自除霜热交换器及其应用方法

技术领域

本发明涉及能够自除霜的热交换器及其使用方法。所提出的热交换器具有高效率，并且在几乎任何负温度和任何室内湿度的气候水平下都能保持运行。热交换器适用于供气和排气通风系统，不会混合排气和供气。

背景技术

发明涉及房屋供气和排气通风系统领域。建议为此类系统配备热交换器，其中从房间排出的热空气将大部分热量散发给从街道进入的冷供应空气，从而可以节省供暖费用。

对于此类任务，有两类热交换器：回热式热交换器和再生式热交换器。在回热式热交换器中，气体之间的热交换直接通过分隔气体的壁或通过中间冷却剂连续发生。在蓄热式热交换器中，热交换是通过来自室内和室外的不同温度的气体与相同的热交换器表面交替接触来进行的。

用于场所送风和排气通风的最常见热交换器是带有中间冷却剂、转子和室的板式热交换器。同时，板式和中间式热交换器被归类为同流换热器，而旋转式和室式热交换器被归类为蓄热式热交换器。

所有现有热交换器的缺点是，不同类型的热交换器在冬季运行时在外部温度参数方面或多或少存在限制。当空气通过热交换器时，排出的空气被冷却，当其温度降至露点以下时形成冷凝。在送风温度为负值的情况下，冷却废气时形成的冷凝物会变成冰，导致热交换器冻结并停止运行。在现有的热交换器上，该问题的解决方案以不同的方式实现，例如，通过加热外部空气和/或排出空气或改变它们的流速比。所有这些方法导致这些系统的效率降低、其复杂化，并且相应地导致供气和排气系统本身的成本增加以及操作成本增加。室外温度越低，室内湿度越高，需要使用更复杂的系统来防止其结冰。在这种情况下，系统的整体效率会显着下降，直至丧失其使用的经济可行性。再生式热交换器的另一个缺点是供气和排气的部分混合，这在某些情况下是不可接受的。

在维什涅夫斯基E.P.的文章恶劣气候条件下的回热式板式热交换器(管道、供暖、空调。-2011年.-第6期.-P.56-61.)中描述了用于除霜热交换器的方法。所描述的方法中的第一种是当热交换器达到一定程度的冻结时，关闭流入。结果，只有从排气侧移除的热空气穿过热交换器，热交换器由此除霜。所述方法的第一个缺点是必须监测冻结并每次在冻结的临界水平时关闭流入。这使得该方法更加耗费劳力。第二个缺点是，当送风关闭时，新鲜空气不会有组织地进入房间，而是通过裂缝和其他泄漏处进入房间。这会导致有泄漏的隔断过冷并进一步冻结，甚至会导致其部分破坏(隔热材料洒落、涂层剥落等)。

还在维什涅夫斯基E.P.的文章恶劣气候条件下的回热式板式换热器(管道、供暖、空调.-2011.-No.6.-P.56-61.)中描述了一种对换热器进行部分除霜的方法。该方法假设流入侧入口处存在多叶、单独控制的空气阀。在正常操作期间，阀门完全打开。当热交换器冻结时，阀瓣受到控制，因此入口气流的各个部分被短暂阻塞。因此，就可以依次解冻一段又一段。文章本身提到了所提出方法的第一个缺点。其原因在于控制系统要复杂得多。因此，系统也变得更加昂贵和庞大。该方法的第二个缺点是它仅涉及热交换器的部分除霜。在这方面，部分热交换器在完全除霜之前功能较差，并且在除霜的部分中，排出空气的热量没有得到有效利用，这导致热交换器的整体效率降低。

在维什涅夫斯基E.P.的文章恶劣气候条件下的回热式板式换热器(管道、供暖、空调.-2011.-No.6.-P.56-61.)中描述的另一种方法可确保防止结冰热交换器。建议通过将供应空气预热至冰点温度以上来解决该问题。这可以通过供应空气中新鲜空气和废气的部分混合，或通过使用额外的电加热器(加热元件)或空气加热器来实现。第一种方法的缺点是大部分排出的空气返回到房间中，这实际上剥夺了房间的通风。第二种方法的缺点是持续加热送风的能耗显着增加。

萨维利耶夫Yu.L.的文章通风系统中旋转式热交换器的效率和可靠性(学术公告乌拉尔科学研究所项目-2014.-No.1.)致力于评估旋转式热交换器在湿空气热再生条件下的运行情况。已经建立了转子质量和空气之间热交换过程的假设模型。对保证旋转式换热器运行不结冰的措施进行了分析。显示出其中最有效的是降低转子速度。计算证实，这种情况下再生效率和节能效果都会降低。文章[2]中所描述方法的第一个缺点是，建议减少转子转数并同时加热外部空气和/或加热排出空气。因为加温和/或加热需要消耗大量能量，这显着降低了该方法的效率。

在Kragh J.et al.的文章中New counter flow heat exchanger designed forventilation systems in cold climates(Energy and Buildings.–2007.–Τ.39.–№.11.–С.1151-1158.)介绍了专为寒冷气候设计的新型逆流热交换器的设计和测试测量。所开发的热交换器能够连续除霜，无需额外加热。所开发的热交换器的其他优点是压力损失低、材料便宜和设计简单。本文对新型换热器的效率进行了理论计算和实验测量。实验表明，热交换器能够在远低于冰点的室外温度下持续除霜，同时保持非常高的效率。该热交换器的第一个缺点在文章[3]中提到。其原因在于该热交换器与其他热交换器相比尺寸较大。另一个缺点是为了对冰进行除霜，即解冻，基本上使用两个热交换器。两个电动阀调节流向两个热交换器的气流。调节房间的排气流量，使通过主动和被动热交换器的流量分别为90％和10％。当设定的时间间隔结束后，气流将被切换。这不仅显着增加了系统的尺寸，而且增加了其成本。该热交换器还在不低于-20℃的温度下进行了测试，这是一个相对温暖的冬季温度。没有讨论热交换器在较低温度下的工作。

在Nasr M.R.et al.的文章中Evaluation of defrosting methods for air-to-air heat/energy exchangers on energy consumption of ventilation(AppliedEnergy.–2015.–Τ.151.–С.32-40.)评估了三个寒冷城市(即萨斯卡通、安克雷奇和芝加哥)两种除霜方法对通风能耗的影响。第一种方法是预热外部空气，其缺点已在上文中描述。第二种方法是绕过外部空气的流动。这通常是通过完全关闭热交换器的供气流，同时排出气流继续流过热交换器，加热核心并融化任何积聚的霜或冰来实现的。一段时间后，旁路关闭，热交换器恢复正常运行(即热/能量回收)。除霜期间，应打开额外的空气加热器(和加湿器)，以在进入建筑物之前加热/调节室外空气。这种方法的第一个缺点是将冷空气加热到0℃以上的温度会额外浪费能源。另一个缺点是在除霜期间，进气和排气之间的正常热交换停止。

与本发明非常相似的是专利RU2658265C2(发布于2018年6月19日；国际专利分类：F24F 12/00)，其中描述了一种热回收器，包含一个封闭的壳体，壳体内安装有一个转子，转子的板交替位于离开房间的暖空气流或进入房间的冷空气流，其特征在于，转子板被制成圆盘的形式，安装在水平定向的轴上，它们之间有间隙，垂直于水平气流，其周期性地改变从房间到周围空间或从周围空间的运动方向房间的空间。这种热交换器的第一个缺点是为了除霜，即解冻，需要使用两个同流换热器，它们以不同的模式运行，其中一个以“排气”模式运行，第二个以“加压”模式运行，并且在一段时间后他们将模式更改为相反。这显着增加了系统的尺寸及其成本。在切换气流方向时也会发生排气和供气的部分混合。

发明内容

本发明的目的是创造和开发一种热交换器及其使用方法，其确保热交换器的自除霜，即保证在任何气候条件下运行过程中形成的冰都融化，同时保持连续运行和高传热效率。

这项任务的完成得益于这样的技术成果：确保热交换器的高效率和除霜，而无需额外的加热能耗。此外，在所提出的热交换器中，排气和供应空气不会混合。这一目标的实现得益于：

转子转动缓慢；

用于供气和排气的单独通道的内容物，具有非垂直的转子旋转轴线；

排气输入口和供气出口相对于其旋转轴线在转子下部的位置，而在转子的上部，相对于其旋转轴线，有排气出口和送风输入；

技术成果是通过一种热交换器实现的，其包括放置在壳体中的具有非垂直旋转轴线的转子，转子由环形元件制成，环形元件之间的间隙沿着内周和外周交替地密封，这样形成将供气和排气分开的通道的方式，而壳体由外缸和内缸组成，其中外缸包围转子，并在下部包含至少一个用于将废气引入转子的孔，在上部包含至少一个用于从转子排出废气的孔，而内缸插入转子内，其上部包含至少一个用于将供气引入转子的孔，下部包含至少一个用于从转子排出供气的孔，内缸内还内置有隔板，将送风的输入和输出分开，送风通过其端部输入和输出到内缸。

供气和排气之间的热交换通过分离通道的壁发生，而不混合这些流。用于将供应空气和排出空气输入和输出到转子中的孔的指定布置提供了这些流在转子通道中的大体逆流运动模式，这显着提高了这些流之间的热交换效率，此外，在送风温度为负且排气温度为正的情况下，通道的最高表面温度将在转子的下部区域中，而最低表面温度将在上部区域中。

转子的缓慢旋转导致其扇区从负温度区域逐渐移动到正温度区域，在负温度区域，其表面在排气侧发生冻结，到正温度区域，其中冰冻表面被解冻，液体冷凝物被去除，然后返回。因此，转子连续除霜。转子速度过低会导致负温度区域结冰厚度显着增加，从而显着恶化排气和送风通道之间的热交换。如果转子转速太高，正温度部分的冰可能会融化不完全，并且转子本身热容量的贡献变得显着，从而减小了转子壁与气流之间的温度梯度并且，相应地，也导致热交换器的效率下降。

最佳转子速度取决于通道间隙、通道表面积、废气的流速和湿度。从量级来看，该速度约为每小时一转，并且可以在一个方向或另一个方向上变化几次。

由于在大约一分钟的时间内，冰的厚度在其冻结和解冻过程中没有显着变化，那么转子的旋转既可以连续旋转，也可以间歇旋转，即以某个小角度转动并停止时间少于一分钟，前提是平均转速保持与连续旋转相同。转子的间歇旋转方法，即带有间歇，允许使用具有较低减速系数的机构，相应地，该机构更便宜。

由于空气冷却和/或冰融化而形成的液体冷凝物可以通过重力通过热交换器下部的管道排出，并在重力的影响下被收集起来。

形成转子通道的环形元件可完全制成或包含由气密蒸汽湿气可渗透材料制成的插入件，这将允许液体冷凝物从其形成的通道被吸收并在其他通道中蒸发。

为了便于转子旋转，可以将其安装在旋转单元上，例如滚动滚子上，该转子与外壳之间具有较小的间隙。此外，使热交换器在转子和壳体之间具有间隙显着降低了对这些单元的制造精度的要求，但会导致废气和供应空气与环境产生不必要的流动。为了密封转子和外壳之间的间隙，可以使用由刷子、毛毡、橡胶等制成的滑动密封件。

为了减少热交换器的热损失并相应地提高其效率，转子的外壳和端部可以用隔热材料覆盖。

而且技术成果是由于使用包含旋转转子的热交换器的方法而实现的，通过该方法，废气通过换热器的排风孔引入转子，供风通过换热器的供风孔引入转子，废气通过用于去除空气的通道穿过转子，供应空气通过用于供应空气的通道穿过转子，去除的空气通过用于去除空气的热交换器开口从转子去除除去空气后，供应空气通过热交换器开口从转子中除去，以除去供应空气。在这种情况下，在相对于转子的旋转轴线的一侧引入供应空气并去除废气，而送风从相对于转子旋转轴线的另一侧排出，而在热交换器的工作过程中，转子的旋转速度在转子的冷区中不会发生转子的过度冻结，在转子的热区中发生冰的完全解冻，并且在同时转子自身的热容量对送风和排风之间的热交换过程的影响仍然很小。这确保了热交换器在运行期间的自除霜，以及在任何气候条件下的高效率和可操作性。

供气和排气之间的热交换通过分隔通道的壁进行，而不混合这些气流。所指示的供气和排气进入和离开转子的点提供了这些流在转子通道中的大体逆流运动模式，这显着提高了这些流之间的热交换效率，此时在送风温度为负且排气温度为正的情况下，转子通道表面的最高温度将出现在排气输入区域以及相应的送风出口区域，并且最小值-在排气出口和送风输入部分。

转子的缓慢旋转导致其扇区从负温度区域逐渐移动到正温度区域，在负温度区域，其表面在排气侧发生冻结，到正温度区域，其中冰冻表面被解冻，液体冷凝物被去除，然后返回。因此，转子连续除霜。转子速度过低会导致负温度区域结冰厚度显着增加，从而显着恶化排气和送风通道之间的热交换。如果转子转速太高，正温度部分的冰可能会融化不完全，并且转子本身热容量的贡献变得显着，从而减小了转子壁与气流之间的温度梯度并且，相应地，也导致热交换器的效率下降。

最佳转子速度取决于通道间隙、通道表面积、排出空气的流速和湿度。从量级来看，该速度约为每小时一转，并且可以在一个方向或另一个方向上变化几次。

由于在大约一分钟的时间内，冰的厚度在其冻结和解冻过程中没有显着变化，那么转子的旋转既可以连续旋转，也可以间歇旋转，即以某个小角度转动并停止时间少于一分钟，前提是平均转速保持与连续旋转相同。转子的间歇旋转方法，即带有间歇，允许使用具有较低减速系数的机构，相应地，该机构更便宜。

由于空气冷却和/或冰融化而形成的液体冷凝物可以通过重力从热交换器的底部去除，并在重力的影响下被收集起来。

液态冷凝水可以从形成它的转子通道中吸收，并在其他转子通道中蒸发，前提是在这些通道的制造中使用气密、蒸汽湿气可渗透的材料。

附图说明

图1中示出了热交换器的横截面。

图2中示出了热交换器的切面图(侧视图)。

图3中示出了带有滑动密封元件的热交换器的横截面。

图4中示出了热交换器的使用方法的原理插图。

具体实施方式

发明的以下详细描述阐述了旨在提供对本发明的清晰理解的多个实施细节。然而，对于本领域技术人员来说，在有或没有这些实施细节的情况下如何使用本发明将是显而易见的。在其他情况下，未详细描述众所周知的方法、过程和组件，以免过度模糊本发明的特征。

此外，从以上讨论可以清楚地看出，本发明不限于以上实施方式。在保留本发明的精神和形式的同时，许多可能的修改、变更、变化和替代对于本领域技术人员来说将是显而易见的。

图1和图2分别示出了热交换器的截面示意图和侧视截面示意图。转子1由环形元件制成，环形元件之间的间隙沿内周和外周交替密封。这形成了通道2和3，将排出空气4和供应空气5分开。转子1的两端设有气缸。在壳体7的从外部包围转子1的部分上，具有用于排出空气4的入口孔8和出口孔9。壳体7的内部部分是圆柱体，其上有槽，形成用于供应空气5的入口孔10和出口孔11。以及在气缸7中，存在将供应空气5的入口10和出口11分开的隔板12，而供应空气到壳体内部的输入和输出是通过其端部进行的。

转子1的旋转能够以每小时一转左右的速度连续进行。同样转子1的旋转可以停止地进行，旋转几度并且停止时间不超过一分钟，使得转子1的平均速度约为每小时一转。转子1本身的旋转可以使用具有使用皮带、链条、蜗杆、齿轮和其他机构的减速机构的电力驱动器来实现。

转子1的旋转轴线可以水平定位或倾斜定位，但应与垂直方向不同。最好的是转子1的旋转轴线水平位置，如图1、图2和图3所示。

构成热交换器壳体7的气缸还可被旋转组件6覆盖，这使得转子1更容易相对于壳体7旋转。作为旋转组件6，可以使用滚轮和其他类似的组件，能够定位转子1相对于壳体的位置，同时促进转子1的旋转。

供气5和排气4之间的热交换通过分隔通道的壁进行，而不混合这些气流。用于进入转子1的输入孔8、10和从转子1供气5和排气4的排出孔9、11的指定布置提供这些流在转子1的通道中的大体逆流运动模式，这显着提高了这些流之间的热交换效率。此时，在送风5的温度为负且排气4的温度为正的情况下，通道的最高表面温度将在转子1的下部区域中，而最低表面温度将在上部区域中。转子1的缓慢旋转导致其扇区从负温度区域逐渐移动到正温度区域，在负温度区域，其表面从排气4的一侧发生冻结，在正温度区域，冻结的表面被解冻并将液体冷凝物除去并返回。因此，发生转子1的连续除霜。转子1速度过低会导致负温度区域结冰厚度显着增加，从而显着恶化排气4和送风5通道之间的热交换。如果转子1转速太高，正温度部分的冰可能会融化不完全，并且转子1本身热容量的贡献变得显着，从而减小了转子1壁与气流之间的温度梯度并且，相应地，也导致热交换器的效率下降。因此，转子1存在一定的最佳转速，这取决于通道中的间隙、通道的表面积、排出空气4的流速和湿度。从量级来看，该速度约为每小时一转，并且可以在一个方向或另一个方向上变化几次。由于在大约一分钟的时间内，冰的厚度在其冻结和解冻过程中没有显着变化，那么转子1的旋转既可以连续旋转，也可以间歇旋转，即以某个小角度转动并停止时间少于一分钟，前提是平均转速保持与连续旋转相同。转子1的间歇旋转方法，即带有间歇，允许使用具有较低减速系数的机构，相应地，该机构更便宜。

热交换器可以另外配备有滑动密封元件13，其布置如图3所示。滑动密封元件13位于壳体7和转子1之间。密封元件13的额外使用使得能够密封转子1和壳体7之间的间隙，以便消除废气和供应空气与环境以及彼此之间的不希望的流动。为了密封转子1和外壳7之间的间隙，可以使用由刷子、毛毡、橡胶等制成的滑动密封件。

形成转子1的通道2和3的环形元件另外可以完全制成或包含由气密蒸汽-湿气可渗透材料制成的插入件，这将允许液体冷凝物从其形成的通道被吸收并在其中蒸发。其他渠道。

液态冷凝水也可以通过在重力作用下排出。在这种情况下，热交换器壳体7可以另外具有用于排出液态冷凝水的孔。

为了减少热交换器的热损失并相应地提高其效率，转子1的外壳7和端部可以额外用隔热材料覆盖。

根据换热器的使用方法，换热器的工作原理如下，其原理图如图4所示。描述了在显着负外部温度(-30℃)的条件下，湿度约为55％(绝对湿度含量9.4克/米3)的温暖房间(+20℃)的通风情况。废气和送风的流量是平衡的，即大致相等。

废气4通过入口8进入转子1，并且沿着转子1的旋转轴线两侧的通道2移动到出口9，将其热量传递给供应空气5，同时也在转子1的旋转轴线的两侧通过从入口10到出口11的其他通道3。在这种情况下，废气4被冷却，并且供气5被加热。流4和5之间的热交换通过分隔通道2和3的表面进行。

当废气4冷却至+10℃时，其达到露点，并且随着进一步冷却，湿气开始在通道2的表面上凝结。当废气冷却至0℃时，每立方米会凝结约4.5克液体，这几乎是其初始水分含量的一半。

废气4的进一步冷却导致水蒸气以冰和霜的形式沉淀在通道2的表面，此时，随着其温度的下降，其中的水分含量显着减少，表面结冰的速度也相应降低。

转子1的缓慢连续或间歇旋转导致通道2的表面发生强烈冻结的区域逐渐移动。一方面，它进入深度负温度区域，冻结率显着下降，另一方面，它会进入正温度区域并在那里解冻。因此，通过转子1的转速及其通道2的表面积与废气4的体积的比率，可以调节冰形成的最大厚度。同时，在保证液态冷凝物排除的情况下，废气的初始湿度不会影响冰量。由于温度低于-20℃时空气的水分含量(约1克/米3)非常小，因此温度的进一步降低实际上不会导致冰生长的增加。因此，所提出的设备可以在显着较低的外部温度下运行。

可以以不同的方式从废气4的通道2去除液态冷凝水。例如，在环形元件的制造中，通过在重力的影响下通过位于热交换器下部的管道(图中未示出)排出，或者在形成这些通道的环形元件的制造过程中通过吸收到通道2的表面中并随后在通道3中蒸发，完全或包含由气密、透湿材料制成的插入件。

在这种情况下，在转子1的运行期间，其运行速度可以另外手动或自动调节。这是基于空气参数来完成的，例如室内空气温度、室外空气温度、室内空气湿度、室外空气湿度等。根据空气参数调整速度可以让您在任何外部条件下更有效地使用热交换器。

这些申请材料提供了所要求保护的技术方案的实施方式的优选公开，不应被用作限制其实施方式的其他私人实施方式，其不超出所要求的法律保护范围，并且对于相关技术领域的专家来说是显而易见的。