Badania sprawności odzysku ciepła w wentylacji

Przez wymienniki do odzysku ciepła rozumie się „urządzenia lub zespoły urządzeń, które przenoszą ciepło, a w szczególnych przypadkach wilgoć pomiędzy strumieniami powietrza tłoczonego i zasysanego, w zależności od różnicy poziomów temperatury i wilgotności” [1]. Do realizacji tych procesów wykorzystywane są urządzenia rekuperacyjne oraz regeneracyjne.

Zasada działania regeneratorów opiera się na okresowym naprzemiennym omywaniu przez strumienie powietrza o wysokiej i niskiej temperaturze powierzchni z materiału stałego w okresach tworzących tzw. cykl pracy regeneratora. Urządzenia te są przełączane okresowo, zatem procesy wymiany ciepła są nieustalone – temperatura strumienia powietrza w danym przekroju jest zmienna w czasie.

W urządzeniach działających na zasadzie rekuperacji wymiana ciepła następuje za pomocą ścianki/przepony szczelnie rozdzielającej oba strumienie powietrza lub przy wykorzystaniu czynnika pośredniego stanowiącego medium transportujące ciepło. Normalna praca tych urządzeń, oprócz okresu rozruchu, może się odbywać w ustalonym lub nieustalonym polu temperatur. Na rys. 1 przedstawiono ideowy schemat działania wymiennika do odzysku ciepła według ASHRAE.

Skuteczność pracy wymienników do odzysku ciepła określa się najczęściej na podstawie dwóch wielkości: efektywności oraz sprawności wymiennika. Sprawność wymiennika można określić, porównując temperatury (lub entalpie) poszczególnych strumieni powietrza dopływających do wymiennika i odpływających z niego. Wielkość ta jest powszechnie stosowana przy opisie oraz projektowaniu większości typów wymienników ciepła w szerokim zakresie parametrów ich pracy.

Z kolei efektywność wymiany ciepła uwzględnia uzyskiwane zmiany parametrów czynnika w odniesieniu do ponoszonych kosztów ich uzyskania. Powszechnie przyjmuje się, że współczynnik efektywności skutecznie opisuje uzyskiwane wydajności cieplne urządzeń dla celów projektowych i umożliwia wybór najlepszego rozwiązania [3]. Dobrą efektywność można uzyskać tylko przy możliwie wysokiej sprawności i minimalnych ponoszonych w tym celu kosztach.

Skuteczna praca wymienników do odzysku ciepła zależy od wielu czynników. Są to: odpowiednie warunki przepływu strumieni powietrza przez wymiennik, zastosowane materiały i rozwiązania konstrukcyjne, ale również odpowiednia różnica temperatur na wlotach do wymiennika.

Stanowiska badawcze

W związku z bardzo ogólnymi i niejednolitymi informacjami w literaturze branżowej oraz ograniczonymi danymi w przypadku wielu wymienników w Instytucie Klimatyzacji i Ogrzewnictwa Politechniki Wrocławskiej i w laboratorium jednej z krajowych firm z branży wentylacyjnej zbudowano stanowiska badawcze, na których można przeprowadzić pomiary porównawcze i indywidualne urządzeń do odzysku ciepła, by na ich podstawie móc ocenić skuteczność działania tych urządzeń w różnych warunkach.

Schemat stanowiska powstałego w budynku C-6 Politechniki Wrocławskiej przedstawiono na rys. 2, a na rys. 3 pokazano stanowisko badawcze zbudowane w laboratorium firmy współpracującej z Instytutem.

W Instytucie Klimatyzacji i Ogrzewnictwa PWr badano trzy wymienniki do odzysku ciepła:

• wymiennik krzyżowo-płytowy typu PWT 10/800/450-9,0,
• grawitacyjną rurkę ciepła (termosyfon dwufazowy) typu TCCAF-640-T7-6-F25-E7,
• regeneracyjny obrotowy wymiennik ciepła typu RRU-PT-D19-800/900-715.

W ramach badań dodatkowo na drugim stanowisku mierzono parametry pracy regeneracyjnego nieobrotowego wymiennika ciepła typu BA-19-500-0600x1300-V-G1. Wymiennik ten wykonany jest z dwóch złóż regeneracyjnych pracujących równolegle, przez które cyklicznie przepływa powietrze ciepłe (faza ładowania) oraz chłodne (faza rozładowania). Zmiana kierunku przepływu strumieni powietrza wymuszana jest przepustnicami. Budowa stanowiska i idea jego działania są analogiczne do tego znajdującego się w IKO PWr, jednakże badanie ograniczono jedynie do jednego wymiennika ciepła.

Na obydwu stanowiskach wymienniki podlegały badaniom w cyklach 24-godzinnych. Wydajność wentylatora na stanowisku w IKO PWr regulowana była płynnie co 100 m³/h (w laboratorium firmy współpracującej z IKO ustalono stałą wydajność wentylatora wynoszącą 1200 m³/h), następnie realizowano pomiar parametrów powietrza: t_Z, f_Z, t_N, f_N, t_W, f_W, t_U i f_U.

Podczas opracowywania koncepcji stanowisk badawczych oraz metodyki przeprowadzania pomiarów wydajności opierano się na wytycznych zawartych w normie [1]. Pomiary strumienia powietrza nawiewanego oraz wywiewanego przeprowadzano w oparciu o normę [4].

Analiza pracy badanych wymienników

Na rys. 5–12 przedstawiono przykładowe wykresy obrazujące zmienność temperatur powietrza przy przepływie przez wymienniki oraz sprawności w zależności od temperatury powietrza zewnętrznego.

Podsumowanie

Przeprowadzone pomiary pozwalają stwierdzić, że rekuperatory ze względu na specyfikę ich budowy powinny być stosowane w miejscach, gdzie istnieje zapotrzebowanie na „szczelny” układ (z wykluczeniem przenoszenia zanieczyszczeń pomiędzy strumieniami powietrza).

Urządzenia te osiągają wprawdzie sprawności jedynie w granicach h » 50–60%, ale niskie koszty inwestycyjne i eksploatacyjne, a także brak elementów ruchomych i dodatkowego zapotrzebowania na energię elektryczną sprawiają, że wymienniki rekuperacyjne są dziś najczęściej stosowanymi urządzeniami odzyskującymi ciepło w systemach wentylacji i klimatyzacji.

Należy tu rozgraniczyć rekuperatory płytowe oraz rurki ciepła. Urządzenia obydwu grup osiągają zbliżone sprawności, jednak koszty inwestycyjne i eksploatacyjne w przypadku rurek ciepła są od kilku do kilkunastu procent wyższe.

Regeneratory obrotowe mają sprawności znacznie większe, bo nawet h » 70–80%. Wymienniki regeneracyjne nieobrotowe osiągają sprawności nawet rzędu h » 90%. Regeneratory charakteryzują się jednak dużą możliwością przenoszenia zanieczyszczeń. Koszt inwestycyjny, serwisu oraz eksploatacji regeneratorów jest wyższy niż rekuperatorów. Wpływa na to głównie większa liczba elementów ruchomych oraz większe opory przepływu powietrza, a więc także znacznie wyższe zapotrzebowanie na energię elektryczną.

Dla badanego wymiennika krzyżowo-płytowego średnia sprawność w całym okresie pomiarowym wynosiła 50–60%. Sprawność regeneracyjnego wymiennika obrotowego w okresie pomiarowym kształtowała się średnio na poziomie 70–75%. Natomiast sprawność badanego termosyfonu dwufazowego (grawitacyjnej rurki ciepła) w okresie pomiarowym wynosiła średnio 55–60%. Z kolei sprawność wymiennika nieobrotowego w okresie pomiarowym wynosiła średnio 92%.

Należy zatem mieć dodatkowo na uwadze, że wyznaczenie kosztów eksploatacyjnych związanych z wydatkami energetycznymi dla układów wyposażonych w urządzenia do odzysku ciepła nie powinno być zwieńczeniem żadnej rzeczowej i rzetelnej analizy ekonomicznej. Należy rozpatrzyć także wszelkie dodatkowe czynniki, które w podsumowaniu rachunku ciągnionego mogą nieco zmienić wyniki przeprowadzonych kalkulacji i wpłynąć na ostateczną decyzję o wyborze najwłaściwszego rozwiązania.

Literatura

1. PN-EN 308:2001 Wymienniki ciepła. Procedury badawcze wyznaczania wydajności urządzeń do odzyskiwania ciepła w układzie powietrze-powietrze i powietrze-gazy spalinowe.
2. ANSI/ASHRAE 84-2008 Method of testing air-to-air heat/energy exchangers, American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers Inc., ASHRAE Inc., 2008.
3. VDI 2071:1997-12 Wärmerückgewinnung in Raumlufttechnischen Anlagen.
4. PN-ISO 5221:1994 Rozprowadzanie i rozdział powietrza. Metody pomiaru przepływu strumienia powietrza w przewodzie.

Artykuł powstał na podstawie referatu przedstawionego podczas IV Międzynarodowej Konferencji Naukowo -Technicznej „Ogrzewanie i wentylacja w przemyśle i rolnictwie”, Tleń, 24–26 września 2012 r.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!