Регенератори с въртящ се барабан

ОВКСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 6, 2010

Висока ефективност и възможност за регулиране влажността на въздуха

 Регенеративните топлообменници с въртящ се барабан, наричани още ротационни топлообменници, са сред най-често използваните в системите за отопление, вентилация и климатизация. Работата им е свързана с пренасяне на топлинна енергия между два въздушни потока с различно термодинамично състояние. Използват се основно като средство за намаляване на енергийните разходи и повишаване на ефективността на системите. С тях се постига сериозно оползотворяване на отпадната топлина или студ, с което се обяснява и все по-широкото приложение на този вид топлообменници. Високият им коефициент на полезно действие се дължи на факта, че при тях се оползотворява едновременно скритата (латентната) и явната топлина. Използването на ротационни топлообменници позволява и лесно регулиране на интензивността на преносните процеси.

Пренос на топлина и влага
В ротационните регенеративни топлообменници преносът на топлина или студ между двата въздушни потока се осъществява посредством акумулиращ материал, който е с висок коефициент на топлообмен. На практика акумулиращата среда извлича и съхранява топлината от високотемпературния поток и при завъртането си я предава на по-студения поток. Влияние върху ефективността на топлообменния процес оказват скоростта на въртене на ротора, неговата дебелина, както и структурата и плътността на акумулиращата маса.
Предаването на латентната топлина или влагата, в зависимост от вида на акумулиращата маса, се осъществява благодарение на протичането на процес на кондензация или на сорбционни процеси. В зависимост от начина на предаване на влагата, ротационните топлообменници условно могат да бъдат разделени в три категории – кондензационни, енталпийни и сорбционни.

Кондензационни регенератори
Във функцията на акумулираща маса при този вид ротационни топлообменници се използват гладки метални повърхности, обикновено от алуминий. Характерна особеност за кондензационните регенератори е, че пренос на скрита топлина между двата потока се наблюдава само когато от страната на топлия въздух протича кондензация на влага. Част от тази влага се предава на по-студения въздушен поток.
Приема се, че при значителна температурна разлика между двата въздушни потока, до 60% от скритата топлина може да бъде оползотворена. Кондензационните регенератори се приемат за подходящо решение в системи, работещи предимно в зимен режим, т.е. в режим на загряване и не се препоръчват за работа в режим на охлаждане.

Хигроскопични регенератори
Преносът на влага при тези ротационни регенератори се осъществява основно чрез сорбционни процеси, които са възможни благодарение на специално обработената повърхност на използваната акумулираща маса. Не се изключва и възможността за пренос на влага чрез кондензационни процеси. Често получените резултати и при двата процеса са съизмерими. Върху преноса на влага, посредством сорбционни процеси, влияние оказва и начинът на обработване на акумулиращия материал. Ефективността на тези регенератори при работа в зимен режим е относително ниска, поради което те не се препоръчват за подобни системи. Ефективността им при работа в летен режим също не е особено висока.

Сорбционни регенератори
Преносът на влага между въздушните потоци при сорбционните регенератори се осъществява основно чрез сорбционни процеси, т.е. оползотворяването на латентната топлина не зависи от процеса на кондензация. Този вид регенератори се приемат като особено подходящи в системи за охлаждане, в които е необходимо въздухът да бъде охладен и изсушен.
В практиката по-често срещано е класифицирането на регенеративните топлообменници в две основни групи - енталпийни и термични регенератори. Към енталпийните регенератори се причисляват топлообменниците, при които използваните материали като абсорбционна среда са с ясно изразени хигроскопични свойства, вследствие на повърхностната обработка на метала. Предимство на енталпийните регенератори е, че поради непрекъснато сменящите се процеси на абсорбция и десорбция в тях, се ограничават възможностите за обледеняване на колелото при ниски външни температури. Към термичните регенератори се причисляват топлообменниците, при които в основата са топлопреносните процеси, а преносът на влага е по-скоро съпътстващо явление, което протича само при определени експлоатационни режими. Препоръчително е използването на тези регенератори в технологични вентилационни системи, във вентилационни и климатични системи, в които е нежелателно или недопустимо пренасянето на влага.

Елементи на топлообменника
Конструктивно ротационните регенеративни топлообменници представляват метален корпус, в който е поставен въртящ се барабан, изграден от въздухопроницаем материал с акумулиращи свойства. В ролята на акумулираща среда се използват предимно керамични, метални, минерални или органични материали. Обикновено конкретният вид се определя в зависимост от съдържащите се във въздуха примеси, температурите на оросяване на двата въздушни потока, както и от характеристиките им. Например при работни температури до 80 °С като акумулираща среда се използва предимно фолио или тел от алуминий със и без покритие от хигроскопични пластове. Недостатък на тази конструкция е нейната ниска корозионна устойчивост. За температури до 200 °С се използват предимно керамични материали. Керамиката се характеризира с много добра температурна и химическа устойчивост. От друга страна съществува възможност керамиката допълнително да се обработи с цел повишаване на хигроскопичността й. При много високи температури от порядъка до 500 °С и агресивна среда се препоръчва използването на легирана стомана във вид на акумулираща среда.

Подредена и неподредена структура на акумулиращата маса
Характерно за акумулиращата маса, е че тя може да бъде с подредена или неподредена структура. При подредената структура акумулиращата маса е оформена като множество геометрично подобни каналчета с хидравличен диаметър от порядъка на 1,3 до 2,5 mm. Те се формират от редуващи се вълнообразен и прав слой на фолио с дебелина от 0,1 до 0,15 mm или чрез подреждане на тръбички с кръгло или шестоъгълно напречно сечение. В случаите, при които формираните канали са успоредни на оста на ротора, преобладаващо е ламинарното течение, което води до постигането на по-ниска чувствителност към замърсяване. Възможно е също и турбулизиране на течението чрез кръстосване на осите на ротора и каналчетата. Следва да се има предвид, обаче, че турбулизиране на течението се получава предимно в началните участъци на акумулиращата маса. Предимство на подредената структура е постигането на висока специфична топлообменна повърхност.
Неподредената структура на акумулиращата маса се изработва от тел, мрежи, решетки, текстилни материали или пълнеж от керамични тела, без пътищата на въздуха да са дефинирани предварително. Основният й  недостатък е възникването на напречни течения, създаващи условия за събиране на прах, както и възпрепятстване на самопочистването при смяна на обдухващия поток.

Корпусът, в който се монтира барабанът
обикновено се изпълнява от поцинкована ламарина, от ламарина с вътрешно покритие от полимерни материали или от ламарина от легирана стомана. Необходимата корозионна защита на корпуса се определя в зависимост от свойствата на преминаващия въздух.
Според размера на ротационния топлообменник, барабанът би могъл да бъде монолитен или сглобен от отделни секции. Монолитните барабани се използват в ротационните топлообменници с по-малки диаметри, докато при по-големите размери основно се използват секционни барабани. Обикновено диаметърът на барабана е в границите от 0,4 до 5 m. Дебелината му е около 0,2 - 0,3 m, а честотата му на въртене в повечето случаи не превишава 15 min-1. За задвижване на барабана се използват предимно самостоятелни моторредуктори, мощността на които се определя в зависимост от диаметъра на барабана.

Замърсяване на акумулиращата маса
При използване на ротационните регенератори, в приложения в които въздухът съдържа замърсяващи частици като прах, омазнени или полепващи вредни вещества, акумулиращата маса може да бъде замърсена. В подобни приложения се препоръчва предварително филтриране на въздуха, съобразено с вида на замърсителите, възможностите за почистване, както и според цикъла на почистване. Необходимостта от постигане на висока степен на ефективност при филтрирането изисква по-сложна схема на обработка на въздуха, големи капиталовложения и съществени експлоатационни разходи. Филтрите, от своя страна, увеличават загубите на налягане.
При използване на регенератори в приложения, в които въздухът е с нормална запрашеност, напълно достатъчно е естественото самопочистване на акумулиращата среда. В топлообменниците с неподредена акумулираща маса обикновено се осъществява улавяне на микроскопични частици прах с размери до 5 микрометра. При замърсяване почистването на топлообменника е сравнително лесно – материалът се изважда, почиства се, след което пак се връща в системата. Добре е да се има предвид, че при регенераторите с подредена акумулираща маса, филтрация на въздуха не се осъществява, а в случаи на запушване на клетките почистването е трудно.

Проблемът инфилтрация
В ротационните топлообменници обикновено се наблюдава пренос на въздух от единия поток към другия, в резултат на въртенето на акумулиращата среда. В зависимост от скоростта на двата въздушни потока и от скоростта на въртене на барабана, преносът на въздух варира между 2 и 4%. Преминаването, дори и на малка част от изхвърляния въздух в потока, постъпващ в системата, създава потенциална опасност от замърсяването му с вредни и дори токсични вещества. За да се ограничи тази възможност, обикновено се предвижда разделителна зона между двата потока. Използването на регенератори със специални уплътнителни устройства дава възможност преносът да бъде ограничен до 0,5%. Предлагат се също и регенератори с обособени специални сектори (purge sector), с които, според специалистите, инфилтрацията може да се намали до стойности от порядъка на 0,04%. Благодарение на това, подобни регенератори биха могли да се използват при изграждане на ОВК системите на сгради с високи изисквания към чистотата на въздуха в помещенията, например болнични заведения.

Предотвратяване на обледеняването на барабана
В някои случаи, при ниски външни температури и преохлаждане на изхвърляния въздух, е възможно да започне обледеняване на барабана, което води и до увеличаване на хидравличните загуби. Опасността съществува предимно при регенеративните топлообменници, в които преносът на влага между въздушните потоци е следствие на процес на кондензация. Трансферът на влага чрез сорбционни процеси обикновено изключва наличието на конденз, което определя и по-ниската опасност от замръзване.
При вероятна опасност от замръзване, в зависимост от стойността на хидравличните загуби, се предприемат мерки за периодичното им размразяване. Мерките включват намаляване на дебита на външния въздух, както и намаляване честотата на въртене на барабана. Може да се понижи влажността на въздуха в помещението с цел понижаване на влажността на изхвърляния въздух. Постъпващият външен въздух може предварително да се загрее с 1 – 2 °С над температурата на замръзване, също така може допълнително да се загрее и изхвърляният въздух.

Рециркулация и байпас
В случаите, при които в отработения въздух не се съдържат вредни вещества, е възможно да не се направи пълно разделение на отработения и външния въздух, т.е. съществуват условия инсталацията да работи с рециркулация.
За приложения, в които инсталацията поддържа режим на рециркулация, се допуска известна разлика в наляганията и не е необходима реверсивна зона на вентилатора. В този случай, при изчисляването на вентилаторите, е необходимо да се вземе предвид преминалото количество въздух от единия в другия въздушен поток. Когато се предвижда възможност за рециркулация на въздуха, може да се предвиди и байпас, паралелно на ротора. При наличието на байпас, когато външният въздух и въздухът в помещенията са с близки термодинамични характеристики, регенеративният топлообменник може да бъде спрян, а въздухът да преминава през байпаса.

Избор и монтаж на рагeнараторите
За оразмеряване на регенераторите се използват зависимости, описващи топло- и масопреносните процеси във функция на конструктивните и експлоатационните им параметри. Целта е да се определят ефективността на преносните процеси и големината на хидравличните загуби при предварително избрани геометрични размери на барабана - диаметър, дебелина, коефициент на запълване, характерен размер на пълнежа; вид на акумулиращия материал и скорост на топлоносителя. Обикновено скоростта на преминаващия през акумулиращия слой въздух не надвишава 6 m/s.
Обикновено ротационните топлообменници се монтират във въздухопроводната система така, че през него да минават два въздухопровода. Топлообменниците се изпълняват както за хоризонтален, така и за вертикален монтаж. В зависимост от конкретните условия могат да се комбинират с въздухообработваща централа или да се монтират самостоятелно към въздухопроводите. В случаите, при които регенераторите се монтират самостоятелно, се препоръчва във въздуховодите да се предвидят контролни люкове.
При монтажа е добре да се има предвид фактът, че аеродинамичните загуби в инсталацията и начинът на разполагане на вентилаторите спрямо регенераторите създават определено съотношение между статичните налягания на входа и на изхода на регенератора. Това съотношение оказва пряко влияние върху посоката и обема на инфилтрирания въздух. Когато статичното налягане на външния въздух е по-високо от това на изхвърляния въздух, количеството въздух, преминало от потока отработен въздух в потока външен въздух, е минимално.

Поддръжка на системата
За да се осигури поддържане на високо качество на въздуха в помещенията, се изисква периодична проверка на ключови компоненти на регенератора. Дългият експлоатационен живот и високата ефективност на системата са силно зависими от навременното откриване и предотвратяване на евентуални повреди. За тази цел е добре да се осигури възможност на самата система да алармира при възникване на проблем.
Неефективната работата на топлообменника може да бъде следствие от проблем в нагнетателния вентилатор, който да не доставя достатъчно въздух. При замърсяване на филтрите сериозно могат да се нарушат необходимите вентилационни условия. Намаляването на топлинната ефективност на системата често е резултат от наличието на утечки вследствие на загуби на налягане и т. н.
За да се предотврати корозията и други възможни повреди на системата, се препоръчва редовно почистване на топлообменника.

Ефективност на топлообменника
Два са компонентите, които трябва да се вземат предвид при определяне ефективността на регенеративните топлообменници – явната и скритата топлина. Общата ефективност на регенераторите обикновено варира между 70 и 80%, което означава, че с тези топлообменници се оползотворява около три четвърти от наличната топлина и влага. В сравнение с други системи, чиято ефективност може да достигне тази на ротационния топлообменник, е добре да се има предвид, че по отношение на латентната топлина тяхната ефективност е 0%, което като цяло намалява ефективността им.

Предимства и недостатъци на регенераторите
Регенеративните топлообменници са компактни устройства, с които се постига висока ефективност на пренасяне на топлината. При тях вероятността от обледеняване е сравнително малка. Този вид оборудване, поради своята компактност, заема по-малко пространство, което води до сравнително малки размери на цялата система. В допълнение, тези устройства подпомагат намаляването на енергийните разходи. Съществува възможност за изсушаване или овлажняване на въздуха. Контролът на влагата в регенеративния топлообменник позволява влажността в сградата да се поддържа по-ниска от нивата, които предизвикват развитието на микроби, плесени и мухъл.
Като основен недостатък на регенертативния ротационен топлообменник може да се посочи необходимостта от немалка начална инвестиция, въпреки че възвращаемостта й е сравнително бърза. Важно е да се отбележи, също така, че за постигане на добра производителност на системата е необходимо двата потока да преминават в близост един до друг и въздушните струи да бъдат относително чисти, поради което се налага те предварително да бъдат филтрирани. Регенеративният топлообменник изисква периодична поддръжка и проверка. Освен почистването и смяната на филтрите, е необходимо периодично да се почиства и акумулиращият материал.
Ротационните топлообменници все още се приемат като сравнително нова технология за оползотворяване на отпадната топлина. Очакванията на специалистите са те да намират все по-голямо приложение, дори и при изграждането на мащабни обекти като летища, например.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top