Утилизация на топлина във вентилационни системи

ОВКСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 3, 2008

 

Регенератори с въртящ се барабан, капилярни вентилатори и регенератори с оросяем пълнеж

Непрекъснато растящите енергийни разходи изправиха промишлените производства пред крайната необходимост от внедряването на енергийно-ефективни технически и технологични решения. Търсенето на възможности за понижаване на енергоемкостта насочи усилията и в посока оптимизиране на енергийната консумация на вентилационните системи. Сред наложилите се подходи за повишаване на енергийната ефективност в областта на ОВК е оползотворяването на отпадната топлина от вентилационни и климатични инсталации.

На всеки топлотехник е известно, че по принцип за оползотворяване на отпадната топлина от вентилационните системи се използват различни видове топлообменници, сред които са регенеративните модели. При тях топлината се пренася между два въздушни потока с различно термодинамично състояние с помощта на акумулираща твърда маса. От наложилите се в практиката видове регенератори, регенераторите с въртящ се барабан, познати още като ротационни топлообменници, са сред най-широко използваните.

Отличават се с елементарна конструкция

Ротационните топлообменници не се отличават със сложна конструкция. В метален корпус е поставен въртящ се барабан, който е изграден от въздухопроницаем материал с акумулиращи свойства. Барабанът се върти с честота до 15 min-1. Дебелината му обикновено е около 0,2 - 0,3 m, а диаметърът му варира в границите от 0,4 до 5 m. Логично, по-големият диаметър на барабана осигурява по-голям дебит на преминаващия през него въздух. В зависимост от габаритите на топлообменника, барабанът би могъл да бъде монолитен - при по-малките диаметри, докато при по-големи размери барабана се сглобява от отделни сектори.

Корпусът, в който се монтира барабанът, обикновено се изпълнява от поцинкована ламарина, както и от ламарина с вътрешно покритие от полимерни материали или ламарина от легирана стомана. В зависимост от свойствата на преминаващия въздух се определя и необходимата корозионна защита на корпуса. Присъединяването му към въздухопроводите обикновено се реализира чрез щуцери.

Основната разлика между регенеративните и рекуперативните топлообменници е, че при първия вид се осъществява

едновременен пренос на скрита и на явна топлина

При ротационните топлообменници двата преминаващи през регенератора въздушни потока - изхвърлян и външен, са съседни, като всеки от тях протича през едната половина на барабана, а направлението им е противоположно един на друг. Между двата потока има разделителна зона, която ограничава преноса на въздух между тях. Обикновено до 3% от изхвърляния въздух постъпва в потока на външния въздух, но е възможно преносът да бъде ограничен до 0,5% при използването на регенератори със специални уплътнителни устройства.

Принципът на действие на ротационните топлообменници се състои в пренасяне на топлината от единия към другия въздушен поток чрез акумулиращия материал, който е с висок коефициент на топлообмен. На практика, средата извлича и съхранява топлината от високотемпературния поток и в резултат на въртенето на барабана я предава на студения въздушен поток. Видът на използваната акумулираща среда се определя от съдържащите се във въздуха примеси, температурите на оросяване на двата въздушни потока, както и от характеристиките им. Обикновено като акумулираща среда се използват

керамични, метални, минерални или органични материали

За да се увеличи преносът на влага или за да се постигне по-висока корозионна устойчивост, често използваният материал допълнително се обработва или напластява. Една от наложилите се конструкции е фолио или тел от алуминий със и без покритие от хигроскопични платове. Тази конструкция, обаче, е подходяща за работни температури до 80 оС и е с малка корозионна устойчивост. За температури до 200 оС предимно се използват керамични материали. Керамиката се характеризира с много добри свойства по отношение на температурната и химическата й устойчивост. От друга страна, съществува възможност керамиката допълнително да се обработи за повишаване на хигроскопичността й. При много високи температури от порядъка до 500 оС и агресивна среда се препоръчва приложението на легирана стомана във вид на акумулираща среда.

Акумулиращата маса - подредена или неподредена

Акумулиращата маса обикновено се структурира като подредена или неподредена. Характерни за подредената структура са множество геометрично подобни каналчета с хидравличен диаметър от порядъка на 1,3 до 2,5 mm. Формират се от редуващи се вълнообразен и прав слой на фолио с дебелина от 0,1 до 0,15 mm. Подобна структура се получава и при подреждането на тръбички с кръгло или шестоъгълно напречно сечение. При тази подредба се постига висока специфична топлообменна повърхнина. В случаите, при които формираните канали при подредената структура са успоредни на оста на ротора, преобладаващо е ламинарното течение, поради което се постига по-ниска чувствителност към замърсяване. Възможно е също и постигане на турболизиране на течението. Осъществява се 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.

Характерно за неподредената структура на акумулиращата маса е изработването й от тел, мрежи, решетки, текстилни материали или пълнеж от керамични тела, без пътищата на въздуха да са дефинирани предварително. Тази структура, обаче, има един основен недостатък, а именно възникването на напречни течения, създаващи условия за събиране на прах, както и възпрепятствано самопочистване при смяна на обдухващия поток.

Много често при технологичната вентилация не се допуска или е нежелателно да се пренася влага между двата потока. В тези случаи се препоръчва да се използват регенератори, чиято акумулираща маса не е хигроскопична.

Оразмерителни параметри и монтаж на регенераторите

За оразмеряването 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.

За монтаж на регенераторите се използват различни начини. 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, когато 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 влияния 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.

В случаите, при които в отработения въздух не се съдържат вредни вещества, е възможно да не се прави пълно разделение на отработения и външния въздух, т.е. съществуват условия инсталацията да работи на 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.

Опасност от замърсяване на акумулиращата маса

При използването на регенератори в приложения, в които въздухът е с нормална запрашеност, напълно достатъчно е естественото самопочистване на акумулиращата маса.

Съдържащите се във въздуха омазнени или полепващи вредни вещества биха могли да замърсят акумулиращата маса. Необходимостта от предварително филтриране на въздуха се определя в зависимост от вида на замърсителите, от възможностите за почистване, както и от цикъла на почистване. Необходимостта от постигането 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.

Мероприятия срещу обледеняване 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. Поради тази причина, обикновено в зависимост от стойността на хидравличните загуби, се предприемат мерки за периодично размразяване на барабана. Мероприятията са насочени към намаляване дебита на външния въздух, както и към намаляване честотата на въртене на барабана. Възможно е също така да се понижи влажността на въздуха в помещението с цел намаляване на влажността на изхвърляния въздух. Други мерки включват, например, предварително загряване на постъпващия външен въздух с 1 - 2 оС над температурата на замръзване. Би могло допълнително да се загрее и изхвърляният въздух.

Инфилтрация на двата потока

В заключение би могло да се каже, че ротационните топлообменници са подходящи за използване в почти всички видове системи за кондициониране и обработка на въздух. Отличават се с висока степен на ефективност при преноса на явна и скрита топлина. Позволяват лесно регулиране на интензивността на преносните процеси и при нормални експлоатационни условия се самопочистват.

Недостатъците им са свързани с неизбежната инфилтрация на двата въздушни потока в регенератора, големите им габаритни размери, възможността от замръзване при ниски температури и наличието на подвижни части, които създават предпоставки за допълнително обслужване.

Ротационните топлообменници са сред най-познатите и широко използвани регенератори. Освен тях макар и по-рядко приложение намират капилярните вентилатори и регенераторите с оросяем пълнеж.

Капилярните вентилатори

конструктивно представляват кожух, в който е поставен въртящ се неметален пръстен, изпълняващ едновременно ролята на работно колело и топлообменник. Структурата на пръстена е неподредена. Този вид регенератори се използват предимно за сгради с ограничени обеми и при работни температури в диапазона до 40 -50 оС в зависимост от използвания материал. При тях се постига добро уплътняване на границите между изхвърляния и външния въздух. Тъй като този вид регенератори имат и филтриращо действие, се препоръчва пръстенът да се подменя периодично или да се регенерира чрез подходяща обработка.

Характерно за капилярните вентилатори е, че при тях не съществува опасност от замръзване. Отличават се с безшумна работа, но и с невисок КПД, поради действието на капилярните сили и невъзможността от формирането на оптимални течения. Съществува възможност да се променя частта от рециркулационен въздух чрез конструктивно изменение на положението на разделителната стена.

Регенераторите с оросяем пълнеж

се изпълняват конструктивно с две отделни камери, в които е поставена твърда акумулираща маса. В камерите през специални дюзи се впръсква течност със специфични свойства, която влиза в контакт с въздуха. Двете камери са свързани посредством тръбопроводи. За осъществяване на циркулация в двата отворени кръга, към системата се включват и помпи. При този вид регенератори работната течност трябва да отговаря на определени изисквания. Необходимо е да запазва свойствата си в условията на непрекъснато променящите се стойности на температурата и влажността на въздушните потоци. Също така е необходимо да притежава способността да отнема и отдава влага на потоци с различна влажност, както и да притежава антисептични свойства, които да се запазват през експлоатационния период. Течността не трябва да отделя вредни и миризливи газове, както и да не се изпарява бързо. От съществено значение, естествено, е и финансовата стойност на използваната течност. Регенераторите с оросяем пълнеж могат да се използват не само за утилизация на топлина, но и на студ. Регулирането на мощността им е чрез изменение на дебита на циркулиращия флуид.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top