СПОСОБ КОСВЕННО-ИСПАРИТЕЛЬНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ВОЗДУХА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Группа изобретений относится к области вентиляции и кондиционирования воздуха методом косвенно-испарительного охлаждения (КИО) и может быть использована для создания комфортных условий и микроклимата в помещениях.

Под термином КИО понимается отвод теплоты от основного потока воздуха через разделяющую стенку теплообменника к вспомогательному потоку, который охлаждается за счет испарения в нем воды. При этом основной поток не увлажняется.

Известен способ косвенно-испарительного охлаждения воздуха и устройство для его осуществления (см. патент РФ на изобретение №2031317, МПК F24F 1/02, опубл. 20.03.1995). Общий поток воздуха пропускают через сухие каналы первой секции, находящиеся в теплообменном состоянии с влажными каналами этой секции, и на выходе разделяют на основной и вспомогательный потоки, последний направляют противотоком общему потоку вдоль смачиваемых поверхностей влажных каналов и удаляют в атмосферу, а основной поток пропускают через сухие каналы второй секции, находящиеся в теплообменном состоянии с ее влажными каналами, и затем подают потребителю. Из общего потока после первой секции образуют дополнительный поток и направляют его в дополнительные сухие каналы второй секции, находящиеся в теплообменном состоянии с ее влажными каналами, на выходе из секции дополнительный поток разделяют и направляют во влажные каналы противотоком основному и дополнительному потокам, после чего разделенный дополнительный поток удаляют в атмосферу, причем потоки влажных каналов на выходе в атмосферу регулируют по расходу регулятором.

Однако конструкция изобретения существенно увеличивает габариты кондиционера. Также, применение двух последовательно установленных влажных каналов усложняет настройку органов регулирования, параметры которых будут зависеть от текущих параметров сопротивления сети воздуховодов, к которым подключается кондиционер, описанный в патенте. Так, при установке одного и того же кондиционера в разные системы с разными сопротивлениями сети будет наблюдаться нарушение зависимости долей регулирования (в %) от положения заслонок (в градусах) и потребуется ручное введение поправочного коэффициента.

Известен способ повышения эффективности охлаждения и устройство для его осуществления (см. патент РФ на изобретение №2140044, МПК F24F 3/14, опубл. 20.10.1999), заключающийся в разделении теплообменных секций на секции вспомогательного потока и секции основного потока, монтаже газораспределительной камеры на выходе из сухих каналов теплообменных секций вспомогательного потока и газодинамическое сообщение ее со входами влажных каналов всех секций. Это позволяет с наименьшими аэродинамическими и тепловыми потерями оптимально распределить охлажденный вспомогательный поток по всем влажным каналам, выполнить соотношение площадей охлаждающих поверхностей вспомогательного и основного потоков равным или большим соотношения расходов этих потоков без увеличения аэродинамического сопротивления, повысить эффективность тепломассообмена во влажных каналах и интенсивность охлаждения основного потока, при существенном уменьшении его аэродинамического сопротивления. Разделение потоков перед входом в теплообменные секции позволяет изменять соотношение расходов потоков с помощью нагнетающих вентиляторов, что снижает аэродинамическое сопротивление системы, так как отсутствуют регуляторы на выходных патрубках. Разделение вспомогательного и основного потоков перед входом в теплообменные секции позволяет подавать воздух (газ) в теплообменные секции вспомогательного и основного потоков с разными характеристиками по температуре, влажности, что очень важно в случае работы в системе с осушителем, когда очень сухой воздух может подаваться в теплообменные секции вспомогательного потока, при этом в теплообменные секции основного потока может подаваться воздух с другими температурными и влажностными характеристиками, а температурная эффективность охлаждения основного потока не будет зависеть от его влажности. Снабжение устройства дополнительной емкостью с водой, соединенной трубкой с основной емкостью, и установка в выходном патрубке охлажденного основного потока воздухопроницаемой решетки, опущенной в дополнительную емкость с водой, позволяет собирать влагу, конденсирующуюся в сухих каналах основного потока, при использовании вспомогательного потока с низкой влажностью (например, ниже 5 г/кг сухого воздуха), а основного потока с высокой влажностью (например, больше 10 г/кг сухого воздуха), при этом влага, конденсирующаяся из воздушного потока, поступает в основную ванну для увлажнения капиллярно-пористых пластин влажных каналов.

Однако в существующей конструкции изобретения отсутствует возможность регулирования холодопроизводительности.

Наиболее близким к заявляемой группе изобретений является способ кондиционирования воздуха с комбинированным косвенным охлаждением и кондиционер для его осуществления (см. патент РФ на изобретение №2363892, МПК F24F 3/14, F24F 3/16, F24F 11/00, опубл. 10.08.2009). Согласно способу, регулирование температуры в помещении осуществляют посредством датчика, который воздействует на исполнительный механизм клапана, установленного на трубопроводе подачи теплоносителя в теплообменник, а регулирование влажности осуществляют по импульсу датчика, воздействующему на исполнительный механизм воздушного клапана, который позволяет изменять соотношение расходов воздуха, обработанного в форсуночной камере орошения и прошедшего через байпасный канал, причем один конец байпасного канала соединяют с полостью кондиционера до камеры орошения, а другой - после, после чего воздух из помещения удаляют через воздухораспределительные устройства, и выходной воздуховод с выхлопным зонтом, возвращая при этом часть рециркуляционного воздуха в камеру смешения.

Однако в данном способе осуществляют невысокую эффективность процесса регулирования косвенного охлаждения. И следует отметить, что смешение потоков воздуха в форсуночной камере орошения негативно влияет на микробиологические показатели получаемого воздуха. При использовании воды несоответствующего качества по биологическим показателям возможно проникновение бактерий в кондиционируемый воздух.

Техническая проблема группы изобретений заключается в разработке простого и эффективного способа регулирования холодопроизводительности косвенно-испарительного охлаждения воздуха при сохранении постоянного расхода воздуха.

Технический результат заключается в возможности регулирования температуры на выходе из теплообменника и как следствие, устройства косвенно-испарительного охлаждения (кондиционера).

Техническая проблема группы изобретений достигается тем, что в способе косвенно-испарительного охлаждения воздуха, заключающемся в формировании общего потока воздуха перед входом в теплообменник, образовании основного и технологического потоков, регулировании холодопроизводительности охлажденного воздуха из устройства косвенно-испарительного охлаждения, согласно решению, на входе в теплообменник общий поток воздуха разделяют на два - основной и дополнительный с возможностью регулирования их пропускной способности, при этом основной поток направляют в теплообменник, а дополнительный поток - в байпасный канал, затем основной поток в теплообменнике разделяют на прямой и обратный, значения гидравлических сопротивлений основного и дополнительного потоков выбирают равными, осуществляют смешение дополнительного и прямого потоков на выходе из теплообменника, формируя охлажденный поток на выходе из устройства косвенно-испарительного охлаждения, при этом абсолютные значения расходов технологического потока и охлажденного потока на выходе из устройства поддерживают неизменными.

Устройство косвенно-испарительного охлаждения (кондиционер) для реализации способа, содержащее последовательно расположенные воздухоприемную секцию, теплообменник косвенно-испарительного охлаждения и технологическую секцию, байпасный канал, один из концов которого соединен с технологической секцией, согласно решению, дополнительно содержит жестко соединенную с теплообменником и расположенную над ним секцию выброса технологического потока, сформированного как часть обратного охлажденного основного потока, по крайней мере, одну заслонку, расположенную перед теплообменником, байпасный канал снабжен заслонкой, расположенной со стороны воздухоприемной секции, с которой соединен другой конец байпасного канала.

Байпасный канал может быть расположен с внешней стороны корпуса или внутри корпуса.

Способ поясняется иллюстрациями, где представлены:

на фиг. 1 - схема регулирования холодопроизводительности с помощью байпасного канала, расположенного с внешней стороны корпуса;

на фиг. 2 - схема регулирования холодопроизводительности с помощью байпасного канала, расположенного внутри корпуса;

на фиг. 3 - зависимость холодопроизводительности от положения заслонок в системе с двумя заслонками;

на фиг. 4 - зависимость холодопроизводительности от положения заслонок в системе с одной заслонкой.

Позициями на чертежах обозначены:

1 - теплообменник КИО;

2 - байпасный канал;

3 - воздухоприемная секция;

4 - технологическая секция (смешивающая камера);

5 - секция выброса технологического потока;

6 - регулирующая заслонка на байпасе;

7 - заслонка перед теплообменником КИО;

8 - секции воздухообработки кондиционера (шумоглушение, фильтрация, увлажнение, нагрев, осушка);

9 - рама кондиционера;

10 - модуль подачи воды;

А - общий поток воздуха на входе в кондиционер;

В - основной поток воздуха, поступающий в теплообменник 1;

С - дополнительный поток воздуха, проходящий через байпас;

D - прямой поток воздуха, охлажденный в теплообменнике 1;

Е - технологический поток (вспомогательный, который увлажняется и нагревается), увлажненный в теплообменнике 1 и забравший тепло от потока D;

F - рабочий поток воздуха на выходе из кондиционера.

Устройство косвенно-испарительного охлаждения, реализующее способ косвенно-испарительного охлаждения воздуха, содержит воздухоприемную секцию 3, секции воздухообработки 8, теплообменник КИО 1 и байпасный канал 2, отделенные от воздухоприемной секции заслонками 7 и 6 соответственно, секцию выброса технологического потока 5, технологическую секцию (смешивающую камеру) 4, раму кондиционера 9 и модуль подачи воды 10.

Воздухоприемная секция 3 расположена между секциями воздухообработки 8 и теплообменником КИО 1, снабженным, по крайней мере, одной заслонкой 7, размещенной со стороны воздухоприемной секции 3. Технологическая секция 4 расположена после теплообменника КИО 1 и служит для смешивания потока воздуха D, прошедшего через теплообменник КИО 1, с потоком С, прошедшим через байпасный канал 2. Байпасный канал 2 снабжен заслонкой 6, расположенной со стороны воздухоприемной секции 3. Один из концов байпасного канала 2 соединен с воздухоприемной секцией 3, а другой - с технологической секцией 4.

В теплообменнике 1 происходит охлаждение воздуха посредством косвенно-испарительного охлаждения, поток D охлаждается и попадает в технологическую секцию 4. В байпасном канале 2 изменений физических параметров воздуха не происходит.

Байпасная линия 2 может быть изготовлена как с внешней стороны корпуса (фиг. 1) так и внутри корпуса (фиг. 2).

Воздухоприемная 3 и технологическая 4 секции возможны в исполнении, как пустыми секциями, так и секциями с оборудованием (вентилятор и т.д.). На фиг. 1 и фиг. 2 показан вариант с оснащением воздухоприемной секции 3 вентилятором, а технологическая секция 4 показана пустой.

Способ косвенно-испарительного охлаждения воздуха осуществляется следующим образом.

Общий поток воздуха А на входе в кондиционер, проходя секции воздухообработки 8, попадает в воздухоприемную секцию 3, где происходит разделение на потоки В и С (при помощи заслонок 6 и 7 соответственно), идущие в теплообменник КИО 1 и байпасную линию 2.

При применении в качестве регулятора системы из двух заслонок 6 и 7 холодопроизводительность (Qx) можно регулировать в диапазоне от 0 до 100% от максимальной. При полностью закрытой заслонке 6 и открытой заслонке 7, общий поток воздуха А, не разделяясь (А=В), идет полностью через теплообменник КИО 1 (максимальная холодопроизводительность). И наоборот, при полностью открытой заслонке 6 и закрытой заслонке 7 общий поток воздуха А, не разделяясь (А=С), идет полностью через байпасную линию 2 (нулевая холодопроизводительность).

Зависимость холодопроизводительности от положения заслонок в системе с двумя заслонками 6 и 7 представлена на фиг. 3, где 100% положение заслонки обозначает полное открытие, 0% - полное закрытие. Заслонки могут быть исполнены как при помощи поворотного механизма (вращающиеся, шаровые), поступательного механизма (шиберные), ирисового механизма (ирисовые), либо любого другого, способного изменять сечение проходящего через него воздуха.

При применении в качестве регулятора системы из одной заслонки 6, установленной непосредственно на границе воздухоприемной секции 3 и байпасного канала 2, в крайних положениях, поток воздуха идет либо полностью через теплообменник КИО 1 (максимальная холодопроизводительность, А=В), либо в отношении 50/50% через теплообменник КИО 1 и байпасный канал 2 (50%-ная холодопроизводительность, А=В+С, где В=С). Зависимость холодопроизводительности от положения заслонок в системе с одной заслонкой 6 представлена на фиг. 4, где 100% положение заслонки обозначает полное открытие, 0% - полное закрытие.

Поток воздуха B в теплообменнике КИО 1 разделяется на охлажденный поток D, который передается в смешивающую камеру 4 и технологический поток Е, который удаляется в атмосферу через секцию выброса технологического потока 5.

В результате смешения потоков С и D в технологической секции (смешивающей камере) 4, в различных пропорциях, происходит регулирование холодопроизводительности рабочего потока F на выходе из кондиционера.

Ключевым фактором сохранения постоянных значений расходов рабочего потока F и технологического потока Е при регулировании холодопроизводительности регулирующей заслонкой на байпасе 6 является равенство значений гидравлических сопротивлений теплообменника КИО 1 и байпасного канала 2 при подаче воздуха только через теплообменник КИО 1 или только через байпасный канал 2. Это может быть достигнуто как снижением сечения байпасного канала 2, так и применением дополнительного корректирующего гидравлического сопротивления при помощи заслонки, шибера или клапана на нем.

При увеличении расхода воздуха на дополнительном потоке С происходит пропорциональное снижение расхода воздуха на основном потоке В. Вследствие движения воздуха по байпасному каналу 2 для прямого потока воздуха D вырастает сопротивление на входе в смешивающую камеру 4 - чем больше открывается заслонка 6, тем выше поднимается расход дополнительного потока воздуха С и тем сильнее действует сопротивление на прямой поток D, снижая его расход. При равенстве гидравлических сопротивлений на теплообменнике КИО 1 и байпасном канале 2 и при открытии байпасного канала 2 наблюдается изменение пропорций между потоками D и Е (доля Е растет, D - уменьшается), но абсолютное значение расхода воздуха технологического потока Е остается неизменным, следовательно неизменным остается и расход воздуха рабочего потока F. Такой процесс наблюдается на протяжении всего периода открытия заслонки на байпасе 6.

При дальнейшем регулировании, снижая холодопроизводительность менее 50% от максимальной, требуется закрытие заслонки перед теплообменником КИО 7. Закрытие заслонки 7 приводит к увеличению сопротивления теплообменника КИО 1, следовательно, расходы потоков D и Е снижаются. Поток Е, как технологический (вспомогательный), не интересен с точки зрения кондиционирования помещений и снижение его расхода не повлечет за собой последствий для потребителя кондиционированного воздуха.

Ниже приведены примеры выполнения заявляемой группы изобретений.

В примерах гидравлическое сопротивление теплообменника КИО 1 и байпасного канала 2 считаем равными (R1=R2=R).

Условно считаем, что вне кондиционера давление атмосферное (на входе в кондиционер и на выходе потоков F и Е).

Зададим значение D=3/4 В, а Е=1/4 В.

Пример 1.

Заслонка 7 открыта полностью, заслонка 6 - закрыта.

Тогда холодопроизводительность равна 100% (Qx=100%) от максимальной. Весь поток А идет через теплообменник КИО 1.

В этом случае общий поток воздуха А на входе в кондиционер будет равен основному потоку воздуха В, поступающему в теплообменник КИО 1. Дополнительный поток воздуха С, проходящий через байпасный канал, отсутствует.

Е=1/4 В (Е=1/4 А);

D=3/4 В (D=3/4 А);

F=D (F=3/4 А).

Пример 2.

Заслонка 6 приоткрыта, заслонка 7 открыта полностью.

При открытии заслонки 6 происходит разделение потоков. Поскольку изначально сопротивления R1 и R2 равны, на полностью открытой заслонке 6 потоки будут разделены в отношении 50/50% от А, а при открытии заслонки 6 на 10% в байпасный канал 2 будет поступать 10% от 50% А, то есть 5% от А.

Таким образом, через заслонку 7 будет проходить основной поток B в количестве 95% от общего потока, а через заслонку 6 будет проходить дополнительный поток воздуха С в количестве 5% от основного потока, то есть В=0,95 А, а С=0,05 А.

Далее, по простой математической логике, должно происходить следующее:

D=3/4 В=>D-3/4×0,95 А=>D=0,7125 А.

Е=1/4 В=>Е=0,2375 А.

F=C+D=0,05 А+0,7125 А=0,7625 А.

Исходя из этой логики, наблюдается нарушение изначальных пропорций, где поток F=0,75 А.

Однако, если начинать учитывать тот момент, что увеличение количества воздуха в ограниченном объеме будет увеличивать давление внутри, будет ясно, что пропускная способность технологической секции (камеры смешения) 4 будет снижаться. Воздух потечет по пути наименьшего сопротивления, а если учесть, что у нас два выхода из кондиционера (потоки F и Е), то воздух устремится от потока F к потоку Е, поскольку сопротивление на нем меньше.

Воздух будет перетекать от потока F к потоку Е до равновесного состояния, когда сопротивление на потоке Е станет равным сопротивлению на потоке F, а это значит, что снова будут верными соотношения: F=3/4 А и Е=1/4 А.

И так при любом изменении расходов воздуха при открытии заслонки 6.

Когда заслонка 6 откроется полностью, холодопроизводительность упадет до 50% от максимальной.

Далее, для дальнейшего снижения холодопроизводительности необходимо закрывать заслонку 7. При ее закрытии будет происходить нарушение равенства сопротивлений R1=R2, т.к. заслонка 7 будет создавать дополнительное сопротивление на теплообменнике КИО 1 и R1 станет больше, чем R2, а, следовательно, будет изменяться расход потоков воздуха F и Е: F вырастет, Е упадет.

Поскольку поток Е как технологический (вспомогательный), не интересен с точки зрения кондиционирования помещений, а поток F для потребителя будет превышать заданное изначально значение, необходима будет корректировка общего расхода воздуха. Этого можно добиться увеличением сопротивления на выходе из кондиционера (установить заслонку на потоке F уже после кондиционера) или снизить расход вентилятора, применив метод снижения числа его оборотов.

Таким образом, разработан простой и эффективный способ регулирования холодопроизводительности косвенно-испарительного охлаждения воздуха при сохранении постоянного расхода воздуха, который позволяет регулировать температуру на выходе из теплообменника и как следствие, устройства косвенно-испарительного охлаждения (кондиционера).