PL197437B1 - Urządzenie do wymiany ciepła /wilgotności - Google Patents

Abstract

Urz adzenie do wymiany ciep la/wilgotno sci, które jest wy- posa zone w kana ly maj ace generatory turbulencji, umie- szczone poprzecznie do kana lów i maj ace tyln a sciank e kra- w edziow a, górn a sciank e i przedni a scink e kraw edziow a, znamienne tym, ze odleg lo sc (A) mi edzy wlotem kana- lów (1) a srodkiem najbli zszego generatora turbulencji (3) jest okre slona przez stosunek odleg lo sci (A) do iloczynu srednicy hydraulicznej (D h ) i liczby Reynoldsa, który jest w zakresie od 0,01 do 0,04, za s tylna scianka kraw edzio- wa (5) generatorów turbulencji (3, 4) jest nachylona wzgl e- dem p laszczyzny pionowej przechodz acej przez dno (8) kana lu (1) pod k atem ( ?), który wynosi od 30° do 60°; przy czym stosunek wysoko sci (e) górnej scianki (6) nad dnem (8) kana lu do srednicy hydraulicznej (D h ) wynosi od 0,3 do 1,1; stosunek odleg lo sci (P) mi edzy srodkami generatorów turbulencji pierwszego (3) i drugiego (4) w kanale, widzia- nej od wlotu, do wysoko sci (e), wynosi od 8 do 30; nato- miast stosunek d lugo sci (B) górnej scianki (6) ka zdego generatora turbulencji (3, 4) do jego wysoko sci (e) nad dnem (8) kana lu wynosi od 1,0 do 4,0, za s stosunek promienia kraw edzi (r) generatorów turbulencji (3, 4) do srednicy hydraulicznej (D h ) wynosi od 0,01 do 0,2. PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do wymiany ciepła/wilgotności. Urządzenie to służy do optymalizowania stosunku szybkości przekazywania ciepła/wilgotności, odpowiednio, do spadku ciśnienia w strumieniu powietrza, przepływającym przez wymiennik.

Wymiennik ciepła/wilgotności powietrza opisanego powyżej typu jest zwykle wykonany z taśm płaskich albo taśm falistych, które po połączeniu, tworzą trójkątne lub trapezoidalne kanały. W wymiennikach wspomnianego powyżej typu z kanałami o stosunkowo małych przekrojach poprzecznych i z charakterystycznymi dla nich szybkościami przepływu powietrza, powietrze przepływa w stosunkowo uporządkowanych warstwach w kierunku kanałów. Zatem przepływ jest w zasadzie laminarny. Tylko na krótkim dystansie na wlocie kanałów występuje pewien przepływ w kierunku poprzecznym do ścian kanału. Tak zwana liczba Reynoldsa, która jest w tych warunkach równa od 100 do 600, jest stosowana jako charakterystyka przepływu powietrza. Jak długo liczba Reynoldsa jest mniejsza niż około 2000, przepływ jest laminarny.

Specjaliści w danej dziedzinie wiedzą, że w przepływie laminarnym powietrza, w najbliższym sąsiedztwie ściany kanału, tworzona jest warstwa graniczna, w której prędkość przepływu powietrza jest równa w zasadzie zero. Warstwa graniczna znacznie redukuje współczynnik przesyłania ciepła i wilgotności, przede wszystkim w związku z tak zwanym w pełni rozwiniętym przepływem. W celu zwiększenia współczynnika przesyłania ciepła i wilgotności, trzeba przepuszczać powietrze w stronę powierzchni kanału w taki sposób, że warstwa graniczna jest zredukowana i jest zwiększony przekaz od jednej warstwy do drugiej. Może to wystąpić w wyniku tak zwanego przepływu turbulentnego. Nawet w gładkich kanałach przepływ laminarny zmienia się w przepływ turbulentny, kiedy liczba Reynoldsa przekracza wartość 2000. Jeśli pożądane jest osiągnięcie tak wysokich wartości liczby Reynoldsa w kanałach z wymiennikami ciepła/wilgotności, jak opisywane tutaj, to potrzebne są w zasadzie większe prędkości przepływu powietrza niż zwykle są stosowane. W połączeniu z niskimi wartościami liczby Reynoldsa, które charakteryzują opisany powyżej wymiennik, trzeba generować turbulencje w sposób sztuczny, na przykład, przez zainstalowanie specjalnych generatorów turbulencji w kanałach.

Znane są różne formy takich generatorów turbulencji. Ze szwedzkiego opisu nr SE-B-444 071 znane jest urządzenie rolkowe do przekazu ciepła, mające generatory turbulencji w postaci poprzecznych falistości. Falistości te służą przede wszystkim do łączenia taśm, które są owinięte na centralnej rurze, tak że nie wysuwają się teleskopowo, ale jednocześnie generują turbulencje, które do pewnego stopnia poprawiają przekaz ciepła i wilgotności w stosunku do wymienników z całkowicie gładkimi kanałami, które zostały opisane powyżej.

Ten typ generatorów turbulencji zwiększa zatem w znacznym stopniu przekaz ciepła i wilgotności. Jednakże drastycznie rośnie również spadek ciśnienia. Wzrost spadku ciśnienia jest większy niż wzrost przekazu ciepła i wilgotności. Jednakże w wymiennikach typu powietrze - powietrze istotne jest utrzymywanie małego spadku ciśnienia, ponieważ spadek ciśnienia określa rozmiary i zapotrzebowanie na moc wentylatorów, które są zainstalowane w celu wymuszania przepływu powietrza przez wymiennik. Ponadto okazało się, że spadek ciśnienia jest zależny od konstrukcji, rozmiarów i geometrii generatorów turbulencji.

Celem wynalazku jest dostarczenie wymiennika ciepła/wilgotności, w którym konstrukcja i lokalizacja w kanałach wymiennika generatorów turbulencji pozwala na uzyskanie optymalnego stosunku spadku ciśnienia przepływu powietrza do szybkości przekazu ciepła i wilgotności.

Urządzenie do wymiany ciepła/wilgotności, które jest wyposażone w kanały mające generatory turbulencji, umieszczone poprzecznie do kanałów i mające tylną ściankę krawędziową, górną ściankę i przednią ścinkę krawędziową, według wynalazku charakteryzuje się tym, że odległość między wlotem kanałów a środkiem najbliższego generatora turbulencji jest określona przez stosunek odległości do iloczynu średnicy hydraulicznej i liczby Reynoldsa, który jest w zakresie od 0,01 do 0,04, zaś tylna ścianka krawędziowa generatorów turbulencji jest nachylona względem płaszczyzny pionowej przechodzącej przez dno kanału pod kątem, który wynosi od 30° do 60°; przy czym stosunek wysokości górnej ścianki nad dnem kanału do średnicy hydraulicznej wynosi od 0,3 do 1,1; stosunek odległości między środkami generatorów turbulencji pierwszego i drugiego w kanale, widzianej od wlotu, do wysokości, wynosi od 8 do 30; natomiast stosunek długości górnej ścianki każdego generatora turbulencji do jego wysokości nad dnem kanału wynosi od 1,0 do 4,0, zaś stosunek promienia krawędzi generatorów turbulencji do średnicy hydraulicznej wynosi od 0,01 do 0,2.

PL 197 437 B1

W celu optymalizowania stosunku spadku ciśnienia do szybkości przekazu ciepła/wilgotności, poprzeczne falistości wywołujące turbulencje, czyli tak zwane generatory turbulencji, należy wytwarzać z jednej strony w odpowiedniej odległości od otworu kanału, a z drugiej strony w odpowiedniej odległości jedna od drugiej. Ponadto, muszą być odpowiednio zaprojektowane i mieć określone rozmiary zarówno w kierunku pionowym jak i poziomym w kanale.

Na wlocie kanałów wymiennika ciepła / wilgotności, współczynnik przekazu ciepła i wilgotności jest wysoki, ponieważ warstwa graniczna jest bardzo cienka. Następnie grubość warstwy granicznej zwiększa się w głównym kierunku przepływu zaś współczynnik przekazu ciepła i wilgotności maleje. W celu zwiększenia przekazu ciepła i wilgotności, generatory turbulencji w ściankach kanału nie powinny być zainstalowane zbyt blisko wlotu, ponieważ przekaz ciepła i wilgotności już jest duży w tym rejonie. Zatem generator turbulencji w zasadzie powoduje tylko zwiększony spadek ciśnienia, który nie jest pożądany. W konsekwencji, optymalne jest umieszczanie pierwszego generatora turbulencji w kanale w takiej odległości, w której naturalna turbulencja wlotowa zanika.

Kiedy powietrze dociera do pierwszego generatora turbulencji, wytwarzany jest turbulentny przepływ powietrza i powietrze jest kierowane w stronę ścian kanału. Zatem uzyskiwany jest znaczny wzrost szybkości przenoszenia ciepła/wilgotności. Kiedy taki turbulentny strumień powietrza opuszcza generator turbulencji, to turbulencja stopniowo maleje. W miejscu, w którym turbulencja zanika, korzystne jest umieszczenie następnego generatora turbulencji.

W wyniku intensywnych testów i badań uzyskano definicje geometrii generatorów turbulencji i ich położenia w kanale, które dają optymalny stosunek szybkości przekazu ciepła/wilgotności do spadku ciśnienia.

W tym kontekście stosowane jest wyrażenie średnicy hydraulicznej, określające stosunek powierzchni przekroju poprzecznego kanału przelotowego do obwodu przekroju poprzecznego kanału. Przepływ powietrza charakteryzuje się tak zwaną liczbą Reynoldsa i liczbą Schmidta.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia w widoku perspektywicznym kanał wymiennika ciepła/wilgotności, który ma generatory turbulencji według wynalazku, fig. 2 - schematycznie w widoku z boku kanał z fig. 1, zaś fig. 3 - w przekroju poprzecznym kanał z fig. 1 i 2 wzdłuż linii I-I na fig. 2. Fig. 1 i 2 przedstawiają wlot 1 i część kanału 2 wymiennika ciepła/wilgotności według wynalazku. Na rysunku pokazany jest tylko pierwszy generator turbulencji 3, który jest zlokalizowany najbliżej wlotu 1 oraz drugi generator turbulencji 4. Kanał 2 ma wysokość h. Odległość A między otworem wlotowym a środkiem pierwszego generatora turbulencji 3 jest określona przez stosunek odległości A do iloczynu średnicy hydraulicznej i liczby Reynoldsa, który powinien być w zakresie od 0,01 do 0,04. Średnica hydrauliczna jest tutaj wyrażeniem stosunku powierzchni przekroju poprzecznego kanału przelotowego do obwodu kanału, zaś liczba Reynoldsa zależy od przepływu powietrza.

Z powyższego opisu wynika również, że odległość A zależy od Ilczby Reynoldsa, a zatem od prędkości przepływu powietrza. Optymalne położenie pierwszego generatora turbulencji 3 zależy więc od bieżących warunków roboczych.

Jak pokazano na fig. 2, generatory turbulencji 3, 4 mają szczególną geometrię. Mają one skośną tylną ściankę krawędziową 5, płaską górną ściankę 6 i skośną przednią ściankę krawędziową 7.

Zgodnie z wynalazkiem kąt θ, który wskazuje nachylenie tylnej ścianki krawędziowej 5 generatorów turbulencji 3, 4 w stosunku do dna 8 kanału 2 powinien być w zakresie od 30° do 60°, zaś stosunek wysokości e górnej ścianki 6 nad dnem 8 do średnicy hydraulicznej Dh kanału 2 powinien być w zakresie od 0,30 do 1,1. Ponadto, stosunek odległości P między środkami generatorów turbulencji pierwszego 3 i drugiego 4 do wspomnianej wysokości e powinien być w zakresie od 8 do 30, zaś stosunek długości B górnej ścianki 6 każdego generatora turbulencji 3, 4 do wysokości e górnej ścianki nad dnem 8 powinien być w zakresie od 1,0 do 4,0.

Przez stosowanie zatem, według wynalazku, generatorów turbulencji 3, 4 o szczególnej geometrii i umieszczonych w wyliczonej odległości jeden od drugiego i od wlotu 1 w kanałach 2 korzystnie o trójkątnym i/lub trapezoidalnym przekroju poprzecznym, osiągana jest znacznie zwiększona szybkość przenoszenia ciepła i wilgotności, ale tylko niewielki wzrost spadku ciśnienia. Kiedy przepływ powietrza osiągnie generator turbulencji 3, to szybkość przepływu rośnie lokalnie, zależnie od zredukowanego pola powierzchni przekroju poprzecznego, co pokazano na fig. 3. W efekcie, kiedy powietrze mija generator turbulencji 3 i ostrą krawędź w przejściu od górnej ścianki 6 do przedniej ścianki krawędziowej 7, to powstaje intensywny ruch turbulentny w wyniku separacji i znacznego rozszerzenia przekroju poprzecznego. Proces ten bardzo wydajnie zwiększa szybkość przekazu ciepła i wilgotności.

PL 197 437 B1

Generator turbulencji 4 jest usytuowany w obliczonej odległości P od pierwszego generatora turbulencji 3 w taki sposób, że wygenerowana turbulencja może być maksymalnie wykorzystana, a następnie tworzona jest tak zwana strefa ponownego porządkowania O pokazana na fig. 1, zanim powietrze przejdzie do drugiego generatora turbulencji 4. Zapobiega to niepotrzebnemu dodatkowemu spadkowi ciśnienia bez znacznego wzrostu szybkości przenoszenia ciepła i wilgotności w już turbulentnym przepływie powietrza. W rejonie ponownego porządkowania O osiągane jest to, że ponownie powietrze tworzy, w znacznym stopniu, gładką warstwę, zanim dotrze do następnego generatora turbulencji.

Istotne jest, aby krawędzie generatorów turbulencji 3, 4 były dostatecznie ostre i aby wytwarzały miejsca separacji (miejsca odrywania). Promień r krawędzi, jak pokazano na fig. 2, powinien być taki, że stosunek r/Dh jest w zakresie od 0,01 do 0,2.

W celu dalszego zmniejszenia spadku ciśnienia przy zachowaniu szybkości przekazu ciepła, wysokość e generatora turbulencji od dna 8 może być wyższa niż odpowiednia wysokość f od górnej ścianki kanału, patrz fig. 2. Taka konstrukcja eliminuje niepotrzebne turbulencje w tej wystającej przestrzeni. Korzystnie, wystająca część ma taką konstrukcję, że dobrze pasuje do odpowiedniego zagłębienia, utworzonego przez ścianki 5, 6 i 7 na dolnej ściance kanału, w celu uzyskania stabilnego połączenia przy układaniu warstw kanałów jednego na drugim i, na przykład, w celu uniknięcia efektu teleskopowego.

Generatory turbulencji według wynalazku są również wydajne przy dużej szybkości przepływu powietrza, przy której przepływ turbulentny jest formowany również w gładkim kanale. Turbulencja, która jest utworzona naturalnie, jest zwiększona przez efekt sprężania/rozprężania i mechanizmy rozdzielania i łączenia strumieni powietrza.

Claims (1)

1. Urządzenie do wymiany ciepła/wilgotności, które jest wyposażone w kanały mające generatory turbulencji, umieszczone poprzecznie do kanałów i mające tylną ściankę krawędziową, górną ściankę i przednią ścinkę krawędziową, znamienne tym, że odległość (A) między wlotem kanałów (1) a środkiem najbliższego generatora turbulencji (3) jest określona przez stosunek odległości (A) do iloczynu średnicy hydraulicznej (Dh) i liczby Reynoldsa, który jest w zakresie od 0,01 do 0,04, zaś tylna ścianka krawędziowa (5) generatorów turbulencji (3, 4) jest nachylona względem płaszczyzny pionowej przechodzącej przez dno (8) kanału (1) pod kątem (θ), który wynosi od 30° do 60°; przy czym stosunek wysokości (e) górnej ścianki (6) nad dnem (8) kanału do średnicy hydraulicznej (Dh) wynosi od 0,3 do 1,1; stosunek odległości (P) między środkami generatorów turbulencji pierwszego (3) i drugiego (4) w kanale, widzianej od wlotu, do wysokości (e), wynosi od 8 do 30; natomiast stosunek długości (B) górnej ścianki (6) każdego generatora turbulencji (3, 4) do jego wysokości (e) nad dnem (8) kanału wynosi od 1,0 do 4,0, zaś stosunek promienia krawędzi (r) generatorów turbulencji (3, 4) do średnicy hydraulicznej (Dh) wynosi od 0,01 do 0,2.