Устройство и способ предотвращения замерзания сконденсированной влаги в рекуперационном теплообменнике

УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ЗАМЕРЗАНИЯ СКОНДЕНСИРОВАННОЙ ВЛАГИ В РЕКУПЕРАЦИОННОМ ТЕПЛООБМЕННИКЕ Изобретение относится к вентиляции и кондиционированию воздуха, а именно - к удалению льда или воды из теплообменных аппаратов и направлено на увеличение энергетической эффективности теплообменника при низких отрицательных температурах холодного потока. Суть изобретения состоит в том, что при отрицательных температурах наружного воздуха контролируют гидравлическое сопротивление вытяжного канала теплообменника, при увеличении значения гидравлического сопротивления до пороговой величины, определяющей допустимое количество замерзания конденсата в вытяжном канале, выключают приточный вентилятор, направляют воздух с выхода вытяжного канала рекуператора в приточный канал и контролируют разность температур на входе и выходе вытяжного канала рекуператора, при достижении исходного значения разности температур открывают поступление холодного воздуха в приточный канал и вытяжного воздуха наружу.(71)(73) Заявитель и патентовладелец: РЕСПУБЛИКАНСКОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ "ИНСТИТУТ ЖИЛИЩА - НИПТИС ИМ. АТАЕВА С.С." (BY) 016248 Изобретение относится к вентиляции и кондиционированию воздуха, а именно - к удалению льда или воды из теплообменных аппаратов. Известен способ [1] предотвращения замерзания конденсата в теплообменнике, состоящий в том,что при снижении температуры воздуха на выходе вытяжного канала теплообменника с направлением движения удаляемого из помещений воздуха сверху вниз до установленного порога (угрозе замерзания конденсата) часть холодного приточного воздуха проходит в помещение через обходной (байпасный) канал. Тем самым температура воздуха на выходе вытяжного канала повышается, предотвращая замерзание конденсата. Недостатком метода является снижение энергетической эффективности теплообменника за счет затрат на образование и функционирование байпасного канала. Известен способ [2] предотвращения замерзания конденсата, заключающийся в том, что при снижении температуры воздуха на выходе вытяжного канала теплообменника (с направлением движения удаляемого из помещений воздуха сверху вниз) до установленного порога (угрозе замерзания конденсата) включают нагрев воздуха на входе приточного канала. Недостатком метода является снижение энергетической эффективности теплообменника вследствие наличия затрат на контроль за системой нагрева воздуха и ее функционирование. Наиболее близким к предлагаемому является способ [3] предотвращения замерзания конденсата в теплообменнике, состоящий в том, что при замерзании конденсата и образовании льда в вытяжных каналах рекуператора с направлением движения удаляемого из помещений воздуха снизу вверх выключают подачу холодного воздуха в один из каналов рекуператора. Теплый воздух из помещения обеспечивает таяние льда. Недостатком способа является то, что вследствие уменьшения давления в помещениях здания (из-за отсутствия притока) холодный воздух поступает в помещения через негерметичную оболочку здания, что увеличивает отопительную нагрузку помещений и снижает общую энергетическую эффективность теплообменника. Общим недостатком воздушных теплообменников-рекуператоров, работающих при низких температурах, является низкая эффективность теплообмена между потоками при низких отрицательных температурах холодного потока, что обусловлено замерзанием сконденсированной влаги на поверхности обмена со стороны теплого влажного потока воздуха. Предлагаемое изобретение направлено на увеличение энергетической эффективности теплообменника при низких отрицательных температурах холодного потока. Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство для предотвращения замерзания сконденсированной влаги в рекуперационном теплообменнике, представленное в [3, исполнение по фиг. 1], помещенное в корпус рекуператора и включающее приточный и вытяжной каналы с приточным и вытяжным вентиляторами для организации движения теплого воздуха в вытяжном канале рекуператора снизу вверх, а в приточном канале - холодного воздуха - сверху вниз, а также конденсатоприемник с каналом-отводчиком конденсата. В данном устройстве предусмотрена система для размораживания замерзшего конденсата теплым воздухом из помещения при отключенном притоке с автономным управлением, тактовое включение которой осуществляется циклически через определенные промежутки времени посредством таймера. Недостатками такого устройства являются отсутствие в системе нагрева обратной связи по гидравлическому сопротивлению вытяжного канала теплообменника и, соответственно, отсутствие учета влияния степени обмерзания рекуператора на управление системой нагрева, а также того, что вследствие уменьшения давления в помещениях здания (из-за отсутствия притока) холодный воздух поступает в помещения через негерметичную оболочку здания, что приводит к снижению эффективности управления теплообменом, увеличивает отопительную нагрузку помещений и снижает общую энергетическую эффективность теплообменника при низких температурах. Поставленная задача в части способа решается тем, что в известном способе предотвращения замерзания конденсата в теплообменнике, состоящем в том, что при замерзании конденсата и образовании льда в каналах рекуператора выключают подачу холодного воздуха в один из каналов рекуператора, согласно изобретению при отрицательной наружной температуре воздуха дополнительно контролируют гидравлическое сопротивление вытяжного канала теплообменника, при увеличении гидравлического сопротивления до установленного порогового значения перекрывают поступление наружного воздуха в приточный воздуховод, выключают приточный вентилятор и направляют воздух с выхода вытяжного канала рекуператора в приточный канал, далее контролируют гидравлическое сопротивление каналов или разность температур на входе и выходе вытяжного канала рекуператора, при достижении разности температур установленного исходного значения открывают поступление холодного воздуха в приточный канал и вытяжного воздуха наружу. Суть способа предотвращения замерзания конденсата состоит в том, что при отрицательных температурах наружного воздуха контролируют гидравлическое сопротивление вытяжного канала теплообменника, при увеличении значения гидравлического сопротивления до пороговой величины, определяющей допустимое количество замерзания конденсата в вытяжном канале, выключают приточный вентилятор, направляют воздух с выхода вытяжного канала рекуператора в приточный канал и контролируют разность температур на входе и выходе вытяжного канала рекуператора, при достижении исходного-1 016248 значения разности температур открывают поступление холодного воздуха в приточный канал и вытяжного воздуха наружу. Контроль гидравлического сопротивления вытяжного канала теплообменника с целью установления момента увеличения гидравлического сопротивления до установленного значения (пороговой величины количества замерзшего конденсата) осуществляют, например, измеряя разность давлений между входом и выходом вытяжного канала рекуператора, или измеряя ток в двигателе вытяжного вентилятора с постоянным расходом воздуха, или контролируя разности температур воздуха на входах и выходах приточного и вытяжного каналов. Момент увеличения гидравлического сопротивления вытяжного канала теплообменника (по отношению к его исходному значению) до установленного значения - пороговой величины, которая определяет допустимое количество замерзшего конденсата, является моментом выключения приточного вентилятора и направления воздуха с выхода вытяжного канала рекуператора в приточный канал теплообменника. Момент снижения гидравлического сопротивления вытяжного канала (восстановления исходного гидравлического сопротивления) теплообменника до установленного значения, что определяет момент размораживания и удаления конденсата, является моментом включения приточного вентилятора с направлением поступления холодного воздуха в приточный канал и вытяжного воздуха наружу. В качестве датчиков контроля гидравлического сопротивления в приточном (на фиг. 1 - датчики 12,13) и вытяжном (на фиг. 1 - датчики 10, 11) каналах можно использовать датчики дифференциального манометра, измеряющего разность давлений в указанных точках, Р 12,13 и Р 10,11. Для определения необходимого момента переключения работы рекуператора на режим размораживания необходимо сравнивать с пороговым значением значения или где k1 пор - коэффициент отношения гидравлического сопротивления в вытяжном и приточном каналах,и далее осуществлять переключение по выполнению неравенства (1) или (2). Если в рекуператоре используются вентиляторы с постоянным расходом воздуха, не зависящим от гидравлического сопротивления канала, допустимое значение гидравлического сопротивления канала можно определить, измеряя ток в электрическом двигателе вытяжного вентилятора и сравнивая с пороговым значением: По выполнению условия (3) переключают рекуператор на работу в режиме размораживания. Сравнивая ток в электродвигателе с другим пороговым значением рекуператор переключают в нормальный режим. Изменение гидравлического сопротивления каналов рекуператора можно измерять косвенно, по значениям температуры на входе и выходе в приточном, Тпр.вх и Тпр.вых, и вытяжном, Твыт.вх и Твыт.вых, каналах. При увеличении гидравлического сопротивления воздуха вытяжного канала рекуператора поток воздуха в нм уменьшается при сохранении потока воздуха в приточном канале. Это приводит к тому,что уходящий из помещений воздух остывает больше, чем в исходном состоянии (при более низком гидравлическом сопротивлении канала), а приточный воздух нагревается меньше, чем в исходном состоянии, так как поток встречного воздуха уменьшается. Контролируя отношение двух величин и, сравнивая с порогом k порог можно по выполнению условия (2) принять решение о замерзании конденсата в рекуператоре до допустимого значения. При размораживании теплообменника для определения возможности включения приточного вентилятора можно контролировать разность температур на входе и выходе вытяжного канала рекуператора: и, сравнивая это значение с порогом принять решение о восстановлении функции рекуператора.-2 016248 Способ может быть реализован в теплообменниках с любым направлением движения воздуха как в приточном, так и в вытяжном каналах. Однако наибольшей эффективности в предотвращении замерзания сконденсированной влаги он позволяет достичь в рекуперационных теплообменниках с движением воздуха в вытяжном канале рекуператора снизу вверх, а в приточном канале - сверху вниз. Это объясняется тем, что, как правило, конденсированная влага из той части рекуператора, где температура не опускается ниже нуля, стекает навстречу теплому потоку воздуха в теплую область. Замерзает только та часть сконденсированной влаги, которая попадает в часть рекуператора, где температура опускается ниже нуля, что уменьшает степень обмерзания пластин рекуператора и предотвращает замерзание большей части сконденсированной влаги. Контроль гидравлического сопротивления вытяжного канала позволяет предотвратить опасность разрушения рекуператора при образовании льда между пластинами, а выключение приточного вентилятора и направление воздуха с выхода вытяжного канала рекуператора в приточный канал обеспечивают размораживание льда между пластинами рекуператора. Дополнительное преимущество такого включения рекуператора заключается в том, что при разогреве рекуператора часть влаги испаряется и с воздухом попадает в жилые помещения, увеличивая влажность воздуха в помещениях. Представленный способ предотвращения замерзания конденсированной влаги в рекуперационном теплообменнике может быть осуществлен посредством описанного ниже устройства. Поставленная задача в части устройства решается тем, что устройство для предотвращения замерзания сконденсированной влаги в рекуперационном теплообменнике, помещенное в корпус рекуператора,и включающее приточный и вытяжной каналы с вытяжным вентилятором для организации движения теплого воздуха в вытяжном канале рекуператора снизу вверх, а в приточном канале - холодного воздуха сверху вниз, конденсатоприемник с каналом-отводчиком конденсата, согласно изобретению, дополнительно содержит байпасный канал 8 с клапаном открывания-закрывания 9, клапан 7 в приточном канале,клапан 19 в вытяжном канале, датчики 10-13 и связанный с ними блок управления 18, осуществляющий контроль за изменением гидравлического сопротивления вытяжного канала рекуператора до пороговой величины, достигаемой в момент замерзания конденсата, и вырабатывающий при этом управляющие сигналы на выключение приточного вентилятора, закрывание клапана 7 в приточном канале и клапана 19 в вытяжном канале и одновременное открывание клапана 9 в байпасном канале. При достижении гидравлическим сопротивлением вытяжного канала теплообменника (по отношению к его исходному значению) установленного значения (пороговая величина, которая определяет момент замерзания конденсата) управляющие сигналы подаются одновременно как на открытие клапана 9 в байпасном канале, так и на закрытие клапана 7 в приточном канале и клапана 19 в вытяжном канале. В этом случае вентиляционные выбросы через приточный канал поступают обратно в жилые помещения. Энергия вентиляционных выбросов растапливает лед в вытяжных каналах рекуператора и удаляет из каналов лишнюю влагу, повышая влажность воздуха в жилых помещениях. При снижении значения гидравлического сопротивления вытяжного канала (восстановлении исходного гидравлического сопротивления) теплообменника до установленного значения (что определяет момент размораживания и удаления конденсата) включается нормальная схема работы рекуператора: включается приточный вентилятор 16, открываются клапаны 7 и 19 и закрывается клапан 9 в байпасном канале. На чертеже представлено устройство, реализующее способ предотвращения замерзания теплообменника. В устройстве для осуществления способа, состоящем из корпуса 1, рекуператора тепла 2, приточного 3-4 и вытяжного 5-6 каналов, вентиляционные выбросы из квартиры, побуждаемые вытяжным вентилятором 17, поступают в нижнюю часть рекуператора через вход вытяжного канала 5, проходят через рекуператор 2, где охлаждаются в процессе теплообмена приточным воздухом, и уходят из рекуператора через выход канала 6, расположенный в верхней части рекуператора. Холодный приточный воздух поступает в рекуператор через вход приточного канала 3, расположенный в верхней части рекуператора, проходит через рекуператор 2, где нагревается в процессе теплообмена вентиляционными выбросами и уходит из рекуператора через выход канала 4, расположенный в нижней части рекуператора. Условно рекуператор можно разделить на три области, обозначенные на фигуре: 20 - область, где происходит сухой теплообмен без конденсации влаги, 21 - область теплообмена, где температура вентиляционных выбросов опускается ниже точки росы и на стенках каналов рекуператора конденсируется вода из вентиляционных выбросов и 22 - область теплообмена, где температура вентиляционных выбросов опускается ниже точки замерзания воды и на стенках каналов рекуператора конденсируется вода из вентиляционных выбросов и тут же замерзает. Влага, сконденсированная в области рекуператора 21, стекает по каналам рекуператора, нагревается приточным воздухом и попадает в конденсатоприемник 14, откуда через конденсатоотводчик 15 уходит из рекуператора. При такой схеме движения конденсата, навстречу вентиляционным выбросам, исключается возможность его замерзания в рекуператоре и в конденсатоотводчике при удалении конденсата. Влага, которая конденсируется в области 22, тут же замерзает на стенках каналов рекуператора. Процесс обмерзания пластин постепенный и на начальной стадии не представляет опасности для рекуператора. Однако постоянное нарастание льда приводит к уменьшению пропускной способности вытяжного канала и к разрушению рекуператора. Датчики 10-13 позволяют-3 016248 следить за изменением гидравлического сопротивления вытяжного канала рекуператора. При увеличении гидравлического сопротивления выше установленного порогового значения блок управления 18 направляет управляющий сигнал на выключение приточного вентилятора 16 и закрытие клапана 7 в приточном канале и 19 в вытяжном канале. Одновременно подается управляющий сигнал на открытие клапана 9 в байпасном канале. В этом случае вентиляционные выбросы через приточный канал поступают обратно в жилые помещения. Энергия вентиляционных выбросов растапливает лед в вытяжных каналах рекуператора, и удаляют из каналов лишнюю влагу, повышая влажность воздуха в жилых помещениях. При восстановлении гидравлического сопротивления вытяжного канала посредством блока управления 18 включается нормальная схема работы рекуператора: включается приточный вентилятор 16, открываются клапаны 7 и 19 и закрывается клапан 9 в байпасном канале. Источники информации 1. Ihle, Claus. Lftung und Lftheizung./Schriftenreihe: Der Heizungsingenieur. - Band 3. - Auflage 6,neubearb. - Karlsruhe: Werner, 1997. 2. Neue Tendenzen in der Gebudelftung//10 Internationale passivhaustangung 2006 (19.05-20.05.2006,Hannover), Arbeitsgruppe 2: neuea zur passivhauslftung. - S. 111-116. 3. Bestellformular fr WRG-Gerte atmos 175 DC Bauform 1, 2 und 3: [бланк заказа]/Paul Wrmerckgewinnung. - Mlsen St. Jacob, 2004. - 2 s. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ предотвращения замерзания конденсата в теплообменнике, состоящий в том, что при замерзании конденсата и образовании льда в каналах рекуператора выключают подачу холодного воздуха в один из каналов рекуператора, отличающийся тем, что при отрицательной наружной температуре воздуха дополнительно контролируют гидравлическое сопротивление вытяжного канала теплообменника,при увеличении гидравлического сопротивления до установленного порогового значения перекрывают поступление наружного воздуха в приточный воздуховод, выключают приточный вентилятор и направляют воздух с выхода вытяжного канала рекуператора в приточный канал, далее контролируют разность температур на входе вытяжного и выходе приточного каналов рекуператора, при достижении установленного исходного значения разностью температур или гидравлическим сопротивлением открывают поступление холодного воздуха в приточный канал и вытяжного воздуха наружу. 2. Рекуперационный теплообменник с функцией предотвращения замерзания сконденсированной влаги, содержащий корпус рекуператора, приточный и вытяжной каналы с приточным и вытяжным вентиляторами для организации движения в вытяжном канале рекуператора теплого воздуха снизу вверх, а в приточном канале холодного воздуха сверху вниз, конденсатоприемник с каналом-отводчиком конденсата, отличающийся тем, что дополнительно содержит байпасный канал (8) с клапаном открываниязакрывания (9), клапан (7) в приточном канале, клапан (19) в вытяжном канале, датчики (10)-(13) и связанный с ними блок управления (18), выполненный с возможностью осуществления контроля за изменением гидравлического сопротивления вытяжного канала рекуператора до пороговой величины, достигаемой в момент замерзания конденсата, и формирования управляющих сигналов на выключение приточного вентилятора, закрывание клапана (7) в приточном канале и клапана (19) в вытяжном канале и одновременное открывание клапана (9) в байпасном канале.