CZ27836U1 - Entalpický výměník tepla - Google Patents

Description

Entalpický výměník tepla

Oblast techniky

Protiproudý entalpický výměník, mající střední oblast tvaru rovnoběžníka, na jehož koncích ve směru proudění výměníkem navazují krajní oblasti, které se směrem od střední oblasti zužují, přičemž k oddělení proudění teplonosného média ve směru z vnitřního prostoru do venkovního prostoru jsou uspořádány obrysově shodné a z hlediska proudícího média utěsněné lamely s tvarovými prostředky pro vyvolání vířivého proudění.

Dosavadní stav techniky

Jsou známy rekuperační tepelné výměníky, kterými proudí teplonosné médium protisměrně v prostorech vzájemně oddělených teplosměnnými stěnami. Příkladem takového rekuperačního výměníku je zařízení podle patentu CZ 300999 B6. Výměník obsahuje rám, v němž jsou uspořádány vrstvy tenkých lamel, ve kterých je střídavě veden vzduch vystupující z místnosti a vstupující do místnosti. Každá lamela má v koncových částech vstupní a výstupní prostor proudícího média. Střední část lamel tvoří kanály, jejichž úkolem je měnit směr a rychlost proudění vzduchu, neboť víření plynného média podstatně zvyšuje účinnost výměny tepla. Materiálem stěn lamel je tenká kovová nebo plastová fólie. Takový materiál má dostatečnou tuhost, nemusí být tudíž vyztužován rámečky a jinými výztužnými prvky. To je příznivé z hlediska dosažení co největší plochy účinného povrchu výměníku.

Požadavkem kladeným na zařízení ke klimatizaci uzavřených prostorů je ovšem kromě výměny tepla, tedy v zimním období kromě ohřevu přiváděného vzduchu vzduchem odcházejícím, zabránit úniku vlhkosti. Se zpětným využitím odcházejícího tepla je nutné v tomto případě zabránit ztrátě vlhkosti a tuto předat z proudu vzduchu odcházejícího vzduchu přiváděnému. Zařízením plnícím tento úkol jsou tak zvané entalpické výměníky. Je zřejmé, že mezi vzduchem odcházejícím a přicházejícím nemohou být pro vzduch, resp. pro vlhkost nepropustné dělicí stěny.

Mezi dvěma oddělenými vnitřními prostory protiproudého entalpického výměníku, kterými proudí protisměrně vzduch, musí být použita stěna s funkcí membrány propustné pro vodní páru a nikoli pro vzduch. Vzduch vystupující z vytápěného prostoru předává stěnami vzduchu vstupujícímu do místnosti teplo a současně i vlhkost, což pozitivně zabraňuje vysušování vzduchu v místnosti. Materiál paropropustných membrán z hlediska jeho malé tuhosti vyžaduje, aby membrána byla vyztužena nosným prostředkem, na který by byla upevněna.

Nosnou částí lamely entalpického výměníku podle dosavadního stavu techniky jsou výztužné opěrné distanční mřížky, které tvoří tuhé kostry z umělé hmoty potažené, materiálem plnícím funkci paropropustné membrány. Vzhledem k tomu, že membrána je na kostru lepena, zmenšuje kostra funkční plochu lamely a tak snižuje účinnost jak přestupu tepla, tak prostupu vlhkosti.

Cílem technického řešení je zvýšit účinnost entalpického výměníku bez zvětšení vnějších rozměrů výměníku a bez významného zvýšení nákladů na výrobu jeho lamel.

Podstata technického řešení

Cíle technického řešení je dosaženo entalpickým výměníkem obsahujícím průtočné lamely pro dva protisměrné proudy média, jehož podstatou je to, že lamela je vytvořena jako samonosný výlisek střední oblasti a krajních oblastí bez výztužné opěrné mřížky, přičemž je lamela paropropustná. Takové lamely neobsahují výztužné prvky, například mřížky, které zmenšují teplosměnnou a parosměnnou plochu.

Krajní části lamely obsahují výstupky ležící ve směru proudění teplonosného média mezi střední oblastí a příslušným vstupem nebo výstupem tohoto média. To snižuje odpory proti proudění v těchto oblastech, čímž je zvýšena účinnost výměníku. Samonosný výlisek je kompozitní, přičemž jednu jeho složku tvoří nosná netkaná vrstva, která je spojena s paropropustnou

- 1 CZ 27836 U1 membránou. Materiálem paropropustné membrány je ve výhodném provedení sulfonovaný blokový kopolymer, který má velmi dobré vlastnosti z hlediska prostupnosti páry, pevnosti a rozměrové stálosti za sucha i za mokra.

Spojení nosné netkané vrstvy s paropropustnou membránou je realizováno lisováním nebo svařením nebo lepením nebo máčením. To je výhodné technologicky, neboť je lze provádět na známých povlakovacích nebo laminovacích zařízeních.

Lamely jsou vzájemně spojeny alespoň v některých částech obvodu svařením nebo lepením vzduchotěsnými svary. Tak je možné ekonomickým způsobem dosáhnout dokonalého oddělení vstupního a výstupního média.

Výhodným způsobem je lamela vyrobena lisováním z rovinného polotovaru přidrženého po obvodě mezi tvářecími deskami s teplotou vyšší než 40 °C.

Objasnění výkresů

Zařízení podle technického řešení je schematicky znázorněno na výkrese, kde je na obr. 1 šikmý pohled na entalpický výměník se směry proudění pracovního média, na obr. 2 boční pohled na entalpický výměník z obr. 1 ve směru Pl, na obr. 3 půdorys lamely, na obr. 4a řez C-C z obr. 3, na obr. 4b detail průběhu výstupků střední oblasti lamely z obr. 3, na obr. 5 šikmý pohled na část výměníku obsahující čtyři lamely ve spojeném stavu a na obr. 6 detail krajní oblasti z obr. 5.

Příklady uskutečnění technického řešení

Entalpický výměník je zařízením sloužícím k předání tepla a vlhkosti z plynného média vystupujícího z vnitřního obsluhovaného prostoru plynnému médiu vstupujícímu z venkovního prostoru do vnitřního prostoru.

Základním stavebním prvkem entalpického výměníku I podle technického řešení je profilová deska, dále uváděná jako lamela 10. Lamely 10 jsou skládány jako vrstvy na sebe, přičemž sousední lamely jsou na části svých obvodů spolu spojeny. Mezi dvojicemi lamel 10 tak vznikají střídající se průtočné mezideskové prostory tvořící kanály 2 pro proudění plynného média ve směru A z uzavřeného prostoru do venkovního prostoru a kanály 3 pro proudění plynného média ve směru B z venkovního prostoru do uzavřeného prostoru. Tyto lamely umožňují přestup tepla z ohřátého a vlhkého média odváděného například z klimatizovaného prostoru do chladného a obvykle suchého média přiváděného z venkovního prostoru. Lamela 10 je v podstatě výliskem z rovinného polotovaru obsahujícím na obou stranách výstupky a prohlubně.

Sestava lamel 10 je vložena a upevněna ve skříni 100 entalpického výměníku I. Obě vnější lamely 10’, které přiléhají zevnitř k bočním stěnám skříně 100, přispívají k požadovanému charakteru proudění média v obou krajních průtočných prostorech, přestup tepla a vlhkosti přes ně prakticky neprobíhá.

Schéma výměníku je znázorněno na obr. 1 a 2. Na nich jsou šrafované plochy mezi lamelami 10, resp. 10J, vstupními nebo výstupními otvory do průtočných mezideskových prostorů, nešrafované plochy jsou uzávěry průtočných mezideskových prostorů.

Lamela 10 je dvousložková. První složkou je nosná vrstva netkaná textilie, na níž je nanesena paropropustná membrána. Ta je s výhodou tvořena sulfonováným blokovým polymerem. Spojení nosné netkané vrstvy s paropropustnou membránou je realizováno lisováním nebo lepením nebo máčením. Sulfonovaný blokový polymer je výhodný s ohledem na míru prostupnosti páry, pevnost a rozměrovou stálost za sucha i za mokra. Navíc je výhodný i z hlediska technologie výroby membrány, která může být realizována na známých povlakovacích nebo laminovacích zařízeních. V ploše výsledné lamely tak mohou být lisováním vytvarovány výstupky a prohlubně, jejichž účelem je vytvořit vířivé proudění média procházejícího štěrbinou tvořící průtočný kanál mezi dvěma sousedními lamelami 10, 10’. Vířivé proudění obecně zvyšuje účinnost přenosu tepla a průchodu vlhkosti lamelou oddělující proudící média.

-2CZ 27836 Ul

Zásadní výhodou je samonosná stavba lamely 10. Ta neobsahuje výztužnou mřížku, která u jiných konstrukcí zmenšuje účinnou plochu pro přestup tepla a vlhkosti mezi odváděným a přiváděným plynným médiem.

Jeden průtočný průřez ve skříni 100 výměníku 1 je vytvořen dvěma lamelami 10, které mají shodný obrys plochy, liší se však směrem vyhnutí obvodových prolisů, kterými jsou lamely vzájemně spojeny. V popisu tvaru budou tyto dva typy podle potřeby dále z důvodu rozlišení označeny vztahovými značkami jako lamely lOx a 10y.

Střední oblast U lamely 10 má v příkladném provedení v podstatě tvar čtverce nebo obdélníka, na který ve směru délky lamely navazují krajní oblasti 12, 13, jejichž plocha se směrem od střední oblasti zužuje. V příkladném provedení jsou plochy krajních oblastí trojúhelníkové. To usnadňuje uspořádání vstupního a výstupního proudění média výměníkem diagonálním způsobem (viz obr. 1). Průtočný prostor mezi dvěma sousedními lamelami 10 není rozdělen žádnou uzavřenou přepážkou. Je samozřejmě možné, aby tvar střední oblasti byl i obdélník nebo kosodélník s navazujícími například nerovnoramennými trojúhelníky krajních oblastí 12,13.

Střední oblast H lamely lOx je v příkladném provedení podle obr. 3 tvarována podélnými souběžnými zvlněnými výstupky Ul. Křivkou jejich hřbetů 111’ je v rovině plochy lamely 10 v podstatě sinusovka Sx. Vzdálenost dvou sousedních hřbetů 111’ je roztečí R. Hřbety 111’ výstupků ÍJT jsou znázorněny plnou čarou, prohlubně uprostřed mezi nimi tvoří výstupky na druhé straně lamely 10. Průřez střední oblasti rovinou C-C z obr. 3 je znázorněn na obr. 4a. V příkladném provedení je výška v vlny výstupků 111, tedy maximální tloušťka lamely 10 3,5 mm. Sinusovka Sx hřbetu 111’ výstupků 111 začíná v části přilehlé ke krajní oblasti 12 dolním vrcholem DV. V části přilehlé ke krajní oblasti 13 sinusovka Sx končí horním vrcholem HV.

U lamely lOx prvního typu je lem 123 krajní oblasti 12 (na obr. 3 vlevo nahoře) vyhnut směrem nahoru, druhý lem 124 krajní oblasti 12 je vyhnut směrem dolů. Lem 133 krajní trojúhelníkové oblasti 13 rovnoběžný s lemem 123 krajní trojúhelníkové oblasti 12 je vyhnut směrem nahoru, lem 134 krajní trojúhelníkové oblasti 13 rovnoběžný s lemem 124 krajní trojúhelníkové oblasti 12 je vyhnut směrem dolů.

U lamely lOv druhého typu je sinusovka Sy hřbetu 111” výstupků 111 posunuta vzhledem k poloze sinusovky Sx lamely lOx o polovinu délky λ vlny sinusovky Sx, Sy tak, že začíná v části přilehlé ke krajní oblasti 12 horním vrcholem HV a v části přilehlé ke krajní oblasti 13 končí sinusovka Sy dolním vrcholem DV (obr. 4b). V místech, kde se sinusovky Sx a Sy kříží nebo dotýkají, dotýkají se i přilehlé hřbety 111’, 111”.

Krajní trojúhelníkové oblasti 12,13 jsou opatřeny lisovanými přímými podlouhlými přerušovanými výstupky 121, 131, které mají směr proudění média v této části průtočného prostoru a které na opačné straně lamely tvoří prohlubně 122, 132, které nezhoršují proudění na této opačné straně lamely, i když jsou k tomuto směru proudění kolmé.

Výška výstupků 121, 131 a prohlubní 122,132 krajních oblastí 12,13 je maximálně 1,7 mm.

Tloušťka a plošné rozměry lamely 10, výška výstupků 121, 131, výška v vlny zvlněné střední oblasti U se v neuvedených provedeních podle technického řešení může měnit, aniž by byl překročen rozsah ochrany daný nároky na ochranu.

U lamely lOv druhého typu je lem 123 krajní oblasti 12 rovnoběžný s výstupky 121 vyhnut směrem dolů, druhý lem 124 krajní oblastí 12 je vyhnut směrem nahoru. Lem 133 krajní trojúhelníkové oblasti 13 rovnoběžný s lemem 123 krajní trojúhelníkové oblasti 12 je vyhnut směrem dolů, lem 134 krajní trojúhelníkové oblasti 13 rovnoběžný s lemem 124 krajní trojúhelníkové oblasti 12 je vyhnut směrem nahoru.

Obr. 5 a 6 znázorňují kladení jednotlivých lamel W na sebe a jejich spojení. V příkladném provedení obsahuje entalpický výměník 1 dvacet lamel 10. Na obr. 4 jsou zobrazeny čtyři lamely, které jsou směrem shora dolů označeny 10xi, 10ν₂,10x₂,10v4· Detail levé strany sestavy lamel je znázorněn na obr. 6.

-3CZ 27836 U1

Obvody složených lamel se dotýkají v podélných bocích 112 střední oblasti 11, kde jsou zality tmelem a tvoří protilehlé stěny 113 skříně 100 výměníku I. Podobně jsou zality i konce krajních oblastí tvořících úzká čela 114 skříně 100. Sousední lamely 10 jsou střídavě uzavřeny lemy 123, 124. 133. 134 podle obr. 5 a 6. Spojení lemů 123, 124, 133, 134 je provedeno svařením nebo lepením.

Na levé str. obr. 5 a na obr. 6 jsou svařeny lemy 123 lamel lOv?. 10x3, čímž je uzavřen prostor mezi těmito lamelami, naopak mezi lemy 123 lamel 10xi, a lOy? ie otevřen vstup nebo výstup do prostoru mezi nimi. Stejně mezi lemy 124 lamel 10x3 a lOva je rovněž vstupní nebo výstupní otvor. Dále jsou zde znázorněny dva svařené lemy 124 lamel 10χχ a lOv?. 10x3 a 10v4.

Na pravé straně obr. 5 je viditelný svár lemů 133 lamel 10ν₂ a 10χ₂ a vstupní otvory mezi lemy

133 lamel 10χχ a 10v₂. 10x₂ a 10va. Naopak neviditelná část obvodu krajní oblasti 13 obsahuje analogicky s částí obvodu krajní oblasti 12 s lemy 124 (čelní pohled na obr. 6) dva svařené lemy

134 lamel 10xj_ a 10v₂. 10x₂ a ΙΟνχ. Mezi lemy 134 lamel 10v₂. 10χ₂ je rovněž vstupní nebo výstupní otvor.

Vedle zásadní výhody, kterou je samonosná stavba lamely 10 a tedy absence výztužné mřížky, si entalpický výměník 1 zachovává výhodu relativně dlouhé cesty, po které probíhá výměna tepla a vlhkosti proti sobě vedených proudů média. Kromě nerovností povrchu lamel 10 střední oblasti ii přispívajících značnou měrou k účinnosti výměny tepla a vlhkosti, se dalšího zvýšení této účinnosti dosahuje snížením odporu proti proudění média v krajních oblastech 12, 13 prostřednictvím tvaru a především směru výstupků 121, 131 v těchto oblastech.

Claims (3)

NÁROKY NA OCHRANU

1 entalpický výměník

10 lamela (10’, lOx, lOy, 10xi, 10x₃, 10y₂, 10y₄)

100 skříň výměníku

11 střední oblast (lamely)

111 výstupek (střední oblasti lamely)

111’ hřbet výstupku (střední oblastí lamely)

111” hřbet výstupku (střední oblasti lamely)

112 podélný bok střední oblasti

113 stěna skříně (výměníku horní, dolní)

114 úzké čelo (skříně výměníku přední, zadní)

115 boční stěna (skříně výměníku)

12 krajní oblast (lamely)

121 (přímý) výstupek (v ploše krajní části)

122 (přímá) prohlubeň (v ploše krajní části)

123 lem (krajní oblasti)

124 lem (krajní oblasti)

13 krajní oblast (lamely)

131 (přímý) výstupek (v ploše krajní části)

132 (přímá) prohlubeň (v ploše krajní části)

133 lem (krajní oblastí)

134 lem (krajní oblasti)

1. Protiproudý entalpický výměník (1) mající střední oblast (11) tvaru pravoúhlého čtyřúhelníku, na jehož koncích ve směru proudění výměníkem navazují krajní oblasti (12, 13), které se směrem od střední oblasti (11) zužují, přičemž k oddělení proudění teplonosného média ve směru z vnitřního prostoru do venkovního prostoru jsou uspořádány obrysově shodné a z hlediska proudícího média utěsněné lamely (10) s tvarovými prostředky pro vyvolání vířivého proudění, vyznačující se tím, že lamela (10) je vytvořena jako samonosný výlisek střední oblasti (11) a krajních oblastí (12, 13) bez výztužné opěrné mřížky, přičemž je paropropustná.

2 kanál (průtok ve směru A)

2. Protiproudý entalpický výměník (1) podle nároku 1, vyznačující se tím, že krajní oblasti (12, 13) lamely (10) obsahují výstupky (121, 131) ležící ve směru proudění teplonosného média mezi střední oblastí (11) a příslušným vstupem nebo výstupem tohoto média.

3. Protiproudý entalpický výměník (1) podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že samonosný výlisek lamely (10) je kompozitní, přičemž jednu jeho složku tvoří nosná netkaná vrstva, která je spojena s paropropustnou membránou.

4. Protiproudý entalpický výměník (1) podle nároku 3, vyznačující se tím, že materiálem paropropustné membrány je sulfonovaný blokový kopolymer.

5. Protiproudý entalpický výměník (1) podle nároku 3 nebo 4, vyznačující se tím, že spojení nosné netkané vrstvy s paropropustnou membránou je realizováno lisováním nebo svařením nebo lepením nebo máčením.

6. Protiproudý entalpický výměník (1) podle kteréhokoliv z nároků laž5, vyznačující se tím, že lamely (10) jsou vzájemně spojeny alespoň v některých částech obvodu svařením nebo lepením vzduchotěsnými spoji.

-4CZ 27836 U1

7. Protiproudý entalpický výměník podle kteréhokoliv z nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že lamela (10) je vyrobena z rovinného polotovaru lisováním mezi tvářecími deskami s teplotou vyšší než 40 °C.

3 výkresy

Seznam vztahových značek:

3 kanál (průtok ve směru B)

A směr proudění (z uzavřeného prostoru ven)

B směr proudění (z vnějšího prostoru do vnitřního prostoru)

DV dolní vrchol (sinusovka)

HV horní vrchol (sinusovka)

R roztečná vzdálenost hřbetů (výstupků střední oblasti)

S_x sinusovka

S_y sinusovka v výška vlny výstupků (střední oblasti) λ délka vlny sinusovky S_x, S_y.