Рекуперация принцип работы. Рекуперация в системах вентиляции

Любое закрытое помещение нуждается в ежедневном проветривании, но иногда этого бывает недостаточно для создания комфортного и приятного микроклимата. В холодное время года, когда открыты окна в режиме проветривания, быстро уходит тепло, а это приводит к лишним затратам на отопление. В летнее время года многие пользуются кондиционерами, но вместе с охлажденным проникает и горячий воздух с улицы.

Чтобы уравновесить температуру и сделать воздух более свежим, придумано такое устройство, как рекуператор воздуха. В зимнее время оно позволяет не потерять комнатное тепло, а в летнюю жару не дает проникнуть в помещение горячему воздуху.

Что такое рекуператор?

В переводе с латинского, слово рекуператор означает - обратное получение или возвращение , касательно воздуха подразумевается возврат тепловой энергии, которая уносится с воздухом через систему вентиляции. Такое устройство, как рекуператор воздуха справляется с задачей вентиляции, уравновешивания двух воздушных потоков.

Принцип работы устройства очень простой, из-за разности температуры происходит теплообмен, за счет этого температура воздуха выравнивается. В рекуператоре есть теплообменник с двумя камерами, они пропускают через себя вытяжной и приточный потоки воздуха. Накопленный конденсат, который образуется из-за разности температуры, автоматически удаляется из рекуператора.

Система рекуперации позволяет не только вентилировать воздух в помещении, она значительно экономит расходы на отопление, поскольку эффективно сокращает потери тепла. Рекуператор способен сохранить более 2/3 уходящего из помещения тепла, а это значит, что устройство вторично использует тепловую энергию в одном технологическом цикле.

Классификация устройств

Рекуператоры отличаются схемами движения теплоносителей и по конструкции, а также по своему назначению. Есть несколько типов рекуператоров?

Пластинчатые
Роторные
Водные
Устройства, которые можно размещать на крыше.

Пластинчатые рекуператоры

Они считаются самыми распространенными, поскольку цена их невысокая, но они достаточно эффективные. Теплообменник, расположенный внутри устройства состоит из одной или нескольких пластин из меди или алюминия , пластика, очень прочной целлюлозы, они находятся в неподвижном состоянии. Воздух, попадая в устройство, проходит через ряд кассет и не смешивается, в процессе работы происходит одновременный процесс охлаждения и подогрева.

Устройство очень компактное и надежное, оно практически не выходит из строя. Рекуператоры пластинчатого типа функционируют без потребления электроэнергии, что является немаловажным преимуществом. Среди недостатков устройства - в морозное погоды пластинчатая модель работать не может, влагообмен невозможен из-за обмерзания вытяжного устройства. Его вытяжные каналы собирают конденсат, который замерзает при минусовой температуре.

Роторные рекуператоры

Такое устройство работает от электроэнергии, его лопасти от одного или двух роторов должны вращаться во время работы , после чего происходит движение воздуха. Обычно они имеют цилиндрическую форму с пластинами, плотно установленными и барабаном внутри Вращать их заставляют потоки воздуха, вначале выходит комнатный воздух, а затем, меняя направление, воздух поступает обратно с улицы.

Следует отметить, что роторные устройства имеют больше размеры, но КПД у них гораздо выше , чем у пластинчатых. Они отлично подходят для больших помещений - залов, торговых центров, больниц, ресторанов, поэтому для дома их покупать нецелесообразно. Среди минусов стоит отметить дорогое содержание таких устройств, поскольку они потребляют много электроэнергии, их непросто установить из-за громоздкости, стоят они дорого. Для монтажа необходима вентиляционная камера из-за больших размеров роторного рекуператора.

Рекуператор водяной и размещаемый на крыше

Рециркуляционные устройства переносят тепловую энергию в приточный теплообменник с помощью нескольких теплоносителей - воды, антифриза и др. Данное устройство очень похоже по производительности на пластинчатые рекуператоры, но отличается тем, что очень напоминает водяную систему отопления. Недостатком является невысокий КПД и частое техобслуживание.

Рекуператор, который можно разместить на крыше экономит пространство в комнате. Его КПД составляет максимум 68% , он не нуждается в эксплуатационных затратах, все эти качества можно отнести к преимуществам такого типа. Минусом является то, что такой рекуператор сложно монтировать, для него необходима специальная система крепления. Чаще всего такой тип используют для объектов промышленного назначения.

В любом жилом доме должна быть спроектирована и смонтирована естественная вентиляция, но на нее всегда влияют погодные условия, в зависимости от времени года, от этого зависит сила проветривания. Если зимой в мороз вентиляционная система работает эффективно, то в летнее время она практически не функционирует.

Герметичность жилого дома можно снизить путем улучшения естественной вентиляции, но она будет давать ощутимый результат только в холодное время года. Здесь есть и отрицательная сторона, например, из жилого дома будет уходить тепло, а поступающий холодный воздух потребует дополнительного обогрева.

Чтобы такой процесс вентиляции не был слишком затратным для хозяев дома, нужно использовать тепло воздуха, отводимое из помещения. Необходимо сделать принудительную циркуляцию воздуха. Для этого делается разводка сети приточных и вытяжных воздуховодов, затем установить вентиляторы. По ним будет подаваться воздух в отдельные помещения и такой процесс не будет связан с погодными условиями. Специально для этого устанавливается теплообменник в месте пересечения воздушных масс свежих и загрязненных.

Что дает рекуператор воздуха?

Система рекуперации позволяет свести к минимуму процент смешивания поступающего и вытягиваемого воздуха. Разделители, которые есть в устройстве, осуществляют это процесс. За счет передачи границе энергии потока происходит теплообмен, струи будут проходить параллельно либо перекрестно. Система рекуперации имеет много положительных характеристик .

Специального типа решетки на входе воздушных потоков удерживают пыль, насекомых, пыльцу и даже бактерии с улицы.
В помещение поступает очищенный воздух.
Из помещения уходит загрязненный воздух, в котором могут быть вредные компоненты.
Кроме циркуляции происходит очищение и утепление приточных струй.
Способствует более крепкому и здоровому сну.

Положительные свойства системы дают возможность применять ее в помещениях различного типа для создания более комфортных температурных условий. Очень часто они используются в промышленных помещениях, где необходима вентиляция большого пространства. В таких местах необходимо поддерживать постоянную температуру воздуха, с этой задачей справляются роторные рекуператоры, которые могут работать при температуре до +650 о С .

Заключение

Необходимый баланс свежего и чистого воздуха с нормальной влажностью сможет обеспечить система приточной и вытяжной вентиляции. Установив рекуператор можно решить многие проблемы, связанные также с экономией энергетических ресурсов.

Выбирая для своего дома рекуператор воздуха, необходимо учитывать площадь жилого помещения, степень влажности в нем и назначение устройства. Обязательно стоит обратить внимание на стоимость устройства и возможность установки, его КПД, от которого будет зависеть качество вентиляции всего дома.

Экология потребления. Усадьба: Потери тепла – серьезная проблема, с которой борется строительная наука. Эффективные утеплители, герметичные окна и двери решают ее лишь частично. Можно существенно снизить утечку тепла через стены, окна, крышу и пол. Несмотря на это у энергии остается еще один широкий путь для «побега». Это вентиляция, без которой невозможно обойтись в любом здании.

Потери тепла – серьезная проблема, с которой борется строительная наука. Эффективные утеплители, герметичные окна и двери решают ее лишь частично. Можно существенно снизить утечку тепла через стены, окна, крышу и пол. Несмотря на это у энергии остается еще один широкий путь для «побега». Это вентиляция, без которой невозможно обойтись в любом здании.

Получается, что зимой мы тратим драгоценное топливо на нагрев помещений и при этом непрерывно выбрасываем тепло на улицу, впуская холодный воздух.

Решить проблему энергосбережения можно с помощью рекуператора тепла. В этом устройстве теплый комнатный воздух нагревает уличный. Так достигается немалая экономия средств на отопление (до 25% от общей суммы затрат).

В летний период, когда на улице стоит жара, а в доме работает кондиционер, рекуператор тоже приносит пользу. Он охлаждает горячий входящий поток, снижая затраты на кондиционирование.

Давайте поближе познакомимся с бытовыми рекуперационными установками, чтобы иметь представление об их устройстве, достоинствах и особенностях выбора.

Виды, принцип работы и устройство рекуператоров

Идея использовать тепло комнатного воздуха для подогрева уличного оказалась очень плодотворной. Она была положена в основу работы всех рекуператоров.

На сегодняшний день используется три вида подобных устройств:

пластинчатые;
роторные;
рециркуляционные водяные.

Самые распространенные и простые по конструкции – пластинчатые рекуператоры. Они энергонезависимы, компактны, надежны в работе и имеют достаточно высокий КПД (40-65%).

Основная рабочая часть такого устройства – кассета, внутри которой установлены параллельные пластины. Выходящий из помещения и входящий в него воздух рассекается ими на узкие потоки, каждый из которых идет по своему каналу. Теплообмен происходит через пластины. Уличный воздух подогревается, а комнатный остывает и выбрасывается в атмосферу.

Принцип работы пластинчатого рекуператора

Главный недостаток пластинчатых установок – обмерзание в сильные морозы. Конденсат, оседающий в рекуперационном блоке, превращается в лед и резко снижает производительность устройства. Для борьбы с этим явлением было найдено три способа.

Первый – установка клапана байпаса. Получив сигнал от датчика, он пускает холодный поток в обход блока. Через пластины идет только теплый воздух, размораживающий наледь. После оттаивания и отвода конденсата клапан восстанавливает штатную работу системы.

Второй вариант – использование пластин из гигроскопичной целлюлозы. Вода, оседающая на стенках кассеты, впитывается в них и проникает в каналы, по которым движется приточный воздух. Так решается сразу две задачи: устранение конденсата и увлажнение.

Третий способ состоит в предварительном нагреве холодного потока до температуры, исключающей замерзание воды. Для этого в подающий вентиляционный канал ставят ТЭН. Необходимость в нем возникает при температуре уличного воздуха ниже -10С.

В последние годы на рынке появились пластинчатые реверсивные установки. В отличие от прямоточных устройств они работают в два такта: первый – выпуск теплого воздуха на улицу, второй – всасывание холодного через прогретый блок.

Принцип работы реверсивной установки

Еще один вид установок - роторные рекуператоры. КПД таких устройств существенно выше, чем у пластинчатых (74-87%).

Принцип действия роторной установки заключается во вращении кассеты с ячейками в потоке входящего и выходящего воздуха. Двигаясь по кругу, каналы поочередно пропускают теплый внутренний и холодный наружный потоки. Влага в этом случае не замерзает, а насыщает приточный воздух.

Следует отметить, что приточно-вытяжная установка с рекуператором роторного типа позволяет плавно регулировать теплоотдачу. Делается за счет изменения скорости вращения кассеты. Основной недостаток роторных систем - высокая стоимость обслуживания. По надежности они также уступают пластинчатым.

Следующий вид - рециркуляционная водяная установка. Она самая сложная по конструкции. Передача тепла здесь выполняется не через пластины или ротор, а с помощью антифриза или воды.

Первый жидкостно-воздушный теплообменник ставится на вытяжном канале, а второй на всасывающем. Работа идет по принципу калорифера: комнатный воздух нагревает воду, а она греет уличный.

КПД такой системы не превышает показателей пластинчатых рекуператоров (50-65%). Высокая цена, которую приходится платить за сложность конструкции, оправдывается единственным преимуществом: блоки такой установки можно разместить не в одном корпусе, а на отдаленных друг от друга участках приточно-вытяжной вентиляции. Для мощных промышленных систем это имеет большое значение. В небольших зданиях такие устройства не ставят.

Особенности выбора рекуператора

Познакомившись с особенностями работы рекуператорных установок, пора перейти к практической части – критериям выбора для выполнения конкретных задач.

Первое, на что нужно обратить внимание – способ монтажа. В рабочее положение бытовая приточно-вытяжная вентиляция с рекуперацией тепла может быть установлена несколькими способами:

Внутри стены. Корпус монтируется в предварительно пробуренное отверстие. С наружной стороны ставится колпак, с внутренней - решетка и блок управления.

Внутри помещения. Установка навешивается на стену. Снаружи ставится решетка или колпак.

Наружное размещение. Преимущества такого решения очевидны: минимум шума и экономия места. Канальное устройство прибора позволяет размещать его на балконах и лоджиях, а также просто на фасаде здания.

Еще один параметр, который нужно учесть при покупке – количество вентиляторов. Бюджетные рекуператоры воздуха для дома оснащаются одной вентиляционной установкой, работающей и на приток, и на вытяжку.

Более дорогие устройства имеют 2 вентилятора. Один из них закачивает, а другой выбрасывает воздух. Производительность таких приборов выше, чем одновентиляторных.

При покупке также следует обращать внимание на наличие электрического нагревателя. С его помощью исключается обмерзание кассеты и повышается нижний температурный предел работы устройства.

Функция климат-контроль. Позволяет точно задать температуру, до которой рекуператор будет нагревать воздух.

Возможность регулирования влажности. Этот параметр существенно влияет на комфорт микроклимата. Стандартный рекуператор пересушивает воздух, забирая из него влагу.

Наличие или отсутствие фильтра. Дополнительная опция, положительно влияющая на санитарные характеристики воздушной смеси.

Важный параметр, требующий внимания – температура перекачиваемого воздуха. В разных моделях ее значение может существенно отличаться. Максимально широкий диапазон рабочих температур от -40 до +50С у бытовых устройств встречается редко.

Поэтому кроме учета оптимальной производительности в м3/час, при покупке выбирайте прибор, который сможет полноценно работать в ваших климатических условиях.

Расчет производительности

Детальные расчеты работы рекуператоров в системе приточно-вытяжной вентиляции достаточно сложны. Здесь приходится учитывать множество факторов: кратность воздухообмена в помещениях, сечение каналов, скорость движения воздуха, необходимость установки глушителей и т.д. Грамотно выполнить такую задачу способны только опытные инженеры.

Рядовой потребитель может воспользоваться упрощенной методикой для того, чтобы правильно сориентироваться при покупке устройства.

Производительность рекуператора напрямую зависит от санитарной нормы расхода воздуха на 1 человека. Ее среднее значение составляет 30 м3/час. Поэтому, если в квартире или частном доме постоянно проживают 4 человека, то производительность установки должна быть не менее 4х30=120 м3/час.

Собственная электрическая мощность бытовых рекуператоров невелика (25-80 Вт). Она определяется уровнем энергопотребления канальных вентиляторов. В установках с электродогревом входящего потока ставятся ТЭНы общей мощностью от 0,8 до 2,0 КВт.

Кратко о самостоятельной сборке

В большинстве фото и видеоинструкций по самостоятельному изготовлению рекуператоров рассматриваются пластинчатые модели. Это самый простой и доступный вариант для домашнего мастера.

Главная часть конструкции – теплообменник. Его делают из оцинкованной стали, нарезая ее в виде пластин размером 30х30 см. Для создания каналов на краях и посередине каждой секции с помощью силикона наклеивают пластиковые полосы толщиной 4 мм и шириной 2-3 см.

Собирают теплообменник, накладывая и поочередно поворачивая пластины на угол в 90 градусов относительно друг друга. Так получают изолированные каналы для встречного движения холодного и теплого воздуха.

После этого под размеры теплообменника изготавливают корпус из металла, ДСП или пластика. В нем делают четыре отверстия для подачи воздуха. В два из них ставят вентиляторы. Теплообменник разворачивают под углом в 45 градусов и закрепляют его в корпусе.

Завершает работу тщательная герметизация всех монтажных стыков силиконом.

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

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

Пухов Алексей Вячеславович,
технический директор
компании «Тропик Лайн»

При постройке дома необходимо выбрать и установить систему для рекуперации тепла в системах вентиляции. Существует несколько модификаций вентиляционного оснащения, которое выбирают в зависимости от его производителя. Оборудование природного импульса включает в себя нагнетательные клапаны для стен и окон, обеспечивающие поступление свежего воздуха в комнаты. Для удаления запахов из туалетных и ванных комнат, а также из кухонь устанавливают вытяжные воздуховоды.

Воздухообмен получается из-за разницы температур в комнате и за её пределами. В летнее время температуры выравниваются как внутри, так и снаружи комнат. То есть воздухообмен приостанавливается. В зимний период эффект проявляется более оперативно, но при этом потребуется больше энергозатрат для нагрева холодного уличного воздуха.

Составная вытяжка является системой с принудительной вентиляцией и с естественной циркуляцией воздуха. Недостатками являются:

слабый воздухообмен в доме.

К преимуществам можно отнести невысокую цену и отсутствие внешних природных факторов. Но при этом по качеству и функциональности аэрация не может считаться полноценной вентиляцией.

Для обеспечения комфортных условий в новых жилых домах устанавливают универсальные системы вынужденной аэрации. Системы с рекуператором обеспечивают поступление свежего воздуха нормальной температуры с одновременным удалением отработанного воздуха из помещений. Вместе с этим происходит теплоотвод из нагнетательного потока.

Экономия тепловой энергии с помощью приточно-вытяжной вентиляции с рекуператором // FORUMHOUSE

В зависимости от типов рекуператоров и размеров помещений, в которых установлена вентиляция, происходит улучшение микроклимата более или менее эффективно. Но даже при установленной рекуперации при коэффициенте полезного действия всего лишь 30% экономия энергоресурсов будет значительной, а также происходит улучшение общего микроклимата в комнатах. Но имеются у теплообменников и недостатки:

увеличение потребления электроэнергии;
выделение конденсата, а зимой возникает обледенение, что может привести к поломке рекуператора;
сильный шум при работе, доставляющий большие неудобства.

Теплообменные аппараты или теплоутилизаторы в системах вентиляции с усиленной теплошумоизоляцией работают очень тихо.

Рекуператоры направленного движения теплоносителей предполагают вентиляцию и утилизацию тёплого отработанного воздуха. Аппарат осуществляет перемещение воздуха в двух направлениях с одинаковой скоростью. С теплоутилизаторами повышается комфортность жизни в домах.

При этом значительно снижаются расходы на отопление и вентиляцию, соединяя оба серьёзных процесса в один. Такие аппараты можно использовать как в жилых, так и в производственных помещениях. Таким образом, экономия денежных средств составит приблизительно от тридцати до семидесяти процентов. Теплоутилизаторы можно разделить на две группы: теплообменники простого действия и тепловые насосы для увеличения запаса утилизируемой теплоты. Теплообменники можно использовать лишь в тех случаях, когда ресурсы источников больше ресурсов микроклимата, которому передаётся теплоэнергия.

Система вентиляции квартиры с рекуператором Ecoluxe EC-900H3.

Устройства, передающие тепло от источников к потребителям при помощи промежуточных рабочих тел, например, жидкостей, циркулирующих в замкнутых контурах, состоящих из циркуляционных насосов, трубопроводов и теплообменников, находящихся в нагреваемых и охлаждаемых камерах, называются рекуператорами с промежуточными теплоносителями . Такое оборудование широко применяется в разных теплообменниках и циркуляционных насосах при больших расстояниях между источником и потребителем тепла.

Этот принцип используется в разветвлённой системе утилизации тепла и энергопотребителей с разными характеристиками. Работа теплоутилизатора с промежуточным теплоносителем состоит в том, что процесс в нём протекает в диапазоне водяного пара с изменением агрегатного состояния при постоянной температуре, давлении и объёме. Эксплуатация утилизаторов с тепловыми насосами отличается тем, что движение рабочей жидкости в них производится компрессором.

Эффективность рекуператора труба в трубе осенью. +6гр.Ц. на улице.

Аппараты смешанного действия

Для утилизации и для согревания приточного воздуха применяют обменники рекуператорного или контактного типа . Могут также устанавливаться аппараты смешанного действия, то есть один - рекуператорного действия, а второй - контактного. Желательно устанавливать промежуточные теплоносители безвредные, недорогие, не вызывающие коррозию в трубопроводах и теплообменниках. До недавнего времени в роли промежуточных теплоносителей выступали только вода или водные гликоли.

В настоящий момент их функции успешно выполняет холодильный агрегат, который работает как тепловой насос в комбинации с рекуператором. Теплообменники располагаются в приточных и вытяжных воздуховодах, а при помощи компрессора осуществляется циркуляция фреона, потоки которого переносят тепло из вытяжного воздушного потока в приточный и обратно. Всё зависит от времени года. Такая система состоит из двух и более , которые объединяет один холодильный контур, что обеспечивает синхронную работу установок в разных режимах.

Особенности пластинчатой и роторной конструкций

Самая простая конструкция у пластинчатого рекуператора. Основой такого теплообменника является герметическая камера с параллельными воздуховодами . Его каналы разделяются стальными или алюминиевыми теплопроводными пластинками. Недостатком этой модели является образование конденсата в вытяжных каналах и появление ледяной корки в зимнее время. При размораживании оборудования поступающий воздух идёт на теплообменник, а тёплые исходящие воздушные массы способствуют растапливанию льда на пластинах. Для предотвращения подобных ситуаций предпочтительнее использовать пластины из алюминиевой фольги, пластика или целлюлозы.

Роторные рекуператоры являются самыми высокоэффективными аппаратами и представляют собой цилиндры с гофрированными металлическими прослойками. При вращении барабанной установки в каждую секцию входит тёплый или холодный поток воздуха. Так как коэффициент полезного действия обуславливается темпом вращения ротора, таким аппаратом возможно управлять.

К достоинствам можно отнести возвращение тепла приблизительно 90%, экономичное расходование электричества, увлажнение воздуха, кратчайшие сроки окупаемости. Чтобы рассчитать эффективность рекуператора, необходимо измерить температуру воздуха и вычислить энтальпию всей системы по формуле: H = U + PV (U - внутренняя энергия; P - давление в системе; V - объём системы).

Рекуперация — это процесс возврата максимального количества энергии. В вентиляции рекуперацией называется процесс передачи тепловой энергии из вытяжного воздуха в приточный. Существует множество различных видов рекуператоров и в данной статье мы о каждом из них расскажем. Каждый из видов рекуператоров хорош по своему и обладает уникальными преимуществами, но любой из них позволит Вам экономить на обогреве приточного воздуха зимой не менее 50%, а чаще до 95%.

Процесс передачи тепла от вытяжного воздуха в приточный весьма интересен. Далее начнем разбирать каждый вид рекуператоров воздуха чтобы вы более легко поняли что же это такое и какой рекуператор нужен именно Вам.

Самый популярный вид рекуператоров, а точнее приточно-вытяжных установок с пластинчатым рекуператором. Свою популярность он завоевал благодаря простоте и надежности конструкции самого теплообменника рекуператора.

Принцип работы прост — два потока воздуха (вытяжной и приточный) пересекаются в теплообменнике рекуператора, но так, что их разделяют стенки. В итоге эти потоки не смешиваются. Теплый воздух нагревает стенки теплообменника, а стенки нагревают приточный воздух. Эффективность пластинчатых рекуператоров (КПД пластинчатого рекуператора) измеряется в процентах и соответствует:

45-78% для металлических и пластиковых теплообменников рекуператоров.

60-92% для пластинчатых рекуператоров с целлюлозными гигроскопичными теплообменниками.

Такой скачок КПД в сторону целлюлозных рекуператоров обусловлен во-первых возвратом влаги через стенки рекуператора из вытяжного воздуха в приточный, а во-вторых передачей в этой же влаге скрытого тепла. Ведь в рекуператорах роль играет не тепло самого воздуха, а тепло влаги, содержащейся в нем. Воздух без влаги обладает очень низкой теплоемкостью, а влага — это вода… с известной большой теплоемкостью.

Для всех рекуператоров, кроме целлюлозных, обязателен вывод дренажа. Т.е. при планировании установки рекуператора Вам необходимо помнить о том что требуется еще и подвод канализации.

Итак, плюсы:

1. Простота конструкции и надежность.

2. Высокий КПД.

3. Отсутствие дополнительных потребителей электроэнергии.

Ну и, конечно-же, минусы:

1. Для функционирования такого рекуператора — к нему должны подводиться и приток и вытяжка. Если система проектируется с нуля — то это не минус вовсе. А вот если система уже имеется и приток с вытяжкой находятся на расстоянии — лучше применить .

2. При минусовых температурах теплообменник рекуператора может обмерзать. Для его разморозки требуется либо прекращение или снижение подачи воздуха с улицы, либо применение байпасного клапана, который пускает приточный воздух в обход теплообменника, пока тот размораживается вытяжным воздухом. При таком режиме разморозки весь холодный воздух попадает в систему минуя рекуператор и требуется много электричества чтобы его нагреть. Исключение — целлюлозные пластинчатые рекуператоры.

3. В основном данные рекуператоры не возвращают влагу и подающийся воздух в помещения пересушен. Исключение — целлюлозные пластинчатые рекуператоры.

Второй по популярности вид рекуператоров. Еще бы… Высокий КПД, не замерзает, более компактный чем пластинчатый, да еще и влагу возвращает. Одни плюсы.

Роторный рекуператор сделан из алюминия, намотанного слоями на ротор, причем один лист плоский, а второй зигзагообразный. Чтобы воздух проходил. Приводится в движение электроприводом через ремень. Этот «барабан» вращается и каждая часть его при прохождении зоны вытяжки нагревается, а затем перемещаясь в зону притока охлаждается, тем самым передавая тепло приточному воздуху.

Для защиты от перетоков воздуха используется продувочный сектор.

Новый и не очень известный вид рекуператоров воздуха. В крышных рекуператорах на самом деле используются пластинчатые рекуператоры и иногда роторные, но мы решили вынести их отдельным видом рекуператоров, т.к. крышный рекуператор — это специфический отдельный вид приточно-вытяжных установок с рекуператором.

Крышные рекуператоры подходят для больших однообъемных помещений и являются вершиной удобства проектирования, монтажа и эксплуатации. Для его установки достаточно сделать нужное окно в кровле здания, поставить специальный «стакан», который распределяет нагрузку, и поставить в него крышный рекуператор. Всё просто. Забор воздуха производится из-под потолка в помещении, а подача по пожеланиям заказчика, либо из-под потолка, либо в зону дыхания рабочих или посетителей торговых центров.

Рекуператор с промежуточным теплоносителем:

А этот вид рекуператоров подойдет для уже существующих систем вентиляции «приток отдельно — вытяжка отдельно».

Ну или при невозможности построения новой системы вентиляции с каким либо видом рекуператора, который предполагает собой подвод притока и вытяжки в одно помещение. Но стоит помнить что и пластинчатые и роторные теплообменники обладают белее высоким КПД, чем гликолевые.