Патент на изобретение №2280817

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОСВЕННО-ИСПАРИТЕЛЬНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ВОЗДУХА

(57) Реферат:

Устройство предназначено для косвенно-испарительного охлаждения воздуха в помещениях жилого и производственного назначения. Устройство содержит корпус с поддоном и верхним резервуаром для жидкости, нагнетательный и отсасывающий вентиляторы, патрубки для подвода и отвода общего, основного и вспомогательного потоков, испарительную насадку, состоящую из попарно размещенных пластин из капиллярно-пористого материала, промежутки между которыми сообщены с верхним резервуаром, разделенных гофрированными водонепроницаемыми перегородками, образующими каналы общего и вспомогательного потоков воздуха, отсасывающий насос с блоком управления и систему увлажнения насадки от источника жидкости через соленоидный клапан, при этом для обеспечения равномерного смачивания пластины из капиллярно-пористого покрытия имеют переменный по высоте эквивалентный диаметр пор, определяемый по формуле: где d_экв – эквивалентный диаметр пор на текущей ординате z; – эквивалентный диаметр пор в начале истечения в каналы вспомогательного потока воздуха на верхнем уровне пластины; Н – высота испарительной части пластины; h – напор жидкости в верхнем резервуаре. Технический результат – снижение расхода жидкости. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к технике кондиционирования, вентиляции, охлаждения машин и аппаратов.

Преимущественная область использования – охлаждение воздуха в помещениях жилого и производственного назначения, в кабинах подвижных энергетических средств, температурная стабилизация радиотехнических и электронных систем и т.д.

Известна установка для косвенно-испарительного охлаждения воздуха, включающая корпус с поддоном и патрубками общего, основного и вспомогательного потоков воздуха и размещенные в нем каналы испарительной насадки и систему орошения в виде трубки с распыливающими отверстиями, в которую насосом из поддона перекачивается жидкость. Последняя пропитывает теплообменную набивку, через которую прокачивается вспомогательный поток воздуха [1].

Недостатком этого устройства является высокая неравномерность сопротивления теплообменной набивки, которая может или совсем заливаться водой или становиться почти сухой в зависимости от режима продувки. Кроме того, требуется система регулирования подачи воды в трубку орошения, не оговоренная в [1]. Неизбежен унос воды при барботаже на вспомогательном потоке.

Известно устройство для косвенно-испарительного охлаждения воздуха, содержащее корпус с поддоном, патрубки для подвода общего и отвода основного и вспомогательного потоков воздуха, пакеты последовательно установленных пластин из капиллярно-пористого и влагонепроницаемого материала, образующие двойные треугольного профиля «мокрые» каналы и «сухие» каналы квадратного сечения [2].

Недостатком такого устройства является применение нижнего способа орошения, который зависит от капиллярных свойств материала и подвержен заращиванию пор солями жесткости и механическими примесями.

Известно также взятое авторами за прототип устройство для косвенно-испарительного охлаждения воздуха, содержащее корпус с входным патрубком общего потока и выходными патрубками основного и вспомогательного потоков воздуха, в котором расположена теплообменная насадка, выполненная в виде чередующихся между собой вертикальных проточных каналов основного и вспомогательного потоков воздуха. Каналы основного потока воздуха выполнены из влагонепроницаемого материала, каналы вспомогательного потока – из капиллярно-пористого покрытия, а каждый канал основного потока воздуха расположен внутри капиллярно-пористого покрытия соседних каналов вспомогательного потока воздуха с образованием между ними замкнутых полостей, подключенных верхней частью к источнику жидкости. Капиллярно-пористое покрытие выполнено с переменным по высоте теплообменной насадки размером пор, эквивалентный диаметр которых определяется по формуле

где – эквивалентный диаметр пор у свободной поверхности жидкости;

– толщина капиллярно-пористого покрытия;

– плотность жидкости;

g – ускорение свободного падения тела;

Н – высота расположения капиллярно-пористого покрытия над нижней частью корпуса [3].

Технический результат данного изобретения выражается в снижении расхода жидкости и повышении равномерности смачивания капиллярно-пористого покрытия.

В соответствии с заявленной целью авторы изобретения [3] стремились обеспечить минимум расхода жидкости при равномерном распределении ее при истечении через поры вертикально расположенной капиллярно-пористой пластины постоянной по высоте толщины. Поскольку расход через фильтрующую пластину зависит от размера толщины пор и от гидростатического давления, авторы изобретения [3] и предложили закон распределения размеров пор в виде

По нашему мнению, приведенная в [3] формула (1) может быть существенно уточнена на основе ее недостатков и анализа процесса просачивания жидкости при использовании закона фильтрации Дарси и др. соображений.

1. Так как в формуле (1) «Н» – высота расположения капиллярно-пористого покрытия над нижней частью корпуса, а толщина «» предполагается одинаковой, то переменным аргументом в выражении (1) является только «Н», отсчитываемая снизу вверх. Отсюда следует, что чем меньше «Н», то есть в направлении вниз, тем больше член выражения , то есть эквивалентный диаметр пор к низу возрастает, что при большем гидростатическом давлении вызывает и больший расход жидкости. Это обстоятельство противоречит заявленному техническому результату изобретения.

2. Для Н=0 что ограничивает использование формулы (1)

3. Не соблюдено правило размерностей:

член имеет размерность, отличную от размерности длины, которую имеют d_экв и . Действительно:

Если формула (1) имеет чисто эмпирическое происхождение, то должна быть обязательно оговорена система измерения основных единиц физических величин, что не проводится в [3].

4. Равномерность смачивания капиллярно-пористого покрытия, как будет показано в дальнейшем, не зависит от толщины пластины «» (если только эта толщина одинакова по высоте) и от плотности жидкости «» (если жидкость однородна). В изобретении [3] о неравномерности и неоднородности жидкости никаких сведений не приведено.

Кроме того, имеет недостатки и конструктивное оформление заявленного устройства, заключающееся, например, в том, что применена прямоточная схема движения основного и вспомогательного потоков воздуха, в то время как общеизвестно преимущество противоточной схемы. Подача воды не связана с интенсивностью продувки, гидравлическая часть не имеет необходимых технических подробностей.

Таким образом, приведенная в [3] формула (1) требует уточнений, а сама конструкция – рациональных изменений, что и определяет задачу, на решение которой направлено заявляемое изобретение.

Эта задача сводится к обеспечению равномерности смачивания поверхности испарения, повышению эффективности охлаждения воздуха и применению системы регулирования расхода жидкости в соответствии с интенсивностью продувки.

Решение указанной задачи достигается тем, что:

1. Устанавливается закон изменения размеров пор, исходя из следующей гидравлической схемы (фиг.1):

– известно [4], с.291, что капиллярно-пористые тела, обладая проницаемостью, пропускают через себя некоторый объем жидкости в единицу времени j_w согласно закону Дарси:

где K_f – коэффициент проницаемости, м²;

А – площадь поперечного сечения образца, м²;

P/ – перепад давления на толщине образца, Па/м;

– динамическая вязкость жидкости, Па·с.

Удельный массовый расход фильтруемой жидкости на единицу площади применительно к показанной схеме из формулы (2) выражается:

поскольку гидравлический напор в точке с координатой z составляет Н+h-z.

Согласно [4], с.292, коэффициент проницаемости пропорционален, квадрату характерного среднего диаметра пор d_sm:

где D – дисперсия распределения размеров зерен (частиц),

П – пористость пластин;

k_o – безразмерный коэффициент проницаемости, зависящий от D и П.

В уравнении (4) по высоте Н k_o(D, П)=idem, поэтому по координате z K_f˜d² _sm или K_f˜d² _экв.

Полагая m=const по координате z и , можно написать:

После упрощений

обозначим z₂=z и z₁=H.

Тогда , или

где d_экв – эквивалентный диаметр пор на

текущей ординате z;

– эквивалентный диаметр пор в начале истечения в «мокрые» каналы (верхний уровень);

Н – высота испарительной части пластины;

h – напор жидкости в верхнем резервуаре.

Формула (5) и есть закон изменения d_экв по высоте, обеспечивающий одинаковую подачу жидкости, то есть полную равномерность смачивания.

2. Предлагается устройство, содержащее корпус с поддоном и верхним резервуаром для жидкости, нагнетательный и отсасывающий вентиляторы, патрубки для подвода и отвода общего, основного и вспомогательного потоков воздуха и испарительную насадку, состоящую из попарно размещенных пластин из капиллярно-пористого материала, промежутки между которыми сообщены с верхним резервуаром, разделенных гофрированными водонепроницаемыми перегородками, образующими каналы общего и вспомогательного потоков воздуха. Пластины из капиллярно-пористого покрытия для обеспечения равномерного смачивания имеют переменный по высоте эквивалентный диаметр пор, определяемый по формуле:

где d_экв – эквивалентный диаметр пор на текущей ординате z;

– эквивалентный диаметр пор в начале истечения в каналы вспомогательного потоков воздуха на верхнем уровне пластины;

Н – высота испарительной части пластины;

h – напор жидкости в верхнем резервуаре.

Устройство имеет отсасывающий насос для перекачки жидкости из поддона в верхний резервуар, электропривод которого снабжен датчиками нижнего и верхнего уровня и электронным блоком управления. В одном из каналов вспомогательного потоков воздуха размещен датчик скоростного напора воздуха, обеспечивающий соответствие скорости продувки и подачи жидкости через соленоидный клапан за счет регулирования высоты h жидкости в верхнем резервуаре с помощью фотоэлектронного блока отслеживания уровня, связанного электрически с соленоидным клапаном и блоком управления насоса (эта связь не показана).

Предлагаемое устройство поясняется чертежами, где на фиг.2 представлен схематический продольный разрез, на фиг.3 – схематический поперечный разрез с элементами управления подачей жидкости, на фиг.4 – фрагмент горизонтального схематического разреза; на фиг.5 – подробности завальцовки гофр на входе-выходе общего и вспомогательного потоков воздуха, на фиг.6 – фрагмент вертикального схематического разреза передней части насадки.

Устройство косвенно-испарительного охлаждения воздуха содержит (фиг.2.) корпус 1 с поддоном 2 и верхним резервуаром 3 для жидкости, нагнетательный 7 и отсасывающий 8 вентиляторы, патрубки 4, 5, 6 для подвода и отвода общего, вспомогательного и основного потоков воздуха. В корпусе размещена испарительная насадка (фиг.3.), состоящая из попарно распределенных пластин 15, выполненных из капиллярно-пористого материала, внутренние промежутки между которыми образуют каналы смачивания 17, сообщенные с поддоном и верхним резервуаром для жидкости.

Пары пластин 15 разделены гофрированными водонепроницаемыми перегородками 16, образующими каналы общего 19, вспомогательного 18 потоков воздуха. Пластины 15 из капиллярно-пористого материала для обеспечения равномерного смачивания имеют переменный по высоте эквивалентный диаметр пор, определяемый по формуле:

где d_экв – эквивалентный диаметр пор на текущей ординате z;

– эквивалентный диаметр пор в начале истечения в каналы вспомогательного потоков воздуха на верхнем уровне пластины;

H – высота испарительной части пластины;

h – напор жидкости в верхнем резервуаре.

Вода, просачиваемая в поддон, отсасывается насосом 11, управление которым осуществляется электронным блоком 10, имеющим датчики 9 верхнего и нижнего уровня жидкости в поддоне.

В одном из каналов 18 вспомогательного потока воздуха размещен датчик скоростного потока воздуха, сигнал которого отслеживается фотоэлектронным блоком 13, посылается на соленоидный клапан 14, присоединенный к источнику жидкости, чем обеспечивается соответствие скорости продувки и уровня h в верхнем резервуаре. С этой же целью пространство над поверхностью жидкости в верхнем резервуаре трубкой 22 соединено с нагнетающим патрубком 4. Блоки 13 и 10 электрически связаны (не показано) так, что переполнение верхнего резервуара и поддона исключается.

Каналы 18, отводящие вверх вспомогательный поток, прошедший насадку, выполняются завальцовкой гофр так, как показано на фиг.5 и 6. Каналы 18 с торцов со стороны нагнетающего вентилятора заглушены вставками 20 (фиг.4). Герметизация каналов смачивания 17 с торцевых поверхностей обеспечивается вставками 21.

Устройство работает следующим образом.

Общий поток охлаждаемого воздуха через патрубок 4 нагнетается вентилятором 7 и прокачивается по «сухим» каналам через испарительную насадку до патрубка 6, где от него под действием вентилятора 8 отделяется некоторая часть, составляющая вспомогательный поток, прокачиваемый по «мокрым» каналам в обратном направлении. Вода под действием гидростатического давления просачивается через пластины 15 и равномерно смачивает их со стороны «мокрых» каналов 18, при испарении в которых в процессе теплопередачи охлаждается весь подаваемый воздух. Из поддона вода отсасывается насосом 11 в верхний резервуар, пополняемый от источника жидкости через соленоидный клапан 14. Датчик скоростного напора в «мокрых» каналах с помощью фотоэлектронного блока 13 обеспечивает необходимый уровень жидкости в резервуаре. Дополнительный напор жидкости обеспечивается напором вентилятора 7 с помощью трубки 22. Управление насосом 11 осуществляется блоком 10, имеющим связь с блоком 13, исключающую переполнение поддона и верхнего резервуара.

Источники информации

1. Авторское свидетельство №1113641, кл. F 24 F 3/14; F 28 С 3/06.

2. Патент на изобретение №2150639, 7 F 24 F 3/14.

3. Авторское свидетельство №1710950, кл. F 24 F 3/14.

4. Лыков А.В., Тепломассообмен: (Справочник). 2-е издание, – М.: Энергия, 1978. – 480 с., ил.

Формула изобретения

1. Устройство косвенно-испарительного охлаждения воздуха, содержащее корпус с поддоном и верхним резервуаром для жидкости, нагнетательный и отсасывающий вентиляторы, патрубки для подвода и отвода общего, основного и вспомогательного потоков, испарительную насадку, состоящую из попарно размещенных пластин из капиллярно-пористого материала, промежутки между которыми сообщены с верхним резервуаром, разделенных гофрированными водонепроницаемыми перегородками, образующими каналы общего и вспомогательного потоков воздуха, отсасывающий насос с блоком управления и систему увлажнения насадки от источника жидкости через соленоидный клапан, отличающееся тем, что для обеспечения равномерного смачивания пластины из капиллярно-пористого покрытия имеют переменный по высоте эквивалентный диаметр пор, определяемый по формуле

где d_экв – эквивалентный диаметр пор на текущей ординате z;

– эквивалентный диаметр пор в начале истечения в каналы вспомогательного потока воздуха на верхнем уровне пластины;

Н – высота испарительной части пластины;

h – напор жидкости в верхнем резервуаре.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в каналах вспомогательного потока воздуха размещен датчик скоростного напора воздуха, обеспечивающий соответствие скорости продувки и подачи жидкости за счет регулирования высоты h жидкости в верхнем резервуаре.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что для обеспечения дополнительного подпора жидкости за счет давления нагнетательного вентилятора пространство над поверхностью жидкости верхнего резервуара сообщено с нагнетающим патрубком.

РИСУНКИ

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 23.03.2007

Извещение опубликовано: 10.07.2008 БИ: 19/2008