В связи с ростом тарифов на первичные энергоресурсы рекуперация становиться как никогда актуальна. В приточно-вытяжных установках с рекуперацией обычно применяются следующие типы рекуператоров:

• пластинчатый или перекрестно-точный рекуператор;
• роторный рекуператор;
• рекуператоры с промежуточным теплоносителем;
• тепловой насос;
• рекуператор камерного типа;
• рекуператор с тепловыми трубами.

Принцип работы

Принцип работы любого рекуператор в приточно-вытяжных установках заключается в следующем. Он обеспечивает теплообмен (в некоторых моделях - и холодообмен, а также влагообмен) между потоками приточного и вытяжного воздуха. Процесс теплообмена может происходить непрерывно – через стенки теплообменника, с помощью хладона или промежуточного теплоносителя. Может теплообмен быть и периодическим, как в роторном и камерном рекуператоре. В результате выбрасываемый вытяжной воздух охлаждается, нагревая тем самым свежий приточный воздух. Процесс холодообмена в отдельных моделях рекуператоров проходит в теплое время года и позволяет снизить энергозатраты на системы кондиционирования воздуха за счет некоторого охлаждения подаваемого в помещение приточного воздуха. Влагообмен идет между потоками вытяжного и приточного воздуха, позволяя поддерживать в помещении комфортную для человека влажность круглогодично, без использования каких либо дополнительных устройств – увлажнителей и других.

Пластинчатый или перекрестно-точный рекуператор.

Теплопроводящие пластины рекуперативной поверхности изготавливают из тонкой металлической (материал – алюминий, медь, нержавеющая сталь) фольги или из ультратонкого картона, пластика, гигроскопичной целлюлозы. Потоки приточного и вытяжного воздуха движутся по множеству небольших каналов, образованных этими теплопроводящими пластинами, по схеме противотока. Контакт и смешивание потоков, их загрязнение практически исключены. В конструкции рекуператора движущихся деталей нет. Коэффициент эффективности 50-80%. В рекуператора из металлической фольги из-за разницы температур потоков воздуха на поверхности пластин может конденсироваться влага. В теплое время года ее необходимо отвести в систему канализации здания по специально оборудованному дренажному трубопроводу. В холодное время есть опасность замерзания этой влаги в рекуператоре и его механического повреждения (разморозки). Кроме того, образовавшийся лед сильно снижает эффективность работы рекуператора. Поэтому рекуператоры с металлическими теплопроводящими пластинами требуют при эксплуатации в холодное время года периодической оттайки потоком теплого вытяжного воздуха или использования дополнительного водяного или электрического воздухонагревателя. При этом приточный воздух или совсем не подается, или подается в помещение в обход рекуператора через дополнительный клапан (байпас). Время оттайки составляет в среднем от 5 до 25 минут. Рекуператор с теплопроводящими пластинами из ультратонкого картона и пластика не подвержен обмерзанию, так как через эти материалы идет и влагообмен, но у него другой недостаток – его нельзя использовать для вентиляции помещений с высокой влажностью с целью их осушения. Пластинчатый рекуператор может устанавливаться в приточно-вытяжную систему как в вертикальном, так и в горизонтальном положении в зависимости от требований к размерам венткамеры. Пластинчатые рекуператоры самые распространенные из-за своей относительной простоты конструкции и дешевизны.

Роторный рекуператор.

Этот тип – второй по степени распространения после пластинчатого. Теплота от одного потока воздуха к другому передается через вращающийся между вытяжной и приточной секциями цилиндрический пустотелый барабан, называемый ротором. Внутренний объем ротора заполнен уложенной туда плотно металлической фольгой или проволокой, которая играет роль вращающейся теплопередающей поверхности. Материал фольги или проволоки тот же, что и у пластинчатого рекуператора - медь, алюминий или нержавеющая сталь. Ротор имеет горизонтальную ось вращения приводного вала, вращаемого электродвигателем с шаговым или инверторным регулированием. С помощью двигателя можно управлять процессом рекуперации. Коэффициент эффективности 75-90%. Эффективность рекуператора зависит от температур потоков, их скорости и частоты вращения ротора. Изменяя частоту вращения ротора, можно менять и эффективность работы. Замерзание влаги в роторе исключено, а вот смешивание потоков, их взаимное загрязнение и передачу запахов полностью исключить нельзя, так как потоки непосредственно контактируют друг с другом. Возможно смешивание до 3%. Роторные рекуператоры не требуют больших затрат электроэнергии, позволяют осушать воздух в помещениях с высокой влажностью. Конструкция роторных рекуператоров является более сложной, чем пластинчатых, а их стоимость и затраты на эксплуатацию более высокими. Тем не менее, приточно-вытяжные установки с роторными рекуператорами являются очень популярными благодаря их высокой эффективности.

Рекуператоры с промежуточным теплоносителем.

Теплоноситель чаще всего вода или водные растворы гликолей. Такой рекуператор состоит из двух теплообменников, соединенных между собой трубопроводами с насосом для циркуляции и арматурой. Один из теплообменников помещен в канал с потоком вытяжного воздуха и получает теплоту от него. Теплота через теплоноситель с помощью насоса и труб переносится в другой теплообменник, расположенный в канале приточного воздуха. Приточный воздух воспринимает это тепло и нагревается. Смешивание потоков в этом случае полностью исключено, но из-за наличия промежуточного теплоносителя коэффициент эффективности этого типа рекуператоров относительно низок и составляет 45-55%. На эффективность можно влиять с помощью насоса, воздействуя на скорость движения теплоносителя. Основное преимущество и отличие рекуператора с промежуточным теплоносителем от рекуператора с тепловой трубой в том, что теплообменники в вытяжной и приточной установках можно располагать на расстоянии друг от друга. Положение для монтажа теплообменников, насоса и трубопроводов может быть как вертикальным, так и горизонтальным.

Тепловой насос.

Относительно недавно появилась интересная разновидность рекуператора с промежуточным теплоносителем – т.н. термодинамический рекуператор, в котором роль жидкостных теплообменников, труб и насоса играет холодильная машина, работающая в режиме теплового насоса. Это своеобразная комбинация рекуператора и теплового насоса. Она состоит из двух хладоновых теплообменников – испарителя-воздухоохладителя и конденсатора, трубопроводов, терморегулирующего вентиля, компрессора и 4-х ходового клапана. Теплообменники размещены в приточном и вытяжном воздуховоде, компрессор необходим для обеспечения циркуляции хладона, а клапан переключает потоки хладагента в зависимости от сезона и позволяет переносить теплоту из вытяжного воздуха в приточный и наоборот. При этом приточно-вытяжная система может состоять из нескольких приточных и одной вытяжной установки большей производительности, объединенных одним холодильным контуром. При этом возможности системы позволяют нескольким приточным установкам работать в разных режимах (нагрев/охлаждение) одновременно. Коэффициент преобразования теплового насоса СОР может достигать значений 4,5-6,5.

Рекуператор с тепловыми трубами.

По принципу работы рекуператор с тепловыми трубами похож на рекуператор с промежуточным теплоносителем. Разница лишь в том, что в потоки воздуха помещают не теплообменники, а так называемые тепловые трубы или точнее термосифоны. Конструктивно это герметично закрытые отрезки медной оребренной трубы, заполненные внутри специально подобранным легкокипящим хладоном. Один конец трубы в вытяжном потоке нагревается, хладон в этом месте кипит и передает воспринятое от воздуха тепло на другой конец трубы, обдуваемый потоком приточного воздуха. Здесь хладон внутри трубы конденсируется и передает тепло воздуху, который нагревается. Полностью исключены взаимное смешивание потоков, их загрязнение и передача запахов. Подвижных элементов нет, трубы в потоки помещают только вертикально либо под небольшим уклоном, чтобы хладон двигался внутри труб от холодного конца к горячему за счет силы тяжести. Коэффициент эффективности 50-70%. Важное условие для обеспечения работы его работы: воздуховоды, в которые установлены термосифоны, должны располагаться вертикально друг над другом.

Рекуператор камерного типа.

Внутренний объем (камера) такого рекуператора разделена заслонкой на две половины. Заслонка время от времени движется, меняя тем самым направление движения потоков вытяжного и приточного воздуха. Вытяжной воздух нагревает одну половину камеры, затем заслонка направляет сюда поток приточного воздуха и он нагревается от нагретых стенок камеры. Этот процесс периодически повторяется. Коэффициент эффективности достигает 70-80%. Но в конструкции есть подвижные детали, в связи с чем существует большая вероятность взаимного смешивания, загрязнения потоков и передачи запахов.

Расчет эффективности рекуператора.

В технических характеристиках рекуперативных вентиляционных установок многих фирм-производителей приводят, как правило, два значения коэффициента рекуперации – по температуре воздуха и его энтальпии. Расчет эффективности работы рекуператора может быть произведен по температуре или по энтальпии воздуха. Расчет по температуре учитывает явное теплосодержание воздуха, а по энтальпии – учитывается еще и влагосодержание воздуха (его относительную влажность). Расчет по энтальпии считается более точным. Для расчета необходимы исходные данные. Их получают путем замера температуры и влажности воздуха в трех местах: в помещении (где вентиляционная установка обеспечивает воздухообмен), на улице и в сечении приточной воздухораспределительной решетки (откуда в помещение попадает обработанный наружный воздух). Формула для расчета эффективности рекуперации по температуре следующая:

Kt = (T4 – T1) / (T2 – T1) , где

• Kt – коэффициент эффективности рекуператора по температуре;
• T1 – температура наружного воздуха, oC;
• T2 – температура вытяжного воздуха (т.е. воздуха в помещении), оС;
• T4 – температура приточного воздуха, оС.

Энтальпия воздуха – это теплосодержание воздуха, т.е. количество теплоты, содержащейся в нем, отнесенное к 1 кг сухого воздуха. Энтальпию определяют с помощью i-d диаграммы состояния влажного воздуха, нанеся на нее точки, соответствующие замеренной температуре и влажности в помещении, на улице и приточного воздуха. Формула для расчета эффективности рекуперации по энтальпии следующая:

Kh = (H4 – H1) / (H2 – H1) , где

• Kh – коэффициент эффективности рекуператора по энтальпии;
• H1 – энтальпия наружного воздуха, кДж/кг;
• H2 –энтальпия вытяжного воздуха (т.е. воздуха в помещении), кДж/кг;
• H4 – энтальпия приточного воздуха, кДж/кг.

Экономическая целесообразность применения приточно-вытяжных установок с рекуперацией.

В качестве примера возьмем технико-экономическое обоснование применения вентиляционных установок с рекуперацией в системах приточно-вытяжной вентиляции помещений автосалона.

Исходные данные:

• объект – автосалон общей площадью 2000 м2;
• средняя высота помещений 3-6 м, состоит из двух выставочных залов, офисной зоны и станции технического обслуживания (СТО);
• для приточно-вытяжной вентиляции указанных помещений были выбраны вентиляционные установки канального типа: 1 единица с расходом воздуха 650 м3/час и потребляемой мощностью 0,4 кВт и 5 единиц с расходом воздуха 1500м3/час и потребляемой мощностью 0,83 кВт.
• гарантированный диапазон наружных температур воздуха для канальных установок составляет (-15…+40) оС.

Для сравнения энергопотребления произведем расчет мощности канального электрического воздухонагревателя, которая необходима для подогрева наружного воздуха в холодное время года в приточной установке традиционного типа (состоящей из обратного клапана, канального фильтра, вентилятора и электрического воздухонагревателя) с расходом воздуха 650 и 1500 м3/час соответственно. При этом стоимость электроэнергии принимаем 5 рублей за 1кВт*час.

Наружный воздух необходимо нагреть от -15 до +20оС.

Расчет мощности электрического воздухонагревателя произведен по уравнению теплового баланса:

Qн = G*Cp*T, Вт , где:

• Qн – мощность воздухонагревателя, Вт;
• G - массовый расход воздуха через воздухонагреватель, кг/сек;
• Ср – удельная изобарная теплоемкость воздуха. Ср = 1000кДж/кг*К;
• Т – разность температур воздуха на выходе из воздухонагревателя и входе.

T = 20 – (-15) = 35 оС.

1. 650 / 3600 = 0,181 м3/сек

р = 1, 2 кг/м3 – плотность воздуха.

G = 0, 181*1, 2 = 0,217 кг/сек

Qн = 0, 217*1000*35 = 7600 Вт.

2. 1500 / 3600 = 0, 417 м3/сек

G = 0, 417*1, 2 = 0, 5 кг/ сек

Qн = 0, 5*1000*35 = 17500 Вт.

Таким образом, применение в холодное время года канальных установок с рекуперацией тепла вместо традиционных с использованием электрических воздухонагревателей позволяет уменьшить затраты электроэнергии при одном и том же количестве подаваемого воздуха более чем в 20 раз и тем самым позволяет снизить затраты и соответственно увеличить прибыль автосалона. Кроме этого, применение установок с рекуперацией позволяет уменьшить финансовые затраты потребителя на энергоносители на отопление помещений в холодное время года и на их кондиционирование в теплое время примерно на 50%.

Для большей наглядности произведем сравнительный финансовый анализ энергопотребления систем приточно-вытяжной вентиляции помещений автосалона, укомплектованных установками с рекуперацией тепла канального типа и традиционных установок с электрическими воздухонагревателями.

Исходные данные:

Система 1.

Установки с рекуперацией тепла расходом 650 м3/час– 1ед. и 1500 м3/час – 5ед.

Суммарная электрическая потребляемая мощность составит: 0,4 + 5*0,83 = 4,55 кВт*час.

Система 2.

Традиционные канальные приточно-вытяжные вентиляционные установки -1ед. с расходом 650м3/час и 5ед. с расходом 1500м3/час.

Суммарная электрическая мощность установки на 650 м3/час составит:

• вентиляторы – 2*0,155 = 0,31 кВт*час;
• автоматика и приводы клапанов – 0,1кВт*час;
• электрический воздухонагреватель – 7,6 кВт*час;

Итого: 8,01 кВт*час.

Суммарная электрическая мощность установки на 1500м3/час составит:

• вентиляторы – 2*0,32 = 0,64кВт*час;
• автоматика и приводы клапанов – 0,1 кВт*час;
• электрический воздухонагреватель – 17,5 кВт*час.

Итого: (18,24 кВт*час)*5 = 91,2 кВт*час.

Всего: 91,2 + 8,01 = 99,21кВт*час.

Принимаем период использования подогрева в системах вентиляции 150 рабочих дней в год по 9 часов. Получаем 150*9 =1350 часов.

Энергопотребление установок с рекуперацией составит: 4,55*1350 = 6142,5 кВт

Эксплуатационные затраты составят: 5 руб.*6142,5 кВт = 30712,5 руб. или в относительном (к общей площади автосалона 2000 м2) выражении 30172,5 / 2000 = 15,1 руб./м2.

Энергопотребление традиционных систем составит: 99,21*1350 = 133933,5 кВт Эксплуатационные затраты составят: 5 руб.*133933,5 кВт = 669667,5 руб. или в относительном (к общей площади автосалона 2000 м2) выражении 669667,5 / 2000 = 334,8 руб./м2.

Электродвигатели предназначены для приведения в движение различных механизмов, но после завершения движения механизм необходимо остановить. Для этого можно использовать тоже электрическую машину и метод рекуперации. О том, что такое рекуперация электроэнергии, рассказывается в этой статье.

Что такое рекуперация

Название этого процесса происходит от латинского слова “recuperatio”, которое переводится как “обратное получение”. Это возврат части израсходованной энергии или материалов для повторного использования.

Этот процесс широко используется в электротранспорте, особенно работающем на аккумуляторах. При движении под уклон и во время торможения системы рекуперации возвращает кинетическую энергию движения обратно в аккумулятор, подзаряжая их. Это позволяет проехать без подзарядки большее расстояние.

Рекуперативное торможение

Один из видов торможения – это рекуперативное. При этом скорость вращения электродвигателя больше, чем заданная параметрами сети: напряжением на якоре и обмотке возбуждения в двигателях постоянного тока или частотой питающего напряжения в синхронных или асинхронных двигателях. При этом электродвигатель переходит в режим генератора, а выработанную энергию отдаёт обратно в сеть.

Основным достоинством рекуператора является экономия электроэнергии. Это особенно заметно при движении по городу с постоянно изменяющейся скоростью, пригородном электротранспорте и метрополитене с большим количеством остановок и торможением перед ними.

Кроме достоинств, рекуперация имеет недостатки:

• невозможность полной остановки транспорта;
• медленная остановка при малых скоростях;
• отсутствие тормозного усилия на стоянке.

Для компенсации этих недостатков на транспортных средствах устанавливается дополнительная система механических тормозов.

Как работает система рекуперации

Для обеспечения работы эта система должна обеспечивать питание электродвигателя от сети и возврат энергии во время торможения. Проще всего это осуществляется в городском электротранспорте, а также в старых электромобилях, оснащенных свинцовыми аккумуляторами, электродвигателями постоянного тока и контакторами, – при переходе на пониженную передачу при высокой скорости режим возврата энергии включается автоматически.

В современном транспорте вместо контакторов используется ШИМ-контроллер. Это устройство позволяет возвращать энергию как в сеть постоянного, так и переменного тока. При работе оно работает как выпрямитель, а во время торможения определяет частоту и фазу сети, создавая обратный ток.

Интересно. При динамическом торможении электродвигателей постоянного тока они так же переходят в режим генератора, но вырабатывающаяся энергия не возвращается в сеть, а рассеивается на добавочном сопротивлении.

Силовой спуск

Кроме торможения, рекуператор используется для уменьшения скорости при опускании грузов грузоподъёмными механизмами и во время движения вниз по наклонной дороге электротранспорта. Это позволяет не использовать при этом изнашиваемый механический тормоз.

Применение рекуперации в транспорте

Этот метод торможения используется много лет. В зависимости от вида транспорта, его применение имеет свои особенности.

В электромобилях и электровелосипедах

При движении по дороге, а тем более, по бездорожью электропривод почти всё время работает в тяговом режиме, а перед остановкой или перекрёстком – “накатом”. Остановка производится, используя механические тормоза из-за того, что рекуперация при малых скоростях неэффективна.

Кроме того, КПД аккумуляторов в цикле “заряд-разряд” далёк от 100%. Поэтому, хотя такие системы и устанавливаются на электромобили, большую экономию заряда они не обеспечивают.

На железной дороге

Рекуперация в электровозах осуществляется тяговыми электродвигателями. При этом они включаются в режиме генератора, преобразующего кинетическую энергию поезда в электроэнергию. Эта энергия отдаётся обратно в сеть, в отличие от реостатного торможения, вызывающего нагрев реостатов.

Рекуперация используется также при длительном спуске по склону для поддержания постоянной скорости. Этот метод позволяет экономить электроэнергию, которая отдается обратно в сеть и используется другими поездами.

Раньше этой системой оборудовались только локомотивы, работающие от сети постоянного тока. В аппаратах, работающих от сети переменного тока, есть сложность с синхронизацией частоты отданной энергии с частотой сети. Сейчас эта проблема решается при помощи тиристорных преобразователей.

В метро

В метрополитене во время движения поездов происходит постоянный разгон и торможение вагонов. Поэтому рекуперация энергии даёт большой экономический эффект. Он достигает максимума, если это происходит одновременно в разных поездах на одной станции. Это учитывается при составлении расписания.

В городском общественном транспорте

В городском электротранспорте эта система устанавливается практически во всех моделях. Она используется в качестве основной до скорости 1-2 км/ч, после чего становится неэффективной, и вместо неё включается стояночный тормоз.

В Формуле-1

Начиная с 2009 года, в некоторых машинах устанавливается система рекуперации. В этом году такие устройства ещё не давали ощутимого превосходства.

В 2010 году такие системы не использовались. Их установка с ограничением на мощность и объём рекуперированной энергии возобновилась в 2011 году.

Торможение асинхронных двигателей

Снижение скорости асинхронных электродвигателей осуществляется тремя способами:

• рекуперация;
• противовключение;
• динамическое.

Рекуперативное торможение асинхронного двигателя

Рекуперация асинхронных двигателей возможна в трёх случаях:

• Изменение частоты питающего напряжения. Возможно при питании электродвигателя от преобразователя частоты. Для перехода в режим торможения частота уменьшается так, чтобы скорость вращения ротора оказалась больше синхронной;
• Переключением обмоток и изменением числа полюсов. Возможно только в двух,- и многоскоростных электродвигателях, в которых несколько скоростей предусмотрены конструктивно;
• Силовой спуск. Применяется в грузоподъёмных механизмах. В этих аппаратах устанавливаются электродвигатели с фазным ротором, регулировка скорости в которых осуществляется изменением величины сопротивления, подключаемого к обмоткам ротора.

В любом случае при торможении ротор начинает обгонять поле статора, скольжение становится больше 1, и электромашина начинает работать как генератор, отдавая энергию в сеть.

Противовключение

Режим противовключения осуществляется переключением двух фаз, питающих электромашину, между собой и включением вращения аппарата в обратную сторону.

Возможен вариант включения при противовключении добавочных сопротивлений в цепь статора или обмоток фазного ротора. Это уменьшает ток и тормозной момент.

Важно! На практике этот способ применяется редко из-за превышения токов в 8-10 раз выше номинальных (за исключением двигателей с фазным ротором). Кроме того, аппарат необходимо вовремя отключить, иначе он начнёт вращаться в обратную сторону.

Динамическое торможение асинхронного двигателя

Этот метод осуществляется подачей в обмотку статора постоянного напряжения. Для обеспечения безаварийной работы электромашины ток торможения не должен превышать 4-5 токов холостого хода. Это достигается включением в цепь статора дополнительного сопротивления или использованием понижающего трансформатора.

Постоянный ток, протекающий в обмотках статора, создаёт магнитное поле. При пересечении его в обмотках ротора наводится ЭДС, и протекает ток. Выделившаяся мощность создаёт тормозной момент, сила которого тем больше, чем выше скорость вращения электромашины.

Фактически асинхронный электродвигатель в режиме динамического торможения превращается в генератор постоянного тока , выходные клеммы которого закорочены (в машине с короткозамкнутым ротором) или включенные на добавочное сопротивление (электромашина с фазным ротором).

Рекуперация в электрических машинах – это вид торможения, позволяющий сэкономить электроэнергию и избежать износа механических тормозов.

Видео

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.

Рекупера́ция (от лат. recuperatio- «обратное получение») - возвращение части материаловилиэнергиидля повторного использования в том жетехнологическом процессе.

Рекуперация при обработке сырья называется десорбцией. Десорбция, как и другие процессы массопередачи, обычно обратима, а первичный процесс называется адсорбцией. Эти процессы широко применяются в химической промышленности при очистке и осушке газов, очистке и осветлении растворов, разделении смесей газов или паров, в частности при извлечении летучих растворителей из смеси газов (рекуперации летучих растворителей). Рекуперация жидких растворителей используется в производстве углеводородов, спиртов, простых и сложных эфиров и т. д. Процессы адсорбции и десорбции осуществляются на специализированных адсорбционных установках.

Рекуперация – процесс частичного возврата энергии для повторного использования. В данной теме мы говорим о рекуперации воздуха в системах вентиляции.

Принцип работы рекуператора

У нас есть приточно-вытяжная вентиляция. Приточный воздух зимой очищается воздушными фильтрами и нагревается калориферами. Он попадает в помещение, согревает его и разбавляет вредные газы, пыль и прочие выделения. Затем он попадает в вытяжную вентиляцию и выбрасывается на улицу… Отсюда мысль… Почему бы нам не нагревать холодный приточный воздух воздухом выбрасываемым. Ведь мы по сути выбрасываем деньги на ветер. Итак, у нас есть выбрасываемый воздух с температурой 21 С и приточный, который до калорифера имеет температуру -10 С. Мы устанавливаем, к примеру, рекуператор с пластинчатым теплообменником. Чтобы понять принцип действия рекуператора с пластинчатым теплообменником представьте себе квадрат, в котором вытяжной воздух проходит снизу-вверх, а приточный слева-направо. Причем эти потоки не смешиваются друг с другом за счет использования специальных теплопроводящих пластин, разделяющих эти два потока.

В итоге выбрасываемый воздух отдает приточному до 70% тепла и на выходе из рекуператора имеет температуру 2-6 С, а приточный воздух, в свою очередь, имеет температуру на выходе из рекуператора 12-16 С. Следовательно калорифер будет нагревать воздух не -10 С, а +12 С и это позволит нам значительно сэкономить на электро- или тепловой энергии, затрачиваемой на обогрев приточного воздуха.

Виды рекуператоров

Хотя рекуператор с пластинчатым теплообменником больше всего распространен на территории РФ, существуют и другие виды рекуператоров, которые в некоторых случаях являются более эффективными или вообще только они могут справиться с поставленными задачами. Мы предлагаем вам рассмотреть четыре самых популярных вида рекуператоров:

Рекуператор с пластинчатым теплообменником (Пластинчатый рекуператор)

Рекуператор с роторным теплообменником (Роторный рекуператор)

Водяной рециркуляционный рекуператор

Крышный рекуператор

Пластинчатый рекуператор

Наиболее распространенным типом является пластинчатый или перекрестно-точный рекуператор воздуха для квартир.

Он представляет собой небольшую кассету. В ней созданы два канала, которые разделены между собой листами стали. По ним идут раздельно приточный и вытяжной потоки воздуха. Сталь выполняет роль «фильтра» тепла. То есть происходит температурный обмен, но не допускается смешения воздуха. Распространенность этого типа устройств обусловлена его простотой, компактностью и дешевизной. Пластинчатый рекуператор воздуха для квартир обладает некоторыми недостатками, но они не столь существенны при установке в небольших жилых помещениях.

Преимущества: - устройство легко встраивается в любой участок воздуховода; - отсутствуют подвижные части (проще обслуживание, отсутствует риск смещения воздушных потоков и пр.); - относительно высокий коэффициент полезного действия – 50…90%; - можно работать с высокотемпературными газовыми и воздушными смесями (до +200°C); - аэродинамическое сопротивление проходящим воздушным потокам увеличивается незначительно; - простая регулировка производительности посредством перепускного клапана.

Пластинчатые рекуператорыустроены 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).

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

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

Пухов Алексей Вячеславович,
технический директор
компании «Тропик Лайн»