Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ МИКРОКЛИМАТА

Изобретение относится к технике вентиляции и кондиционирования воздуха, конкретно - к устройствам для регулирования микроклимата в замкнутом пространстве в порядке улучшения условий обитания человека и др. биологических объектов, в профилактических и оздоровительных (медицинских) целях.

Устройства для регулирования микроклимата, в зависимости от того, сколько и какие именно параметры микроклимата регулируют, включают в себя увлажнители и/или очистители, и/или ароматизаторы воздуха (очистка от различных запахов и газообразных веществ, пыли, пылевых клещей, пыльцы растений, шерсти животных, табачного и иного дыма, бактерий и микробов в изолированных помещениях, и прочие). Наиболее универсальные устройства иногда называют климатическими комплексами. В их состав, в общем случае, входят: корпус со смесительной камерой и проточной воздушной системой на базе встроенного нагнетателя (вентилятора); увлажнитель-испаритель, барботажное устройство (турбулизатор воды), фильтры, ионизаторы и т.д. [Помощь в выборе очистителей воздуха // http://www.climateunion.ru/news/detail.php?ID=684; Увлажнитель воздуха, воздухоочистители // http://www.inklimat.ru/catalog/ochistiteli-vozduha].

Увлажнение воздуха эффективно осуществляется по методу холодного испарения, признанного лучшим и используемого, например, в очистителях-увлажнителях воздуха модельного ряда VENTA LW [Очистители-увлажнители воздуха VENTA LW-80 // http://www.klimat-pro.ru/catalog/aircleaner/venta/lw-80/ventalw80.aspx].

Для интенсификации холодного испарения обычно применяют электроприводные элементы (барботажные диски или барабаны) с возможностью их вращения и частичного погружения в воду [Помощь в выборе очистителей воздуха // http://www.climateunion.ru/news/detail.php?ID=684, рис.5] или встроенные ультразвуковые генераторы [Увлажнитель воздуха, воздухоочистители // http://www.inklimat.ru/catalog/ochistiteli-vozduha].

Такие устройства относительно громоздки и дороги, хотя и хороши для ограниченного применения.

Для массового применения в быту населением хорошо зарекомендовали себя конструктивно простые и компактные устройства (главным образом, авторской разработки и изготовления), в которых нагнетатель воздуха (вентилятор) с вертикальной осью вращения расположен непосредственно над емкостью с водой или иным испаряемым и/или поглощающим веществом (с зазором от поверхности воды), а выпускные отверстия для воздуха - на боковой поверхности корпуса в пределах указанного зазора [SU №1479790, F24F 3/14, 1987; Лященко В.А. Кондиционеры. Первая городская выставка изобретений и ремесел «Санкт-Петербургская интеллектуальная собственность». ИC-300-I (к 300-летию Санкт-Петербурга: Каталог / Под общ. ред. А.Г.Семенова. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2003. 110 с. - С.37; Лященко В.А. Устройство для улучшения условий дыхания // Инновационная политика и изобретатели (Россия - начало XXI века): Материалы Межрегиональной научно-технической конференции изобретателей и каталог Городской выставки изобретений / под общ. ред. Ю.Г.Попова и А.Г.Семенова. - СПб., Изд-во Политехн., ун-та, 2010, 288 с. - С.215-216; Лященко В.А. Домашний курорт. Устройство «Целитель» // Изобретатели и инновационная политика России: материал Всероссийского форума / под ред. Ю.Г.Попова и А.Г.Семенова. СПб.: Изд-во Политехн., ун-та, 2011, 374 с. - С.241-243].

Воздушный поток воздействует на вещество перпендикулярно фронтальной поверхности последнего, отражается, меняет направление в вертикальной плоскости в целом в пределах 90° и выходит через выпускные отверстия. При этом он, в зависимости от геометрических характеристик устройства, производительности нагнетателя (вентилятора) и режимов его работы, вызывает полезные для качества микроклимата перемещения и турбулентность как парообразного, так и жидкого массивов вещества (воды).

Наиболее близким к заявляемому изобретению по назначению и совокупности конструктивных признаков (прототипом), а также наиболее информативным, с позиций иллюстрации конструктивных признаков, является устройство для увлажнения воздуха, содержащее полый корпус с проточно-воздушной смесительной камерой, входными и выходными отверстиями и наддонным пространством ниже выпускных отверстий, для размещения воды, подлежащей смешению с воздухом в смесительной камере, а также нагнетатель воздуха (вентилятор) в смесительную камеру с возможностью создания направленного воздушного потока из окружающего устройство пространства через входные отверстия в наддонное пространство, причем боковые стенки корпуса, ограничивающие наддонное пространство и, по крайней мере, примыкающую к нему часть смесительной камеры, выполнены сужающимися в сторону дна [RU 4588 U1, F24F 3/14, 16.07.1997, авторы-патентообладатели В.А.Лященко и др.].

В нем боковая стенка корпуса на уровне наддонного пространства и, по крайней мере, примыкающей к нему части смесительной камеры, выполнена, в вертикальном сечении, сужающийся по радиусу, с выпуклостью наружу. Вещество-добавку размещают не непосредственно в корпусе устройства, а в дополнительной его быстросъемной детали - поддоне. При этом не оговорено, конкретно какие вещества (кроме воды) и их агрегатное состояние (как принципиально возможные и рекомендуемые варианты в приложении к устройству - микроклиматическому комплексу). Идея изобретения-прототипа заключается в организации решеток-направляющих воздушного потока на входе и выходе, что, с позиций заявляемого изобретения, интереса не представляет и обязательному сохранению в заявляемом устройстве не подлежит.

Итак, в устройстве-прототипе для размещения воды или иного вещества-добавки в атмосферный воздух предусмотрен однозначно съемный поддон, образующая боковой стенки которого (как емкости для жидкости-добавки) дугообразна, с радиусом кривизны наружу, т.е. с выпуклостью, с переходом в вертикальную прямую вверху (у цилиндрической части корпуса устройства). Это сделано просто из «тривиальных» соображений использования стандартной бытовой посуды.

Авторы в своей многолетней практике изготовления, распространения и эксплуатации этих устройств использовали покупные корпуса (изделия самостоятельно иного назначения) с неоптимальными характеристиками, не подозревая скрытые резервы улучшения характеристик устройства.

Однако в дальнейшем, как показали авторские эмпирические и теоретические исследования, такая форма не является рациональной с точки зрения динамики движения воды под воздействием воздушного потока от вентилятора (нагнетателя): волнообразование (рябь) и турбулизация поверхностного (жидкостного) и надповерхностного (парообразного) слоев воды. Речь идет, разумеется, об обусловленной этим недостаточной эффективности холодного испарения и мелкокапельного образования в пограничной зоне. Основная причина - в нерациональной форме стенки поддона или корпуса (в случае отсутствия поддона и размещении воды непосредственно в нижней его части): из-за радиуса кривизны образующей боковой стенки поддона или корпуса, вектор касательной составляющей силы воздействия воды на стенку, вследствие давления воздушного потока на поверхность воды, прогрессивен по углу атаки и встречает, соответственно, прогрессивное сопротивление движению периферийных слоев воды вверх вдоль стенки. При этом уменьшается и модуль этого вектора, определяющий подъемную силу. Соответственно, слаб колебательный процесс в периферийных слоях воды и по объему в целом, недостаточна его амплитуда, полезные гидро- и газодинамические резонансные процессы в пограничной зоне «жидкость-пар» затруднены, «задавлены» прогрессивным сопротивлением самой воды. Это становится очевидным даже при внимательном визуальном наблюдении при работающем устройстве.

Попытки же интенсификации турбулентности воды и ее паров увеличением скоростного напора (производительности) воздушного нагнетателя и уменьшением величин зазора между нагнетателем и поверхностью воды, приводят, помимо роста энергозатрат и шумности, к интенсивному разбрызгиванию воды через выходные окна и намоканию самого нагнетателя, что недопустимо по требованиям электробезопасности.

И наличие поддона, в принципе, не обязательно: вещество-добавка может быть размещено непосредственно в наддонной части корпуса.

Далее, при использовании устройства как антисептического, например при закладке в него чеснока и лука в период эпидемий гриппа, эти твердые или консистентные (кашеобразные) вещества «омываются» воздушным потоком лишь со стороны верхней полусфер, т.е. только примерно по половине поверхности «сублимации».

Кроме того, выполнение выходных отверстий круглой формы (см. ряд аналогов) нерационально в условиях минимум двухмерной закрутки потока нагнетателем, во всяком случае, вентилятором: имеет место повышенное газодинамическое сопротивление на входе, поскольку не учитывается круговое (в горизонтальных плоскостях) движение потока на периферии корпуса.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение эффективности (своего рода «коэффициента полезного действия») устройства как увлажнителя, «насытителя» специальными веществами и очистителя микроатмосферы на выходе устройства, в помещении, причем без дополнительных элементов и без энергетических затрат, в пределах той же себестоимости устройства.

Результат, в соответствии с поставленной задачей, достигается за счет того, что в устройстве для регулирования микроклимата, содержащем полый корпус с проточно-воздушной смесительной камерой, входными и выходными отверстиями (окнами) и наддонным пространством ниже выходных отверстий (окон), для размещения жидких, консистентных или твердых веществ-добавок, предназначенных для улавливания примесей входящего воздуха и смешению с ним в смесительной камере, а также нагнетатель воздуха в смесительную камеру с возможностью создания направленного воздушного потока из окружающего устройство пространства через входные отверстия в наддонное пространство, причем боковая стенка корпуса, ограничивающая наддонное пространство и, по крайней мере, примыкающую к нему часть смесительной камеры, выполнена сужающейся в сторону дна, последняя (сужающаяся боковая стенка) на высоте не менее максимально допустимого уровня заполнения веществом-добавкой выполнена конической.

Результат достигается также за счет дополнительных конструктивных признаков (при сформулированной выше основной совокупности признаков):

- устройство может содержать поддон для вещества-добавки, при этом боковая стенка указанного поддона на высоте не менее максимально допустимого уровня заполнения веществом-добавкой должна быть выполнена конической (при наличии поддона конусовидность нижней части корпуса не обязательна);

- при предыдущей совокупности признаков, боковая стенка поддона над максимально-допустимым уровнем заполнения веществом-добавкой может быть вы полнена постепенно сужающейся вверх, например с обратной конусностью или по радиусу, с образованием водоотбойно-турбулизирующего пояска;

- устройство может быть дополнительно снабжено, по крайней мере, одной сменной мелкоячеистой решетчатой наддонной подставкой для размещения на ней твердых или консистентных веществ-добавок, с возможностью взаимодействия последних с воздушным потоком дополнительно снизу, со стороны дна;

- выходные отверстия в корпусе могут быть выполнены постепенно расширяющимися в сторону закрутки воздушного потока, в горизонтальных плоскостях, нагнетателем, в частности вентилятором, предпочтительно каплевидными.

Среди известных устройств не обнаружены такие, совокупность существенных признаков которых совпадала бы с заявленной совокупностью признаков. В то же время, именно за счет этой совокупности достигается новый технический результат.

Более подробно сущность изобретения раскрывается в приведенных ниже примерах реализации со следующими иллюстрациями:

на фиг.1 представлено устройство для регулирования микроклимата в поперечном разрезе, вариант без поддона, где H₁ - высота профильной (конической) образующей боковой стенки корпуса устройства; h₁ - максимально допустимый уровень заполнения корпуса устройства веществом-добавкой; φ - угол наклона боковой стенки нижней конусообразной части корпуса к горизонтальной плоскости;

на фиг.2 - схема силового взаимодействия «воздушный поток - емкость с водой», вид в вертикальном сечении, где F - подъемная сила, воздействующая на воду со сторон воздушного потока, вдоль конусовидной стенки корпуса;

на фиг.3 - представлено устройство для регулирования микроклимата в поперечном разрезе, вариант с поддоном, где Н₂ - высота профильной (конической) образующей боковой стенки корпуса устройства; h₂ - максимально допустимый уровень заполнения корпуса устройства веществом-добавкой;

на фиг.4 - то же, вариант с поддоном, снабженным водоотбойником, где R - радиус кривизны водоотбойника;

на фиг.5 - то же, вариант со сменным решетчатым поддоном для твердых и консистентных веществ-добавок.

Устройство содержит (см. фиг.1) полый корпус 1 (как правило, с крышкой 2, которую можно считать съемной частью корпуса 1 и даже «полукорпусом») с проточно-воздушной смесительной камерой 3, входными 4 и выходными 5 отверстиями (соответственно и наддонным пространством 6 ниже выходных отверстий 5, для размещения жидких, консистентных или твердых веществ 7, в основном и в данном примере - воды), предназначенных для улавливания примесей (в любом их агрегатном состоянии, главным образом твердом) входящего воздуха и смешению с ним в смесительной камере 3. Предусмотрен также нагнетатель воздуха (как правило, вентилятор) 8 в смесительную камеру 3. Причем с возможностью создания направленного воздушного потока из окружающего устройство пространства (атмосферы «замкнутого» пространства, например комнаты, квартиры, больничной палаты, тюремной камеры) через входные отверстия 4 в наддонное пространство 6. Боковые стенки корпуса 1, ограничивающие наддонное пространство 6 и, по крайней мере, примыкающую к нему часть смесительной камеры 3, выполнены сужающимися в сторону дна корпуса 1.

Боковая стенка корпуса 1 на уровне наддонного пространства 6, на высоте H₁ не менее максимально допустимого уровня h₁ заполнения веществом-добавкой 7, и, по крайней мере, примыкающей к нему части смесительной камеры 3, выполнена конической, с углом φ наклона образующей конуса к горизонтальной плоскости, в рациональном диапазоне 45-60° (в авторском экспериментальном образце и изделиях индивидуального производства - φ=60°).

Это обязательный набор конструктивных признаков заявляемого устройства.

Дальнейшее описание касается дополнительных, т.е. необязательных, но рекомендуемых признаков.

Так, устройство может содержать (см. фиг.3) поддон 9 (или комплект сменных поддонов 9) для вещества-добавки 7, при этом боковая стенка указанного поддона, на высоте Н₂ не менее максимально-допустимого уровня h₂ заполнения веществом-добавкой 7, выполнена конической.

В устройстве согласно фиг.4 боковая стенка поддона 9 над максимально допустимым уровнем h₂ заполнения веществом-добавкой 7 может быть выполнена постепенно сужающейся вверх (к нагнетателю 8), например с обратной конусностью (понятно и без иллюстрации) или по радиусу R (см. фиг.4), с образованием водоотбойно-турбулизирующего пояска 10.

Устройство согласно фиг.5 может быть дополнительно снабжено, по крайней мере, одной сменной мелкоячеистой (примерно от 0,5 до 5 мм) решетчатой наддонной подставкой 11 для размещения на ней твердых или консистентных веществ-добавок 7, с возможностью взаимодействия последних с воздушным потоком дополнительно снизу, со стороны дна.

В устройстве (см. фиг.1) выходные отверстия 5 в корпусе 1 могут быть выполнены постепенно расширяющимися в сторону закрутки воздушного потока, в горизонтальных плоскостях, нагнетателем, в частности вентилятором, 8, предпочтительно каплевидными.

Описанный пример конкретного варианта конструкции не исключает других возможных вариантов устройства в рамках заявляемой совокупности существенных конструктивных признаков (см. формулу изобретения).

Заявляемое устройство работает следующим образом.

При вращении нагнетателя (вентилятора) 8 воздух засасывается из окружающей среды (атмосферы помещения, где требуется отрегулировать микроклимат) через входные отверстия 4 (в данном примере - ячейки жесткой сетки, встроенной в центральное большое отверстие в крышке корпуса 1) и подается в осевом направлении, т.е. вертикально вниз (вдоль оси вращения нагнетателя (вентилятора) 8) в смесительную камеру 3.

Как и в ближайшем аналоге (устройстве-прототипе), при столкновении с водой поток воздуха очищается и насыщается водяными парами. Очищенный и увлажненный воздух истекает из смесительной камеры 3 через выходные отверстия 5.

В связи с введением новых конструктивных признаков согласно заявляемому изобретению в работе устройства появляются следующие физические (гидро- и газодинамические) процессы.

Преодолев зазор между входом нагнетателя 8 и поверхностью воды 7, налитой в корпус 1 (на высоту до h₂ включительно) в варианте устройства по фиг.1 или в поддон 9 (на высоту до h₁ включительно) в варианте устройства по фиг.3, воздушная струя оказывает нормальное давление на последнюю. При этом динамический напор струи носит пульсирующий характер, обусловленный особенностями нагнетателя 8. Давление струи передается по закону Паскаля на конусную часть боковой стенки корпуса 1, что определяет силы трения воды 7 о стенку и, в то же время, наличие подъемной силы (составляющей) F вдоль конусовидной стенки (см. фиг.2). При превышении последней над суммой сил трения и гравитационных сил периферийные слои воды поднимаются вверх по конусной части стенки, причем в пульсирующем режиме (объяснено выше). Неизменный (непрогрессивный) характер движущих сил и сил сопротивления, обусловленный прямолинейностью образующей боковой стенки корпуса 1, обеспечивает, при прочих равных условиях (производительности нагнетателя 8, площади поверхности и глубины заливки воды и т.д.), интенсификацию волнения, турбулентности воды и, вследствие этого, паров воды над ее поверхностью. Становятся интенсивнее холодное испарение и мелкокапельное образование в пограничном слое, на большую высоту в пределах смесительной камеры 3.

В устройстве по фиг.4 поднимающиеся периферийнее слои воды (см. фиг.2) пассивно, посредством водоотбойника 10 и благодаря обратной его конусности или радиуса кривизны R, отбрасываются (направляются) назад - от периферии к центру заполненного водой наддонного пространства 6. При этом турбулентность парожидкостной среды в смесительной камере 3 усиливается еще больше, а крупные капли (брызги), наоборот, отсекаются - предотвращается их вылет из поддона 9 и/или в выходные отверстия 5 (особенно при использовании нагнетателя 8 с высоким расходом, т.е. относительно большой мощности).

Описанные физические, гидродинамические процессы наблюдаются визуально через входные отверстия 5 или при выполнении корпуса прозрачным или полупрозрачным, при работающем устройстве.

В результате, воздушный поток в смесительной камере 3 более эффективно (в большей степени, более полно) насыщается водяными парами - увлажняется. Повышается эффективность и улавливание механических и химических примесей во входящем в камеру 3 атмосферном воздухе.

При применении консистентных и твердых веществ-добавок 7 главный отличительный признак заявленного изобретения существенного выигрыша не дает. Однако наличие, как дополнительный признак, сменной наддонной подставки 11 специально для таких веществ обеспечивает увеличение общей площади взаимодействия воздушного потока с веществом 7: воздух проникает, по нормали, через ячейки и периферийный зазор между подставкой 11 и боковой стенкой корпуса 1, взаимодействует с веществом 7 «с тыльной стороны» и указанным же путем входит назад с последующим выходом через выходные отверстия 5.

При выполнении отверстий 5 каплевидными (см. описание и фиг.1), также как дополнительный конструктивный признак, выход очищенного и «обогащенного» воздуха через отверстия такой формы, с учетом радиально-тангенциального движения у/к периферии (закрутка потока в горизонтальных плоскостях) встречает меньшее газодинамическое сопротивление. Это обусловливает не только снижение энергопотребления устройства, но и снижает потери указанного «обогащения» (влажности и т.д.).

По мере испарения и/или загрязнения воды производят ее долив или замену.

Использование изобретения позволяет за счет частичной оптимизации форм нижней части корпуса и/или поддона улучшить потребительские свойства устройства для регулирования микроклимата: повысить его эффективность (своего рода «коэффициента полезного действия») как увлажнителя, насытителя спецвеществами (ароматизаторами, антисептиками, лекарственными препаратами) и очистителя микроатмосферы на выходе устройства, в помещении, причем без дополнительных элементов и без энергетических затрат, в пределах той же себестоимости устройства.