Регенеративные теплообменники — утилизаторы

Утилизация теплоты вытяжного воздуха – процесс вторичного использования тепловой энергии в системе вентиляции.

Аппараты, предназначенные для утилизации теплоты вытяжного воздуха, называют теплоутилизаторами. По характеру изменения теплового потенциала различают два их вида: тепловые насосы, обеспечивающие увеличение теплового потенциала, и теплообменные аппараты.

Большое распространение получили теплоутилизаторы - теплообменники, которые подразделяют на три группы: рекуперативные (воздухо-воздушные, воздухо-жидкостные, жидкостно-жидкостные), регенеративные и с промежуточным теплоносителем. В первых двух рабочим телом являются сами теплообменивающиеся среды, например, вытяжной и приточный вентиляционный воздух, в последнем — кроме теплообменивающихся сред используется рабочее тело, воспринимающие теплоту от вытяжного воздуха и передающее ее потребителю.

На рис.1 показана конструктивная схема приточно-вытяжного агрегата с пластинчатым утилизатором теплоты. Приточный и вытяжной агрегаты выполняются в едином корпусе. Первыми на входе приточного и вытяжного воздуха установлены фильтры 1 и 4. Оба очищенных потока воздуха от работы приточного 5 и вытяжного 6 вентиляторов проходят через пластинчатый теплоутилизатор 2, где теплота вытяжного воздуха передается холодному приточному. Как правило, вытяжной воздух имеет повышенное влагосодержание и температуру точки росы не ниже +4 °С. При поступлении в каналы теплоутилизатора холодного наружного воздуха с температурой ниже +4 °С на части поверхности каналов будет происходить конденсация водяных паров. Образовавшийся конденсат под воздействием потока воздуха будет интенсивно стекать в поддон 7, откуда по присоединенному трубопроводу 8 отводится в канализацию (или бак-накопитель). При низких начальных температурах наружного воздуха на разделительных стенках каналов выпадающий из вытяжного воздуха конденсат не успевает стекать в поддон, а замерзает, что приводит к сужению проходного сечения и увеличивает аэродинамическое сопротивление. Это увеличение аэродинамического сопротивления воспринимается датчиком, который передает команду на привод 10 на открытие воздушных клапанов в обводном канале (байпасе) 9.

Испытания пластинчатых утилизаторов в климате России показали, что при снижении температуры наружного воздуха воздушные клапаны в байпасе 9 полностью открыты и весь приточный наружный воздух проходит минуя пластинчатые каналы теплоутилизатора. Нагрев приточного наружного воздуха осуществляется в калорифере 11 питаемом горячей водой из центрального источника теплоснабжения. В этом режиме утилизируемая теплота равно нулю, так как через теплоутилизатор проходит только вытяжной воздух и утилизация теплоты отсутствует.

Вторым методом предотвращения замерзания конденсата в каналах теплообменника является постоянный предподогрев приточного наружного воздуха. Практика показывает, что использование байпаса или постоянного предподогрева значительно снижает теплотехническую эффективность пластинчатых теплообменников в системах приточно-вытяжной вентиляции в климате России.

Для устранения этого недостатка отечественными специалистами разработан оригинальный метод быстрого периодического размораживания пластинчатых теплоутилизаторов путем подогрева удаляемого вытяжного воздуха, обеспечивающий надежную и энергоэффективную круглогодовую работу агрегатов. Замерзание конденсата вызывает возрастание перепада давления в потоке удаляемого воздуха, замеряемого датчиком 8. При возрастании перепада до настроенной величины последует команда на открытие автоматического клапана 6 на трубопроводе подачи горячей воды в трубки калорифера 5, что вызовет повышение температуры удаляемого воздуха. При прохождении по каналам воздуха с высокой температурой произойдет быстрое оттаивание со стенок каналов наледей. После оттайки наледей перепад давлений понизится и датчик 8 через связь 7 подаст команду на закрытие клапана 6 и подача горячей воды в калорифер 5 прекратится.

Регенеративными теплообменниками — утилизаторами теплоты называются теплообменники, у которых передача теплоты от нагретого теплоносителя к холодному осуществляется с помощью попеременно омываемой теплоаккумулирующей насадки.

В стационарных переключаемых регенераторах насадка неподвижна и при периодическом изменении направления движения потока попеременно омывается то холодным, то нагретым теплоносителем. Переключаемые регенераторы значительно уступают вращающимся по компактности. Однако у них имеются и преимущества: простота изготовления и возможность использования в качестве теплоаккумулирующей насадки более дешевые материалы (гравий, галечник и т.д.).

Во вращающихся регенеративных теплообменниках (ВРТ) теплоаккумулирующая насадка последовательно проходит через два воздушных потока. Часть насадки, омываемая удаляемым из помещений теплым воздухом, нагревается, а при прохождении через приточный холодный воздух охлаждается, нагревая его. В зависимости от свойств материала насадки ВРТ подразделяются на аппараты с несорбирующей и сорбирующей насадкой. Несорбирующая насадка регенератора выполняется из негигроскопичных коррозиестойких материалов, образующих ячеистую, щелевую или сетчатую структуру (металлическая фольга либо сетка, полимерные пленки и пр.). Сорбирующие (энтальпийные) насадки регенератора выполнены из бумаги, картона, ткани и пропитаны раствором на основе хлористого лития или другими водо-поглощающими составами. В течение полуоборота насадки на стороне удаляемого воздуха происходит насыщение поверхностного слоя влагой до состояния гигроскопического равновесия. На стороне приточного воздуха осуществляется процесс десорбции с удалением влаги в воздух.

Недостатком регенеративных теплообменников является частичное смешение отработанного и свежего воздуха. При контакте и перетоке воздуха возможен перенос в приточный воздух микроорганизмов, пыли и газообразных примесей. Для уменьшения перетока воздуха в конструкциях аппаратов предусмотрены секторы продувки. Схема движения воздуха в пределах сектора продувки показана на рис.4. В пределах сектора продувки оставшийся в каналах насадки удаляемый воздух при переходе ее через разделительную перегородку воздуховодов вытесняется приточным воздухом, затем подсасывается потоком удаляемого воздуха и выбрасывается в атмосферу. Подсасывание выталкиваемого из каналов воздуха достигается наличием разности давлений между приточным воздухом перед насадкой и удаляемым воздухом за насадкой. В современных конструкциях регенераторов переток загрязненного воздуха не превышает 0,02...0,5 %. В регенераторах, не оборудованных секторами продувки, он доходит до 3 %.

Особенностью регенеративных теплообменников является зависимость эффективности переноса от числа оборотов насадки. На графике (рис.5) эта зависимость выражается наличием двух характерных участков. При частоте вращения ротора п = 1...3 об/мин на эффективность утилизатора существенное влияние оказывает теплоемкость насадки ротора.

Если число оборотов насадки п > 4, то это не сказывается на эффективности регенератора, что объясняется практически постоянными температурами в каждом ее сечении при прохождении удаляемого и приточного воздуха. В этот период интенсивность тепло- и массообмена остается постоянной. Исходя из этого число оборотов рекомендуется принимать не менее 4 об/мин. Для большинства теплоутилизаторов число оборотов вращения конструктивно принято 10 об/мин.

По сравнению с рекуперативными теплообменниками-утилизаторами вращающиеся регенераторы характеризуются:

• компактностью;
• отсутствием необходимости удалять образующийся конденсат;
• возможностью одновременно нагревать и увлажнять приточный воздух.

К недостаткам ВРТ следует отнести:

• перетекание удаляемого воздуха в поток приточного;
• наличие вращающейся насадки и ее привода;

Теплоутилизаторы с промежуточным теплоносителем имеют дополнительный циркуляционный контур, в котором циркуляционным насосом перемещается рабочее тело, передающее теплоту от вытяжного воздуха потребителю.

Промежуточный теплоноситель (вода или незамерзающая жидкость) с помощью насосов 1 (один резервный) циркулирует по контуру через утилизаторы 2 и 3, установленные в приточном и вытяжном потоке. Догрев промежуточного теплоносителя осуществляется в теплообменнике 6, запитанным от теплосети. Регулирование температуры приточного воздуха осуществляется по датчику температуры 5 (установленном либо в помещении, либо в приточном воздуховоде), последовательной работой регулирующих клапанов 4 и 7, устанавливаемых на трубопроводах промежуточного теплоносителя и воды из тепловой сети. При понижении температуры приточного воздуха клапан 4 увеличивает расход сетевой тепловой воды через теплообменник 6, при повышении — регулирующий клапан 7 уменьшает расход промежуточного теплоносителя через теплоутилизатор 3, установленный в потоке вытяжного воздуха.

Их достоинства:

· полная аэродинамическая изоляция потоков вытяжного и приточного воздуха;

· возможность устройства систем утилизации при размещении приточных и вытяжных установок на значительном расстоянии одной от другой;

· возможность объединения в одну систему различного числа приточных и вытяжных установок с различным тепловым потенциалом удаляемого воздуха;

Недостаток — большой расход металла.

Тепловые насосы при утилизации теплоты вытяжного воздуха могут применяться для подогрева приточного воздуха, а также для подогрева воды. Тепловые насосы работают по обратному термодинамическому циклу Карно. Их тепловой цикл аналогичен холодильному циклу, но в данном случае производится не только холод в испарителе, но и теплота в конденсаторе. Таким образом при затрате работы извне тепловой насос извлекает из источника низкопотенциальную теплоту и передает ее с более высоким потенциалом к приемнику.

Основными составляющими такого теплового насоса являются компрессор, расширительный клапан и два теплообменника называемые испаритель и конденсатор. Данные компоненты соединяются и образуют замкнутый контур, как показано на рисунке. Хладагенты циркулируют по данной системе. В испарителе рабочая жидкость имеет температуру ниже температуры источника тепла, за счет этого происходит нагрев от теплоисточника, при этом рабочая жидкость испаряется. Получаемый газ, на выходе из испарителя сжимается, что приводит к увеличению температуры газа. А затем горячий газ высокого давления поступает в конденсатор, где он конденсируется и отдает полезное тепло. Наконец, рабочая жидкость под высоким давлением проходит через расширительный клапан, который действует как клапан перепада давления. Рабочая жидкость возвращается в исходное состояние, и снова попадает в испаритель.

Расчетные формулы для расчета теплообменника

При допущении малости тепловых потерь в окружающую среду уравнение теплового баланса принимает вид

где Q – тепловая мощность теплообменного аппарата, Вт.

Тепловую мощность теплообменного аппарата рассчитывают по формуле

где G – расход теплоносителя, кг/с;

dh – изменение удельной энтальпии, Дж/кг.

Изменение удельной энтальпии равно:

а) для однофазных теплоносителей

б) при фазовом переходе (кипение или конденсация)

где ср – удельная изобарная теплоёмкость, Дж/(кг×К);

dТ – изменение температуры однофазного теплоносителя;

r – скрытая теплота фазового перехода.

Таким образом, в зависимости от фазового состояния холодного и горячего теплоносителей возможны следующие варианты записи уравнения теплового баланса:

- для однофазных теплоносителей:

- при изменении агрегатного состояния горячего теплоносителя (конденсация):

Расходы теплоносителей рассчитывают по уравнению неразрывности:

Площадь поперечного сечения канала рассчитывают по формулам :

— n круглых труб с внутренним диаметром dвн

— внешний канал для прохода теплоносителя в межтрубном пространстве кожухотрубного теплообменника с числом трубок n

где D – внутренний диаметр кожуха, м; dнар – наружный диаметр внутренних трубок, м;

— канал для прохода теплоносителей пластинчатого теплообменника

где b – ширина пластины, м; s – расстояние между пластинами, м.

Уравнение теплопередачи в рекуперативном теплообменном аппарате имеет вид

где Q – тепловая мощность теплообменника, Вт; k – средний коэффициент теплопередачи через разделяющую теплоносители стенку, Вт/(м2 ∙К); DT – средняя разность температур (средний температурный напор), °С; F – площадь поверхности теплообмена, м2 .

Тепловую мощность теплообменного аппарата рассчитывают по уравнению теплового баланса. При тепловом поверочном расчете площадь теплообмена известна, а при конструктивном расчете площадь поверхности теплообмена F находят из уравнения теплопередачи

Познавательные статьи:



Где возникла философия и почему?

Относительная высота сжатой зоны бетона

Сущность проекции Гаусса-Крюгера и использование ее в геодезии

Тарифы на перевозку пассажиров