Утилизация на топлина в системи за кондициониране

Методи за икономическа оценка на утилизацията, видове съоръжения за утилизация

Сред най-дискутираните теми в последните години са възможностите за пестене на енергия чрез по- ефективно оползотворяване на т.нар. вторични енергийни източници, т.е. отработване на отпадъчната топлина за производствени и технологични цели, или с цел подобряване комфорта на работа. Причината все по-често темата енергийна ефективност да е на дневен ред се съдържа не само в непрекъснатото повишаване на цените на първичните енергийни ресурси в световен мащаб, а и на факта, че бързото развитие на икономиката води до все по-голямото им потребление, а за съжаление, те не са неизчерпаеми. Процесът напълно естествено насочва вниманието към алтернативните източници на енергия и към добре познатите методи за използване на вторичните енергийни ресурси, прилагането на които би могло да доведе и до допълнителни ползи, като понижаване на експлоатационните разходи и повишаване ефективността на производството.

Сред решенията, които от години се практикуват успешно в областта на индустрията, са системите за утилизация на отпадната топлина от системите за кондициониране на въздуха. Ползата от изграждането на системи за кондициониране на въздуха с цел осигуряване на благоприятни условия за извършване на определена дейност или протичане на технологичен процес отдавна е доказана. Поддържането на определени параметри на микроклимата като температура, влажност, чистота и др. осигурява не само комфорта на хората, пребиваващи в помещението, но в редица производства от кондиционирането на въздуха зависи качеството на произвежданата продукция. Наред с несъмнените ползи, системите за кондициониране на въздуха значително увеличават експлоатационните разходи като цяло. В голяма степен системите за кондициониране на въздуха определят енергийните разходи на една сграда.

Чрез утилизацията в системите за кондициониране се оползотворява

Енталпията на изхвърляния въздух

По този начин значително се подобряват едновременно енергийните и екологичните показатели на системата, тъй като се намалява температурата на изхвърляните в околната среда отпадни газове. На практика чрез системите за утилизация се дава възможност да се намалят необходимите за загряване и овлажняване на въздуха мощности през зимата, както и мощностите за охлаждане и изсушаване през лятото. Следователно, създават се предпоставки значително да се намалят годишните разходи за отопление и климатизация.

Утилизацията е добре познат метод за генериране на икономии, чрез който се постига нормално функциониране на системата за кондициониране. Доказано е, че използването на метода би могло да доведе до значителни икономически ползи. Преди да се вземе решение за внедряване на устройство за утилизация в системата, обаче, е необходимо да се вземат предвид няколко определящи за ефективността му фактора. Важно е да се направи предварителна оценка на ползите, реализирани чрез изграждане на система за утилизация, които зависят от постигането на

Добри икономически показатели

свързани с коректно направена оценка на степента на възможна утилизация. Определящи фактори при избора са, от една страна, параметрите на отпадната топлина - температура, количество и химичен състав, а от друга - изискванията към енергоконсумиращата система. Задължително условие за успешното оползотворяване на топлината са процесите на отдаване на топлина и на използването й да не намаляват надеждността на системата при експлоатация.

Естествено, всяка система за утилизация на топлината се изгражда с цел постигане на икономически ползи. Тъй като при изграждането на всяка отделна система за кондициониране на въздуха се вземат предвид конкретните изисквания към климатизираните помещения, то при избора на елементите за утилизация обикновено се подхожда индивидуално. В зависимост от конкретния случай се избира система, която да е съобразена с изискванията на въздухообработващата централа и инсталацията за кондициониране, да са отчетени размерите на помещенията, както и разположението им в пространството.

Методът за количество оползотворена топлина

Критерий за определяне на икономическата ефективност, до която би довело изграждането на една система за утилизация, е определянето на количеството оползотворена топлина от изхвърляния въздух. Това е трудна задача и обикновено получените резултати не са във висока степен точни, затова за определяне на оползотворената от системата топлина се използват предимно програми за симулиране на работата на инсталацията за определен период от време, най-често една година. В практиката са намерили приложение и чисто инженерни методи, чрез които се получават данни с достатъчно добра точност. Методите основно се базират на честотата на повторяемост на външната температура.

В зависимост от използваните елементи за утилизация намират приложение два израза за определяне на оползотворената през годината топлина. В случаите, когато в системите се оползотворява предимно явната топлина, се използва изразът

Qоп=0,73mвнcвзEtвнkt1k2(t’из - t’вн), kWh/год,

където mвн  е масовият дебит на външния въздух, kg/h;  с cвз е обозначен специфичният топлинен капацитет на въздуха, kJ/(kgK); Etвн е степента на ефективност на изчислителния режим; kt1  е корекционен фактор, функция на Etвн, на температурата на изхвърляния въздух t’из и на максимално допустимата стойност за загряване на подавания в помещението въздух max t”вн. Стойността на max t”вн зависи от предназначението на инсталацията и се приема с оглед недопускане претопляне на помещението. Корекционният фактор k2 се определя по формулата k2= Тп/8760, където Тп [h/год.] е продължителността на експлоатация на съоръжението за оползотворяване на топлина.

При използването на енталпийни регенератори, оползотворената топлина се пресмята, като се вземат предвид енталпиите. В този случай изразът има вида
Qоп=0,73mвнEhkh1k2(h’из - h’вн), където Eh e степента на ефективност по енталпия на изчислителния режим, а kh1 е корекционният фактор за пълен работен час.

За инсталации, при които подаваният в помещенията въздух се охлажда, е възможно да се реализира и икономия на студ, ако температурата на изхвърляния въздух е по-ниска от тази на външния. Счита се, че за климатичните условия на България тази икономия, отнесена към оползотворената отпадъчна топлина, е незначителна. Показателите могат да се подобрят посредством предвиждане на интензификация.

Метод за годишни направени разходи

За да се оцени колко икономически ефективна е проектираната система за утилизация, могат да се използват различни критерии, за изчисляването на които съответно се използват и различни по обем и съдържание изходни данни. Един от сравнително често използваните критерии за сравнение на системите за утилизация са годишните приведени разходи. Този критерий се приема като сравнително лесен и удобен за прилагане. Използването му дава възможност оценката да се направи по три отделни начина, чрез три различни показателя. При първия начин, годишните приведени разходи се съставят само за съоръженията за утилизация, при втория се съставят за цялата инсталация за кондициониране, а при третия за инсталацията за кондициониране и за студо- и топлозахранването. Обикновено се предпочита първият начин, който е значително по-лесен от другите два. Неговият недостатък е, че дава занижени стойности на ефективността. За да се приеме, че едно техническо решение за утилизация е ефективно, е необходимо да е изпълнено следното условие: (DKвла’ + DKeл)/DKтн < 1, където DKвл е разликата в капиталните вложения за въздухообработващата централа със и без съоръжения за утилизация; DKeл е разликата в разходите за електроенергия, а DKтн е разликата в разходите за топлина. С а’ е означен коефициентът на разходите. За определянето му се използва формулата а’ = а* + арем, където а* е коефициент, чрез който се отчита амортизацията на основните фондове. Коефициентът а* зависи от нормативния срок за амортизация nг. В зависимост от смените на работа, за определяне на nг се използват следните изрази - при едносменен режим на работа nг = 14 - а* = 0,18; при двусменен режим nг = 10 - а* = 0,14, а при трисменен режим nг = 8 - а* = 0,16. С арем се отчитат разходите за ремонтни работи.

За да се определи общата годишна икономия на средства, се използва изразът - DKоб = DKтн - (DKвла’ + ДKел), лв/год, а DKтн = QопСтн, лв/год, като начинът на изчисляване на Qоп зависи от вида на утилизацията. Стн е стойността на топлината, лв/kWh. Към допълнителните разходи за капитални вложения се включва инвестицията в подходящи за целта топлообменници, допълнително изградените специално за целите на утилизацията въздухопроводи, както и средствата за автоматичното регулиране. Разходите за действително консумираната електрическа мощност се определят с израза DKел = 1/650S(VDp)ТгСел + ТопSNпСeл, където V е дебитът на преминаващия през топлообменниците за утилизация поток въздух, m3/s, Sp - загубите на налягане на потока в системата за утилизация. С Тг е означен броят на работните часове през годината на системата за кондициониране в h/год. Със SNп е показана сумата от мощностите на циркулационните помпи в системите за утилизация в kW. Сeл е стойността на електрическата енергия, лв/kWh.

Характеристики на съоръженията за утилизация

Процесът на утилизация на топлина или студ се реализира чрез рециркулация, рекуперативни топлообменници, регенеративни топлообменници и термопомпи. Естествено, когато се използва рециркулация, трябва да се вземат предвид допустимите от хигиенните норми граници.

Определянето на топлотехническите качества на утилизационните съоръжения обикновено се базира на оценяване степента на ефективност при изменение на температурата, енталпията и влажността. За определяне на ефективността обикновено се използва отношението между стойностите на различни характеристики на външния и изхвърляния въздух. Например, за изчисляване степента на ефективност при изменение на температурата се използва изразът Еt = (t”вн - t’вн)/(t’из - t’вн). При определяне на енталпията изразът има вида Еh = (h”вн - h’вн)/(h’из - h’вн), а за влажността уравнението съответно е Ех = (х”вн - х’вн)/(х’из - х’вн). Във всички изрази с (‘) са означени съответно параметрите на входа на топлообменника, а със (") параметрите на изхода. Използват се също и изразите Еtи = (t’из - t”из)/(t’из - t’вн) и Ехи = (х’из - х”из)/(х’из - х’вн), с които се оценява степента на ефективност, за да се определи състоянието на преминалия през топлообменника изхвърлян въздух. При оценката на ефективността на съоръжението е добре да се има предвид дали става въпрос за пренос само на явна топлина или едновременно на явна и скрита топлина.

Например при рекуперативните пластинчати топлообменници тип “въздух-въздух” е характерен пренос само на явна топлина, докато при регенераторите се наблюдава пренос както на явна, така и на скрита топлина.

Видове съоръжения за утилизация

В зависимост от избрания метод за утилизация се използват различни видове топлообменници. Сред най-разпространените топлообменници, използвани за утилизация на топлина, са пластинчатите топлообменници. Причислявани към групата на рекуператорите, тези топлообменници могат да достигнат ефективност от 40 до 70% в зависимост от конструкцията си. Изпълняват се от отделни успоредно монтирани пластини, между които се формират процепи за преминаване на въздух. Основните им предимства са елементарното устройство и отсъствието на движещи се части, което определя лесната им поддръжка. Отдаването на топлина се реализира, без да има пряк контакт между двата потока. Основните недостатъци на пластинчатите топлообменници са свързани предимно с необходимостта от пресичане на смукателния и нагнетателния въздуховод и отсъствието на влагообмен, както и опасността от замръзване през зимата в случай на отделяне на кондензат при ниски външни температури. За работа в агресивни среди се препоръчва използването вместо на пластинчати, на тръбни топлообменници.

Към рекуперативните топлообменници се причисляват и топлинните тръби, както и системите с междинен топлоносител. При системите с топлинни тръби всеки топлообменен апарат е съставен от пакет от топлинни тръби, като всяка тръба представлява самостоятелна затворена система. С топлинните тръби се достига ефективност от 45 до 65%. Предимствата им са високата компактност, надеждната работа и малките разходи за поддръжка и експлоатация. Недостатъците им са свързани предимно с по-сложната технология за изработването им и необходимостта от срещане на потоците на изхвърляния и на външния въздух.

Системите с междинен топлоносител са подходящи за оползотворяване на топлина от технологични отпадни газове и са подходящи за всякакъв вид инсталации. Ефективността им е около 40-50%.

От своя страна, регенераторите са подходящи за всички системи за кондициониране и обработка на въздух. Основно предимство е високата им ефективност на пренос на явна и скрита топлина. Ефективността им би могла да достигне до 85%. Недостатъците им са преди всичко необходимостта от обединяване на двата потока в регенератора и опасността от замръзване. Сред най-използваните конструкции са регенераторите с въртящ се барабан, капилярните вентилатори и регенераторите с оросяем пълнеж.