вентилятор-теплообменник (варианты)

Классы МПК:F04D17/04 с поперечным потоком 
F28D11/02 с вращательным движением, например с вращающимся барабаном или цилиндром
Автор(ы):, , , ,
Патентообладатель(и):Общество с ограниченной ответственностью "Технобум" (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
1999-09-02
публикация патента:

Изобретение предназначено для систем вентиляции и кондиционирования воздуха, в которых теплоносители не смешиваются друг с другом. По первому варианту устройство содержит корпус и установленное в нем двустороннее рабочее колесо в виде разделительного диска, на одной стороне которого выполнены лопатки центробежного вентилятора, а на другой - центростремительного, что обеспечивает противоточный теплообмен, происходящий через лопатки и диск. Конструкция допускает изготовление лопаток заданной кривизны, в частности, такой, которая обеспечивает постоянную ширину межлопаточного канала, а также увеличения как числа лопаток, так и "густоты решетки рабочего колеса", что существенно повышает эффективность теплообмена. По второму варианту рабочее колесо выполнено в виде разделительного диска, на одной стороне которого выполнены лопатки центробежного вентилятора, а на другой - лопатки центростремительной турбины, что дополнительно позволяет организовать двухступенчатую схему теплообмена. При этом обе ступени установлены соосно и навстречу друг другу передними дисками турбин, а нагнетательные патрубки центробежных вентиляторов одной ступени выполнены сообщающимися с входными патрубками турбин другой ступени. В этом случае центробежный вентилятор одной ступени нагнетает поток одного из теплоносителей в турбину другой ступени. В обратном направлении осуществляется перенос другого теплоносителя. Габариты и вес устройства можно уменьшить за счет выполнения передних дисков турбин обеих ступеней в виде одного диска. 2 с. и 21 з.п.ф-лы, 8 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8

Формула изобретения

1. Вентилятор-теплообменник, содержащий корпус и установленное в корпусе двустороннее рабочее колесо, на одной стороне которого выполнены лопатки центробежного вентилятора, при этом корпус разделен на две изолированные полости, которые вместе с рабочим колесом образуют две изолированные секции, одна из которых является центробежным вентилятором, отличающийся тем, что рабочее колесо выполнено в виде разделительного диска, причем упомянутые лопатки центробежного вентилятора выполнены на одной стороне разделительного диска, а на его другой стороне выполнены лопатки центростремительного вентилятора, что в совокупности образует упомянутое двустороннее рабочее колесо, одна сторона которого является рабочим колесом упомянутого центробежного вентилятора, а другая - центростремительного вентилятора.

2. Вентилятор-теплообменник по п.1, отличающийся тем, что лопатки центробежного вентилятора и/или центростремительного вентилятора выполнены загнутыми назад.

3. Вентилятор-теплообменник по п.2, отличающийся тем, что отношение длины лопаток центробежного вентилятора и/или лопаток центростремительного вентилятора к расстоянию между упомянутыми лопатками на среднем радиусе не менее 10.

4. Вентилятор-теплообменник по п.2, отличающийся тем, что между лопатками центробежного вентилятора и/или лопатками центростремительного вентилятора по периферии разделительного диска выполнены промежуточные лопатки.

5. Вентилятор-теплообменник по п.2, отличающийся тем, что лопатки центробежного вентилятора и/или лопатки центростремительного вентилятора выполнены с постоянной шириной межлопаточного канала.

6. Вентилятор-теплообменник по п.1, отличающийся тем, что рабочее колесо центростремительного вентилятора имеет скрепленный с лопатками сплошной передний диск, а разделительный диск имеет осевое отверстие, вокруг которого выполнен выходной патрубок центростремительного вентилятора, сообщающийся с межлопаточным пространством рабочего колеса центростремительного вентилятора, при этом упомянутый выходной патрубок центростремительного вентилятора размещен внутри всасывающего патрубка центробежного вентилятора.

7. Вентилятор-теплообменник по п.1, отличающийся тем, что рабочее колесо центробежного вентилятора содержит скрепленный с лопатками передний диск, имеющий осевое отверстие для прохода всасываемого теплоносителя в межлопаточное пространство центробежного вентилятора.

8. Вентилятор-теплообменник по п.7, отличающийся тем, что вокруг осевого отверстия переднего диска рабочего колеса центробежного вентилятора выполнен входной патрубок, сообщающийся с межлопаточным пространством рабочего колеса центробежного вентилятора, при этом упомянутый входной патрубок размещен во всасывающем патрубке центробежного вентилятора с минимально допустимым зазором.

9. Вентилятор-теплообменник по п.8, отличающийся тем, что рабочее колесо центростремительного вентилятора имеет скрепленный с лопатками сплошной передний диск, а разделительный диск имеет скрепленный с лопатками сплошной передний диск, а разделительный диск имеет осевое отверстие, вокруг которого выполнен выходной патрубок центростремительного вентилятора, сообщающийся с межлопаточным пространством рабочего колеса центростремительного вентилятора, при этом упомянутый выходной патрубок центростремительного вентилятора размещен внутри входного патрубка центробежного вентилятора.

10. Вентилятор-теплообменник, содержащий корпус и установленное в корпусе двустороннее рабочее колесо, на одной стороне которого выполнены лопатки центробежного вентилятора, при этом корпус разделен на две изолированные полости, которые вместе с рабочим колесом образуют две изолированные секции, одна из которых является центробежным вентилятором, отличающийся тем, что рабочее колесо выполнено в виде разделительного диска, причем упомянутые лопатки центробежного вентилятора выполнены на одной стороне разделительного диска, а на его другой стороне выполнены турбинные лопатки, что в совокупности образует рабочее колесо, одна сторона которого является рабочим колесом упомянутого центробежного вентилятора, а другая - центростремительной турбины.

11. Вентилятор-теплообменник по п.10, отличающийся тем, что дополнительно во входном патрубке турбины установлен нагнетатель.

12. Вентилятор-теплообменник по п.11, отличающийся тем, что входной патрубок турбины имеет форму кольцевого отверстия, соосного рабочему колесу, а нагнетатель выполнен в виде осевого вентилятора, лопатки которого перекрывают упомянутое кольцевое отверстие входного патрубка турбины.

13. Вентилятор-теплообменник по п.11, отличающийся тем, что входной патрубок турбины выполнен в виде отверстия в ее периферийной части, а нагнетатель выполнен в виде центробежного вентилятора, установленного в этом отверстии.

14. Вентилятор-теплообменник по п.10, отличающийся тем, что лопатка центробежного вентилятора и/или турбины выполнены загнутыми назад.

15. Вентилятор-теплообменник по п.14, отличающийся тем, что отношение длины лопаток центробежного вентилятора и/или лопаток турбины к расстоянию между упомянутыми лопатками на среднем радиусе не менее 10.

16. Вентилятор-теплообменник по п.14, отличающийся тем, что между лопатками центробежного вентилятора и/или лопатками турбины по периферии разделительного диска выполнены промежуточные лопатки.

17. Вентилятор-теплообменник по п.14, отличающийся тем, что лопатки центробежного вентилятора и/или лопатки турбины выполнены с постоянной шириной межлопаточного канала.

18. Вентилятор-теплообменник по п.10, отличающийся тем, что рабочее колесо турбины имеет скрепленный с лопатками сплошной передний диск, а разделительный диск имеет скрепленный сплошной передний диск, а разделительный диск имеет осевое отверстие, вокруг которого выполнен выходной патрубок турбины, сообщающийся с межлопаточным пространством рабочего колеса турбины, при этом упомянутый выходной патрубок турбины размещен внутри всасывающего патрубка центробежного вентилятора.

19. Вентилятор-теплообменник по п.10, отличающийся тем, что рабочее колесо центробежного вентилятора содержит скрепленный с лопатками передний диск, имеющий осевое отверстие для прохода всасываемого теплоносителя в межлопаточное пространство центробежного вентилятора.

20. Вентилятор-теплообменник по п.19, отличающийся тем, что вокруг осевого отверстия переднего диска рабочего колеса центробежного вентилятора выполнен входной патрубок, сообщающийся с межлопаточным пространством рабочего колеса центробежного вентилятора, при этом упомянутый входной патрубок размещен во всасывающем патрубке центробежного вентилятора с минимально допустимым зазором.

21. Вентилятор-теплообменник по п.20, отличающийся тем, что рабочее колесо турбины имеет скрепленный с лопатками сплошной передний диск, а разделительный диск имеет осевое отверстие, вокруг которого выполнен выходной патрубок турбины, сообщающийся с межлопаточным пространством рабочего колеса турбины, при этом упомянутый выходной патрубок турбины размещен внутри входного патрубка центробежного вентилятора.

22. Вентилятор-теплообменник по п.18 или 21, отличающийся тем, что является первой ступенью и дополнительно содержит вторую ступень, идентичную первой, при этом обе ступени установлены соосно и навстречу друг другу передними дисками турбин, а нагнетательные патрубки центробежных вентиляторов одной ступени выполнены сообщающимися с входными патрубками турбин другой ступени, при этом всасывающий патрубок первой ступени и выходной патрубок второй ступени являются соответственно входом и выходом для одного теплоносителя, а всасывающий патрубок второй ступени и выходной патрубок первой ступени являются соответственно входом и выходом для другого теплоносителя.

23. Вентилятор-теплообменник по п.22, отличающийся тем, что передние диски турбин обеих ступеней выполнены заодно целое.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к теплообменным аппаратам, в которых теплоносители не смешиваются друг с другом, и может быть использовано, например, в системах вентиляции и кондиционирования воздуха для теплообмена между заборным и вытяжным воздушными потоками.

Известен вентилятор-теплообменник [1], содержащий корпус и установленные в корпусе на одном валу два центробежных вентилятора, ориентированные в противоположных направлениях друг другу. В корпусе сформировано два канала для теплоносителей (воздушных потоков) с различной температурой, разделенные теплообменным элементом, выполненным в виде гофрированной радиальной перегородки, установленной за кромкой рабочих колес вентиляторов и имеющей диск, разделяющий вентиляторы. При вращении вентиляторов теплоносители через соответствующие всасывающие патрубки поступают в межлопаточное пространство вентиляторов и далее, омывая с обеих сторон гофрированную радиальную перегородку теплообменного элемента, выводятся из корпуса через соответствующие нагнетательные патрубки. Теплообмен осуществляется через гофрированную перегородку во время смывания теплоносителями ее граней. К недостаткам данной конструкции следует отнести большие радиальные габариты.

Известен также вентилятор-теплообменник [2], содержащий корпус и установленные в корпусе на одном валу два центробежных вентилятора, ориентированных в противоположных направлениях друг другу. В корпусе сформировано два канала для теплоносителей с различной температурой, разделенные стенкой, разделяющей также оба вентилятора. Теплообменный элемент выполнен в виде радиальных ребер, установленных на обеих поверхностях перегородки за кромкой рабочих колес вентиляторов. При вращении вентиляторов теплоносители через соответствующие всасывающие патрубки поступают в межлопаточное пространство вентиляторов и далее, омывая с обеих сторон радиальные ребра теплообменного элемента, выводятся из корпуса через соответствующие нагнетательные патрубки. Теплообмен осуществляется через радиальные ребра и собственно перегородку. К недостаткам данной конструкции также следует отнести большие радиальные габариты.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является вентилятор-теплообменник [3] , содержащий корпус и установленное в корпусе рабочее колесо двустороннего центробежного вентилятора, выполненного в виде радиально гофрированного диска с внешним ободом, при этом грани гофры выполняют функцию радиальных лопаток. В корпусе имеется перегородка, примыкающая к внешнему ободу рабочего колеса и разделяющая корпус на две изолированных полости (канала) для теплоносителей с различной температурой. Благодаря указанной перегородке в корпусе образуются два изолированных центробежных вентилятора с единым двусторонним рабочим колесом. При вращении рабочего колеса теплоносители через соответствующие всасывающие патрубки в корпусе поступают в межлопаточное пространство вентиляторов и далее выводятся из корпуса через соответствующие нагнетательные патрубки. Теплообмен в таком устройстве осуществляется через радиальные грани гофрированного рабочего колеса.

В известном вентиляторе-теплообменнике рабочее колесо, являющееся одновременно теплообменной поверхностью, образовано радиально гофрированной поверхностью. Такое исполнение рабочего колеса приводит к низкой его эффективности как элемента центробежного вентилятора и как теплообменника.

Первое объясняется тем, что функцию лопаток выполняет радиально гофрированная поверхность. В этом случае воздушный поток на выходе из рабочего колеса вентилятора имеет избыточное давление, превышающее давление, необходимое для преодоления полного гидравлического сопротивления вентилятора. Это требует увеличения подводимой мощности. Для устранения этой особенности, характерной для центробежных вентиляторов с радиальными лопатками, необходимы лопатки иного профиля, а именно - загнутые назад лопатки. Очевидно, что изготовление гофрированного диска с загнутыми лопатками представляет собой достаточно сложную технологическую задачу. Кривизна таких гофр будет определяться допустимой пластической деформацией материала, из которого изготавливается рабочее колесо. При этом такие свойства материала входят в противоречие с требуемой жесткостью рабочего колеса, на которое во время работы действуют значительные центробежные силы. Данное противоречие приводит к тому, что изготовить гофрированный диск с большой кривизной лопаток не удается. Следовательно, не удается для такой конструкции устранить избыточное давление и уменьшить подводимую мощность.

Низкая эффективность теплообмена известного устройства объясняется следующим. На эффективность теплообмена в определенной степени влияет как площадь поверхности теплообмена, так и скорость омывания этой поверхности. В случае с радиальными лопатками, во-первых, площадь теплообмена будет минимальной, так как радиальные лопатки имеют минимальную длину, а во-вторых, скорость омывания будет уменьшаться по мере приближения к периферии рабочего колеса, что обусловлено, с учетом сплошности воздушного потока, увеличением площади сечения межлопаточного пространства к периферии. Другим фактором низкой эффективности теплообмена является реализованная в устройстве прямоточная схема, когда оба теплоносителя имеют однонаправленное движение: в известном устройстве оба теплоносителя движутся от центра к периферии рабочего колеса. В то же время известно, что большей эффективности теплообмена можно добиться, если использовать противоточную схему, когда теплоносители имеют встречное направление движения [4]. В отношении известного устройства это означает, что одна из сторон рабочего колеса должна работать как центростремительная. Однако с радиальными лопатками добиться этого невозможно, а изготовление гофрированного диска с загнутыми лопатками, как уже отмечалось, представляет собой достаточно сложную технологическую задачу, а с учетом того что форма лопаток на обеих сторонах рабочего колеса будет различаться, сделать рабочее колесо в виде гофрированного диска не удается.

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение эффективности теплообмена и снижение потребляемой мощности. Заявляется два варианта решения поставленной задачи.

Сущность заявляемого изобретения по первому варианту заключается в том, что в известном вентиляторе-теплообменнике, содержащем корпус и установленное в корпусе двустороннее рабочее колесо, на одной стороне которого выполнены лопатки центробежного вентилятора, при этом корпус разделен на две изолированные полости, которые вместе с рабочим колесом образуют две изолированные секции, одна из которых является центробежным вентилятором, согласно изобретению рабочее колесо выполнено в виде разделительного диска, причем упомянутые лопатки центробежного вентилятора выполнены на одной стороне разделительного диска, а на его другой стороне выполнены лопатки центростремительного вентилятора, что в совокупности образует упомянутое двустороннее рабочее колесо, одна сторона которого является рабочим колесом упомянутого центробежного вентилятора, а другая центростремительного вентилятора.

Замена гофрированного диска рабочего колеса сплошным диском, на обеих сторонах которого выполнены лопатки, позволяет изготавливать последние любой заданной формы, так как такая конструкция уже не связана с технологией изготовления гофрированной поверхности. В частности, на одной стороне рабочего колеса выполняются центростремительные лопатки, что обеспечивает его работу как центростремительного вентилятора. В этом случае организуется наиболее эффективная схема противоточного теплообмена. Изменяя кривизну лопаток, можно менять площадь нормального к лопаткам сечения межлопаточного пространства, добиваясь постоянной скорости омывания воздушным потоком поверхности лопаток. Указанное выполнение лопаток в отличие от известного позволяет существенно увеличить как число лопаток, так и "густоту решетки рабочего колеса", то есть отношение длины лопатки к расстоянию между лопатками на среднем радиусе, что существенно увеличивает эффективность теплообмена. Несмотря на то что в заявляемом вентиляторе теплообмен между двумя теплоносителями осуществляется дополнительно через введенный разделительный диск, противоточная схема теплообмена и возможности модификации лопаток рабочего колеса, обусловленные новым конструктивным исполнением последнего, не только компенсируют снижение эффективности теплообмена, связанное с дополнительно введенным разделительным диском, но увеличивают в целом этот параметр устройства.

Для снижения избыточного давления на выходе центробежного вентилятора и входе центростремительного вентилятора лопатки следует выполнить загнутыми назад.

Для увеличения площади теплообмена в заявляемом устройстве лопатки вентиляторов целесообразно изготавливать с отношением их длины к расстоянию между лопатками на среднем радиусе не менее 10.

Дополнительно, для увеличения площади теплообмена между лопатками вентиляторов по периферии разделительного диска могут быть выполнены промежуточные лопатки.

Дополнительно, лопатки вентиляторов могут быть выполнены с постоянной шириной межлопаточного канала, что обеспечивает равномерную скорость движения теплоносителя в межлопаточном канале и, соответственно, повышает эффективность теплообмена.

Дополнительно, рабочее колесо центростремительного вентилятора может иметь скрепленный с лопатками сплошной передний диск, а разделительный диск - осевое отверстие, вокруг которого выполнен выходной патрубок центростремительного вентилятора, сообщающийся с межлопаточным пространством рабочего колеса центростремительного вентилятора. При этом упомянутый выходной патрубок центростремительного вентилятора размещается внутри всасывающего патрубка центробежного вентилятора. Такая компоновка обеспечивает прохождение теплоносителей с одной на противоположную сторону устройства, что упрощает его монтаж, например, в системах вентиляции и кондиционирования воздуха, поскольку соответствует направлению приточного (или вытяжного) воздушного потока.

Дополнительно, рабочее колесо центробежного вентилятора может содержать скрепленный с лопатками передний диск, имеющий осевое отверстие для прохода всасываемого теплоносителя в межлопаточное пространство центробежного вентилятора. Передний диск закрывает межлопаточное пространство, снижая тем самым вентиляторные потери и увеличивая эффективность теплообмена.

Кроме того, для снижения потерь на входе вокруг осевого отверстия переднего диска рабочего колеса центробежного вентилятора может быть выполнен входной патрубок, сообщающийся с межлопаточным пространством рабочего колеса центробежного вентилятора, при этом упомянутый входной патрубок размещается во всасывающем патрубке центробежного вентилятора с минимально допустимым зазором. В этом случае также рабочее колесо центростремительного вентилятора может иметь скрепленный с лопатками сплошной передний диск, а разделительный диск - осевое отверстие, вокруг которого выполнен выходной патрубок центростремительного вентилятора, сообщающийся с межлопаточным пространством рабочего колеса центростремительного вентилятора, при этом упомянутый выходной патрубок центростремительного вентилятора размещается внутри входного патрубка центробежного вентилятора. Как было показано выше, такая компоновка обеспечивает прохождение теплоносителей с одной на противоположную сторону устройства.

Сущность заявляемого изобретения по второму варианту заключается в том, что в известном вентиляторе-теплообменнике, содержащем корпус и установленное в корпусе двустороннее рабочее колесо, на одной стороне которого выполнены лопатки центробежного вентилятора, при этом корпус разделен на две изолированные полости, которые вместе с рабочим колесом образуют две изолированные секции, одна из которых является центробежным вентилятором, согласно изобретению рабочее колесо выполнено в виде разделительного диска, причем упомянутые лопатки центробежного вентилятора выполнены на одной стороне разделительного диска, а на его другой стороне выполнены турбинные лопатки, что в совокупности образует рабочее колесо, одна сторона которого является рабочим колесом упомянутого центробежного вентилятора, а другая - центростремительной турбины.

Так же, как и в первом варианте, замена гофрированного диска рабочего колеса на сплошной диск, на обеих сторонах которого выполнены лопатки, позволяет изготавливать последние любой заданной формы, так как такая конструкция уже не связана с технологией изготовления гофрированной поверхности. На одной стороне рабочего колеса выполняются центробежные лопатки, что обеспечивает его работу как центробежного вентилятора, а на другой - лопатки центростремительной турбины. В этом случае организуется наиболее эффективная схема противоточного теплообмена. Как и в первом варианте, изменяя кривизну лопаток, можно менять площадь нормального к лопаткам сечения межлопаточного пространства, добиваясь постоянной скорости омывания воздушным потоком поверхности лопаток, а также существенно увеличивать как число лопаток, так и "густоту решетки рабочего колеса".

Кроме того, выполнение на одной стороне рабочего колеса турбинных лопаток позволяет использовать заявляемое устройство в системах с внешним нагнетателем, при этом дополнительно можно уменьшить потребляемую мощность за счет того, что поступающий под давлением через входной патрубок турбины теплоноситель начинает вращать рабочее колесо. При определенном давлении этого может быть достаточно, чтобы обеспечить вращение рабочего колеса без дополнительного привода.

Для повышения производительности устройства во входном патрубке турбины дополнительно может быть установлен нагнетатель. При этом в одном из частных случаев выполнения входной патрубок турбины имеет форму кольцевого отверстия, соосного рабочему колесу, а нагнетатель выполнен в виде осевого вентилятора, лопатки которого перекрывают упомянутое кольцевое отверстие входного патрубка турбины. В другом случае входной патрубок турбины выполнен в виде отверстия в ее периферийной части, а нагнетатель выполнен в виде центробежного вентилятора, установленного в этом отверстии.

Так же, как и в первом варианте, для снижения избыточного давления на выходе центробежного вентилятора и входе турбины, соответствующие лопатки выполняются загнутыми назад.

Так же, как и в первом варианте, для увеличения площади теплообмена лопатки центробежного вентилятора и/или центростремительной турбины изготавливаются в отношении их длины к межлопаточному расстоянию на среднем радиусе не менее 10.

Так же, как и в первом варианте, для увеличения площади теплообмена между лопатками центробежного вентилятора и/или лопатками турбины по периферии разделительного диска выполняются промежуточные лопатки.

Так же, как и в первом варианте, лопатки центробежного вентилятора и/или лопатки турбины могут быть выполнены с постоянной шириной межлопаточного канала, что обеспечивает равномерную скорость движения теплоносителя в межлопаточном канале и, соответственно, повышает эффективность теплообмена.

Так же, как и в первом варианте, возможна компоновка, обеспечивающая прохождение теплоносителей с одной на противоположную сторону устройства. Для этого рабочее колесо турбины имеет скрепленный с лопатками сплошной передний диск, а разделительный диск имеет осевое отверстие, вокруг которого выполнен выходной патрубок турбины, сообщающийся с межлопаточным пространством рабочего колеса турбины, при этом упомянутый выходной патрубок турбины размещен внутри всасывающего патрубка центробежного вентилятора.

Так же, как и в первом варианте, для снижения вентиляторных потерь и увеличения эффективности теплообмена рабочее колесо центробежного вентилятора может содержать скрепленный с лопатками передний диск, имеющий осевое отверстие для прохода всасываемого теплоносителя в межлопаточное пространство центробежного вентилятора.

Как и в первом варианте, для снижения потерь на входе, вокруг осевого отверстия переднего диска рабочего колеса центробежного вентилятора может быть выполнен входной патрубок, сообщающийся с межлопаточным пространством рабочего колеса центробежного вентилятора, при этом упомянутый входной патрубок размещается во всасывающем патрубке центробежного вентилятора с минимально допустимым зазором. В этом случае также рабочее колесо турбины может иметь скрепленный с лопатками сплошной передний диск, а разделительный диск - осевое отверстие, вокруг которого выполнен выходной патрубок турбины, сообщающийся с межлопаточным пространством рабочего колеса турбины, при этом упомянутый выходной патрубок турбины размещается внутри входного патрубка центробежного вентилятора.

Наличие центростремительной турбины позволяет в последнем случае компоновки всасывающего и нагнетательного патрубков центробежного вентилятора, а также входного и выходного патрубков турбины организовать двухступенчатую схему теплообмена. В этом случае описанное устройство является первой ступенью и дополнено второй идентичной ступенью, при этом обе ступени установлены соосно и навстречу друг другу передними дисками турбин, а нагнетательные патрубки центробежных вентиляторов одной ступени выполнены сообщающимися с входными патрубками турбин другой ступени. При этом всасывающий патрубок первой ступени и выходной патрубок второй ступени являются соответственно входом и выходом для одного теплоносителя, а всасывающий патрубок второй ступени и выходной патрубок первой ступени являются соответственно входом и выходом для другого теплоносителя. При указанном соединении двух идентичных устройств центробежный вентилятор одного из них (одной ступени) нагнетает поток одного из теплоносителей в турбину другого устройства. В обратном направлении осуществляется перенос другого теплоносителя. Теплообмен между теплоносителями происходит указанным выше образом - по схеме противотока.

Последний частный случай выполнения заявляемого изобретения по второму варианту, с одной стороны, позволяет существенно увеличить теплообмен, поскольку теплоносители проходят две теплообменные ступени, а с другой стороны, позволяет оптимизировать габариты двухступенчатого устройства, поскольку в этом случае рабочие колеса могут быть установлены на одном валу, а для вращения турбин не требуется дополнительных нагнетателей. Дополнительно можно уменьшить габариты и вес устройства за счет выполнения передних дисков турбин обеих ступеней как одно целое, то есть в виде одного диска.

Сущность заявляемого изобретения поясняется графическими материалами, на которых изображено:

фиг. 1 - вентилятор-теплообменник по первому варианту с односторонним расположением всасывающих и нагнетательных патрубков как центробежного, так и центростремительного вентиляторов;

фиг. 2 - вентилятор-теплообменник по первому варианту с противоположным расположением всасывающих и нагнетательных патрубков как центробежного, так и центростремительного вентиляторов;

фиг. 3 - пример выполнения лопаток рабочего колеса с постоянной шириной межлопаточного канала;

фиг. 4 - иллюстрация к соотношениям для расчета профиля лопаток с постоянной шириной межлопаточного канала;

фиг. 5 - вентилятор-теплообменник по второму варианту с осевым вентилятором в качестве нагнетателя во входном патрубке турбины;

фиг.6 - вентилятор-теплообменник по второму варианту с центробежным вентилятором в качестве нагнетателя во входном патрубке турбины;

фиг. 7 - двухступенчатый вентилятор-теплообменник по второму варианту с раздельными рабочими колесами;

фиг. 8 - двухступенчатый вентилятор-теплообменник по второму варианту с общим передним диском для турбин обеих ступеней.

Заявляемый вентилятор-теплообменник по первому варианту (фиг.1 и 2) состоит из корпуса 1, разделенного перегородкой 2 на две полости, образующие секцию 3 центробежного вентилятора и секцию 4 центростремительного вентилятора. Корпус 1 имеет всасывающий 5 и нагнетательный 6 патрубки центробежного вентилятора, а также входной 7 и выходной 8 патрубки центростремительного вентилятора для прохода теплоносителей с разной температурой, направления движения которых показаны стрелками. В корпусе 1 на валу 9 установлено рабочее колесо, состоящее из разделительного диска 10 с нормально закрепленными на обеих его сторонах лопатками 11 центробежного вентилятора и лопатками 12 центростремительного вентилятора, выполненными загнутыми назад (относительно направления вращения). В периферийной части лопатки 12 центростремительного вентилятора развернуты поперек направления вращения и образуют нагнетательные лопасти 13, обеспечивающие всасывание теплоносителя через входной патрубок 7 центростремительного вентилятора. Как центробежный, так и центростремительный вентиляторы для увеличения площади теплообмена дополнительно могут иметь промежуточные лопатки, установленные в периферийной части разделительного диска 10 между лопатками 11 и 12 соответственно. На фиг.1 в качестве примера показаны промежуточные лопатки 14 для центробежного вентилятора. Своей центральной частью перегородка 2 примыкает к внешней кромке диска 10 через уплотнительный элемент 15, выполненный, например, из резины или фетра, благодаря которому секция 3 центробежного вентилятора и секция 4 центростремительного вентилятора изолированы друг от друга.

На фиг. 1 показан пример выполнения вентилятора-теплообменника с односторонним расположением как патрубков 5 и 6 центробежного вентилятора, так и патрубков 7 и 8 центростремительного вентилятора, а на фиг.2 - пример выполнения вентилятора-теплообменника с расположением указанных патрубков по разные стороны устройства. В последнем случае нагнетательный патрубок 6 центробежного вентилятора развернут в осевом направлении в противоположную от всасывающего патрубка 5 сторону. Также устройство содержит (см. фиг.2) скрепленный с лопатками 11 центробежного вентилятора передний диск 16, имеющий отверстие 17 для прохода всасываемого теплоносителя в межлопаточное пространство центробежного вентилятора. Вокруг отверстия 17 переднего диска 16 выполнен входной патрубок 18, сообщающийся с межлопаточным пространством центробежного вентилятора и размещенный во всасывающем патрубке 5 с минимальным зазором. К лопаткам 12 центростремительного вентилятора прикреплен сплошной передний диск 19, а разделительный диск 10 имеет осевое отверстие 20, вокруг которого выполнен выходной патрубок 21 центростремительного вентилятора, сообщающийся с межлопаточным пространством этого вентилятора, а сам патрубок 21 размещен внутри входного патрубка 18 центробежного вентилятора. Благодаря указанным конструктивным особенностям устройства, представленного на фиг.2, выходные потоки теплоносителей разнесены на противоположные стороны вентилятора-теплообменника относительно соответствующих входных потоков.

Пример выполнения лопаток 11 центробежного вентилятора с постоянной шириной межлопаточного канала представлен на фиг.3. На фиг.4 показаны две соседние лопатки (дуга АВ и дуга CD) и соответствующие геометрические построения для расчета указанного профиля лопаток. Для произвольной точки Е дуги АВ, лежащей на расстоянии r от центра О рабочего колеса, и соответствующей ей точки F дуги CD, расстояние между которыми t(r) есть ширина межлопаточного канала, определяется точка G дуги CD, лежащая также на расстоянии r от центра О рабочего колеса. Расстояние а(r) между точками Е и G для большого числа лопаток Z приблизительно равно длине дуги EG, или a(r)вентилятор-теплообменник (варианты), патент № 22249142вентилятор-теплообменник (варианты), патент № 2224914r/Z. При этих же условиях значение величины t(r) можно определить как t(r)вентилятор-теплообменник (варианты), патент № 2224914a(r)вентилятор-теплообменник (варианты), патент № 2224914sinвентилятор-теплообменник (варианты), патент № 2224914(r). Используя численные методы, можно для t(r)=Т, где Т=const, рассчитать значения угла вентилятор-теплообменник (варианты), патент № 2224914(r), определив тем самым профиль лопатки. В частности, на фиг.3 и 4 представлен пример с числом лопаток Z=22 и соотношением минимального расстояния r0 лопатки от центра О (точка А) и максимального rк (точка В): r0= 0,4rк. Для данного случая определены значения вентилятор-теплообменник (варианты), патент № 2224914(r), которые лежат в пределах: вентилятор-теплообменник (варианты), патент № 2224914(r0)=34,22o и вентилятор-теплообменник (варианты), патент № 2224914(rк)=13,0o. Одним из способов выполнения лопаток указанного профиля может быть фрезерование диска, исходная толщина которого определяется требуемой глубиной межлопаточного канала. В этом случае используется фреза диаметром Т, а программное управление фрезерным станком использует рассчитанные значения вентилятор-теплообменник (варианты), патент № 2224914(r).

Заявляемое устройство по первому варианту (см. фиг.1) работает следующим образом. При вращении вала 9 с закрепленным на нем двусторонним рабочим колесом воздушные потоки (теплоносители), имеющие разные температуры, с обеих сторон поступают через патрубки 5 и 7 и попадают в пространство между лопатками 11 и 12 соответственно. В центробежном вентиляторе воздушный поток перетекает по межлопаточному пространству к периферии рабочего колеса, поступает в улиткообразную полость центробежной секции 3 и далее через нагнетательный патрубок 6 выводится из корпуса 1. В центростремительном вентиляторе другой воздушный поток перетекает по межлопаточному пространству к центру рабочего колеса и выводится из корпуса 1 через выходной патрубок 8. По мере прохождения воздушных потоков через рабочее колесо между ними происходит процесс противоточного теплообмена через лопатки 11, 12 и разделительный диск 10. В конструкции, представленной на фиг.1, в процессе теплообмена участвуют также промежуточные лопатки 14.

В устройстве, представленном на фиг.2, процесс теплообмена происходит таким же образом. Данное устройство отличается от устройства, представленного на фиг.1, только прохождением воздушных потоков после рабочего колеса. Воздушный поток после центробежного вентилятора выходит через нагнетательный патрубок 6, развернутый в осевом направлении в противоположную сторону относительно всасывающего патрубка 5, а воздушный поток после центростремительного вентилятора выходит через отверстие 20 разделительного диска 10, попадает в выходной патрубок 21 центростремительного вентилятора, ориентированный в осевом направлении в противоположную сторону относительно входного патрубка 7 этого вентилятора.

Заявляемый одноступенчатый вентилятор-теплообменник по второму варианту (фиг. 5) состоит из корпуса 1, разделенного перегородкой 2 на две полости, образующие секцию 3 центробежного вентилятора и секцию 22 турбины. Корпус 1 имеет всасывающий 5 и нагнетательный 6 патрубки центробежного вентилятора, а также входной 23 и выходной 24 патрубки турбины для прохода теплоносителей с разной температурой, направления движения которых показаны стрелками. Входной патрубок 23 турбины выполнен в виде кольцевого отверстия в корпусе 1. Также в корпусе 1 установлено рабочее колесо, состоящее из разделительного диска 10 с нормально закрепленными на обеих его сторонах лопатками 11 центробежного вентилятора и лопатками 25 турбины, выполненными загнутыми назад (относительно направления вращения). Своей центральной частью перегородка 2 примыкает к внешней кромке диска 10 через уплотнительный элемент 15, выполненный, например, из резины или фетра, благодаря которому секция 3 центробежного вентилятора и секция 22 турбины изолированы друг от друга. Также устройство содержит скрепленный с лопатками 11 центробежного вентилятора передний диск 16, имеющий отверстие 17 для прохода всасываемого теплоносителя в межлопаточное пространство центробежного вентилятора. Вокруг отверстия 17 переднего диска 16 выполнен входной патрубок 18, сообщающийся с межлопаточным пространством центробежного вентилятора и размещенный во всасывающем патрубке 5 с минимальным зазором. К лопаткам 25 турбины прикреплен сплошной передний диск 26, а разделительный диск 10 имеет осевое отверстие 20, вокруг которого выполнен упомянутый выходной патрубок 24 турбины, сообщающийся с ее межлопаточным пространством, а сам патрубок 24 размещен внутри входного патрубка 18 центробежного вентилятора. В данном случае рабочее колесо установлено в корпусе 1 на валу 9 посредством переднего диска 26 турбины.

Устройство также имеет нагнетатель, выполненный в виде осевого вентилятора 27, лопатки 28 которого установлены напротив кольцевого отверстия входного патрубка 23 турбины. Осевой вентилятор 27 может быть установлен на валу 9, как показано на фиг.5, или может иметь собственный вал вращения, не связанный с валом 9 и приводимый во вращение независимым приводом. В последнем случае привод вентилятора 27 может быть приводом всего устройства, поскольку турбина будет обеспечивать вращение рабочего колеса и, соответственно, работу центробежной секции 3.

Другой пример реализации заявляемого изобретения по второму варианту представлен на фиг. 6. В отличие от предыдущего примера (фиг.5) в данной конструкции входной патрубок 29 турбины выполнен в виде отверстия в ее периферийной части, а нагнетатель выполнен в виде центробежного вентилятора 30, установленного напротив этого отверстия.

Заявляемое устройство по второму варианту (см. фиг.5 и 6) работает следующим образом. Рабочее колесо приводится во вращение приводом, соединенным с валом 9, а также за счет одного из воздушных потоков (теплоносителей), нагнетаемого в турбинную секцию 22 с осевым вентилятором 27 (фиг.5) или центробежным вентилятором 30 (фиг.6). При достаточном давлении рабочее колесо может вращаться только за счет нагнетаемого в турбинную секцию 22 потока. Воздушные потоки, имеющие разные температуры, с обеих сторон поступают через патрубки 5 и 22 и попадают в пространство между лопатками 11 и 25 соответственно. В центробежном вентиляторе воздушный поток перетекает по межлопаточному пространству к периферии рабочего колеса, поступает в улиткообразную полость центробежной секции 3 и далее через нагнетательный патрубок 6 выводится из корпуса 1. В турбине другой воздушный поток перетекает по межлопаточному пространству к центру рабочего колеса, через отверстие 20 разделительного диска 10 попадает в выходной патрубок 21 и выводится из корпуса 1. По мере прохождения воздушных потоков через рабочее колесо между ними происходит процесс противоточного теплообмена через лопатки 11, 25 и разделительный диск 10.

Двухступенчатый вентилятор-теплообменник по второму варианту (см. фиг.7 и 8) состоит из двух идентичных ступеней - первой 31 и второй 32, каждая из которых, соответственно, содержит секцию 33 и 34 центробежного вентилятора, а также секцию 35 и 36 турбины. Обе ступени 31 и 32 выполнены так же, как описан одноступенчатый вентилятор-теплообменник, представленный на фиг.5 и 6. Ступени 31 и 32 ориентированы навстречу друг другу передними дисками турбин и установлены на одном валу 9, приводимом во вращение от внешнего привода (на фиг.7 и 8 не показан). Перегородка 37 разделяет ступени 31 и 32.

Нагнетательный патрубок 38 секции 33 центробежного вентилятора первой ступени 31 соединен с входным патрубком 39 турбинной секции 36 второй ступени 32, а нагнетательный патрубок 40 секции 34 центробежного вентилятора второй ступени 32 соединен с входным патрубком 41 турбинной секции 35 первой ступени 31. Всасывающий патрубок 42 первой ступени 31 и выходной патрубок 43 второй ступени 32 являются соответственно входом и выходом для одного теплоносителя, а всасывающий патрубок 44 второй ступени 32 и выходной патрубок 45 первой ступени 31 являются соответственно входом и выходом для другого теплоносителя.

Предпочтительным по второму варианту является выполнение двухступенчатого вентилятора-теплообменника, представленного на фиг. 8. В отличие от примера, представленного на фиг.7, в данном устройстве передние диски турбинных секций 35 и 36 обеих ступеней 32 и 31 выполнены в виде единого сплошного диска 46.

Двухступенчатый вентилятор-теплообменник по второму варианту (см. фиг.7 и 8) работает следующим образом. При вращении вала 9 и, соответственного, рабочих колес обеих ступеней 31 и 32 воздушные потоки (теплоносители) через всасывающие патрубки 42 и 44 засасываются центробежными вентиляторами секций 33 и 34 соответственно. С выхода центробежных вентиляторов секций 33 и 36 воздушные потоки попадают в турбинные секции 34 и 35 соответственно и далее через соответствующие выходные патрубки 43 и 45 выводятся из устройства. Таким образом каждый воздушный поток проходит обе ступени 31 и 32. По мере прохождения воздушных потоков через рабочие колеса между ними происходит описанный выше процесс противоточного теплообмена через лопатки центробежных вентиляторов, лопатки турбин и разделительные диски. В устройстве, представленном на фиг.8, теплообмен дополнительно происходит через общий передний диск 46.

Источники информации

1. Заявка Японии 60-75634, F 28 D 9/00, заявл. 10.04.85, публ. 06.07.94.

2. Заявка Японии 60-75635, F 28 D 9/00, заявл. 10.04.85, публ. 06.07.94.

3. Заявка Японии 61-86463, F 28 D 11/02, заявл. 15.04.86, публ. 01.06.94 - прототип.

4. Кутателадзе С. С. Основы теории теплообмена. - Новосибирск: Наука, 1970, с.628.

Класс F04D17/04 с поперечным потоком 

диаметральный вентилятор -  патент 2490518 (20.08.2013)
диаметральный вентилятор -  патент 2395009 (20.07.2010)
диаметральный вентилятор -  патент 2395008 (20.07.2010)
рабочее колесо многолопастного вентилятора и способ его изготовления -  патент 2365792 (27.08.2009)
диаметральный вентилятор -  патент 2293882 (20.02.2007)
прямоточный диаметральный вентилятор -  патент 2291322 (10.01.2007)
диаметральный вентилятор -  патент 2282753 (27.08.2006)
диаметральный вентилятор -  патент 2266433 (20.12.2005)
диаметральный вентилятор -  патент 2254497 (20.06.2005)
противоточный диаметральный вентилятор -  патент 2251026 (27.04.2005)

Класс F28D11/02 с вращательным движением, например с вращающимся барабаном или цилиндром

барабанный охладитель -  патент 2514334 (27.04.2014)
вращающийся холодильник для охлаждения сыпучих материалов -  патент 2508389 (27.02.2014)
устройство для индукционного нагрева нефтепродуктов -  патент 2504927 (20.01.2014)
теплообменное устройство для порошкового и гранулярного материала и способ его изготовления -  патент 2503904 (10.01.2014)
способ и устройство для переноса тепла от первой среды ко второй -  патент 2476801 (27.02.2013)
двигатель внешнего сгорания -  патент 2472005 (10.01.2013)
вращающийся холодильник для охлаждения кокса (варианты) -  патент 2453578 (20.06.2012)
устройство для осушения, очистки и теплообмена -  патент 2336467 (20.10.2008)
устройство для осушения, очистки газа и теплообмена и способ сборки ротора устройства для осушения, очистки и теплообмена -  патент 2267059 (27.12.2005)
способ организации течения рабочей среды и энергопреобразующее устройство роторного типа для его осуществления -  патент 2256861 (20.07.2005)
Наверх