Теплообменное устройство и способ теплообмена между воздухом и текучей средой, транспортируемой внутри теплообменника
Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в теплообменных устройствах для осуществления теплообмена между воздухом и текучей средой. Изобретение заключается в том, что в теплообменном устройстве, содержащем корпус (2) по меньшей мере с одним впускным отверстием (3) и по меньшей мере одним выпускным отверстием (4), расположен по меньшей мере один теплообменник, причем каждый теплообменник (1) содержит несколько трубопроводов (10), сгруппированных в ветви (T1, T2, T3), причём с каждым теплообменником (1) связан по меньшей мере один элемент (5, 5') направления воздуха, причём элементы (5, 5') направления воздуха, связанные с теплообменником (1), выполнены с возможностью разделения потока воздуха, входящего через впускное отверстие (3), на несколько частичных потоков (S1, S2, S3). Технический результат – повышение эффективности работы теплообменного устройства путем обеспечения выравнивания теплопередачи в отдельных ветвях каждого теплообменника (1). 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 9 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к теплообменному устройству для осуществления теплообмена между воздухом и текучей средой, транспортируемой по меньшей мере внутри одного теплообменника, с признаками, раскрытыми в ограничительной части пункта 1 формулы изобретения, и к способу теплообмена между воздухом и текучей средой, транспортируемой внутри теплообменника, с признаками, раскрытыми в ограничительной части пункта 20 формулы.
Уровень техники
Подобные теплообменные устройства могут использоваться, например, в качестве испарителей в холодильных машинах или холодильных установках, охлаждающих забираемый из окружающей среды воздух, или в тепловых насосах.
В частности, такие теплообменные устройства могут использоваться в кондиционерах для охлаждения воздуха в помещениях большого объема, например, складах или холодильных камерах. Используемые для этого кондиционеры являются частью оборудования склада или холодильной камеры и устанавливаются внутри них стационарно. Кондиционер содержит теплообменник, например, в виде радиатора, мимо которого или через которое проходит охлаждаемый воздух, причем теплообменник отбирает тепло от воздуха и охлаждает воздух. Теплообменник может представлять собой радиатор с системой труб или каналов, по которым протекает охлаждающая жидкость или хладагент. Кроме того, теплообменник может представлять собой испаритель с системой труб или каналов, по которым протекает двухфазный хладагент. Система труб или каналов испарителя соединена с компрессором и конденсатором или промежуточным холодильником, как правило, находящимися вне охлаждаемого помещения (например, на крыше здания, в котором находится склад или холодильная камера). Конденсатор или промежуточный холодильник соединен трубопроводами с испарителем кондиционера, что позволяет пропускать через испаритель хладагент в жидком агрегатном состоянии и под низким давлением. Когда подлежащий охлаждению воздух склада или холодильной камеры проходит через испаритель, исходно жидкий хладагент испаряется, отбирая тепло от проходящего воздуха. Испарившийся хладагент возвращается по трубопроводу в компрессор и конденсатор или промежуточный холодильник, в котором сжижается или охлаждается путем сжатия.
Например, в патентной заявке ЕР 836057 В1 раскрыта холодильная машина, выполненная в виде двухпоточного испарителя и содержащая корпус, в котором предусмотрено несколько отверстий для входа воздуха, последовательно расположенных на расстоянии друг от друга в продольном направлении корпуса, и два отверстия для выхода воздуха, причем отверстия для входа воздуха расположены, по существу, в горизонтальной плоскости, а два отверстия для выхода воздуха - по существу, в вертикальной плоскости. В каждом отверстии для входа воздуха расположен вентилятор, а с каждым отверстием для выхода воздуха соединен радиатор, содержащий контур циркуляции охлаждающей или теплопередающей текучей среды. Вентиляторы, расположенные в отверстиях для входа воздуха, всасывают воздух из окружающей среды и прогоняют его через радиаторы, при этом происходит теплообмен между всасываемым воздухом и холодо- или теплопередающей текучей средой, циркулирующей в теплообменниках, что приводит к охлаждению всасываемого воздуха и испарению текучей среды в теплообменниках.
Недостаток подобных теплообменных устройств заключается в неравномерности потока всасываемого воздуха в обтекаемом поперечном сечении радиатора, выраженной в различной плотности или скорости потока в обтекаемом поперечном сечении радиатора. Поэтому в радиаторах имеются области с различной эффективностью теплопередачи или теплообмена. Поскольку хладагент в жидком виде не может поступать в компрессор, установленный после теплообменного устройства, в радиаторе обычно происходит перегрев, обеспечивающий полное испарение хладагента в радиаторе до того, как он попадет в компрессор. Во время работы управление теплообменным устройством осуществляется таким образом, чтобы в радиатор поступало лишь такое количество хладагента, которое теплообменник может полностью испарить. При этом известна схема, согласно которой трубы радиатора, в которые направляют хладагент, нагружаются жидким хладагентом по отдельным ветвям, причем хладагент протекает по отдельным ветвям труб параллельно друг другу. Если различные области радиатора имеют разную эффективность теплопередачи или теплообмена, ветвь с наиболее низкой эффективностью теплопередачи или теплообмена определяет максимальное количество хладагента, подаваемого в ветви за единицу времени, при котором может быть обеспечено полное испарение хладагента во всех ветвях. Это может привести к преждевременному испарению текучей среды, транспортируемой в радиаторе и, тем самым, к снижению эффективности теплообменного устройства в некоторых ветвях с более высокой эффективностью теплопередачи или теплообмена, так как области или ветви радиатора с более высокой эффективностью теплопередачи или теплообмена работают в неоптимальных условиях эксплуатации.
В патентной заявке ЕР 2759795 А2 для выравнивания потока через радиаторы теплообменного устройства предложена схема, в которой по меньшей мере одно устройство направления потока расположено в области вне обтекаемого поперечного сечения радиатора, причем устройство направления потока влияет на поток воздуха, поступающий в краевых областях радиатора. В частности, расположение устройств направления потока вне обтекаемого поперечного сечения радиатора гарантирует, что через (верхнюю) краевую область радиатора также будет проходить достаточное количество воздуха. В частности, устройства направления потока направляют воздух, обтекающий крышку корпуса теплообменного устройства, в верхние краевые области радиатора.
В патентной заявке ЕР 2365271 А2 предложен другой подход к предотвращению снижения эффективности, обусловленного неравномерным прохождением воздуха через радиаторы. Эта заявка раскрывает обдуваемый воздухом испаритель, который может использоваться, в частности, в воздушно-водяном тепловом насосе, причем испаритель содержит по меньшей мере две линии хладагента, выполненные с возможностью обтекания воздухом, причем первая линия хладагента проложена в первой области испарителя, а вторая линия хладагента - во второй области испарителя. Вследствие неравномерности обтекания линий хладагента, служащих теплообменниками между поступающим воздухом и текучей средой, транспортируемой по линиям хладагента, при работе испарителя скорость потока воздуха в первой области выше, чем во второй. В результате линии хладагента в первой и второй областях имеют различную эффективность теплопередачи, что может привести к перегреву текучей среды, транспортируемой по линиям хладагента, в области с более высокой эффективностью теплопередачи. Для предотвращения такого явления линии хладагента выполнены различным образом или могут быть адаптированы друг к другу таким образом, чтобы эффективность теплопередачи или испарения в той линии хладагента, на которую воздух поступает с более низкой скоростью, была выше, чем в другой линии хладагента. Это позволяет повысить эффективность испарителя. Чтобы задать различные коэффициенты испарения в двух и более линиях хладагента, предпочтительно, по меньшей мере в одной линии хладагента предусмотрены регулируемые средства понижения давления, а испаритель содержит измерительные приборы для измерения эксплуатационных параметров, например скорости потока воздуха, обтекающего линии хладагента, а также давления и температуры текучей среды, транспортируемой в линиях хладагента. Расположение средств понижения давления в линиях хладагента приводит к снижению давления потока текучей среды, протекающей по линиям хладагента, и, следовательно, снижению эффективности. Размещение измерительных приборов в испарителе является сложным и дорогостоящим процессом, а также требует высоких затрат на техническое обслуживание.
Раскрытие сущности изобретения
Таким образом, задачей изобретения является разработка максимально простого и недорогого в изготовлении теплообменного устройства, отличающегося максимально возможной эффективностью. В частности, в теплообменном устройстве по меньшей мере с одним теплообменником, содержащим несколько различных ветвей трубопровода, необходимо выравнить теплопередачу в отдельных ветвях.
Поставленные задачи решены теплообменным устройством с признаками, раскрытыми в пункте 1 формулы изобретения, и способом с признаками, раскрытыми в пункте 20 формулы. Предпочтительные варианты осуществления теплообменного устройства и способа раскрыты в зависимых пунктах формулы.
Теплообменное устройство согласно изобретению содержит корпус по меньшей мере с одним впускным и по меньшей мере одним выпускным отверстием, а также по меньшей мере один теплообменник, который размещен внутри корпуса, и внутри которого транспортируется текучая среда, например охлаждающая жидкость или хладагент. Один или каждый теплообменник, размещенный в корпусе, имеет приточную поверхность, которую может обтекать воздух, например, всасываемый из окружающей среды. Для выравнивания потока воздуха, поступающего в теплообменник, в частности, в отношении скорости потока воздуха в обтекаемом поперечном сечении приточной поверхности, в теплообменном устройстве согласно изобретению с одним или каждым теплообменником связан по меньшей мере один элемент направления воздуха, расположенный в пределах обтекаемого поперечного сечения приточной поверхности соответствующего теплообменника и разделяющий поток воздуха, поступающий через впускное отверстие, по меньшей мере на два частичных потока, при этом один из частичных потоков отклоняется в направлении соответствующего теплообменника указанным или одним из элементов направления воздуха.
Разделение потока воздуха, поступающего в теплообменное устройство через впускное отверстие корпуса, на два частичных потока позволяет выравнить скорость или плотность потока воздуха, поступающего на приточную поверхность одного или каждого теплообменника. При этом, предпочтительно, частичные потоки встречаются в различных местах или областях обтекаемого поперечного сечения на приточной поверхности теплообменника.
Один или каждый элемент направления воздуха, связанный с теплообменником, предпочтительно, расположен в пределах обтекаемого поперечного сечения приточной поверхности соответствующего теплообменника таким образом, чтобы общее количество воздуха, проходящего через впускное отверстие корпуса, равномерно распределялось на два или более частичных потока с одинаковой или по меньшей мере схожей плотностью или скоростью потока. Один или каждый элемент направления воздуха, связанный с теплообменником, имеет форму, позволяющую отклонять по меньшей мере один частичный поток в направлении приточной поверхности соответствующего теплообменника. При этом один или несколько элементов направления воздуха отклоняют по меньшей мере один частичный поток таким образом, чтобы этот частичный поток был ориентирован, по меньшей мере по существу, перпендикулярно приточной поверхности теплообменника. Указанный частичный поток или другие частичные потоки могут отклоняться дополнительными отклоняющими устройствами, например, участками стенки корпуса, в направлении приточной поверхности теплообменника.
В одном из вариантов осуществления корпус теплообменного устройства согласно изобретению выполнен в форме короба и содержит верхнюю стенку, выполненную в виде крышки, нижнюю стенку, выполненную в виде основания, а также боковые стенки, расположенные между ними и перпендикулярно им, причем одно или каждое впускное отверстие расположено в нижней стенке, а одно или каждое выпускное отверстие - в боковой стенке. Корпус можно закрепить на потолке помещения, например, посредством верхней стенки, выполненной в виде крышки. При этом в каждом впускном отверстии расположен вентилятор, всасывающий воздух из помещения и направляющий его внутрь корпуса. Предпочтительно, один или каждый вентилятор выполнен в виде осевого вентилятора. При этом в каждом выпускном отверстии расположен теплообменник, например, в виде радиатора, в частности, испарителя. При этом с каждым теплообменником связан по меньшей мере один элемент направления воздуха, расположенный в пределах поперечного сечения приточной поверхности соответствующего теплообменника. Воздух, всасываемый вентилятором, разделяется элементом направления воздуха или элементами направления воздуха на два или более частичных потока, по меньшей мере один из которых отклоняется элементом направления воздуха в направлении к соответствующему теплообменнику. Частичные потоки проходят через соответствующий теплообменник, осуществляя теплообмен с текучей средой, транспортируемой в указанном теплообменнике, после чего выходят из корпуса через выпускное отверстие, связанное с соответствующим теплообменником.
В одном из вариантов осуществления теплообменное устройство содержит два теплообменника, расположенные друг напротив друга в боковых стенках корпуса. В зависимости от требуемой мощности теплообменное устройство содержит несколько впускных отверстий, расположенных последовательно в продольном направлении на расстоянии друг от друга, причем в каждом из них установлен вентилятор. При этом целесообразно, что каждый вентилятор расположен в сопле. Для этого каждое входное отверстие окружено сопловым кольцом, выступающим внутрь корпуса, а вентилятор по меньшей мере частично расположен внутри соплового кольца. В частности, лопасти вентилятора по меньшей мере частично входят в сопловое кольцо. Предпочтительно, один или каждый вентилятор представляет собой осевой вентилятор по меньшей мере частично расположенный вне обтекаемого поперечного сечения (Q) теплообменника.
Улучшение протекания воздуха, всасываемого через одно или каждое впускное отверстие, и отклонение частичных потоков на приточную поверхность теплообменников, расположенных в корпусе, может быть достигнуто в том случае, если верхняя стенка корпуса, расположенная напротив одного или каждого впускного отверстия, содержит внешний участок и примыкающий к нему внутренний участок, причем внешний участок (целесообразно с обеих сторон) примыкает к теплообменнику и ограничивает обтекаемое поперечное сечение приточной поверхности этого теплообменника, а внутренний участок содержит выступ, выступающий внутрь корпуса в направлении впускного отверстия к внешнему участку, причем на выступе закреплен вентилятор. В частности, вращающийся вал вентилятора закреплен на выступе с возможностью вращения.
Выступ, выступающий внутрь корпуса в данном варианте осуществления, может быть выполнен, например, из пластины трапециевидного поперечного сечения, закрепленной на верхней стенке корпуса. Такая геометрия позволяет отклонять верхний частичный поток или верхние частичные потоки в направлении приточной поверхности теплообменника.
Переход между выступом и внешним участком верхней стенки может быть образован, например, участком стенки, изогнутым расположенным под тупым углом к внешнему участку.
Один или каждый элемент направления воздуха, связанный с теплообменником, может быть выполнен, например, в форме пластины или планки, в частности, пластины, направляющей воздух и проходящей в пределах обтекаемого поперечного сечения приточной поверхности соответствующего теплообменника в продольном направлении теплообменного устройства и по меньшей мере по существу параллельно верхней или нижней стенке корпуса. Для отклонения нижнего частичного потока, формируемого соответствующим элементом направления воздуха, в направлении приточной поверхности соответствующего теплообменника один или каждый элемент направления воздуха целесообразным образом изгибается вниз или своим краем наклонен вниз. В особенно целесообразном варианте нижняя сторона одного или каждого элемента направления воздуха, обращенная к нижней стенке корпуса, вогнута, или же краевые области элемента направления воздуха загнуты под углом к нижней стенке корпуса. Это позволяет целенаправленно отклонять нижний частичный поток в направлении нижней, расположенной со стороны основания, области приточной поверхности соответствующего теплообменника.
Положение одного или каждого элемента направления воздуха относительно нижней стенки корпуса можно соответствующим образом регулировать, например, поворотом элемента направления воздуха. Регулировка положения элемента направления воздуха относительно нижней стенки корпуса или приточной поверхности соответствующего теплообменника позволяет изменять, с одной стороны, количество воздуха в отдельных частичных потоках, а, с другой стороны, направление указанных частичных потоков, а также адаптировать их к предъявляемым требованиям.
Чтобы свести к минимуму потери потока, целесообразно выполнить один или каждый элемент направления воздуха обтекаемой формы, например, в форме несущей плоскости. В частности, в теплообменных устройствах со сравнительно высокими теплообменниками, в которых несколько ветвей труб расположены друг над другом, каждому теплообменнику можно назначить более одного элемента направления воздуха, причем несколько элементов направления воздуха расположены друг над другом и на расстоянии друг от друга в пределах обтекаемого поперечного сечения теплообменника. В результате воздух, поступающий через впускное отверстие, делится более чем на два частичных потока, что позволяет выравнить количество или плотности потока отдельных частичных потоков по обтекаемому поперечному сечению теплообменника. В результате воздух равномерно обтекает каждую область теплообменника или каждую ветвь трубопроводов в теплообменнике, благодаря чему каждая область или ветвь теплообменника характеризуется одинаковой эффективностью теплопередачи. Это предотвращает перегрев текучей среды в отдельных ветвях теплообменника, что повышает эффективность теплообменного устройства.
Краткое описание чертежей
Эти и прочие преимущества и признаки изобретения следуют из вариантов осуществления, подробно описанных ниже со ссылкой на прилагаемые фигуры, на которых изображено:
Фигура 1: вид в аксонометрии первого варианта осуществления теплообменного устройства согласно изобретению.
Фигура 2: детальный вид внутренней части теплообменного устройства, изображенного на фигуре 1.
Фигура 3: поперечный разрез теплообменного устройства, изображенного на фигуре 1.
Фигура 4: детальный вид внутренней части теплообменного устройства, изображенного на фигуре 1, в аксонометрии снизу.
Фигура 5: вид в плане теплообменного устройства, изображенного на фигуре 1, со снятой крышкой корпуса.
Фигура 6: схематичное изображение других вариантов осуществления теплообменных устройств согласно изобретению.
Фигура 7: схематичное изображение других вариантов осуществления теплообменных устройств согласно изобретению.
Фигура 8: схематичное изображение других вариантов осуществления теплообменных устройств согласно изобретению.
Фигура 9: схематичное изображение варианта осуществления описываемого изобретением теплообменного устройства с двумя теплообменниками, каждый из которых содержит несколько трубопроводов, сгруппированных в ветви.
Осуществление изобретения
На фигурах 1-5 изображен первый вариант осуществления теплообменного устройства согласно изобретению с двумя теплообменниками 1а, 1b, расположенными в корпусе 2, причем на фигурах 2-5 изображена внутренняя часть корпуса 2. Для повышения наглядности на фигурах 2 и 3 отсутствует передняя боковая стенка корпуса, на фигуре 4 - передняя боковая и нижняя стенка, а на фигуре 5 - верхняя стенка корпуса, что открывает вид на внутреннюю часть корпуса 2.
Оба теплообменника 1а, 1b расположены в корпусе 2 зеркально симметрично относительно центральной продольной плоскости корпуса 2, параллельно и на расстоянии друг от друга. При этом каждый теплообменник 1а, 1b содержит три теплообменных блока 1, 1', 1'', расположенных последовательно в продольном направлении L теплообменного устройства, как показано на фигуре 1. При этом каждый теплообменный блок 1, 1', 1'' расположен в выпускном отверстии 4, 4', 4'' корпуса 2. В дальнейшем под теплообменником 1 понимают один из теплообменников 1а или 1b или оба теплообменника 1а, 1b, а под выпускным отверстием 4 - выпускное отверстие 4, 4', 4'', в каждом из которых расположен теплообменный блок 1, 1', 1''.
Как показано на фиг. 1, корпус 2 имеет форму короба и содержит верхнюю стенку 2а, выполненную в виде крышки, нижнюю стенку 2b, выполненную в виде основания, и боковые стенки 2 с, расположенные между ними и перпендикулярно им. В обеих продольных боковых стенках 2 с предусмотрены выпускные отверстия 4 с установленными в них теплообменниками 1. В нижней стенке 2b предусмотрено несколько (в данном варианте - три) впускных отверстий 3, последовательно расположенных в продольном направлении L на расстоянии друг от друга. В каждое впускное отверстие 3 установлен вентилятор 6, 6', 6''. Под вентилятором 6 понимают вентиляторы 6, 6', 6'' или один из трех вентиляторов 6, 6', 6''.
Теплообменное устройство можно расположить, например, на потолке помещения, прикрепив к потолку верхнюю стенку 2а. При таком расположении верхняя стенка 2а и нижняя стенка 2b расположены в горизонтальной плоскости параллельно потолку помещения.
Как показано на фигурах 2-4, верхняя стенка 2а содержит пластину 20 трапециевидного поперечного сечения, содержащую горизонтальный внешний участок 20а, проходящий под тупым углом и наклонно внутрь средний участок 20b и горизонтальный внутренний участок 20 с и выполненную зеркально симметрично относительно центральной продольной плоскости корпуса 2. Таким образом, трапециевидная пластина 20 образует выступ 9, ориентированный в продольном направлении L в области центральной продольной плоскости, образованный внутренним участком 20 с и выступающий внутрь относительно внешнего участка 20а корпуса 2. Таким образом, горизонтальный внешний участок 20а пластины 20 ограничивает обтекаемое поперечное сечение Q приточной поверхности теплообменников (1) в направлении вверх. В направлении вниз обтекаемое поперечное сечение Q ограничено нижней стенкой 2b корпуса 2.
Вентиляторы 6, 6', 6'' расположены на выступе 9, как показано, например, на фигуре 4. При этом каждый вентилятор 6 содержит вращаемый роторный вал 16 и установленные на нем лопасти 7, ориентированные в радиальном направлении. Роторный вал 16 каждого вентилятора 6 закреплен на выступе 9 с возможностью вращения и соединен с не показанным на фигуре двигателем, приводящим вентилятор 6 во вращение.
Как показано на фигурах 2 и 3, лопасти 7 каждого вентилятора 6 расположены в сопле. При этом сопло образовано сопловым кольцом 8, выступающим внутрь корпуса 2 и расположенным вокруг круглого впускного отверстия 3. На фигурах 2 и 3 также показано, что лопасти 7 вентилятора 6 частично входят в сопловое кольцо 8, а их оставшаяся верхняя часть выступает за верхнюю кромку соплового кольца 8.
Теплообменники 1, расположенные в корпусе 2, представляют собой испарители или радиаторы, например, пластинчатые, оребренные трубчатые или микроканальные радиаторы. При этом каждый теплообменник 1 содержит несколько трубопроводов 10, которые проходят в продольном направлении L параллельно друг другу, и по которым транспортируется текучая среда, например охлаждающая жидкость или хладагент. При этом торцевые концы трубопроводов 10 теплообменника 1 можно соединить между собой соединительными элементами. Это позволяет реализовать многократное прохождение текучей среды через теплообменник 1. При этом, выбрав подходящую схему соединения трубопроводов 10, можно получить различные ветви Т1, Т2, Т3 в одном теплообменнике 1, как схематично показано на фигуре 9. Если теплообменник 1 содержит несколько теплообменных блоков 1, 1', 1'', то трубопроводы 10 соседних теплообменных блоков 1, 1', 1'' соединяются друг с другом для передачи текучей среды из одного теплообменного блока в другой.
Под каждым теплообменником 1 находится коллекторный канал или поддон 11, ориентированный в продольном направлении L. Он служит для сбора конденсата, который может образовываться на поверхности радиаторов 1, в частности, на внешних поверхностях трубопроводов 10.
На фигурах 2-4 также показано, что с каждым теплообменником 1 связан элемент 5 направления воздуха. В варианте осуществления, изображенном на фиг. 2-4, элемент 5а направления воздуха связан с теплообменником 1а, а элемент 5b направления воздуха - с теплообменником 1b. В дальнейшем под элементом 5 направления воздуха понимают один или оба из элементов 5а, 5b направления воздуха. Элементы 5 направления воздуха выполнены в виде планок или пластин, например, вытянутых пластин. Каждый элемент 5 направления воздуха, связанный с теплообменником 1, расположен выше по потоку и в пределах обтекаемого поперечного сечения Q, а также на расстоянии от приточной поверхности теплообменника 1, и ориентирован в продольном направлении L теплообменного устройства. При этом, целесообразно, что каждый элемент 5 направления воздуха имеет длину, равную полному протяжению теплообменного устройства в продольном направлении L, как показано на фигуре 4, то есть полной длине теплообменных блоков 1, 1', 1'', последовательно расположенных в продольном направлении L.
В варианте осуществления, показанном на фигурах 1-4, каждый элемент 5 направления воздуха содержит три участка, а именно, горизонтальный центральный участок и боковые участки, отогнутые вниз под тупым углом относительно центрального участка.
Вентиляторы 6, предпочтительно, выполненные в виде осевых вентиляторов, всасывают воздух из окружающей среды и направляют его внутрь корпуса 3 через впускные отверстия 3. Элементы 5 направления воздуха, связанные с каждым теплообменником 1, делят входящий поток воздуха на два частичных потока S1, S2. Каждый из этих частичных потоков S1, S2 движется в соответствующем направлении j1, j2 к приточной поверхности соответствующего теплообменника 1. При этом нижний частичный поток S1 отклоняется изогнутым элементом 5 направления воздуха под углом вниз в направлении нижнего участка приточной поверхности теплообменника 1. Такое отклонение нижнего частичного потока S1 в направлении нижней части приточной поверхности теплообменника 1 обеспечивается, в частности, отогнутым участком элемента 5 направления воздуха, расположенным ниже по потоку. Верхний частичный поток S2 проходит между верхней стороной элемента 5 направления воздуха и трапециевидной пластиной 20 и при этом частично отражается от верхней стенки 2а или горизонтального внешнего участка 20а пластины 20. Таким образом, верхний частичный поток S2 движется в направлении j2 с небольшим наклоном вниз на верхнем участке к приточной поверхности теплообменника 1. Таким образом, элемент 5 направления воздуха, с которым связан теплообменник 1, разделяет воздух, поступающий через впускное отверстие 3, на нижний частичный поток S1 и верхний частичный поток S2, причем нижний частичный поток S1 отклоняется элементом 5 направления воздуха, а верхний частичный поток S2 - трапециевидной пластиной 20 в направлении приточной поверхности теплообменника 1. При этом оба частичных потока S1 и S2 попадают на различные области приточной поверхности теплообменника 1, обеспечивая тем самым равномерное обтекание теплообменника 1. При этом оба частичных потока S1, S2 характеризуются одинаковой скоростью или плотностью потока, то есть количество воздуха, поступающего в нижнем частичном потоке S1 на приточную поверхность теплообменника 1 за единицу времени на единицу площади, равно количеству воздуха, поступающего на приточную поверхность в верхнем частичном потоке S2.
Для установки целесообразного разделения поступающего количества воздуха на частичные потоки S1 и S2 элементы 5 направления воздуха могут иметь различные формы, в частности, в области, расположенной выше по потоку. Например, при использовании элементов 5 направления воздуха согласно фигурам 2-4 количество воздуха в нижнем частичном потоке S1 и верхнем частичном потоке S2 можно соответствующим образом регулировать, изменяя угол наклона участка, расположенного выше по потоку, относительно центрального горизонтального участка. Кроме того, распределение воздуха по двум частичным потокам S1 и S2 может изменяться в зависимости от положения соответствующего элемента 5 направления воздуха относительно теплообменника 1 или верхней стенки 2а / нижней стенки 2b. Поэтому целесообразен вариант, в котором элементы 5 направления воздуха установлены в корпусе 2 с возможностью поворота. Возможность поворота элементов 5 направления воздуха может быть реализована, например, с помощью поворотной опоры в передних боковых стенках 2 с корпуса 2. Поворачивая элементы 5 направления воздуха, можно изменять направление j1 нижнего частичного потока в требуемом приточном направлении на приточную поверхность теплообменника 1. При этом целесообразно установить направление j1 потока, перпендикулярное приточной поверхности соответствующего теплообменника 1, или, как показано на фигуре 3, ориентированное под небольшим углом вниз. Направление j2 верхнего частичного потока S2 зависит, по существу, от формы верхней стенки 2а корпуса 2 и, в представленном варианте осуществления, от формы расположенной там трапециевидной пластины 20. В меньшей степени на направление j2 верхнего частичного потока S2 влияет форма элемента 5 направления воздуха.
Моделирование потока показало, что наилучший режим потока может быть достигнут в том случае, если осевое расстояние d между лопастями 7 вентилятора 6 и выступом 9, на котором установлен роторный вал 16 вентилятора 6, составляет не менее четверти диаметра D лопастей 7 (фиг. 3). Благоприятный режим потока достигается также в том случае, если тупой угол между центральным горизонтальным участком и отогнутыми от него вниз краевыми участками элемента 5 направления воздуха одинаков и, в частности, составляет от 120° до 170°. Изменяя угол между участком, расположенным выше по потоку, и горизонтальным центральным участком элемента 5 направления воздуха, можно регулировать количество воздуха в обоих частичных потоках S1, S2. Если угол между участком, расположенным ниже по потоку, и горизонтальным центральным участком элемента 5 направления воздуха составляет порядка 160°, то количество воздуха, переносимого обоими частичными потоками S1, S2 на теплообменник 1 за единицу времени на единицу площади, будет приблизительно одинаковым. Изменяя угол между горизонтальным центральным участком и наклонным участком элемента 5 направления воздуха, расположенным ниже по потоку, можно регулировать направление j1 нижнего частичного потока S1.
Ширина горизонтального центрального участка элемента 5 направления воздуха целесообразным образом соответствует ширине отогнутых вниз участков элемента 5 направления воздуха. Общая ширина элемента 5 направления воздуха обозначена b на фиг. 3. Общая ширина b элемента 5 направления воздуха, то есть его протяженность перпендикулярно продольному направлению L, предпочтительно, составляет 1/3-1/2 диаметра D лопастей 7 вентилятора 6 (фиг. 3).
Кроме того, моделирование потока показало, что оптимальный режим потока может быть получен в том случае, если элемент 5 направления воздуха будет расположен примерно по центру обтекаемого поперечного сечения Q теплообменника 1, то есть расстояние между верхней кромкой соплового кольца 8 и нижней стороной центрального горизонтального участка элемента 5 направления воздуха примерно равно расстоянию между верхней стороной горизонтального центрального участка этого элемента 5 направления воздуха и горизонтальным внешним участком 20а пластины 20.
Кроме того, на режим потока влияет положение элементов 5 направления воздуха относительно лопастей 7 вентилятора 6. Подходящий режим потока может быть достигнут в том случае, если площадь поперечного сечения вентилятора 6, перекрываемая элементом 5 направления воздуха, составляет примерно 15-25% от общей площади вентилятора 6, перекрываемой лопастями 7 (1/4 D2π). Это показано на фигуре 5, причем площадь вентилятора 6, перекрываемая элементом 5а или 5b направления воздуха, показана штриховой линией.
На фигурах 6-8 схематично изображены другие варианты осуществления теплообменных устройств согласно изобретению, причем эти варианты, подобно изображенным на фигурах 1-5, содержат два теплообменника 1а, 1b, установленные в корпус по меньшей мере с одним впускным отверстием 3 и расположенным в нем вентилятором 6. Каждый теплообменник 1а, 1b расположен в соответствующем выпускном отверстии 4 в боковой стенке корпуса 2. При этом с каждым теплообменником 1 связан по меньшей мере один элемент 5 направления воздуха, то есть с теплообменником 1а связан по меньшей мере один элемент 5а направления воздуха, а с теплообменником 1b - по меньшей мере один элемент 5b направления воздуха.
На фигурах 6a-6f показаны различные варианты осуществления элементов 5а, 5b направления воздуха. Вариант осуществления, показанный на фигуре 6d, соответствует варианту осуществления согласно фигурам 2-5. В вариантах осуществления согласно фигурам 6d, 6е и 6f, подобно фигурам 1-5, трапециевидная пластина 20 расположена на верхней стенке 2а корпуса 2. Напротив, в вариантах осуществления, изображенных на фигурах 6а, 6b и 6с, предусмотрена плоская верхняя стенка 2а без трапециевидной пластины 20 на своей внутренней поверхности. В вариантах осуществления, изображенных на фиг. 6b и 6е, каждый элемент 5 направления воздуха (5а и 5b) содержит горизонтальный центральный участок и отогнутый от него вниз краевой участок, расположенный ниже по потоку. В вариантах осуществления согласно фигурам 6 с и 6f элементы 5 направления воздуха выполнены изогнутыми с выпуклой верхней стороной, обращенной к верхней стенке 2а корпуса 2.
На фигуре 7 также изображены различные варианты осуществления, причем в вариантах осуществления согласно фигурам 7а, 7b и 7 с отсутствует трапециевидная пластина 20 на внутренней стороне верхней стенки 2а, а в вариантах осуществления согласно фигурам 7d, 7е и 7f предусмотрена трапециевидная пластина 20 на внутренней стороне верхней стенки 2а. В вариантах осуществления, изображенных на фигурах 7а и 7d, предусмотрены элементы 5а, 5b направления воздуха, имеющие каплеобразную или обтекаемую форму. На фигурах 7b и 7е изображены теплообменные устройства, в которых с каждым теплообменником связаны два элемента 5, 5' направления воздуха, расположенные друг над другом, причем верхний элемент 5 направления воздуха смещен относительно нижнего элемента 5' направления воздуха в сторону соответствующего теплообменника 1.
В вариантах осуществления согласно фиг. 7 с и 7f форма элементов 5а, 5b направления воздуха соответствует фигурам 6а и 6d, но с поворотом примерно на 45° против часовой стрелки.
В вариантах осуществления согласно фигурам 8а и 8 с также предусмотрены элементы 5а, 5b направления воздуха каплевидной или обтекаемой формы, повернутые примерно на 45° против часовой стрелки относительно вариантов, показанных на фигурах 5а и 5b.
В вариантах осуществления согласно фигурам 8b и 8d с каждым теплообменником 1 связаны два элемента 5, 5' направления воздуха, каждый из которых имеет форму крыши.
Используя примеры, показанные на фигурах 6-8, специалист в данной области техники сможет разработать другие варианты с подходящей конструкцией, расположением и формой элементов 5 направления воздуха.
Количество элементов 5 направления воздуха, связанных с каждым теплообменником 1, адаптируют к размеру и, в частности, высоте соответствующего теплообменника 1. Для более высоких теплообменников 1 с одним теплообменником 1 могут быть связаны более двух элементов направления воздуха. Если теплообменнику соответствует более одного элемента направления воздуха, то воздух, поступающий через впускное отверстие 3, разделяется более чем на два частичных потока, каждый из которых поступает в различные области на приточной поверхности соответствующего теплообменника.
Использование нескольких элементов направления воздуха на один теплообменник имеет смысл, в частности, для теплообменников 1, разделенных на несколько расположенных друг над другом ветвей трубопроводов.
На фигуре 9 схематично показан подобный вариант осуществления теплообменного устройства, описываемого изобретением, с двумя теплообменниками 1а, 1b, каждый из которых содержит несколько трубопроводов 10, сгруппированных в ветви Т1, Т2, Т3. Трубопроводы 10 теплообменника 1 соединены между собой таким образом, чтобы три ветви Т1, Т2, Т3 располагались друг над другом. В эти ветви параллельно поступает текучая среда (холодная или находящаяся в жидком состоянии) через питающую линию 21 и распределитель. Текучая среда протекает через трубопроводы 10 ветвей Т1, Т2, Т3, осуществляя теплообмен с проходящим через теплообменник 1 воздухом, в процессе чего она нагревается или испаряется. Испаренная жидкость собирается в коллекторной линии 22, соединенной с ветвями Т1, Т2, Т3 теплообменника 1, и направляется, например, на компрессор (не показанный на фигуре) и следующий за ним конденсатор. При этом с каждым теплообменником 1 соединены два элемента 5, 5' направления воздуха. В результате воздух, поступающий через впускное отверстие 3, разделяется на частичные потоки S1, S2 и S3, отклоняемые в направлении приточной поверхности теплообменника 1, как показано на фигуре 9, в частности, для теплообменника 1а. Форма и расположение элементов 5, 5' направления воздуха выбраны таким образом, чтобы к каждой ветви Т1, Т2, Т3 теплообменника 1 поступал частичный поток S1, S2 и S3, и соответствующий частичный поток попадал на тот участок приточной поверхности теплообменника 1, на котором расположена соответствующая ветвь Т1, Т2 или Т3.
Аналогично фигуре 9, в каждом теплообменнике 1 может быть предусмотрено более трех ветвей. При этом необязательно разделять воздух, проходящий через впускное отверстие 3, посредством элементов 5 направления воздуха на частичные потоки в количестве, соответствующем количеству ветвей теплообменника. Для обеспечения равномерного обтекания воздухом приточной поверхности теплообменника может оказаться достаточным назначить каждому теплообменнику 1 только один элемент 5 направления воздуха. При этом, предпочтительно, каждая ветвь будет равномерно обтекаться потоком воздуха с одинаковой скоростью или плотностью.
Изобретение не ограничивается вариантами осуществления, изображенными на фигурах. В частности, количество впускных отверстий 3 и установленных в них вентиляторов 6 можно адаптировать к требуемой мощности теплообменного устройства. Соответственно, количество теплообменных блоков 1, 1', 1'' может быть адаптировано к требуемой мощности теплообменного устройства.
1. Теплообменное устройство для осуществления теплообмена между воздухом и текучей средой, транспортируемой по меньшей мере внутри одного теплообменника (1), причем теплообменное устройство содержит корпус (2) по меньшей мере с одним впускным отверстием (3) и по меньшей мере одним выпускным отверстием (4), причем в указанном корпусе расположен один или каждый теплообменник (1), причем один или каждый теплообменник (1) содержит приточную поверхность, через которую предусмотрена возможность поступления воздуха в теплообменник (1), причем с каждым теплообменником (1) связан по меньшей мере один элемент (5) направления воздуха, расположенный в пределах обтекаемого поперечного сечения (Q) приточной поверхности соответствующего теплообменника (1) и выполненный с возможностью разделения потока воздуха, поступающего через впускное отверстие (3) по меньшей мере на два частичных потока (S1, S2) и отклонения по меньшей мере одного частичного потока (S1) в направлении соответствующего теплообменника (1), отличающееся тем, что каждый теплообменник (1) содержит несколько трубопроводов (10), сгруппированных в ветви (Т1, Т2, Т3), причем с каждым теплообменником (1) связан по меньшей мере один элемент (5, 5') направления воздуха, причем элементы (5, 5') направления воздуха, связанные с теплообменником (1), выполнены с возможностью разделения потока воздуха, входящего через впускное отверстие (3), на несколько частичных потоков (S1, S2, S3).
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что обтекаемое поперечное сечение (Q) приточной поверхности одного или каждого теплообменника (1) ограничено стенками (2а, 2b) корпуса (2).
3. Устройство по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что корпус (2) содержит верхнюю стенку (2а), выполненную в виде крышки, нижнюю стенку (2b), выполненную в виде основания, а также расположенные между ними и перпендикулярно им боковые стенки (2с), причем одно или каждое впускное отверстие (3) расположено в нижней стенке (2b), а одно или каждое выпускное отверстие (4) - в боковой стенке (2с).
4. Устройство по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что один или каждый теплообменник (1) расположен в выпускном отверстии (4).
5. Устройство по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что в корпусе (2) расположен по меньшей мере один вентилятор (6) с лопастями (7), причем предпочтительно с каждым впускным отверстием (3) связан один вентилятор (6).
6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что одно или каждое впускное отверстие (3) окружено сопловым кольцом (8), выступающим внутрь корпуса (2), причем лопасти (7) вентилятора (6), связанного с соответствующим впускным отверстием (3), по меньшей мере частично входят в сопловое кольцо (8).
7. Устройство по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что корпус (2) содержит верхнюю стенку (2а), расположенную напротив одного или каждого впускного отверстия (3) и содержащую по меньшей мере один внешний участок (20а) и один внутренний участок (20с), причем внешний участок (20а) примыкает к теплообменнику (1) и ограничивает обтекаемое поперечное сечение (Q) приточной поверхности этого теплообменника (1), а внутренний участок (20b) образует выступ (9), выступающий внутрь корпуса (2) в направлении впускного отверстия (3) относительно внешнего участка (20а').
8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что на выступе (9) закреплен по меньшей мере один вентилятор (6).
9. Устройство по п. 7 или 8, отличающееся тем, что внешний участок (20а) и внутренний участок (20с), а также выступ (9), выступающий внутрь корпуса (2) относительно внешнего участка (20а), образованы пластиной (20) трапециевидного поперечного сечения, расположенной на верхней стенке (2а) корпуса (2) или образующей верхнюю стенку (2а).
10. Устройство по п. 8 или 9, отличающееся тем, что вентилятор (6) содержит несколько лопастей (7), проходящих в радиальном направлении, причем лопасти (7) расположены на заданном расстоянии (d) от выступа (9) в осевом направлении вентилятора (6).
11. Устройство по п. 10, отличающееся тем, что осевое расстояние (d) между лопастями (7) вентилятора (6) и выступом (9) соответствует по меньшей мере одной четверти диаметра (D) лопастей (7).
12. Устройство по одному из пп. 8-11, отличающееся тем, что переход между выступом (9) и внешним участком (20а) верхней стенки (2а) образован изогнутым или расположенным под тупым углом к внешнему участку (20а) центральным участком (20b).
13. Устройство по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что с одним или с каждым теплообменником (1) связан по меньшей мере один элемент (5) направления воздуха в форме пластины или планки, расположенный в пределах обтекаемого поперечного сечения (Q) приточной поверхности в продольном направлении (L) теплообменного устройства.
14. Устройство по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что один или каждый элемент (5) направления воздуха расположен выше по потоку и в направлении потока (j1, j2) на расстоянии от приточной поверхности соответствующего теплообменника (1).
15. Устройство по одному из пп. 12 или 13, отличающееся тем, что один или каждый элемент (5) направления воздуха имеет отогнутую, изогнутую или обтекаемую форму и за счет этого выполнен с возможностью отклонения по меньшей мере одного частичного потока (S1) воздуха в направлении соответствующего теплообменника (1).
16. Устройство по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что с каждым теплообменником (1) связаны два или более элемента (5, 5') направления воздуха, расположенные на расстоянии друг от друга в вертикальном и/или горизонтальном направлении в пределах обтекаемого поперечного сечения (Q) приточной поверхности соответствующего теплообменника (1).
17. Устройство по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что в корпусе (2) расположены два теплообменника (1а, 1b), причем с каждым теплообменником (1а, 1b) связан по меньшей мере один элемент (5а, 5b) направления воздуха, причем теплообменники (1а, 1b) и элементы (5а, 5b) направления воздуха расположены зеркально симметрично относительно центральной продольной плоскости корпуса (2).
18. Устройство по одному из пп. 5-17, отличающееся тем, что один или каждый вентилятор (6) представляет собой осевой вентилятор, причем один или каждый осевой вентилятор по меньшей мере частично расположен вне обтекаемого поперечного сечения (Q) теплообменника (1) или теплообменников (1а, 1b).
19. Способ теплообмена между воздухом и текучей средой, транспортируемой в теплообменнике (1), причем теплообменник (1) расположен в корпусе (2) по меньшей мере с одним впускным отверстием (3) и по меньшей мере одним выпускным отверстием (4) и содержит приточную поверхность, причем каждый теплообменник (1) содержит несколько трубопроводов (10), сгруппированных в ветви (Т1, Т2, Т3), причем с каждым теплообменником (1) связан по меньшей мере один элемент (5, 5') направления воздуха, причем элементы (5, 5') направления воздуха, связанные с теплообменником (1), выполнены с возможностью разделения потока воздуха, входящего через впускное отверстие (3), на несколько частичных потоков (S1, S2, S3), отличающийся тем, что способ содержит следующие этапы:
- всасывание окружающего воздуха через впускное отверстие (3) внутрь корпуса (2),
- разделение потока всасываемого окружающего воздуха по меньшей мере на два частичных потока (S1, S2) за счет прохождения всасываемого окружающего воздуха по меньшей мере через один элемент (5) направления воздуха, связанный с теплообменником (1) и расположенный в пределах обтекаемого поперечного сечения (Q) приточной поверхности теплообменника (1),
- отклонение по меньшей мере одного частичного потока (S1) одним или каждым элементом (5) направления воздуха в направлении приточной поверхности теплообменника (1),
- введение частичных потоков (S1, S2) в теплообменник (1) на различных участках приточной поверхности,
- выпуск окружающего воздуха, прошедшего через теплообменник (1), через выпускное отверстие (4) после того, как в теплообменнике (1) будет осуществлен теплообмен между всасываемым окружающим воздухом и текучей средой, транспортируемой в теплообменнике (1).
20. Способ по п. 19, отличающийся тем, что частичные потоки (S1, S2) проходят через теплообменник (1) в направлении (j1, j2), причем направления (j1, j2) потока, по меньшей мере по существу, параллельны горизонтали или проходят под углом к ней.
21. Способ по п. 19 или 20, отличающийся тем, что частичные потоки (S1, S2) попадают на приточную поверхность теплообменника (1) в различных областях обтекаемого поперечного сечения (Q).
22. Способ по пп. 19-21, отличающийся тем, что текучая среда поступает в теплообменник (1) в жидком виде и испаряется в теплообменнике (1) вследствие теплообмена с всасываемым окружающим воздухом.
