Установка для утилизации тепла вентиляционных выбросов помещений

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТАНОВКА ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛА ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ ВЫБРОСОВ ПОМЕЩЕНИЙ(71) Заявитель Учреждение образования Белорусский государственный аграрный технический университет(72) Авторы Прищепов Михаил Александрович Цубанова Ирина Александровна Прищепова Елена Михайловна Цубанов Игорь Александрович(73) Патентообладатель Учреждение образования Белорусский государственный аграрный технический университет(57) Установка для утилизации тепла вентиляционных выбросов помещений, содержащая теплообменник, выполненный в виде пакета пластин, между которыми установлены дистанционные уплотнительные прокладки, обеспечивающие прохождение с одной стороны пластин приточного воздуха, а с другой - удаляемого воздуха, а также содержащая датчик и регулятор температуры, отличающаяся тем, что теплообменные пластины, кроме одной, на выходе удаляемого воздуха содержат поверхностно-распределенные нагревательные элементы, подключенные к источнику напряжения через нормально-разомкнутые силовые контакты магнитного пускателя, а указанная пластина, расположенная внутри 11614 1 2009.02.28 пакета, имеет такой же по мощности поверхностно-распределенный нагревательный элемент, выполненный в виде попарно-чередующихся полос из термозависимых резистивных материалов с положительным и отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, при этом полосы с одинаковым температурным коэффициентом сопротивления соединены между собой последовательно, а полосы с разным температурным коэффициентом сопротивления имеют общую точку и образуют смежные плечи измерительного моста, к которым через полупроводниковый коммутатор и параллельно через силовой нормально-разомкнутый контакт магнитного пускателя подключен источник напряжения,противоположные плечи этого моста образованы дополнительными сопротивлениями, а в измерительную диагональ включены два усилителя с различными коэффициентами усиления, к выходам которых подключены по одному пороговому элементу и реле времени,выполненные в виде электромагнитного реле, катушка которого подключена к выходу усилителя через диод и параллельно ей подсоединен электрический конденсатор, причем нормально-разомкнутый контакт электромагнитного реле, подключенного к выходу усилителя с большим коэффициентом усиления, включен в цепь управления полупроводникового коммутатора, который при его замыкании обеспечивает отключение от источника напряжения нагревательного элемента, а нормально-замкнутый контакт этого же реле включен в цепь катушки управления промежуточного реле, запитанной напрямую от источника напряжения через добавочное сопротивление и диод и имеющей параллельно подключенный электрический конденсатор нормально-разомкнутый контакт промежуточного реле включен в цепь катушки магнитного пускателя, запитанную напрямую от источника напряжения через нормально-замкнутый контакт электромагнитного реле, подключенного к выходу усилителя с меньшим коэффициентом усиления, а блокирующий нормально-разомкнутый контакт магнитного пускателя включен параллельно аналогичному контакту промежуточного реле. Изобретение относится к вентиляции помещений и может быть использовано для утилизации тепла вентиляционных выбросов, а также в других теплообменных системах, в которых необходимо предотвратить инееобразование, где требуется поддержание температуры теплообменной поверхности на заданном уровне и не допускается фазовый переход горячего теплоносителя. Может использоваться в различных областях народного хозяйства, в том числе для вентиляции сельскохозяйственных животноводческих помещений. Известно устройство для вентиляции животноводческих помещений, содержащее теплообменник-осушитель, выполненный в виде воздуховода, который расположен под потолком по всей длине животноводческого помещения в центральной его части и сообщенный через приточный воздуховод с приточным вентилятором и выходом через соединительный воздуховод с раздаточным воздуховодом. Под нижними ребрами воздуховодов расположены конденсатосборники для сбора и отвода конденсата, воздуховоды выполнены в поперечном сечении в виде четырехугольника, одна из вершин которого направлена вниз в сторону конденсатосборника, ширина последнего не меньше длины дуги сектора, образованного углом при верхней вершине воздуховода и поверхностью конденсатосборника 1. Однако эта система обладает недостатком. При низких температурах наружного воздуха на наружных поверхностях теплообменника воздуховода образуются зоны конденсатообразования, инея и льдообразования. Образовавшийся на наружных поверхностях воздуховодов иней и лед снижают интенсивность теплообменных процессов. Процесс образования инея и льда не контролируется в полной мере, отсутствуют информационные средства для управления режимом работы системы при осуществлении периодической оттайки образовавшегося инея и льда, и соответственно восстановления теплотехнических параметров системы и требуемых основных показателей микроклимата. 2 11614 1 2009.02.28 Управление режимами работы, т.е. включение режима вентиляции или оттайки известных систем, возможно с применением ручного управления или реле времени. Оттайка образовавшегося льда осуществляется неинтенсивно, под воздействием естественной конвекции внутреннего воздуха помещения. Это обеспечивает продолжительность периода отключения вентиляции, что соответственно ухудшает параметры микроклимата внутри животноводческого помещения, и в целом снижает эффективность устройства для вентиляции животноводческого помещения. Известно также устройство для вентиляции животноводческого помещения, содержащее теплообменник-осушитель, выполненный в виде воздуховода и сообщенный входом через приточный воздуховод с приточным вентилятором, а выходом через соединительный воздуховод - с раздаточным воздуховодом, под воздуховодами расположены конденсатосборники для сбора и отвода конденсата. За приточным воздуховодом в начальной части теплообменного воздуховода установлена контрольная камера интенсивного тепломассообмена, образованная наружными стенками теплообменного воздуховода и дополнительным коаксиально расположенным воздуховодом. Контрольная камера интенсивного тепломассообмена со стороны приточного воздуховода имеет дно, с другой стороны свободный выход, за дном установлен нагнетательный воздуховод с нагнетательным вентилятором, соединяющий внутреннее пространство контрольной камеры интенсивного тепломассообмена с воздухом помещения, при этом на наружной стенке контрольной камеры интенсивного тепломассообмена установлен датчик давления, электрически связанный с пусковой системой приточного вентилятора наружного воздуха 2. Основной недостаток такого устройства состоит также в недостаточно эффективной оттайке образовавшегося льда в контрольной камере интенсивного тепломассообмена под воздействием принудительной конвекции внутреннего воздуха помещения, а соответственно и снижение эффективности вентиляции помещения, так как процесс оттайки контролируется косвенно датчиком давления воздуха, установленным в камере интенсивного тепломассообмена и обеспечивающим ее включение при значительной толщине слоя льда на стенке теплообменного воздуховода. Наиболее близок к предлагаемому техническому решению теплообменник по авторскому свидетельству 3. Указанный теплообменник содержит пластины, в каждой из которых на входе приточного или выходе выбрасываемого воздуха имеются дополнительные камеры для прохождения теплоносителя (газообразного или жидкого), обеспечивающие удаление образовавшегося льда и инея. Камеры выполнены с переменным поперечным сечением, увеличивающимся к выходу удаляемого воздуха. Между пластинами теплообменника установлены дистанционные уплотнительные прокладки, обеспечивающие встречное прохождение с одной стороны пластин удаляемого воздуха, а с другой - приточного,кроме того, теплообменник имеет дополнительный вентилятор, блок управления, содержащий датчик и регулятор температуры и регулирующий клапан. Основной недостаток данного устройства заключается в сложности устройства и неэффективности использования теплообменных пластин из-за наличия дополнительных камер, уменьшающих площадь теплообмена между приточным и удаляемым воздухом. Задачей изобретения является повышение эффективности работы и упрощение конструкции установки для утилизации тепла. Поставленная задача достигается тем, что в установке для утилизации тепла вентиляционных выбросов помещений, содержащей теплообменник, выполненный в виде пакета пластин, между которыми установлены дистанционные уплотнительные прокладки, обеспечивающие прохождение с одной стороны пластин приточного воздуха, а с другой удаляемого воздуха, а также содержащая датчик и регулятор температуры, теплообменные пластины, кроме одной, на выходе удаляемого воздуха содержат поверхностнораспределенные нагревательные элементы, подключенные к источнику напряжения через 3 11614 1 2009.02.28 нормально-разомкнутые силовые контакты магнитного пускателя, а указанная пластина,расположенная внутри пакета, имеет такой же по мощности поверхностно-распределенный нагревательный элемент, выполненный в виде попарно-чередующихся полос из термозависимых резистивных материалов с положительным и отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, при этом полосы с одинаковым температурным коэффициентом сопротивления соединены между собой последовательно, а полосы с разным температурным коэффициентом сопротивления имеют общую точку и образуют смежные плечи измерительного моста, к которым через полупроводниковый коммутатор и параллельно через силовой нормально-разомкнутый контакт магнитного пускателя подключен источник напряжения, противоположные плечи этого моста образованы дополнительными сопротивлениями, а в измерительную диагональ включены два усилителя с различными коэффициентами усиления, к выходам которых подключены по одному пороговому элементу и реле времени, выполненные в виде электромагнитного реле, катушка которого подключена к выходу усилителя через диод и параллельно ей подсоединен электрический конденсатор, причем нормально-разомкнутый контакт электромагнитного реле, подключенного к выходу усилителя с большим коэффициентом усиления, включен в цепь управления полупроводникового коммутатора, который при его замыкании обеспечивает отключение от источника напряжения нагревательного элемента, а нормально-замкнутый контакт этого же реле включен в цепь катушки управления промежуточного реле, запитанной напрямую от источника напряжения через добавочное сопротивление и диод и имеющей параллельно подключенный электрический конденсатор нормально-разомкнутый контакт промежуточного реле включен в цепь катушки магнитного пускателя, запитанную напрямую от источника напряжения через нормально-замкнутый контакт электромагнитного реле, подключенного к выходу усилителя с меньшим коэффициентом усиления, а блокирующий нормально-разомкнутый контакт магнитного пускателя включен параллельно аналогичному контакту промежуточного реле. На фиг. 1 представлен общий вид теплообменника и схема размещения нагревательных элементов и дистанционных уплотнительных прокладок на фиг. 2 - разрез пластины теплообменника на фиг. 3 - разрез пластины с нанесением поверхностно-распределенного нагревательного элемента на фиг. 4 -принципиальная схема устройства, обеспечивающая контроль и регулирование заданной температуры на пластинах теплообменника на фиг. 5 представлены осциллограммы, поясняющие работу схемы устройства, обеспечивающая контроль и регулирование температуры теплообменных пластин, где 5 а) - изменение напряжения на катушке электромагнитного реле, подключенного к выходу усилителя с большим коэффициентом усиления 5 б) - изменение напряжения на катушке электромагнитного реле, подключенного к выходу усилителя с меньшим коэффициентом усиления 5 в) - изменение напряжения на катушке промежуточного реле 5 г) - изменение напряжения на катушке магнитного пускателя. Предложенная установка содержит пакет теплообменных пластин 1 (фиг. 1), между которыми установлены дистанционные уплотнительные прокладки 2, обеспечивающие прохождение с одной стороны пластин приточного, с другой удаляемого воздуха. Все теплообменные пластины 1, кроме одной, на выходе удаляемого воздуха имеют поверхностнораспределенные нагревательные элементы 3, нанесенные на диэлектрическое покрытие пластин (фиг. 3) и подключенные к питающей сети по определенной схеме (фиг. 4) через нормально-разомкнутые силовые контакты 4 магнитного пускателя. Одна пластина 5, расположенная внутри пакета, имеет такой же по мощности поверхностно-распределенный нагревательный элемент, выполненный в виде попарно-чередующихся полос 6, 7 из термозависимых резистивных материалов с различными температурными коэффициентами сопротивления (ТКС). Например, полосы 6 имеют положительный ТКС, а полосы 7 - отрицательный ТКС. При этом все полосы резистивного покрытия с одинаковыми ТКС соединены 4 11614 1 2009.02.28 между собой последовательно электродами 8, имеющими электрическую проводимость гораздо более высокую, чем резистивные покрытия, что обеспечивает хороший токоподвод к резистивным покрытиям и исключает неравномерность температурного поля, вызываемую повышением плотности тока при изменении направления силовых линий тока. Полученные таким образом участки поверхностно-распределенного электронагревателя с разноименными ТКС соединены между собой таким же электродом 9 (общая точка соединения С на фиг. 1 и фиг. 4) и образуют смежные плечи измерительного моста, который через полупроводниковый коммутатор 10 и параллельно через силовой нормальноразомкнутый контакт 11 магнитного пускателя подключен к источнику переменного напряжения. Противоположные плечи измерительного моста образованы дополнительными резисторами постоянным 12 и переменным 13. В измерительную диагональ моста включены два усилителя с различными коэффициентами усиления с меньшим коэффициентом усиления 14 и с большим - 15. В качестве усилителей использованы транзисторы 16 и 17,в цепь базы которых включены переменные резисторы 18 и 19. На выходе усилителей 14 и 15 через диоды 20 и 21 подключены катушки 22 и 23 электромагнитных реле, выполняющих роль пороговых элементов. Параллельно катушкам 22 и 23 каждого реле подключены электрические конденсаторы 24 и 25, обеспечивающие выдержку времени на отключение этих реле. Нормально-разомкнутый контакт 26 электрического реле, подключенного к выходу усилителя с большим коэффициентом усиления, включен в цепь управления полупроводникового коммутатора 10, который при замыкании обеспечивает отключение от источника напряжения нагревательного элемента. Нормально-замкнутый контакт 27 этого же реле включен в цепь катушки 28 промежуточного реле, запитанную напрямую от источника напряжения через добавочное сопротивление 29, диод 30 и имеющую параллельно подключенный электрический конденсатор 31. Все вышеуказанные реле выполнены герконными с большим сопротивлением катушек. Указанные диоды 20, 21 и 30 обеспечивают разрядку соответствующих конденсаторов 24, 25 и 31 только на параллельно подключенные катушки, что обеспечивает значительное время отключения реле при относительно небольшой емкости конденсатора. Нормально-разомкнутый контакт 32 промежуточного реле, в свою очередь, включен в цепь катушки магнитного пускателя 33, запитанную также непосредственно от источника напряжения через нормально-замкнутый контакт 34 электромагнитного реле, подключенного к выходу усилителя с меньшим коэффициентом усиления, а блокирующий нормально-разомкнутый контакт 35 магнитного пускателя включен параллельно аналогичному контакту 32 промежуточного реле. Полное отключение электронагревательных элементов от сети производится автоматическим выключением 36. Работает устройство следующим образом. При включении автоматического выключателя 36 на поверхностно-распределенный нагревательный элемент пластины 5 через электронный коммутатор 10 подается напряжение, при этом в измерительной диагонали моста сигнал(фиг. 4) имеет наименьшее значение, так как балансировка измерительного моста проводится в холодном состоянии теплообменных пластин, близком к их температуре обледенения, с помощью переменного резистора 13. По мере нагрева пластины 5 этот сигналувеличивается, так как изменяются сопротивления смежных плеч измерительного моста вследствие наличия ТКС. Попадая на входы транзисторных усилителей 14 и 15, он усиливается и подается через диоды 20 и 21 на катушки 22 и 23 электромагнитных реле. Одновременно при включении автоматического выключателя 36 подается напряжение и на катушку 28 промежуточного реле, т.е. одновременно начинается зарядка электрических конденсаторов 24, 25 и 31,включенных параллельно соответствующим катушкам электромагнитных реле. Учитывая,что коэффициенты усиления транзисторных усилителей 14 и 15 разные, так как у 15 он выше, то этот усилитель соответственно будет определять минимальную температуру теплообменных пластин теплоутилизационной установки, а коэффициент усиления тран 5 11614 1 2009.02.28 зисторного усилителя 14 тогда будет определять максимальную температуру всех теплообменных пластин 1, при которой произойдет отключение от сети их нагревательных элементов. Если температура теплообменной пластины 5 в начальный момент включения автоматического выключателя 36 будет меньше минимально заданной резистором 19 (минимальной температуры выше температуры обледенения пластин), то зарядка электрического конденсатора 31 произойдет за меньший промежуток времени до напряжения срабатыванияпромежуточного реле с катушкой 28, чем конденсатора 25. Это срабатывание реле обеспечит замыкание контакта 32, через который запитается катушка 33 магнитного пускателя, он сработает и заблокируется контактом 35. При этом замкнутся также силовые контакты 4 и 11 магнитного пускателя, тем самым подключив к источнику напряжения нагревательные элементы всех теплообменных пластин, включая и пластину 5 независимо от срабатывания электронагревательного реле с катушкой 23 и отключения полупроводникового коммутатора 10. Нагрев пластин будет происходить до тех пор, пока они не достигнут максимально заданной температуры резистором 18 (эта температура обычно задается на 2030 С выше минимально заданной). Как только они достигнут ее значения, сработает электромагнитное реле с катушкой 22 и разомкнет свой нормально-замкнутый контакт 34,который отключит и снимет с самоблокировки магнитный пускатель с катушкой 33, тем самым разомкнув силовые контакты 4 и 11. В этот момент оба реле с катушками 22 и 23 сработают и соответственно нормально-замкнутый контакт 26 реле будет замкнут, что в свою очередь прекратит питание от источника напряжения нагревательного элемента на теплообменной пластине 5 через полупроводниковый коммутатор 10. Таким образом,нагревательные элементы всех теплообменных пластин обесточатся, начнется разрядка конденсаторов 24, 25 и охлаждение теплообменных пластин. Как только разрядится конденсатор 25 до напряжения отпускания реле, его контакт 26, разомкнется, а 27 замкнется,следовательно, снова начнется одновременная зарядка конденсаторов 24, 25 и 31 до напряжения срабатывания реле. Так как температура пластин еще будет значительно выше минимально заданной, то срабатывание электромагнитного реле с катушкой 23 произойдет раньше, разомкнется нормально-замкнутый контакт 27, промежуточное реле не включится, не включится и магнитный пускатель. Далее конденсаторы 24 и 25 снова будут разряжаться, теплообменные пластины 1 и 5 охлаждаться и т.д. Когда температура пластин приблизится к минимально заданной, промежуточное реле сработает раньше, чем реле на выходе усилителя 15, сработает магнитный пускатель и включатся нагревательные элементы на теплообменных пластинах 1 и 5. Таким образом, процесс будет повторяться независимо от наличия или отсутствия потоков приточного и вытяжного воздуха на теплообменнике. При отсутствии потоков воздуха оттаивание льда и инея может происходить за минимально короткое время. Поверхностно-распределенный нагревательный элемент теплообменной пластины 5 играет роль как нагревателя, так и датчика температуры и подключается к источнику напряжения периодически электронным коммутатором 10 через промежутки времени, определяемые временем разрядки конденсатора 25 на катушку 23 электромагнитного реле. Включение нагревательных элементов остальных пластин на напряжение питания производится магнитным пускателем при достижении на них минимально заданной температуры и отключение при максимально заданной. Это исключает частую коммутацию электрической нагрузки нагревательных элементов. Работа схемы устройства, обеспечивающего контроль и регулирование заданной температуры на пластинах теплообменника,поясняют осциллограммы изменения напряжения на катушках электромагнитных реле и магнитного пускателя (фиг. 5). Процесс передачи теплоты от источника к оттаиваемому льду или инею происходит теплопроводностью, поэтому является весьма эффективным и быстротечным. 6 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7