Zamarzanie rekuperacyjnych wymienników ciepła – cz. 2

Coraz większy nacisk kładzie się na obniżanie energochłonności systemów HVAC.

W klimacie zbliżonym do występującego w naszym kraju większość energii w budynkach wykorzystywana jest na pokrycie potrzeb związanych z ogrzewaniem i wentylacją pomieszczeń. Jednym z najbardziej rozpowszechnionych sposobów obniżenia zużycia energii jest stosowanie wymienników do odzysku ciepła z powietrza wywiewanego.

Coraz większą popularność w Polsce zdobywają płytowe wymienniki rekuperacyjne. Najważniejszym problemem w ich eksploatacji jest powstawanie w okresie zimowym szronu w kanałach powietrza wywiewanego.

Długotrwała praca w warunkach zaszronienia grozi zniszczeniem wymiennika, a zapewnienie bezpiecznych warunków pracy przy ujemnych temperaturach powietrza zewnętrznego wiąże się często z koniecznością obniżenia sprawności urządzenia.

W artykule omówiono problem zamarzania wymienników rekuperacyjnych na przykładzie wymiennika krzyżowego i przeciwprądowego (rys. 1).

Szronienie wymienników rekuperacyjnych

Podczas całorocznej eksploatacji wymienniki ciepła poddawane są zmiennym warunkom klimatycznym. Przy niskich temperaturach okresu zimowego 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.

Na rys. 2 pokazano, jak zwiększanie wilgotności względnej powietrza wywiewanego przyczynia się do istotnej poprawy sprawności odzysku ciepła. W tym przypadku poprawa efektywności wynosi ok. 20%, ale w innych może sięgnąć nawet 30% [1–3].

Niestety, przy bardzo niskich temperaturach zewnętrznych często istnieje ryzyko powstawania szronu, a także zamarzania powstałych skroplin (rys. 3a).

Utworzony szron stanowi główny problem w eksploatacji rekuperacyjnych wymienników ciepła. Powoduje wzrost oporów przepływu i zakłóca procesy wymiany ciepła. Brak odpowiednich działań może skutkować zablokowaniem przepływu powietrza oraz uszkodzeniem wymiennika.

W centralach wentylacyjnych wprowadzane są zabezpieczenia wymienników (by-passy, nagrzewnice wstępne), którym jednak zawsze towarzyszy obniżenie skuteczności odzysku ciepła [1–3]. Zadaniem by-passu jest ograniczenie przepływu zimnego powietrza przez wymiennik, co pozwala na zwiększenie temperatury ścianek kanałów (rys. 3b).

Układ automatycznej regulacji steruje przepustnicą obejściową w funkcji temperatury zewnętrznej. Przez wymiennik przepływa tylko część powietrza zewnętrznego, a pozostały strumień powietrza kierowany jest obejściem. Skutkiem jest obniżenie temperatury powietrza nawiewanego za wymiennikiem, która jest mieszaniną strumieni przepływającego powietrza przez rekuperator oraz przez jego obejście.

Inną metodą ochrony wypełnienia wymiennika jest wstępne podgrzewanie powietrza. Wiąże się to niestety ze zwiększeniem wymiarów centrali wentylacyjnej ze względu na umieszczenie dodatkowej sekcji z nagrzewnicą wstępną. 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 [1–3].

Problem szronienia pojawia się w instalacjach klimatyzacyjnych z nawilżaniem powietrza w okresie zimowym.

W tym przypadku usuwane powietrze jest wilgotne, a temperatura jego punktu rosy relatywnie wysoka i woda łatwo i intensywnie wykrapla się na powierzchni wymiennika ciepła. Niezbędne staje się wówczas określenie warunków bezpiecznej pracy urządzenia.

W praktyce nie ma możliwości uniknięcia powstawania szronu w wymiennikach rekuperacyjnych bez zastosowania dodatkowych elementów zabezpieczających urządzenie, tj. by-passu lub nagrzewnicy wstępnej. 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.

Na rys. 4a widać pole temperatur powietrza wywiewanego w wymienniku krzyżowym w warunkach występowania szronu, uzyskane na podstawie modelu matematycznego [1–3]. Widoczne są trzy strefy aktywnej wymiany ciepła i masy:

• strefa sucha – brak kondensacji wody pod postacią cieczy (prawy dolny róg),
• strefa mokra – zachodzi kondensacja wody pod postacią cieczy (środek),
• strefa szronu – zachodzi kondensacja wody pod postacią szronu (lewy górny róg).
•  

Należy odnotować, że w tym przypadku średnia wyjściowa temperatura powietrza wywiewanego wynosi 3,2°C (ujemne temperatury występują tylko w strefie szronu). Na rys. 4b widać, że w całym wymienniku temperatura powietrza wywiewanego jest dodatnia i mimo tego powstaje szron (średnia temperatura wyjściowa wynosi aż 7,2°C).

Nasuwa się zatem pierwszy ważny wniosek: dodatnia temperatura powietrza wywiewanego nie chroni wymienników ciepła przed zamarzaniem.

Dodatkowo widać, że punkty, w których powietrze wywiewane ma taką samą temperaturę, mogą się znajdować w różnych strefach wymiany ciepła i masy, np. powietrze wywiewane ma temperaturę ok. 6,6°C nad strefą mokrą i strefą szronu, a równą 25°C w strefie suchej i mokrej (rys. 4b).

Wszystkie powyższe 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.

Na rys. 4c 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.

Powstawanie szronu zależy w bardzo dużym stopniu od wilgotności względnej powietrza wywiewanego i sprawności wymiennika (która z kolei zależy od liczby NTU, czyli powierzchni wymiany ciepła).

Na rys. 4d pokazano, jak wykorzystanie by-passu wpływa na temperatury progowe. Kiedy coraz większy strumień powietrza zewnętrznego kierowany jest do by-passu, stosunek pojemności cieplnych powietrza zewnętrznego do wywiewanego (oznaczanych jako CZ/CW) staje się coraz mniejszy. Wyniki przedstawiono dla CZ/CW = 0,05–1 (czyli od 0 do 95% powietrza zewnętrznego skierowanego do by-passu).

Paradoksalnie wpływ by-passu na temperatury progowe jest bardzo mały, ponadto tym mniejszy, im bardziej sprawny jest analizowany wymiennik. W przypadku jednostki o sprawności 65% skierowanie 95% powietrza zewnętrznego do by-passu obniża temperaturę progową tylko o 2,5°C. W związku z tym gdy omawiany wymiennik pracuje w warunkach, w których ryzyko szronienia jest największe, należy zabezpieczyć go nagrzewnicą wstępną lub zastosować inną formę odzysku ciepła.

Istotnym aspektem, na który należy zwrócić uwagę przy projektowaniu systemu z wymiennikiem krzyżowym w warunkach ryzyka szronienia, jest jego usytuowanie w centrali wentylacyjnej (rys. 4e i rys. 4f).

W przypadku ustawienia widocznego na rys. 4e szron powstaje na dole wymiennika. W to samo miejsce spływa woda powstała w wyniku kondensacji, co może spowodować szybkie oblodzenie kanałów rekuperatora, a w konsekwencji nawet uszkodzenie wymiennika.

Lepszym rozwiązaniem jest ustawienie widoczne na rys. 4f – w tym przypadku szron nie stoi na drodze spływającej cieczy i ryzyko oblodzenia kanałów jest mniejsze.

Na podstawie powyższej analizy nasuwają się dwa zasadnicze pytania: jak prawidłowo określić temperaturę bezpieczną oraz który wymiennik (krzyżowy czy przeciwprądowy) jest bardziej podatny na szronienie?

Odpowiedź na pierwsze pytanie nie jest prosta: uzyskanie takich wyników możliwe jest przy zastosowaniu modelowania matematycznego, jest to jednak zbyt skomplikowane narzędzie dla zagadnień typowo inżynierskich.

Progowe temperatury powietrza zewnętrznego, dla których nie wystąpi szronienie wymiennika krzyżowego i przeciwprądowego, zestawiono w tab. 1 i tab. 2.

Na tej podstawie można wnioskować, że nie da się przyjąć stałej wartości temperatury bezpiecznej, przy której praca rekuperatora przebiegać będzie bez przeszkód. Warto odnotować, że parametry powietrza, przy których ryzyko szronienia jest największe, zawierają się w zakresie parametrów komfortu cieplnego w okresie zimowym (t₂ = 20°C, RH₂ = 30–40%). Dla wymiennika krzyżowego o sprawności 65% temperatura progowa to tylko –1,3°C, znacznie wyższa od przyjmowanej zazwyczaj temperatury –5°C.

W tabelach zaznaczono także parametry powietrza wywiewanego, przy których ryzyko szronienia jest największe. Dla powietrza wywiewanego o temperaturze 20°C najbardziej niebezpieczną wartością wilgotności względnej jest ok. 26%, ponieważ w tym przypadku jego temperatura punktu rosy wynosi 0°C. W takiej sytuacji woda w wymienniku kondensuje tylko pod postacią szronu (brak kondensacji w postaci cieczy). Jest to szczególnie niekorzystne, ponieważ kondensująca ciecz zwiększa temperaturę ścianki wymiennika, co skutkuje bardziej bezpieczną pracą przy niższych parametrach powietrza zewnętrznego.

Na drugie pytanie (który wymiennik jest bardziej podatny na powstawanie szronu) równie ciężko jednoznacznie odpowiedzieć. Obydwa wymienniki zazwyczaj zasadniczo różnią się powierzchnią wymiany ciepła oraz sprawnością. W zależności od konkretnej aplikacji mogą zatem występować różnice w wymaganej dla nich temperaturze bezpiecznej.

Jeśli poddać analizie porównawczej wymiennik przeciwprądowy i krzyżowy o identycznych wymiarach (identyczna droga do pokonania dla powietrza nawiewanego i wywiewanego, identyczna powierzchnia wymiany ciepła, takie same strumienie i zbliżona sprawność temperaturowa), to paradoksalnie wymiennikiem bardziej odpornym na szronienie okazuje się ten pierwszy.

Powyższe wynika z istoty przepływu przeciwprądowego (rys. 5).

W wymienniku krzyżowym strumień powietrza wywiewanego kontaktuje się z bardzo zimnym powietrzem zewnętrznym przez całą długość kanału, powoduje to szybkie obniżenie temperatury powietrza wywiewanego i ścianki wymiennika. W najchłodniejszej strefie (tzw. zimny róg) formuje się warstwa szronu.

Natomiast w wymienniku przeciwprądowym kontakt z najzimniejszym powietrzem następuje na samym końcu kanału powietrza wywiewanego (rys. 5b), a przez większą część kanału strumień wywiewany kontaktuje się z powietrzem częściowo podgrzanym, dzięki czemu większa część wymiennika przeciwprądowego jest mokra (kondensacja wilgoci), natomiast zjawisko powstawania szronu występuje przy niższych temperaturach.

Jednak przepływ przeciwprądowy ma także swoją wadę: powierzchnia pokryta szronem jest w nim większa niż w przypadku jednostki krzyżowej („zimny prostokąt” zamiast „zimnego rogu”).

W praktyce w wymiennikach przeciwprądowych prawdziwy przepływ przeciwprądowy występuje na bardzo krótkim dystansie, przez większą część wymiennika wymiana ciepła następuje w przepływie krzyżowym.

Ponadto wymienniki przeciwprądowe cechują się zazwyczaj znacznie wyższą sprawnością niż krzyżowe, a ryzyko szronienia rośnie proporcjonalnie wraz ze sprawnością wymiennika [1–3]. Bezpieczne temperatury progowe dla wymiennika przeciwprądowego i krzyżowego zestawiono w tab. 1 i tab. 2.

Kwestią dotychczas dobrze nie zbadaną jest zamarzanie wymienników innych niż rekuperacyjne – np. wymiennika obrotowego (wymiennik regeneracyjny). Autorzy opracowują obecnie model wymiany ciepła i masy w wymienniku obrotowym, który pozwoli na precyzyjne określenie wartości temperatur bezpiecznych dla tego wymiennika. Do prostej analizy można posłużyć się np. wykresem uzyskanym na podstawie badań Bilodeau  (rys. 6) [4].

Niestety zaprezentowane tam dane eksperymentalne dotyczą jednego rozwiązania i uwzględniają zależność czasową. Można jednak zaobserwować, że w przypadku wilgotności względnej powietrza wywiewanego na poziomie 30–40% ryzyko powstania szronu występuje już od temperatury –9°C.

Praca w warunkach bezpiecznych a efektywność energetyczna

Kolejnym istotnym zagadnieniem jest kwestia wpływu zabezpieczania wymiennika przed szronieniem w kontekście obliczania efektywności energetycznej systemów wentylacji i klimatyzacji. Ze względu na coraz bardziej restrykcyjne wymagania w prawodawstwie polskim i europejskim producenci proponują stosowanie wymienników do odzysku ciepła cechujących się coraz wyższą sprawnością.

Niestety, ale wyższa sprawność wiąże się ze znacznie większym ryzykiem występowania szronienia w wymienniku, a co za tym idzie ze zwiększeniem kosztów związanych z koniecznością wstępnego lub wtórnego podgrzewania powietrza zewnętrznego. Przykładowo dla wymiennika krzyżowego poprawa sprawności o 10–15% wiąże się ze wzrostem wymaganej temperatury zewnętrznej nawet o 4°C.

Na rys. 7a przedstawiono zależność temperatury bezpiecznej wymiennika krzyżowego od jego sprawności temperaturowej. Widać, że przy bardzo wysokich sprawnościach temperaturowych praca wymiennika jest bezpieczna dopiero przy temperaturach zewnętrznych bliskich 0°C. Zasadne zatem staje się pytanie, czy w polskich warunkach klimatycznych, gdzie przez wiele dni roku utrzymują się temperatury ujemne, konieczne jest stosowanie rekuperatorów o tak wysokiej sprawności.

Kolejnym istotnym problemem jest nominalna wartość odzyskanego ciepła przy temperaturze bezpiecznej. Wielu producentów, szczególnie dotyczy to mniejszych firm produkujących urządzenia przeznaczone do budownictwa jednorodzinnego, reklamuje swoje urządzenia, pokazując całoroczne oszczędności energetyczne wynikające z ich zastosowania przy maksymalnej sprawności odzysku ciepła. Jak wynika z analizy przedstawionej w poprzedniej części artykułu, jest to niemożliwe ze względu na bezpieczeństwo pracy wymienników ciepła.

Z pracą wymiennika w warunkach bezpiecznych wiąże się istotny problem: nominalna wartość odzyskanej mocy grzewczej spada, ponieważ różnica temperatur na wejściu do wymiennika po stronie zewnętrznej i wewnętrznej jest mniejsza. Jeśli strumień zewnętrzny zostanie podgrzany do wartości bezpiecznej, różnica temperatury pomiędzy strumieniem zewnętrznym a wywiewanym spada z ok. 40 do ok. 20°C. Przy zachowaniu stałej efektywności wymiennika możliwy jest zatem odzysk 50–80% z powstałej różnicy (ok. 10–16°C zamiast 20–32°C).

Prostym wskaźnikiem pozwalającym na analizę realnego odzysku ciepła w warunkach bezpiecznych jest zaproponowana przez autorów sprawność ekwiwalentna (2), definiowana jako różnica temperatury uzyskana przy temperaturze bezpiecznej do różnicy temperatury uzyskanej dla temperatury zewnętrznej na wejściu do wymiennika, przy założeniu stałej sprawności urządzenia. Jest to szczególnie istotne w przypadku domów jednorodzinnych oraz w małych aplikacjach biurowych, gdzie do podgrzewania powietrza w centralach stosuje się nagrzewnice elektryczne.

Zastosowanie zbyt sprawnego wymiennika do odzysku ciepła może powodować więcej strat niż korzyści. Niektórzy producenci udostępniają projektantom dane tego typu, dzięki czemu możliwa jest precyzyjna analiza zużycia energii w okresie całorocznym.

  (1)

Podsumowanie

Odzysk ciepła jest obecnie koniecznością, zarówno ze względów na oszczędności energetyczne, jak i wymogi prawne. Jednak zastosowanie konkretnego rozwiązania odzysku ciepła musi być poprzedzone odkładaną analiza techniczno-ekonomiczną.

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

Na szronienie wymienników rekuperacyjnych wpływ ma przede wszystkim temperatura i wilgotność powietrza nawiewanego oraz sprawność wymiennika. Jak wykazano w przedstawionej analizie, nie jest możliwe wprowadzenie uniwersalnej wartości bezpiecznej temperatury progowej.

Najwyższe ryzyko szronienia występuje dla warunków komfortu cieplnego w okresie zimowym, a niskie dla suchego lub bardzo wilgotnego powietrza.

Jak wykazano, by-pass nie jest skutecznym zabezpieczeniem przed szronieniem wymiennika, zwłaszcza w warunkach, przy których ryzyko szronienia jest największe – w takich sytuacjach niezbędne jest zastosowanie nagrzewnicy wstępnej.

Czasami uzasadnione może być też zastosowanie wymiennika o niższej sprawności w celu obniżenia kosztów eksploatacyjnych systemu (mniejsza moc nagrzewnicy wstępnej).

Przy pracy w warunkach wysokiego ryzyka szronienia bardzo istotne staje się odpowiednie ustawienie króćców wlotowych i wylotowych wymiennika ciepła w centrali wentylacyjnej.

Literatura

1. Anisimov S., Pandelidis D., Odzysk ciepła w instalacjach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych. Cz. 1, „Chłodnictwo & Klimatyzacja” nr 7/2013.
2. 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, „International Journal of Heat and mass Transfer”, 2015, in press.
3. Anisimov S., Jedlikowski A., Pandelidis D., Energooszczędność w systemach wentylacji i klimatyzacji, materiały seminaryjne Forum Wentylacja – Salon Klimatyzacja 2014, Stowarzyszenie Polska Wentylacja, Warszawa 2014.
4. Bilodeau S., Brousseau P., Lacroix M., Mercadier Y., Frost formation in rotary heat and moisture exchangers, „International Journal of Heat and Mass Transfer” No. 42, 1999.5. Materiały firmy IV Produkt.