Как устроен воздушный рекуператор камерного типа. Коэффициент рекуперации при теплообмене. Изменение качества теплообмена при различающихся расходах теплоносителей

Особой разновидностью принудительной системы вентиляции является приточная вентиляция с подогревом и рециркуляцией тепла, которая обеспечивает частичное нагревание входного воздушного потока за счет удаляемого из помещения теплого воздуха при помощи специального устройства – рекуператора. При этом основной подогрев наружного воздуха осуществляется обычным воздухонагревателем.

Рекуперация тепла в приточно-вытяжной вентиляции – явление не новое, но у нас пока малораспространенное. С технической точки зрения рекуперация является самым обычным процессом теплообмена. Само слово «рекуперация» имеет латинское происхождение и означает «возвращение затраченного». Вентиляционные рекуператоры тепла возвращают его часть назад в помещение посредством теплообмена между входящим и выходящим потоком. Обратный процесс происходит в жаркое время, когда исходящий холодный кондиционный воздух охлаждает встречный теплый нару поток. В таком случае это следует называть рекуперацией холода.

Для чего нужна рекуперация? Очевидно, что для экономии энергоресурсов в первую очередь. Рекуператор представляет собой устройство, в котором происходит теплообмен входящих и исходящих воздушных масс. При обычной вентиляции разница температур между входящим и выходящим воздухом в холодное и жаркое время года значительная. Если, к примеру, на улице -20°С, а в помещении +24°С то перепад составляет более 40°С. Эту разницу необходимо будет перекрыть за счет системы отопления. Летом разница меньше, но и она добавит нагрузку на кондиционер. Рекуператор позволяет свести эту разницу до минимума. Правильно подобранное оборудование обеспечивает при 0°С наружного воздуха и +20° С в помещении разницу между входящим и выходящим потоком в пределах 4°С, т.е. сократить ее в пять раз. Эффективность рекуперации падает при понижении значений наружной температуры, но, тем не менее, экономия остается весьма ощутимой. Более того, при значительной разнице внутренней и наружной температуры, рекуперация особенно полезна.

Многие современные строительные технологии предполагают воздухонепроницаемые и паронепроницаемые ограждающие конструкции. Для эффективного проветривания и удаления водяного пара из помещений с герметичными стенами и стеклопакетами необходима принудительная приточно-вытяжная вентиляция. Рекуперация тепла в данном случае является залогом комфортного воздухообмена с минимальными теплопотерями.

В США и Канаде, еще задолго до появления рекуперационного оборудования, для того, чтобы зимой в помещение попадал не слишком холодный воздух, а летом слишком теплый, придумали использовать грунтовый теплообменник, который впоследствии получил название «канадский колодец». Его идея

заключается в том, чтобы наружный воздух, прежде чем попасть в помещения, прошел по заглубленным в грунт приточным воздуховодам, приобретая температурное значение близкое к +10°С – постоянная температура грунта на глубине от 2 м и более. Канадский колодец, по сути, не является рекуператором, но снижает энергозатраты на отопление и кондиционирование. Вентиляция помещений в традиционной схеме с канадским колодцем естественная, но может быть и принудительной.

Рекуператоры как элемент вентиляционного оборудования активно используются в европейских странах. Причина их популярности в тех экономических выгодах, которые дает возращение тепла. Существует два вида рекуператоров: пластинчатые и роторные. Роторные являются более эффективными, но также и дорогостоящими. Они способны возвращать 70-90% тепла. Пластинчатые дешевле, но экономят меньше, в пределах 50-80%.

Один из факторов, влияющих на эффективность рекуперации, – это тип помещения. Если температура в нем поддерживается выше 23°С, то рекуператор однозначно окупает себя. И чем дороже стоимость энергоносителей, тем короче срок его окупаемости. Срок эксплуатации рекуператоров довольно большой, а при своевременном обслуживании и замене недорогих расходных деталей, он теоретически неограничен . Рекуператоры могут поставляться в виде моноблока или нескольких отдельных модулей.

Рекуператор представляет собой теплообменник особого типа, к которому подсоединяются входы и выходы приточного и вытяжного каналов системы вентиляции. Удаляемый из помещения загрязненный воздух, проходя через рекуператор, отдает свое тепло поступающему наружному воздуху, непосредственно не смешиваясь с ним. Такой дополнительный обогрев приточной вентиляции позволяет значительно снижать энергозатраты на подогрев входного воздуха, особенно в зимний период.

Пластинчатые рекуператоры

Пластинчатые рекуператоры устроены таким образом, что воздушные потоки в них не смешиваются, а контактируют между собой через стенки теплообменной кассеты. Эта кассета состоит из множества пластин, отделяющих холодные воздушные потоки от теплых. Чаще всего пластины делают из алюминиевой фольги, которая обладает отличными теплопроводными свойствами. Пластины могут быть также и из специального пластика. Эти дороже алюминиевых, но повышают КПД оборудования.

Пластинчатые теплообменники имеют существенный недостаток: в результате разницы температур на холодных поверхностях выпадает конденсат, который превращается в наледь. Обледеневший рекуператор перестает эффективно работать. Для его размораживания входящий поток автоматически переводится в обход теплообменника и подогревается калорифером. Выходящий теплый воздух тем временем растапливает наледь на пластинах. В таком режиме, конечно же, не происходит экономия энергии, а период размораживания может занимать от 5 до 25 минут в час. Для подогрева входящего воздуха в фазу размораживания используются калориферы мощностью 1-5 кВт.

В некоторых пластинчатых рекуператорах используется предварительный подогрев входящего воздуха до температуры, исключающей образование наледи. Это снижает КПД рекуператора примерно на 20%.

Еще одно решение проблемы обледенения – кассеты из гигроскопической целлюлозы. Этот материал поглощает влагу из вытяжного воздушного потока и передает ее входящему, тем самым, возвращая назад еще и влагу. Такие рекуператоры оправданы только в зданиях, где нет проблемы переувлажнения воздуха. Безусловное преимущество гигроцеллюлозных рекуператоров в том, что они не нуждаются в электроподогреве воздуха, а значит, они и более экономичные. У рекуператоров с двойным пластинчатым теплообменником КПД достигает 90%. Наледь в них не образуется, благодаря передаче тепла через промежуточную зону.

Известные производители пластинчатых рекуператоров:

SCHRAG (Германия),
MITSUBISHI (Япония),
ELECTROLUX,
SYSTEМAIR (Швеция),
SHUFT (Дания),
REMAK, 2W (Чехия),
MIDEA (Китай).

Роторные рекуператоры

В отличие от пластинчатых, в них происходит частичное смешивание входящего и исходящего воздуха. Их главный элемент – вмонтированный в корпус ротор, представляющий собой цилиндр, заполненный слоями профилированного металла (алюминий, сталь). Передача тепла происходит во время вращения ротора, лопасти которых нагреваются исходящим потоком и отдают тепло входящему, перемещаясь по кругу. Эффективность теплообмена зависит от скорости вращения ротора, и она регулируется.

В роторном рекуператоре технически невозможно полностью исключить смешивание входящего и исходящего воздуха. Кроме того, данный тип оборудования из-за наличия движущихся частей нуждается в более частом и более серьезном обслуживании. Тем не менее роторные модели пользуются немалой популярностью, благодаря высоким показателям возврата тепла (до 90%).

Производители роторных рекуператоров:

DAIКIN (Япония),
KLINGENBURG (Германия),
SHUFT (Дания),
SYSTEMAIR (Швеция),
REMAK (Чехия),
GENERAL CLIMATE (Россия-Великобритания).

С экономической точки зрения рекуператоры тепла рано или поздно обязательно себя оправдают, но многое зависит от того, насколько эффективно будет организованна сама рекуперация. Оборудование является высоконадежным, и потребитель может рассчитывать на долгий период эксплуатации. Многие компании выпускают широкий ассортимент приточных рекуператоров, разработанных специально для квартир. Так приточная установка с рекуперацией тепла для 2-3-комнатной квартиры может обойтись порядка 17 000 рублей. Производительность системы вентиляции в квартирах находится в пределах 100-800 м³/ч. Для загородных коттеджей этот показатель порядка 1000-2000 м³/ч.

Рекуператоры с промежуточным теплоносителем

Данные теплообменник состоит из двух частей. Одна часть находится в вытяжном канале, другая — в приточном. Между ними циркулирует вода или водно-гликолиевый раствор. Удаляемый воздух нагревает теплоноситель, а тот, в свою очередь, передает тепло приточному воздуху. В данном рекуператоре не существует риска передачи загрязнений из удаляемого воздуха в приточный. Изменение скорости циркуляции теплоносителя может регулировать передачу тепла. У этих рекуператоров нет подвижных частей, но они обладают низкой эффективностью (45-60%). В основном применяются для промышленных объектов.

Камерные рекуператоры

Заслонка разделяет камеру на две части заслонкой. Одна часть нагревается удаляемым воздухом, затем заслонка изменяет направление воздушного потока. Благодаря этому, приточный воздух нагревается от теплых стенок камеры. Загрязнение и запахи могут передаваться из удаляемого воздуха в приточный. Заслонка — единственная подвижная часть этого теплообменника. Его эффективность достаточно высока (70-80%).

Тепловые трубки

Данный рекуператор состоит из герметичной системы трубок. Они заполнены фреоном или другим легко испаряющимся компонентом. Эти вещества испаряются от нагревания удаляемым воздухом. Пары конденсируются в другой части трубки и вновь переходят в жидкое состояние. В данном теплообменнике исключена передача загрязнений, нет подвижных частей, эффективность достаточно низкая (50-70%).

Многие считают, что РЕКУПЕРАТОРЫ — это дорогостоящие, громоздкие, сложно встраиваемые в технологические процессы устройства с непродолжительным сроком службы, а их ремонт останавливает производство на длительный период, делая применение рекуператора малоэффективным. Перечисленные недостатки позволяют скептикам мириться с колоссальными потерями тепловой энергии и экологическими проблемами. В итоге, рекуператоры стоят далеко не на всех предприятиях, где это целесообразно.

Решением может стать установка Оребренных Пластинчатых Теплообменников (рекуператоров типа ОПТ™)

Технические особенности рекуператоров типа ОПТ

за счет возврата тепловой энергии сократить затраты на её покупку до 40%;
снизить расход топлива за счет увеличения температуры горения отходящими газами (схема отопления котельных, печей и др.);
улучшить качественные характеристики горения топлива за счет использования ранее подогретого воздуха, снизить механический недожог топлива в цикле печного нагрева в котельных и других объектах;
охлаждать дымовые газы для соблюдения экологических требований и санитарных норм;
использовать тепло отходящих газов для отопления помещений, подогревая уличный воздух;
для технологических процессов, требующих низких температур, охлаждать отходящие дымовые газы;
уменьшить температуры дымовых газов, тем самым сократив расходы на газоочистку;
заменить требующие сложного ремонта рекуператоры более надежными;
успешно соблюдать требования Закона № 261 ФЗ «Об энергосбережении»;

Преимущества Оребренных Пластинчатых Теплообменников перед традиционными пластинчатыми, роторными и кожухо-трубными моделями

возможностью использования в агрессивных и абразивных средах, в средах с сильной загазованностью и запылением;
увеличинными пределами рабочих температур — до 1250 С, при том что срок службы аналоговых рекуператоров сокращается уже при 800 С;
оптимизированными габаритами и массой – в 4-8 раз легче аналоговых рекуператоров;
значительно меньшей стоимостью;
сокращенными сроками окупаемости;
низкими показателями сопротивления при прохождении воздушных потоков по трактам;
усовершенствованной конструкцией препятствующей скоплению шлаков;
увеличенным сроком эксплуатации;
увеличенным рабочим периодом перед профилактическими мероприятиями;
улучшенными массогабаритными характеристиками, облегчающими монтаж и транспортировку рекуператоров

Почему данный тип рекуператора можно считать грамотным выбором?

увеличение площади теплопередающей поверхности на единицу объема и массы;
высокую надежность используемого рекуператора;
значительное снижение возможности выхода рекуператора из строя за счет абразивного износа и термических деформаций;
упрощение процессов ремонта и обслуживания рекуператоров;
возможность модульного проектирования и сборки рекуператоров
Наиболее частые случаи применения рекуператора.

Теплообменники газ-газ используются во многих сферах, которые условно можно разделить на следующие категории:

Процессы, имеющие низкий уровень температуры теплоносителя:

Интервал от 20 до 60°C

при малых объемах газов, к примеру, как утилизатор дымовых газов при работе газовых котлов в небольшом помещении, где теплообменник используется в системе вентиляции.
при больших объемах газов, к примеру, в системе вентиляции цехов, концертных залов, крытых стадионов и других больших помещениях.

Интервал от 60 до 200°C

при малых объемах газов, к примеру, для вывода дымового продукта сгорания топлива, который выделяется в виде газа при множестве технологичных процессов.
при больших объемах газов, к примеру, использование теплообменника газового возможно в системе вентиляции сушильных и покрасочных цехов.

Процессы, имеющие средний уровень температуры теплоносителя.

Интервал от 200 до 600°C, примером может стать утилизация тепла дымовых газов при работе котельных, а также возможна экономия угля путем перенаправления избыточного тепла на прогрев подаваемого в топку воздуха.

Процессы, имеющие высокий уровень температуры теплоносителя.

Интервал от 600 до 800°C, для примера при производстве пластмасс может пригодиться теплообменник для охлаждения газа или для утилизации тепла, носителем которого становятся дымовые газы.
Интервал до 1000°C и выше, которые наблюдаются при производстве стекла, в металлургии, нефте- и газопереработке и других сферах производства, где теплообменник станет основой решения такой проблемы, как экономия угля, или выступит в качестве утилизатора образующихся дымовых газов.

Стоит отметить, что использование теплообменника типа газ-газ при температуре отходящих газов 45-50°C требует отдельного расчета эффективности.

Выводы

Установки с рекуперацией тепла позволяют снизить расходы энергии на отопление помещений в два раза. Их установка часто окупается в первый же отопительный сезон. Установка рекуператоров при строительстве и реконструкции позволяет частично снизить нагрузку на систему отопления всего здания и отказаться от значительной части традиционного отопительного оборудования. Расходы на установку рекуператоров — это инвестиции не только в снижение затрат на отопление, но и в обеспечение оптимальных климатических условий в помещениях и, в конечном счете, в здоровье людей.

Приборы, способные экономить тепловую и прочие виды энергии, становятся все более важными, так как постоянно растут цены на энергоресурсы. Также мы давно не сомневаемся в необходимости дышать свежим чистым воздухом в помещениях. Отрицательную роль в строительстве сыграла установка популярных пластиковых окон и герметичных дверей. Они нарушают воздухообмен и приводят к нежелательным последствиям. На фоне всех этих факторов, на помощь к нам приходят системы вентиляции с рекуперацией тепла. Они не только экономят наши деньги, но и охраняют наше здоровье.

Переименуйте тему. На ликбез не тянет вовсе. Тянет только на пиар.
Теперь поправлю немного.
Плюсы роторного рекуператора:
1. Высокий КПД передачи тепла
Да, согласен. Самый высокий КПД среди бытовых вентсистем.
2. Осушает воздух в помещении, так как не гигроскопичен.
Никто специально не применяет ротора для осушения. Почему это зачислено в плюсы?
Минусы:
1. Большие размеры.
Не согласен.
2. Ротор-сложный движащуйся механизм, который подвержен износу, соответственно и вырастут эксплуатационные расходы.
Маленький пошаговый двигатель, который вращает ротор, стоит 3 копейки и достаточно редко выходит из строя Вы называете "сложным движущимся механизмом", который увеличивает эксплуатационные расходы?
3. Воздушные потоки контактируют, за счет чего подмес составляет до 20%, по некоторым сведениям до 30%.
Кто сказал 30? Где Вы взяли её? Ссылку предъявите нам пожалуйста. В 10 процентов перетока я еще могу поверить, но 30 это бред. Некоторые пластинчатые рекуператоры далеко не герметичны в этом плане и небольшой переток там в порядке вещей.
4. Нужен отвод конденсата
Уважаемый ликбезёр, прочтите хотя бы одну инструкцию по эксплуатации роторной установки для квартир и коттеджей. Там написано черным по белому: при стандартной влажности воздуха отвод конденсата не требуется.
5. Крепление ПВУ в одном положении.
Почему это минус?
6. Осушает воздух в помещении, так как не гигроскопичен.
Если Вы знаете рынок вентсистем, то уже обратили внимание на разработки роторов из гигроскопичного материала. Вопрос насколько это нужно и насколько вся эта гигроскопия нужна в том числе и в рекуператорах пластинчатого типа - вопрос довольно спорный и зачастую не в пользу гигроскопичности.
Спасибо за ответ.
На ликбес никто и не претендовал. Тема для обсуждения и возможной помощи для пользователя, так же и для меня, как пользователя.
"Так как я лицо немного заинтересованное, буду сравнивать с тем с чем работаю я." - я написал в самом начале. Сравниваю с тем с чем работаю.
У роторного размеры больше чем у пластинчатого. Так как сравниваю с тем с чем работаю.
То, что у него самые высокие показатели КПД, на мой взгляд не правда, у тройного пластинчатого они больше и морозостойкость Выше. Опять же сравниваю с тем с чем работаю.
Это движущийся механизм и подвержен износу, то что он стоит три копейки. Это хорошо.
Крепление в одном положении это минус. Не всегда есть возможность поставить именно так как показано на схеме.
Гигроскопия нужна для уменьшения рабочей температуры, при которой рекуператор не будет обмерзать.

В этой статье мы рассмотрим такую характеристику теплообмена, как коэффициент рекуперации. Он показывает степень использования одним носителем тепла другого при теплообмене. Коэффициент рекуперации может называться коэффициентом регенерации тепла, эффективности теплообмена или термической эффективности.

В первой части статьи мы попробуем найти универсальные соотношения для теплообмена. Они могут быть получены из самых общих физических принципов и не требуют проведения каких-либо измерений. Во второй части представим зависимости реальных коэффициентов рекуперации от основных характеристик теплообмена для реальных воздушных завес или отдельно для теплообменных блоков «вода - воздух», которые уже были рассмотрены в статьях «Мощность тепловой завесы при произвольных расходах теплоносителя и воздуха. Интерпретация опытных данных» и «Мощность тепловой завесы при произвольных расходах теплоносителя и воздуха. Инварианты процесса теплопередачи», опубликованных журналом «Мир климата» в номерах 80 и 83 соответственно. Будет показано, как коэффициенты зависят от характеристик теплообменника, а также то, какое влияние на них оказывают расходы теплоносителей. Будут объяснены некоторые парадоксы теплообмена, в частности парадокс высокого значения коэффициента рекуперации при большой разнице в расходах теплоносителей. Для упрощения само понятие рекуперации и смысл ее количественного определения (коэффициент) рассмотрим на примере теплообменников «воздух - воздух». Это позволит определить подход к смыслу явления, который затем можно расширить и на любой обмен, в том числе «вода - воздух». Отметим, что в теплообменных блоках «воздух - воздух» могут быть организованы как перекрестные, принципиально близкие теплообменникам «вода - воздух», так и встречные токи обменивающихся теплом сред. В случае встречных токов, которые определяют высокие значения коэффициентов рекуперации, практические закономерности теплообмена могут несколько отличаться от разобранных ранее . Важно, что универсальные закономерности теплообмена справедливы вообще для любых типов теплообменного блока. В рассуждениях статьи будем считать, что энергия при теплопередаче сохраняется. Это равносильно утверждению, что мощность излучения и конвекция тепла от корпуса теплового оборудования, обусловленные значением температуры корпуса, малы по сравнению с мощностью полезной теплопередачи. Будем также считать, что теплоемкость носителей не зависит от их температур.

КОГДА ВАЖЕН ВЫСОКИЙ КОЭФФИЦИЕНТ РЕКУПЕРАЦИИ?

Можно считать, что способность к передаче определенной величины тепловой мощности - одна из основных характеристик любого теплового оборудования. Чем выше эта способность, тем оборудование дороже. Коэффициент рекуперации в теории может изменяться от 0 до 100%, а на практике часто от 25 до 95%. Интуитивно можно предположить, что высокий коэффициент рекуперации, так же как и способность к передаче большой мощности, подразумевает высокие потребительские качества оборудования. Однако в действительности такой прямой связи не наблюдается, все зависит от условий использования теплообмена. Когда же высокая степень рекуперации тепла важна, а когда второстепенна? Если теплоноситель, от которого производится отбор тепла или холода, используется лишь однократно, то есть не закольцован, и сразу после использования безвозвратно сбрасывается во внешнюю среду, то для эффективного использования этого тепла желательно использовать аппарат с высоким коэффициентом рекуперации. В качестве примеров можно привести использование тепла или холода части геотермальных установок, открытых водоемов, источников технологических избытков тепла, где невозможно замкнуть контур теплоносителя. Высокая рекуперация важна, когда в сети теплоснабжения расчет осуществляется только по расходу воды и значению температуры прямой воды. Для теплообменников «воздух - воздух» это использование тепла вытяжного воздуха, который сразу после теплообмена уходит во внешнюю среду. Другой предельный случай реализуется, когда теплоноситель оплачивается строго по отобранной от него энергии. Это можно назвать идеальным вариантом сети теплоснабжения. Тогда можно заявить, что такой параметр, как коэффициент рекуперации, не имеет вообще никакого значения. Хотя при ограничениях по обратной температуре носителя коэффициент рекуперации также обретает смысл. Отметим, что при некоторых условиях желателен более низкий коэффициент рекуперации оборудования.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА РЕКУПЕРАЦИИ

Определение коэффициента рекуперации приводится во многих справочных пособиях (например, , ). Если теплом обмениваются две среды 1 и 2 (рис. 1),

которые имеют теплоемкости с 1 и с 2 (в Дж/кгxК) и массовые расходы g 1 и g 2 (в кг/с) соответственно, то коэффициент рекуперации теплообмена можно представить в виде двух эквивалентных соотношений:

= (с 1 g 1)(Т 1 - Т 1 0) / (сg) min (T 2 0 - T 1 0) = (с 2 g 2)(Т 2 0 - Т 2) / (сg) min (T 2 0 - T 1 0). (1)

В этом выражении Т 1 и Т 2 - конечные температуры этих двух сред, Т 1 0 и Т 2 0 - начальные, а (cg) min - минимальное из двух значений так называемого теплового эквивалента этих сред (Вт/К) при расходах g 1 и g 2 , (cg) min = min{(с 1 g 1), (с 2 g 2)}. Для расчета коэффициента можно использовать любое из выражений, поскольку их числители, каждый из которых выражает полную мощность теплообмена (2), равны.

W = (с 1 g 1)(Т 1 - Т 1 0) = (с 2 g 2)(Т 2 0 - Т 2). (2)

Второе равенство в (2) можно рассматривать как выражение закона сохранения энергии при теплообмене, который для тепловых процессов называется первым началом термодинамики. Можно заметить, что в любом из двух эквивалентных определений в (1) присутствуют только три из четырех температур обмена. Как было указано, значение приобретает значимость, когда один из теплоносителей сбрасывается после использования. Отсюда следует, что выбор из двух выражений в (1) можно всегда сделать так, чтобы именно конечная температура этого носителя была исключена из выражения для расчета. Приведем примеры.

а) Рекуперация тепла вытяжного воздуха

Известным примером теплообменника с высоким необходимым значением может служить рекуператор тепла вытяжного воздуха для подогрева приточного воздуха (рис. 2).

Если обозначить температуру вытяжного воздуха Т комн, уличного Т ул, а приточного после подогрева в рекуператоре Т пр, то, учитывая одинаковое значение теплоемкостей с двух воздушных потоков (они практически одинаковы, если пренебречь малыми зависимостями от влажности и температуры воздуха), можно получить хорошо известное выражение для:

G пр (Т пр - Т ул) / g min (T комн - T ул). (3)

В этой формуле gmin обозначает наименьший g min = min{g пр, g выт } из двух секундных расходов gпр приточного и gвыт вытяжного воздуха. Когда поток приточного воздуха не превышает поток вытяжного, формула (3) упрощается и приводится к виду = (Т пр - Т ул) / (T комн - T ул). Температура, которая не учитывается в формуле (3), - это температура Т’ вытяжного воздуха после прохождения теплообменника.

б) Рекуперация в воздушной завесе или произвольном нагревателе «вода - воздух»

Поскольку при всех возможных вариантах единственная температура, значение которой может быть несущественно, это температура обратной воды Т х, ее следует исключить из выражения для коэффициента рекуперации. Если обозначить температуру воздуха окружения воздушной завесы Т 0 , подогретого завесой воздуха - Т, а температуру поступающей в теплообменник горячей воды Т г, (рис. 3), для получим:

Сg(Т – Т 0) / (сg) min (T г – T 0). (4)

В этой формуле с - теплоемкость воздуха, g - секундный массовый воздушный расход.

Обозначение (сg) min - это наименьшее значение из воздушного сg и водяного с W G тепловых эквивалентов, с W - теплоемкость воды, G - секундный массовый расход воды: (сg) min = min{(сg), (с W G)}. Если расход воздуха относительно невелик и воздушный эквивалент не превышает водяной, формула также упрощается: = (Т – Т 0) / (T г – T 0).

ФИЗИЧЕСКИЙ СМЫСЛ КОЭФФИЦИЕНТА РЕКУПЕРАЦИИ

Можно предположить, что значение коэффициента рекуперации теплового аппарата это количественное выражение термодинамической эффективности передачи мощности. Известно, что для теплопередачи эта эффективность ограничена вторым началом термодинамики, которое также известно как закон неубывания энтропии.

Однако можно показать, что - это действительно термодинамическая эффективность в смысле неубывания энтропии только в случае равенства тепловых эквивалентов двух обменивающихся теплом сред. В общем случае неравенства эквивалентов максимально возможное теоретическое значение = 1 обусловлено постулатом Клаузиуса, который сформулирован так: «Тепло не может передаваться от более холодного к более теплому телу без других изменений в то же время, связанных с этой передачей». В этом определении под другими изменениями подразумевается работа, которая совершается над системой, например, при обратном цикле Карно, на основе которого работают кондиционеры. Учитывая, что насосы и вентиляторы при теплообмене с такими носителями, как вода, воздух и другими, производят над ними ничтожно малую работу по сравнению с энергиями обмена теплом, можно считать, что при таком теплообмене постулат Клаузиуса выполняется с высокой степенью точности.

Хотя принято считать, что и постулат Клаузиуса и принцип неубывания энтропии - это всего лишь разные по форме выражения формулировки второго начала термодинамики для замкнутых систем, это не так. Чтобы опровергнуть их эквивалентность покажем, что они могут приводить в общем случае к различным ограничениям при теплообмене. Рассмотрим рекуператор «воздух - воздух» в случае равных тепловых эквивалентов двух обменивающихся сред, что при равенстве теплоемкостей подразумевает равенство массовых расходов двух воздушных потоков, и = (Т пр - Т ул) / (T комн - T ул). Пусть для определенности комнатная температура T комн = 20 о С, а уличная T ул = 0 о С. Если полностью отвлечься от скрытой теплоты воздуха, которая обусловлена его влажностью, то, как следует из (3), температура приточного воздуха Т пр = 16 о С соответствует коэффициенту рекуперации = 0,8, а при Т пр = 20 о С достигнет значения 1. (Температуры выбрасываемого на улицу в этих случаях воздуха Т’ будут соответственно 4 о С и 0 о С). Покажем, что именно = 1 для этого случая есть максимум. Ведь даже если приточный воздух имел температуру Т пр = 24 о С, а выбрасываемый на улицу Т’ = –4 о С, то первое начало термодинамики (закон сохранения энергии) не было бы нарушено. Уличному воздуху ежесекундно будет передаваться Е = сg·24 о С Джоулей энергии и столько же забираться у комнатного, а при этом будет равно 1,2, или 120%. Однако такая передача тепла невозможна именно вследствие того, что энтропия системы при этом уменьшится, что запрещено вторым началом термодинамики.

Действительно, по определению энтропии S, ее изменение связанно с изменением полной энергии газа Q соотношением dS = dQ/T (температура измеряется в Кельвинах), а учитывая, что при постоянном давлении газа dQ = mcdT, m - масса газа, с (или как ее часто обозначают с р) - теплоемкость при постоянном давлении, dS = mc · dT/T. Таким образом, S = mc · ln(T 2 / Т 1), где Т 1 и Т 2 начальная и конечная температуры газа. В обозначениях формулы (3) для секундного изменения энтропии приточного воздуха получим Sпр = сg ln(Tпр / Tул), если уличный воздух нагревается, оно положительно. Для изменения энтропии вытяжного воздуха Sвыт = с g · ln(T / Tкомн). Изменение энтропии всей системы за 1 секунду:

S = S пр + S выт = сg(ln(T пр / T ул) + ln(T’ / T комн)). (5)

Для всех случаев будем считать Т ул = 273К, Т комн = 293К. Для = 0,8 из (3), Т пр = 289К и из (2) Т’ = 277К, что позволит рассчитать общее изменение энтропии S =0,8 = 8 10 –4 cg. При = 1 аналогично получим Т пр = 293К и Т’ = 273К, и энтропия, как и следует ожидать, сохраняется S =1 = 0. Гипотетическому случаю = 1,2 соответствуют Т пр = 297К и Т’ = 269К, и расчет демонстрирует уменьшение энтропии: S =1,2 = –1,2 10 –4 cg. Этот расчет можно считать обоснованием невозможности этого процесса c = 1,2 в частности, и вообще для любого > 1 также из-за S < 0.

Итак, при расходах, которые обеспечивают равные тепловые эквиваленты двух сред (для одинаковых сред это соответствует равным расходам), коэффициент рекуперации определяет эффективность обмена в том смысле, что = 1 определяет предельный случай сохранения энтропии. Постулат Клаузиуса и принцип неубывания энтропии для такого случая эквивалентны.

Теперь рассмотрим для теплообмена «воздух - воздух» неравные воздушные расходы. Пусть, например, массовый расход приточного воздуха 2g, а вытяжного - g. Для изменения энтропии при таких расходах получим:

S = S пр + S выт = 2с · g ln(T пр / T ул) + с · g ln(T’ / T комн). (6)

Для = 1 при тех же начальных температурах Т ул = 273К и Т комн = 293К, используя (3), получим Т пр = 283К, так как g пр / g min = 2. Затем из закона сохранения энергии (2) получим значение Т’ = 273К. Если подставить эти значения температур в (6), то для полного изменения энтропии получим S = 0,00125сg > 0. То есть даже при самом благоприятном случае с = 1 процесс становится термодинамически неоптимален, он происходит с увеличением энтропии и, как следствие этого, в отличие от подслучая с равными расходами, всегда необратим.

Чтобы оценить масштаб этого увеличения, найдем коэффициент рекуперации для уже рассмотренного выше обмена равных расходов, чтобы в результате этого обмена была произведена такая же величина энтропии, как и для расходов, различающихся в 2 раза при = 1. Другими словами, оценим термодинамическую неоптимальность обмена разных расходов при идеальных условиях. Прежде всего само изменение энтропии мало о чем говорит, намного информативнее рассмотреть отношение S / Е изменения энтропии к переданной теплообменом энергии. Учитывая, что в вышеприведенном примере, когда энтропия возрастает на S = 0,00125сg, переданная энергия Е = сg пр (Т пр - Т ул) = 2с g 10К. Таким образом отношение S / Е = 6,25 10 –5 К -1 . Нетрудно убедиться, что к такому же «качеству» обмена при равных потоках приводит коэффициент рекуперации = 0,75026… Действительно, при тех же начальных температурах Т ул = 273К и Т комн = 293К и равных потоках этому коэффициенту соответствуют температуры Т пр = 288К и Т’ = 278К. Используя (5), получим изменение энтропии S = 0,000937сg и учитывая, что E = сg(T пр - T ул) = сg 15К, получим S / Е = 6,25 10 –5 К -1 . Итак, по термодинамическому качеству теплообмен при = 1 и при вдвое различающихся потоках соответствует теплообмену при = 0,75026… при одинаковых потоках.

Можно задаться еще одним вопросом: какими должны быть гипотетические температуры обмена с разными расходами, чтобы этот воображаемый процесс произошел без увеличения энтропии?

Для = 1,32 при тех же начальных температурах Т ул = 273К и Т комн = 293К, используя (3), получим Т пр = 286,2К и из закона сохранения энергии (2) Т’ = 266,6К. Если подставить эти значения в (6), то для полного изменения энтропии получим сg(2ln(286,2 / 273) + ln(266,6 / 293)) 0. Закон сохранения энергии и закон неубывания энтропии для этих значений температур выполняются, и все же обмен невозможен по причине того, что Т’ = 266,6К не принадлежит начальному интервалу температур. Это прямо нарушало бы постулат Клаузиуса, передавая энергию от более холодной среды к нагретой. Следовательно, этот процесс невозможен, как невозможны и другие не только с сохранением энтропии, но даже и с ее увеличением, когда конечные температуры любой из сред выходят за пределы начального интервала температур (Т ул, Т комн).

При расходах, которые обеспечивают неравные тепловые эквиваленты сред обмена, процесс теплопередачи принципиально необратим и проходит с увеличением энтропии системы даже в случае наиболее эффективного теплообмена. Эти рассуждения справедливы и для двух сред разных теплоемкостей, важно лишь то, совпадают или нет тепловые эквиваленты этих сред.

ПАРАДОКС МИНИМАЛЬНОГО КАЧЕСТВА ТЕПЛООБМЕНА С КОЭФФИЦИЕНТОМ РЕКУПЕРАЦИИ 1/2

В этом пункте рассмотрим три случая теплообмена с коэффициентами рекуперации 0, 1/2 и 1 соответственно. Пусть через теплообменники пропускаются равные потоки обменивающихся теплом сред равных теплоемкостей с некоторыми различными начальными температурами Т 1 0 и Т 2 0 . При коэффициенте рекуперации 1 две среды просто обмениваются значениями температур и конечные температуры зеркально повторяют начальные Т 1 = Т 2 0 и Т 2 = Т 1 0 . Очевидно, что энтропия при этом не изменяется S = 0, потому что на выходе те же среды тех же температур, как и на входе. При коэффициенте рекуперации 1/2 конечные температуры обеих сред будут равны среднему арифметическому значению начальных температур: Т 1 = Т 2 = 1/2 (Т 1 0 + Т 2 0). Произойдет необратимый процесс выравнивания температуры, а это равносильно росту энтропии S > 0. При коэффициенте рекуперации 0 теплообмен отсутствует. То есть Т 1 = Т 1 0 и Т 2 = Т 2 0 , и энтропия конечного состояния не изменится, что аналогично конечному состоянию системы с коэффициентом рекуперации, равным 1. Как состояние с = 1 тождественно состоянию с = 0, так же по аналогии можно показать, что состояние = 0,9 тождественно состоянию с = 0,1 и т. д. При этом состоянию с = 0,5 будет соответствовать максимальное увеличение энтропии из всех возможных коэффициентов. По-видимому, = 0,5 соответствует теплообмену минимального качества.

Конечно же, это не так. Объяснение парадокса следует начать с того, что теплообмен есть обмен энергией. Если энтропия в результате теплообмена увеличилась на некоторую величину, то качество теплообмена будет различаться в зависимости от того, была ли при этом передана теплота 1 Дж или 10 Дж. Правильнее рассматривать не абсолютное изменение энтропии S (фактически ее выработку в теплообменнике), а отношение изменения энтропии к переданной при этом энергии E. Очевидно, что для различных наборов температур можно подсчитать эти величины для = 0,5. Сложнее подсчитать это отношение для = 0, ведь это неопределенность вида 0/0. Однако несложно взять передел отношения в 0, который в практическом плане можно получить, взяв это отношение при очень малых значениях, например, 0,0001. В таблицах 1 и 2 представим эти значения для различных начальных условий по температуре.

При любых значениях и при бытовых интервалах разброса температур Т ул и Т комн (будем считать, что Т комн / Т ул x

S / E (1 / Т ул - 1 / Т комн)(1 -). (7)

Действительно, если обозначить Т комн = Т ул (1 + х), 0 < x

На графике 1 покажем эту зависимость для температур Т ул = 300К Т комн = 380К.

Это кривая не является прямой линией, определяемой приближением (7), хотя достаточно близка к ней, так что на графике они неразличимы. Формула (7) показывает, что качество теплообмена минимально именно при = 0. Сделаем еще одну оценку масштаба S / E. В примере, приведенном в , рассматривается соединение двух тепловых резервуаров с температурами Т 1 и Т 2 (Т 1 < T 2) теплопроводящим стержнем. Показано, что в стержне на единицу переданной энергии вырабатывается энтропия 1/Т 1 –1/Т 2 . Это соответствует именно минимальному качеству теплообмена при рекуперации с = 0. Интересное наблюдение заключается в том, что по физическому смыслу приведенный пример со стержнем интуитивно подобен теплообмену с = 1/2 , поскольку в обоих случаях происходит выравнивание температуры к среднему значению. Однако формулы демонстрируют, что он эквивалентен именно случаю теплообмена с = 0, то есть теплообмену с наиболее низким качеством из всех возможных. Без вывода укажем, что это же минимальное качество теплообмена S / E = 1 / Т 1 0 –1 / Т 2 0 в точности реализуется для -> 0 и при произвольном соотношении расходов теплоносителей.

ИЗМЕНЕНИЕ КАЧЕСТВА ТЕПЛООБМЕНА ПРИ РАЗЛИЧАЮЩИХСЯ РАСХОДАХ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ

Будем считать, что расходы теплоносителей различаются в n раз, а теплообмен происходит с максимально возможным качеством (= 1). Какому качеству теплообмена с равными расходами это будет соответствовать? Для ответа на этот вопрос посмотрим, как ведет себя величина S / E при = 1 для различных соотношений расходов. Для разницы расходов n = 2 это соответствие уже было подсчитано в 3 пункте: = 1 n=2 соответствует = 0,75026… при одинаковых потоках. В таблице 3 для набора температур 300К и 350К представим относительное изменение энтропии при равных расходах теплоносителей одинаковой теплоемкости для различных значений.

В таблице 4 представим также относительное изменение энтропии для различных соотношений расходов n только при максимально возможной эффективности теплопередачи (= 1) и соответствующие эффективности, приводящие к такому же качеству для равных расходов.

Представим полученную зависимость (n) на графике 2.

При бесконечной разнице расходов стремится к конечному пределу 0,46745… Можно показать, что это универсальная зависимость. Она справедлива при любых начальных температурах для любых носителей, если вместо соотношения расходов подразумевать соотношение тепловых эквивалентов. Ее также можно приблизить гиперболой, которая обозначена на графике 3 линией синего цвета:

‘(n) 0,4675+ 0,5325/n. (8)

Линией красного цвета обозначена точная зависимость (n):

Если неравные расходы реализуются при обмене с произвольным n>1 , то термодинамическая эффективность в смысле производства относительной энтропии уменьшается. Ее оценку сверху приведем без вывода:

Это соотношение стремится к точному равенству при n>1, близких к 0 или 1, а при промежуточных значениях не превышает абсолютной погрешности в несколько процентов.

Окончание статьи будет представлено в одном из следующих номеров журнала «МИР КЛИМАТА». На примерах реальных теплообменных блоков найдем значения коэффициентов рекуперации и покажем, насколько они определяются характеристиками блока, а насколько расходами теплоносителей.

ЛИТЕРАТУРА

Пухов А. воздуха. Интерпретация опытных данных. // Мир климата. 2013. № 80. С. 110.
Пухов А. В. Мощность тепловой завесы при произвольных расходах теплоносителя и воздуха. Инварианты процесса теплопередачи. // Мир климата. 2014. № 83. С. 202.
Кейс В. М., Лондон А. Л. Компактные теплообменники. . М.: Энергия, 1967. С. 23.
Уонг Х. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров. . М.: Атомиздат, 1979. С. 138.
Кадомцев Б. Б. Динамика и информация // Успехи физических наук. Т. 164. 1994. № 5, май. С. 453.

Пухов Алексей Вячеславович,
технический директор
компании «Тропик Лайн»

Всем известно, что существует огромное разнообразие систем для вентиляции помещения. Простейшими из них являются системы открытого типа (естественные), например, с использованием окна или форточки.

Но такой способ вентилирования абсолютно не экономичный. Кроме того, для эффективной вентиляции нужно иметь постоянно открытое окно или наличие сквозняка. Поэтому такой тип вентиляции будет крайне неэффективен. Для вентиляции жилых помещений всё чаще используется приточная вентиляция с рекуперацией тепла.

Простыми словами рекуперация тождественна слову «сохранение». Рекуперация тепла – процесс сохранения тепловой энергии. Это происходит за счёт того, что поток воздуха, который выходит из помещения, охлаждает или подогревает воздух входящий внутрь. Схематически процесс рекуперации можно представить в таком виде:

Вентиляция с рекуперацией тепла происходит по такому принципу, который должен разделить потоки особенностями конструкции рекуператора во избежание смешивания. Однако, например, роторные теплообменники не дают возможности полностью изолировать приточный воздух от выходящего.

Процент КПД рекуператора может колебаться в районе от 30 до 90 %. Для особых установок данный показатель может составить 96% сохранения энергии.

Что такое воздушный рекуператор

По своей конструкции рекуператор воздух-воздух – установка для утилизации тепла выходной воздушной массы, которая позволяет максимально рационально использовать тепло или холод.

Почему стоит выбрать рекуперационную вентиляцию

Вентиляция, которая основывается на рекуперации тепла, имеет очень высокие показатели КПД. Данный показатель рассчитывается по соотношению тепла, которое производит рекуператор в действительности, к максимальному количеству тепла, которое только возможно сохранить.

Какие бывают разновидности рекуператоров воздуха

На сегодняшний день вентиляция с рекуперацией тепла может осуществляться пятью видами рекуператоров:

Пластинчатый, который имеет металлическую конструкцию и обладает высоким уровнем влагопроницаемости;
Роторный;
Камерного типа;
Рекуператор с промежуточным носителем тепла;
Тепловые трубы.

Вентиляция дома с рекуперацией тепла с использованием первого типа рекуператоров, позволяет приходящим потокам воздуха со всех сторон обтекать множество металлических пластин с повышенной теплопроводностью. КПД рекуператоров данного типа составляет от 50 до 75 %.

Особенности устройства пластинчатых рекуператоров

Воздушные массы не контактируют;
Все детали закреплены;
Нет подвижных элементов конструкции;
Не образуется конденсат;
Невозможно применение в качестве осушителя помещения.

Особенности роторных рекуператоров

Роторный тип рекуператоров имеет особенности конструкции, с помощью которых передача тепла происходит между приточным и выходным каналом ротора.

Роторные рекуператоры покрываются фольгой.

КПД до 85%;
Экономит электроэнергию;
Применим для осушения помещения;
Смешивание до 3% воздуха разных потоков, в связи с чем могут передаваться запахи;
Сложная механическая конструкция.

Приточно-вытяжная вентиляция с рекуперацией тепла, в основе которой используются камерные рекуператоры, используется крайне редко, так как имеет множество недостатков:

Показатель КПД до 80%;
Смешивания встречных потоков, в связи с чем повышается передача запахов;
Подвижные детали конструкции.

Рекуператоры на основе промежуточного теплоносителя имеет в конструкции водно-гликолевый раствор. Иногда в роли такого теплоносителя может выступить обычная вода

Особенности рекуператоров с промежуточным носителем тепла

Крайне низкий показатель КПД до 55%;
Полностью исключается смешивания потоков воздуха;
Сфера применения – большие производства.

Вентиляция с рекуперацией тепла на основе тепловых труб, зачастую, состоит из разветвлённой системы трубок, в которых находится фреон. Жидкость испаряется при нагревании. В противоположной части рекуператора фреон остывает, в результате чего часто образуется конденсат.

Особенности рекуператоров с тепловыми трубами

Нет подвижных частей;
Полностью исключена возможность загрязнения воздуха запахами;
Средний показатель КПД – от 50 до 70%.

На сегодняшний день выпускаются компактные установки для рекуперации воздушных масс. Одно из главных преимуществ мобильных рекуператоров – отсутствие необходимости в воздуховодах.

Основные цели рекуперации тепла

Вентиляцию, основанную на рекуперации тепла, применяют для поддерживания необходимого уровня влаги и температуры внутри помещения.
Для здоровья кожи. Как это ни удивительно, но системы с рекуперацией тепла имеют положительное воздействие на кожу человека, которая постоянно будет увлажнена и риск пересыхания сводится к минимуму.
Чтобы избежать пересыхания мебели и скрипящего пола.
Для повышения вероятности возникновения статического электричества. Данные критерий знают не все, но при повышенном статическом напряжении плесень и грибки гораздо медленнее развиваются.

Правильно подобранная приточно-вытяжная вентиляция с рекуперацией тепла для вашего дома позволит вам значительно сэкономить на отоплении в зимний период и кондиционере в летний. Кроме того, такой вид вентиляции благоприятно воздействует на человеческий организм, от чего вы будет меньше болеть, а риск возникновения грибка в доме будет сведен к минимуму.