Рекуперация тепловой энергии в системах вентиляции и кондиционирования воздуха

Рекуперация тепловой энергии в системах вентиляции и кондиционирования воздуха

Е.П. ВИШНЕВСКИЙ, к.т.н., корпорация United Elements

Известно [1], что в современных зданиях в зимний период как минимум 25–50% тепла расходуется на нагрев приточного воздуха. В летний период в зданиях, оборудованных системами центрального кондиционирования, имеющие место теплоизбытки снимаются за счет охлаждения приточного воздуха. Рост цен на энергоносители стимулирует рост интереса к рекуперации тепловой энергии во вновь проектируемых и реконструируемых системах вентиляции и кондиционирования воздуха. В этой связи повысился интерес к вентиляционным агрегатам, снабженным роторными или пластинчатыми теплообменниками типа «воздух-воздух» производства ряда зарубежных фирм (PM Luft, Ventrex, Systemair, Dantherm, Salda и др.). Вместе с тем, возрождающаяся отечественная промышленность стремится к налаживанию собственного производства, имея определенные достижения в изготовлении высококачественных вентиляторов («Мовен», «Комвен», «КлиматВентМаш», «Инновент», «ИВК-Сервис» и др.), воздушных клапанов («Арктос», Korf, «Вингс-М» и др.), а также прочих комплектующих изделий.

Одним из высокотехнологичных агрегатов, обеспечивающих энергосбережение, являются рекуперативные теплообменники. В настоящее время и в ближайшем будущем они, по всей вероятности, останутся предметом импорта, поскольку их изготовление на современном уровне требует внедрения дорогостоящих автоматизированных линий, реализующих замкнутый цикл компьютерного проектирования и компьютеризированного производства (CAD/CAM). Помимо использования в составе централизованных вентиляционных агрегатов, большой практический интерес рекуперативные теплообменники представляют сами по себе как наиболее доступное средство внедрения энергосберегающих технологий при реконструкции существующих систем вентиляции путем осуществления обмена теплом между притоком и вытяжкой. Установка рекуперативного теплообменника при этом принципиально возможна без замены основных узлов существующей системы.

Имея в виду возникающие проблемы выбора и обоснования внедряемых в каждом конкретном случае средств рекуперации тепловой энергии, рассмотрим последовательно имеющиеся на этот счет практические возможности с учетом преимуществ и недостатков, характерных для каждого из известных типов рекуперативных теплообменников. В наиболее общем виде задача рекуперации тепловой энергии может быть схематизирована, как это представлено на рис. 1. Условные обозначения, использованные на схеме, сведены в табл. 1. При сопоставлении различных средств обмена теплом между притоком и вытяжкой следует различать следующие основные понятия.



рис. 1

табл. 1

Эффективность рекуператора (efficiency), характеризующая работу устройства как такового вне зависимости от особенностей его установки и работы в составе системы в целом. При этом отдельно рассматривают эффективность по явному теплу, выражаемую формулой (1):

ηt = (t12 – t11)/(t21 – t11). (1)

Общая эффективность рекуператора (по явному и скрытому теплу) выражается формулой (2):

ηt = (H12 – H11)/(H21 – H11). (2)

Некоторые рекуператоры, например, роторные теплообменники типа «воздухвоздух», осуществляют перенос как явного, так и скрытого тепла, сосредоточенного в парах воды, переносимой между вытяжкой и притоком, в связи с чем в данном случае следует использовать формулу (2). Большинство же теплообменников, таких как пластинчатые теплообменники типа «воздух-воздух», водяные контуры, а также тепловые насосы, непосредственным образом осуществляют перенос только явного тепла, в связи с чем справедливой является формула (1). При этом однако следует иметь в виду, что при наличии конденсации влаги помимо собственно рекуперации имеет место регенерация тепла, оказывающая соответствующее влияние на рассматриваемые показатели эффективности. В связи с этим рассматривают отдельно так называемые «сухую» эффективность рекуператоров (без учета конденсации) и «мокрую» эффективность рекуператоров (с учетом конденсации). Эффективность рекуперации (effectiveness), характеризующая работу устройства в составе конкретной системы вентиляции или кондиционирования воздуха. В данном аспекте показатель эффективности существенным образом зависит от соотношения весовых расходов воздуха на притоке и вытяжке. Эффективность рекуперации по явному теплу при этом выражается формулой (3).

εt = W5 x(t11 – t12)/Wmin x(t11 – t21)= Wb x(t22 – t21)/Wmin x(t11 – t21).

Последнее выражение характеризует отношение фактически имеющей место передачи тепла к максимально возможной ее величине с термодинамической точки зрения. При условии W5 = Wb формулы (1) и (2) совпадают между собой. Известны следующие основные средства рекуперации тепловой энергии.

Пластинчатые теплообменники (Plate Heat Exchangers, PHE)

Согласно нормативам VDI 2071 [2] и Eurovent 10/1 [3] пластинчатые теплообменники являются рекуператорами со стыкующимися плоскостями (категория 1). Это означает, что тепловыделяющий и теплопоглощающий воздушные потоки проходят вдоль разделяющих их плоскостей, обладающих высокой теплопроводностью, через которые происходит процесс теплопередачи. Типовая схема рекуперативной установки на базе пластинчатого теплообменника (PHE) представлена на рис. 2. В зависимости от конструктивного исполнения пластинчатые теплообменники могут обладать эффективностью ηt от 40 до 70 % и иметь потерю напора по притоку и вытяжке от 50 до 250 Па.


рис. 2

Основные преимущества:

1. Пластинчатые теплообменники имеют простейшее устройство и не содержат движущихся частей.
2. При надлежащей аппаратурной обвязке (вытяжной вентилятор до теплообменника и вытяжной вентилятор за теплообменником) исключено загрязнение приточного воздуха за счет утечек на вытяжке.
3. Практически отсутствует необходимость технического обслуживания, за исключением случаев установки оборудования в условиях особо загрязненной воздушной среды (например, покрасочные камеры), что предполагает периодическую чистку съемных теплообменников путем их промывки в растворителях, которая существенно облегчена при использовании теплообменников с увеличенным расстоянием между пластинами.
4. В связи с отсутствием дополнительных потребителей электрической энергии минимальное увеличение потребляемых кВт•ч, затрачиваемых вентиляторами на преодоление незначительной добавленной потери напора на притоке и вытяжке.

Основные недостатки:

1. Использование возможно при условии пересекающихся между собой приточного и вытяжного воздуховодов.
2. При условиях, способствующих обмерзанию теплообменника в зимний период, необходимо периодически на притоке осуществлять автоматическую остановку вентилятора либо использовать байпас.
3. Отсутствует влагообмен между притоком и вытяжкой.

Роторные теплообменники (Rotary Heat Exchangers, RHE)

В соответствии с указанными выше международными нормами [2, 3] роторные теплообменники классифицируются как рекуператоры с вращающимся аккумулятором тепла (категория 3). Ротор снабжен насадкой, обладающей высокой теплоемкостью, которая при использовании противоточной схемы попеременно нагревается и охлаждается тепловыделяющим и теплопоглощающим воздушными потоками. Типовая схема рекуперативной установки на базе роторного теплообменника (RHE) представлена на рис. 3. В зависимости от параметров воздуха и свойств используемой насадки процесс теплопереноса может также в той или иной степени сопровождаться переносом влаги. Известны роторные теплообменники конденсационного типа, осуществляющие преимущественно перенос тепла и только той влаги, которая конденсируется на поверхности насадки в местах, имеющих температуру ниже точки росы.


рис. 3

Используются также роторные теплообменники гигроскопического типа, осуществляющие перенос как тепла, так и влаги, впитываемой насадкой, имеющей специальное гигроскопическое покрытие. Третий тип роторных теплообменников сорбционного типа осуществляет преимущественно перенос влаги. Для этого на насадку, имеющую небольшую теплоемкость (например, стекло), наносят слой сорбента (соли лития, силикагель и т.п.). В зависимости от конструктивного исполнения роторные теплообменники могут обладать общей эффективностью ηt от 60 до 85 % и иметь потерю напора по притоку и вытяжке от 75 до 500 Па.

Основные преимущества:

1. Возможность использования роторов различного типа обеспечивает широкий спектр практических приложений;
2. Благодаря тому, что процесс тепломассообмена осуществляется по большой удельной поверхности используемой насадки, агрегат в целом имеет минимальные габариты;
3. Регулирование скорости вращения ротора позволяет управлять общей эффективностью рекуператора.

Основные недостатки:

1. Использование возможно при условии параллельного расположения приточного и вытяжного воздуховодов в непосредственной близости друг от друга.
2. Имеет место дополнительный расход электроэнергии, потребляемой приводом ротора и вентиляторами на преодоление добавленной потери напора на притоке и вытяжке.
3. Загрязненный воздух частично переносится из вытяжки в приток. Загрязнение может быть уменьшено за счет использования ряда мероприятий конструктивного характера, таких как устройство зоны очистки (purging zone), но не может быть устранено полностью, в связи с чем использование роторных теплообменников в условиях присутствия токсичных и дурно пахнущих веществ недопустимо.

Водяные циркуляционные системы (Run-around Coils)

Водяные циркуляционные системы включают два оребренных теплообменника типа «вода-воздух», объединенных между собой гидравлическим контуром, в котором осуществляется прокачка воды или водо-гликолевой смеси. Теплообменники размещаются в приточном и вытяжном воздуховоде, которые могут быть разнесены между собой на определенное расстояние. Типовая схема водяной циркуляционной системы (Runaround Coils) представлена на рис. 4. Тепло, поглощаемое из одного воздушного потока, промежуточным теплоносителем переносится во второй теплообменник, через который передается другому воздушному потоку. В зависимости от конструкции водовоздушных теплообменников и используемой запорно-регулирующей арматуры водяные циркуляционные системы могут обеспечивать эффективность рекуперации εt от 50 до 65 % и иметь потерю напора по притоку и вытяжке от 200 до 900 Па.


рис. 4

Основные преимущества:

1. Отсутствует необходимость смежного расположения приточного и вытяжного воздуховодов, что исключает надобность изменения их трассировки при реконструкции существующих систем вентиляции и кондиционирования воздуха.
2. Перетекание загрязненного воздуха из вытяжки в приток полностью исключено, поскольку они изолированы между собой через промежуточный теплоноситель.

Основные недостатки:

1. Высокий дополнительный расход электроэнергии, потребляемой циркуляционным насосом, который в сумме со сравнительно небольшим дополнительным расходом электроэнергии, потребляемой вентиляторами на преодоление добавленной потери напора на притоке и вытяжке, при определенных обстоятельствах делает достигаемую рекуперацию тепла экономически нецелесообразной.
2. Наличие циркуляционного насоса и большого количества запорно-регулирующей арматуры обуславливают необходимость эксплуатационного технического обслуживания в значительных объемах.
3. Отсутствует влагообмен между притоком и вытяжкой.

Тепловые трубы (Heat Pipes)

Тепловые трубы представляют собой фреоновый контур, в котором циклическим образом осуществляются фазовые переходы теплоносителя из жидкого в газообразное состояние и обратно. Типовая схема тепловой трубы (Heat Pipe) представлена на рис. 5. Тепло, поглощаемое из одного воздушного потока с использованием промежуточного теплоносителя, осуществляющего указанные фазовые переходы за счет протекания через разделительную капиллярную трубку, передается другому воздушному потоку. Эффективность тепловых труб ηt составляет от 45 до 65 % и может регулироваться за счет изменения наклона по отношению к вертикальному положению. Перетекание загрязненного воздуха из вытяжки в приток полностью исключено, поскольку они изолированы между собой через промежуточный теплоноситель. Среди других средств рекуперации тепловые трубы отличаются наибольшей компактностью. Использование их возможно при условии параллельного расположения приточного и вытяжного воздуховодов, непосредственно примыкающих друг к другу.


рис. 5

Тепловые насосы (Heat Pumps)

Тепловые насосы представляют собой традиционный холодильный контур с компрессором, расширительным клапаном, а также испарителем и конденсатором, расположенными отдельно в приточном и вытяжном воздуховодах. Отличительной особенностью является наличие 4-ходового перепускного клапана, обеспечивающего реверсирование движения теплоносителя, что позволяет в зависимости от сезона осуществлять перенос тепла с вытяжки на приток и наоборот. При этом приточный и вытяжной воздуховоды могут быть разнесены между собой в пределах допустимой длины холодильного контура. Перетекание загрязненного воздуха из вытяжки в приток полностью исключено, поскольку они изолированы между собой через промежуточный теплоноситель.

Производительность теплого насоса зависит от расхода воздуха и температуры его на входе в испаритель и конденсатор. Чем выше расход воздуха и температура его на входе в испаритель, тем выше производительность теплового насоса. Снижение температуры воздуха на входе в конденсатор приводит также к увеличению производительности при пониженном энергопотреблении. Реально достижимые значения коэффициента полезного действия (Coefficient of Performance, COP) составляют порядка 4,5–5,2. Указанное означает, что на единицу затрачиваемой электрической энергии осуществляется транспортировка 4–5 единиц тепловой энергии. В целом наибольшая экономия за счет использования тепловых насосов достигается при наличии на вытяжке большого количества скрытого тепла.

Тепловые камеры (Heat Chambers)

Тепловая камера представляет собой емкость, разделенную на две части, которые с помощью системы клапанов попеременно заполняются приточным и вытяжным воздухом. За счет большой теплоемкости камеры, таким образом, осуществляется передача тепла между воздушными потоками. Эффективность данной системы может быть достаточно велика, однако она характеризуется значительными капитальными затратами. Кроме того, она практически неприемлема при наличии сколь-либо существенного загрязнения воздуха на вытяжке.

Динамическая теплоизоляция (Dynamic Insulation)

Динамическая теплоизоляция предусматривает проникновение свежего воздуха сквозь наружные стены, имеющие пористую структуру. Таким образом, достигается компенсация значительной доли теплопотерь, обусловленных теплопроводностью ограждающих конструкций. При этом также обеспечивается равномерное распределение свежего воздуха внутри помещений. Поскольку каждое из рассмотренных средств рекуперации тепловой энергии обладает определенными преимуществами и недостатками, наибольший интерес представляет их сочетанное применение, позволяющее в условиях суточного и годового хода температуры наружного воздуха достигать наивысших итоговых показателей энергосбережения. Простейшей же комбинацией является использование того или иного средства рекуперации тепла совместно с рециркуляцией воздуха, которая сама по себе обеспечивает экономию тепловой энергии наиболее действенным образом. Рассмотрим данную комбинацию, схематически представленную на рис. 6, более подробно. При этом примем следующий ряд допущений, упрощающих формальное описание имеющих место функциональных соотношений:

1. Теплообмен происходит только в части явного (механического) тепла без учета его скрытой составляющей;
2. Весовые расходы воздуха на притоке W5 и вытяжке Wb полагаются равными между собой, т.е. не учитывается возможность превалирования какого-либо из них, что зачастую характерно для систем вентиляции и кондиционирования воздуха;
3. Эффективность рекуператора ηt (efficiency) в пределах физически реализуемых ситуаций полагается константой, независимой от уровня и соотношения температур на притоке и вытяжке. Рассмотрим последовательно рекуперацию тепла без рециркуляции воздуха и рекуперацию, совмещенную с рециркуляцией.


рис. 6

Рекуперация

Воспользовавшись формулой (1), имеем:
t12 = t11 + ηt x(t21 – t11). (4)

С учетом принятых допущений на основании теплового баланса получим
t22 = t21 – (t12 – t11)= t21 – ηtx(t21 – t11). (5)

При ηt = 0 (без рекуперации) t12 = t11 и t22 = t21.
При ηt = 1 (идеальная рекуперация) t12 = t21 и t22 = t11.

Рекуперация + рециркуляция

Положим отношение количества свежего/ удаляемого воздуха к общему его количеству, участвующему в воздухообмене, равным:

α= (L – Li)/L, (6)
где: Ly — количество свежего приточного воздуха;
Lo — количество воздуха, удаляемого в атмосферу.
Li = Lo;
L = Li + Ly;
Lo = L – Ly.
Тогда, t22 = [t21 – ηtx(t21 – ηt x t11)]/(1 – ηt x (1 – α). (7)
t12 = α x t11 + ηt x (t21 – ηt x t11)+ (1 – α)x(1 – ηt) x t22. (8)

При α= 1 (100 % свежего воздуха) формулы (7) и (5), а также (8) и (4) совпадают между собой.

При α= 0 (100 % рециркуляция) t22 = t21 = t12 независимо от t11 и ηt. Физически это означает, что независимо от температуры наружного воздуха и качества рекуператора потери энергии отсутствуют, поскольку рассматриваемая система оказывается полностью замкнутой (консервативной).

При ηt = 0 (без рекуперации) t22 = t21 и: t12 = t21 – α x (t21 – t11).

При ηt = 1 (идеальная рекуперация) t22 = t11 и t12 = t21 независимо от α.

Комбинируя (7) и (8), получим выражение, позволяющее определить потребное открытие рециркуляционного клапана β= 1 – α для достижения необходимой температуры на притоке t12 при заданной эффективности рекуператора ηt и измеренных значениях температуры на вытяжке t21 и температуры атмосферного воздуха t11.

β= 1 – [(t21 – t12)/(t21 – t11)– (ηt/(1 – ηt))x(t21 – t12)]. (9)

При ηt = 0 (без рекуперации):

β= 1 – (t21 – t12)/(t21 – t11),

т.е. имеем пропорциональное смешение потоков.

При ηt = 1 (идеальная рекуперация) потребное открытие рециркуляционного клапана b является неопределенным, поскольку в этом случае, как указывалось выше, t21 – t12 и в знаменателе второго слагаемого правой части выражения (9) получаем неопределенность типа 0/0. Физически это означает, что независимо от степени рециркуляции потери энергии полностью отсутствуют.

Введем обозначение: e = (t21 – t12)/t21 – t11. (10)

Тогда выражение (9) преобразуется к виду:

β= 1 – [e/(1 – ηt/(1 – ηt) x e9]. (11)

Зависимость (11) представлена на рис. 7 графически при значениях эффективности рекуперации η от 0 до 1 с шагом 0,1.


рис. 7

Температурный комплекс e характеризует отношение значений тепловой энергии, затрачиваемой системой отопления при наличии и отсутствии рассматриваемых средств энергосбережения (рекуперация + рециркуляция). Представляет интерес рассмотреть отдельно вклад каждой из указанных составляющих, в целях чего выражение (11) преобразовано к следующему виду:

e = [(1 – β) x (1 – ηt)]/[1 – β x ηt]. (12)


рис. 8

Зависимость (12) представлена на рис. 8 графически при значениях степени открытия рециркуляционного клапана β от 0 до 1 с шагом 0,1. Представленная функциональная зависимость свидетельствует, что роль рециркуляции повышается с уменьшением эффективности рекуперации. При значениях n, приближающихся к 1 (реальные значения 0,7–0,85), рециркуляция слабо влияет на обобщенные показатели энергосбережения (относительные энергозатраты) e. В силу того, что рециркуляция сокращает подачу свежего воздуха, необходимого с санитарно-гигиенической точки зрения, наличие достаточно эффективной рекуперации тепла особенно важно при проектировании современных зданий, имеющих повышенную герметичность. Поскольку здания, построенные 15 и более лет назад, проектировались без учета возросших в последнее время требований по энергосбережению, то характерной для них была высокая степень инфильтрации и эксфильтрации свежего воздуха (естественная вентиляция, аэрация). Повышенная герметичность современных зданий, наряду со снижением теплопотерь, в качестве побочного эффекта при недостаточном количестве свежего воздуха создает серьезные проблемы, связанные со следующими факторами:

. метаболические выделения в результате жизнедеятельности человека;
. повышенная влажность воздуха за счет внутренних источников влаговыделения;
. формальдегиды, выделяемые из отделочных материалов;
. окись углерода и двуокись азота, образуемые в результате неполного сгорания газа и других видов топлива;
. радон, эманирующий из строительных материалов, и дочерние продукты его радиоактивного распада;
. асбестовые волокна;
. аэрозоли, содержащие свинец и другие тяжелые металлы;
. биологические загрязнения, включая пролиферирующие споры грибков и плесени, бактерии и пр.;
. устойчивые запахи.

Таким образом, в случаях относительно невысокой герметичности ограждающих конструкций (здания старой постройки, склады, ангары, депо и т.д.) вентиляция, которая зачастую совмещается с воздушным отоплением, может осуществляться в режиме рециркуляции или с достаточно высокой ее степенью. При этом роль рекуперации невелика или она вообще может не использоваться. В современных же зданиях подача свежего воздуха средствами механической вентиляции является необходимой, рециркуляция может осуществляться лишь частично, и роль эффективной рекуперации тепла резко возрастает. Среди рассмотренных средств рекуперации тепловой энергии только пластинчатые и роторные теплообменники могут достигать значений эффективности η= 0,70 – 0,85. Рассмотрим более подробно теплообменники указанных типов.

Пластинчатые теплообменники (Plate Heat Exchangers, PHE)



рис. 9

На рис. 9 схематично представлено конструктивное исполнение пластинчатых теплообменников производства фирмы Hoval. Перекрестные потоки теплого (вытяжного) и холодного (свежего) воздуха разделены тонкими алюминиевыми пластинами, не соприкасающимися между собой. Пластины соединяются между собой методом двойной фальцовки. В результате, на входных и выходных гранях блока теплообменника места соединения пластин, образованные фальцами, имеют толщину, равную 6-кратной толщине пластины, что обеспечивает высокую прочность конструкции блока. Кроме того, обтекаемость профиля соединения позволяет значительно уменьшить не только потери напора, но и отложения грязи. Качественная фальцовка обеспечивается высокой точностью вырубки пластин, осуществляемой в ходе полностью автоматизированного технологического процесса, начиная от оптимального раскроя материала и заканчивая операциями окончательной сборки и упаковки изделий. Высокая эффективность пластинчатых теплообменников производства фирмы Hoval достигается за счет специального профиля пластин, образуемого путем автоматизированной штамповки. Уникальный профиль пластин обеспечивает следующие положительные качества рассматриваемых теплообменников:

. высокая степень турбулизации воздушного потока, за счет чего происходит утончение воздушного пограничного слоя на поверхности пластин и интенсификация конвективного теплообмена;
. возможность стока конденсата в любом направлении, за счет чего утончается слой воды, формируемый на поверхности пластин, и интенсифицируется кондуктивный теплообмен;
. повышенная прочность и жесткость пластин за счет специальной ориентации вертикальных и горизонтальных выштамповок и рифлений, что обеспечивает отсутствие механических деформаций при разности давления обрабатываемых теплого и холодного воздушных потоков вплоть до 1500 Па;
. выровненная эпюра скоростей обрабатываемых воздушных потоков потока внутри теплообменника, благодаря чему минимизированы потери напора обрабатываемых воздушных потоков, как в теплом, так и в холодном плечах теплообменника;
. точное расстояние между пластинами благодаря использованию автоматизированной штамповки, что способствует повышению суммарной эффективности теплообмена и снижению потерь напора;
. малая зависимость эффективности рекуперации от скорости воздушного потока.

Изготавливаются теплообменники двух типов: N (с выштамповками) и F (с рифлением). Тип N используется в обычных системах вентиляции и кондиционирования с расходом воздуха до 50 тыс. м3/ч. Тип F, обладая большей прочностью и жесткостью, используется в составе технологического оборудования, а также в системах вентиляции и кондиционирования с расходом воздуха до 100 тыс. м3/ч. Кроме того, возможен выбор одного из трех вариантов исполнения, что определяется конкретными особенностями применения: Стандартное исполнение V Пластины блока теплообменника выполнены из чистого алюминия, боковые панели корпуса — из листовой стали с алюминиево-цинковым покрытием Aluzink, кромочные элементы корпуса— из алюминиевых профилей. Коррозийностойкое исполнение G Используемые материалы такие же, как и для исполнения V, но пластины теплообменника и корпус имеют специальное антикоррозийное покрытие. Термостойкое исполнение T Используемые материалы такие же, как и для исполнения V, но для герметизации кромочных алюминиевых элементов корпуса используется не эпоксидная смола, а специальный силиконовый материал, устойчивый к воздействию температур до 200°С. Последнее обеспечивает возможность рекуперации тепла из технологических сдувок, абгазов и других промышленных выбросов в атмосферу. Возможен также выбор поперечного размера пластин и расстояния между пластинами в широком ряду типоразмеров. Количество пластин и расстояние между ними определяют длину теплообменника, которая может варьировать от 200 до 3000 мм. Имеется компьютерная программа CAPS (Computer Aided Plate heat exchanger Selection), позволяющая осуществлять теплотехнический расчет и подбор необходимых параметров пластинчатых теплообменников производства фирмы Hoval. По существу программа обеспечивает автоматизацию проектирования теплообменника, исходя из заданного набора исходных данных.

Получаемый в результате работы программы алфавитно-цифровой код теплообменника является необходимым и достаточным для запуска его в производство. Таким образом, на автоматизированных линиях в цехах фирмы Hoval выполняются индивидуальные заказы теплообменников, в максимальной степени отвечающие запросам пользователей. Важнейшим положительным свойством программы является возможность вводить различного рода ограничения на результирующие технические параметры, такие как потеря напора по притоку и/или вытяжке, габаритные размеры теплообменника и т.п. Первое из указанных ограничений является чрезвычайно важным при разработке проектов реконструкции существующих систем вентиляции и кондиционирования воздуха. Имея графическую характеристику вентилятора, характеристику сети и соответствующую им рабочую точку, можно определить допустимую дополнительную потерю напора, не требующую замены существующего оборудования. В результате реконструкция осуществляется с минимальными экономическими затратами. Ограничения на габаритные размеры важны при проектировании теплообменников, встраиваемых в центральные агрегаты систем вентиляции и кондиционирования воздуха или в иное технологическое оборудование. При конструировании можно также, например, ограничиться максимальным расстоянием между пластинами (тип W), несмотря на то, что по цене и теплотехническим показателям более рациональным было бы иметь малое (тип R), среднее (тип X) или большое (тип L) расстояние между пластинами. Указанное ограничение, в частности, используется при конструировании пластинчатых теплообменников для рекуперации тепла в системах вентиляции покрасочных камер, где чрезвычайно важное значение приобретает удобство мойки с целью удаления осаждаемых аэрозолей краски путем окунания теплообменника в емкость с растворителем. Максимальное расстояние между пластинами в этом случае существенно упрощает процесс мойки. Как правило, заданному набору исходных данных и, если необходимо, то также дополнительно введенным ограничениям на результирующие технические параметры могут отвечать несколько вариантов конструкции теплообменников. Окончательный выбор оптимального из них осуществляется с использованием другой компьютерной программы, позволяющей производить оценку целого ряда технико-экономических показателей, важнейшим из которых является срок окупаемости заказываемого оборудования и выполняемых работ. С одной стороны, пластинчатый теплообменник за счет рекуперации тепла способствует экономии тепловой энергии. С другой стороны, дополнительное аэродинамическое сопротивление, создаваемое теплообменником, как по притоку, так и по вытяжке, приводит к увеличенному расходу электроэнергии. Исходя из местных тарифов на тот и другой вид энергии, программа осуществляет составление годового баланса имеющих место доходов и расходов. Все расчеты проводятся в строгом соответствии с методикой VDI 2071 «Рекуперация тепла в установках кондиционирования воздуха. Экономический расчет». Полученные в результате расчета сроки окупаемости существенным образом зависят от климатических условий и действующих тарифов. Тем не менее, ожидаемые сроки окупаемости в большинстве своем не превышают 1,5–2 года, а в ряде случаев составляют 8–9 месяцев.

Пластинчатый теплообменник сам по себе является необходимым высокотехнологичным элементом рекуперативной установки, подлежащим закупке. Вместе с тем, по желанию заказчика теплообменник может быть оснащен рядом дополнительных элементов, существенно упрощающих дальнейшую внешнюю обвязку теплообменника собственными силами. К числу указанных дополнительных элементов (опций) принадлежат:

. байпасная секция, встраиваемая в тот же корпус, что и блок пластин теплообменника (сбоку от него или посередине);
. рециркуляционный клапан, обеспечивающий более эффективное регулирование теплопроизводительности.

Рециркуляционный клапан монтируется в байпасной секции. Таким образом, помимо рекуперации тепла появляется возможность рециркуляции воздуха, регулируемой в пределах от 0 до 100 %. Необходимость использования указанных опций определяется условиями эксплуатации теплообменника. Байпас может устанавливаться как в теплом, так и в холодном плечах теплообменника. Установка байпаса в холодном плече диктуется условиями, способствующими обмерзанию теплообменника в зимний период. Возможность обмерзания определяется расчетом, для чего в программе CAPS меню «Расчет» содержит раздел «Предотвращение обмерзания». Если расчетная температура обмерзания выше расчетного значения температуры наружного воздуха в заданном регионе, нормируемой приложением 8 СниП 2.04.05–91* «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха», то использование байпаса или автоматическое управление режимом кратковременной остановки приточного вентилятора являются необходимыми. Байпас в теплом плече устанавливается, когда необходима реализация режима ночного выхолаживания (Night Cooling), что характерно для регионов с резко континентальным климатом. Необходимость установки рециркуляционного клапана определяется условиями целесообразности совмещения между собой рекуперации тепла и рециркуляции воздуха (рекуперация + рециркуляция), которые характеризуются соотношением (11), графически представленным на рис. 7, и соотношением (12)— на рис. 8. Пластинчатые теплообменники изготавливаются фирмой Hoval исключительно собственными силами с использованием полностью автоматизированных производственных линий.


рис. 7

рис. 8

Роторные теплообменники (Rotary Heat Exchangers, RHE)

На рис. 10 схематично представлено конструктивное исполнение роторных теплообменников производства фирмы Hoval. Теплоутилизирующая насадка образована узкими треугольными каналами, изготовленными из тонкой фольги. Толщина насадки (в направлении воздушных потоков) составляет 200 мм, а высота воздушных каналов — от 1,9 до 2,4 мм, в зависимости от сферы применения. При таком геометрическом соотношении в воздушных каналах образуется ламинарное течение.


рис. 10

Поставляются два типа роторов. Простой алюминиевый ротор (тип A), в котором теплоутилизирующая насадка выполнена из гладкого необработанного алюминия. В этом случае перенос влаги осуществляется только при ее конденсации из теплого воздуха на стенках каналов. Часть влаги уносится потоком холодного воздуха. Конденсация вызывает увеличение падения давления и возникает только при наличии избыточного влагосодержания в воздушном потоке. При большой разности температур, что характерно для зимнего периода, эффективность переноса влаги может достигать 60 %. Простые алюминиевые роторы пригодны для рекуперации тепла и переноса влаги в системах вентиляции без механического охлаждения, т.е. в системах, предназначенных для работы в зимний период. Алюминиевый ротор со слоем силикагеля (тип S). В этом случае влагопоглощающие свойства слоя силикагеля позволяют осуществлять перенос влаги за счет процесса сорбции без конденсации. С падением разности температур эффективность переноса влаги снижается незначительно. Алюминиевые роторы со слоем силикагеля пригодны к эксплуатации в летний период, когда имеет место механическое охлаждение свежего воздуха.

Принципиально возможна также поставка алюминиевых роторов с протравленным поверхностным слоем (тип B). Теплоутилизирующая насадка роторов данного типа изготавливается из металла с капиллярной структурой поверхности, которая образуется в результате химической обработки металла методом травления. В этом случае влага переносится за счет процесса сорбции совместно с ее конденсацией. При этом перенос влаги в основном осуществляется за счет конденсации. Процесс сорбции имеет гораздо меньшую интенсивность, вследствие чего перенос влаги в летний период невелик. В результате роторы с протравленным поверхностным слоем используются крайне редко, поскольку не отличаются высокой влагопоглощающей способностью ни зимой, ни летом. В зависимости от диаметра ротор конструктивно может иметь одно из следующих исполнений:

. 1-сегментный, однослойный;
. 1-сегментный, многослойный;
. 4-сегментный;
. 8-сегментный. Толщина ротора составляет 200 мм. Диаметр ротора может быть выбран следующим образом:
. для 1-сегментного ротора — с шагом в 1 см;
. для 4или 8-сегментного ротора — с шагом 5 см.

Для обеспечения жесткости несущий корпус усилен сдвоенными спицами, которые с одной стороны крепятся к втулке, а с другой — к обечайке ротора, имеющей толщину 3–5 мм. Для придания дополнительной жесткости и упрощения сборки большие роторы изготавливаются только состоящими из нескольких сегментов (4и 8-сегментные). В зависимости от диаметра ротора несущий корпус может иметь одно из следующих исполнений:

. неразборный (малый), в котором жесткий корпус состоит из двух торцевых пластин, нескольких разделителей и двух поперечных элементов для фиксации ротора;
. неразборный (большой) для роторов диаметром свыше 12 800 мм, в котором два поперечных элемента усилены дополнительной опорой;
. разборный (с отделяемой верхней частью), имеющий в основании поперечные элементы для фиксации 4-сегментного ротора, поверх которого устанавливается верхняя часть корпуса, крепящаяся к основанию;
. разборный (сегментированный), состоящий из отдельных частей по числу сегментов ротора.

Каждое из перечисленных исполнений несущего корпуса представлено двумя моделями:

Модель G — для установки в системах кондиционирования. Корпус с ротором устанавливают в центральный агрегат, поэтому для удобства технического обслуживания боковые стороны корпуса остаются открытыми.

Модель K — для стыковки с воздуховодом.

В отличие от модели G боковины корпуса закрыты, а на предполагаемой стороне монтажа привода встраивается инспекционный лючок. Поставка теплообменников осуществляется в следующих вариантах:

Вариант M. Ротор установлен в корпусе (стандартная поставка для 1-сегментных роторов, опциональная — для 4и 8-сегментных роторов с разборным корпусом).

Вариант G. Разборный корпус поставляется частями для сборки на месте (для 4и 8-сегментных роторов с разборным корпусом).

Вариант B. 4-сегментный ротор и разборный корпус поставляются раздельно для сборки на месте (только для 4-сегментных роторов с разборным корпусом с отделяемой верхней частью).

Вращающий момент привода выбирается из следующего дискретного ряда значений: 30, 90, 170 и 500 Н•м. Приводной электродвигатель поставляется опционально. Возможны два варианта управления: типа «вкл/выкл» и с пропорциональным регулированием скорости вращения ротора. В последнем случае возможна поставка системы управления, имеющей класс защиты IP 54 или IP 20. Опциональными являются также следующие элементы поставляемого оборудования: Опция B. Операционный блок, позволяющий перепрограммировать систему пропорционального регулирования и производить ручное управление.

Опция D.
Индуктивный датчик, располагаемый на периферии ротора, с соответствующим преобразователем, осуществляющий детектирование вращения ротора.

Опция S.
Система поддержания необходимого перепада давления между притоком и вытяжкой, сокращающая до минимума попадание вытяжного воздуха в приточный.

Опция I.
Инспекционные лючки, помимо стандартного, устанавливаемые в желаемом количестве на сторонах притока и вытяжки. Подбор оборудования осуществляется с использованием компьютерной программы CARS (Computer Aided Rotary heat exchanger Selection), разработанной на языке Visual Basic for Applications в среде Microsoft Excel 2000. Роторные теплообменники производятся фирмой Hoval в кооперации с широко известными фирмами Scheuchl GmbH (Германия) и Thermo-Lung Co. Ltd. (Япония).

Заключение

Рассмотренные задачи, методы и средства рекуперации тепловой энергии в системах вентиляции и кондиционирования воздуха имеют своей задачей существенное сокращение энергопотребления, а также снижение нагрузки на окружающую среду. В настоящее время рекуперация получила широкое распространение в большинстве европейских стран, некоторые из которых, как, например, Швейцария, законодательным образом запрещают разработку и реализацию проектов систем вентиляции, не использующих те или иные средства рекуперации тепловой энергии. Основными факторами пробуждающегося в России интереса к системам рекуперации тепла являются:

. рост цен на все виды энергоносителей;
. ограничения на установленную мощность (например, в центральных районах больших городов);
. государственная политика в области энергосбережения (Федеральный закон «Об энергосбережении», в соответствии с которым выпущены местные законы, предусматривающие компенсацию дополнительных расходов заказчика на цели энергосбережения);
. ряд новых стандартов и технических требований, регламентирующих проектирование, изготовление и использование энергосберегающего оборудования.

Что касается типажа рекуператоров, то наибольший интерес представляют пластинчатые и роторные теплообменники. Причем, если в большинстве европейских стран наиболее распространенными являются роторные теплообменники, то для России характерно использование пластинчатых теплообменников из-за двух основных причин: неудовлетворительного качества монтажа вентиляционного оборудования и отсутствия должного технического обслуживания. Указанное является следствием сохраняющегося до сих пор пренебрежительного отношения к системам вентиляции, несмотря на то, что современный уровень технического воплощения и их роль с точки зрения вклада в общее знергопотребление объекта зачастую превышают таковые для основного технологического оборудования. При наличии ряда положительных свойств роторных теплообменников следует отметить следующие их особенности, требующие внимательного отношения к их монтажу и эксплуатации:

. наличие вращающегося ротора, обладающего значительной массой и проходящего на заводе-изготовителе как статическую, так и динамическую балансировку, предполагает тщательную регулировку положения агрегата по отношению к горизонтальной плоскости во избежание биения ротора и связанного с этим преждевременного износа опорных подшипников;
. ротор, представляющий собой теплоутилизирующую насадку, образованную узкими каналами значительной длины, в которых имеют место ламинарные воздушные потоки, уязвим по отношению к механическому загрязнению, что требует тщательного контроля за состоянием фильтров, устанавливаемых на входах, чтобы исключить возможность попадания загрязненного воздуха на ротор при разрыве фильтрующего материала.

Несмотря на повышенные габариты и эффективность, уступающую таковой для роторных теплообменников, пластинчатые теплообменники не связаны с указанными выше ограничениями, поскольку они не содержат движущихся частей и при наличии увеличенного размера между пластинами позволяют производить их чистку путем продувки сжатым воздухом либо промывки с использованием воды, различного рода детергентов и растворителей. Экономическая обоснованность применения рекуператоров вообще и пластинчатых теплообменников в частности более чем очевидна в условиях относительно сурового российского климата, поскольку она непосредственным образом зависит от температурного контраста. Чем больше разница температур воздуха снаружи и внутри здания, тем больше достигаемый экономический эффект. Единственным видимым препятствием к их широкому внедрению является опасность обмерзания. В связи с этим особое внимание уделено проблемам обеспечения работоспособности и эффективности функционирования теплообменников с учетом особенностей их эксплуатации в суровых климатических условиях, характерных для северо-восточных регионов России. На основе анализа имеющих место теплофизических процессов проанализированы условия обмерзания пластинчатых теплообменников под действием отрицательных температур. Произведена систематизация вариантов конструктивных решений, предусматривающих профилактику обмерзания, либо сокращение вызываемых при этом отрицательных последствий.

Разработаны рекомендации по конструированию рекуперационных агрегатов, состоящих из серийно выпускаемых элементов и блоков, с учетом обеспечения их эффективной работы зимой при низких температурах наружного воздуха. Перечисленные разработки представляются достаточно содержательными и емкими, в связи с чем изложение полученных результатов планируется в одной из очередных статей, имеющих самостоятельный характер.

Литература:
1. Besant, R.W., P.E., and Allan B. Johnson. Reducing energy costs using run-around systems. ASHRAE Journal, February 1995, Vol. 37, no. 2:41-46, 3 figs, 13 refs. ISSN 0001–2491, 1995.
2. VDI 2071 Heat recovery in heating, ventilation and air-conditioning plants, 1996.
3. EUROVENT 10/1 Heat Recovery Devices — Specifications, Terminology, Classification And Functional Characteristics. 1987.

C.O.K. N 11 www.c-o-k.ru | 2004г. Рубрика: КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ И ВЕНТИЛЯЦИЯ