Consumul de căldură pentru încălzirea standardului sanitar de alimentare aer exterior la metode moderne protectia termica a structurilor de inchidere este in cladiri rezidentiale până la 80% din sarcina termică pe dispozitivele de încălzire, iar în clădirile publice și administrative - mai mult de 90%. Prin urmare, sistemele de încălzire cu economie de energie în desene moderne clădirile pot fi create numai dacă
recuperarea căldurii aer evacuat pentru încălzirea standardului sanitar de alimentare cu aer exterior.
De asemenea, a avut succes și experiența utilizării unei unități de recuperare cu circulație prin pompă a unui lichid de răcire intermediar - antigel - într-o clădire administrativă din Moscova.
Când unitățile de alimentare și evacuare sunt situate la o distanță mai mare de 30 m una de alta, un sistem de reciclare cu circulație prin pompă a antigelului este cel mai rațional și economic. Dacă sunt situate în apropiere, este posibilă o soluție și mai eficientă. Astfel, în regiunile climatice cu ierni blânde, când temperatura aerului exterior nu scade sub -7 °C, schimbătoarele de căldură cu plăci sunt utilizate pe scară largă.
În fig. Figura 1 prezintă schema de proiectare a unui schimbător de căldură cu recuperare de căldură cu plăci (transferul de căldură se realizează prin peretele despărțitor). Aici (Fig. 1, a) este prezentat un schimbător de căldură „aer-aer” asamblat din canale de plăci, care poate fi realizat din tablă subțire de oțel galvanizat, aluminiu etc.
Figura 1.a - canale de plăci în care aerul evacuat L y pătrunde de deasupra pereților despărțitori ai canalelor și aerul orizontal de alimentare din exterior L pn; b - canale tubulare în care aerul evacuat L y trece prin tuburi de sus, iar aerul de alimentare extern L p.n trece orizontal în spațiul intertubular
Conductele cu plăci sunt închise într-o carcasă care are flanșe pentru conectarea la conductele de aer de alimentare și evacuare.
În fig. 1, b prezintă un schimbător de căldură „aer-aer” realizat din elemente tubulare, care poate fi și din aluminiu, oțel galvanizat, plastic, sticlă etc. Țevile sunt fixate în foile tubulare superioare și inferioare, care formează canale pentru trecerea aerului evacuat. Pereții laterali și foile tubulare formează cadrul schimbătorului de căldură, cu secțiuni frontale deschise, care sunt conectate la conducta de alimentare cu aer pentru alimentarea cu aer exterior L p.n.
Datorită suprafeței dezvoltate a canalelor și instalării în acestea a duzelor de turbulizare a aerului, în astfel de schimbătoare de căldură „aer-aer”, se obține o eficiență termică ridicată θ t p.n (până la 0,75), iar acesta este principalul avantaj a unor astfel de dispozitive.
Dezavantajul acestor recuperatoare este necesitatea de a preîncălzi aerul extern de alimentare în încălzitoarele electrice la o temperatură nu mai mică de -7 ° C (pentru a evita înghețarea condensului pe partea aerului umed evacuat).
În fig. Figura 2 prezintă o diagramă de proiectare a unei unități de alimentare și evacuare cu o unitate de recuperare a căldurii aerului evacuat de tip placă L y pentru încălzirea aerului extern de alimentare L p.n. Unitățile de alimentare și evacuare sunt realizate într-o singură carcasă. Filtrele 1 și 4 sunt instalate mai întâi la intrarea aerului de alimentare L extern și a aerului evacuat L. Atât ventilatoarele de alimentare 5, cât și cele de evacuare 6 trec prin schimbătorul de căldură cu plăci 2, unde energia de aerul evacuat încălzit L este transferat la alimentarea rece L p.n.
Figura 2. Diagrama structurală unități de alimentare și evacuare cu un schimbător de căldură cu plăci având un canal de aer bypass prin aerul extern de alimentare:1 - filtru de aer în unitatea de alimentare; 2 - schimbator de caldura cu recuperare in placi; 3 - flansa de racordare a conductei de aer pentru admisia aerului evacuat; 4 - filtru de buzunar pentru curatarea aerului evacuat L y; 5 - ventilator de alimentare cu motor electric pe un cadru; 6 - ventilator de evacuare cu motor electric pe un cadru; 7 - tavă pentru colectarea umezelii condensate din canalele de trecere a aerului evacuat; 8 - conducta de scurgere a condensului; 9 - canal de aer bypass pentru trecerea aerului de alimentare L p.n.; 10 - antrenare automată a supapelor de aer în canalul de bypass; 11 - încălzitor de aer pentru reîncălzire alimentare cu aer extern, alimentat apă fierbinte
De regulă, aerul evacuat are un conținut ridicat de umiditate și o temperatură a punctului de rouă de cel puțin +4 °C. Când aerul exterior rece cu o temperatură sub +4 °C intră în canalele schimbătorului de căldură 2, se va stabili o temperatură pe pereții despărțitori la care se va produce condensarea vaporilor de apă pe o parte a suprafeței canalelor de pe partea laterală a canalului. deplasarea aerului evacuat eliminat.
Condensul rezultat, sub influența fluxului de aer L y, va curge intens în vasul 7, de unde este evacuat în canalizare (sau rezervor de stocare) printr-o conductă conectată la conducta 8.
Schimbătorul de căldură cu plăci este caracterizat de următoarea ecuație de echilibru termic al căldurii transferate către aerul extern de alimentare:
unde Qtu este energia termică utilizată de aerul de alimentare; L y, L p.n - debitele de evacuare încălzită și aer de alimentare extern, m 3 / h; ρ y, ρ p.n - densitățile specifice ale aerului de evacuare încălzit și de alimentare externă, kg/m 3 ; I y 1 și I y 2 - entalpia inițială și finală a aerului evacuat încălzit, kJ/kg; t n1 și t n2, c p - temperaturile inițiale și finale, °C, și capacitatea termică, kJ/(kg · °C), a aerului de alimentare extern.
La temperaturi inițiale scăzute ale aerului exterior t n.x ≈ t n1 pe pereții despărțitori ai canalelor, condensul care cade din aerul evacuat nu are timp să se scurgă în vasul 7, ci îngheață pe pereți, ceea ce duce la o îngustare. a zonei de curgere si creste rezistenta aerodinamica la trecerea aerului evacuat. Această creștere a rezistenței aerodinamice este sesizată de un senzor, care transmite o comandă acționării 10 pentru a deschide supapele de aer din canalul de ocolire 9.
Testele schimbătoarelor de căldură cu plăci în clima rusă au arătat că atunci când temperatura aerului exterior scade la tn.x ≈ tn1 ≈ -15 °C, supapele de aer din bypass-ul 9 sunt complet deschise și toată alimentarea cu aer exterior L p.n trece ocolind canalele de plăci ale schimbătorului de căldură 2.
Încălzirea aerului extern de alimentare L p.n de la t n.x la t p.n se realizează în încălzitorul 11, alimentat cu apă caldă de la o sursă centrală de alimentare cu căldură. În acest mod, Qtu, calculat prin ecuația (9.10), este egal cu zero, deoarece numai aerul evacuat trece prin schimbătorul de căldură atașat 2 și I y 1 ≈ I y 2, adică. Nu există recuperare de căldură.
A doua metodă de prevenire a înghețului condensului în canalele schimbătorului de căldură 2 este preîncălzirea electrică a aerului de alimentare din exterior de la t nr.x la t nr.1 = -7 °C. În condițiile de proiectare ale perioadei rece a anului în climatul Moscovei, alimentarea cu aer rece din exterior în încălzitorul electric trebuie încălzită cu ∆t t.el = t n1 - t n.x = -7 + 26 = 19 ° C. Încălzirea aerului extern de alimentare la θ t p.n = 0,7 și t у1 = 24 °C va fi t p.n = 0,7 · (24 + 7) - 7 = 14,7 °C sau ∆t t.u = 14,7 + 7 = 21,7 °C.
Calculul arată că în acest mod încălzirea în schimbătorul de căldură și în încălzitorul de aer este aproape aceeași. Utilizarea bypass-ului sau a preîncălzirii electrice reduce semnificativ eficiența termică a schimbătoarelor de căldură cu plăci în sistemele de ventilație de alimentare și evacuare în clima rusă.
Pentru a elimina acest dezavantaj, specialiștii casnici au dezvoltat o metodă originală de dezghețare periodică rapidă a schimbătoarelor de căldură cu plăci prin încălzirea aerului evacuat care este eliminat, ceea ce asigură funcționarea fiabilă și eficientă din punct de vedere energetic a unităților pe tot parcursul anului.
În fig. Figura 3 prezintă o diagramă schematică a unei instalații de recuperare a căldurii aerului evacuat X pentru încălzirea aerului extern de alimentare L pn cu eliminarea rapidă a înghețului canalelor 2 pentru a îmbunătăți trecerea aerului evacuat prin schimbătorul de căldură cu plăci 1.
Prin conductele de aer 3, schimbătorul de căldură 1 este conectat la calea de trecere a aerului extern de alimentare L pn, iar prin conductele de aer 4 la calea de trecere a aerului evacuat eliminat L y.
Figura 3. Diagrama schematică a utilizării unui schimbător de căldură cu plăci în clima rusă: 1 - schimbator de caldura cu placi; 2 - canale de placă pentru trecerea aerului exterior de alimentare rece L pn și a aerului de evacuare cald L y; 3 - racordarea conductelor de aer pentru trecerea aerului extern de alimentare L p.n.; 4 - racordarea conductelor de aer pentru trecerea aerului evacuat L y; 5 - încălzitor în fluxul de aer evacuat L la intrarea în canalele 2 ale schimbătorului de căldură cu plăci 1.6 - supapă automată pe conducta de alimentare apă fierbinte G w g; 7 - racord electric; 8 - senzor pentru monitorizarea rezistenței la curgerea aerului în canalele 2 pentru trecerea aerului evacuat L y; 9 - scurgerea condensului
La temperaturi scăzute ale aerului extern de alimentare (t n1 = t n. x ≤ 7 °C), prin pereții canalelor plăcilor 2, căldura din aerul evacuat este transferată complet către căldura corespunzătoare ecuației de echilibru termic [ vedea. formula (1)]. O scădere a temperaturii aerului evacuat are loc cu condensarea abundentă a umidității pe pereții canalelor plăcilor. O parte din condens reușește să se scurgă din canalele 2 și este îndepărtată prin conducta 9 în sistemul de canalizare (sau rezervorul de stocare). Cu toate acestea, majoritatea condensului îngheață pe pereții canalelor 2. Acest lucru determină o creștere a căderii de presiune ∆P y în debitul de aer evacuat, măsurată de senzorul 8.
Când ∆Р y crește la valoarea configurată, se va trimite o comandă de la senzorul 8 prin conexiunea cablată 7 pentru a deschide supapa automată 6 de pe conducta de alimentare cu apă caldă G w g în tuburile încălzitorului 5 instalat în conducta de aer 4 pt. alimentarea cu aer evacuat la schimbătorul de căldură cu plăci 1. Când se deschide supapa automată 6, apa fierbinte G w g va curge în tuburile de încălzire 5, ceea ce va provoca o creștere a temperaturii aerului eliminat t y 1 la 45-60 ° C.
La trecerea prin canalele 2 ale aerului eliminat din temperatură ridicată Va exista o dezgheț rapid de pe pereții canalelor de gheață și condensul rezultat va curge prin conducta 9 în sistemul de canalizare (sau în rezervorul de stocare a condensului).
După dezghețarea gheții, scăderea de presiune în canalele 2 va scădea și senzorul 8, prin conexiunea 7, va trimite o comandă de închidere a supapei 6 și alimentarea cu apă caldă la încălzitorul 5 se va opri.
Să luăm în considerare procesul de recuperare a căldurii pe diagrama I-d, prezentată în Fig. 4.
Figura 4. Trasarea pe o diagramă I-d a modului de funcționare în clima Moscova a unei unități de recuperare cu un schimbător de căldură cu plăci și dezghețarea acesteia folosind o nouă metodă (conform diagramei din Fig. 3). U 1 - U 2 - mod de proiectare pentru extragerea căldurii din aerul evacuat; Н 1 - Н 2 - încălzire cu căldura recuperată a aerului extern de alimentare în modul de proiectare; U 1 - U sub 1 - încălzirea aerului evacuat în modul dezghețare a canalelor lamelare pentru trecerea aerului evacuat din îngheț; În prima dată - parametrii inițiali ai aerului eliminat după transferul de căldură pentru a dezgheța gheața de pe pereții canalelor plăcilor; H 1 -H 2 - încălzirea aerului extern de alimentare în modul dezghețare al schimbătorului de căldură cu recuperare în plăci
Să evaluăm influența metodei de dezghețare a schimbătoarelor de căldură cu plăci (conform diagramei din Fig. 3) asupra eficienței termice a modurilor de recuperare a căldurii aerului evacuat folosind următorul exemplu.
EXEMPLUL 1. Condiții inițiale: Într-o clădire industrială și administrativă mare din Moscova (t n.h = -26 °C) a fost instalată în alimentare o unitate de recuperare a căldurii (HRU) bazată pe un schimbător de căldură cu plăci recuperatoare (cu indicator θ t n.h = 0,7). și sistem de ventilație prin evacuare). Volumul și parametrii aerului evacuat eliminat în timpul procesului de răcire sunt: Lу = 9000 m3/h, tу1 = 24 °С, Iy1 = 40 kJ/kg, tр.у1 = 7 °С, dу1 = 6, 2 g/kg (vezi construcția diagramei I-d din Fig. 4). Debit aer exterior de alimentare L p.n = 10.000 m 3 /h. Schimbătorul de căldură este dezghețat prin creșterea periodică a temperaturii aerului evacuat, așa cum se arată în diagrama din Fig. 3.
Necesar: Pentru a stabili eficiența termică a modurilor de recuperare a căldurii folosind o nouă metodă de dezghețare periodică a plăcilor aparatului.
Soluție: 1. Calculați temperatura aerului extern de alimentare încălzit de căldura recuperată în condițiile de proiectare ale perioadei rece a anului la tn.x = tn1 = -26 °C:
2. Calculăm cantitatea de căldură recuperată în prima oră de funcționare a instalației de recuperare, când înghețarea canalelor plăcilor nu a afectat eficiența termică, dar a crescut rezistența aerodinamică în canalele pentru trecerea aerului îndepărtat:
3. După o oră de funcționare a TUU în condiții de iarnă proiectate, un strat de îngheț s-a acumulat pe pereții canalelor, ceea ce a determinat o creștere a rezistenței aerodinamice ∆Р у. Să determinăm cantitatea posibilă de gheață pe pereții canalelor de trecere a aerului evacuat prin schimbătorul de căldură cu plăci format într-o oră. Din ecuația de echilibru termic (1) calculăm entalpia aerului evacuat răcit și uscat:
Pentru exemplul luat în considerare, folosind formula (2) obținem:
În fig. Figura 4 prezintă construcția pe diagrama I-d a modurilor de încălzire ale aerului extern de alimentare (proces H 1 - H 2) cu căldura recuperată a aerului evacuat (procesul U 1 - U 2). Prin trasarea diagramei I-d, am obținut parametrii rămași ai aerului evacuat răcit și uscat (vezi punctul U 2): t у2 = -6,5 °С, d у2 = 2,2 g/kg.
4. Cantitatea de condens care cade din aerul evacuat se calculează folosind formula:
Folosind formula (4), calculăm cantitatea de frig cheltuită pentru scăderea temperaturii gheții: Q = 45 4,2 6,5/3,6 = 341 W h. Următoarea cantitate de frig este cheltuită pentru formarea gheții:
Cantitatea totală de energie cheltuită pentru formarea gheții pe suprafața de separare a schimbătoarelor de căldură cu plăci va fi:
6. Din construcția de pe diagrama I-d (Fig. 4) este clar că în timpul mișcării în contracurent de-a lungul canalelor plăcilor de alimentare L p.n și evacuare L a fluxurilor de aer la intrarea în schimbătorul de căldură cu plăci, cel mai rece aer exterior trece pe cealaltă parte a pereților despărțitori ai plăcilor canale de evacuare a aerului răcit la temperaturi negative. În această parte a schimbătorului de căldură cu plăci se observă o formare intensă de gheață și îngheț, care vor bloca canalele pentru trecerea aerului evacuat. Acest lucru va determina o creștere a rezistenței aerodinamice.
În acest caz, senzorul de control va da o comandă de deschidere a robinetului automat pentru apă caldă care intră în tuburile schimbătorului de căldură, montat în conducta de evacuare a aerului în amonte de schimbătorul de căldură cu plăci, care va asigura încălzirea aerului evacuat la o temperatură t 1 = +50°C.
Intrarea aerului cald în canalele plăcilor a asigurat dezghețarea condensului înghețat în 10 minute, care este îndepărtat sub formă lichidă în sistemul de canalizare (în rezervorul de stocare). Pentru 10 minute de încălzire a aerului evacuat, se consumă următoarea cantitate de căldură:
sau folosind formula (5) obținem:
7. Căldura furnizată încălzitorului 5 (Fig. 3) este cheltuită parțial pentru topirea gheții, care, conform calculelor din paragraful 5, va necesita Q t.ras = 4,53 kW h de căldură. Pentru a transfera căldură la alimentarea cu aer exterior din căldura consumată în încălzitorul 5 pentru a încălzi aerul evacuat, va rămâne căldură:
8. Temperatura aerului evacuat încălzit după ce a consumat o parte din căldură la dezghețare se calculează prin formula:
Pentru exemplul luat în considerare, folosind formula (6) obținem:
9. Aerul evacuat încălzit în încălzitorul 5 (vezi fig. 3) nu numai că va ajuta la dezghețarea gheții de condens, dar va crește și transferul de căldură către aerul de alimentare prin pereții despărțitori ai canalelor plăcilor. Să calculăm temperatura aerului exterior de alimentare încălzit:
10. Cantitatea de căldură transferată pentru a încălzi aerul exterior furnizat timp de 10 minute de dezghețare se calculează prin formula:
Pentru modul luat în considerare, folosind formula (8) obținem:
Calculul arată că în modul de dezghețare considerat nu există pierderi de căldură, deoarece o parte din căldura de încălzire din aerul eliminat Q t.y = 12,57 kW h este transferată la încălzirea suplimentară a aerului extern de alimentare L p.n la o temperatură t n2.times = 20,8 °C, în loc de t Н2 = +9 °С atunci când se utilizează numai căldura aerului evacuat cu o temperatură t у1 = +24 °С (vezi punctul 1).
Contextul dezvoltării
Căldura aerului, care este îndepărtată în atmosferă, este o sursă de economisire a energiei. Nu este un secret pentru nimeni că 40...80% din costurile cu căldura sunt cheltuite pe încălzirea aerului care intră în clădire. Prin urmare, ideea de a încălzi aer proaspăt folosind aerul evacuat nu este nouă. Chiar și în Uniunea Sovietică s-a lucrat în mod continuu pentru a crea instalații care să facă posibilă utilizarea energiei termice a aerului evacuat. Dar, din păcate, rezultatele acestor studii au fost folosite doar în proiecte speciale (industriale, de apărare, științifice).
În străinătate, motivul utilizării care a determinat începerea utilizării unor astfel de instalații a fost prima criză energetică. În același timp, dispozitivele pentru reciclarea energiei termice a aerului evacuat au fost proiectate inițial pentru a fi utilizate în clădiri rezidențiale cu mai multe apartamente și cabane. Ca o consecință a acestui fapt, astăzi încălzirea cu aer este utilizată pe scară largă în Canada și statele vecine din SUA. Deci, în Canada, sistemele de încălzire a apei nu sunt folosite deloc.
În Rusia, utilizatorii de căldură au început să fie utilizați în masă odată cu începutul construcției active de înălțime joasă, când dezvoltatorii privați au început să manifeste interes pentru echipamente eficiente din punct de vedere energetic și care economisesc energie.
Utilizarea energiei electrice pentru încălzire
Utilizarea echipamentelor de încălzire prin ventilație implică utilizarea energiei electrice pentru încălzire. Până de curând, utilizarea energiei electrice pentru încălzire era interzisă prin lege. Acest lucru se datorează politicilor de economisire a energiei duse în Uniunea Sovietică. De la despărțire Uniunea Sovietică multe s-au schimbat.
În prezent, când încep să fie folosite materiale noi și se stăpânesc noile tehnologii, opinia specialiștilor despre admisibilitatea utilizării energiei electrice pentru încălzire începe să se schimbe. La aceasta contribuie introducerea de noi standarde în anul 2000, care necesită o protecție termică îmbunătățită a clădirilor rezidențiale. Conform noilor standarde, pierderile de căldură normalizate prin pereții exteriori sunt reduse de 2,5–3,0 ori față de standardele din 1995. 
În viitor, standardele pentru protecția termică și eficiența energetică vor deveni doar mai stricte. În aceste condiții, însuși conceptul de infiltrare a aerului va dispărea, iar incinta va fi etanșă. În astfel de condiții, se vor deschide cele mai largi perspective pentru utilizarea dispozitivelor de recuperare a căldurii.
Tipuri existente de recuperatoare
Gama actuală de dispozitive de recuperare a căldurii este foarte diversă. Dar toată diversitatea poate fi redusă la următoarele tipuri: a) schimbătoare de căldură cu tuburi și plăci, inclusiv cu flux încrucișat; b) rotativ (regenerativ); V) pompe de caldura cu un fluid de lucru intermediar. Capacitățile celor mai moderne dispozitive fac posibilă reciclarea și utilizarea doar a 60% din căldura aerului evacuat pentru a încălzi aerul furnizat sediului. Pentru obiectele cu un volum mic de clădire, pentru ca instalarea unei unități de recuperare a căldurii să se achite singură, această cifră trebuie să fie de 90%. 
O direcție promițătoare pentru dezvoltarea dispozitivelor de recuperare a căldurii
Eficiența schimbătoarelor de căldură poate fi crescută prin utilizarea metodei descrise mai jos. După cum se știe, capacitatea de căldură a apei este cea mai mare în comparație cu alte lichide. Capacitatea termică a aerului este de 4,5 ori mai mică decât capacitatea termică a apei. Tehnologia de ultra-dispersie a aerului eliminat în apă se bazează pe utilizarea apei. Pentru a crește viteza de transfer de căldură din aerul îndepărtat, acest aer este trecut special prin apă, creând bule de mărimea micronilor.
Viteza transferului de căldură crește pe măsură ce bulele de dimensiuni micronice distrug rezistența termică a stratului de apă de la suprafață. Aplicarea tehnologiei tehnologiei de ultra-dispersie a aerului eliminat în apă va permite utilizarea a 90-95% din căldura aerului îndepărtat. Este important ca un recuperator construit folosind tehnologia specificată să aibă un număr minim de piese, dimensiuni minime și să fie ușor de operat. 
Metode de utilizare a schimbătoarelor de căldură
- Prima metodă este utilizarea unui schimbător de căldură recuperator. În acest caz, are loc încălzirea parțială a aerului furnizat încăperii.
- A doua metodă este recuperarea căldurii cu ajutorul pompelor de căldură.
- A treia metodă este de a folosi căldura aerului de ieșire pentru a încălzi apa de intrare. Sistemul include încălzitoare de apă de dimensiuni mari și acumulatori de apă încălzită.
Starea actuală a lucrurilor în Rusia cu privire la problema luată în considerare
Legea federală nr. 261-FZ „Cu privire la economisirea energiei și creșterea eficienței energetice...” impune reducerea intensității energetice a sistemelor de inginerie a clădirilor. Scopul este reducerea intensității energetice a PIB-ului cu 40% până în 2020 față de nivelurile din 2007. Această tendință de creștere a eficienței energetice și de îmbunătățire a protecției termice este larg răspândită.
Decretul Guvernului Moscovei nr. 900 din 5 octombrie 2010 „Cu privire la creșterea eficienței energetice a clădirilor rezidențiale, sociale și publice de afaceri din orașul Moscova...” a stabilit un nivel de consum de energie care nu poate fi atins fără recuperarea căldurii .
Federația Rusă, după ce a aderat la OMC, s-a angajat să aducă prețurile la energie pentru consumatorii interni la nivelul prețurilor mondiale. Peste tot în lume, problemele de eficiență energetică și, ca urmare, problemele de recuperare a căldurii sunt foarte acute. Guvernele introduc și pun în aplicare programe de îmbunătățire a eficienței energetice. Prin urmare, odată cu creșterea prețurilor interne la energie, interesul pentru instalațiile de recuperare a căldurii va crește inevitabil.
Aerul de alimentare a fost încălzit în „aragazul rusesc”, care a încălzit spațiul de locuit. În Europa, sistemul de încălzire, în care canalele erau furnizate ca într-o sobă rusească, a fost numit „rus”. Acest lucru recunoaște eficiența mai mare a sobei rusești în comparație cu încălzirea europeană. În prezent, putem vorbi despre necesitatea revenirii la baze în materie de încălzire.
Ventilație de alimentare și evacuare cu recuperare
Una dintre sursele de resurse energetice secundare dintr-o clădire este energia termică a aerului eliminată în atmosferă. Consumul de energie termică pentru încălzirea aerului de intrare este de 40...80% din consumul de căldură, cea mai mare parte putând fi economisită prin utilizarea așa-numitelor schimbătoare de căldură reziduală.
Sunt diverse tipuri schimbătoare de căldură.
Schimbatoarele de caldura cu placi recuperative sunt realizate sub forma unui pachet de placi instalate in asa fel incat sa formeze doua canale adiacente, prin unul dintre care se deplaseaza aerul evacuat, iar prin celalalt, alimentarea cu aer exterior. La fabricarea schimbătoarelor de căldură cu plăci de acest design cu o productivitate ridicată a aerului, apar dificultăți tehnologice semnificative, prin urmare, au fost dezvoltate proiecte pentru schimbătoare de căldură TKT, care sunt un mănunchi de țevi aranjate într-un model de șah și închise în o carcasă. Aerul îndepărtat se deplasează în spațiul inter-tub, aerul exterior se mișcă în interiorul tuburilor. Mișcarea fluxurilor este transversală.
Orez. Schimbatoare de caldura:
a - schimbător de căldură cu plăci;
b - Utilizator TKT;
c - rotativ;
g - recuperator;
1 - corp; 2 - alimentare cu aer; 3 - rotor; 4 - sector de suflare; 5 - aer evacuat; 6 - conduce.
Pentru a proteja împotriva înghețului, schimbătoarele de căldură sunt echipate cu o linie suplimentară de-a lungul fluxului de aer exterior, prin care o parte din aerul rece exterior este ocolită atunci când temperatura pereților fasciculului de tuburi este sub critică (-20°C). C).
Unitățile de recuperare a căldurii aerului evacuat cu un lichid de răcire intermediar pot fi utilizate în sistemele mecanice de alimentare și ventilație de evacuare, precum și în sistemele de aer condiționat. Instalația constă dintr-un încălzitor de aer situat în conductele de alimentare și evacuare, conectat printr-un circuit de circulație închis umplut cu un mediu intermediar. Lichidul de răcire circulă prin pompe. Aerul evacuat, care se răcește în încălzitorul de aer al conductei de evacuare, transferă căldură lichidului de răcire intermediar, care încălzește aerul de alimentare. Când aerul evacuat este răcit sub temperatura punctului de rouă, se produce condensarea vaporilor de apă pe o parte a suprafeței de schimb de căldură a încălzitoarelor de aer din conducta de evacuare, ceea ce duce la posibilitatea formării de gheață la temperaturi inițiale negative ale aerului de alimentare.
Instalațiile de recuperare a căldurii cu lichid de răcire intermediar pot funcționa fie într-un mod care permite formarea de gheață pe suprafața de schimb de căldură a încălzitorului de aer evacuat în timpul zilei cu oprire și dezghețare ulterioară, fie, dacă oprirea instalației este inacceptabilă, atunci când se utilizează una dintre următoarele măsuri pentru a proteja încălzitorul de aer al conductei de evacuare de formarea gheții:
- preîncălzirea aerului de alimentare la o temperatură pozitivă;
- crearea unui bypass pentru lichid de răcire sau aer de alimentare;
- creșterea debitului de lichid de răcire în circuitul de circulație;
- încălzirea lichidului de răcire intermediar.
Alegerea tipului de schimbător de căldură regenerativ se face în funcție de parametrii calculați ai evacuarii și a aerului de alimentare și a degajărilor de umiditate din interiorul încăperii. Schimbătoarele de căldură cu regenerare pot fi instalate în clădiri în diverse scopuri în sistemele de alimentare și ventilație mecanică, de încălzire a aerului și de aer condiționat. Instalarea unui schimbător de căldură regenerativ trebuie să asigure deplasarea în contracurent a fluxurilor de aer.
Sistemul de ventilație și aer condiționat cu schimbător de căldură regenerativ trebuie să fie echipat cu comenzi și reglare automată, care ar trebui să asigure moduri de funcționare cu dezghețarea periodică a înghețului sau prevenirea formării înghețului, precum și să mențină parametrii necesari ai aerului de alimentare. Pentru a preveni formarea înghețului în aerul de alimentare:
- aranjați un canal de ocolire;
- preîncălziți aerul de alimentare;
- modificați viteza de rotație a duzei de regenerare.
În sistemele cu temperaturi inițiale pozitive ale aerului de alimentare în timpul recuperării căldurii, nu există pericolul de înghețare a condensului pe suprafața schimbătorului de căldură din conducta de evacuare. În sistemele cu temperaturi inițiale negative ale aerului de alimentare, este necesar să se utilizeze scheme de recuperare care asigură protecție împotriva înghețului suprafeței încălzitoarelor de aer din conducta de evacuare.
Astăzi economia de energie este direcție prioritară dezvoltarea economiei mondiale. Epuizarea rezervelor naturale de energie, creșterea costului termic și energie electrica inevitabil ne conduce la nevoia de dezvoltare întregul sistem măsuri care vizează creșterea eficienței instalațiilor consumatoare de energie. În acest context, reducerea pierderilor și reciclarea energiei termice consumate devine un instrument eficient în rezolvarea problemei.
În contextul unei căutări active a rezervelor de economisire a combustibilului și a resurselor energetice, problema îmbunătățirii în continuare a sistemelor de aer condiționat în calitate de mari consumatori de energie termică și electrică atrage din ce în ce mai multă atenție. Rol importantÎn rezolvarea acestei probleme, măsurile de îmbunătățire a eficienței de funcționare a dispozitivelor de schimb de căldură și masă, care stau la baza subsistemului politropic de tratare a aerului, ale cărui costuri de operare ajung la 50% din toate costurile de operare ale SCR, sunt chemate să joace un rol. rol.
Utilizarea energiei termice din emisiile de ventilație este una dintre metodele cheie de economisire a resurselor energetice în sistemele de aer condiționat și ventilație ale clădirilor și structurilor în diverse scopuri. În fig. 1 prezintă principalele scheme de utilizare a căldurii aerului evacuat, comercializate pe piața echipamentelor moderne de ventilație.
O analiză a stării producției și a utilizării echipamentelor de recuperare a căldurii în străinătate indică o tendință spre utilizarea predominantă a recircularei și a patru tipuri de unități de recuperare a căldurii aerului evacuat: regenerative rotative, recuperatoare de plăci, pe bază de conducte de căldură și cu un agent de răcire intermediar. Utilizarea acestor dispozitive depinde de condițiile de funcționare ale sistemelor de ventilație și aer condiționat, de considerente economice, de poziția relativă a centrelor de alimentare și de evacuare și de capacitățile operaționale.
În tabel 1 dat analiză comparativă diverse scheme de utilizare a căldurii aerului evacuat. Printre principalele cerințe ale investitorului pentru instalațiile de recuperare a căldurii trebuie menționate următoarele: prețul, costurile de exploatare și eficiența de exploatare. Cele mai ieftine soluții se caracterizează prin simplitatea designului și absența pieselor în mișcare, ceea ce face posibilă evidențierea, printre schemele prezentate, a unei instalații cu un recuperator cu flux transversal (Fig. 2) ca fiind cea mai potrivită pentru condițiile climatice. din partea europeană a Rusiei și Poloniei.
Cercetările din ultimii ani în domeniul creării de noi și îmbunătățirii instalațiilor existente de recuperare a căldurii pentru sistemele de aer condiționat indică o tendință clară în dezvoltarea de noi soluții de proiectare pentru recuperatoarele de plăci (Fig. 3), punctul decisiv în alegerea cărora este capacitatea de a asigura funcționarea fără probleme a instalației în condiții de condensare a umezelii în timpul temperaturi negative aerul exterior.
Temperatura aerului exterior, de la care se observă formarea înghețului în conductele de evacuare a aerului, depinde de următorii factori: temperatura și umiditatea aerului evacuat, raportul dintre debitele aerului de alimentare și evacuat și caracteristicile de proiectare. . Să remarcăm particularitatea funcționării schimbătoarelor de căldură la temperaturi negative ale aerului exterior: cu cât eficiența schimbului de căldură este mai mare, cu atât este mai mare pericolul de apariție a înghețului pe suprafața conductelor de evacuare a aerului.
În acest sens, eficiența scăzută a schimbului de căldură într-un schimbător de căldură cu flux încrucișat poate fi un avantaj în ceea ce privește reducerea riscului de înghețare pe suprafețele conductelor de aer evacuat. Asigurarea modurilor sigure este de obicei asociată cu implementarea următoarelor măsuri tradiționale pentru a preveni înghețarea duzei: oprirea periodică a alimentării cu aer exterior, ocolirea acestuia sau preîncălzirea, a cărei implementare reduce cu siguranță eficiența recuperării căldurii din aerul evacuat. .
O modalitate de a rezolva această problemă este crearea unor schimbătoare de căldură în care înghețarea plăcilor este fie absentă, fie are loc la temperaturi mai scăzute ale aerului. O caracteristică a funcționării recuperatoarelor de căldură aer-aer este capacitatea de a implementa procese de transfer de căldură și masă în moduri de schimb de căldură „uscate”, răcirea și uscarea simultană a aerului îndepărtat cu condensare sub formă de rouă și îngheț pe toate. sau o parte a suprafeței de schimb de căldură (Fig. 4).
Utilizarea rațională a căldurii de condensare, a cărei valoare atinge 30% în anumite moduri de funcționare ale schimbătoarelor de căldură, face posibilă creșterea semnificativă a intervalului de modificări ale parametrilor aerului exterior la care nu are loc înghețarea suprafețelor de schimb de căldură ale plăcilor. Cu toate acestea, rezolvarea problemei determinării modurilor optime de funcționare ale schimbătoarelor de căldură luate în considerare, corespunzătoare anumitor condiții de funcționare și climatice, precum și domeniului de aplicare oportună a acesteia, necesită studii detaliate ale transferului de căldură și masă în canalele duzei, luând ţinând cont de procesele de condensare şi formare a îngheţului.
Analiza numerică a fost aleasă ca principală metodă de cercetare. Este, de asemenea, cel mai puțin intensiv forță de muncă și vă permite să determinați caracteristicile și să identificați modelele procesului pe baza informațiilor de procesare despre influența parametrilor inițiali. De aceea studii experimentale procesele de transfer de căldură și masă în dispozitivele luate în considerare au fost efectuate într-un volum mult mai mic și, în principal, pentru a verifica și corecta dependențele obținute ca urmare a modelării matematice.
În descrierea fizică și matematică a transferului de căldură și masă în recuperatorul studiat, sa preferat modelul de transfer unidimensional (model ε-NTU). În acest caz, debitul de aer în canalele duzei este considerat ca un flux de lichid cu viteză, temperatură și potențial de transfer de masă constante pe secțiunea sa transversală, egal cu valorile medii de masă. Pentru a crește eficiența recuperării căldurii, schimbătoarele de căldură moderne folosesc aripioare pe suprafața duzei.
Tipul și locația aripioarelor influențează semnificativ natura proceselor de transfer de căldură și masă. Schimbarea temperaturii de-a lungul înălțimii aripioarei duce la implementarea diferitelor opțiuni pentru procesele de transfer de căldură și masă (Fig. 5) în canalele de aer evacuat, ceea ce complică semnificativ modelarea matematică și algoritmul pentru rezolvarea sistemului. ecuații diferențiale.
Ecuațiile modelului matematic al proceselor de transfer de căldură și masă într-un schimbător de căldură cu flux încrucișat sunt implementate în sistem ortogonal coordonează cu axele OX și OY direcționate paralel cu fluxurile de aer rece și respectiv cald și axele Z1 și Z2, perpendiculare pe suprafața plăcilor duzei din canalele de aer de alimentare și respectiv evacuare (Fig. 6).
În conformitate cu ipotezele acestui model ε-NTU, transferul de căldură și masă în schimbătorul de căldură studiat este descris prin ecuații diferențiale ale bilanțurilor termice și materiale compilate pentru fluxurile de aer și duză care interacționează, ținând cont de tranziția căldurii de fază si rezistenta termica a stratului de inghet rezultat. Pentru a obține o soluție unică, sistemul de ecuații diferențiale este completat cu condiții la limită care stabilesc valorile parametrilor mediilor de schimb la intrările în canalele corespunzătoare ale recuperatorului.
Problema neliniară formulată nu poate fi rezolvată analitic, prin urmare s-a realizat integrarea sistemului de ecuații diferențiale metode numerice. Un volum destul de mare de experimente numerice efectuate pe modelul ε-NTU a făcut posibilă obținerea unei matrice de date care a fost utilizată pentru a analiza caracteristicile procesului și a identifica modelele sale generale.
În conformitate cu obiectivele studierii funcționării unui schimbător de căldură, alegerea modurilor studiate și a intervalelor de variație a parametrilor debitelor schimbate a fost realizată în așa fel încât procesele reale de transfer de căldură și masă în duza la valori negative ale temperaturii aerului exterior, precum și condițiile pentru cele mai periculoase variante ale modurilor de funcționare ale echipamentului de recuperare a căldurii din punct de vedere al funcționării, au fost simulate cel mai complet.
Arată în Fig. 7-9 rezultatele calculării modurilor de funcționare ale dispozitivului studiat, caracteristice condițiilor climatice cu temperatură scăzută a aerului exterior de proiectare în perioada de iarna perioada anului, ne permit să judecăm posibilitatea așteptată calitativ de formare a trei zone de transfer activ de căldură și masă în canalele aerului îndepărtat (Fig. 6), care diferă prin natura proceselor care au loc în acestea.
Analiza proceselor de transfer de căldură și masă care au loc în aceste zone ne permite să evaluăm moduri posibile implementarea captării eficiente a căldurii din aerul de ventilație eliminat și reducerea riscului de formare a înghețului în canalele duzei schimbătorului de căldură pe baza utilizării raționale a căldurii de tranziție de fază. Pe baza analizei s-au stabilit temperaturile la limită ale aerului exterior (Tabelul 2), sub care se observă formarea înghețului în conductele de aer evacuat.
Concluzii
Este prezentată o analiză a diferitelor scheme de recuperare a căldurii din emisiile de ventilație. Se notează avantajele și dezavantajele schemelor (existente) luate în considerare pentru utilizarea căldurii aerului evacuat în instalațiile de ventilație și aer condiționat. Pe baza analizei, se propune o schemă cu un recuperator cu flux încrucișat cu plăci:
- pe baza unui model matematic, s-au dezvoltat un algoritm și un program de calculator pentru calcularea parametrilor principali ai proceselor de transfer de căldură și masă în schimbătorul de căldură studiat;
- a fost stabilită posibilitatea formării diferitelor zone de condensare a umidității în canalele duzei schimbătorului de căldură, în cadrul cărora natura proceselor de transfer de căldură și de masă se schimbă semnificativ;
- analiza modelelor obținute face posibilă stabilirea modurilor de funcționare raționale ale dispozitivelor studiate și a zonelor de utilizare rațională a acestora pentru diferite condiții climatice ale teritoriului rus.
LEGENDĂ ȘI INDICI
Legendă: h coasta — înălțimea coastei, m; l coasta — lungimea coastei, m; t—temperatura, °C; d—conținutul de umiditate a aerului, kg/kg; ϕ—umiditatea relativă a aerului, %; nervură δ — grosimea nervurii, m; δ in—grosimea stratului de îngheț, m.
Indici: 1 - aer exterior; 2 - aer evacuat; e - la intrarea în canalele duzei; r eb - coastă; în - îngheț, o - la ieșirea canalelor duzei; dew - punct de rouă; sat — stare de saturație; w este peretele canalului.
Într-un sistem de aer condiționat, căldura aerului evacuat din incintă poate fi recuperată în două moduri:
· Utilizarea schemelor de recirculare a aerului;
· Instalarea unităților de recuperare a căldurii.
Această din urmă metodă este de obicei utilizată în sistemele de aer condiționat cu flux direct. Cu toate acestea, utilizarea recuperatoarelor de căldură nu este exclusă în schemele cu recirculare a aerului.
ÎN sisteme moderne ventilația și aerul condiționat utilizează o mare varietate de echipamente: încălzitoare, umidificatoare, diverse tipuri filtre, grile reglabile si multe altele. Toate acestea sunt necesare pentru a atinge parametrii de aer necesari, pentru a menține sau a crea condiții confortabile de lucru în cameră. Întreținerea tuturor acestor echipamente necesită destul de multă energie. Schimbatoarele de caldura devin o solutie eficienta pentru economisirea energiei in sistemele de ventilatie. Principiul de bază al funcționării lor este încălzirea fluxului de aer furnizat încăperii, folosind căldura fluxului îndepărtat din cameră. Când se utilizează un schimbător de căldură, este necesară o putere mai mică a încălzitorului pentru a încălzi aerul de alimentare, reducând astfel cantitatea de energie necesară pentru funcționarea acestuia.
Recuperarea căldurii în clădirile cu aer condiționat poate fi realizată prin recuperarea căldurii din emisiile de ventilație. Recuperarea căldurii reziduale pentru încălzirea aerului proaspăt (sau răcirea aerului proaspăt care intră cu aer rezidual din sistemul de aer condiționat vara) este cea mai simplă formă de recuperare. În acest caz, pot fi remarcate patru tipuri de sisteme de reciclare, care au fost deja menționate: regeneratoare rotative; schimbătoare de căldură cu lichid de răcire intermediar; schimbătoare de căldură cu aer simple; schimbătoare de căldură tubulare. Un regenerator rotativ într-un sistem de aer condiționat poate crește temperatura aerului de alimentare iarna cu 15 °C, iar vara poate reduce temperatura aerului de alimentare cu 4-8 °C (6.3). Ca și în cazul altor sisteme de recuperare, cu excepția schimbătorului de căldură intermediar, regeneratorul rotativ poate funcționa numai dacă conductele de evacuare și de aspirație sunt adiacente una de cealaltă la un anumit punct al sistemului.
Un schimbător de căldură cu un lichid de răcire intermediar este mai puțin eficient decât un regenerator rotativ. In sistemul prezentat apa circula prin doua serpentine de schimb de caldura, iar intrucat se foloseste o pompa, cele doua serpentine pot fi amplasate la o oarecare distanta una de alta. Atât acest schimbător de căldură, cât și regeneratorul rotativ au piese mobile (pompa și motorul electric sunt antrenate și acest lucru le deosebește de schimbătoarele de căldură cu aer și tuburi. Unul dintre dezavantajele regeneratorului este că poate apărea contaminarea în canale. Murdăria se poate depune pe roata, care o transferă apoi în canalul de aspirație Majoritatea roților au acum o purjare, care reduce la minimum transferul de contaminanți.
Un simplu schimbător de căldură cu aer este un dispozitiv staționar pentru schimbul de căldură între fluxurile de aer evacuate și de intrare care trec prin acesta în contracurent. Acest schimbător de căldură seamănă cu o cutie dreptunghiulară din oțel cu capete deschise, împărțită în multe canale înguste de tip cameră. Deșeurile și aer curat, iar căldura este transferată de la un curent de aer la altul pur și simplu prin pereții canalelor. Nu există transfer de contaminanți în schimbătorul de căldură și, deoarece o suprafață semnificativă este conținută într-un spațiu compact, se obține o eficiență relativ ridicată. Schimbătorul de căldură cu conducte de căldură poate fi considerat ca o dezvoltare logică a designului schimbătorului de căldură descris mai sus, în care cele două fluxuri de aer în camere rămân complet separate, conectate printr-un mănunchi de conducte de căldură cu aripioare care transferă căldura de la un canal la altul. . Deși peretele conductei poate fi considerat o rezistență termică suplimentară, eficiența transferului de căldură în interiorul conductei în sine, în care are loc ciclul de evaporare-condensare, este atât de mare încât până la 70% din căldura reziduală poate fi recuperată în aceste călduri. schimbătoare. Unul dintre principalele avantaje ale acestor schimbătoare de căldură în comparație cu un schimbător de căldură cu un lichid de răcire intermediar și un regenerator rotativ este fiabilitatea lor. Defectarea mai multor conducte va reduce doar puțin eficiența schimbătorului de căldură, dar nu va opri complet sistemul de recuperare.
Cu toată varietatea de soluții de proiectare pentru dispozitive de recuperare a căldurii din resurse secundare de energie, fiecare dintre ele conține următoarele elemente:
· Mediul sursă energie termică;
· Mediul este un consumator de energie termică;
· Heat receiver - schimbător de căldură care primește căldură de la sursă;
· Heat transferer - un schimbător de căldură care transferă energie termică către consumator;
· O substanță de lucru care transportă energia termică de la sursă la consumator.
În schimbătoarele de căldură regenerative și aer-aer (aer-lichid), substanța de lucru este mediul de schimb de căldură în sine.
Exemple de aplicații.
1. Încălzirea aerului în sistemele de încălzire cu aer.
Încălzitoarele sunt concepute pentru a încălzi rapid aerul folosind un lichid de răcire cu apă și pentru a-l distribui uniform folosind un ventilator și jaluzele de ghidare. Acest buna decizie pentru atelierele de construcții și producție, unde încălzirea rapidă și menținerea unei temperaturi confortabile sunt necesare numai în timpul orelor de lucru (în același timp, de regulă, funcționează și cuptoarele).
2. Încălzirea apei în sistemul de alimentare cu apă caldă.
Utilizarea schimbătoarelor de căldură face posibilă atenuarea vârfurilor de consum de energie, deoarece consumul maxim de apă are loc la începutul și la sfârșitul schimbului.
3. Încălzirea apei în sistemul de încălzire.
Sistem inchis
Lichidul de răcire circulă într-un circuit închis. Astfel, nu există riscul de contaminare.
Sistem deschis. Lichidul de răcire este încălzit cu gaz fierbinte și apoi transferă căldură către consumator.
4. Încălzirea aerului de explozie care merge la ardere. Vă permite să reduceți consumul de combustibil cu 10%-15%.
S-a calculat că principala rezervă pentru economisirea combustibilului la exploatarea arzătoarelor pentru cazane, cuptoare și uscătoare este utilizarea căldurii din gazele reziduale prin încălzirea combustibilului ars cu aer. Recuperarea căldurii din gazele de ardere este de mare importanță în procese tehnologice, deoarece căldura returnată în cuptor sau cazan sub formă de aer de explozie încălzit face posibilă reducerea consumului de combustibil gazos natural cu până la 30%.
5. Încălzirea combustibilului care intră în ardere cu ajutorul schimbătoarelor de căldură lichid-lichid. (Exemplu – încălzirea păcurului la 100˚–120˚ C.)
6. Încălzirea fluidului de proces folosind schimbătoare de căldură lichid-lichid. (Un exemplu este încălzirea unei soluții galvanice.)
Astfel, un schimbător de căldură este:
Rezolvarea problemei eficienței energetice a producției;
Normalizarea situației de mediu;
Disponibilitatea unor condiții confortabile la locul dumneavoastră de producție - căldură, apă caldă în încăperile administrative și utilitare;
Reducerea costurilor cu energia.
Figura 1.
Structura consumului de energie și a potențialului de economisire a energiei în clădirile rezidențiale: 1 – pierderi de căldură prin transport; 2 – consumul de căldură pentru ventilație; 3 – consumul de căldură pentru alimentarea cu apă caldă; 4– economisirea energiei
Lista literaturii folosite.
1. Karadzhi V.G., Moskovko Yu.G. Unele caracteristici ale utilizării eficiente a echipamentelor de ventilație și încălzire. Management - M., 2004
2. Eremkin A.I., Byzeev V.V. Economia aprovizionării cu energie în sistemele de încălzire, ventilație și aer condiționat. Editura Asociației Universităților de Construcții M., 2008.
3. Skanavi A.V., Makhov. L.M. Încălzire. Editura ASV M., 2008