BRPI0706700A2

BRPI0706700A2 - sistema e método de girar rodas em sistemas giratórios de desumidificação dessecante e recuperação de energia de ar para ar

Info

Publication number: BRPI0706700A2
Application number: BRPI0706700-3A
Authority: BR
Inventors: Donald F Steele; Ed Lovelace; Roger B Dickinson
Original assignee: Airxchange Inc
Priority date: 2006-01-19
Filing date: 2007-01-19
Publication date: 2011-04-05
Also published as: US20070273240A1; CN101485063A; JP2009524400A; EP1974438A2; CN101485063B; JP2013110963A; RU2427065C2; WO2007117345A2; EP1974438A4; RU2008133993A; CA2636731A1; WO2007117345A3

Abstract

SISTEMA E MéTODO DE GIRAR RODAS EM SISTEMAS GIRATóRIOS DE DESUMIDIFICAçãO DESSECANTE E RECUPERAçãO DE ENERGIA DE AR PARA AR Um sistema para e método de girar uma roda de transferência que fornece permuta de calor e/ou umidade entre duas correntes de ar em contracorrente. O sistema compreende: uma armação; uma roda de transferência incluindo uma matriz de transferência montada e fixada de forma rotacional em relação à armação de modo que a roda possa girar através das duas correntes de ar em contracorrente e calor e/ou umidade pode ser transferido entre as duas correntes de ar em contracorrente; e uma primeira pluralidade de componentes de motor montada de forma fixa em relação à roda de modo que componentes da primeira pluralidade funcionem como um rotor de um motor, e uma segunda pluralidade de componentes de motor montada de forma fixa em relação à armação de modo que componentes da segunda pluralidade funcionem como um estator de um motor; em que energia fornecida a componentes do motor da segunda pluralidade faz com que a roda de transferência gire através das duas correntes de ar em contracorrente.

Description

"SISTEMA E MÉTODO DE GIRAR RODAS EM SISTEMAS GIRA-TÓRIOS DE DESUMIDIFICAÇÃO DESSECANTE E RECUPERAÇÃO DEENERGIA DE AR PARA AR"

PEDIDOS RELACIONADOS

O presente pedido está relacionado a e reivindicaprioridade do pedido de patente provisional US 60/760.287depositado em 19 de janeiro de 2006.

Campo

A presente revelação refere-se genericamente a ro-das para transferência de umidade e energia e, mais particu-larmente a aperfeiçoamentos em sistemas para métodos de con-trolar a rotação de tais rodas em sistemas giratórios de de-sumidificação e umectação passiva e ativa e recuperação deenergia de ar para ar.

Antecedentes

Rodas para transferência de umidade e energia sãobem conhecidas para efetuar a transferência de calor e/ouumidade entre duas correntes de ar de contracorrente. Taisrodas de transferência são utilizadas, tipicamente, paracontrolar a temperatura e/ou umidade de ar no interior deedifícios, onde as correntes de ar de contracorrente podemser de ar que entra e que sai.

Um motor de acionamento é montado normalmente ad-jacente a e acoplado a uma polia e uma correia de acionamen-to para a roda de transferência de modo que a roda possa seracionada de forma rotacional em torno de seu eixo geométricodurante operação. Além disso, o motor de acionamento é nor-malmente selecionado a partir de um grupo grande que é tipi-camente empregado para tais aplicações, a seleção especificadependendo de vários fatores como tamanho e peso da roda, eos suprimentos de energia disponíveis do edifício que podemvariam de 120 a 575 VAC com freqüências tipicamente de 50 Hzou 60 Hz, fase única ou trifásica.

Por conseguinte, é desejável fornecer um motor ú-nico que possa operar na faixa completa de suprimentos deenergia esperados e freqüências operacionais, bem como for-necer velocidades rotacionais variáveis conforme necessário.

Sumário

Um sistema para e método de girar uma roda detransferência fornecendo permuta de calor e/ou umidade entreduas correntes de ar de contracorrente. 0 sistema compreen-de: uma armação; uma roda de transferência incluindo uma ma-triz de transferência montada e fixada de forma rotacionalem relação à armação de modo que a roda possa girar atravésde duas correntes de ar de contracorrente e calor e/ou umi-dade possa ser transferido entre as duas correntes de ar decontracorrente; e uma primeira pluralidade de componentes demotor montada de forma fixa em relação à roda de modo quecomponentes do motor da primeira pluralidade funcionem comoum rotor de um motor, e uma segunda pluralidade de componen-tes de motor montada de forma fixa em relação à armação demodo que componentes da segunda pluralidade funcionem comoum estator do motor; em que a energia fornecida para os com-ponentes do motor da segunda pluralidade faz com que a rodade transferência gire através das duas correntes de ar decontracorrente.Descrição geral dos desenhos

Faz-se referência aos desenhos em anexo, onde ele-mentos tendo as mesmas designações de caráter de referênciarepresentam elementos similares do inicio ao fim, e onde:

A Figura 1 mostra uma vista lateral, em seçãotransversal de um permutador de calor de contracorrente dis-posto dentro de um sistema de permuta de calor e/ou umidadede contracorrente disposto dentro de um sistema de ar decontracorrente;

A Figura 2 é uma vista frontal da armação e rodado sistema de permuta de calor e/ou umidade de contracorren-te;

A Figura 3 é uma vista em perspectiva de um arran-jo de motor CC sem escova montado para uso no sistema depermuta de calor e/ou umidade de contracorrente;

A Figura 4 é uma vista detalhada do arranjo de mo-tor da figura 3;

A Figura 5 é uma vista frontal de um arranjo demotor escalonador para o sistema de permuta de calor e/ouumidade de contracorrente; e

As figuras 6A-6C são vistas em perspectiva, late-ral e frontal de uma montagem de peça de pólo utilizada noarranjo de motor escalonador ilustrado na figura 5.

Descrição detalhada dos desenhos

Com referência às figuras 1 e 2, a presente reve-lação provê uma matriz de transferência de calor e/ou umida-de 10 para uso como parte de uma roda de transferência decalor e/ ou umidade 12 no sistema de permuta de calor e/ouumidade de contracorrente 14. A roda de transferência 12 émontada de forma rotacional em torno do eixo geométrico derotação 18 dentro de uma armação 16. A matriz de transferên-cia 10 é construída com passagens de ar estreitas de modo atransferir calor e umidade entre duas correntes de ar decontracorrente. A matriz de transferência 10 pode incluirainda um ou mais materiais dessecantes para aumentar atransferência de umidade a partir do ar mais úmido para o armais seco. A armação 16 inclui uma placa de vedação única,ou peças de placa múltiplas circundando substancialmente aroda de transferência 12 de modo que substancialmente todo oar das correntes de ar em contracorrente passe através damatriz de transferência.

Como mostrado nas figuras 1 e 2, o sistema de per-muta 14 é disposto com um sistema de fluxo de ar 22. O sis-tema 22 pode incluir um duto de fluxo 24 e um duto de con-tracorrente 2 6 separado por uma parede (s) 28. Um primeirofluxo de ar é recebido pelo duto de fluxo 24, enquanto umsegundo fluxo de ar é recebido pelo duto de contracorrente26. Como seus nomes indicam, os dutos de fluxo e contracor-rente 24, 26 orientam os fluxos de ar em direções opostasatravés da roda 12. Um fluxo de ar é mais quente e/ou maisúmido do que o outro, de modo que à medida que a roda giraum pouco do calor e/ou umidade é transferido pela roda. Al-ternativamente, o sistema de fluxo de ar pode incluir um ga-binete projetado para ter duas correntes de ar em contracor-rente que passam através do gabinete, e construído de modoque a roda de transferência 12 e armação 16 possam ser mon-tadas no mesmo.

A roda de transferência 12 é montada no interiordo sistema de fluxo de ar 22 para rotação simultânea atravésdo duto de fluxo 24 e duto de contracorrente 26, com umacircunferência externa da roda 12 formando uma vedação quasehermética a ar entre a roda 12 e a armação 16 de modo a as-segurar fluxo através da matriz, e entre os dutos de fluxo econtracorrente 24 e 26 de modo a evitar vazamento entre osdutos 24 e 26. Uma vedação em torno do perímetro da roda as-segura que ar flui através da matriz à medida que a roda gira.

As passagens de ar estreitas da matriz de transfe-rência 10 da roda de transferência 12 estendem-se entre assuperfícies 30 e 32 da roda 12. Por conseguinte, o primeirofluxo de ar passa através da roda 12 a partir da segunda su-perfície 32 para a primeira superfície 30, enquanto o segun-do fluxo de ar passa através da roda 12 a partir da primeirasuperfície 30 para a segunda superfície 32. À medida que aroda gira calor e/ou umidade pode ser permutado entre osdois fluxos de ar.

De acordo com os ensinamentos da presente revela-ção, um motor de acionamento separado, correia e polia sãolimitados, e a roda de transferência 12 e armação 16 sãoconfiguradas e dispostas de forma a incluir componentes demotor montados de forma fixa em relação a cada entre a roda12 e armação 16 de modo que os componentes do motor fixos emrelação à mesma funcionam como um rotor de um motor, enquan-to componentes do motor fixos em relação à armação funcionamcomo um estator de um motor. Quando energia é fornecida aoscomponentes de motor do estado, a roda 12 é induzida a giraratravés das duas correntes de ar em contracorrente.

Os componentes do motor empregados dependerão dodesenho do motor. Preferivelmente, componentes de motor fi-xos em relação à roda 12 funcionam como o rotor, e componen-tes de motor fixos em relação à armação 16 funcionam como umestator. O estator é preferivelmente somente acionado em umaporção da circunferência de roda de 360 graus total utili-zando um ou mais segmentos ou pedaços de pólo eletromagnéti-co de estator.

Isso pode ser mencionado como um segmento de esta-tor ou estator "incompleto". Há muitos tipos de desenhos pa-ra tais motores. Por exemplo, o desenho de motor sem escovapode ter a forma de um motor CC sem escova com sensores, ummotor CC sem sensores ou um motor escalonador CC, que é umaforam de motor CC sem escova. Todos esses motores utilizamum controlador eletrônico para executar uma distribuição de-sejada de potência. Um controlador apropriado para fornecertal controle é o MC33033, NCV 33033 fabricado por On Semi-conductor. Vide Brushless DC Motor Controller, número de pe-dido de publicação: MC 33033/D, abril de 2004, ver. 7, pu-blicado por On Semiconductor, páginas 1-24.

As figuras 3 e 4 mostram uma modalidade da roda 12e armação 16 do sistema de permuta de contracorrente 14. 0sistema é modificado para incluir componentes de motor demodo a fornecer operação de motor CC sem escova. Especifica-mente, a roda 12 é modificada para incluir uma primeira plu-ralidade de componentes de motor fixa em relação à roda demodo que componentes da primeira pluralidade possam funcio-nar como o rotor de um motor CC sem escova, enquanto uma se-gunda pluralidade de componentes de motor é fixa em relaçãoà armação de modo que componentes da segunda pluralidadefuncionem como um estator daquele motor. Um conversor de po-tência 70 (incluindo um transformador, se necessário) é for-necido para converter a potência disponível para se confor-mar a parâmetros de potência apropriados para acionar a roda12. O conversor de potência é mostrado fixado na armação 16,embora possa ser fixado em outro lugar. Além disso, um con-trolador de comutação 72 é fornecido similarmente e é mos-trado fixado na armação 16. As bobinas de estator 74 e umamontagem de contraferro 76 são fixadas em relação à armação16. Pelo menos três bobinas de estator 74 são utilizadas, esão fixadas na armação 16 de modo que as três bobinas 74 se-jam posicionados adjacentes ao aro da roda 12. Uma cobertura82 é utilizada para cobrir o controlador de comutação 72 ebobinas 74. Finalmente, uma pluralidade de sensores de comu-tação 80 é fixada em relação à armação 16 para sentir a po-sição da roda 12 à medida que gira em seu eixo geométrico18. Os sensores 80 podem ser montados de modo que sejam es-paçados a partir das bobinas de estator 74 como mostrado, ouentre as bobinas 74, como desejado. Os sensores 80 podem sertambém eliminados ao empregar um desenho de motor CC sem es-cova sem sensores, como descrito adicionalmente abaixo. Alémdisso, as rodas grandes, conjuntos adicionais de bobinas deestator 74 podem ser empregados para fornecer torque adicio-nal. Preferivelmente, pelo menos três desses sensores sãofornecidos ao implementar um arranjo de motor trifásico, epelo menos dois desses sensores são utilizados ao implemen-tar um arranjo de motor tetrafásico.

A roda 12 mostrada nas figuras 3 e 4 também é mo-dificada para incluir componentes de motor. Preferivelmente,para funcionar como um motor CC sem escova, a roda é prefe-rivelmente dotada de uma tira de base continua 84 na formade um contraferro ou material ferromagnético similar dispos-to continuamente em torno do aro da roda, e uma tira de imãde armadura segmentada flexível 8 6 para fornecer uma plura-lidade de seções magnéticas permanentes distribuídas em tor-no do aro. Alternativo à tira 86, a roda pode ser dotada deuma pluralidade de imãs permanentes separados distribuídosem torno do aro. A tira de base 84 provê uma trajetória deímã para a tira magnética ou ímãs permanentes. Como vistomelhor na figura 3, a tira magnética 86 (ou se o arranjo al-ternativo de ímãs permanentes for utilizado) provê um padrãoeletromagnético de pólos norte e sul alternados à medida quese avança em torno do aro da roda 12 (como visto melhor nafigura 3).

Em operação, a potência externa é fornecida aoconversor de potência 70, que por sua vez provê a potênciaapropriada compreendida em parâmetros apropriados para ocontrolador 72. O controlador 72 provê os sinais de aciona-mento necessários para as bobinas de estator 74 de modo acriar um campo de fluxo pulsante através do aro da roda, eem particular para a tira magnética 86 e tira de base 84.Isso cria uma força eletromagnética (EMF) fazendo com que aroda gire. 0 controlador 72 pode ser dotado de uma entradade modo que a velocidade rotacional da roda possa ser facil-mente controlada, acomodando substancialmente todos os modosde operação previstos do sistema de permuta, e assegurandonenhuma rotação quando a rotação não é desejável.

Motores CC sem escova do tipo que utiliza senso-res, e aqueles sem sensores são descritos emhttp://em.wikipedia.org/wiki/Brushless DC electric motor (12de janeiro de 2007). Como indicado o controlador é utilizadopara orientar a rotação do rotor. Para o desenho utilizandosensores, o controlador utiliza um arranjo de sensor de co-mutação para determinar a posição/orientação do rotor (emrelação às bobinas do estator). Alguns desenhos utilizamsensores de efeito Hall, porém pode-se utilizar também ou-tros arranjos como um codificador rotativo para medir dire-tamente a posição do motor. Outros desenhos medem a forçacontra-eletromotriz nas bobinas não acionadas para inferir aposição de rotor, eliminando a necessidade de sensores decomutação separados, e portanto são freqüentemente denomina-dos controladores "sem sensores".

Um controlador típico do motor CC sem escova tantodo tipo com sensor como do tipo sem sensor contém 3 aciona-dores bidirecionais para acionar energia CC de corrente ele-vada. Os acionadores são normalmente controlados por um cir-cuito lógico. Controladores simples empregam comparadorespara determinar quando a fase de saída deve ser avançada,enquanto controladores mais avançados empregam um microcon-trolador para gerenciar aceleração, velocidade de controle eeficiência precisa. Os controladores para os motores CC semsensor que sentem a posição do rotor com base em força con-tra-eletromotriz têm desafios extras em iniciar movimentoporque nenhuma força contra-eletromotriz é produzida quandoo motor está estacionário. Isso é normalmente realizado ini-ciando a rotação a partir de uma fase arbitrária, e entãopulando para a face correta se for verificado estar errado.Isso pode fazer com que o motor funcione brevemente paratrás, acrescentando ainda mais complexidade à seqüência departida.

Motores CC sem escova podem ser construídos em vá-rias configurações físicas diferentes: na configuração 'con-vencional' (também conhecida como 'inrunner'), os ímãs per-manentes são montados na armadura de rotação (rotor). Múlti-plos enrolamentos de estator são fornecidos adjacentes à ro-da. O número de enrolamentos depende do número de fases epotência necessários.

Como descrito, o desenho do motor sem escova uti-lizado no sistema de permuta modificado 14 pode ser aquelede um motor escalonador. Uma modalidade do permutador de ca-lor de contracorrente configurado como um motor escalonadoré ilustrada na figura 5, onde a armação 16 suporta as monta-gens de peça de pólo e bobina 90, e a roda 12 suporta a tirade base de contraferro contínua (feita de material magnéti-co) 92 e tira magnética 94 (ou alternativamente os ímãs per-manentes). A polaridade da tira magnética (ou ímãs alterna-dos) alterna entre um pólo norte e sul em torno do aro daroda. As montagens de peça de pólo e bobina são ilustradasem maior detalhe nas figuras 6A-6C. Como mostrado, cada mon-tagem 90 inclui uma bobina central 96 com fios de ligação98. A bobina 96 é disposta entre os dentes dos dois pólos100, que quando montados na armação 16 são radialmente des-locados entre si. Os dentes do pólo e polaridades alternadasda tira magnética (ou imãs alternados) são descentrados, demodo que todos os dentes não serão alinhados com todas aspolaridades norte e sul da tira magnética (ou imãs alterna-dos) a qualquer momento. Sinais de CA podem ser aplicados apartir de um conversor de potência apropriado (não mostrado)nas bobinas 96.

Como descrito emhttp://en.wikipedia.org/wiki/Stepper motor (12 de janeiro de2007), motores escalonadores operam de forma diferente demotores CC sem escova com sensores. Motores CC sem escovacom sensores simplesmente giram quando se aplica voltagem àsbobinas de acionamento no estator. Motores escalonadores,por outro lado, têm efetivamente múltiplos eletroimãs dis-postos em torno de um rotor central. Para fazer o eixo domotor girar, primeiramente um eletroimã recebe energia atra-vés de um arranjo de peça de pólo e bobina fornecido no es-tator, o faz com que o rotor gire por um incremento angularpredeterminado. Quando os campos magnéticos criados nas pe-ças de pólo de estator são alinhadas com os campos forneci-dos no rotor, são levemente descentrados a partir do eletro-imã seguinte. Assim quando o eletroimã seguinte é ligado e oprimeiro é desligado, o rotor gira levemente para alinharcom o seguinte, e a partir dai o processo é repetido de modoa efetuar a rotação. Cada uma dessas rotações leves é deno-minada uma "etapa." Desse modo, o motor pode ser girado emincrementos angulares precisos, ou por aplicação de um sinalde acionamento de CA nas bobinas fornecidas no estator, orotor pode ser continuamente girado. Há dois arranjos bási-cos para as bobinas eletromagnéticas de um motor escalona-dor: bipolar e unipolar.

Um motor escalonador pode ser visto como um motorCC com o número de pólos (tanto no rotor como no estator)aumentado, cuidando para que não tenham denominador comum.Adicionalmente, material magnético macio com muitos dentesno rotor e estator multiplica de forma barata o número depólos (motor de relutância) . É acionado de forma ideal porcorrente de andamento sinusoidal, permitindo uma operaçãosem etapas intermediárias. Modulação de largura de pulso étipicamente utilizada para regular a corrente média. Contro-ladores bipolares podem comutar entre voltagem de forneci-mento, terra e desconectado. Controladores unipolares podemsomente conectar ou desconectar um cabo, porque a voltagemjá é de ligação física. Controladores unipolares necessitamde enrolamentos com derivação central. Para obter torque detaxa total, as bobinas em um motor escalonador devem atingirsua corrente de taxa total durante cada etapa.

Desse modo, foram descritos um sistema e método depermuta de calor e/ou umidade novo e aperfeiçoado fornecidosde acordo com a presente revelação. A modalidade exemplardescrita nesse relatório descritivo foi apresentada como i-lustração em vez de limitação, e várias modificações, combi-nações e substituições podem ser efetuadas por aqueles ver-sados na técnica sem se afastar em espirito ou escopo dessarevelação em seus aspectos mais amplos e como exposto nasreivindicações apensas. Desse modo, a provisão de componen-tes de motor para a roda 12 e armação 16 de um sistema depermuta de calor e/ou umidade de contracorrente elimina anecessidade de um motor de acionamento, correia e polia. A-lém disso, são necessárias menos escolhas de desenho paracobrir todas as aplicações em potencial, incluindo a gama depossíveis tamanhos de roda e fontes de energia. Adicional-mente, a roda 12 pode ser mais bem controlada a partir dezero até rpm de taxa total.

O sistema e método de permuta de calor novo e a-perfeiçoado da presente revelação como revelado aqui, e to-dos os elementos dos mesmos, estão compreendidos no escopode pelo menos uma das reivindicações a seguir. Nenhum ele-mento do sistema e método atualmente revelados pretende serrenunciado, nem pretende necessariamente limitar a interpre-tação das reivindicações. Nessas reivindicações, referênciaa um elemento no singular não pretende significar "um e so-mente" a menos que especificamente assim mencionado, porémem vez disso "um ou mais". Todos os equivalentes estruturaise funcionais dos elementos das várias modalidades descritasem toda essa revelação que são conhecidos ou posteriormentevenham a ser conhecidos por aqueles com conhecimentos comunsna técnica são expressamente incorporados aqui a título dereferência e pretendem ser abrangidos pelas reivindicações.Além disso, nada revelado aqui pretende ser dedicado ao pú-blico, independente de se tal revelação é explicitamentemencionada nas reivindicações. Nenhum elemento de reivindi-cação deve ser interpretado de acordo com as disposições de35 U.S.C. §112, sexto parágrafo, a menos que o elemento sejaexpressamente mencionado utilizando a frase "meio para" ouno caso de uma reivindicação de método, o elemento seja men-cionado utilizando a frase "etapa para".

Claims

1. Sistema para fornecer permuta de calor e/ou u-midade entre duas correntes de ar em contracorrente,CARACTERIZADO por compreender:uma armação;uma roda de transferência incluindo uma matriz detransferência montada e fixa de forma rotacional em relaçãoà armação de modo que a roda possa girar através das duascorrentes de ar em contracorrente e calor e/ou umidade sejatransferido entre as duas correntes de ar em contracorrente;euma primeira pluralidade de componentes de motormontada de forma fixa em relação à roda de modo que os com-ponentes do motor da primeira pluralidade funcionem como umrotor de um motor, e uma segunda pluralidade de componentesde motor montada de forma fixa em relação à armação de modoque componentes da segunda pluralidade funcionem como um es-tator de um motor;em que energia fornecida aos componentes do motorda segunda pluralidade faça com que a roda de transferênciagire através das duas correntes de ar em contracorrente.

2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de que os componentes do motor daprimeira pluralidade são configurados de modo a funcionarcomo um rotor, e os componentes do motor da segunda plurali-dade são configurados de modo a funcionar como um estator deum motor sem escova.

3. Sistema, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de que os componentes do motor in-cluem imãs permanentes.

4. Sistema, de acordo com a reivindicação 3,CARACTERIZADO pelo fato de que a segunda pluralidade de com-ponentes do motor inclui bobinas de campo de estator confi-guradas e montadas em relação à armação.

5. Sistema, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de que componentes da primeira plu-ralidade de componentes do motor são configurados de modo afuncionar como um rotor, e componentes da segunda pluralida-de de componentes do motor são configurados de modo a fun-cionar como um estator de um motor CC sem escova com senso-res.

6. Sistema, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de que componentes da primeira plu-ralidade de componentes do motor são configurados de modo afuncionar como um rotor, e componentes da segunda pluralida-de de componentes do motor são configurados de modo a fun-cionar como um estator de um motor CC sem escova sem senso-res.

7. Sistema, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de que componentes da primeira plu-ralidade de componentes do motor são configurados de modo afuncionar como um rotor, e componentes da segunda pluralida-de de componentes do motor são configurados de modo a fun-cionar como um estator de um motor escalonador.

8. Sistema, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de que a matriz de transferência éutilizada para transferir umidade entre correntes de ar emcontracorrente de modo a aumentar a umidificação de uma dascorrentes de ar.

9. Sistema, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de que a matriz de transferência éutilizada para transferir umidade entre correntes de ar emcontracorrente de modo a reduzir umectação de uma das cor-rentes de ar.