Як зробити правильний вибір серед різних видів рекуператорів Рекуперація у системах вентиляції. Аналіз систем рекуперації та економічна доцільність їх застосування Застосування рекуператорів у системах вентиляції

Рекуперація- Це процес повернення максимальної кількості енергії. У вентиляції рекуперацією називається процес передачі теплової енергії з витяжного повітря до припливного. Існує безліч різних видіврекуператорів і в цій статті ми про кожний із них розповімо. Кожен із видів рекуператорів гарний за своїм і має унікальні переваги, але будь-який з них дозволить Вам економити на обігріві припливного повітря взимку не менше 50%, а частіше до 95%.

Процес передачі тепла від витяжного повітря до припливного дуже цікавий. Далі почнемо розбирати кожен вид рекуператорів повітря, щоб ви легше зрозуміли, що ж це таке і який рекуператор потрібен саме Вам.

Найпопулярніший вид рекуператорів, а точніше припливно-витяжних установок пластинчастим рекуператором. Свою популярність він завоював завдяки простоті та надійності конструкції самого теплообмінника рекуператора.

Принцип роботи простий - два потоки повітря (витяжний та припливний) перетинаються в теплообміннику рекуператора, але так, що їх поділяють стінки. У результаті ці потоки не поєднуються. Тепле повітря нагріває стінки теплообмінника, а стінки нагрівають повітря припливу. Ефективність пластинчастих рекуператорів (ККД пластинчастого рекуператора) вимірюється у відсотках і відповідає:

45-78% для металевих та пластикових теплообмінників рекуператорів.

60-92% для пластинчастих рекуператорів із целюлозними гігроскопічними теплообмінниками.

Такий стрибок ККД у бік целюлозних рекуператорів обумовлений по-перше поверненням вологи через стінки рекуператора з витяжного повітря в припливний, а по-друге передачею цієї вологи прихованого тепла. Адже в рекуператорах роль відіграє не тепло повітря, а тепло вологи, що міститься в ньому. Повітря без вологи має дуже низьку теплоємність, а волога - це вода ... з відомою великою теплоємністю.

Для всіх рекуператорів, крім целюлозних, є обов'язковим виведення дренажу. Тобто. при плануванні установки рекуператора Вам необхідно пам'ятати про те, що потрібно ще й підведення каналізації.

Отже, плюси:

1. Простота конструкції та надійність.

2. Високий ККД.

3. Відсутність додаткових споживачів електроенергії.

Ну і, звичайно ж, мінуси:

1. Для функціонування такого рекуператора до нього повинні підводитися і приплив і витяжка. Якщо система проектується з нуля, то це не мінус зовсім. А от якщо система вже є і приплив з витяжкою знаходяться на відстані краще застосувати.

2. За мінусових температур теплообмінник рекуператора може обмерзати. Для його розморожування потрібно або припинення або зниження подачі повітря з вулиці, або застосування байпасного клапана, який пускає припливне повітря в обхід теплообмінника, поки розморожується витяжним повітрям. При такому режимі розморожування все холодне повітря потрапляє в систему минаючи рекуператор і потрібно багато електрики, щоб його нагріти. Виняток – целюлозні пластинчасті рекуператори.

3. В основному дані рекуператори не повертають вологу і повітря, що подається в приміщення пересушене. Виняток – целюлозні пластинчасті рекуператори.

Другий за популярністю вид рекуператорів. Ще б пак ... Високий ККД, не замерзає, більш компактний ніж пластинчастий, та ще й вологу повертає. Одні плюси.

Роторний рекуператор зроблений з алюмінію, намотаного шарами на ротор, причому один лист плоский, а другий зигзагоподібний. Щоб повітря проходило. Наводиться рух електроприводом через ремінь. Цей «барабан» обертається і кожна його частина при проходженні зони витяжки нагрівається, а потім переміщаючись в зону припливу охолоджується, тим самим передаючи тепло припливному повітрю.

Для захисту від перетікання повітря використовується продувний сектор.

Новий та не дуже відомий вид рекуператорів повітря. У дахових рекуператорах насправді використовуються пластинчасті рекуператори і іноді роторні, але вирішили винести їх окремим видом рекуператорів, т.к. даховий рекуператор - це специфічний вид припливно-витяжних установок з рекуператором.

Дахові рекуператори підходять для великих однооб'ємних приміщень і є вершиною зручності проектування, монтажу та експлуатації. Для його встановлення достатньо зробити потрібне вікноу покрівлі будівлі, поставити спеціальний «стакан», який розподіляє навантаження, та поставити в нього даховий рекуператор. Все просто. Забір повітря проводиться з-під стелі в приміщенні, а подача за побажаннями замовника, або з-під стелі, або зони дихання робітників або відвідувачів торгових центрів.

Рекуператор із проміжним теплоносієм:

А цей вид рекуператорів підійде для вже існуючих системвентиляції «приплив окремо – витяжка окремо».

Ну або при неможливості побудови нової системи вентиляції з будь-яким видом рекуператора, який передбачає підведення припливу і витяжки в одне приміщення. Але варто пам'ятати що і пластинчасті та роторні теплообмінники мають біліший високий ККД, ніж гліколеві.

У цій статті ми розглянемо таку характеристику теплообміну як коефіцієнт рекуперації. Він показує рівень використання одним носієм тепла іншого при теплообміні. Коефіцієнт рекуперації може називатись коефіцієнтом регенерації тепла, ефективності теплообміну або термічної ефективності.

У першій частині статті спробуємо знайти універсальні співвідношення для теплообміну. Вони можуть бути отримані з загальних фізичних принципів і не вимагають проведення будь-яких вимірювань. У другій частині представимо залежності реальних коефіцієнтів рекуперації від основних характеристик теплообміну для реальних повітряних завіс або окремо для теплообмінних блоків «вода – повітря», які вже були розглянуті у статтях «Потужність теплової завіси при довільних витратах теплоносія та повітря. Інтерпретація дослідних даних» та «Потужність теплової завіси при довільних витратах теплоносія та повітря. Інваріанти процесу теплопередачі», опублікованих журналом «Світ клімату» у номерах 80 та 83 відповідно. Буде показано, як коефіцієнти залежать від характеристик теплообмінника, а також те, який вплив на них впливають витрати теплоносіїв. Будуть пояснені деякі парадокси теплообміну, зокрема парадокс високого значення коефіцієнта рекуперації за великої різниці у витратах теплоносіїв. Для спрощення саме поняття рекуперації та зміст її кількісного визначення (коефіцієнт) розглянемо з прикладу теплообмінників «повітря - повітря». Це дозволить визначити підхід до сенсу явища, який можна розширити і будь-який обмін, зокрема «вода - повітря». Зазначимо, що в теплообмінних блоках «повітря – повітря» можуть бути організовані як перехресні, принципово близькі теплообмінникам «вода – повітря», так і зустрічні струми середовищ, що обмінюються теплом. У разі зустрічних струмів, які визначають високі значення коефіцієнтів рекуперації, практичні закономірності теплообміну можуть дещо відрізнятися від раніше розібраних . Важливо, що універсальні закономірності теплообміну справедливі взагалі будь-яких типів теплообмінного блоку. У міркуваннях статті вважатимемо, що енергія при теплопередачі зберігається. Це рівносильно твердженню, що потужність випромінювання та конвекція тепла від корпусу теплового обладнанняобумовлені значенням температури корпусу, малі в порівнянні з потужністю корисної теплопередачі. Будемо також вважати, що теплоємність носіїв не залежить від їхньої температури.

КОЛИ ВАЖЛИВИЙ ВИСОКИЙ КОЕФІЦІЄНТ РЕКУПЕРАЦІЇ?

Можна вважати, що здатність до передачі певної величини теплової потужності – одна з основних характеристик будь-якого теплового обладнання. Чим вища ця здатність, тим обладнання дорожче. Коефіцієнт рекуперації теоретично може змінюватися від 0 до 100%, але в практиці часто від 25 до 95%. Інтуїтивно можна припустити, що високий коефіцієнт рекуперації, як і здатність передачі великої потужності, передбачає високі споживчі якості устаткування. Однак насправді такого прямого зв'язку немає, все залежить від умов використання теплообміну. Коли ж високий рівень рекуперації тепла важливий, а коли другорядний? Якщо теплоносій, від якого виробляється відбір тепла чи холоду, використовується лише одноразово, тобто не закільцьований, і відразу після використання безповоротно скидається у зовнішнє середовище, то для ефективного використанняцього тепла бажано використовувати апарат із високим коефіцієнтом рекуперації. Як приклади можна навести використання тепла або холоду частини геотермальних установок, відкритих водойм, джерел технологічних надлишків тепла, де неможливо замкнути контур теплоносія. Висока рекуперація важлива, коли в мережі теплопостачання розрахунок здійснюється лише за витратою води та значенням температури прямої води. Для теплообмінників «повітря – повітря» це використання тепла витяжного повітря, яке відразу після теплообміну йде у зовнішнє середовище. Інший граничний випадок реалізується, коли теплоносій оплачується суворо відібраної від нього енергії. Це можна назвати ідеальним варіантоммережі теплопостачання. Тоді можна заявити, що такий параметр, як коефіцієнт рекуперації, взагалі не має ніякого значення. Хоча при обмеженнях за зворотною температурою носія коефіцієнт рекуперації також набуває сенсу. Зазначимо, що за деяких умов бажаним є нижчий коефіцієнт рекуперації обладнання.

ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА РЕКУПЕРАЦІЇ

Визначення коефіцієнта рекуперації наводиться у багатьох довідкових посібниках (наприклад, , ). Якщо теплом обмінюються два середовища 1 та 2 (рис. 1),

які мають теплоємності з 1 і з 2 (Дж/кгxК) і масові витрати g 1 і g 2 (в кг/с) відповідно, то коефіцієнт рекуперації теплообміну можна представити у вигляді двох еквівалентних співвідношень:

= (з 1 g 1) (Т 1 - Т 1 0) / (с g) min (T 2 0 - T 1 0) = (з 2 g 2) (Т 2 0 - Т 2) / (с g) min ( T 20 - T10). (1)

У цьому виразі Т 1 і Т 2 - кінцеві температури цих двох середовищ, Т 1 0 і Т 2 0 - початкові, а (cg) min - мінімальне із двох значень так званого теплового еквівалента цих середовищ (Вт/К) при витратах g 1 і g 2 (cg) min = min ((з 1 g 1), (з 2 g 2)). Для розрахунку коефіцієнта можна використовувати будь-який вираз, оскільки їх чисельники, кожен з яких висловлює повну потужністьтеплообміну (2), рівні.

W = (з 1 g 1) (Т 1 - Т 1 0) = (З 2 g 2) (Т 2 0 - Т 2). (2)

Другу рівність (2) можна розглядати як вираз закону збереження енергії при теплообміні, який для теплових процесів називається першим початком термодинаміки. Можна помітити, що в будь-якому з двох еквівалентних визначень (1) присутні тільки три з чотирьох температур обміну. Як було зазначено, значення набуває значущості, коли один із теплоносіїв скидається після використання. Звідси випливає, що вибір із двох виразів (1) можна завжди зробити так, щоб саме кінцева температура цього носія була виключена з виразу для розрахунку. Наведемо приклади.

а) Рекуперація тепла витяжного повітря

Відомим прикладомтеплообмінника з необхідним значенням може бути рекуператор тепла витяжного повітря для підігріву припливного повітря (рис. 2).

Якщо позначити температуру витяжного повітря Т кімн, вуличного Т вул, а припливного після підігріву в рекуператорі Т пр, то, враховуючи однакове значення теплоємностей з двох повітряних потоків (вони практично однакові, якщо знехтувати малими залежностями від вологості та температури повітря), можна отримати добре відомий вираз для:

G пр (Т пр - Т вул) / g min (T кімн - T вул). (3)

У цій формулі gmin позначає найменший g min = min(g пр, g вит) з двох секундних витрат gпр припливного і вит витяжного повітря. Коли потік припливного повітря не перевищує потік витяжного, формула (3) спрощується і приводиться до виду = (Т пр - Т вул) / (T кімн - T вул). Температура, яка не враховується у формулі (3), - це температура Т витяжного повітря після проходження теплообмінника.

б) Рекуперація в повітряній завісі або довільному нагрівачі «вода – повітря»

Бо при всіх можливих варіантахєдина температура, значення якої може бути несуттєво, це температура зворотної води Т х її слід виключити з виразу для коефіцієнта рекуперації. Якщо позначити температуру повітря оточення повітряної завіси Т 0 підігрітого завісою повітря - Т, а температуру що надходить у теплообмінник гарячої водиТ г, (рис. 3), для отримаємо:

Сg(Т – Т 0) / (сg) min (T г – T 0). (4)

У цій формулі з - теплоємність повітря, g - секундна масова повітряна витрата.

Позначення (сg) min - це найменше значення повітряного сg і водяного з W G теплових еквівалентів, з W - теплоємність води, G - секундна масова витрата води: (сg) min = min((сg), (з W G)). Якщо витрата повітря відносно невелика і повітряний еквівалент не перевищує водяний, формула також спрощується: = (Т – Т 0) / (T г – T 0).

ФІЗИЧНИЙ ЗМІС КОЕФІЦІЄНТА РЕКУПЕРАЦІЇ

Можна припустити, що значення коефіцієнта рекуперації теплового апарату - це кількісне вираження термодинамічної ефективності передачі потужності. Відомо, що для теплопередачі ця ефективність обмежена другим початком термодинаміки, яке також відоме як закон невтрат ентропії.

Однак можна показати, що - це дійсно термодинамічна ефективність у сенсі невтрати ентропії тільки у разі рівності теплових еквівалентів двох середовищ, що обмінюються теплом. У загальному випадку нерівності еквівалентів максимально можливе теоретичне значення = 1 обумовлено постулатом Клаузіуса, який сформульований так: «Тепло не може передаватися від холоднішого до теплішого тіла без інших змін у той же час, пов'язаних з цією передачею». У цьому вся визначенні під іншими змінами мається на увазі робота, що відбувається над системою, наприклад, при зворотному циклі Карно, основі якого працюють кондиціонери. Враховуючи, що насоси та вентилятори при теплообміні з такими носіями, як вода, повітря та іншими, виробляють над ними мізерну роботу в порівнянні з енергіями обміну теплом, можна вважати, що при такому теплообміні постулат Клаузіуса виконується з високим ступенем точності.

Хоча прийнято вважати, що і постулат Клаузіуса і принцип невтрати ентропії - це лише різні за формою висловлювання формулювання другого початку термодинаміки для замкнутих систем, це не так. Щоб спростувати їхню еквівалентність, покажемо, що вони можуть призводити в загальному випадку до різних обмежень при теплообміні. Розглянемо рекуператор «повітря - повітря» у разі рівних теплових еквівалентів двох середовищ, що обмінюються, що при рівністі теплоємностей має на увазі рівність масових витрат двох повітряних потоків, і = (Т пр - Т вул) / (T кімн - T вул). Нехай для визначеності кімнатна температура T кімн = 20 про С, а вулична T вул = 0 про С. Якщо повністю відволіктися від прихованої теплоти повітря, яка обумовлена ​​його вологістю, то, як випливає з (3), температура припливного повітря Т пр = 16 про З відповідає коефіцієнту рекуперації = 0,8, а при Т пр = 20 про З досягне значення 1. (Температури повітря, що викидається на вулицю в цих випадках, повітря Т' будуть відповідно 4 про С і 0 про С). Покажемо, що саме = 1 цього випадку є максимум. Адже навіть якщо припливне повітря мало температуру Тпр = 24 про С, а Т' = –4 про С, що викидається на вулицю, то перший початок термодинаміки (закон збереження енергії) не було б порушено. Вуличному повітрі щосекунди передаватиметься Е = сg·24 про С Джоулей енергії і стільки ж забиратися у кімнатного, а при цьому дорівнює 1,2, або 120%. Однак така передача тепла неможлива саме через те, що ентропія системи при цьому зменшиться, що заборонено другим початком термодинаміки.

Дійсно, за визначенням ентропії S, її зміна пов'язана зі зміною повної енергії газу Q співвідношенням dS = dQ/T (температура вимірюється в Кельвінах), а враховуючи, що при постійному тиску газу dQ = mcdT, m - маса газу, (або як її часто позначають з р) – теплоємність при постійному тиску, dS = mc · dT/T. Таким чином, S = mc · ln(T 2 / Т 1), де Т 1 і Т 2 початкова та кінцева температури газу. В позначеннях формули (3) для секундної зміни ентропії припливного повітря отримаємо Sпр = сg ln(Tпр / Tул), якщо вуличне повітря нагрівається, воно позитивне. Для зміни ентропії витяжного повітря Sвит = з g · ln (T / Tкомн). Зміна ентропії усієї системи за 1 секунду:

S = S пр + S вит = сg (ln (T пр / T вул) + ln (T ' / T кімн)). (5)

Для всіх випадків вважатимемо Т вул = 273К, Т кімн = 293К. Для = 0,8 з (3), Т пр = 289К та з (2) Т' = 277К, що дозволить розрахувати загальну зміну ентропії S =0,8 = 8 10 -4 cg. При = 1 аналогічно отримаємо Т пр = 293К і Т' = 273К, і ентропія, як і слід очікувати, зберігається S = 1 = 0. Гіпотетичному випадку = 1,2 відповідають Т пр = 297К і Т' = 269К, і розрахунок демонструє зменшення ентропії: S = 1,2 = -1,2 10 -4 cg. Цей розрахунок можна вважати обґрунтуванням неможливості цього процесу c = 1,2 зокрема, і взагалі для будь-якого > 1 також через S< 0.

Отже, при витратах, які забезпечують рівні теплові еквіваленти двох середовищ (для однакових середовищ це відповідає рівним витратам) коефіцієнт рекуперації визначає ефективність обміну в тому сенсі, що = 1 визначає граничний випадок збереження ентропії. Постулат Клаузіуса та принцип невтрати ентропії для такого випадку еквівалентні.

Тепер розглянемо для теплообміну «повітря – повітря» нерівні повітряні витрати. Нехай, наприклад, масова витрата повітря припливу 2g, а витяжного - g. Для зміни ентропії за таких витрат отримаємо:

S = S пр + S вит = 2с · g ln (T пр / T вул) + с · g ln (T' / T кімн). (6)

Для = 1 за тих же початкових температурах Т вул = 273К і Т кімн = 293К, використовуючи (3), отримаємо Т пр = 283К, оскільки g пр / g min = 2. Потім із закону збереження енергії (2) отримаємо значення Т '= 273К. Якщо підставити ці значення температур (6), то для повної зміни ентропії отримаємо S = 0,00125сg > 0. Тобто навіть при найсприятливішому випадку з = 1 процес стає термодинамічно неоптимальним, він відбувається зі збільшенням ентропії і, як наслідок цього, на відміну від випадку з рівними витратами, завжди незворотний.

Щоб оцінити масштаб цього збільшення, знайдемо коефіцієнт рекуперації для вже розглянутого вище обміну рівних витрат, щоб в результаті цього обміну була зроблена така ж величина ентропії, як і для витрат, що розрізняються в 2 рази при = 1. Інакше кажучи, оцінимо термодинамічну неоптимальність обміну різних витрат за ідеальних умов. Насамперед сама зміна ентропії мало про що говорить, набагато інформативніше розглянути ставлення S/E зміни ентропії до переданої теплообміном енергії. Враховуючи, що у наведеному вище прикладі, коли ентропія зростає на S = 0,00125сg, передана енергія Е = сg пр (Т пр - Т вул) = 2с g 10К. Таким чином відношення S / Е = 6,25 10 -5 К -1. Неважко переконатися, що до такої ж «якості» обміну при рівних потоках наводить коефіцієнт рекуперації = 0,75026… Дійсно, за тих же початкових температур Т вул = 273К і Т кімн = 293К і рівних потоках цьому коефіцієнту відповідають температури Т пр = 288К і Т' = 278К. Використовуючи (5), отримаємо зміну ентропії S = 0,000937сg і враховуючи, що E = сg (T пр - T вул) = сg 15К, отримаємо S / Е = 6,25 10 -5 К -1. Отже, за термодинамічною якістю теплообмін при = 1 і при вдвічі різнячих потоках відповідає теплообміну при = 0,75026 ... при однакових потоках.

Можна поставити ще одне питання: якими мають бути гіпотетичні температури обміну з різними витратами, щоб цей уявний процес відбувся без збільшення ентропії?

Для = 1,32 при тих же початкових температурах Т вул = 273К і Т кімн = 293К, використовуючи (3), отримаємо Т пр = 286,2К та із закону збереження енергії (2) Т' = 266,6К. Якщо підставити ці значення (6), то для повної зміни ентропії отримаємо сg(2ln(286,2 / 273) + ln(266,6 / 293)) 0. Закон збереження енергії і закон невтрати ентропії для цих значень температур виконуються, і все ж таки обмін неможливий через те, що Т' = 266,6К не належить початковому інтервалу температур. Це прямо порушувало б постулат Клаузіуса, передаючи енергію від холоднішого середовища до нагрітого. Отже, цей процес неможливий, як неможливі й інші не тільки зі збереженням ентропії, але навіть і з її збільшенням, коли кінцеві температури будь-якого із середовищ виходять за межі початкового інтервалу температур (Т вул, Т кімн).

При витратах, які забезпечують нерівні теплові еквіваленти середовищ обміну, процес теплопередачі є принципово незворотним і відбувається зі збільшенням ентропії системи навіть у разі найбільш ефективного теплообміну. Ці міркування справедливі і двох середовищ різних теплоємностей, важливо лише те, збігаються чи ні теплові еквіваленти цих середовищ.

ПАРАДОКС МІНІМАЛЬНОЇ ЯКОСТІ ТЕПЛООБМІНУ З КОЕФІЦІЄНТОМ РЕКУПЕРАЦІЇ 1/2

У цьому пункті розглянемо три випадки теплообміну з коефіцієнтами рекуперації 0, 1/2 та 1 відповідно. Нехай через теплообмінники пропускаються рівні потоки середніх рівних теплоємностей, що обмінюються теплом, з деякими різними початковими температурами Т 1 0 і Т 2 0 . При коефіцієнті рекуперації два середовища просто обмінюються значеннями температур і кінцеві температури дзеркально повторюють початкові Т 1 = Т 2 0 і Т 2 = Т 1 0 . Очевидно, що ентропія при цьому не змінюється S = 0, тому що на виході ті ж середовища тих самих температур, як і на вході. При коефіцієнті рекуперації 1/2 кінцеві температури обох середовищ дорівнюють середньому арифметичному значенню початкових температур: Т 1 = Т 2 = 1/2 (Т 1 0 + Т 2 0). Відбудеться незворотний процес вирівнювання температури, а це рівносильно зростанню ентропії S > 0. При коефіцієнті рекуперації 0 теплообмін відсутній. Тобто Т 1 = Т 1 0 і Т 2 = Т 2 0 і ентропія кінцевого стану не зміниться, що аналогічно кінцевому стану системи з коефіцієнтом рекуперації, рівним 1. Як стан з = 1 тотожно стану з = 0, так само за аналогією можна показати, що стан = 0,9 тотожний стану з = 0,1 і т. д. При цьому стані = 0,5 буде відповідати максимальне збільшення ентропії з усіх можливих коефіцієнтів. Очевидно, = 0,5 відповідає теплообміну мінімальної якості.

Звичайно, це не так. Пояснення феномена слід розпочати з того, що теплообмін є обмін енергією. Якщо ентропія в результаті теплообміну збільшилася на деяку величину, то якість теплообміну буде різнитися залежно від того, чи була при цьому передана теплота 1 Дж або 10 Дж. Правильніше розглядати не абсолютну зміну ентропії S (фактично її вироблення в теплообміннику), а відношення зміни ентропії до переданої у своїй енергії E. Вочевидь, що з різних наборів температур можна підрахувати ці величини для = 0,5. Складніше підрахувати це відношення = 0, адже це невизначеність виду 0/0. Однак нескладно взяти переділ відносини в 0, який у практичному плані можна отримати, взявши це відношення за дуже малих значень, наприклад, 0,0001. У таблицях 1 і 2 подаємо ці значення для різних початкових умов за температурою.

При будь-яких значеннях і при побутових інтервалах розкиду температур Т вул і Т кімн (вважатимемо, що Т кімн / Т вул x

S / E (1 / Т вул - 1 / Т кімн) (1 -). (7)

Дійсно, якщо позначити Т кімн = Т вул (1+х), 0< x

На графіку 1 покажемо цю залежність для температур Т вул = 300К Т кімн = 380К.

Це крива не є прямою лінією, яка визначається наближенням (7), хоча досить близька до неї, так що на графіку вони невиразні. Формула (7) показує, що якість теплообміну мінімальна саме при = 0. Зробимо ще одну оцінку масштабу S/E.< 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 та при довільному співвідношенні витрат теплоносіїв.

ЗМІНА ЯКОСТІ ТЕПЛООБМІНУ ПРИ ВІДМІННИХ ВИТРАТАХ ТЕПЛОНОСІВЦІВ

Вважатимемо, що витрати теплоносіїв розрізняються в n разів, а теплообмін відбувається з максимально можливою якістю (= 1). Якій якості теплообміну з рівними витратами це буде відповідати? Для відповіді це запитання подивимося, як поводиться величина S / E при = 1 щодо різних співвідношень витрат. Для різниці витрат n = 2 цю відповідність вже було підраховано у 3 пункті: = 1 n=2 відповідає = 0,75026… при однакових потоках. У таблиці 3 для набору температур 300К і 350К представимо відносну зміну ентропії за рівних витрат теплоносіїв однакової теплоємності для різних значень.

У таблиці 4 представимо також відносну зміну ентропії для різних співвідношень витрат n тільки за максимально можливої ​​ефективності теплопередачі (= 1) і відповідні ефективності, що призводять до такої якості для рівних витрат.

Уявимо отриману залежність (n) на графіку 2.

При нескінченній різниці витрат прагне кінцевої межі 0,46745… Можна показати, що це універсальна залежність. Вона справедлива за будь-яких початкових температур для будь-яких носіїв, якщо замість співвідношення витрат мати на увазі співвідношення теплових еквівалентів. Її також можна наблизити гіперболою, яка позначена на графіку 3 лінією синього кольору:

'(n) 0,4675+ 0,5325/n. (8)

Лінією червоного кольору позначена точна залежність (n):

Якщо нерівні витрати реалізуються при обміні з довільним n>1, то термодинамічна ефективність у сенсі виробництва відносної ентропії зменшується. Її оцінку зверху наведемо без висновку:

Це співвідношення прагне точної рівності при n>1, близьких до 0 або 1, а при проміжних значеннях не перевищує абсолютної похибки в кілька відсотків.

Закінчення статті буде представлено в одному з номерів журналу «СВІТ КЛІМАТУ». На прикладах реальних теплообмінних блоків знайдемо значення коефіцієнтів рекуперації і покажемо, наскільки визначаються характеристиками блоку, а наскільки витратами теплоносіїв.

ЛІТЕРАТУРА

1. Пухів А. повітря. Інтерпретація дослідних даних. // Світ клімату. 2013. № 80. С. 110.
2. Пухів А. В. Потужність теплової завіси при довільних витратах теплоносія та повітря. Інваріанти процесу теплопередачі. // Світ клімату. 2014. № 83. С. 202.
3. Кейс Ст М., Лондон А. Л. Компактні теплообмінники. . М.: Енергія, 1967. З. 23.
4. Уонг Х. Основні формули та дані по теплообмін для інженерів. . М.: Атоміздат, 1979. С. 138.
5. Кадомцев Б. Б. Динаміка та інформація // Успіхи фізичних наук. Т. 164. 1994. № 5, травень. С. 453.

Пухов Олексій В'ячеславович,
технічний директор
компанії «Тропік Лайн»

Системи вентиляції в останніх версіяхвже не обмежуються стандартним набором функцій, головна з яких полягає у оновленні повітряного середовища. Наприклад, за рахунок застосування технологічних фільтрів обладнання мінімізує вміст шкідливих частинок у приміщенні, а також запобігає надходженню запахів. Удосконалюються і в показниках регулювання мікроклімату, що особливо вигідно, з точки зору енергозбереження. Для забезпечення цієї можливості застосовуються припливно-витяжні установки із рекуперацією повітряних потоків. Дія подібних систем ґрунтується на обробці теплових потоків, що проходять через елементи вентиляційної установки. У результаті користувач отримує не тільки свіже, але й нагріте природним шляхом повітря.

У чому полягає принцип рекуперації?

Процес рекуперації відбувається на тлі взаємодії повітряних потоків із різною температурою. Тобто нагріті потоки віддають своє тепло холодним, таким чином формуючи оптимальний температурний баланс. Рекуперація - це передача тепла свіжому повітрі, яка здійснюється в спеціальному теплообміннику. У цьому існують різні рівні ефективності цього процесу. Наприклад, відкрите вікно демонструє нульову ефективність. В цьому випадку припливні потоки не нагріваються, а знижують температуру повітря в самому приміщенні. Можна сказати, що це процес, який протилежний рекуперації.

Середній рівень ефективності варіюється в діапазоні 30-90 %. Оптимальний показникдосягає 60%, а системи, які демонструють показник вище 80%, вважаються найбільш продуктивними. Найефективніша рекуперація - це процес теплообміну, при якому нагрівання припливних потоків досягне рівня, що відповідає повітря, що видаляється. Але навіть сучасні технологіїне дозволяють досягти 100-відсоткового ККД.

Рекуператор у системі вентиляції

Принцип рекуперації реалізується у системі вентиляції як поверхневого теплообмінника. Сам процес розподілу тепла здійснюється за допомогою стінки, яка поділяє два протилежно спрямовані потоки. Подібним пристроєм мають регенератори, проте система рекуперації відрізняється тим, що канали роботи з повітрям залишаються незмінними протягом усього періоду експлуатації. Потрібно сказати, що кліматичне обладнання може обслуговувати не лише повітряні середовища. Так і рекуперація застосовується також у роботі з газом, рідинами тощо. Існують і різні схеми конструкційного виконання. Найбільш поширеними вважаються ребристі, трубчасті та пластинчасті моделі. У той самий час передбачаються різні підходи до проектування каналів руху потоків - наприклад, можна назвати прямоточні, протиточні і перехресні устрою.

Перехресний пластинчастий рекуператор

У таких установках зазвичай використовують мембранні перегородки, завдяки яким забезпечується ефективна рекуперація. Особливістю системи є те, що в міру видалення повітря надвір виходить і зайва волога. Система припливно-витяжна з рекуперацією відрізняється стійкістю до обмерзання, яка досягається без спеціальних нагрівачів. Ця перевага дозволяє використовувати обладнання з перехресно-мембранною конструкцією в умовах температурного режимудо -35 °С.

Використовують такі установки і у забезпеченні житлових будинків, і у складських приміщеннях, де передбачається обслуговування великих площ. Також вони набули поширення в сільському господарстві - наприклад, в облаштуванні пташників, овочесховищ та тваринницьких ферм. Оскільки рекуперація тепла в перехресних конструкціях з мембранами дозволяє забезпечувати ефективне збереження прохолоди влітку, дана система має попит і у виробничій галузі.

Срібні пластинчасті системи

Пристрій такого рекуператора передбачає наявність оребрених тонкостінних пластин, виконаних шляхом високочастотного зварювання. Металеві панелі формують конструкцію з послідовним розташуванням перегородок, повернутих на 90 градусів. За рахунок такої схеми досягається висока температура середовища, що гріє, мінімальний рівень опору, а також оптимальне відношення площі телепередаючої поверхні до ваги теплообмінника. Окрім цього, припливні установки з рекуперацією тепла зі срібними пластинами відрізняються довговічністю та невисокою ціною. Практикою використання підтверджується, що подібні системи дозволяють економити близько 40%. Тобто мінімізуються витрати на опалення, оскільки свіже повітря ефективно прогрівається потоками, що видаляються.

Роторні моделі

До особливостей таких установок відносять низьку вартість та досить високу продуктивність. Хоча, в плані показників нагріву свіжого повітря цей варіант поступається пластинчастою конструкцією з подвійною касетою. Незважаючи на просту конфігурацію робочих елементів, роторне встановлення рекуперації грішить неідеальним розподілом повітряних потоків. Є певний ризик, що чисте повітрязмішається з видаленим і в результаті постраждає якість вентиляції як такої. До недоліків подібних систем належить і необхідність частого технічного обслуговування, що особливо невигідно при експлуатації в житлових приміщеннях. Однак сам процес нагрівання досить ефективний.

Прямоточно-протиструмові системи

Особливістю рекуператорів цього є трубчаста конструкція, елементи якої представлені тонкостінними зварними елементами. У процесі роботи установки цього типу формується пристінний вихор, який підвищує теплообмін, але при цьому руйнується зі зростанням опору в повітряному каналі. Найчастіше такі системи застосовуються в промисловості, де потрібне делікатне нагрівання одного з робочих середовищ. Також прямоточно-протиточне обладнання використовують у машинобудуванні для розсіювання та утилізації тепла. Затребувана і побутова установка припливу з рекуперацією цього типу - її рекомендують встановлювати в кімнатах з герметичними. металопластиковими вікнами, а також у екологічних будинках.

Такі рекуператори, як правило, інтегрують у єдиний повітроводний кожух, що в процесі експлуатації забезпечує низьке енергоспоживання, компактні розміри з можливістю прихованого монтажу, високу продуктивність та надійність обладнання.

Рекуператори для енергоефективних будинків

Сама концепція вентиляційних систем, в яких забезпечується пасивне нагрівання свіжого повітря, орієнтована на зниження плати за опалення. Але в плані оснащення рекуперація - це екологічно чистий спосіб нормалізації мікроклімату. Виробники випускають спеціальні лінійки, у яких використовуються безпечні та ефективні у плані рекуперації матеріали. Зокрема останні моделі отримують триступінчасті теплообмінники, виконані з непористих ультратонких мембран. Такий пристрій дозволяє відмовитись від електричних повітряних нагрівачів.

Крім рівномірної передачі тепла, подібні пристрої також ефективно працюють і з вологістю. Вони забезпечують повне повернення вологи до приміщення з повним винятком конденсаторів. В результаті вентиляція з рекуперацією позбавляється і необхідності установки дренажних водовідводів.

Автоматика для рекуператорів

Розвиваються припливно-витяжні та у напрямку електронної начинки. З метою оптимального розподілу потоків виробники забезпечують установки можливістю автоматичного регулювання положення міжканальних перегородок. У досконаліших моделях передбачається також налаштування швидкісних режимів, індикація температурних показників та контроль ступеня забрудненості фільтрів із сигналізацією. Окрім цього, сучасна вентиляція з рекуперацією надає можливість керування зовнішнім канальним нагрівачем без підключення до процесу сторонніх пристроїв. Тобто в цьому випадку забезпечується додаткове нагрівання повітря до оптимального показника.

Фільтри в рекуператорах

Як і все сучасні системивентиляції, моделі з рекуперацією передбачають включення до конструкції очисних пристроїв. Так як теплообмін передбачає максимальне зведення вихідного і повітряних потоків, що нагнітається, фільтри в даному випадку відіграють особливо важливу роль. Найчастіше в самих повітропроводах застосовуються фільтри типу F7, які виключають проходження частинок розміром 0,5 мкм. Менш поширені G3, але в залежності від конструкції може знадобитися і таке доповнення. Для зручності в обслуговуванні система рекуперації частіше забезпечується фільтрами, виготовленими із пластиків та спеціальних волокон – такі елементи легко мити та витрушувати. Як зазначалося, сучасні моделітакож оснащуються індикаторами, які визначають момент для проведення заміни фільтра.

Переваги рекуператорів

Технології, що використовуються в припливно-витяжних системах рекуперації, мінімізують енергоспоживання та підвищують ергономіку. кліматичного обладнання. Насправді користувач такої установки може відчути і поліпшення показників мікроклімату. Звичайно, рекуперація тепла не така ефективна, з точки зору опалювальної функції, як спеціальні нагрівальні агрегати, але її робота не потребує додаткового споживання енергоресурсів. Включення до системи допоміжних засобів нагрівання дозволяє збалансувати і підвищення температурного режиму, і економію у витратах енергії. Загалом за розрахунками фахівців використання рекуперації дозволяє на 10-15 % знижувати витрати на опалення.

Недоліки рекуператорів

Такі системи мають два серйозних недоліків. Насамперед це зледеніння теплообмінників взимку. Тому багато користувачів скаржаться на вихід з ладу обладнання вже в перші тижні експлуатації в умовах морозу. Однак виробники прагнуть покращувати захисні якості обладнання, забезпечуючи установки та міцними вентиляторами. Другий недолік, яким володіють припливно-витяжні установки з рекуперацією, відноситься до їх шумній роботі. Особливо це виявляється у роторних моделей. При цьому розробники прагнуть забезпечувати нові моделі поліпшеними засобами ізоляції, тому на ринку можна зустріти малошумні варіанти.

Що врахувати у виборі установки із рекуператором?

Споживачеві, який вирішив встановити таку систему у своєму будинку, слід орієнтуватися на продуктивність системи, конструкційне виконання та функціональність. Так, показник продуктивності визначає можливість роботи вентиляції у приміщенні конкретної площі. Не менш важливою є і конструкція, в якій виконано обладнання. Наприклад, встановлення рекуперації тепла з трубчастими елементами дозволяє зручно виконувати монтаж. мінімальними вимогамидо вільного місця. Щодо функціональності, то вона впливає і на можливості регуляції показників мікроклімату в приміщенні, і на ергономічні характеристики системи.

Висновок

Експлуатація традиційних систем вентиляції не дає і натяку на енергозберігаючу функцію. Як правило, це ненажерливі масивні установки, які роблять істотний внесок у підвищення витрат на утримання будинку. На цьому тлі рекуперація – це майже революційний підхід до виробництва кліматичного обладнання, що передбачає раціональне використання відпрацьованої теплової енергії. Якщо в типовій системі реалізується нагрівання повітря в міру його надходження в приміщення за допомогою опалювального обладнання, рекуперація дозволяє спочатку підвищувати температуру вхідних потоків без підключення спеціальних нагрівачів. Звісно, ​​такі установки мають недоліки, але з ними виробники ведуть плідну боротьбу, удосконалюючи конструкції рекуператорів.

Електродвигуни призначені для руху різних механізмів, але після завершення руху механізм необхідно зупинити. Для цього можна використовувати також електричну машину та метод рекуперації. Про те, що таке рекуперація електроенергії, розповідається у цій статті.

Що таке рекуперація

Назва цього процесу походить від латинського слова recuperatio, яке перекладається як зворотне отримання. Це повернення частини використаної енергії або матеріалів для повторного використання.

Цей процес широко використовується в електротранспорті, що особливо працює на акумуляторах. Під час руху під ухил і під час гальмування системи рекуперації повертає кінетичну енергію руху назад в акумулятор, заряджаючи їх. Це дозволяє проїхати без підзарядки більшу відстань.

Рекуперативне гальмування

Один із видів гальмування – це рекуперативне. При цьому швидкість обертання електродвигуна більша, ніж задана параметрами мережі: напругою на якорі та обмотці збудження в двигунах постійного струму або частотою напруги живлення в синхронних або асинхронних двигунах. У цьому електродвигун перетворюється на режим генератора, а вироблену енергію віддає у мережу.

Основною перевагою рекуператора є економія електроенергії. Це особливо помітно при русі містом з швидкістю, що постійно змінюється, приміському електротранспорті і метрополітені з великою кількістю зупинок і гальмуванням перед ними.

Крім переваг, рекуперація має недоліки:

• неможливість повної зупинки транспорту;
• повільна зупинка за малих швидкостей;
• відсутність гальмівного зусилля на стоянці.

Для компенсації цих недоліків на транспортних засобах встановлюється додаткова системамеханічних гальм.

Як працює система рекуперації

Для забезпечення роботи ця система повинна забезпечувати живлення електродвигуна від мережі та повернення енергії під час гальмування. Найпростіше це здійснюється у міському електротранспорті, а також у старих електромобілях, оснащених свинцевими акумуляторами, електродвигунами постійного струму та контакторами, – при переході на знижену передачу за високої швидкості режим повернення енергії включається автоматично.

У сучасному транспорті замість контакторів використовується ШІМ-контролер. Цей пристрій дозволяє повертати енергію як у мережу постійного, так і змінного струму. Працюючи воно працює як випрямляч, а під час гальмування визначає частоту і фазу мережі, створюючи зворотний струм.

Цікаво.При динамічному гальмуванні електродвигунів постійного струму вони так само переходять в режим генератора, але енергія, що виробляється, не повертається в мережу, а розсіюється на додатковому опорі.

Силовий спуск

Крім гальмування, рекуператор використовується зменшення швидкості при опусканні вантажів вантажопідйомними механізмами і під час руху вниз по похилій дорозі електротранспорту. Це дозволяє не використовувати при цьому механічне гальмо, що зношується.

Застосування рекуперації у транспорті

Цей метод гальмування використовується багато років. Залежно від виду транспорту його застосування має свої особливості.

В електромобілях та електровелосипедах

При русі дорогою, а тим більше, бездоріжжям електропривід майже весь час працює в тяговому режимі, а перед зупинкою або перехрестям - "накатом". Зупинка здійснюється, використовуючи механічні гальма через те, що рекуперація при малих швидкостях неефективна.

Крім того, ККД акумуляторів у циклі "заряд-розряд" далекий від 100%. Тому хоча такі системи і встановлюються на електромобілі, великої економії заряду вони не забезпечують.

На залізній дорозі

Рекуперація у електровозах здійснюється тяговими електродвигунами. При цьому вони включаються в режимі генератора, що перетворює кінетичну енергію на електроенергію. Ця енергія віддається назад у мережу, на відміну реостатного гальмування, що викликає нагрівання реостатів.

Рекуперація використовується також при тривалому спуску схилом для підтримки постійної швидкості. Цей метод дозволяє економити електроенергію, яка віддається назад у мережу та використовується іншими поїздами.

Раніше цією системою обладналися лише локомотиви, які працюють від постійної мережі. У апаратах, що працюють від мережі змінного струму, є складність із синхронізацією частоти відданої енергії із частотою мережі. Наразі ця проблема вирішується за допомогою тиристорних перетворювачів.

В метро

У метрополітені під час руху поїздів відбувається постійний розгін та гальмування вагонів. Тому рекуперація енергії дає великий економічний ефект. Він досягає максимуму, якщо це відбувається одночасно у різних поїздах на одній станції. Це враховується під час складання розкладу.

У міському громадському транспорті

У міському електротранспорті ця система встановлюється практично у всіх моделях. Вона використовується як основна до швидкості 1-2 км/год, після чого стає неефективною, і замість неї включається гальмо стоянки.

У Формулі-1

Починаючи з 2009 року в деяких машинах встановлюється система рекуперації. Цього року такі пристрої ще не давали відчутної переваги.

2010 року такі системи не використовувалися. Їх установка з обмеженням на потужність та обсяг рекуперованої енергії відновилася у 2011 році.

Гальмування асинхронних двигунів

Зниження швидкості асинхронних електродвигунів здійснюється трьома способами:

• рекуперація;
• противключення;
• динамічний.

Рекуперативне гальмування асинхронного двигуна

Рекуперація асинхронних двигунівможлива у трьох випадках:

• Зміна частоти напруги живлення. Можливе при живленні електродвигуна від частоти перетворювача. Для переходу в режим гальмування частота зменшується так, щоб швидкість обертання ротора виявилася синхроннішою;
• Перемиканням обмоток та зміною числа полюсів. Можливо тільки у двох- та багатошвидкісних електродвигунах, у яких кілька швидкостей передбачені конструктивно;
• Силовий спуск. Застосовується у вантажопідйомних механізмах. У цих апаратах встановлюються електродвигуни з фазним ротором, регулювання швидкості яких здійснюється зміною величини опору, що підключається до обмоток ротора.

У будь-якому випадку при гальмуванні ротор починає обганяти поле статора, ковзання стає більше 1 і електромашина починає працювати як генератор, віддаючи енергію в мережу.

Протиувімкнення

Режим противмикання здійснюється перемиканням двох фаз, що живлять електромашину, між собою та включенням обертання апарата у зворотний бік.

Можливий варіант включення при противключенні додаткових опорів ланцюг статора або обмоток фазного ротора. Це зменшує струм та гальмівний момент.

Важливо!На практиці цей спосіб застосовується рідко через перевищення струмів у 8-10 разів вище за номінальні (за винятком двигунів з фазним ротором). Крім того, апарат необхідно вчасно відключити, інакше він почне обертатись у зворотний бік.

Динамічне гальмування асинхронного двигуна

Цей метод здійснюється подачею в обмотку статора постійної напруги. Для забезпечення безаварійної роботи електромашини струм гальмування не повинен перевищувати 4-5 струмів холостого ходу. Це досягається включенням до ланцюга статора додаткового опору або використанням понижуючого трансформатора.

Постійний струм, що протікає в статорних обмотках, створює магнітне поле. При перетині його в обмотках ротора наводиться ЕРС і протікає струм. Виділена потужність створює гальмівний момент, сила якого тим більше, що вища швидкість обертання електромашини.

Фактично асинхронний електродвигун у режимі динамічного гальмування перетворюється на генератор постійного струму, вихідні клеми якого закорочені (в машині з короткозамкненим ротором) або включені на додатковий опір (електромашина з фазним ротором).

Рекуперація в електричних машинах– це вид гальмування, що дозволяє заощадити електроенергію та уникнути зносу механічних гальм.

Відео