Регенеративный теплообменник - RU2249167C2

Чертежи

Описание

Расход энергии на вентиляцию, согласно новому постановлению о тепловой защите от 1995 г., составляет до 70% энергии обогрева. Если бы можно было эффективно регенерировать теплоту, расходуемую на вентиляцию, в ФРГ ежегодно было бы сэкономлено примерно 15 миллионов тонн мазута.

Эту проблему могла бы решить эффективная и экономичная система вентиляции.

Предполагается, что по возможности эта система должна осуществить большую часть пожеланий потребителей, связанных с вентиляцией, то есть в зимний период в помещение свежий воздух должен поступать теплым, а в летний период свежий воздух должен быть охлажденным. Кроме того, свежий воздух должен в достаточной степени фильтроваться. В зимнее время должно быть также возможно получать в помещении свежий воздух увлажненным, а летом наоборот.

Следующее требование, которое должна выполнить подобная вентиляционная система, состоит в получении таких результатов, которые сделают более ненужным обычное открывание окна, то есть может быть реализована в значительной степени эффективная регенерация тепла.

Из энергетических, а также практических соображений речь идет, во всяком случае, о децентрализованной бесканальной системе вентиляции, которая может быть установлена, по меньшей мере, как стандартное решение на уже имеющемся оконном остеклении. Преимущество вентиляционной системы в целом будет обеспечено лишь при условии, что она будет более выгодной даже в экономическом отношении, чем обычное проветривание открыванием окна, и только в этом случае вообще может быть достигнута поставленная задача.

В рамках решения данной задачи выявилось, что казавшаяся по преимуществу наиболее сложной проблема достижения регенерации тепла, например, на 90%, оказалась незначительной по сравнению с другими возникшими при этом проблемами.

Настоящие проблемы лежат в плоскости получения потребительской полезности. В этом плане и при условии монтажа системы, как было указано выше, на окне ее идеальными характеристиками, с точки зрения потребителя, были бы следующие: устройство должно быть недорогостоящим, невидимым, занимать как можно меньшей места и не требовать ухода, быть долговечным, бесшумным, не допускать сквозняка, быть экономным в потреблении электроэнергии.

Существенный вклад в решение указанных проблем принадлежит конструкции теплообменника согласно DE-PS 4241984, которая допускает незначительную монтажную ширину в направлении воздушного потока, а также предусматривает, что внутреннее пространство барабана теплообменника может быть прозрачным.

Соответствующая уровню техники известная конструкция, согласно документу DE-PS 4241984, позволяет в определенном отношении приблизиться к границе теоретически возможного. Однако фактические монтажные размеры обусловлены характеристиками привода барабана теплообменника, допустимым уровнем шума, КПД и конструктивными размерами используемых вентиляторов.

Задачей настоящего изобретения является разработка системы вентиляции с очень высокой регенерацией теплоты, которая может быть широко использована потребителями с получением одновременно экономии топлива.

Поставленная задача в регенеративном противоточном теплообменнике для газообразных сред, в частности теплообменнике воздуха для вентиляции помещений здания, содержащем барабан теплообменника, через который попеременно протекает тепловыделяющая и теплопоглощающая газообразная среда, имеющий открытый, образующий торцевую сторону конец и установленный с возможностью вращения в подшипнике, причем, по меньшей мере, один вентилятор создает приток воздуха и, по меньшей мере, один вентилятор создает отток воздуха, и барабан теплообменника, по существу, образует жесткое внешнее ограничение прибора, согласно изобретению решается тем, что подшипник выполнен как комбинация механического подшипника и магнитного подшипника, причем магнитный подшипник установлен с торцевой стороны открытого конца барабана теплообменника, а механический подшипник образован центральным подшипником.

Активная поверхность барабана теплообменника состоит из многослойной сетки.

Ось барабана теплообменника в собранном состоянии установлена с возможностью совершения опрокидывающего движения внутри конуса, вершина которого лежит в центральном подшипнике.

Центральный подшипник жестко соединен со статором.

Статор выполнен с неподвижным кольцом.

Магнитный подшипник образован постоянными магнитами.

Предусмотрена магнитная подсистема, соединенная с установленным с возможностью вращения барабаном теплообменника, причем направление намагничивания магнитной подсистемы установлено параллельно оси барабана.

Предусмотрена неподвижная относительно барабана теплообменника магнитная подсистема, связанная со статором.

Неподвижная магнитная подсистема имеет диаметр, несколько меньший, чем диаметр магнитной подсистемы, соединенной с установленным с возможностью вращения барабаном теплообменника.

Магнитный подшипник состоит из основного магнитного подшипника, размещенного в верхней половине статора, и второго магнитного подшипника, который расположен в нижней половине статора, причем второй магнитный подшипник создает магнитный момент, противодействующий, по меньшей мере, одной составляющей магнитного момента основного магнитного подшипника.

Магнитный подшипник выполняет функцию уплотнения зазора.

Центральный подшипник жестко соединен с поперечной траверсой, а она жестко соединена с двумя жестко связанными со статором продольными траверсами.

Для обеспечения вращательной симметрии поперечная траверса и/или продольные траверсы, по меньшей мере, частично изготовлены на токарном станке как отдельные детали или их части.

Барабан теплообменника имеет средство для установки его осевого положения, причем осевое положение барабана теплообменника может изменяться за счет регулирования снаружи уплотнительного зазора.

Центральный подшипник установлен с возможностью осевого перемещения по оси барабана, и осевое положение осевого подшипника может регулироваться.

Предусмотрено компенсирующее устройство для компенсации теплового удлинения, причем компенсирующее устройство изготовлено из пластмассы и выполнено таким образом, что изменение наружной температуры ведет к аксиальному перемещению центрального подшипника относительно поперечной траверсы.

Барабан теплообменника имеет закрытую торцевую сторону и выполнен с возможностью осевой фиксации с этой торцевой стороны.

Барабан теплообменника выполнен с возможностью свободного вращения, причем приточный воздух имеет завихрение, которое способно приводить во вращение барабан теплообменника.

Барабан теплообменника имеет один внутренний перфорированный лист, один наружный перфорированный лист и торцевое кольцо, которое несет на себе размещенные на барабане теплообменника магниты и соединено с внутренним перфорированным листом и с наружным перфорированным листом, причем наружный перфорированный лист термически изолирован от внутреннего перфорированного листа.

Благодаря частичному использованию внутреннего пространства барабана для вентиляторов в соединении с потокообразующими элементами возможно также уменьшить конструктивные осевые размеры, что позволит производить монтаж в окне без существенных выступающих участков.

Согласно изобретению, в конструкции не используются быстроизнашивающиеся элементы. Все уплотнения движущихся элементов исполнены в виде высокоточных щелевых уплотнений. Опорный узел барабана теплообменника включает, в отличие от Р 4241984, не опорное колесо, а является магнитным. Благодаря особой конструкции опорного узла, как магнитного, так и центральной опоры, достигается, с одной стороны, исключительно высокий срок службы, а с другой - очень простой способ осуществления работ по очистке и возможность отказаться от отдельного привода барабана и связанной с ним регулировки числа оборотов барабана.

Очень незначительный вращающий момент привода барабана достигается за счет того, что его легко производит завихренный отходящий поток уже на выходе приточного осевого вентилятора.

Это завихрение может быть использовано для решения трех задач: во-первых, для преодоления момента сил трения. Затем для преодоления вращающего момента отходящего воздуха: при прохождении отводимого воздуха через теплообменник ему придается завихрение в соответствии со скоростью вращения теплообменника. Это придание завихрения тормозит вращение теплообменника. И, наконец, для автоматического согласования числа оборотов с объемом проходящего воздуха: при определенном режиме работы, характеризующемся моментальными объемами воздуха и определенной скоростью вращения, то есть состоянием равновесия между движущим и тормозящим моментами, увеличение обеих масс воздуха требует повышения движущего момента приточного вентилятора.

Этот более высокий движущий момент получает привод барабана. Тем самым возрастает скорость вращения барабана, а именно до тех пор, пока возрастающий теперь также момент, создаваемый отходящим потоком, не придет в равновесие опять с движущим моментом. Если пренебречь трением, то зависимость пропорциональна объему потока, что и требуется для вращающего момента. Естественно, число оборотов определяется выбором определенного режима работы и определенного вентилятора для данных габаритов барабана, по меньшей мере, если какой-либо другой направляющий элемент не создает дополнительно завихрение, что было бы возможным, но не необходимым. Затем определяется требуемая теплоемкость (аккумулирующая способность) теплообменника также с учетом других граничных условий. Отсюда определяется затем требуемая толщина теплообменника, а также размеры сетчатой структуры.

Срок службы может быть ограничен в первую очередь лишь смазкой подшипников скольжения вентиляторов. Поэтому эти подшипники содержатся в как можно более холодном состоянии, а нагрев от мотора сохраняется незначительным благодаря высокому КПД. Но так как после 10-15 лет работы требуется проведение техобслуживания, а оказание этих услуг обходится дорого, то рабочее колесо вместе с опорным узлом образуют съемный блок и фиксируются только постоянными магнитами, предусмотренными независимо от этого в составе блока, на оси через статор двигателя с наружным ротором. Этот блок при необходимости может быть заменен пользователем без специального инструмента и в течение нескольких секунд. Это позволяет также самостоятельно и легко производить чистку рабочего колеса и направляющего кольца.

Центральный подшипник, предпочтительно небольшой шарикоподшипник, также может быть заменен при необходимости без труда самим пользователем. Срок службы этого подшипника в связи с очень небольшой нагрузкой и низкими температурами составляет порядка 30 лет. При чистке теплообменника центральный подшипник остается на поперечной траверсе и таким образом в этот подшипник никогда не попадает влага.

Благодаря применению аэродинамического роторного привода можно избежать дополнительного источника шума, который может доминировать, особенно при низких уровнях шума. Кроме того, дальнейшее снижение источников шума может быть достигнуто за счет установки раскручивающих элементов перед воздухозаборными отверстиями вентиляторов, тщательного исполнения впускных сопел, тонких, расположенных на значительном удалении от рабочего колеса распорок, снижающих потребляемую мощность диффузоров, а также благодаря мерам, снижающим корпусный шум. Наконец, сам теплообменник действует как эффективный шумоглушитель благодаря обоим перфорированным листам и теплопередающей сетке. Кроме того, во внутреннем пространстве барабана имеется еще место, которое может быть частично заполнено звукопоглощающим материалом, разумеется, с одновременным учетом требований прозрачности. За счет применения раскручивающего выпрямителя потока, несмотря на стесненные условия, течение может быть вновь упорядочено. Немаловажное значение имеет также взаимное согласование вентиляторов и теплообменника в оптимальном по уровню шума режиме работы.

С удалением кожуха образуется максимальное сечение выходящего потока. Вследствие радиального течения остаточная скорость очень быстро падает. Чтобы не допустить верхнего течения в зоне вытяжки и тем самым частичной рециркуляции потока, на выходе предусмотрен выпрямитель потока, который фиксируется также магнитом (на монтажном кольце в окне). Выпрямитель потока одновременно снимает завихрение. Полученный таким образом поток практически медленно опускается вниз и, следовательно, эта система вентиляции может действовать практически как удобная система источников воздуха. (Поступающий приточный воздух всегда несколько прохладнее воздуха в помещении даже летом, так как этим прибором он также может охлаждаться).

Все меры, направленные на снижение шума, действуют одновременно в направлении понижения потребляемой мощности. (Применение бесколлекторных двигателей постоянного тока).

После демонтажа теплообменник можно почистить в ванне холодной водой и чистящим средством, поворачивая его легко в одну и другую сторону. Каждые полгода может производиться подобным же образом интенсивная чистка соленой водой. Так как прибор может монтироваться на оконном стекле, то он доступен со всех сторон и поэтому может быть полностью почищен, в том числе рабочее колесо и направляющее кольцо. Расположенное между вентиляторами пространство (акриловое стекло), которое обычно может быть недоступным, тем не менее должно иметь сообщение с воздухом (изменение объема воздуха при температурах окружающей среды от -30°С до +40°С, давлений) и поэтому подвержено запылению, снабжается обеспыленным и обезвоженным воздухом через единственное контролируемое отверстие.

Благодаря исполнению прозрачных креплений вентиляторов из акрилового стекла теплообменник наряду с оптическими преимуществами выгоден также тем, что воспринимает также бактерицидное и фунгицидное воздействие УФ-спектра солнечного света. Кроме того, к теплообменнику по двум аксиальным проводам с высоким напряжением в зоне вытяжки с внутренней стороны помещения может подводиться озон, который эффективно освобождает ткань теплообменника от веществ, издающих запахи, и затем прямо выходит в атмосферу. Так как теплообменник работает под проводами, то он очищается по всей своей поверхности. При этом местная концентрация озона может быть очень высокой, а в зоне вытяжки может быть небольшой. В воздух помещения озон не попадает.

Все работы по очистке и обслуживанию благодаря магнитной фиксации всех элементов производятся практически без инструментов.

В зимний период желательно регенерировать большую часть влаги выходящего воздуха. Летом же, наоборот, это нежелательно. Возможно применение двух барабанов с различными сетчатыми материалами: один, например, перлон с адсорбционными свойствами, а другой, например, полиэтилен с нейтральными свойствами.

Для охлаждения используется охлаждение испарением в сочетании с капиллярным эффектом тканей для переноса воды. Прежде чем попасть в теплообменник, отходящий поток всасывается увлажненной хлопчатобумажной тканью, структура которой подобна сетке теплообменника. Пригодным для использования здесь оказался перевязочный материал. Примерно четыре слоя достаточны для того, чтобы увлажнить воздух приблизительно на 98%. При прохождении через эту ткань отходящий поток охлаждается практически до предельной температуры. Затем холодный поток попадает в теплообменник и также охлаждает его. Затем приточный воздух при прохождении также охлаждается почти до этой же температуры, при этом его влажность не увеличивается. В среднем свежий воздух поступает в помещение примерно на 6°С более холодным, чем отходящий воздух.

Смачивание ткани водой происходит следующим образом. При помощи водопроводного вентиля, в который по тонкому шлангу подается непосредственно под напором вода из водопровода, поддерживается примерно постоянный уровень воды в U-образных каналах, расположенных параллельно друг другу на одинаковой высоте и сообщающихся между собой.

С торцов U-образные каналы закрыты. U-образные каналы крепятся в плоской горизонтальной раме таким образом, что верхняя поверхность рамы находится точно на уровне открытых в верхней части U-образных каналов, при этом концы U-образных каналов еще заходят примерно на 10 мм в раму. Затем на эту раму накладывается вырезанная по размеру многослойная хлопчатобумажная ткань.

В местах, где находятся каналы, помещается соответствующая рейка, которая погружает ткань в наполненные водой каналы. Размер в свету U-образных каналов подбирается таким образом, что мощность капиллярного переноса воды соответствует возможности испарения (примерно 4-6 см). Эта испарительная рама, которая может устанавливаться на оконном кольце вместе с собирающей и в определенной степени уплотняющей конструкцией воздуховода, позволяет легко очистить испаряющую хлопчатобумажную ткань. По этой же причине она может также охлаждаться нормальной неумягченной водопроводной водой. Слишком сильно мешающий известковый осадок может быть удален из ткани уксусом.

Наложение ткани производится очень просто и полностью обеспечивается плотность прилегания ткани к раме. Размер рамы выбирается так, что потери давления потока составляют лишь около 1-3 Па. Поэтому также не представляется необходимым, чтобы воздуховод вокруг вращающегося барабана был выполнен абсолютно герметичным. Совершенно достаточными являются уплотнения зазора.

Преимуществом описанной системы является то, что охлаждение может осуществляться без посторонней энергии до небольшой дополнительной потери давления, с минимально необходимыми объемами воды и без специального регулирования. Другим преимуществом является то, что для подводки воды, ввиду ее незначительного количества, может быть использован шланг шириной в свету менее 1 мм, который почти невидим и может быть быстро проложен.

Исполнение конструкции осуществляется предпочтительно из прозрачного пластика.

Описанная испарительная рама выполняется предпочтительно складной, что позволяет получить при небольшой конструктивной ширине необходимое сечение потока.

Прибор должен безотказно работать в температурном интервале от -30°С до +40°С, причем независимо от наружной температуры некоторые элементы прибора постоянно находятся на уровне температуры помещения, а другие детали одновременно принимают наружную температуру.

В соответствии с требованиями потребительской полезности и монтажа на оконном стекле прибор должен быть прозрачным, небольшим и бесшумным и несмотря на это иметь высокий КПД и высокую вентиляционную мощность (конструктивные размеры: примерно 380 мм × 200 мм монтажной глубины со стороны помещения и 80-200 м³/час свежего воздуха при КПД (90%).

Это означает, что внутри прибора следует учитывать наличие очень больших различий по температуре и расширению.

При предполагаемом высоком КПД примерно 90% и небольших конструктивных размерах нельзя не рассчитывать на трудности в том, чтобы при заданных граничных условиях обеспечить надежную эксплуатационную герметизацию в этом температурном режиме.

Особенно критической является герметизация, в частности, между ротором и монтажным кольцом, так как масса воздуха, которая здесь протекает, не участвует в теплообмене. Если здесь протекает 1% воздушной массы, КПД также падает примерно на 1%, то есть коэффициент теплопередачи должен составить 91% вместо 90%. В свою очередь, это означает примерно на 10% больший теплообменник. Если учесть, что воздействуют также другие снижающие КПД факторы, то это значение будет еще выше. При менее эффективном приборе вышеуказанное едва ли имело какое-либо значение, но становится существенным в случае высокоэффективного прибора. Вместе с тем для высокоэффективного прибора это не отражается на энергопотреблении на вентиляцию независимо от того осуществляется ли сильная, слабая или вовсе не осуществляется вентиляция, то есть при использовании подобного прибора нет необходимости регулировать воздушный поток или контролировать качество воздуха. Наоборот, в случае низкоэффективного прибора это регулирование целесообразно и необходимо. Определенные элементы прибора, в частности все поверхности со стороны помещения, находятся в условиях температуры и влажности воздуха в помещении. В то же время все внутренние поверхности прибора подвержены влиянию условий окружающей среды.

Если не принять специальные меры, на поверхностях, выходящих в помещение, могут иметь место явления конденсации и обледенения, которые могут осложнить работу слабого аэродинамического привода.

Так как указанный критический уплотнительный зазор должен быть примерно 0,3 мм или меньше, то ко всей конструкции предъявляются высокие требования в том, что касается качества изготовления, качества монтажа, качества опорного узла и т.д. Соответствующие меры можно разделить на две группы.

Одна группа включает меры, необходимые собственно для функционирования, другая направлена на снижение шума и условия обслуживания.

Ниже изобретение поясняется более детально с привлечением чертежей, где показано:

фиг.1 - схематический разрез устройства теплообменника в целом,

фиг.2 - увеличенное изображение узла подвески вентилятора,

фиг.3 - изображение в разрезе магнитного опорного узла,

фиг.4 - увеличенное изображение в разрезе зоны зазора уплотнения,

фиг.5 - изображение в разрезе центрального подшипника с учетом предусмотренной температурной компенсации, и

фиг.6 - увеличенное изображение в разрезе зоны фронтального кольца.

На фиг.1 схематично показан в разрезе регенеративный противоточный теплообменник 1 для газообразных сред, в частности теплообменник воздуха для вентиляции помещений здания, содержащий барабан 2 теплообменника 1, через который попеременно протекает тепловыделяющая и теплопоглощающая газообразная среда, имеющий открытый, образующий торцевую сторону конец и установленный с возможностью вращения в подшипнике, причем, по меньшей мере, один вентилятор 3 создает приток воздуха и, по меньшей мере, один вентилятор 4 создает отток воздуха, и барабан 2 теплообменника 1, по существу, образует жесткое внешнее ограничение прибора. Подшипник выполнен как комбинация механического подшипника 5, магнитного подшипника 6, причем магнитный подшипник 6 установлен с торцевой стороны открытого конца барабана 2 теплообменника 1, а механический подшипник 5 образован центральным подшипником, который является как осевым, так и радиальным подшипником.

1. Аэродинамический привод барабана 2 теплообменника 1.

Используется завихрение, которое вентилятор 3 приточного воздуха осевой конструкции сообщает соответствующим образом воздуху. Эта закрутка воздуха тормозится сеткой 7 теплообменника 1, которая действует как турбинная решетка. Затем кинетический момент приводит в движение теплообменник. Этот принцип может быть перенесен естественным образом также на другие регенеративные теплообменники с вращательным приводом, где предусмотрен соответственно легкоподвижный опорный узел. Этот принцип может быть применен также для теплообменника с абсолютно пассивными элементами, где статичное закручивающее действие сообщает воздуху касательную составляющую. Далее, преимуществом при таком вращательном приводе является то, что скорость вращения автоматически согласуется с воздушной массой. Так как приводной вращательный момент очень мал, то есть опасность, что, например, насекомые, затягиваемые в боковые уплотнительные зазоры, могут привести к останову привода. Этому можно легко противостоять тем, что инерционная масса ротора делается относительно большой, а ячейки воздухозаборника относительно небольшими (не более 3 мм). Во всяком случае, за два года работы не было отмечено ни одного случая остановки ротора, что доказывает исключительную надежность этого привода.

2. Отказ от абсолютной герметизации между отсеками приточного и вытяжного воздуха на продольных траверсах 8.

Тем не менее, невозможно устранить выдавливание воздуха из приточного отсека в вытяжной независимо от теплопередающей конструкции. При закрытой сотовой конструкции воздух передается, по меньшей мере, через вращательное движение, а при открытой сотовой конструкции, когда, как в данном случае, применяется сетка 7, воздух перетекает в тангенциальном направлении из камеры высокого давления в камеру низкого давления. При достаточно длинном пути течения воздушного потока эта потеря может быть сведена до минимума, при этом здесь имеет место фактический оптимум, если принять в расчет, что длина герметизации вычитается из активной длины теплообменника 1 (периметр). Поэтому предусмотрено лишь простое уплотнение зазора 9, при этом размер зазора 9 ограничивается лишь качеством исполнения и возможными движениями ротора. При указанных габаритах прибора размер зазора 9 лежит в районе 0,5 мм, а длина зазора уплотнения - 35 мм. Потеря через зазор 9 обусловливает, в принципе, лишь соответствующее увеличение объемной подачи вентиляторов, но не снижение КПД. Преимуществом такого мероприятия является то, что только оно делает возможным аэродинамический вращательный привод, и, кроме того, уплотнение 10 работает без износа.

3. Выполнение продольных траверс 8 как органа управления нагрузкой воздуха теплообменника 1.

Теплообменник 1 нагружается вверху и внизу различными локальными воздушными массами. Причину этого следует искать в том, что, например, поток подводимого воздуха вблизи фронтального диска 11 имеет более сильное динамическое давление, чем вблизи монтажного кольца 12. Поэтому в зависимости от осевого положения теплообменник нагружается различными количествами воздуха. То же самое происходит на стороне отходящего потока. За счет соответствующего исполнения продольных траверс 8 можно добиться того, что на одном осевом положении для приточного и отводимого воздуха количество воздуха будет одинаковым, что не приводит к потере поверхности теплообменника 1. Однако точный расчет поперечных траверс 13 возможен лишь после соответствующих измерений локальных осевых КПД.

4. Использование стеклянного диска 11 для изоляции барабана 2 со стороны помещения.

Диск 11 коробится вследствие разницы температур (эффект биметалла). Стекло, в отличие от возможного пластика, обладает в пять раз большей теплопроводностью и почти в семь раз меньшим тепловым расширением, из чего следует меньшее в сумме в 35 раз коробление. Коробление сузило бы критический уплотнительный зазор 9 и привело бы к соприкосновению барабана 2, так как осевое крепление барабана 2 осуществляется со стороны стеклянного диска 11.

5. Осевая фиксация барабана 2 в плоскости стеклянного диска 11.

Согласно соответствующему уровню техники, считается, что наибольшее преимущество дает осевая фиксация барабана вблизи критического уплотнительного зазора, а центральный опорный узел следует предусмотреть со свободным осевым перемещением. Причины этого заключаются в упомянутом короблении диска и удлинении продольных траверс. Напротив, в случае магнитного опорного узла 6 преимущественным считается двустороннее расположение осевой фиксации, то есть ее перенесение в центральный опорный узел 5. Этим достигается то, что исполнение магнитного подшипника 6 может быть нерегулируемым, состоящим из постоянных магнитов, и стабильным. Для коррекции теплового линейного удлинения продольных траверс 8 и остаточного коробления диска 11 предусмотрено зависящее от наружной температуры компенсирующее устройство 14 (пластмассовая труба с высоким коэффициентом расширения), которое смещает центральный подшипник 5 по оси относительно поперечной траверсы 13.

6. Магнитный опорный узел 6.

Магнитный опорный узел 6 установлен с торцевой стороны открытого конца барабана 2 практически в расчете на осевое действие, но может воспринимать также радиальные усилия. Это достигается тем, что установленная в монтажном кольце магнитная контрсистема в диаметре примерно на 1 мм меньше. Барабан 2 может выполнять вокруг центрального опорного узла 5 лишь опрокидывающие движения в пределах конуса, при этом вершина конуса лежит в центральной опоре. При правильном расчете размеров уплотнительного зазора 9 и упомянутого различия диаметров будет получена стабильная опора благодаря тому, что при опрокидывающем движении барабана 2 вниз вверху магниты сближаются, и вместе с тем возрастают силы торможения, которые вместе с тем противодействуют опрокидывающему движению. Идентичный процесс, но в обратном порядке, происходит на противоположной стороне (внизу). При аналогичном опрокидывающем движении магниты удаляются один от другого, и происходит дальнейшее увеличение противодействующего суммарного вращающего момента вокруг центральной точки вращения. В сущности, нижняя часть магнитной опоры действует в направлении снижения несущего усилия, но опорный магнит в целом становится более жестким и невосприимчивым относительно изменений магнитных свойств (примерно 10%), зависящих от температуры. Следует учитывать также рабочую нагрузку, включающую вес ротора (здесь 27 Н) и переменные давления в приточном и отточном отсеках (здесь 0-9 Н). При всех этих обстоятельствах опора должна быть достаточно надежной, и критическое уплотнение зазора 9 может измениться лишь примерно на 0,1 мм.

7. Перфорированный лист 15, 16.

Предусмотрено применение второго внешнего перфорированного листа 16, находящегося в термическом контакте с кольцами 17 с торцевой стороны, и первого перфорированного листа 15, на который намотан теплообменник 1, и не имеющего ни термического, ни механического контакта с кольцами 17 с торцевой стороны. Основное назначение второго перфорированного листа 16 заключается в том, чтобы кольца 17 с торцевой стороны поддерживать при комнатной температуре и не допустить появления конденсации и обледенения на магнитной опоре 6. Перфорированный лист 15, 16 действует как относительно хороший теплообменник и находится практически при комнатной температуре. Связанные с ним кольца 17 и магнитная опора 6 с торцевой стороны имеют таким образом также температуру помещения. Если стационарную часть магнитной опоры 6 также термически изолировать от монтажного кольца, в таком случае больше не возникнут проблемы в связи с конденсацией и обледенением. Так как наружный перфорированный лист 16 находится в термическом контакте с кольцами 17 с торцевой стороны, то он имеет также несущую функцию в отличие от первого внутреннего перфорированного листа 15. Он должен быть изолирован от колец 17 с торцевой стороны, иначе в таком случае на кольцах 17 установится средняя температура между температурой помещения и наружной температурой. Эта термическая изоляция осуществляется за счет эластичных силиконовых прокладок 18, которые могут также компенсировать различные изменения длины между внутренним и наружным перфорированными листами. По тем же причинам изолируется также подобным образом стеклянный диск 11. В случае применения стеклянный диск 11 сам может служить идеальным элементом вакуумной изоляции.

8. Расположение центрального подшипника 5 по центру на поперечной траверсе 13.

Существенным моментом для функционирования является расположение центрального подшипника 5 строго по центру относительно магнитной опоры 6, так как отклонение от центра может оказывать воздействие на критическое уплотнение зазора 9. Может быть предусмотрена в данном случае возможность коррекции. Более простое решение, позволяющее непосредственно обеспечить высокую точность несмотря на сборку различных элементов, состоит в том, чтобы изготавливать все составляющие детали на токарном станке и использовать естественную вращательную симметрию. Монтажное кольцо, на котором должны крепиться продольные траверсы 8, имеет поэтому по внутреннему периметру выточки наподобие канавок между нитками резьбы. Продольные траверсы 8 высечены из боковой поверхности цилиндра, на которой предусмотрены также в соответствующем осевом положении такие же выточки по периметру и с торцевой стороны. Поперечная траверса 13 также имеет с торцевой стороны такие же выточки, а также сверление по центру. При сборке деталей, каждое соединение которой требует лишь один винт, все точно совпадает: продольные траверсы 8 находятся под прямым углом относительно монтажного кольца 12, центральное отверстие находится всегда по центру независимо от точного расположения отверстий под винты, и все крепится достаточно прочно между собой.

9. Установка барабана 2 и осевая корректировка критического уплотнительного зазора 9. Конструкция центрального подшипника. 5.

Центральный радиальный шарикоподшипник 5 прочно соединен со стальной осью 19, которая свободно проходит через сверление в поперечной траверсе 13, а на другом конце имеет резьбу и крепится аксиально в пластмассовом элементе 14, также имеющем резьбу. Пластмассовый элемент 14, в свою очередь, крепится на поперечной траверсе 13. Если пластмассовый элемент 14 охлаждается и сокращается, подшипник 5 удаляется относительно другой стороны поперечной траверсы 13. Это необходимо, так как одновременно продольные траверсы 8 уменьшаются, а наружный перфорированный лист 16 сохраняет свою длину неизменной (комнатная температура), и поэтому уплотнительный зазор 20 должен сократиться. За счет осевого перемещения шарикоподшипника 5 это компенсируется. Шарикоподшипник 5 жестко посажен своим наружным кольцом на деталь, имеющую снаружи также резьбу и осевой упор. Барабан 2 может ввинчиваться на эту резьбу до упора. По центру имеется сверление 22, через которое при помощи отвертки можно корректировать ось 19 в осевом направлении и соответственно уплотнительный зазор 20. (Все комплектующие элементы алюминиевые, пластмасса имеет в 3-8 раз более высокий коэффициент теплового расширения, чем алюминий). При демонтаже теплообменника шарикоподшипник остается на поперечной траверсе, и теплообменник может быть без проблем вымыт водой, а пользователю не нужно снимать винт, так как он остается на подшипнике. Снабженный внутренней резьбой фланец 21 крепится эластично клеем со стеклянным диском 11 по центру с открытой торцевой стороны.

10. Разделительная стенка 23. Использование внутреннего пространства.

На разделительной стенке 23 оседают все чужеродные предметы, попадающие в прибор. Поэтому разделительная стенка 23 крепится магнитом и может убираться вниз. Магнитное крепление по периметру позволяет легко установить герметично на длительное время разделительную стенку 23. Магнитные ленты при этом располагаются таким образом, что они могут герметично накладываться одна относительно другой. При повышенных требованиях в отношении шума внутреннее пространство может быть использовано для дополнительных звукоизолирующих мер, так как воздушный поток вентиляторов 3, 4 может быть учтен лишь в минимальной степени. Это позволяют решить установленные перед заборными отверстиями спрямляющие решетки 24.

11. Крепление оболочек 25 из плексигласа на монтажном кольце 12.

Это соединение выполняется герметичным ввиду различного теплового расширения при помощи эластичных прокладочных материалов 26. Так как пространство между оболочками 25 из плексигласа, которые также включают вентиляторы 3, 4, после монтажа более недоступно, и поэтому не может быть произведена его чистка, то необходимо исключить попадание пыли и влаги (прозрачность!). Если это пространство сделать полностью герметичным, возникнут проблемы, связанные с изменениями давления при изменении температуры. По этой причине предусмотрено контролируемое отверстие 27, позволяющее осуществлять воздухообмен через фильтр 28. Так как воздух только поступает, когда понижается температура, и только вытекает, когда температура повышается, то фильтр 28 влажности может сам регенерироваться. Устройство в зоне поступления свежего воздуха обеспечивает естественным образом минимальную влажность воздуха; регенерация может быть дополнена облучением солнечным светом. При необходимости в стеклоизоляционном промежуточном пространстве с этим обеспыленным и обезвоженным воздухом может быть предусмотрено небольшое сверление 29 в монтажном кольце 12, чтобы таким образом при штормовых порывах ветра мог воспринимать также нагрузку расположенный внутри стеклянный изоляционный диск 11.

12. Участок выпуска приточного воздуха со стороны помещения.

Так как в потоке поступающего воздуха кроме радиальной аэродинамической составляющей имеется также тангенциальная составляющая, то при помощи потокообразующих мер необходимо не допустить засасывание воздуха в вытяжной отсек. Самым простым способом решения может быть устройство короткого фартука в районе перехода теплообменника из приточного отсека в вытяжной. Поступающий воздух будет направляться вниз. Возможно применение также спрямляющей решетки 30. Кроме того, поступающий воздух мог бы направляться струйно в помещение. Потокообразующие элементы 24, 30 крепятся при помощи магнита на монтажном кольце 12.

13. Мероприятия по снижению шума.

Основная идея в данном случае состоит в недопущении шума, так как удаление имеющегося шума достигается с большими затратами. В настоящей конструкции основным источником шума является вентилятор. При этом следует выделить три другие составляющие источника шума, а именно завихрение воздуха, шум двигателя и вибрацию.

Первейшей мерой в том, что касается завихрений воздуха, является отказ от обычных коротких и небольших конструкций вентиляторов. Чтобы спокойно разместиться, потоку требуется место. Поэтому предусмотрено входное сопло довольно большого размера, которое без перепада радиусов увеличивает скорость потока на рабочем колесе 31. Хорошие результаты в этом отношении получены при использовании сопла эллиптической формы, которое вначале имеет размер, составляющий 1,37 диаметра рабочего колеса, и монтажный размер примерно 0,24 диаметра рабочего колеса. Значения и форма приводятся в качестве примера, чтобы дать примерное представление о том, сколько требуется места. Перед соплом подключается сотовая спрямляющая решетка с глубиной ячейки и диаметром 3 мм. Она имеет форму полусферы или корзины 32, чтобы справляться со своей задачей при низких скоростях потока и потерях давления. Несмотря на небольшую длину пропускания потока решетки она очень эффективно образует поток. Корзина 32, заправленная вокруг сопла, опускается в паз и крепится магнитом, чтобы таким образом воздух мог поступать в сопло без порога. За рабочим колесом начинается вход в диффузор. Вход состоит из переходного радиуса, равного примерно диаметру рабочего колеса 31, который переходит в прямоточный диффузор. Большой переходный радиус позволяет избежать преждевременного разрыва потока, так как не происходит резкого изменения направления потока.

Вслед за прямым диффузором подключается короткая трубка 33 в качестве ударного диффузора, который делает невозможным на выходе отходящего потока его повторное засасывание. Эта трубка 33 также крепится при помощи магнита. Общая монтажная длина такого вентилятора составляет примерно 1,5 диаметра рабочего колеса 31. При использовании места внутри барабана 2 теплообменника 1 из него выступает примерно лишь половина.

Распорки 34, которыми мотор 35 вентилятора крепится в направляющем кольце 36 (фиг.2), расположены далеко от рабочего колеса 31 на конце входа диффузора. Чтобы уменьшить потери воздушного потока и снизить шумы, предусмотрен противовес 37 привода вентилятора, позволяющий подвесить конструкцию в центре тяжести 52, что делает возможным исполнение крепежных распорок 34 очень тонкими. Крепежные распорки 34 используются одновременно для подвода тока для низкого напряжения.

Приводной блок 38, в свою очередь, состоит из рабочего колеса 31, опорного узла 39, статора 40 электродвигателя 35 с электронной начинкой, опорной трубы 41, противовеса 37, корпуса 42 опорной трубы 41, виброгасителя 43 и корректировочного устройства 44.

Подшипник 45 (неразъемный подшипник скольжения) образует вместе с рабочим колесом 31 блок 46, скрепленный стопорным кольцом 47. Этот блок 46 может быть посажен по оси на опорную трубу 41 и образует в принципе смонтированный на опорах подшипник скольжения. Само собой разумеется, что между сверлением 48 в опорной трубе 41 и наружным диаметром подшипника 45 скольжения должен быть очень небольшой зазор 50, поэтому эта посадка смазывается также очень вязкой смазкой. Статор 40 электродвигателя также сажается на опорную трубу 41 и в определенных точечных местах фиксируется силиконом. Этим достигается то, что при необходимости может быть легко установлен новый статор электродвигателя. Статор 40 получает ток с распорок 34 через штепсельные разъемы.

Опорная труба 41, на конце которой предусмотрен противовес 37, крепится двумя осевыми, радиальными и крутильно-упругими силиконовыми дисками 51, симметрично расположенными относительно центра тяжести 52.

Силиконовые диски 51 могут перемещаться в радиальном направлении и устанавливаются в корпусе привода. Их положение может фиксироваться осевым зажимом 53 при помощи резьбы 54 и промежуточного элемента 55, передающего усилие.

Цель этой конструкции заключается в том, чтобы получить очень мягкую подвеску вентилятора и иметь возможность корректировать возможные явления осадки амортизирующих элементов (антивибрационная изоляция).

Эта конструкция позволяет при помощи лишь одного винта 56 осуществлять все необходимые коррекции (радиальные и угловые).

Необходимость этих мер вызвана тем, что из соображений снижения шума и повышения КПД рабочее колесо 31 должно двигаться с очень малым зазором в направляющем кольце 36. Также направляющее кольцо 36 соединено мягким соединением с входным соплом и диффузором, и таким образом краевое течение встречает очень небольшую преграду.

Это достигается тем, что U-образное силиконовое кольцо, обращенное своей открытой стороной к вращающейся оси, соединяет все элементы. Это мягкое соединение необходимо также ввиду разности теплового расширения (акриловое стекло и алюминий). Эта двойная изоляция необходима, если учесть, что оболочка 25 из плексигласа действует наподобие диафрагмы громкоговорителя. Так как вес конструкции вентилятора довольно велик, а U-образные кольца должны быть очень мягкими, то может потребоваться компенсировать часть веса при помощи упругого элемента, который крепится на монтажном кольце 12.

14. Решетка 24 для спрямления потока в зоне оттока непосредственно после теплообменника 1.

Так как отводимый воздух после прохождения через теплообменник 1 получает завихрение, то в первой сотовой решетке 25 происходит снятие этого завихрения. Вторая сотовая решетка в виде корзины 32 снимает остаточное завихрение непосредственно перед вытяжным вентилятором 4. Только при помощи этих двух мер удается добиться желаемого снижения шума от завихрения.

Для достижения увлажнения направляемого через теплообменник 1 воздуха предусматривается предпочтительно, что теплообменник 1 помещается в раствор хлорида кальция, и таким образом после извлечения его он пропитан хлоридом кальция, который способен забирать водяной пар.

Степень рекуперации влаги можно установить путем выбора концентрации раствора хлорида кальция. Регенеративный противоточный теплообменник 1 для газообразных сред, в частности теплообменник 1 воздуха для вентиляции помещений зданий, содержит барабан 2 теплообменника 1, через который попеременно протекает тепловыделяющая и теплопоглощающая газообразная среда, активная поверхность теплообменника 1 состоит из многослойной сетки 7, при этом, по меньшей мере, один вентилятор 3 создает приток воздуха, и один вентилятор 4 создает отток воздуха, и при этом барабан 2 теплообменника 1 образует, по существу, наружную жесткую границу прибора.

Целесообразно применять в качестве уплотнительных элементов исключительно бесконтактные щелевые уплотнения. Целесообразно, чтобы наружный перфорированный лист 16 находился в термоконтакте с кольцами 17 на торцевой стороне с тем, чтобы поддерживать их в пределах температуры помещения. Целесообразно, чтобы относительно "холодный" внутренний перфорированный лист 15 был термоизолирован.

Целесообразно, чтобы после снятия барабана 2 торцевой центральный подшипник 5 оставался на поперечной траверсе 13. Целесообразно предусмотреть торцевой замок 11 барабана из прозрачного материала, предпочтительно из стекла. Целесообразно, чтобы после отсоединения единственного расположенного по центру фиксирующего устройства (крепежный винт) оно оставалось на одной из демонтируемых деталей, например поперечной траверсе 13. Целесообразно для компенсации теплового расширения применять высокоупругие промежуточные элементы 18 между стеклянным диском 11 торцевого замка барабана и гнездом центрального подшипника 5 или наружными кольцами 17 и внутренним перфорированным листом 15, или дисковым монтажным кольцом 12 и креплением 38 вентиляторов 3, 4, или креплением 38 вентиляторов и направляющим кольцом 36 вентиляторов. Целесообразно, чтобы продольные траверсы 8, служащие одновременно элементами уплотнения между приточным и отточным отсеками, делили по мере надобности в направлении оси вращения периметр активной поверхности или объем нагрузки длин поверхности по периметру, чтобы таким образом каждый осевой участок поверхности в принципе нагружался дополнительно одинаковыми объемами воздуха. Целесообразно, чтобы продольные траверсы 8 крепились на монтажном кольце с термоизоляцией. Целесообразно, чтобы приток от вентиляторов осуществлялся через спрямляющий элемент, например сотовую решетку 30. Целесообразно, чтобы после прохождения через теплообменник 1 отходящий воздух протекал через один или несколько спрямляющих элементов 24, 32. Целесообразно, чтобы рабочие колеса 31 вентиляторов вместе с опорным узлом 39 образовывали фиксируемый магнитом 57 узел 46, который может быть демонтирован по оси без инструмента. Целесообразно, чтобы тепло от подшипника 45 и двигателя 35 вентиляторов отдавалось по опорной трубе 41 обдуваемому потоком воздуха противовесу 37, установленному предпочтительно с виброизоляцией в корпусе, при этом виброгаситель 43 предпочтительно выполнен также, как и звукопоглотитель, в виде кремнийорганического пенопласта, уменьшающего высокочастотные шумы коммутации. Целесообразно, чтобы подвеска вентиляторов в направляющем кольце 36 позволяла подвесить весь узел 38 в центре 52 тяжести, чтобы колебания гасились в значительной степени уже в месте их возникновения, и чтобы таким образом крепление могло быть исполнено очень тонким, то есть с низким уровнем шума и высокой подачей воздуха. Целесообразно, чтобы рабочие колеса 31 перемещались в своем корпусе с очень узким зазором. Целесообразно фиксировать потокообразующие элементы посредством магнитной фиксации. Целесообразно установить потокообразующий элемент приточного воздуха со стороны помещения, что сделает невозможным попадание приточного воздуха опять непосредственно в верхнюю зону вытяжки. Этим элементом может быть в самом простом случае короткий фартук, который при помощи воздуха, выходящего из последних 10% теплообменника 1, струйным эффектом отклоняет вниз остаток прежнего воздуха. Целесообразно отсасывать сверху отходящий воздух со стороны помещения, а приточный свежий воздух подавать вниз. Целесообразно, чтобы вся зона в пределах диаметра теплообменника 1 была по преимуществу прозрачной. Целесообразно установить вентиляторы в пределах диаметра теплообменника 1. Целесообразно установить оба вентилятора 3, 4 на одинаковом температурном уровне, предпочтительно на уровне наружной температуры. Целесообразно, чтобы снимаемая вниз разделительная стенка 23 рабочего объема предпочтительно фиксировалась магнитной фиксацией. Целесообразно, чтобы разделительная стенка 23 рабочего объема была звукопоглощающей. Целесообразно поместить во внутреннее пространство непосредственно перед закрытым торцом барабана плоский неподвижный звукопоглощающий материал. Целесообразно, чтобы вентиляторы были снабжены соплообразным входным отверстием, по меньшей мере, в 1,2 раза большим, чем диаметр рабочего колеса 31, при этом предпочтительно, чтобы направляющее кольцо 36 вентилятора было отделено от входного сопла и диффузора мягкими промежуточными элементами 26, поглощающими корпусные шумы. Целесообразно предусмотреть в изоляционном остеклении контролируемое соединение 18 между промежуточным пространством изоляционного стеклянного диска 11 и наружным воздухом, причем воздух, поступающий через это соединение, должен проходить через пыле- и влагосорбционный фильтр 28, причем фильтр 28 устроен предпочтительно таким образом, чтобы облучение солнечным светом нагревало фильтр 28 и устраняло влагу, и чтобы таким образом он автоматически регенерировался. Целесообразно вмонтировать теплообменник 1 в окно. Целесообразно устанавливать рекуперацию влаги за счет выбора концентрации раствора хлорида кальция. Целесообразно предусмотреть комбинированный пассивный вентиляционный элемент, содержащий статический элемент, который придает завихрение воздушному потоку, прежде чем он протечет через теплообменник 1, который он приводит в движение, то есть нет необходимости предусматривать вентилятор, при этом предпочтительно ось вращения расположена вертикально. Регенеративный теплообменник 1 согласно изобретению - вращающегося типа, при этом привод барабана 2 теплообменника 1 осуществляется завихренным потоком воздуха, при этом целесообразно предусмотреть комбинированный пассивный вентиляционный элемент, содержащий статический элемент, придающий завихрение воздушному потоку, прежде чем он протечет через теплообменник, и приводящий теплообменник 1 в движение, то есть нет необходимости предусматривать вентилятор, при этом предпочтительно ось вращения располагать вертикально. Упругий трубчатый узел 38 опоры и крепления вентилятора отличается тем, что промежуточный элемент - опорная труба 41, соединяющий привод 35 вентилятора и противовес 37, крепится двумя упругими дисками 51, которые в свою очередь могут перемещаться в радиальном направлении в неподвижном корпусе, а в осевом направлении их положение фиксируется вместе при помощи зажима 44 на промежуточном элементе 41.

На фиг.3 показан в сечении статор 40 магнитного опорного узла. Статор 40 содержит магнитные 58 и немагнитные 59 части. Ротор выполнен полностью магнитным (не показан).

Реферат

Изобретение относится к регенеративным противоточным теплообменникам и предназначено для использования в вентиляционных системах. В регенеративном противоточном теплообменнике для газообразных сред, в частности в теплообменнике системы для вентиляции помещений здания, содержащем установленный с возможностью вращения в подшипнике барабан теплообменника, через который попеременно протекает тепловыделяющая и теплопоглощающая газообразная среда, имеющий открытый, образующий торцевую сторону конец и жесткое внешнее ограничение прибора, подшипник выполнен как комбинация механического подшипника и магнитного подшипника, причем магнитный подшипник установлен с торцевой стороны открытого конца барабана теплообменника, а механический подшипник образован центральным подшипником, активная поверхность барабана теплообменника состоит из многослойной сетки, ось барабана в собранном состоянии установлена с возможностью совершения опрокидывающего движения внутри конуса, вершина которого лежит в центральном подшипнике, центральный подшипник жестко соединен со статором, статор выполнен с неподвижным кольцом, магнитный подшипник образован постоянными магнитами. Кроме того, предусмотрена магнитная подсистема, соединенная с установленным с возможностью вращения барабаном теплообменника, причем направление намагничивания магнитной подсистемы установлено параллельно оси барабана. Предусмотрена также неподвижная относительно барабана теплообменника магнитная подсистема, связанная со статором. Неподвижная магнитная подсистема имеет диаметр, несколько меньший, чем диаметр магнитной подсистемы, соединенной с установленным с возможностью вращения барабаном теплообменника. Магнитный подшипник состоит из основного магнитного подшипника, размещенного в верхней половине статора, и второго магнитного подшипника, который расположен в нижней половине статора, причем второй магнитный подшипник создает магнитный момент, противодействующий, по меньшей мере, одной составляющей магнитного момента основного магнитного подшипника, и выполняет функцию уплотнения зазора. Центральный подшипник жестко соединен с поперечной траверсой, а она жестко соединена с двумя жестко связанными со статором продольными траверсами. Для обеспечения вращательной симметрии поперечная траверса и/или продольные траверсы, по меньшей мере, частично изготовлены на токарном станке как отдельные детали или их части. Барабан теплообменника имеет средство для установки его осевого положения, причем осевое положение барабана теплообменника может изменяться за счет регулирования снаружи уплотнительного зазора. Центральный подшипник установлен с возможностью осевого перемещения по оси барабана, и осевое положение осевого подшипника может регулироваться. Предусмотрено также компенсирующее устройство для компенсации теплового удлинения, причем компенсирующее устройство изготовлено из пластмассы и выполнено таким образом, что изменение наружной температуры ведет к аксиальному перемещению центрального подшипника относительно поперечной траверсы. Барабан теплообменника имеет закрытую торцевую сторону и выполнен с возможностью осевой фиксации с этой торцевой стороны. Барабан теплообменника выполнен с возможностью свободного вращения, причем приточный воздух имеет завихрение, которое способно приводить во вращение барабан теплообменника. Кроме того, барабан теплообменника имеет один внутренний перфорированный лист, один наружный перфорированный лист и торцевое кольцо, которое несет на себе размещенные на барабане теплообменника магниты и соединено с внутренним перфорированным листом и с наружным перфорированным листом, причем наружный перфорированный лист термически изолирован от внутреннего перфорированного листа. Такое выполнение регенеративного прямоточного теплообменника позволяет добиться высокой регенерации теплоты, что позволяет экономить топливо и повышает экономичность системы вентиляции. 18 з.п. ф-лы, 6 ил.

Формула