охлаждается в ячейках 7 решеток 6 (полосы фильтра решетки 6 транспортируют рабочую жидкость в зону испарения и уменьшают толщину жидкостной пленки на внутренней поверхности перегородки 18 и, таким образом, интенсифицируют процесс конденсации), в которых происходит его конденсация за счет теплообмена через вертикальные перегородки 18 с холодным воздухом, движущимся по воздушным каналам 19, в результате чего воздух, проходящий по воздушным каналам, нагревается. В теплотрубных камерах 20 образовавшийся конденсат (рабочая жидкость) за счет капиллярных сил всасывается порами полос фильтра решеток 6, соединенного с ними фитиля камерного коллектора 21, фитиля соответствующего секторного коллектора 10, откуда по кольцевому фитилю транспортной трубы 8 перемещается в цилиндрические сегменты фитиля 5 всех труб 4 теплообменных элементов 3, распределяется по всем полосам фитиля решеток 6, после чего происходит его испарение на поверхности ячеек 7 за счет тепла незамерзшего грунта и вышеописанный цикл повторяется. Одновременно наружный воздух с температурой t_З1 поступает в воздушные каналы 19 пластинчатого теплотрубного теплообменника 11 за счет некоторого разрежения, создаваемого вентилятором 28, в которых он за счет вышеописанного процесса теплообмена с парами рабочей жидкости через стенки вертикальных перегородок 18 нагревается до температуры t_З2, после чего подогретый воздух из выходного патрубка 15 по входному воздуховоду 25 через клапан 26 поступает в калорифер 27, помещенный в вентиляционной камере 31, где он подогревается до требуемой температуры t _ЗТ и вентилятор 28 подает его в центральный кондиционер 29. В центральном кондиционере 29 осуществляется доводка воздуха до требуемых параметров, после чего кондиционированный воздух поступает в магистральный воздуховод 30, по которому направляется к потребителям (на фиг.1-9 не показаны). В результате предлагаемая РТТСТПВ обеспечивает снижение расхода тепла на подогрев приточного воздуха в калорифере 27 в количестве

, где

V_З -расчетный расход приточного воздуха в зимний период, м³/с;

c - теплоемкость воздуха, кДж/(град·м³).

С наступлением летнего времени производят регулировку обратного клапана 23 регулировочного резервуара 24 на давление P₂ , величину которого выбирают такой, чтобы температура кипения (конденсации) рабочей жидкости была выше, чем средняя температура грунта 1 в летнее время на глубине заложения теплообменных элементов 3 трубчатого теплообменника 2 (t_к>t_г ). В процессе работы за счет тепла солнечной энергии нагревается регулировочный резервуар 24, рабочая жидкость, находящаяся в его поддоне, начинает испаряться, в результате чего в нем поднимается давление от P₁ до P₂, клапан 23 открывается и во всем контуре ТЭСТПВ происходит увеличение давления до значения P₂, после чего клапан 23 закрывается. При этом наружный воздух с температурой t_Л1 поступает в воздушные каналы 19 пластинчатого теплотрубного теплообменника 11 за счет некоторого разрежения, создаваемого вентилятором 27, в которых он за счет процесса теплообмена с рабочей жидкостью через стенки вертикальных перегородок 18 охлаждается до температуры t_Л2. Процесс охлаждения наружного воздуха происходит за счет испарения рабочей жидкости на внутренней поверхности вертикальных перегородок 18 в ячейках 7 решеток 6, после чего образовавшийся пар по паровому пространству транспортных труб 8, двигаясь вниз, попадает в паровое пространство труб 4 теплообменных элементов 3. Трубы 4 теплообменных элементов 3 трубчатого теплообменника 2 ТЭСТПВ соприкасаются с грунтом 1, температура которого ниже температуры конденсации рабочей жидкости, поэтому пар, поступивший в них, охлаждается в ячейках 7 решеток 6, конденсируется, отдавая тепло конденсации грунту 1. Образовавшийся конденсат (рабочая жидкость) за счет капиллярных сил всасывается порами полос фитиля решеток 6, соединенных с ними цилиндрических сегментов фильтра 5 всех труб 4 и кольцевых фитилей 9 тепловых труб 8, по которым поступает в фитили секторных коллекторов 10 всех теплотрубных камер 20, где распределяется по всем полосам фитиля решеток 6, после чего происходит его испарение на поверхности ячеек 7 за счет тепла наружного воздуха, в результате чего охлаждается воздух, двигающийся по воздушным каналам 19, и вышеописанный цикл повторяется. Охлажденный и осушенный воздух с температурой t_Л2 из патрубка 15 по входному воздуховоду 25 через клапан 26 поступает в вентиляционную камеру 31, где он вентилятором 28, минуя калорифер 27 по байпасу (на фиг.1-9 не показан), подается в центральный кондиционер 29, в котором осуществляется доводка воздуха до требуемых параметров, после чего он поступает в магистральный воздуховод 30, по которому направляется к потребителям (на фиг.1-9 не показаны). Образовавшийся в результате охлаждения воздуха в пластинчатом теплообменнике 11 конденсат водяных паров стекает за счет начального уклона теплообменника 11 в пирамидальный поддон 16, куда также за счет силы тяжести выпадают капли влаги из потока охлажденного воздуха, проходящего через каплеуловитель 13, откуда через штуцер 16 уловленная вода выводится наружу (например, для нужд полива или в канализацию). В результате предлагаемая ТЭСТПВ обеспечивает снижение расхода холода на охлаждение приточного воздуха в центральном кондиционере 28 в количестве

, где

V_Л -расчетный расход приточного воздуха в летний период, м³/с;

c - теплоемкость воздуха, кДж/(град·м³).

Таким образом, конструкция предлагаемой ТЭСТПВ позволяет использовать возобновляемую энергию в форме низкопотенциального тепла незамерзающего грунта и солнечной энергии для предварительного подогрева приточного воздуха в зимний период и его охлаждения в летний период, что значительно повышает эффективность ее работы.