Система гелиотеплохладоснабжения

Изобретение относится к теплоэнергетике и предназначено для поддержания комфортных параметров воздуха в малоэтажных зданиях, преимущественно на животноводческих фермах.

Известна система гелиотеплохладоснабжения (см. авторское свидетельство СССР №1733871, кл. F 24 J 2/42, 1992, бюл. №18), содержащая южный, выполненный из поглощающего солнечную радиацию материала, и северный воздухопроводы, расположенные на соответствующих сторонах здания, тепловой аккумулятор, образующий с полом здания подпольный воздухопровод, сообщенный с южным, а также расположенные под тепловым аккумулятором один над другим теплообменный и грунтовый воздухопроводы, первый из которых сообщен с северным, а второй снабжен грунтовыми теплопроводящими трубами, при этом система снабжена размещенной в тепловом аккумуляторе вихревой трубой, входом сообщенной с подпольным воздухопроводом, «холодным» каналом – с помещением, а «горячим» – через тепловой аккумулятор с грунтовым воздухопроводом, выходы подпольного и грунтового воздухопроводов подсоединены к «холодному» каналу вихревой трубы, а за местом их подсоединения установлен фильтр, при этом южный и северный воздухопроводы сообщены с атмосферой, а теплообменный – с помещением.

Недостатком технического решения является энергоемкость при изменяющихся погодно-климатических условиях эксплуатации, когда по южному воздуховоду в нагнетательный вентилятор поступают мелкодисперсные загрязнения в виде каплеобразной влаги и твердых частиц, на перемещение которых приводом вентилятора затрачивается дополнительная энергия (см., например, Курчавин А.Г. и др. Экономия тепловой и электрической энергии. М.: 1980 г. – 280 с., ил.). Кроме того, и твердые частицы загрязнений, например атмосферная и/или технологическая пыль, интенсифицируют износ движущихся частей вентилятора.

Известна система гелиотеплохладоснабжения (см. патент РФ №2554171, МПК F 24 J 2/42, опубл. 27.06.2015, бюл. №18), содержащая южный, выполненный из поглощающего солнечную радиацию материала, и северный воздухопроводы, расположенные на соответствующих сторонах здания, тепловой аккумулятор, образующий с полом здания подпольный воздухопровод, сообщенный с южным, а также расположенные под тепловым аккумулятором один над другим теплообменный и грунтовый воздухопроводы, первый из которых сообщен с северным, а второй снабжен грунтовыми теплопроводящими трубами, при этом система снабжена размещенной в тепловом аккумуляторе вихревой трубой, входом сообщенной с подпольным воздухопроводом, «холодным» каналом – с помещением, а «горячим» – через тепловой аккумулятор с грунтовым воздухопроводом, выходы подпольного и грунтового воздухопроводов подсоединены к «холодному» каналу вихревой трубы, а за местом их подсоединения установлен фильтр, при этом южный и северный воздухопроводы сообщены с атмосферой, а теплообменник – с помещением, при этом южный воздухопровод снабжен суживающимся соплом, которое установлено вне помещения и выполнено с завихрителем, состоящим из четырех пластин, входные и выходные участки которых расположены один относительно другого под прямым углом, причем у входного отверстия суживающегося сопла на внутренней поверхности выполнена круговая канавка, соединенная с устройством удаления загрязнений.

Недостатком является снижение надежности работ при изменяющихся погодно-климатических условиях эксплуатации, особенно с наличием атмосферных осадков в виде дождя или тумана, когда наблюдается налипание каплеобразной влаги на внешнюю поверхность каждой из пластин завихрителя, что приводит к окислению материала, появлению ржавчины, окалины и последующему разрушению завихрителя, а в целом – к ухудшению системы гелиотеплохладоснабжения.

Технической задачей предлагаемого изобретения является поддержание заданной надежности эксплуатации системы гелиотеплохладоснабжения за счет устранения налипания каплеобразной влаги на внешнюю поверхность пластин завихрителя, приводящей к окислению и последующему разрушению материала, путем нанесения стеклоподобной пленки в виде наноматериала из оксида тантала.

Технический результат достигается тем, что система гелиотеплохладоснабжения, содержащая южный, выполненный из поглощающего солнечную радиацию материала, и северный воздухопроводы, расположенные на соответствующих сторонах здания, тепловой аккумулятор, образующий с полом здания подпольный воздухопровод, сообщенный с южным, а также расположенные под тепловым аккумулятором один над другим теплообменный и грунтовый воздухопроводы, первый из которых сообщен с северным, а второй снабжен грунтовыми теплопроводящими трубами, при этом система снабжена размещенной в тепловом аккумуляторе вихревой трубой, входом сообщенной с подпольным воздухопроводом, «холодным» каналом – с помещением, а «горячим» – через тепловой аккумулятор с грунтовым воздухопроводом, выходы подпольного и грунтового воздухопроводов подсоединены к «холодному» каналу вихревой трубы, а за местом их подсоединения установлен фильтр, при этом южный и северный воздухопроводы сообщены с атмосферой, а теплообменник – с помещением, при этом южный воздухопровод снабжен суживающимся соплом, которое установлено вне помещения и выполнено с завихрителем, состоящим из четырех пластин, входные и выходные участки которых расположены один относительно другого под прямым углом, причем у входного отверстия суживающегося сопла на внутренней поверхности выполнена круговая канавка, соединенная с устройством удаления загрязнений, причем наружная поверхность каждой из четырех пластин завихрителя покрыта стеклоподобной пленкой в виде наноматериала из оксида тантала.

На фиг. 1 представлена схема системы гелиотеплохладоснабжения, на фиг.2 – завихритель суживающегося сопла на входе в южный воздухопровод, на фиг.3 – разрез А-А по фиг.2 одной из пластин завихрителя, наружная поверхность которой покрыта стеклоподобной пленкой в виде наноматериала из оксида тантала.

Система содержит воздухопроводы: южный 1, подпольный 2, северный 3, теплообменный 4 и грунтовый 5 с грунтовыми теплопроводящими трубами 6, помещение 7, под которым расположен тепловой аккумулятор 8, вихревую трубу 9 с входом 10 для обрабатываемого воздуха, каналом «холодного» потока 11, соединенным с входом 12 фильтра 13 и каналом «горячего» потока 14, соединенным с грунтовым воздухопроводом 5, фильтр 13 своим выходом 15 соединен с внутренним объемом помещения 7, нагнетательный вентилятор 16, установленный в вентиляционной камере 17 и соединенный подпольным воздухопроводом 2 через воздушные заслонки 18 и 19 с входом 10 вихревой трубы 9 и с выходом 12 фильтра 13, вытяжной вентилятор 20, установленный в вентиляционной камере 21 и соединенный теплообменным 4 воздухопроводом с северным 3 воздухопроводом, осуществляющим выброс воздуха из помещения 7 в атмосферу.

Южный 1 воздухопровод снабжен суживающимся соплом 22, которое установлено вне помещения 7 и выполнено с завихрителем 23, состоящим из четырех 24, 25, 26 и 27 пластин, входные 28, 29, 30, 31 и выходные 32, 33, 34 и 35 участки которых расположены один относительно другого под прямым углом. У входного отверстия 36 суживающегося сопла 22 на внутренней поверхности 37 выполнена круговая канавка 38, соединенная с устройством удаления загрязнений 39.

Наружная поверхность 40 каждой из четырех пластин 24, 25, 26 и 27 завихрителя 23 покрыта стеклоподобной пленкой 41 в виде наноматериала из оксида тантала.

Система гелиотеплохладоснабжения работает следующим образом.

При наличии каплеобразных частиц атмосферной и технологической влаги, а также твердых частиц пыли в атмосферном воздухе, поступающем по южному 1 воздухопроводу через подпольный воздухопровод 2 в нагнетательный вентилятор 16, его приводом затрачивается дополнительная энергия на транспортировку данной смеси на вход 10 вихревой трубы 9. Кроме того, загрязнения атмосферного воздуха интенсифицируют износ лопастей нагнетательного вентилятора 16, и, как следствие, снижается надежность системы гелиотеплохладоснабжения. Снабжение южного 1 воздухопровода суживающимся соплом 22 с завихрителем 23 приводит к тому, что атмосферный воздух с частицами загрязнений после входного отверстия 36 контактирует с входными участками 28, 29, 30, 31 четырех пластин 24, 25, 26 и 27, которые повернуты на прямой угол относительно выходных участков 32, 33, 34 и 35. В результате всасываемый атмосферный воздух в суживающемся сопле разделяется на четыре потока и по мере движения перемещается на 90°, что приводит перед поступлением его в южный 1 воздухопровод во вращательное движение. Капельная влага и/или мелкодисперсные частицы технологической жидкости при контакте с внешней поверхностью 40 каждой пластины 24 (25, 26 и 27) налипает на нее, коагулирует парообразную влагу, укрупняется, образуя «пятна» жидкости. В результате материал завихрителя 23 окисляется, ржавеет и окисляется, что приводит к снижению эффективности работы суживающегося сопла 22 и, соответственно, системы гелиотеплохладоснабжения в изменяющихся погодно-климатических условиях эксплуатации и, особенно, с наличием в атмосферном воздухе осадков в виде дождя, тумана, снега.

При нанесении стеклоподобной пленки 41 в виде наноматериала из оксида тантала на наружную поверхность 40 каждой пластины 24 (25,26, 27) капли жидкости без налипания скользят (см., например, Литвинов В.А., Саврук Е.В. Наноразмерные пленки оксида тантала, полученные ионно-плазменным методом //Сборник трудов региональной научно-практической конференции «Современные проблемы и достижения аграрной науки в животноводстве, растениеводстве и экономике».– Томск: ТСХИ НГАУ. – Вып. 12. – 2010. – С. 299-301), т.е. не укрупняются и не образуют «пятна» жидкости.

В результате отсутствует интенсификация окисления материала завихрителя 23 с появлением ржавчины и последующего его разрушения. Система гелиотеплохладоснабжения эксплуатируется без энергозатрат на дополнительные работы по внеплановой замене в суживающемся сопле 22 завихрителя 23.

Под действием центробежных сил загрязненного атмосферного воздуха частицы загрязнений отбрасываются к внутренней поверхности 37 суживающегося сопла 22 и перемещаются к круговой канавке 38 у входного отверстия 36, откуда поступают в устройство удаления загрязнений 39 для последующего удаления вручную или автоматически (на фиг. не показано).

Следовательно, в нагнетательный вентилятор 16 поступает очищенный от загрязнений атмосферный воздух и привод его потребляет нормированное количество энергии, вне зависимости от погодно-климатических условий эксплуатации системы гелиотеплохладоснабжения.

В теплое время года при температурах атмосферного воздуха выше значений температуры, предусмотренных параметрами микроклимата внутри помещения 7, например, 25°С (воздушная заслонка 19 закрыта) атмосферный воздух по южному воздухопроводу 1 нагнетается в подпольный воздухопровод 2 вентилятором 16, установленным в вентиляционной камере 17. Из подпольного воздухопровода 2 по открытой воздушной заслонке 18 атмосферный воздух под избыточным давлением поступает на вход 10 вихревой трубы 9, в которой происходит расслоение на «холодный» (температура несколько ниже входящего в вихревую трубу атмосферного воздуха) и «горячий» (температура несколько выше входящего в вихревую трубу атмосферного воздуха) потоки воздуха. Холодный поток разделенного в вихревой трубе 9 атмосферного воздуха с заданной по условиям микроклимата внутри здания 7 температурой, например, 18°С по холодному каналу 11 вихревой трубы 9 поступает на вход 12 и в фильтр 13, где очищается от твердых частиц загрязнений, а также от жидких частиц сконденсировавшейся в процессе охлаждения парообразной влаги атмосферного воздуха, а, как известно, чем выше температура атмосферного воздуха, тем больше в нем влаги, при этом отделенные загрязнения в фильтре 13 удаляются из него через установку удаления загрязнений, например конденсатоотводчик поплавкового типа. «Горячий» поток атмосферного воздуха по горячему каналу 14 вихревой трубы 9 направляется в грунтовый воздухопровод 5, где охлаждается, отдавая тепло грунту, а сконденсировавшаяся в процессе охлаждения воздуха влага удаляется через теплопроводящие трубы 6 и дренируется в грунте. Охлажденный в грунтовом воздухопроводе 5 воздух поступает к входу 12 фильтра 13, где окончательно очищается от капельнообразных загрязнений и твердых частиц загрязнений, т.е. доводится до параметров, определяемых заданным микроклиматом в помещении 7. Из фильтра 13 обработанный воздух с заданными параметрами по температуре, влажности и степени очистки от твердых частиц поступает внутрь помещения 7.

Воздух из помещения 7 вентилятором 20, установленным в вентиляционной камере 21, направляется в теплообменный воздухопровод 4, где отдает тепло аккумулятору 8, и по северному воздухопроводу 3 выбрасывается в атмосферу.

Размещение вихревой трубы 9 в тепловом аккумуляторе 8 обеспечивает дополнительное накопление тепла, выделяемого через корпус вихревой трубы 9, в процессе расслоения обрабатываемого атмосферного воздуха на «холодный» и «горячий» потоки.

В результате тепловой аккумулятор 8 накапливает тепловую энергию, поступающую как от теплообменного воздухопровода 4, так и от корпуса вихревой трубы 9.

При снижении температуры нагнетаемого вентилятором 16 атмосферного воздуха ниже гостированной для заданных условий микроклимата здания 7, например в ночное время температура около 15°С, открывается воздушная заслонка 19 (воздушная заслонка 18 закрыта). Атмосферный воздух по южному воздухопроводу 1 вентилятором 16 через открытую воздушную заслонку 19 подается в фильтр 13, где очищается до заданных условиями микроклимата в помещении 7 параметров. Тепловой аккумулятор 8 отдает тепло всасываемому атмосферному воздуху в подпольном воздухопроводе 2, нагревая его до необходимой температуры. Если тепловой энергии, отдаваемой тепловым аккумулятором 8 атмосферному воздуху, движущемуся по подпольному воздухопроводу 2, недостаточно, то осуществляется подогрев отопительной системой (не указано), затраты которой будут снижены, так как значительная часть тепла поступает от теплового аккумулятора 8 и грунта.

Размещение фильтра 13 после вихревой трубы 9 в тепловом аккумуляторе 8 обеспечивает снижение энергоемкости очистки нагнетаемого вентилятором 16 через южный 1 воздухопровод атмосферного воздуха вовнутрь помещения 7 за счет частичной очистки в процессе расслоения обрабатываемого воздуха (часть твердых загрязнений перемещается в горячий поток и дренируется в грунт по теплообменным трубам 6). Также полученное тепло от аккумулятора 8 при низких температурах атмосферного воздуха устраняет возможность обмерзания фильтрующих элементов, приводящего к возрастанию гидравлического сопротивления при температурах атмосферного воздуха, имеющих значение, существенно более низкое, чем предусмотрено параметрами микроклимата внутри помещения 7, вихревая труба 9 воздушной заслонкой 18 отключается от подпольного воздухопровода 2. Всасываемый атмосферный воздух нагревается как в южном воздухопроводе 1 за счет использования тепла солнечной радиации (южный воздухопровод выполнен из поглощающего солнечную радиацию материала), так и от теплового аккумулятора 8 в подпольном воздухопроводе 2. В случае недостатка данного тепла для получения заданной температуры воздуха, нагнетаемого вовнутрь помещения 7, применяется отопительная система (не показана) незначительной мощности.

В результате предлагаемое изобретение позволяет использовать солнечную энергию и аккумулирующие свойства грунта, как при положительных, так и при отрицательных температурах атмосферного воздуха, обеспечивая снижение энергозатрат процесса получения заданных параметров микроклимата внутри помещения, как по температуре, так и по степени очистки вентилируемого воздуха от загрязнений в виде твердых и каплеобразных загрязнений.

Оригинальность предложенного изобретения заключается в том, что эффективность системы гелиотеплохладоснабжения при длительной эксплуатации в изменяющихся погодно-климатических условиях достигается поддержанием надежности работы суживающегося сопла южного воздухопровода за счет устранения разрушения материала завихрителя в процессе окисления каплеобразной влагой путем покрытия стеклоподобной пленкой в виде оксида тантала наружных поверхностей каждой пластины.