CZ296384B6 - Regeneracní výmeník tepla - Google Patents

Abstract

Regeneracní výmeník (12) tepla pro plynová prostredí, zejména vzduchový výmeník (12) tepla pro vetrání místností budov, se strídavým sledem odevzdávání a prijímání tepla plynným prostredím protékajícím bubnem (100) výmeníku (12) tepla, jehoz aktivnípovrch sestává z vícevrstvé síte, pricemz vzdy alespon jeden ventilátor (110) generuje proud (101) cerstvého vzduchu a proud (102) odchozího vzduchu.Buben (100) výmeníku (12) tepla tvorí vnejsí pevné ohranicení zarízení.

Description

Oblast techniky

Vynález se týká regeneračního výměníku tepla pro plynná média,¹ zejména vzduchového výměníku tepla pro větrání místností budov, se střídavým sledem odevzdávání a přijímání tepla plynným prostředím protékajícím bubnem výměníku tepla, jakož aktivní povrch sestává z vícevrstvé sítě, přičemž vždy alespoň jeden ventilátor generuje proud čerstvého vzduchu a proud odchozího vzduchu.

Dosavadní stav techniky

Podíl energie pro větrání v budovách představuje podle vyhlášky o tepelné ochraně z roku 1995 až 70 % energie pro vytápění. Kdyby bylo možné větrací teplo opět účinně získávat, bylo by možné ročně uspořit v Německé spolkové republice 15 miliónů tun topného oleje.

Cílem tohoto vynálezu bylo vytvořit větrací systém s velmi vysokým zpětným získáváním tepla, který by mohl kdokoli použít k dosažení výše uvedených úspor.

Podle možnosti by měl tento systém pro všechny nebo téměř všechny uživatele, používající větrání, splnit všechny uživatelské požadavky, tzn. pro zimní provoz by mohl být do prostoru přiváděný čerstvý vzduch teplý, během letního provozu ochlazovaný. Dále by měl být vzduch v dostatečném množství filtrován. V zimě by také měla existovat možnost přivádět do místnosti zvlhčený čerstvý vzduch, nikoli však v létě.

Dále je požadováno, aby takový větrací systém mohl podávat výkony, které nevyžadují obvyklé otevírání oken, aby mohlo být dosaženo co nejúčinnějšího zpětného získání tepla.

Z energetických a také z praktických úvah v každém případě vyplývá decentralizovaný bezkanálový větrací systém, který musí být dodatečně zabudován do stávajících okenních tabulí. Pouze potom může být zajištěno, že větrací systém jako celek může být postaven tak, zeje ekonomicky výhodný ve srovnání s obvyklým větráním okny a tepnc potom je dosaženo zamýšleného cíle.

Při řešení problému se ukázalo, že zdánlivě obtížně řešitelné dílčí problémy, totiž zpětné získání tepla například v hodnotě 90 % byly zanedbatelné ve srovnání s jinými problémy, které nastaly.

Vlastní problémy spočívají v přizpůsobení uživateli. Z tohoto pohledu za předpokladu výše uvedené vestavby v okně by byly ideální vlastnosti zařízení z hlediska uživatele přibližně následující:

Zařízení by mělo být levné, neviditelné, co nejmenší a bez nutnosti údržby, mělo by mít dlouhou životnost, nemělo by být hlučné, nemělo by vytvářet průvan a mělo by mít nízkou spotřebu elektrické energie.

Podle tohoto vynálezu je snaha alespoň přibližně splnit tato extrémní přání uživatelů.

Požadavky uživatelů týkající se nepatrných rozměrů při vestavbě do oken, vysokého zpětného získávání tepla, nepatrné vlastní spotřeby energie a poměrně omezené potřeby údržby a dlouhé životnosti, mohou být v průměrné době vyřešeny.

Většina prvků může být vytvořena z čirého průhledného materiálu, pro dosažení vysoké průhlednosti. Podstatný podíl na tom má konstrukce výměníku tepla podle přihlášky vynálezu DE 42 41 984, která umožňuje nepatrnou stavební hloubku ve směru průtoku vzduchu a ve vnitřní oblasti může být buben výměníku tepla průhledný.

-1 CZ 296384 B6

Konstrukce známá z dosavadního stavu techniky podle přihlášky vynálezu DE 42 41 984 umožňuje v jednom vztahu dostat se na hranici teoretických možností. Pro skutečnou stavební velikost jsou potom přirozené meze určeny pohonem bubnu výměníku tepla, hlučností, účinností a stavební velikostí použitých ventilátorů. Částečným využitím vnitřního prostorububnu pro ventilátory ve spojení s odpovídajícími proudovými tvary prvků lze také zachovat krátkou osovou stavební délku, čímž se umožní vestavba do okna bez podstatně vystupujících součástí.

Podstata vynálezu

Podle tohoto vynálezu nejsou v sestavě použity žádné opotřebovatelné součásti. Veškerá pohyblivá těsnění jsou vytvořena jako štěrbinová těsnění s velkou přesností. Uložení bubnu výměníku teplaje na rozdíl od výše uvedené přihlášky vynálezu DE 42 41 984 místo oběhových kol provedeno magneticky. Vlivem zvláštního způsobu uložení se jak magnetickým tak středovým uložením dosáhne jednak krajně vysoké životnosti, velmi jednoduché manipulace při čištění, jakož i možnosti vyloučení odděleného pohonu bubnu a k němu příslušného řízení otáček bubnu.

Točivý moment pohonu bubnu 100 je tudíž tak malý, že již moment hybnosti obsažený ve výstupním proudu 101 čerstvého vzduchu osového ventilátoru s osou 46 tento točivý moment snadno dodává.

Tento moment hybnosti může být využit třemi způsoby, a to sice k překonání třecího momentu. Dále může být použit k překonání točivého momentu výstupního vzduchu. Za třetí může být proud 102 odchozího vzduchu proudící výměníkem tepla podroben rotaci odpovídající rychlosti otáčení výměníku tepla. Toto podrobení rotaci, neboli vytvoření rotační složky proudu brzdí otáčení. Dále co se týče automatického přizpůsobování otáček rotoru průtoku vzduchu: vycházeje z určitého provozního stavu, který je určen okamžitým množstvím vzduchu a určitou rychlostí otáčení, tudíž stavem rovnováhy mezi hnacím a brzdicím momentem, při zvýšení obou množství vzduchuje potřebný vyšší hnací moment pro ventilátor Π0 čerstvého vzduchu.

Tento větší hnací moment je nyní použitelný pro pohon bubnu 100. Pomocí něj se urychluje otáčení bubnu 100, a to tak dlouho, dokud není moment proudu 102 odchozího vzduchu opět tak velký jako hnací moment. Závislost je při zanedbání tření přímo úměrná objemu proudu a přesně toto je třeba pro točivý pohon. Přirozený počet otáček je při volbě určitého provozního stavu a určitého ventilátoru 110 pro daný rozměr bubnu 100 stálý, alespoň tehdy, když se přídavným vodicím prvkem negeneruje další rotační složka, což by bylo možné, avšak není to nutné. Nutná tepelná kapacita (akumulační schopnost) výměníku teplaje tedy stálá také při dalších okrajových podmínkách. Tím je potom určena nutná tloušťka výměníku tepla a tím také velikost síťové struktury.

Životnost bude v prvé řadě předběžně omezena ložiskovým olejem kluzných ložisek ventilátorů. Tato ložiska budou proto udržována co nejchladnější a oteplení motorem bude následkem vysoké účinnosti udržováno nízké. Protože je přesto po 10 až 15 letech nutné provést údržbu a má se odstranit nákladná služba zákazníkovi, bude oběžné kolo a uložení vytvořeno jako vsuvná jednotka, přičemž jsou upevněny osově ve statoru pouze pomocí permanentních magnetů, které se také nacházejí v uvedené jednotce, ve statoru motoru s vnějším rotorem.

Tuto jednotku potom může podle potřeby během několika sekund uživatel vyměnit bez nástrojů. Rovněž je tím usnadněno čištění oběžného kruhu a oběžného kola. Střední ložisko, s výhodou malé kuličkové ložisko, může v případě potřeby uživatel také snadno vyměnit. Životnost tohoto ložiska je s ohledem na nízké zatížení a nízkou pracovní teplotu řádově asi 30 let. Střední ložisko zůstává při nutném čistění výměníku tepla ve středním nosníku, takže nepřichází nikdy do styku s vlhkostí.

-2CZ 296384 B6

Zavedením aerodynamického pohonu rotoru může být zrušen přídavný zdroj hluku, který může být převládající zejména při nízké hladině hluku. Dále mohou být otáčejícími se prvky před sacími otvory ventilátorů a pečlivým vytvořením vtokových trysek omezeny slabé zdroje hluku od můstků, vzdálených od oběžného kola, a od difuzorů snižujících příkon, lze také použít opatření snižující hluk šířící se tělesem. Výměník tepla bude potom oběma děrovanými plechy 1, 2 a sítí přenášející teplo účinným tlumičem zvuku. Proto je ve vnitřním prostoru bubnu ještě místo, které může být částečně naplněno pohlcovači zvuku, přirozeně s částečným snížením průhlednosti. Zavedením usměrňovače vzduchu, odebírajícího rotační složku proudění, může být proudění, přes omezené poměry, opět srovnáno. V neposlední řadě jsou navzájem sladěny ventilátory a výměník tepla v optimálním provozním vztahu co do hlučnosti.

Vynecháním pouzdra vzniká co největší výstupní průřez. Vlivem radiálního výstupu se velmi rychle nastaví zbytková rychlost. Aby se zamezilo proudění směrem nahoru do oblasti odsávání a tím dílčí zkrat proudění, použije se usměrňovač vzduchu u výstupu, který je rovněž magneticky upevněn (na vestavném okenním kruhu). Tento také současně snižuje rotační složku proudění. Vzniklé proudění potom prakticky pomalu klesá směrem dolů, takže tento větrací systém působí jako výhodný zdrojový vzduchový systém (Vtékající čerstvý vzduch je vždy o něco chladnější než vzduch v prostoru, i v létě, neboť zde může být tímto zařízením chlazen).

Všechna opatření, která slouží ke snížení hluku, způsobují současně snížení příkonu. Jsou použity bezkolektorové stejnosměrné motory.

Po vyjmutí výměníku tepla může tento být snadno očištěn v koupací vaně se studenou vodou a čisticím prostředkem střídavým odvalováním. Vždy po půl roce může být provedeno důkladné očištění stejným způsobem slanou vodou. Zařízení je také svou možností vestavění do okenní tabule přístupné ze všech stran a tedy zcela uzpůsobeno pro čistění, zejména oběžná kola a běžný kruh. Oblast nacházející se mezi oběma ventilátory (akrylové sklo), která může být normálním způsobem nepřístupná, avšak která musí být ve spojení se vzduchem (změna objemu vzduchu při teplotě okolí od -30 do +40 °C) a z toho důvodu je ohrožena prachem, je zásobována jediným kontrolovatelným otvorem vzduchem zbaveným prachu a vlhkosti.

Provedením průhledných držáků ventilátorů z akrylového skla je kromě optických výhod také použitelné působení UV-podílu slunečního světla k potlačení bakterií a hub. Dále může být výměník tepla přes dva osové dráty vedoucí vysoké napětí v odváděném vzduchu obohacován ozonem. To účinně uvolňuje tkaninu výměníku tepla od pachů a zapáchající látky se dostávají přímo do okolního vzduchu. Protože se výměník tepla pod dráty pohybuje, je na celé své ploše čištěn. Místní koncentrace ozonu může přitom být velmi vysoká, zatímco koncentrace v odváděném vzduchu může být velmi nízká. Do vzduchu vprostoru se nedostává žádný ozon.

Čisticí a údržbové práce mohou být díky magnetickému upevnění všech prvků provedeny prakticky bez jakýchkoli nástrojů.

Pro případ zimy je žádoucí opět získat větší díl odcházející vlhkosti. V letním období to naopak není žádoucí. Jedna možnost by spočívala v použití dvou bubnů s různými materiály sítě, jeden materiál s absorpčními vlastnostmi, například perlon, druhý materiál s neutrálními vlastnostmi, například polyethylen.

Ke chlazení se použije odpařovací chlazení ve spojení s kapilárním účinkem tkanin pro dopravu vody. Dříve než výstupní vzduch vteče do výměníku tepla, je nasát vlhkou bavlněnou tkaninou s podobnou strukturou jakou má síť výměníku tepla. Použitelnou se ukázala spojená tkanina. Čtyři vrstvy postačí k 98% navlhčení tkaniny. Při průtoku touto tkaninou se vzduch ochladí na mezní teplotu ochlazení. Studený vzduch se potom dostane do výměníku tepla a tento také ochladí. Čerstvý vzduch je při průtoku také ochlazen na tuto teplotu, aniž by přijal přídavnou vlhkost. Průměrně je čerstvý vzduch o teplotě asi o 6 °C nižší než výstupní vzduch do místnosti.

-3 CZ 296384 B6

Zásobování tkaniny vodou se provádí takto:

Přes vodní ventil řízený plovákem, který je zásobován tenkou hadicí ze zdroje vody pod tlakem, se stav vody v několika kanálech tvaru U, která jsou navzájem rovnoběžné a probíhají v jedné výšce a navzájem komunikují, udržuje přibližně stálý.

Kanály tvaru U jsou na svých čelních koncích uzavřeny. Kanály tvaru U jsou upevněny na vodorovném rámu tak, že horní plocha rámu se vazbou s nahoře otevřenými kanály tvaru U uzavírá, přičemž konce kanálů tvaru U zasahují ještě asi 10 mm do rámu. Na těchto rámech může být ve více vrstvách uložena na míru nastříhaná bavlněná tkanina.

Na místech, na kterých jsou kanály, je uložena tyč vhodných rozměrů, která ponořuje tkaninu do kanálů naplněných vodou. Vzdálenost kanálů je zvolena taková, že kapilární dopravní výkon odpovídá možnosti odpaření (asi 4 až 6 cm). S tímto odpařovacím rámem, který je ve spojení se sběrací a těsnicí konstrukcí vzduchového kanálu a může být nasazen na okenní kruh, je zajištěno snadné očistění nasycené bavlněné tkaniny. Rovněž z tohoto důvodu je možné s normální neodvápněnou vodou z vodovodu provádět chlazení. Příliš vysoký rušivý obsah vápna může být z tkaniny odstraněn kyselinou octovou.

Uložení tkaniny je velmi jednoduchá a hustota připojení tkaniny na rám je plně zajištěna. Velikost rámu se zvolí tak,že ztráta tlaku prouděním je jen 1 až 3 Pa. Proto také není nutné vytvářet úplně těsný vzduchový kanál kolem bubnu. Štěrbinové těsnění je zcela vyhovující.

Výhoda popsaného uspořádání spočívá v tom, že chlazení až na malé ztráty tlaku může být prováděno bez cizí energie a s minimální spotřebou vody a že není nutná žádná další regulace. Dále je výhodné, že pro zásobování vodou je možné s ohledem na nepatrné množství použít hadici o průměru menším než 1 mm, která je téměř neviditelná a může být snadno uložena.

Konstrukce se s výhodou provede z průhledného plastu.

Popsaný odpařovací rám se s výhodou provede se záhyby, takže při nepatrné stavební šířce se dosáhne požadovaného průřezu proudu.

Zařízení musí pracovat bez závad v rozsahu teplot od -30 až do +40 °C, přičemž součásti zařízení musí pracovat nezávisle na vnější teplotě i teplotě místnosti, ve které je zařízení instalováno, když současně jiné součásti jsou vystaveny vnější teplotě.

S ohledem na přizpůsobení uživateli a vestavbu v okně musí být zařízení průhledné, malé a tiché a vzhledem k vysoké účinnosti musí mít vysoký výkon větrání (stavební velikost asi 380 mm při stavební hloubce v místnosti rovné 200 mm a musí zpracovat 80 až 200 m³/h čerstvého vzduchu při 90 %).

To znamená, že uvnitř zařízení se musí počítat s velmi vysokým rozdílem teplot a vysokým roztažením.

Při dosahované vysoké účinnosti asi 90 % a malé stavební velikosti za daných okrajových podmínek vznikají v tomto rozsahu teplot obtíže při dosahování provozně bezpečného utěsnění.

Utěsnění zejména mezi rotorem bubnu 100 a vestavným kruhem 66 je obzvláště kritické, neboť množství vzduchu, které zde proudí, se nepodílí na výměně tepla. Když zde proudí 1 % množství vzduchu, poklesne účinnost rovněž asi o 1 %, to znamená, že hodnota přenosu tepla musí být rovna 91 % místo 90 %. To opět vyžaduje asi o 10 % větší výměník tepla. Protože se zde ještě uplatňují další činitelé snižující výměnu tepla, je tato poslední hodnota ještě vyšší. To by sotva hrálo nějakou roli při méně účinném zařízení, avšak u vysoce účinného zařízení je to podstatné. U nějakého vysoce účinného zařízení to nemá pro spotřebu větrací energie žádný význam, jestli

-4CZ 296384 Β6 že následuje velké nebo malé nebo žádné větrání, to znamená, že není u takového zařízení nutná žádná regulace množství vzduchu a není nutné sledování jakosti vzduchu. U zařízení s nízkou účinností jsou naopak takové regulace významné a nutné. Určité součásti zařízení, zejména všechny plochy nacházející se v místnosti, jsou vystaveny teplotě a vlhkosti vzduchu v místnosti. Vnitřní povrchové plochy zařízení jsou vesměs vystaveny podmínkám vnějšího vzduchu.

V případě, že nejsou učiněna žádná zvláštní opatření, mohou na povrchu nacházejícím se v místnosti vznikat kondenzační jevy, které mohou způsobit slabému aerodynamickémupohonu obtíže.

Jelikož uvedená kritická těsnicí štěrbina by měla mít velikost asi 0,3 mm nebo menší, jsou určeny velmi přísné požadavky na celkovou konstrukci s ohledem na jakost výroby, jakost montáže, jakost uložení atd. Uvedená opatření je možno rozdělit do dvou skupin.

Jedna skupina obsahuje opatření, která jsou nutná pro vlastní funkci, jiná skupina slouží ke snížení hluku a snadnosti obsluhy.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude blíže vysvětlen prostřednictvím konkrétních příkladů provedení znázorněných na výkresech, na kterých představuje obr. 1 schematický řez celým uspořádáním výměníku tepla, obr. 2 většené uspořádání oblasti zavěšení ventilátoru, obr. 3 řez magnetickým uložením, obr. 4 zvětšený řez těsnicí štěrbinou mezi bubnem a vestavným kruhem, obr. 5 řez středním ložiskem bubnu 100 včetně uspořádání kompenzace teploty, obr. 6 zvětšený řez oblastí předního kruhu.

Příklady provedení vynálezu

1. Aerodynamický pohon bubnu 100 výměníku 12 tepla

Nyní bude popisován obr. 1. Bude vyžadována rotační složka proudu, kterou ventilátor 110 čerstvého vzduchu osové konstrukce přirozeně ve vzduchu vytváří. Tento pohyb vzduchuje potlačován sítí výměníku 12 tepla, neboť působí jako mříž turbíny. Točivý moment tak pohybuje bubnem 100. Tento princip lze přirozeně přenést i na jiné regenerační výměníky tepla s točivým pohonem, jestliže je uspořádáno odpovídající lehce točivé uložení. Rovněž může být tento princip použit u úplně pasivních výměníků tepla, jestliže je statickým generováním rotační složky proudu vzduchu vytvářena obvodová složka proudění. Další výhodou tohoto otáčivého pohonu je, že se rychlost otáčení bubnu 100 samočinně přizpůsobuje množství vzduchu. Protože točivý moment pohonu je velmi malý, vzniká nebezpečí, že například hmyz, který je vztažen do postranní těsnicí štěrbiny 61, může způsobit zastavení pohonu. To však může být snadno odstraněno tím, že setrvačná hmota rotoru se vytvoří dostatečně velká a sací trysky dostatečně malé (3 mm postačí). Během dvou let nebylo pozorováno žádné zastavení rotoru, takže se ukázalo, že tento pohon je výjimečně spolehlivý.

2. Vynechání dokonalého utěsnění mezi čerstvým vzduchem a komorou výstupního vzduchu na podélných nosnících 14.

S odkazem na obr. 1, nemůže být zabráněno tomu, aby čerstvý vzduch nebyl protlačován do oblasti proudu 102 odchozího vzduchu nezávisle na tom, jaká je konstrukce přenášející teplo. U jedné uzavřené buňkové konstrukce je vzduch alespoň přenášen otáčivým pohybem, v konstrukci s otevřenými buňkami jaká je u použité sítě, proudí vzduch v obvodovém směru z komory

-5CZ 296384 B6 s vysokým tlakem do komory s nízkým tlakem. S dostatečně dlouhou dráhou proudění může být tato ztráta minimalizována, přičemž vzniká skutečné optimum, vezme-li se v úvahu, že délka těsnicí dráhy se musí odečíst od účinné délky výměníku tepla (obvodu). Z toho důvodu se provede pouze jednoduché štěrbinové těsnění, jehož velikost štěrbiny 61 je omezena pouze jakostí výroby 5 a možnými pohyby rotoru. Při dané velikosti zařízení je velikost štěrbiny 61 asi 0,5 mm a délka štěrbiny 61 je rovna asi 35 mm. Ztráta štěrbinou 61 způsobuje v principu pouze zvýšený průtok ventilátory 13, 110 avšak nezpůsobuje žádné snížení účinnost. Při tomto opatření je výhodné, že se tak umožní aerodynamický otáčivý pohon a kromě toho těsnin uzávěr pracuje volně.

ío 3. Vytvoření podélných nosníků 14 jako řídicího orgánu pro zásobování výměníku 12 tepla vzduchem

S odkazem na obr. 1, výměník 12 tepla je nahoře a dole zásobován různými místními množstvími vzduchu. Důvod spočívá v tom, že například proud 101 čerstvého vzduchu v blízkosti čelního kotouče 5 má vyšší podíl dynamického tlaku než v blízkosti vestavného kruhu 66. Proto je 15 výměník 12 tepla zásobován v závislosti na osové poloze různými množstvími vzduchu. Na straně výstupu vzduchuje podobná situace. Odpovídajícím vytvořením podélných nosníků 14 lze docílit toho, že množství vzduchu v jednom osovém místě jsou pro čerstvý vzduch a pro výstupní vzduch stejná, aniž by nastala ztráta plochy výměníku 12 tepla. Přesný návrh příčných nosníků 76 lze však provést až po příslušném proměření místních osových účinností.

4. Použití skleněného kotouče 5 pro uzavření bubnu 100 na straně nacházející se v místnosti

S odkazem na obr. 1, je kotouč 5 vyklenutý následkem rozdílu teploty (bimetalový jev). Sklo na rozdíl od případně použitého plastu má pětkrát vyšší tepelnou vodivost a asi sedmkrát menší prodloužení teplem, z čehož celkově vyplývá 35-krát menší vyklenutí. Vyklenutí by zmenšilo 25 kritickou těsnicí štěrbinu 61 a způsobilo by roztažení bubnu 100, neboť osové upevnění bubnu 100 je provedeno ze strany kotouče 5.

5. Osové upevnění bubnu 100 v rovině skleněného kotouče 5

S odkazem na obr. 5, v závislosti na stavu techniky se považuje za výhodné provést osové 30 upevnění bubnu 100 v blízkosti kritické těsnicí štěrbiny 61 a střední ložisko 78, znázorněné na obr. 5, udržovat osově posuvné. Důvodem pro toto opatření byla uvedená vyklenutí kotouče 5 a roztažení podélných nosníků 14. Naproti tomu je v případě použití magnetického uložení 11 výhodné provést osové upevnění jiným způsobem a převést tedy toto nastaven polohy do středního ložiska 78. Tím se umožní provedení magnetického uložení 11 bez regulace jednoduše 35 s permanentními magnety a je stabilní. Pro vyrovnání tepelných změn délek podélných nosníků a zbývajícího vyklenutí kotouče 5 je uspořádáno kompenzační ústrojí 74 závislé na vnější teplotě, tvořené plastovou trubkou s vysokým součinitelem roztažnosti, které posouvá střední ložisko 78 osově vzhledem k poloze příčného nosníku 76.

6. Magnetické uložení 11

S odkazem na obr. 4, magnetické uložení 11 je na čelní straně otevřeného konce bubnu 100 prakticky uspořádáno s osovým působením a může přesto zachycovat radiální síly. Toho se dosáhne tím, že magnetický protisystém uspořádaný ve vestavném kruhu 66 má průměr asi o 1 mm menší. Buben 100 může provádět pohyb kolem středního ložiska 78 pouze výkyvné uvnitř kužele, 45 přičemž vrchol kužele je ve středním ložisku 78. Při správném dimenzování těsnicí štěrbiny 61 a uvedeném rozdílu průměrů se stabilního uložení dosáhne tím, že při výkyvném pohybu bubnu 100 směrem dolů se magnety nahoře přibližují, tím se brzdné síly zvětšují a působí tak proti výkyvnému pohybu. Stejné jevy se v opačném smyslu odehrávají na protilehlé straně (dole). Při stejném výkyvném pohybu se magnety vzdálí a celkový protipůsobící točivý moment kolem 50 středního bodu otáčení se zvětšuje. Magnetické protiuložení ve spodní oblasti způsobuje zmenšení nosné síly, avšak celkové magnetické uložení 11 se tím utuží a zmenší se jeho citlivost na změny magnetických vlastností závislých na teplotě (asi 10 %). Rovněž je třeba vzít v úvahu provozní zatížení, které se skládá z hmotnosti rotoru (zde 27 N) a proměnlivých tlaků ve vstup

-6CZ 296384 B6 ním vzduchu a komorách výstupního vzduchu (zde 0 až 9 N). Za všech těchto okolností musí být uložení dostatečně bezpečné a kritická těsnicí štěrbina 61 se smí měnit pouze asi o 0,1 mm.

7. Děrovaný plech 1, 2

S odkazem na obr. 6 se jedná o použití vnějšího děrovaného plechu 1, který jev tepelném styku s čelním kruhem 90, a děrovaného plechu 2, na který je navinut výměník 12 tepla a který je tepelně a mechanicky odpojen od čelního kruhu 90 a čelního skleněného kotouče 5. Primární úkol vnějšího děrovaného plechu 1 spočívá v tom, že čelní kruh 90 je udržován na teplotě místnosti, aby se zabránilo kondenzaci a tvorbě ledu na magnetickém uložení H- Děrovaný plech 1 působí jako poměrně dobrý výměník tepla a má prakticky teplotu místnosti. S ním spojený čelní kruh 90 a čelní magnetické uložené 11 se tak udržují na teplotě místnosti. Když je nepohyblivý díl magnetického uložení 11 vestaveného kruhu 66 rovněž tepelně izolován, nevznikají žádné další problémy, který by mohly nastat kondenzací a tvorbou ledu. Protože vnější děrovaný plech 1 je v tepelném styku s čelním kruhem 90, má také nosnou funkci na rozdíl od děrovaného plechu 2. Tento musí být udržován izolovaný od čelního kruhu 90, jinak by se na kruhu 90 nastavila teplota nacházející se mezi teplotou místnosti a vnější teplotou. Tato tepelná izolace je provedena mezi elasticky přilepenými silikonovými vložkami 94, které také mohou vyrovnávat různé délkové změny mezi vnitřním děrovaným plechem 2 a vnějším děrovaným plechem 1. Podobně izolován bude také ze stejných důvodů držený čelní skleněný kotouč 5. Skleněný kotouč 5 může být v ideálním případě vakuově izolovaná jednotka.

8. Středové umístění středního ložiska 78 v příčném nosníku 76

Pro funkci výměníku 12 teplaje podstatné, aby střední ložisko 78 bylo umístěno přesně středově k magnetickému uložení 11, neboť výstřednost ovlivňuje kritickou těsnicí štěrbinu 61. Pro tuto těsnicí štěrbinu 61 by bylo možné nastavení. Jedno jednodušší řešení, které přímo zajišťuje vysokou přesnost i při sestavení různých součástí, spočívá v tom, že všechny použité součásti se vyrobí na soustruhu a využije se přirozené rotační souměrnosti. Vestavný kruh 66, na kterém jsou upevněny podélné nosníky 14, bude proto na vnitřním obvodu opatřen drážkami podobnými drážkám závitů. Podélné nosníky 14 jsou vyříznuty z válcového pláště, který je rovněž na odpovídajících osových polohách na obvodu a na jedné přední straně opatřen takovými drážkami. Příčný nosník 76 je na přední straně rovněž opatřen takovými drážkami a přímo středově navrtán. Když se nyní součásti sestaví, přičemž pro každé spojení je třeba pouze jeden šroub, vše již souhlasí: podélné nosníky 14 stojí kolmo k vestavnému kruhu 66 a střední vývrt je vždy ve střední poloze, nezávisle na tom, kde jsou přesně umístěny otvory pro šrouby, a vše je navzájem pevně spojeno.

9. Upevnění bubnu 100 a osové nastavení kritické těsnicí štěrbiny 61, konstrukce středního ložiska 78

S odkazem na obr. 5, střední drážkové kuličkové ložisko 78 je pevně spojeno s ocelovým čepem 75, který je volně založen v příčném nosníku 76 a na druhém konci má závit, který je upevněn v kompenzačním ústrojí 74 rovněž opatřeném závitem. Uvedené kompenzační ústrojí 74 je upevněno na příčném nosníku 76. Když se plastová trubka ochladí a smrští, vzdálí se kuličkové ložisko 78 od druhé strany příčného nosníku 76. To je nutné, protože současně se podélné nosníky 14 zkrátí, vnější děrovaný plech 1 si zachová svou délku (teplota místnosti) a těsnicí štěrbina 61 se bude zmenšovat. Následkem posunutí kuličkového ložiska 78 se to vyrovná. Kuličkové ložisko 78 je svým vnějším kroužkem pevně v součásti 20, která rovněž má na vnější straně závit a je opatřena osovým dorazem. Na tento závit může být buben 100 našroubován až k dorazu. Středově je vytvořen vývrt, do kterého se šroubovákem osově nastaví seřizovači otočný šroub 77 a tím se zajistí těsnicí štěrbina 61. (Všechny příslušné součásti jsou z hliníku, plast má 3 až 8-krát větší součinitel tepelné roztažnosti než hliník). Při rozebírání výměníku 12 tepla zůstává kuličkové ložisko 78 na příčném nosníku 76, takže výměník 12 tepla může být bez problémů vyčištěn vodou a uživatel nemusí ukládat žádné šrouby, neboť tyto zůstanou na kuličkovém

-7CZ 296384 B6 ložisku 78. Příruba 72 mající vnitřní závit je elasticky přilepena silikonovým lepidlem 71 ke skleněnému kotouči 5 středově k otevřené přední straně.

10. Dělicí stěna 18, využití vnitřního prostoru

Na dělicí stěně 18 se usazují všechna cizí tělesa, která se dostanou do zařízení. Z tohoto důvodu je dělicí stěna 18 magneticky upevněna a uzpůsobena k vyjmutí. Obíhající magnetické upevnění umožňuje také snadné trvalé těsné vestavění. Magnetické pásy jsou přitom uspořádány tak, že mohou po sobě utěsněné klouzat. Při krajních požadavcích týkajících se hluku je možné vnitřní prostor ještě dále využít pro opatření k potlačení hluku, protože proudění ventilátorů 110, 13 nemusí být příliš bráno v úvahu. Umožňuje to trysková mříž umístěna před vtokovými otvory ventilátoru 13, 110.

11. Upevnění misek z plexiskla na vestavném kruhu 66

Toto spojení se provádí s ohledem na různá tepelná roztažení vzduchotěsně pružnými vložkami. Protože oblast mezi miskami z plexiskla, které také drží ventilátory 13, 110, nebude již po sestavení přístupná, a proto také nemůže být čištěna, musí být zabráněno vnášení prachu a vlhkosti (průhlednost!). Kdyby byla tato oblast vytvořena úplně vzduchotěsně, vznikly by problémy následkem změn tlaku. Proto bude vytvořen ovládaný otvor, který umožní přes filtr výměnu vzduchu. Protože vzduch proudí dovnitř pouze když teplota klesá a vzduch proudí ven pouze když teplota stoupá, je možné regenerovat samotný filtr vlhkosti. Uspořádání v oblasti čerstvého vzduchu zde umožňuje přirozeně nejnižší vlhkost vzduchu. Regenerace může být podporována slunečním zářením. Podle potřeby může také být dutina z izolačního skla plněna velmi malým vývrtem na vestavném kruhu 66, takže při prudkých nárazech větru může nést i uvnitř ležící kotouč z izolačního skla.

12. Oblast vypouštění čerstvého vzduchu na straně místnosti

Protože proud 101 čerstvého vzduchu má kromě radiální složky proudění také tangenciální složku, musí být učiněno opatření k tvarování proudění, aby bylo zabráněno vysokému sání do oblasti vypouštěného vzduchu. To může být v nejjednodušším případě provedeno krátkou clonou v oblasti, kde se výměník 12 tepla přeřadí z oblasti čerstvého vzduchu do oblasti vypouštěného vzduchu. Je možno také použít tryskovou mříž. Rovněž může být čerstvý vzduch veden do místnosti ve formě paprsku. Tvarovací prvky proudění jsou magneticky drženy vestavným kruhem 66.

13. Opatření pro snížení hluku

Základní myšlenka spočívá v nutnosti zabránění generování hluku a potlačení stávajícího hluku s minimálními náklady. V navržené konstrukci je hlavní zdroj hluku ventilátor 13, 110. V zařízení jsou tři další dílčí zdroje hluku, totiž vzduchový vír, motorové šumy a vibrace.

Co se týče vzduchového víru, spočívá první opatření v opuštění krátké a malé stavby ventilátoru 13, 110. Proudění potřebuje místo, aby se mohlo měkce uspořádat. Proto bude použita bohatě dimenzovaná vstupní tryska, která bez radiálních skoků urychlí proudění na rychlost proudu oběžného kola 37. Dobré výsledky již byly dosaženy u elipticky tvarované trysky, která má asi 1,37-násobný průměr oběžného kola 37 a stavební hloubku rovnou asi 0,24-násobku průměru oběžného kola 37. Hodnoty a tvar jsou uvedeny pouze jako příklad pro přibližnou představu o potřebě místa. Před tryskou je umístěn usměrňovač 3, 4 vzduchu ve tvaru trysek s hloubkou a průměrem trysky asi 3 mm. Tryska je vytvořena ve tvaru polokoule nebo jako košík, aby mohla plnit svůj úkol při nízkých rychlostech proudění a ztrátách tlaku. Ačkoli má nepatrnou délku průtoku, vytváří proudění výjimečně účinné. Košík se zapustí a magneticky upevní v drážce vyhloubené kolem trysky, aby vzduch mohl proudit bez kmitání trysky. Za oběžným kolem 37 začíná vtok do difuzoru. Tok sestává z přechodového poloměru asi o průměru oběžného kola 37 a plynule se mění na přímý difuzor. Velký přechodový poloměr zabraňuje předčasnému vybavení proudění tím, že směs proudění není zakončen skokem.

-8CZ 296384 B6

Za spojitým difuzorem je ještě zařazena krátká trubka jako rázový difuzor, který ve výpusti zamezí opětné nasávání výstupního vzduchu. Také tato trubka je upevněna magneticky. Celková stavební délka takového ventilátoru 13, 110 je rovna asi 1,5-násobku průměru oběžného kola 37· Využitím místa uvnitř bubnu 100 výměníku 12 tepla přečnívá zde jen asi jednou polovinou.

Nyní s odkazem na obr. 2, vzpěry 41, které drží motor ventilátoru 13, 110 v oběžném kole 37, jsou vzdáleny od oběžného kola 37 na konci vtoku difuzoru. Pro udržování nízkých ztrát prouděním a tónových šumů je pohon ventilátoru 13, 110 opatřen protizávažím 44, které umožňuje zavěsit jednotku v jejím těžišti 42, čímž se umožní, aby přídržné vzpěry 41 mohly být velmi tenké. Přídržné vzpěry 41 jsou současně použity jako přívod proudu pro nízké napětí.

Hnací jednotka sestává z oběžného kola 37, ložiska statoru 32, 50 s nemagnetickým materiálem 52 motoru s elektronikou, ložiskové trubky 43, protizávaží 44, pouzdra ložiskové trubky, zařízení pro potlačování kmitů a seřizovacího ústrojí.

Ložisko (jednotlivé kluzné ložisko) tvoří s oběžným kolem 37 jednotku, která je spojena s pojistným kroužkem. Jednotka může být osově zasunuta do ložiskové trubky 43 a tvoří v principu kluzně uložené kluzné ložisko. Je zřejmé, že vývrt ložiskové trubky 43 a vnější průměr kluzného ložiska smějí mít pouze velmi malou vůli, proto je tato sestava mazána velmi tuhým tukem. Stator 32, 50 motoru je také nasunut na ložiskové trubce 43 a je v určitých bodových místech upevněn silikonem. Tím se dosahuje toho, že v případě potřeby může být snadno vestaven nový stator 32, 50 motoru. Stator 32, 50 je napájen proudem ze vzpěr 41 prostřednictvím konektorů.

Ložisková trubka 43, opatřená na konci protizávažím 44, je držena dvěma osovými, radiálními a pružně otočnými silikonovými kotouči 3 6a, 36b, které jsou uspořádány souměrně k těžišti 42.

Silikonové kotouče 36a, 36b jsou radiálně posuvně uloženy v pouzdru pohonu. Přes závit a vložku přenášející sílu může být jejich poloha upevněna osovým zaklínováním.

Účelem této konstrukce je co nejměkčí zavěšení ventilátoru 110 a možnost dodatečného opravování případných efektů usazení tlumicích prvků (izolace kmitání).

Tato konstrukce dovoluje seřídit jediným šroubem všechny případné opravy (radiální a úhlové korekce).

Tato opatření jsou nutná proto, že s ohledem na hluk a výkon musí oběžné kolo 37 běžet v oběžném kruhu 30 s velmi malou vůlí. Oběžný kruh 30 bude rovněž měkce spojen se vstupní tryskou a difuzorem, a to tak, že bude velmi málo rušeno okrajové proudění.

Toho se dosáhne tím, že silikonový kruh tvaru U, který otevřenou stranou přiléhá k ose 46 otáčení, spojuje součástky. Toto měkké spojení je také nutné z důvodů rozdílné tepelné roztažnosti (akrylové sklo-hliník). Tato dvojitá izolace je nutná, vezme-li se v úvahu, že miska z plexiskla působí jako membrána reproduktoru. Protože hmotnost ventilátoru této konstrukce je značně velká a kruhy tvaru U musí být velmi měkké, může se ukázat nutnost část protizávaží 44 kompenzovat přes pružný člen upevněný na vestavném kruhu 66.

14. Usměrňovače vzduchu 4, 3 odstraňující rotační složku proudění v oblasti výstupního vzduchu přímo za výměníkem 12 tepla

Protože proud 102 odchozího vzduchu po průtoku výměníkem 12 tepla získá rotační složku, potlačuje se tato rotační složka v prvním usměrňovači vzduchu 4 tvořeném tryskou mříží. Druhý usměrňovač vzduchu 3 tvořený tryskovou mříží, umístěný přímo před ventilátorem 13 dopravujícím výstupní vzduch, potlačí potom zbývající rotační složku proudění. Pouze obě opatření společně způsobují potlačení rotační složky proudění snižující hluk.

-9CZ 296384 B6

K dosažení navlhčení vzduchu proudícího výměníkem tepla je učiněno opatření, že vzduch vedený výměníkem tepla se zavede do roztoku chloridu vápenatého, takže je po výstupu nasycen chloridem vápenatým, který má schopnost pohlcovat vodní páru.

Zpětné získání vlhkosti může být nastaveno volbou koncentrace roztoku chloridu vápenatého.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims (22)

1. Regenerační výměník tepla pro plynná média, zejména vzduchový výměník (12) tepla pro větrání místností budov, s bubnem (100) výměníku (12) tepla přijímajícím ve střídavé posloupnosti proud teplo vydávajícího a teplo absorbujícího plynného média, přičemž buben (100) má otevřený konec tvořící jednu čelní stranu a je otočně podepřen v ložisku a má aktivní povrch skládající se z vícevrstvé sítě, kde alespoň jeden ventilátor (110) vytváří proud (101) čerstvého vzduchu a jeden ventilátor (13) proud (102) odchozího vzduchu, vyznačující se tím, že buben (100) výměníku (12) tepla tvoří pevné vnější omezení zařízení a ložisko je navrženo jako kombinace mechanického ložiska a magnetického uložení (11), kde magnetické uložení (11) je uspořádáno na čelní straně otevřeného konce bubnu (100) výměníku (12) tepla a kde mechanické ložisko je navrženo se středním ložiskem (78), na kterém je buben (100) výměníku (12) tepla upevněn tak, aby v odmontované pozici byla osa bubnu (100) schopna provádět pouze vyklápěcí pohyby v kuželu, přičemž špička kuželu je uspořádána ve středním ložisku (78).

2. Regenerační výměník tepla podle nároku 1, vyznačující se tím, že střední ložisko (78) je spojeno se statorem (32) pevným způsobem.

3. Regenerační výměník tepla podle nároku 2, vyznačující se tím, že stator (32) je navržen se stacionárním kruhem.

4. Regenerační výměník tepla podle nároku 1, vyznačující se tím, že magnetické uložení (11) je tvořeno pouze permanentními magnety.

5. Regenerační výměník tepla podle nároku 2, vyznačující se tím, že je provedeno opatření pro částečný magnetický systém spojený s otočným bubnem (100) výměníku (12) tepla, přičemž magnetizační zařízení částečného magnetizačního systému je uspořádáno paralelně s osou bubnu (100).

6. Regenerační výměník tepla podle nároku 5, vyznačující se tím, že je provedeno opatření pro částečný magnetický systém, přičemž tento je stacionární vzhledem k bubnu (100) výměníku (12) tepla a spojený se statorem (32).

7. Regenerační výměník tepla podle nároku 6, vyznačující se tím, že stacionární část magnetického systému má průměr nepatrně menší než průměr částečného magnetického systému spojeného s otočným bubnem (100) výměníku (12) tepla.

8. Regenerační výměník tepla podle nároku 2 nebo 3, vyznačující se tím, že magnetické uložení (11) je tvořeno hlavním magnetickým uložením (11) v oblasti homí poloviny statoru (32), a s proti působícím a tudíž kapacitu ložiska snižujícím druhým magnetickým uložením (11) v oblasti spodní poloviny statoru (32), přičemž druhé magnetické uložení (11) doplňuje hlavní magnetické uložení (11).

9. Regenerační výměník tepla podle nároku 1, vyznačující se tím, že magnetické uložení (11) je současně uzpůsobeno pro těsnicí funkci.

-10CZ 296384 B6

10. Regenerační výměník tepla podle nároku 2, vyznačující se tím, že střední ložisko (78) je spojeno s příčným nosníkem (76) a tento je spojen pevně se dvěma podélnými nosníky (14) spojenými pevně se statorem (32).

11. Regenerační výměník tepla podle nároku 10, vyznačující se tím, že podélné nosníky (14) jsou spojeny se statorem (32) tak, aby libovolná nepřesnost v úhlové pozici na ose umístěné kolmo k ose bubnu (100) neměla žádný vliv na střední bod středního ložiska (78).

12. Regenerační výměník tepla podle nároku 10 nebo 11, vyznačující se tím, že příčný nosník (76) a/nebo podélné nosníky (14) jsou komponenty alespoň částečně vytvořené na soustruhu nebo komponenty z nich odvozené.

13. Regenerační výměník tepla podle nároku 2 nebo 3, vyznačující se tím, že buben (100) výměníku (12) tepla má prostředky pro úpravu své osové pozice, kde uvedené prostředky jsou navrženy takovým způsobem, aby ztráty způsobující těsnicí štěrbina (61) byla upravitelná mezi bubnem (100) výměníku (12) tepla a statorem (32) z vnějšku.

14. Regenerační výměník tepla podle nároku 1, vyznačující se tím, že střední ložisko (78) je osově posunutelné.

15. Regenerační výměník tepla podle nároku 10, vyznačující se tím, že je provedeno opatření pro kompenzační ústrojí (74) pro kompenzování tepelné změny v délce zejména podélných nosníků (14), přičemž uvedené kompenzační ústrojí (74) je navrženo takovým způsobem, aby změna vnější teploty vedla k osovému posunu středního ložiska (78) vzhledem k příčnému nosníku (76).

16. Regenerační výměník tepla podle nároku 1, vyznačující se tím, že buben (100) výměníku (12) tepla má uzavřenou čelní stranu a je osově upevnitelný zuvedené čelní strany.

17. Regenerační výměník tepla podle nároku 1, vyznačující se tím, že buben (100) výměníku (12) teplaje osově bez odporu odnímatelný.

18. Regenerační výměník tepla podle nároku 1, vyznačující se tím, že buben (100) výměníku (12) tepla může být uveden do rotace pomocí proudu (101) čerstvého vzduchu s rotační složkou proudění.

19. Regenerační výměník tepla podle nároku 18, vyznačující se tím, že proud vzduchu s rotační složkou proudění je proud vycházející z osového ventilátoru (110).

20. Regenerační výměník tepla podle nároku 19, vyznačující se tím, že osový ventilátor (13) směruje odchozí proud (102) ven rovnoběžně s osou bubnu (100) a jeho osa rotace je uspořádána s odstupem od osy bubnu (100).

21. Regenerační výměník tepla podle nároku 19 nebo 20, vyznačující se tím, že ventilátor (110) je navržen jako ventilátor (110) přívodního vzduchu.

22. Regenerační výměník tepla podle nároku 1, vyznačující se tím, že ventilátory (110, 13) jsou alespoň částečně uspořádány ve vnitřním prostoru bubnu (100) výměníku (12) tepla.