RU2610031C1

RU2610031C1 - Energy-saving hydroheater

Info

Publication number: RU2610031C1
Application number: RU2015153486A
Authority: RU
Inventors: Олег Савельевич Кочетов
Original assignee: Олег Савельевич Кочетов
Priority date: 2015-12-14
Filing date: 2015-12-14
Publication date: 2017-02-07

Abstract

FIELD: heating, ventilation.

SUBSTANCE: invention refers to the ventilation equipment, particularly, to devices for air heating by means of latent heat of ice formation of water. The energy-saving hydroheater contains a shaft with tubes for external air input and supply air output and a water-spraying system with sprayers, whereupon, each sprayer contains hollow casing with a nozzle and a center hub; the casing is performed with a channel for liquid feed and contains a coaxial insert rigidly connected to the casing with the nozzle secured in its bottom part performed in the form of cylinder two-stage insert, the top cylinder stage of which is connected to the center cylinder hub by means of a thread coupling; the cylinder hub has a center through-hole and is installed with an annular gap relatively the internal surface of the cylinder insert, and the annular gap is connected to at least three radial channels performed in the two-stage insert; these channels connect the annular gap with an annular space formed by the internal surface of the insert and the external surface of the top cylinder stage, moreover, the annular space is connected to the casing channel for liquid feed, and in the bottom part of center cylinder hub, a hollow conical swirler is secured, the conical shell of which is fixed by means of at least three spokes secured with their first tips to the conical shell of the swirler, in its top part, and with their second tips, to an annular groove performed on the internal surface of the center cylinder hub; moreover, on the external surface of the hollow conical swirler, a screw thread is performed.

EFFECT: invention allows increasing of efficiency of the heating process of cold ambient air.

2 dwg

Description

Изобретение относится к вентиляционной технике, а именно к устройствам для нагрева воздуха за счет скрытой теплоты льдообразования воды.The invention relates to ventilation equipment, and in particular to devices for heating air due to the latent heat of ice formation of water.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому объекту является гидрокалорифер по патенту РФ №2318162 (прототип), содержащий шахту с патрубками для входа наружного воздуха и выхода приточного воздуха и водоразбрызгивающую систему.The closest technical solution to the claimed object is a hydrocalifer according to the patent of the Russian Federation No. 2318162 (prototype), containing a shaft with pipes for the entrance of external air and the outlet of the supply air and a water-spraying system.

Недостатком прототипа является сравнительно невысокая эффективность процесса нагрева холодного наружного воздуха.The disadvantage of the prototype is the relatively low efficiency of the process of heating cold outdoor air.

Технический результат - повышение эффективности процесса нагрева холодного наружного воздуха.The technical result is an increase in the efficiency of the process of heating cold outdoor air.

Это достигается тем, что в энергосберегающем гидрокалорифере, содержащем шахту с патрубками для входа наружного воздуха и выхода приточного воздуха и водоразбрызгивающую систему, причем патрубок для входа наружного воздуха расположен в нижней части шахты, в которой расположен поддон с перфорированной решеткой и теплообменником, расположенным под решеткой и подсоединенным к входной и выходной магистралям системы сбросных технологических вод предприятия, а вода подается из поддона насосом в напорный водопровод, подающий ее в коллекторы водоразбрызгивающей системы с форсунками камеры орошения, расположенными соответственно до и после каплеуловителя, расположенного в верхней части шахты, а в патрубке для выхода приточного воздуха расположен калорифер дополнительного нагрева воздуха до температуры приточного воздуха, который вентилятором подается в приточную вентиляционную систему, при этом гидрокалорифер обеспечивает нагрев холодного наружного воздуха до температуры 0,2…1°С, при следующих параметрах: скорость движения воздуха в камере орошения до 3 м/с; крупность капель воды - до 300 мкм; коэффициент орошения - 0,03…0,2 кг/кг; давление воды перед форсункой - не менее 2 атм, согласно изобретению каждая из форсунок содержит полый корпус с соплом и центральным сердечником, корпус выполнен с каналом для подвода жидкости и содержит соосную, жестко связанную с корпусом втулку с закрепленным в ее нижней части соплом, выполненным в виде цилиндрической двухступенчатой втулки, верхняя цилиндрическая ступень которой соединена посредством резьбового соединения с центральным цилиндрическим сердечником, имеющим сквозное внутреннее центральное отверстие и установленным с кольцевым зазором относительно внутренней поверхности цилиндрической втулки, а кольцевой зазор соединен по крайней мере с тремя радиальными каналами, выполненными в двухступенчатой втулке, соединяющими его с кольцевой полостью, образованной внутренней поверхностью втулки и внешней поверхностью верхней цилиндрической ступени.This is achieved by the fact that in an energy-saving hydrocalorifer containing a shaft with pipes for external air inlet and supply air outlet and a water-spraying system, the pipe for external air inlet is located in the lower part of the shaft, in which there is a pallet with a perforated grate and a heat exchanger located under the grate and connected to the input and output lines of the enterprise’s waste water system, and water is pumped from the pallet to the pressure water supply pipe, which feeds it to the collector water spray system with nozzles of the irrigation chamber located respectively before and after the drip trap located in the upper part of the shaft, and in the nozzle for the supply air outlet there is a heater for additional heating of the air to the supply air temperature, which is supplied by the fan to the supply ventilation system, while the air heater provides heating of cold outdoor air to a temperature of 0.2 ... 1 ° C, with the following parameters: air velocity in the irrigation chamber up to 3 m / s; the size of the drops of water is up to 300 microns; irrigation coefficient - 0.03 ... 0.2 kg / kg; the water pressure in front of the nozzle is not less than 2 atm, according to the invention each of the nozzles contains a hollow body with a nozzle and a central core, the body is made with a channel for supplying liquid and contains a coaxial sleeve rigidly connected to the body with a nozzle fixed in its lower part, made in in the form of a cylindrical two-stage sleeve, the upper cylindrical step of which is connected by means of a threaded connection to a central cylindrical core having a through inner central hole and installed an annular gap relative to the inner surface of the cylindrical sleeve and the annular gap is connected with at least three radial channels made in the two-step sleeve, connecting it to the annular cavity formed by the inner surface of the sleeve and the outer cylindrical surface of the upper stage.

На фиг. 1 изображен общий вид гидрокалорифера, на фиг. 2 - общий вид форсунки для распыливания жидкостей.In FIG. 1 shows a general view of a hydrocalifer, in FIG. 2 is a general view of a nozzle for spraying liquids.

Гидрокалорифер содержит шахту 1 с патрубками 13 и 14 соответственно для входа наружного воздуха с минусовой температурой -t_н°С и выхода приточного воздуха с температурой +t_п°С. Наружный воздух входит в шахту 1 через патрубок 13, навстречу ему из форсунок 2 камеры орошения разбрызгивается вода. При контакте с воздухом вода, замерзая, отдает ему свою явную и скрытую теплоту и в виде шуги и мокрого снега 8 оседает на перфорированную решетку 15 поддона 16, в котором, под решеткой 15, расположен теплообменник 12, подсоединенный к входной 9 и выходной 10 магистралям системы сбросных технологических вод предприятия. Насосом 11 вода подается из поддона 16 через фильтр в напорный водопровод 7, подающий ее в коллекторы с центробежными форсунками 2 и 4, расположенными соответственно до и после каплеуловителя 3. Нагретый воздух проходит каплеуловитель 3, догревается в водяном или паровом калорифере 5 до температуры приточного воздуха +t_п°С и вентилятором 6 подается в приточную вентиляционную систему.The air heater contains a shaft 1 with nozzles 13 and 14, respectively, for the entry of external air with a minus temperature of -t _n ° C and the outlet of the supply air with a temperature of + t _p ° C. Outside air enters the shaft 1 through the nozzle 13, water is sprayed towards it from the nozzles 2 of the irrigation chamber. Upon contact with air, the water freezes, gives it its apparent and latent heat and, in the form of sludge and wet snow 8, settles on the perforated grate 15 of the pallet 16, in which, under the grate 15, there is a heat exchanger 12 connected to the input 9 and output 10 highways enterprise waste water systems. With pump 11, water is supplied from the drip tray 16 through a filter to the pressure water supply 7, which feeds it to the collectors with centrifugal nozzles 2 and 4 located respectively before and after the drip tray 3. Heated air passes the drip tray 3, is heated in the water or steam heater 5 to the supply air temperature + t _p ° C and fan 6 is fed into the supply ventilation system.

Форсунка содержит (фиг. 2) цилиндрический полый корпус 17 с каналом 19 для подвода жидкости и содержит соосную и жестко связанную с корпусом втулку 18 с закрепленным в ее нижней части соплом, выполненным в виде цилиндрической двухступенчатой втулки 20, верхняя цилиндрическая ступень 22 которой соединена посредством резьбового соединения с центральным цилиндрическим сердечником 23, имеющим сквозное внутреннее центральное отверстие 26 и установленным с кольцевым зазором 25 относительно внутренней поверхности цилиндрической втулки 20. Кольцевой зазор 25 соединен по крайней мере с тремя радиальными каналами 21, выполненными в двухступенчатой втулке 20, соединяющими его с кольцевой полостью 24, образованной внутренней поверхностью втулки 18 и внешней поверхностью верхней цилиндрической ступени 22, причем кольцевая полость 24 связана с каналом 19 корпуса 17 для подвода жидкости.The nozzle contains (Fig. 2) a cylindrical hollow body 17 with a channel 19 for supplying fluid and contains a sleeve 18 coaxially and rigidly connected to the body with a nozzle fixed in its lower part, made in the form of a cylindrical two-stage sleeve 20, the upper cylindrical step 22 of which is connected by a threaded connection with a central cylindrical core 23 having a through inner central hole 26 and installed with an annular gap 25 relative to the inner surface of the cylindrical sleeve 20. Ring the azor 25 is connected to at least three radial channels 21 made in a two-stage sleeve 20, connecting it with an annular cavity 24 formed by the inner surface of the sleeve 18 and the outer surface of the upper cylindrical stage 22, and the annular cavity 24 is connected to the channel 19 of the housing 17 for supply liquids.

В нижней части центрального цилиндрического сердечника 23 закреплен полый конический завихритель 27, коническая обечайка которого фиксируется посредством по крайней мере трех спиц 28, закрепленных одним концом на конической обечайке завихрителя, в ее верхней части, а другим концом - в кольцевой канавке (не показано), выполненной на внутренней поверхности центрального цилиндрического сердечника 23. На внешней поверхности полого конического завихрителя 27 выполнена винтовая нарезка.In the lower part of the central cylindrical core 23, a hollow conical swirl 27 is fixed, the conical shell of which is fixed by means of at least three spokes 28 fixed at one end to the swirl conical shell in its upper part and the other end in an annular groove (not shown), made on the inner surface of the Central cylindrical core 23. On the outer surface of the hollow conical swirl 27 made screw cutting.

Работа форсунки осуществляется следующим образом.The nozzle is as follows.

Жидкость под давлением подается в полость 19 корпуса форсунки 17 и затем поступает по двум направлениям: первое - в кольцевую полость 24 через радиальные каналы 21 в кольцевой зазор 25 между соплом и центральным сердечником 23.Liquid under pressure is supplied to the cavity 19 of the nozzle body 17 and then flows in two directions: the first into the annular cavity 24 through the radial channels 21 into the annular gap 25 between the nozzle and the central core 23.

Второе направление, по которому поступает жидкость, - через канал 19 для подвода жидкости в полость центрального отверстия 26 центрального сердечника 23, а затем в нижнюю часть центрального цилиндрического сердечника 23, и через конический завихритель 27 выходит наружу и встречается с потоком первого направления, образуя мелкодисперсный поток жидкости. Использование мелкодисперсного распылителя описанной конструкции позволяет получить равномерный по объему поток капель мелкодисперсного распыла в диапазоне диаметров капель от 30 до 150 мкм при давлении подачи воды не более 1 МПа.The second direction in which the liquid enters is through the channel 19 for supplying liquid into the cavity of the central hole 26 of the central core 23, and then into the lower part of the central cylindrical core 23, and through the conical swirl 27 comes out and meets the flow of the first direction, forming a fine fluid flow. The use of a finely dispersed sprayer of the described design allows one to obtain a uniform volume flow of finely dispersed droplets in the range of droplet diameters from 30 to 150 microns with a water supply pressure of not more than 1 MPa.

Гидрокалорифер работает следующим образом.The air heater works as follows.

Наружный воздух с отрицательными температурами t_Н входит в шахту 1 через нижний патрубок 13, а навстречу ему из форсунок 2 разбрызгивается вода. При контакте с воздухом вода, замерзая, отдает ему свою явную и скрытую теплоту, и в виде шуги и мокрого снега 8 оседает на перфорированной решетке 15 поддона 16, в котором расположен теплообменник 12. Нагретый воздух проходит каплеуловитель 3, догревается в водяном или паровом калорифере 5 до температуры приточного воздуха +t_п°С и вентилятором 6 подается в приточную вентиляционную систему (не показано).Outside air with negative temperatures t _N enters the shaft 1 through the lower pipe 13, and water is sprayed towards it from the nozzles 2. Upon contact with air, the water freezes, gives it its apparent and latent heat, and in the form of sludge and wet snow 8 settles on the perforated grate 15 of the pan 16, in which the heat exchanger 12 is located. Heated air passes droplet eliminator 3, is heated in a water or steam heater 5 to the supply air temperature + t _p ° C and the fan 6 is fed into the supply ventilation system (not shown).

Центробежная форсунка для распыливания жидкостей работает следующим образом.A centrifugal nozzle for spraying liquids works as follows.

Жидкость подается по впускному отверстию 19 в кольцевой зазор 24, откуда в завихритель 23 через тангенциально расположенные к внутренней поверхности завихрителя 23 дроссельные отверстия 25. Вращающийся поток жидкости из завихрителя 23 выходит через калиброванное коническое отверстие 27 соплового вкладыша 26, в результате чего образуется факел распыленной жидкости, корневой угол которого определяется величиной угла наклона конической поверхности отверстия 27.The fluid is supplied through the inlet 19 to the annular gap 24, from where to the swirl 23 through the throttling holes 25 tangentially located to the inner surface of the swirl 23. The rotating fluid flow from the swirl 23 exits through a calibrated conical hole 27 of the nozzle insert 26, resulting in a spray of liquid whose root angle is determined by the angle of inclination of the conical surface of the hole 27.

При среднем диаметре отверстия 27, находящемся в диапазоне 2,5…3,5 мм, и давлении подаваемой через впускное отверстие 19 жидкости под давлением 6…9 МПа обеспечивается распыление от 400 до 1000 кг/ч жидкости. Форсунка проста в изготовлении и обслуживании.When the average diameter of the hole 27, which is in the range of 2.5 ... 3.5 mm, and the pressure supplied through the inlet 19 of the liquid under a pressure of 6 ... 9 MPa, atomization of 400 to 1000 kg / h of liquid is provided. The nozzle is easy to manufacture and maintain.

Отходы гидрокалорифера, мокрый снег и шуга, легко удаляются водой. Но особенно перспективно использование теплоты сбросных технологических вод предприятия для растапливания отходов непосредственно в поддоне теплообменником 12. Тогда насосом 11 можно замкнуть тракт орошающей воды и сделать гидрокалорифер безотходным.Hydrocaliferous waste, wet snow and sludge are easily removed by water. But it is especially promising to use the heat of industrial waste water to melt the waste directly in the pan by the heat exchanger 12. Then, with the pump 11, you can close the irrigation water path and make the air heater non-waste.

Наиболее благоприятные условия тепло- и массообмена между воздухом и водой связаны с временем их контакта, а длительность его обусловлена максимальной взвешенностью капель в воздушном потоке, что диктует необходимость противоточной схемы движения воздуха снизу вверх, а движение капель воды сверху вниз. Наиболее высокий термический КПД установки достигается при одном ряде водораспыляющих форсунок с диаметром выходного отверстия 2 мм и скорости восходящего потока 1…1,5 м/с.The most favorable conditions for heat and mass transfer between air and water are related to the time of their contact, and its duration is due to the maximum weightedness of droplets in the air flow, which dictates the need for a countercurrent flow pattern of air from bottom to top, and the movement of water drops from top to bottom. The highest thermal efficiency of the installation is achieved with one row of water spray nozzles with an outlet diameter of 2 mm and an upward flow velocity of 1 ... 1.5 m / s.

Исследования показали, что воздух нагревается за счет скрытой теплоты льдообразования воды, но при строгом соблюдении теплового режима в камере орошения.Studies have shown that air is heated due to the latent heat of ice formation of water, but with strict observance of the thermal regime in the irrigation chamber.

Скорость нагреваемого воздуха обусловлена необходимостью взвешивания в потоке капелек воды преобладающей крупности, но не более 3,5 м/с.The speed of the heated air is due to the need to weigh in the stream of water droplets of predominant size, but not more than 3.5 m / s.

На процесс нагрева воздуха оказывают значительное влияние также его температура и степень орошения. Чем ниже t_Н, тем выше термический КПД гидрокалорифера, что и предопределяет целесообразность применения последнего для условий климата с низкими и продолжительными по времени температурами наружного воздуха.The process of heating the air is also significantly affected by its temperature and degree of irrigation. The lower t _N , the higher the thermal efficiency of the hydroheater, which determines the advisability of using the latter for climate conditions with low and long-term outdoor temperatures.

Полностью использовать теплоту замерзания воды невозможно, поскольку водяные капли имеют различный дисперсный состав, а следовательно, разное время нахождения в потоке воздуха. Часть воды в виде крупных капель быстро пройдет зону контакта с воздухом, часть окажется на стенках камеры орошения. По этим причинам коэффициент орошения в гидрокалорифере достаточно высок - до 0,3 кг/кг. Кроме нагрева воздуха, необходима также вода, поступающая из форсунок 4, для смачивания пластин каплеуловителя 3, смыва льда со стенок воздухопроводящего канала и удаления мокрого снега из поддона установки в открытый водоем.It is impossible to fully utilize the freezing heat of water, since water droplets have different disperse composition, and therefore, different residence times in the air stream. Part of the water in the form of large drops will quickly pass through the zone of contact with air, some will be on the walls of the irrigation chamber. For these reasons, the coefficient of irrigation in the hydroheater is quite high - up to 0.3 kg / kg. In addition to heating the air, water from the nozzles 4 is also necessary to wet the plates of the drip trap 3, flush ice from the walls of the air channel and remove wet snow from the installation sump into an open reservoir.

Для предупреждения уноса капель воздушным потоком выше водораспределяющих форсунок 2 устанавливают пластинчатый каплеуловитель 3. Его оптимальные параметры: угол наклона пластин - 90°, расстояние между пластинами - 20 мм, радиус изгиба пластин - 5 мм, скорость прохода воздуха - 4…6 м/с, отношение расстояния между пластинами к расстоянию между их изгибами - 1:5.To prevent droplet entrainment by an air stream above the water-distributing nozzles 2, a plate droplet separator 3 is installed. Its optimal parameters are: the angle of inclination of the plates is 90 °, the distance between the plates is 20 mm, the radius of bending of the plates is 5 mm, the air velocity is 4 ... 6 m / s , the ratio of the distance between the plates to the distance between their bends is 1: 5.

Гидрокалорифер обеспечивает нагрев холодного наружного воздуха до температуры 0,2…1°С, при этом можно достичь экономии топливной энергии на 25…40% при следующих параметрах: объем нагреваемого воздуха 936000 м³/ч; скорость движения воздуха 3 м/с; вода подается из открытого водоема с расходами: для работы форсунок орошения - 59 м³/ч, для орошения каплеуловителей 25 м³/ч, для смыва шуги и мокрого снега из поддона камеры - 51 м³/ч.The air heater provides heating of cold outdoor air to a temperature of 0.2 ... 1 ° C, while it is possible to achieve fuel energy savings of 25 ... 40% with the following parameters: volume of heated air 936000 m ³ / h; air speed 3 m / s; water is supplied from an open reservoir with expenses: for operation of irrigation nozzles - 59 m ³ / h, for irrigation of droplet eliminators 25 m ³ / h, for flushing sludge and wet snow from a chamber pan - 51 m ³ / h.

Таким образом, найдены оптимальные параметры гидрокалорифера для промышленных приточных вентсистем: скорость движения воздуха в камере орошения до 3 м/с; крупность капель воды - до 300 мкм; коэффициент орошения - 0,03…0,2 кг/кг; конечная температура нагрева - ±1,0°С; тип форсунки - ШФ 9/5; давление воды перед форсункой - не меньше 2 атм. Область применения распространяется на регионы со среднемесячными температурами t_H<-10°С.Thus, the optimal parameters of the hydroheater for industrial ventilation systems were found: air velocity in the irrigation chamber up to 3 m / s; the size of the drops of water is up to 300 microns; irrigation coefficient - 0.03 ... 0.2 kg / kg; final heating temperature - ± 1.0 ° C; nozzle type - ШФ 9/5; water pressure in front of the nozzle is not less than 2 atm. The scope extends to regions with average monthly temperatures t _H <-10 ° С.

Конструкция гидрокалорифера обладает рядом технико-экономических достоинств.The design of a hydrocalorifer has a number of technical and economic advantages.

Сравнительно несложными системами автоматики производительность насоса 11 легко увязать с температурой наружного воздуха и тем самым обеспечить подачу только необходимых для обработки воздуха объемов орошающей воды.Relatively simple automation systems, the performance of the pump 11 can be easily linked to the temperature of the outside air and thereby ensure that only the volumes of irrigation water necessary for air treatment are supplied.

Гидрокалорифер полностью покрывает отрицательные температуры, оставляя на долю теплового калорифера 5 стабильный диапазон температур 0…+t_п. Это позволяет применять калориферы небольшой тепловой производительности, работающие в постоянном тепловом режиме с высоким КПД.The air heater completely covers negative temperatures, leaving a fraction of the heat heater 5 stable temperature range 0 ... + t _p . This allows the use of heaters of small thermal performance, operating in constant thermal mode with high efficiency.

Нагрев воды до 0°С позволяет повысить ее влагосодержание и относительную влажность внутренней атмосферы. В орошающую воду легко ввести дезинфицирующие добавки, одоранты. Дробление воды на мелкие капли сопровождается образованием и насыщением воздуха отрицательными ионами, благотворно влияющими на человека.Heating water to 0 ° C allows you to increase its moisture content and relative humidity of the internal atmosphere. It is easy to introduce disinfectants, odorants into irrigation water. The crushing of water into small drops is accompanied by the formation and saturation of air with negative ions, which have a beneficial effect on humans.

Отходы гидрокалорифера безвредны по отношению к окружающей среде, а весной естественным путем превращаются в воду.Hydrocalorifer wastes are environmentally friendly, and in the spring naturally turn into water.

Чем ниже и продолжительнее зимние температуры наружного воздуха, тем экономичнее становится использование гидрокалорифера.The lower and longer the winter outside temperatures, the more economical the use of a hydro-heater.

Claims

An energy-saving air heater containing a shaft with pipes for external air inlet and supply air outlet and a water spray system, the pipe for external air inlet located in the lower part of the shaft, in which there is a tray with a perforated grate and a heat exchanger located under the grate and connected to the inlet and outlet highways of the enterprise’s waste water system, and water is pumped from the sump to the pressurized water supplying it to the collectors of the water-spraying system connections with nozzles of the irrigation chamber located respectively before and after the drip trap located in the upper part of the shaft, and in the nozzle for the supply air outlet there is a heater for additional heating of the air to the temperature of the supply air, which is supplied by the fan to the supply ventilation system, while the air heater provides heating of the cold outdoor air to a temperature of 0.2 ... 1 ° C with the following parameters: air velocity in the irrigation chamber up to 3 m / s; the size of the drops of water is up to 300 microns; irrigation coefficient - 0.03 ... 0.2 kg / kg; the water pressure in front of the nozzle is not less than 2 atm, characterized in that each nozzle contains a hollow body with a nozzle and a central core, the body is made with a channel for supplying fluid and contains a sleeve coaxially connected to the body with a nozzle fixed to its lower part, made in the form of a cylindrical two-stage sleeve, the upper cylindrical step of which is connected by means of a threaded connection to a central cylindrical core having a through inner central hole and installed an annular gap relative to the inner surface of the cylindrical sleeve, and the annular gap is connected to at least three radial channels made in a two-stage sleeve, connecting it to the annular cavity formed by the inner surface of the sleeve and the outer surface of the upper cylindrical stage, and the annular cavity is connected with the channel of the housing for fluid supply, and in the lower part of the central cylindrical core a hollow conical swirl is fixed, the conical shell of which is fixed is carried out by means of at least three knitting needles, fixed at one end on the conical shell of the swirl, in its upper part, and at the other end, in an annular groove made on the inner surface of the central cylindrical core, while a screw thread is made on the outer surface of the hollow conical swirl.