CC BY
419
УДК 628.84
Л.В. Дуболазова, Дальрыбвтуз, Владивосток ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЕ ОБОРУДОВАНИЕ В СИСТЕМАХ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ И ВЕНТИЛЯЦИИ ВОЗДУХА
Использование приточно-вытяжных рекуператоров - одно из перспективных направлений в энергосбережении в области
кондиционирования и вентиляции воздуха. Рекуперация (от лат. ИесирегаНо) - это обратное получение, возвращение части энергии, расходуемой при проведении того или иного технологического процесса, для повторного использования в том же процессе.
Теплоутилизационные установки делятся на два вида:
теплоутилизаторы-теплообменники непосредственного действия и
тепловые насосы, обеспечивающие увеличение потенциала
утилизируемого тепла. В регенеративных и рекуперативных утилизаторах рабочим веществом являются сами теплообменивающиеся среды.
Процесс проходит в рекуперационном теплообменнике таким образом, что выбрасываемый и свежий воздух абсолютно отделены друг от друга, чтобы не произошло их смешение.
Возможно использование рекуперационных теплообменников и для охлаждения помещений, т.е. обратным способом - рекуперация холода, подводимому воздуху передаётся холод от отводимого воздуха.
Общий вид задачи рекуперации тепловой энергии может быть изображён на рис. 1.
Основной характеристикой рекуператоров является п -коэффициент эффективности рекуперации. Это отношение между максимально возможным полученным теплом и теплом, полученным в действительности. Коэффициент зависит от типа рекуператора, меняется в пределах от 30 до 90 %.
Существует несколько средств рекуперации тепловой энергии:
- пластинчатые перекрестно-точные теплообменники (рекуператоры),
- роторные рекуператоры;
- рекуператоры с промежуточным теплоносителем;
- рекуператоры с тепловыми трубами;
- рекуператоры «тепловая камера»;
- рекуператоры «тепловой насос».
Большинство же теплообменников, таких, как пластинчатые теплообменники типа «воздух-воздух», водяные контуры, а также тепловые насосы, непосредственным образом осуществляют перенос только явного тепла. Коэффициент по явному теплу
^21 _ 1
где ^2, ^1 - приточный воздух на выходе и входе рекуператора, °С; ¿21 -вытяжной воздух на входе в рекуператор, °С.
Некоторые рекуператоры, например, роторные теплообменники типа «воздух - воздух», осуществляют перенос как явного, так и скрытого тепла, сосредоточенного в парах воздуха, переносимого между вытяжкой и притоком. Общая эффективность рекуператора принимается по явному и скрытому теплу
Г) = ———,
1 21- 111
где ¡12, ііі - удельная энтальпия приточного воздуха на выходе и входе рекуператора, кДж/кг; ¡21 - удельная энтальпия вытяжного воздуха на входе в рекуператор, кДж/кг.
Однако на показатели эффективности оказывает влияние и наличие конденсации влаги при рекуперации. Поэтому учитывают отдельно эффективность рекуператоров без учета конденсации и эффективность с учётом конденсации. Показатель эффективности зависит от соотношения весовых расходов воздуха на притоке и вытяжке. Эффективность рекуперации по явному теплу при этом выражается формулой
Єп-(^11-^12) ^22-^1)
®тт'(^11 ^21) ®тт'(^11 ^21)
где вп, вв - весовой расход воздуха на притоке и соответственно на вытяжке, кг/с; втп - минимальное значение из вп и вв, кг/с; ¿21 -вытяжной воздух на выходе из рекуператора, °С.
Пластинчатые рекуператоры - это рекуператоры со стыкующимися плоскостями (рис. 2), набор специально
спрофилированных алюминиевых пластин толщиной 0,2 мм. Тепловыделяющий и теплопоглощающий воздушные потоки проходят вдоль разделяющих их плоскостей, обладающих высокой теплопроводностью, через которые происходит процесс теплопередачи. Используется удаляемый из помещений воздух как вторичный энергоресурс с целью экономии тепла или холода, что создаёт систему двух раздельных каналов для протекания приточного и вытяжного потоков воздуха.
Перекрестно-точные рекуператоры горизонтального типа обычно используются в помещениях с ограничениями по высоте. Принцип работы ничем не отличается от принципа работы перекрестноточного рекуператора вертикального типа, здесь секции теплообменника расположены под небольшим углом к горизонтальной поверхности, что обеспечивает нормальный сток конденсата. За теплообменником устанавливаются каплеуловитель, поддон для сбора конденсата и сифон.
В приточной части рекуператора, во избежание обледенения в зимний период, устанавливается клапан с обводной линией - байпасс.
В зависимости от конструктивного исполнения пластинчатые рекуператоры имеют эффективность /7 = 40 н- 70 % и потерю напора по притоку и вытяжке АР = 50 4- 250 Па.
Типовая схема рекуперативной установки на базе пластинчатого теплообменника приведена на рис. 3.
Рис. 3
При использовании рекуператора с температурами ниже -20 °С следует использовать предварительный нагрев воздуха перед рекуператором.
Эффективность пластинчатых рекуператоров PR зависит и от скорости потока воздуха (рис. 4).
расмод воздуха, м!/с 10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000
1 000
0 1 2 3 4 5 6
скорость потока воздуха, м/с
Рис. 4
Роторные рекуператоры классифицируются как рекуператоры с вращающимся аккумулятором тепла (рис. 5). Ротор с насадкой обладает высокой теплоемкостью, которая при использовании противоточной схемы попеременно нагревается и охлаждается тепловыделяющим и теплопоглощающим воздушными потоками.
В зависимости от параметров воздуха и свойств используемой насадки процесс теплопереноса может сопровождаться переносом влаги. Существуют роторные рекуператоры конденсационного типа, которые осуществляют преимущественно перенос тепла и только той влаги, которая конденсируется на поверхности насадки в местах, имеющих температуру ниже точки росы. У простого алюминиевого ротора
теплоутилизирующая насадка выполнена из гладкого необработанного алюминия, и 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. В зимний период при большой разности температур 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.
Типовая схема рекуперативной установки на базе роторного
теплообменника изображена на рис. 6.
Рис. 6
Алюминиевый ротор со слоем силикагеля позволяет осуществлять перенос влаги за счет процесса сорбции без конденсации. С падением разности температур эффективность переноса влаги снижается незначительно. Этот тип рекуператоров пригоден для эксплуатации в летний период, когда необходимо механическое охлаждение свежего потока воздуха.
.
Рис. 5
Алюминиевые роторы с протравленным поверхностным слоем. Здесь теплоутилизирующая насадка изготавливается из металла с капиллярной структурой поверхности, которая образуется в результате химической обработки металла методом травления. Поэтому 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, следовательно, перенос влаги в летний период невелик. В результате роторы этого типа используются крайне редко, поскольку не отличаются высокой влагопоглощающей способностью.
В зависимости от конструктивного исполнения роторные рекуператоры имеют ц = 60 4- 85 % и АР = 75 4 500 Па.
Рекуператоры с промежуточным теплоносителем это наличие циркуляционного контура, в котором перемещается рабочее вещество,
обеспечивающее передачу тепловой энергии от теплоприемника к
теплопередатчику (рис. 7).
Используются в системах, где недопустимо смешение потоков воздуха, а также в случаях большого расстояния
между приточной и вытяжной установками.
В качестве рекуператора служат
теплообменники (медно-алюмини-евые),
единой системой
заполненных теплоносителем. получает тепло удаляемого воздуха с помощью установленного в вытяжной части, и передает его подаваемому воздуху с помощью теплообменника, установленного в приточной части установки, который выполняет функцию начального нагревателя.
Теплообменник, расположенный в потоке удаляемого воздуха с каплеуловителем, поддоном для сбора конденсата, сливным патрубком и сифоном. В качестве промежуточного теплоносителя используется незамерзающая жидкость, чаще всего, 40%-й раствор этиленгликоля в дистиллированной воде, что применительно в условиях российского климата. В качестве жидкостей, обеспечивающих работу теплоутилизаторов в области влажного пара, используют хладоны, водяной пар.
Водяные циркуляционные системы включают два оребренных теплообменника типа «вода-воздух», объединенных между собой гидравлическим контуром, в котором осуществляется прокачка воды или водо-гликолевой смеси. Типовая схема водяной циркуляционной системы на примере Runaround Coils изображена на рис. 8.
соединенные
трубопроводов,
промежуточным
Теплоноситель
теплообменника
Рис. 7
Тепло, поглощаемое из одного воздушного потока,
промежуточным теплоносителем переносится во второй теплообменник, через который передается другому воздушному потоку. В зависимости от конструкции водно-воздушных
теплообменников и используемой запорно-регулирующей арматуры водяные циркуляционные системы обеспечивают А7 = т 50 ^ 65 % и АР = 200 4- 900 Па.
Рис. 8. Схема водяной циркуляционной системы: 1 - теплообменник при вытяжке воздуха; 2 - теплообменник для приточного воздуха;
3 - циркуляционный насос; 4 - предохранительный клапан; 5 - расширительный бак; 6 - индикаторы температуры и давления; 7 - температурный датчик;
8 - температурный датчик; 9 - ограничительный датчик; 10 - воздушный клапан; 11 - изолирующий клапан; 12 - управляющий клапан; 13 - контроллер
Рекуператоры «тепловая труба» вертикального типа представляют собой фреоновый контур, в котором циклическим образом осуществляются фазовые переходы теплоносителя из жидкого в газообразное состояние, и обратно. Типовая схема на примере тепловой трубы Heat Pipes представлена на рис. 9.
приток
вытяжка
охлажденная
С
фаза
газовая
\
/
Рис. 9
Эффективность тепловых труб /] = 45 4 65 % и может регулироваться за счет изменения наклона по отношению к вертикальному положению. Перетекание загрязненного воздуха из вытяжки в приток полностью исключено, так как они изолированы между собой через промежуточный теплоноситель. Рекуператоры тепловые трубы отличаются наибольшей компактностью, используются при условии параллельного расположения приточного и вытяжного воздуховодов, непосредственно примыкающих друг к другу.
В качестве рекуператора обычно используются медно-алюминиевые, медно-никелевые или из нержавеющей стали теплообменники, соединенные единой системой трубопроводов, частично заполненных фреоном. Рекуперация происходит за счет физических свойств фреона.
В теплообменнике (испарителе) происходит испарение фреона за счет тепла, отдаваемого вытяжным воздухом. Фреон поступает в теплообменник (конденсатор), находящийся в приточной (верхней) части установки и, отдавая тепло воздуху, забираемому с улицы, конденсируется. Теплообменник, расположенный в потоке удаляемого воздуха (испаритель), снабжён каплеуловителем - поддоном для сбора конденсата - и сифоном.
Рекуператоры «тепловая трубка» горизонтального типа обычно используются в помещениях с ограничениями по высоте.
В секции теплообменник расположен под углом 10° к горизонтальной поверхности, что обеспечивает более эффективную естественную циркуляцию фреона.
Рекуператор «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 осуществляется передача тепла между воздушными потоками. Эффективность данной системы может быть достаточно велика, но она отличается значительными капитальными
затратами. И она практически неприемлема при наличии существенного загрязнения воздуха на вытяжке.
Рекуператор «тепловой насос» представляют собой холодильный контур с компрессором, расширительным клапаном, испарителем и конденсатором, расположенными отдельно в приточном и вытяжном воздуховодах. 4-ходовой перепускной клапан, обеспечивает реверсирование движения теплоносителя и позволяет в зависимости от сезона осуществлять перенос тепла с вытяжки на приток, и наоборот.
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. Достижимые значения коэффициента полезного действия составляют порядка 4,5-5,2, т.е. на единицу затрачиваемой электрической энергии осуществляется транспортировка 4-5 единиц тепловой энергии. При вытяжке большого количества скрытого тепла с применением теплового насоса достигается наибольшая экономия энергии.
К примеру, кондиционер марки 50UZ 016-028 CARRIER с тепловым насосом представлен на рис. 10. Это моноблочный крышный
кондиционер с тепловым насосом на хладагенте R407C. Номинальная
холодопроизводительность 41-77 кВт. Номинальная теплопроизводительность 45-85 кВт.
Данные методы и средства
рекуперации тепловой энергии в системах вентиляции и
кондиционирования воздуха
способствуют решению некоторых задач
по существенному сокращению
энергопотребления, а также снижению нагрузки на окружающую среду. В настоящее время рекуперация получила широкое распространение и применение для систем кондиционирования и вентиляции воздуха.
Основой интереса к системам рекуперации тепла является рост цен на все виды энергоносителей. Использование рекуперации позволяет снизить затраты энергии на работу такой системы по сравнению с обычными системами.
Наибольший интерес представляют пластинчатые и роторные теплообменники. Другие типы рекуператоров отличаются не очень высокой эффективностью.
Большинство производителей вентиляционного оборудования и систем кондиционирования воздуха давно выпускают агрегаты и устройства для уменьшения эксплуатационных затрат. К ним относятся такие компании, как DAIKIN, Ventrex, Dantherm, Airwell и многие другие.
Библиографический список
1. Богословский В.Н. и др. Кондиционирование воздуха и холодоснабжение. М.: Стройиздат, 368 с.
2. Вишневский Е.П. Рекуперация тепловой энергии в системах вентиляции и кондиционирования воздуха // СОК. № 11. 2004.
3. Кокорин О.Я. Энергосберегающие системы кондиционирования воздуха. М.: Физматлит, 2003. 350 с.
4. СНиП 41-01-2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование М., 2004.
5. Режим доступа: http: // www.td-konvent.ru
