Zamarzanie rekuperacyjnych wymienników ciepła

Poniżej przedstawiono przykładowe wyliczenie oszczędności uzyskiwanych dzięki zastosowaniu wymiennika do odzysku ciepła w systemie wentylacji mechanicznej (za [1]).

Założenia

strumień powietrza nawiewanego V = 250 m³/h,

sezon grzewczy zaczyna się we wrześniu i obejmuje 5 dni tego miesiąca, okres od października do kwietnia oraz 5 dni w maju.

Opierając się na normie PN-B-02025 [7], obliczyć można ciepło potrzebne do ogrzania powietrza wentylacyjnego – otrzymano Q = 7828 kWh na cały sezon grzewczy. W tab. 1 podano tę ilość energii w przeliczeniu na jej nośniki, sprawność wytwarzania i koszty.

Do kosztów tych należy dodać koszty energii elektrycznej, którą zużyje centrala wentylacyjna do napędu wentylatorów. Dla strumienia powietrza V = 250 m³/h wynosi to średnio ok. 895 kWh, tj. 358 zł [1].

Istotne jest, że część tej energii zostanie dodatkowo przekazana w formie ciepła do powietrza wentylacyjnego, czyli rzeczywisty koszt napędu wentylatorów centrali będzie niższy. Koszty ogrzewania powietrza wentylacyjnego zależą od rodzaju paliwa, którym ogrzewany jest budynek.

Zastosowanie w omawianym przykładzie wymiennika do odzysku ciepła w systemie wentylacji pozwoli na oszczędność od 1476 do nawet 2966 zł rocznie. Można zatem stwierdzić, że zastosowanie tego typu wymienników ma uzasadnienie nie tylko w systemach wentylacji dla obiektów wielkokubaturowych, ale nawet w przypadku budownictwa jednorodzinnego.

Uwagi ogólne

Obecnie nie tylko względy ekonomiczne oraz zalecenia projektantów wymuszają stosowanie układów do odzysku ciepła w systemach wentylacji i klimatyzacji – wymagają tego także przepisy.

Do najczęściej stosowanych w Polsce rozwiązań należą wymienniki rekuperacyjne. W praktyce centrala (rekuperator) służy do ogrzewania (w okresie zimowym) lub ochładzania (latem) świeżego powietrza nawiewanego do budynku poprzez powietrze z niego usuwane.

Wśród rekuperatorów najbardziej popularne są płytowe wymienniki przeponowe, głównie ze względu na prostą budowę i pewność działania (rys. 1). Urządzenia takie nie mają elementów ruchomych i do pracy nie wymagają dodatkowej energii spoza układu, poza niewielkim wzrostem zapotrzebowania na energię do napędu wentylatorów, wynikającym ze zwiększenia oporów przepływu powietrza przez centralę (zjawisko wzrostu oporów przepływu powietrza występuje przy zastosowaniu każdego wymiennika do odzysku ciepła).

Do najbardziej rozpowszechnionych rozwiązań wymienników rekuperacyjnych należą też wymienniki krzyżowe (rys. 2a i rys. 2c) i przeciwprądowe (rys. 2b i rys. 2d). Z powodu trudności konstrukcyjnych wymiennik przeciwprądowy zazwyczaj przyjmuje postać wydłużonej jednostki krzyżowej (rys. 2d), zatem w rekuperatorze tym w rzeczywistości występuje przepływ mieszany. Rzadziej spotykanym rozwiązaniem jest np. zastosowanie podwójnego wymiennika krzyżowego w celu zwiększenia sprawności odzysku ciepła (rys. 2e).

Wymienniki rekuperacyjne poddawane są w ciągu roku wpływom niekorzystnych, zmiennych czynników atmosferycznych. W okresie zimowym może wystąpić zjawisko kondensacji oraz powstawania szronu w kanałach powietrza wywiewanego. Praca w takich warunkach zwiększa ryzyko zniszczenia wymiennika. Zapewnienie bezpiecznych warunków pracy przy ujemnych temperaturach powietrza zewnętrznego wiąże się często z koniecznością obniżenia sprawności urządzenia.

Wybór systemu odzysku ciepła powinien być zawsze poprzedzony szczegółową analizą techniczno-ekonomiczną. Należy pamiętać, że oprócz wymiennika o określonej konstrukcji i technologii przekazywania energii wymagane jest odpowiednie prowadzenie przewodów wentylacyjnych oraz system regulacyjno-sterujący.

Każde zastosowanie układu odzysku ciepła powoduje wzrost kosztów inwestycyjnych, dlatego podjęcie decyzji o wyborze rozwiązania nie jest proste. Wymagania stawiane na ogół przez inwestora dotyczą ceny zakupu, w drugiej kolejności zaś kosztów eksploatacji i konserwacji danego układu oraz pewności i skuteczności działania. Wady i zalety różnych form odzysku ciepła przedstawia tab. 2 [2].

Istotną cechą, która opisuje wymienniki ciepła, jest ich sprawność. W katalogach producentów najczęściej podawana jest sprawność temperaturowa wyznaczana z poniższego wzoru:

gdzie:

ε – sprawność temperaturowa wymiennika do odzysku ciepła, %;

t_n – temperatura powietrza zewnętrznego za wymiennikiem, °C;

t_w – temperatura powietrza wywiewanego, °C;

t_z – temperatura powietrza zewnętrznego przed wymiennikiem, °C.

Możliwe jest obliczenie sprawności także na podstawie entalpii właściwej po­wietrza:

gdzie:

i_n – entalpia właściwa powietrza zewnętrznego za wymiennikiem, kJ/kg;

i_w – entalpia właściwa powietrza wywiewanego, kJ/kg;

i_z – entalpia właściwa powietrza zewnętrznego przed wymiennikiem, kJ/kg.

Sprawność odzysku wilgoci z powietrza wywiewanego można obliczyć na podstawie wzoru:

gdzie:

x_n – zawartość wilgoci w powietrzu zewnętrznym za wymiennikiem, kJ/kg;

x_w – zawartość wilgoci w powietrzu wywiewanym, kJ/kg;

x_z – zawartość wilgoci w powietrzu zewnętrznym przed wymiennikiem, kJ/kg.

Ze względu na powszechny na rynku trend stałego doskonalenia wymienników ciepła nowoczesne urządzenia wyposażane są zazwyczaj w elementy ożebrowane (rys. 3). Rozwiązania takie pozwalają na uzyskanie odpowiednio wyższej trwałości konstrukcji wymiennika, a także skuteczności wymiany ciepła ze względu na zwiększenie powierzchni kontaktu.

Zmiana rodzaju ożebrowania wpływa zarówno na powierzchnię wymiany ciepła, jak i na liczbę Nusselta (dla poszczególnych warunków granicznych wg [3]), zatem może znacząco zwiększyć lub obniżyć efektywność danego wymiennika.

Analiza wymienników do odzysku ciepła metodą ε-NTU

Skuteczną metodą porównania wymienników może być ε-NTU [3, 4]. W metodzie tej efektywność wymiennika (ε) opisywana jest jako funkcja trzech zmiennych: schematu przepływu czynników, stosunku pojemności cieplnych (C*) czynników oraz liczby NTU (Number of heat Transfer Units). Jest to bezwymiarowy współczynnik podobieństwa, wynikający z przekształceń równań wymiany ciepła [3]. Definiowany jest jako stosunek całkowitej przenikalności cieplnej danego ośrodka do pojemności cieplnej strumienia wymieniającego ciepło:

gdzie:

α– współczynnik wnikania ciepła, W/m²;

F – powierzchnia wymiany ciepła, m²;

G – strumień masowy czynnika, kg/s;

cp – ciepło właściwe czynnika, J/(kg K);

C – pojemność cieplna czynnika: C= G·cp­, W/K.

Liczba NTU jest bardzo pomocnym narzędziem, gdyż zestawia wszystkie najbardziej istotne z punktu widzenia wymiany ciepła parametry wymiennika, na które ma wpływ jego konstruktor, tj. strukturę (współczynnik wnikania ciepła), powierzchnię wymiany ciepła oraz wielkość (zalecany przepływ nominalny).

Dodatkowo na efektywność pracy wymiennika wpływa stosunek pojemności cieplnej wymieniających ciepło czynników (C1/C2 = C*): jeśli ich strumienie masowe nie są równe, bardziej intensywna zmiana temperatury będzie widoczna po stronie płynu, którego pojemność cieplna jest mniejsza. Z tego powodu w metodzie ε-NTU efektywność wymiennika ciepła odnosi się do czynnika o mniejszej pojemności cieplnej [3]. W praktycznych zagadnieniach wentylacyjnych zazwyczaj „istotnego” strumienia (tj. tego, który chcemy ogrzać bądź ochłodzić) jest więcej niż powietrza wywiewanego (np. z powodu częściowego usuwania powietrza poprzez niezależne układy w kuchniach, toaletach czy pomieszczeniach technicznych).

Na rys. 4 przedstawiono zależność sprawności wymienników ciepła wykorzystujących podstawowe schematy przepływu od liczby NTU dla różnego stosunku pojemności cieplnej.

Wnioski wynikające z analizy wymienników ciepła metodą ε-NTU

Na obecnym stadium rozwoju wymienników do odzysku ciepła właściwie jedynym parametrem konstrukcyjnym, na który może wpłynąć konstruktor w procesie tworzenia rekuperatora, jest powierzchnia wymiany ciepła. Współczynniki wnikania ciepła przy zadanej wartości przepływu masowego dla znanego typu kanału (zazwyczaj prostokątny lub trójkątny) są stałe, z pominięciem krótkiego odcinka początkowego, na którym przepływ się ustala [3, 4].

Należy nadmienić, że w typowych rekuperatorach wentylacyjnych, ze względu na małe rozmiary kanału, występuje laminarny przepływ powietrza. W niektórych rozwiązaniach wprowadza się dodatkowe elementy zaburzające przepływ powietrza, w celu uzyskania lokalnych turbulencji zwiększających współczynnik wnikania ciepła [4], jednak zbytnie ich zagęszczenie może powodować wzrost oporów przepływu powietrza.

Można zatem przyjąć, przy świadomości pewnego niedoszacowania, że możemy mówić o zależności sprawności jako funkcji powierzchni wymiany ciepła konkretnego wymiennika.

Sprawność rekuperatora jest większa dla małej wartości stosunku pojemności cieplnej czynników C*. Należy pamiętać, że odnosi się to do czynnika o mniejszym strumieniu masowym: w interesie użytkownika teoretycznie leży zatem, by powietrza wywiewanego było więcej niż nawiewanego. Im mniejszy strumień wywiewany, tym mniejsza efektywność wymiennika (spada ona dość znacząco wraz z wartością C* – rys. 4). Przy projektowaniu należy zatem dużą uwagę zwracać na ilość powietrza, które przechodzi przez wymiennik, zarówno po stronie nawiewnej, jak i wywiewnej.

W pewnym momencie wzrost NTU (a zatem powierzchni wymiany ciepła) zaczyna mieć bardzo mały wpływ na poprawę efektywności urządzeń (rys. 4). Wzrost sprawności staje się niemal asymptotyczny (bardzo małe zmiany). Wyraźnie widać, że przy tych samych wartościach NTU efektywność wymiennika przeciwprądowego jest zdecydowanie wyższa niż jednostki krzyżowej i współprądowej. Widać też, że zwiększenie powierzchni wymiany ciepła wymiennika przeciwprądowego powoduje większy przyrost sprawności niż dla pozostałych urządzeń (tylko w przypadku jednostki przeciwprądowej przy NTU→∞, ε→1 dla wszystkich stosunków pojemności cieplnych C*).

Najlepszym rozwiązaniem dla systemów wentylacyjnych w odniesieniu do uzyskiwanej efektywności jest zatem wymiennik przeciwprądowy. Mając do wyboru podwójny wymiennik krzyżowy (który z punktu widzenia wymiany ciepła jest po prostu dwa razy większą pojedynczą jednostką) lub wymiennik przeciwprądowy tej samej wielkości (rys. 5), należy wybrać jednostkę przeciwprądową.

Wadą wymiennika przeciwprądowego są z kolei ograniczenia konstrukcyjne, które powodują, że ma on większe gabaryty niż analogiczna pojedyncza jednostka krzyżowa. Wynika to z faktu, że na odcinku wlotowym i wylotowym z tego rekuperatora występuje przepływ krzyżowy, co wymusza wydłużenie środkowej części urządzenia w celu utrzymania przepływu przeciwprądowego.

Na obecnym etapie rozwoju wymienniki do odzysku ciepła osiągnęły właściwie maksymalne możliwe do uzyskania sprawności. Możliwa jest jeszcze bardzo niewielka poprawa efektywności w rekuperatorach o „klasycznych” schematach przepływu powietrza, prowadzone są próby wprowadzenia nowych schematów przepływu powietrza, które pozwalałyby na uzyskanie wyższych sprawności niż standardowe jednostki, jednak nie znalazły one jeszcze powszechnego zastosowania.

Szronienie wymienników rekuperacyjnych

Podczas całorocznej eksploatacji wymienniki ciepła poddawane są zmiennym warunkom klimatycznym. Przy niskich temperaturach okresu zimnego istnieje możliwość wystąpienia kondensacji oraz powstawania szronu. Utworzona na powierzchniach przegród wymiennika ciecz przyczynia się do zwiększenia odzysku ciepła na skutek dodatkowego wytworzenia ciepła utajonego (poprawa sprawności nawet do 30% [5]).

Niestety podczas długotrwałej pracy w takich warunkach często występuje ryzyko powstawania szronu, czyli niebezpieczeństwo zamarzania powstałych skroplin (rys. 5a).

Szron stanowi główny problem w eksploatacji rekuperacyjnych wymienników ciepła. Powoduje on wzrost oporów przepływu i zakłóca procesy wymiany ciepła. Brak odpowiednich działań może skutkować zablokowaniem przepływu powietrza oraz uszkodzeniem wymiennika (rys. 6a).

W centralach wentylacyjnych wprowadzane są zabezpieczenia wymienników (by-pass, nagrzewnica wstępna), którym jednak zawsze towarzyszy obniżenie skuteczności odzysku ciepła [5]. Zadaniem by-passu jest ograniczenie przepływu zimnego powietrza przez wymiennik, co pozwala na zwiększenie temperatury ścianek kanałów (rys. 6b).

Inną metodą ochrony wypełnienia wymiennika jest wstępne podgrzewanie powietrza, co wiąże się ze zwiększeniem wymiarów centrali w celu umieszczenia dodatkowej sekcji z nagrzewnicą. Ponadto wymagane jest zapewnienie odpowiedniej mocy takiego urządzenia, określonej w oparciu o konkretną bezpieczną wartość temperatury, do której należy podgrzewać powietrze zewnętrzne. Niestety, jak dotąd tego typu kwestie rozwiązywane są poprzez umowne określanie bezpiecznych warunków pracy [5].

W typowych instalacjach wentylacyjnych na terenie Polski warunki pracy pozwalają na uniknięcie oblodzenia wymienników: w okresie zimowym w standardowych pomieszczeniach bytowych występują bardzo niewielkie zyski wilgoci, dlatego temperatura punktu rosy strumienia usuwanego jest bardzo niska (rys. 7). W takiej sytuacji występuje bardzo niewielkie wykroplenie pary wodnej na powierzchni ścianki albo nie występuje ono wcale (praca w warunkach suchej wymiany ciepła).

Problem szronienia pojawia się w instalacjach klimatyzacyjnych z nawilżaniem powietrza w okresie zimowym. W tym przypadku usuwane powietrze jest wilgotne, temperatura punktu rosy jest relatywnie wysoka i woda łatwo i intensywnie wykrapla się na powierzchni wymiennika ciepła. Niezbędne wówczas staje się określenie warunków bezpiecznej pracy urządzenia.

W praktyce nie ma możliwości uniknięcia powstawania szronu w wymiennikach rekuperacyjnych bez zastosowania dodatkowych elementów zabezpieczających urządzenie, tj. by-pass lub nagrzewnica wstępna. Niestety by-pass nie jest w stanie zagwarantować w pełni skutecznej ochrony przed szronieniem: w skrajnie niekorzystnych warunkach skierowanie nawet 80% strumienia powietrza zewnętrznego do obejścia nie gwarantuje bezpieczeństwa [5, 6].

Niestety by-pass nie jest w stanie zagwarantować w pełni skutecznej ochrony przed szronieniem: w skrajnie niekorzystnych warunkach skierowanie nawet 80% strumienia powietrza zewnętrznego do obejścia nie gwarantuje bezpieczeństwa [5, 6].

Drugim sposobem ochrony wymiennika jest użycie nagrzewnicy wstępnej, najczęściej elektrycznej, podnoszącej temperaturę powietrza zewnętrznego do tzw. wartości bezpiecznej, przy której nie nastąpi szronienie wymiennika. Jest to sposób pewny pod warunkiem prawidłowego określenia wartości temperatury bezpiecznej.

Obie metody zapobiegające szronieniu wiążą się z koniecznością obniżenia efektywności energetycznej systemu: w przypadku by-passu powietrze za wymiennikiem jest mieszaniną zimnego powietrza płynącego przez obejście z ciepłym powietrzem płynącym przez wymiennik, którą należy podgrzać na nagrzewnicy. W przypadku zastosowania nagrzewnicy wstępnej strumień podgrzewany jest na wejściu do wymiennika.

Wiele źródeł literaturowych zawiera informacje, że zjawisko szronienia nie wystąpi w wymiennikach rekuperacyjnych, jeśli temperatura powietrza wywiewanego po przejściu przez wymiennik pozostanie wyższa niż 0°C (np. na poziomie 2°C). Wykorzystuje się następnie wzór na sprawność temperaturową wymiennika (1) odniesioną do powietrza wywiewanego, który pozwala określić, jaka temperatura na wejściu, dla znanej sprawności urządzenia, zagwarantuje dodatnią temperaturę powietrza wywiewanego. Przykładowe dane dla różnych sprawności zestawiono w tab. 3.

Niestety opisana powyżej metoda cechuje się dwoma zasadniczymi błędami: zakłada identyczną sprawność temperaturową po stronie powietrza wywiewanego i zewnętrznego oraz fakt, że dodatnia temperatura w kanale powietrza wywiewanego gwarantuje bezpieczne warunki pracy. Do prawidłowego określenia temperatury bezpiecznej niezbędna jest także wiedza o wilgotności względnej powietrza wywiewanego.

Na rys. 8 przedstawiono przebieg procesu wymiany ciepła w wymienniku krzyżowym w kanale powietrza zewnętrznego (1e–1o) oraz wywiewanego (2e–2o) w warunkach suchej wymiany ciepła (rys. 8a) i kondensacji wody i szronu (rys. 8b) [5, 6]. Bardzo wyraźnie widać, że różne warunki wymiany ciepła całkowicie zmieniają charakter przemiany zachodzącej w wymienniku. W przypadku suchej wymiany ciepła zawartość wilgoci w powietrzu wywiewanym nie ulega zmianie i przemiana na wykresie i-x odbywa się po linii stałej zawartości wilgoci (linia prosta). W przypadku kondensacji pary wodnej na powierzchni kanałów strumienia wywiewanego przemiana odbywa się po krzywej, której kształt zależy od parametrów powietrza wywiewanego oraz temperatury ścianki w kanale.

Na rys. 8 wyraźnie widać także zasadniczą różnicę w zmianie temperatury powietrza wywiewanego: różnica temperatury na wejściu i na wyjściu z wymiennika jest wyraźnie niższa przy kondensacji wilgoci. Wynika to z faktu, że część ciepła przeznaczona na podgrzanie strumienia zewnętrznego oddawana jest w postaci ciepła utajonego kondensacji pary wodnej pod postacią wody i szronu. W tab. 4 przedstawiono różnice w efektywności temperaturowej dla strumienia wywiewanego i zewnętrznego w warunkach kondensacji na przykładzie wymiennika przeciwprądowego.

Można zauważyć, że sprawność temperaturowa w obu kanałach jest zasadniczo różna, zatem przy obliczaniu temperatury bezpiecznej nie można się posługiwać sprawnością temperaturową odniesioną do strumienia powietrza wywiewanego. Widoczne jest także, że wilgotność powietrza wywiewanego ma zasadniczy wpływ na efektywność procesów wymiany ciepła.

Kolejnym rozpowszechnionym mitem jest założenie, że dodatnia temperatura powietrza wywiewanego na wyjściu z wymiennika powoduje, że wymiennik nie ulegnie zamarznięciu. Na rys. 9 przedstawiono wykresy pól temperatury na powierzchni kanału powietrza wywiewanego w wymienniku krzyżowym (w warunkach występowania szronu) uzyskane z autorskiego modelu matematycznego (walidowanego eksperymentalnie [5]). Widoczne są także trzy strefy wymiany ciepła i masy: strefa sucha – brak kondensacji (prawy dolny róg), strefa mokra – zachodzi kondensacja (środek), strefa szronu – powstaje szron (lewy górny róg).

W przypadku przedstawionym na rys. 9a średnia wyjściowa temperatura powietrza wywiewanego wynosi 7,2°C, czyli jest zdecydowanie wyższa niż 0°C, jednak nie pozwala to uniknąć powstawania szronu. Na tym samym rysunku zaznaczono także punkty, w których powietrze wywiewane znajduje się w innej strefie wymiany ciepła pomimo cechowania się tą samą lub bardzo zbliżoną temperaturą (np. 6,58°C w strefie mokrej i 6,61°C w strefie szronu).

Wszystkie powyżej wymienione rozbieżności wynikają z faktu, że na charakter procesów wymiany ciepła i masy, zachodzących w kanałach omawianego rekuperatora, zasadniczy wpływ ma temperatura ścianki, z którą kontaktuje się powietrze [5, 6].

Na rys. 9b widoczne są temperatury powietrza zewnętrznego, wywiewanego i ścianki wymiennika ciepła. Jeśli temperatura ścianki wymiennika jest niższa od temperatury punktu rosy powietrza wywiewanego, woda zacznie się na niej wykraplać. Jeśli dodatkowo temperatura ścianki będzie niższa od 0°C, powstanie na niej szron. Ta sama zależność dotyczy wymiennika przeciwprądowego. Szerzej problem ten zostanie omówiony w kolejnym artykule.

Podsumowanie

Odzysk ciepła jest obecnie koniecznością, zarówno ze względu na oszczędności energetyczne, jak i z uwagi na wymagania prawne.

Zastosowanie konkretnego rozwiązania odzysku ciepła musi być poprzedzone dokładną analizą techniczno-ekonomiczną.

Jedną z najskuteczniejszych metod pozwalających na porównanie różnych wymienników do odzysku ciepła jest ε-NTU.

Bardzo istotnym czynnikiem mającym wpływ na pracę wymienników rekuperacyjnych jest problem powstawania szronu w kanałach powietrza wywiewanego.

Na szronienie wymienników rekuperacyjnych wpływ ma wiele istotnych czynników, przede wszystkim temperatura i wilgotność powietrza nawiewanego oraz sprawność wymiennika.

Problem szronienia wymienników rekuperacyjnych na przykładzie wymiennika krzyżowego i przeciwprądowego zostanie szeroko omówiony w kolejnym artykule.

Literatura

1. www.pro-vent.pl.
2.  Anisimov S., Pandelidis D., Odzysk ciepła w instalacjach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych. Cz. 1, „Chłodnictwo & Klimatyzacja” nr 7/2013.
3. Shah R., Sekulic D., Fundamentals of heat exchanger design, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey 2003.
4. Kays W.M., London A. L., Compact heat exchangers, McGraw-Hill, New York 1984.
5. Anisimov S., Jedlikowski A., Pandelidis D., Performance analysis and safe operating conditions for the cross-flow heat exchanger used for energy recovery from exhaust air in ventilation systems, Applied Energy (2015), in press.
6. Anisimov S., Jedlikowski A., Pandelidis D., Energooszczędność w systemach wentylacji i klimatyzacji, materiały seminaryjne Forum Wentylacja-Salon Klimatyzacja 2014, Stowarzyszenie Polska Wentylacja, Warszawa 2014.
7. PN-B-02025:2001 Obliczanie sezonowego zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania budynków mieszkalnych i zamieszkania zbiorowego, norma wycofania z Katalogu PKN 1 grudnia 2008 r.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!