Odzysk ciepła − możliwości i zasady

W instalacjach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych wraz z powietrzem usuwanym z pomieszczenia tracone są duże ilości ciepła. Gdyby w zimie wykorzystać ciepło zawarte w powietrzu wywiewanym z ogrzewanych pomieszczeń do wstępnego podgrzewania powietrza zewnętrznego lub w lecie chłodzić powietrze zewnętrzne powietrzem wywiewanym z pomieszczenia klimatyzowanego, to w zależności od sprawności zastosowanego wymiennika ciepła można by w obu przypadkach znacznie zmniejszyć zużycie energii.

W zakładach przemysłowych występują niekiedy urządzenia technologiczne wymagające znacznych ilości powietrza świeżego, przy czym z powietrzem usuwanym tracone są duże ilości ciepła technologicznego. Równocześnie występuje zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania powietrza nawiewanego do hal. Bilansując te ilości ciepła, może okazać się, że moc cieplna zawarta w powietrzu usuwanym jest większa niż zapotrzebowanie na moc cieplną do przygotowania powietrza świeżego.

Obecnie, gdy w krajach wysoko rozwiniętych kryzys energetyczny jest przyczyną wielu trudności, każdy sposób oszczędzania energii powinien być wnikliwie rozpatrzony i ewentualnie zastosowany po pozytywnym wyniku analizy ekonomicznej.

Sposoby odzysku ciepła w instalacjach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych

Opisane poniżej sposoby odzysku ciepła znane są od dawna i były stosowane w niektórych gałęziach przemysłu. Jednak niski koszt paliw płynnych był przyczyną niezbyt powszechnego ich stosowania w układach wentylacyjnych. Wzrost cen paliw oraz ciągłe doskonalenie konstrukcji wymienników ciepła spowodowały zwiększone zainteresowanie metodami odzysku, a zatem i zmniejszenie zużycia energii. Poszukiwano oczywiście rozwiązań najtańszych i najbardziej sprawnych oraz najłatwiejszych w montażu i eksploatacji.

Rekuperacyjne wymienniki ciepła

W wymiennikach rekuperacyjnych wykorzystano dwa sposoby wymiany ciepła, tj. wymianę bezpośrednią lub wymianę za pomocą czynnika pośredniego. Rozwiązania te nie mają elementów ruchomych występujących w wymiennikach regeneracyjnych.

Płytowe wymienniki ciepła

Na rysunku 1 pokazano ideowy schemat wymiennika płytowego. Listwy dystansowe między płytami są tak ułożone, że umożliwiają przepływ strumieni powietrza usuwanego w kierunku prostopadłym do kierunku przepływu powietrza zewnętrznego. Materiał, z którego są budowane takie wymienniki, jest bardzo różny. Mogą to być płyty stalowe, aluminiowe czy miedziane, ale także płyty szklane. Płyty szklane są odporne na korozję, co jest szczególnie ważne przy usuwaniu powietrza zawierającego agresywne zanieczyszczenia.

Wymienniki ciepła z rur gładkich

Zasada działania wymienników z rur gładkich (rys. 2) jest podobna do zasady działania wyżej opisanego wymiennika płytowego. W wymienniku tym powietrze usuwane przepływa przez rurki ustawione prostopadle do omywającego je z zewnątrz strumienia powietrza zewnętrznego. Wymienniki rurowe wykonywane są najczęściej z rur metalowych, ale stosuje się także rury z tworzyw sztucznych lub szklane.

Wymienniki z pośrednią wymianą ciepła mogą być wykonywane z wymuszonym obiegiem czynnika pośredniego, np. za pomocą pompy, lub z obiegiem wywołanym siłami kapilarnymi czy też grawitacyjnymi (rurki cieplne). W tych wymiennikach powierzchnię wymiany ciepła stanowią rury ożebrowane, wewnątrz których przepływa powietrze. Na rysunku 3 pokazano ideowy schemat działania wymiennika z wymuszonym obiegiem czynnika pośredniego. Najczęściej czynnikiem pośredniczącym w przekazywaniu ciepła jest woda, do której dodawany jest środek zabezpieczający przed zamarzaniem.

Zaletą tego systemu jest możliwość odsunięcia wentylacyjnego przewodu nawiewnego od przewodu wywiewnego. Należy jednak stwierdzić, że zbyt długie rury w obiegu pośrednim pogarszają sprawność cieplną całego urządzenia.

Wymienniki z bezpośrednią wymianą ciepła

Pracę wymiennika rekuperacyjnego należy rozpatrzyć zarówno dla warunków zimowych, gdy dla zmniejszenia mocy cieplnej potrzebnej do podgrzania powietrza świeżego wykorzystuje się część ciepła zawartego w powietrzu usuwanym, jak i dla warunków letnich, gdy zastosowany w instalacji klimatyzacyjnej wymiennik umożliwia zmniejszenie mocy potrzebnej do ochłodzenia powietrza świeżego.

Na rysunku 4 pokazano schemat przebiegu procesu wymiany ciepła w układzie „powietrze/powietrze”, przy czym kierunek strumienia cieplnego zależy od poziomu temperatur (tabela).

W Polsce przez większą część roku temperatury powietrza zewnętrznego są niższe od temperatur w pomieszczeniach i dlatego w dalszych rozważaniach rozpatrywane będą tylko warunki zimowe, jako bardziej typowe dla naszego kraju.

Teoretyczna moc cieplna Qt, która może być oddana przez strumień powietrza w wymienniku, określona jest wzorem:

gdzie:

V – objętość strumienia masy powietrza [m³/s];

ρ – gęstość powietrza [kg/m³],

c – ciepło właściwe powietrza przy stałym ciśnieniu [J/(kg ・ K)],

ΔT – spadek temperatury powietrza [K].

Objętość strumienia masy powietrza V przepływającego przez wymiennik zależy od jego konstrukcji i prędkości przepływu.

Moc cieplna wymieniana w wymienniku wynika ze wzoru:

przy czym:

gdzie:

K – współczynnik przenikania ciepła [W/(m² ・ K)],

F – pole powierzchni wymiany ciepła [m²],

Δ – średnia logarytmiczna różnica temperatur [K].

Definicja sprawności rekuperacyjnego wymiennika ciepła wynika np. z bilansu mocy wymiennika (rys. 4). Moc cieplna dopływająca z powietrzem zewnętrznym (świeżym) wynosi Qz', a moc zawarta w powietrzu odpływającym wynosi Qz". Odpowiednie wielkości dla powietrza usuwanego (zużytego) wynoszą Qu' i Qu". Gdyby nie zastosowano wymiennika ciepła, to moc cieplna tracona z usuwanym powietrzem wentylacyjnym wyniosłaby:

W przypadku zastosowania wymiennika odzyskana moc cieplna wyniesie:

Stosunek odzyskanej mocy cieplnej do traconej mocy cieplnej nazywa się sprawnością wymiennika ηi:

Można także napisać wzór na stopień wykorzystania różnicy temperatur ηT:

oraz na stopień wykorzystania różnicy wilgotności powietrza ηx:

gdzie:

x – zawartość wilgoci, g/kg.

W czasie wymiany ciepła między strumieniami powietrza może następować wykraplanie się pary wodnej (kondensacja) i warunki wymiany ciepła zmieniają się. Aby to uwzględnić, do wzoru na sprawność wymiennika ηi wprowadzono także ciepło parowania wody:

gdzie:

r – ciepło parowania wody, J/kg;

cp – ciepło właściwe powietrza przy stałym ciśnieniu, J/(kg K).

Przy rozpatrywaniu wymiennika płytowego, w którym nie zachodzi wymiana wilgoci, wzór ten przyjmie postać:

Wzór ten określa sprawność wymiennika ciepła dla określonych parametrów powietrza. W ciągu roku temperatura powietrza zewnętrznego zmienia się i dlatego celowe jest określenie stopnia odzysku ciepła w odniesieniu do jednego roku, tj. stosunku ilości ciepła odzyskanego do ilości ciepła, która byłaby tracona bez odzysku.

Literatura

1. Kosieradzki J., Odzysk ciepła w instalacjach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych, „Nowa technika w inżynierii sanitarnej” nr 10, Arkady 1979.
2. Recknagel, Sprenger, Schramek „Kompendium wiedzy Ogrzewnictwo, Klimatyzacja”, OmniScala 2008.