В настоящее время аппараты для утилизации теплоты вытяжного воздуха получили широкое распространение в системах вентиляции зданий различного назначения. Их использование позволяет добиться значительной (до 90%) экономии средств, расходуемых на нагрев или охлаждение приточного воздуха. Так же использование систем теплоутилизации сокращает выбросы CO2 теплогенерирующими предприятиями, что делает такие системы неотъемлемой частью системы «зеленого строительства». Применение теплоутилизаторов в системах вентиляции во многих странах закреплено законодательно.
Передача теплоты между потоками воздуха осуществляется двумя способами: посредством теплопередачи (рекуператоры) или посредством последовательного нагрева и охлаждения теплоемкой массы (регенераторы). Основное распространение получили следующие системы утилизации теплоты:
- роторные регенераторы,
- пластинчатые теплообменные аппараты,
- системы утилизации теплоты при помощи промежуточного теплоносителя,
- тепловые трубы.
Роторные регенераторы
Роторный регенератор является наиболее эффективной технологией ресурсосбережения. Системы не базе роторных регенераторов позволяют рекуперировать не только теплоту, но и влагу. Приточный и вытяжной потоки воздуха проходят через половину поверхности ротора в противоположных направлениях. Перенос теплоты и влаги от одного потока к другому осуществляется посредством вращения ротора. Эффективность процесса тепло- массообмена регулируется изменением скорости вращения ротора.
Теплоемкая масса роторных регенераторов представляет собой спирально уложенную алюминиевую фольгу, с чередующимися плоскими и гофрированными слоями. Таким образом формируется структура небольших треугольных каналов. Эффективность и сопротивление ротора оптимизируется путем изменения высоты гибки гофрированных участков алюминия. Эффективность регенерации теплоты современных роторов лежит в диапазоне 70-90% при падении давления воздуха до 200 Па по каждому потоку. Гигроскопичное или сорбционное покрытие материала колеса увеличивает эффективность переноса влаги.
В летнем режиме роторный регенератор может эффективно осушать влажный наружный воздух, тем самым снижая нагрузку на охладитель и, соответственно, потребляемую мощность холодильной машины.
По характеристикам теплоемкой массы роторы делят на 3 типа:
1. Конденсационные роторы.
Материалом колес данного типа является алюминий, без какого-либо специального покрытия. При определенных условиях, когда температура поверхности ротора достигает точки росы для вытяжного воздуха, возможно выпадение конденсата и перенос влаги.
2. Гигроскопичные роторы.
У данного типа роторов теплоемкая масса после намотки подвергается обработке коррозионно-активной жидкостью. Такая обработка влияет на эффективность процессов влагопереноса ротором при работе за счет сорбционных процессов в пятнах оксида алюминия, однако величина адсорбируемой влаги невелика (примерно 30% при работе в зимнее время).
3. Сорбционные роторы.
Поверхность алюминиевой фольги у роторов сорбционного типа до намотки покрывается химическим составом, который способен поглощать (адсорбировать) или выделять (десорбировать) пары воды. Интенсивность процесса влагопереноса при работе зависит от соотношения относительной влажности потоков наружного и вытяжного воздуха. Роторы этого типа эффективно работают с системами увлажнения зимой, позволяя сокращать расход воды и электроэнергии. В летний период сорбционные роторы обеспечивают экономию холодильной мощности и позволяют осуществить осушку влажного наружного воздуха. Это особенно актуально при использовании систем кондиционирования на активных холодных балках. Немаловажным положительным аспектом работы сорбционных роторов является более низкая температура замерзания, по сравнению с роторами других типов. Это является следствием того, что влага адсорбируется из воздуха, а не выделяется в жидкой фазе в виде конденсата.
Регулирование производительности роторного регенератора
Величина переносимой регенератором тепловой энергии зависит от параметров наружного и вытяжного воздуха. Если параметры наружного воздуха близки к параметрам вытяжного воздуха, что случается в межсезонье, необходимо уменьшить производительность роторного регенератора для предотвращения перегрева подаваемого воздуха. Так же уменьшение производительности требуется для предотвращения обмерзания ротора при низких температурах наружного воздуха.
Зависимость производительности роторных регенераторов от частоты вращения
Перетечки воздуха в роторных регенераторах
Негативной особенностью роторных регенераторов является высокая степень перетечек воздуха через щеточные уплотнения, установленные между вращающимся колесом и рамой регенератора. Величина и направление перетечек зависит от соотношения величин статического давления в приточной и вытяжной части. Предпочтительно проектировать конструкцию вентиляционных установок таким образом, чтобы статическое давление в приточной части было немного выше, чем в вытяжной.
Еще одной составляющей перетечек воздуха в роторных регенераторах является продувочный расход. Это небольшой объем воздуха, который попадает из одного потока воздуха в другой при переходе ротором границы разделения двух потоков. Для предотвращения попадания воздуха из вытяжной части в приточную ротор может быть укомплектован продувочным сектором.
Диаграмма расхода перетекаемого воздуха в зависимости от разности давлений при скорости потоков 3 м/с.
Намерзание льда
При низких температурах наружного воздуха влага, присутствующая в вытяжном воздухе, может конденсироваться в каналах ротора. При дальнейшем снижении температуры наружного воздуха, сконденсированная вода не успевает испариться в приточный воздух и выносится потоком воздуха из ротора. Если средняя температура материала ротора во время одного оборота ниже 0 ˚С, в каналах может образовываться слой льда. В действительности это случается не так часто из-за низкого влагосодержания вытяжного воздуха – небольшое количество образующегося конденсата успевает испаряться.
Порог обмерзания зависит от типа ротора, температуры и влажности вытяжного воздуха, температуры наружного воздуха. Диаграмма ниже показывает границы обмерзания для конденсационных и сорбционных роторов при следующих параметрах:
1. глубина ротора - 200 мм,
2. скорость воздуха в сечении ротора - 3 м/с,
3. температура вытяжного воздуха 20˚С,
4. равенство расходов двух потоков,
5. номинальная расчетная частота вращения колеса.
2. скорость воздуха в сечении ротора - 3 м/с,
3. температура вытяжного воздуха 20˚С,
4. равенство расходов двух потоков,
5. номинальная расчетная частота вращения колеса.
Пластинчатые рекуператоры
В пластинчатом рекуператоре перенос теплоты происходит через теплопередающую поверхность между приточным и вытяжным потоками воздуха за счет разности температур двух потоков.
Аппарат состоит из тонких пластин (обычно толщиной от 0.05 до 2 мм), которые образуют систему каналов. Уплотнение выполнено таким образом, что потоки приточного и вытяжного воздуха движутся в перпендикулярных направлениях между пластинами. Степень эффективности рекуперации достигает 70% в зависимости от соотношения расходов наружного и удаляемого воздуха и разности температур. Основные преимущества пластинчатых рекуператоров:
- высокая эффективность. Короткий срок возврата инвестиций, снижение эксплуатационных затрат,
- отсутствуют движущиеся элементы. Нет износа, низкие эксплуатационные затраты,
- удобство и простота обслуживания и очистки,
- низкое сопротивление,
- дополнительное эффективное шумопоглощение,
- разделение воздушных потоков. Нет переноса запахов, бактерий и пр. из вытяжного воздуха в приточный.
Пластины изготавливаются из алюминия, алюминия с антикоррозионным нетоксичным покрытием или нержавеющей стали AISI 316L (04Х17Н14М2)
Так как потоки воздуха в пластинчатых рекуператорах разделены, перенос влаги между потоками невозможен. Это является преимуществом в некоторых системах, например, когда требуется осушение приточного воздуха. Однако, пластинчатые рекуператоры не являются полностью герметичными, величина перетечек воздуха составляет примерно 0,2% от полного расхода при разнице давлений 300 Па между потоками.
Перепад давлений на рекуператоре
Высокий перепад давлений между двумя потоками в рекуператоре может деформировать его пластины. Такая ситуация вероятна в том случае, когда аппарат установлен на стороне высокого давления по одному потоку и на стороне низкого давления по другому. В случае превышения разницей давлений допустимого предела может произойти серьезное повреждение аппарата, что приведет к снижению его эффективности, чрезмерным утечкам воздуха, росту сопротивления по одному или обоим потокам. Рекомендуется не превышать разность давлений между потоками в 1000 Па, а так же выбирать рекуператор с сопротивлением по воздуху не выше 250 Па на каждой стороне. Если соблюсти эти рекомендации невозможно, необходимо применять рекуператоры с повышенной прочностью конструкции.
Конденсация
Пластинчатые рекуператоры могут использовать скрытую теплоту вытяжного влажного воздуха. При низких наружных температурах, если поток вытяжного воздуха охлаждается до температуры точки росы, происходит образование конденсата, и скрытая теплота конденсации передается приточному воздуху через стенку рекуператора. Под действием силы тяжести конденсат стекает в поддон.
Образование конденсата повышает температуру вытяжного потока на выходе из рекуператора, таким образом температурный напор в аппарате тоже повышается. За счет этого повышается и эффективность рекуператора.
Образование конденсата снижает площадь свободного сечения аппарата, повышая его сопротивление по вытяжному потоку. По этой причине важно быстро и эффективно отводить конденсат из рекуператора. Наиболее эффективно конденсат отводится при движении вытяжного потока воздуха сверху вниз.
Намерзание льда
При отрицательной температуре наружного воздуха существует риск того, что влага вытяжного воздуха сконденсируется и замерзнет. Это приведет к увеличению сопротивления аппарата по вытяжному потоку и потере эффективности рекуперации. Обмерзание происходит при сочетании следующих факторов:
- низкая температура наружного воздуха,
- неблагоприятное значение влажности вытяжного воздуха (при влагосодержании вытяжного воздуха ниже 3.5 г/кг точка росы лежит ниже 0 ˚С и происходит не конденсация, а сублимация влаги в твердое состояние. При высокой относительной влажности и эффективном отводе конденсата вода не успевает замерзать. Поэтому наиболее опасны промежуточные значения относительной влажности вытяжного воздуха),
- относительно небольшая интенсивность конденсации,
- расход холодного потока выше расхода теплого,
- высокая эффективность аппарата,
- плохой отвод конденсата.
Обмерзание теплообменника начинается на холодном конце. Температура наружного воздуха, при которой начнется обмерзание может быть рассчитана на этапе проектирования вентиляционной установки.
Для оттайки рекуператора применяют несколько решений. Наиболее распространенным является установка байпасного клапана в приточной части.
Для повышения эффективности рекуперации до 80% возможна последовательная установка двух рекуператоров. Однако в такой схеме следует уделять особое внимание вопросам потенциального обмерзания аппаратов.
Теплоутилизатор с промежуточным теплоносителем
Рекуператор представляет собой теплообменные аппараты, установленные в приточной и вытяжной частях, и соединенные гидравлическим контуром. В контуре посредством насоса циркулирует раствор гликоля, осуществляя перенос теплоты с эффективностью до 50%. Рекуператоры подобного типа применяются в основном на тех объектах, где не допускаются даже малейшие перетечки воздуха из одного потока в другой.
Основными элементами систем утилизации теплоты с промежуточным теплоносителем являются:
- водяной воздухонагреватель,
- водяной воздухоохладитель с каплеуловителем,
- циркуляционный насос,
- трехходовой регулирующий клапан с электроприводом,
- закрытый расширительный бак,
- трубопроводы,
- запорно-регулирующая арматура и предохранительный клапан,
- контрольно-измерительные приборы.
Основные преимущества системы:
- раздельные воздушные потоки, благодаря чему отсутствует смешение, а, следовательно, нет переноса частиц, бактерий, газовых примесей,
- приточная и вытяжная части кондиционера могут находиться на значительном расстоянии друг от друга,
- низкая вероятность обмерзания, стабильная работа в зимний период, надежность системы.
Массо-габаритные характеристики
