Утилизация на топлина във вентилационни системи
Начало > ОВК > Статии > Сп. 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.
Вижте още от ОВК
Новият брой 5/2024
