Рекуператори тепла для вентиляції, які вони бувають і як працюють? Види рекуператорів та їх переваги та недоліки Камерний рекуператор

Рекуперація тепла стала досить часто використовуватися в Останнім часому системах вентиляції. Якщо докладніше розглядати сам процес, то спочатку слід визначитися і зрозуміти, що означає сам термін рекуперація. Рекуперація тепла в системах вентиляції означає, що повітря, що пропускається, яке видаляється спеціальними установками, пропускається крізь систему фільтрів і подається назад.

Варто звернути особливу увагу, що у вентиляційних системах з часткою відпрацьованого повітря витягується і частина тепла з приміщення. І ось саме ця теплова енергія і повертається назад.

Дані системи ефективно застосовується на великих виробництвах і великих цехах, оскільки, щоб забезпечити оптимальну температуру для таких приміщень взимку необхідно піддати себе великим витратам. Дані установки дозволяють значно компенсувати такі втрати і скоротити витрати.

Навіть у приватному будинку вентиляційні установки з рекуперацією тепла сьогодні будуть досить актуальними. Навіть в індивідуальному будинку завжди виконується вентиляція і при циркулюванні повітря тепло так само йде з будь-якого приміщення. Погодьтеся, що загерметезувати будівлю повністю і тим самим уникнути будь-яких втрат тепла просто неможливо.

Сьогодні ці системи варто застосовувати навіть у приватному будинку з наступних причин:

Для швидкого видалення повітря з великою домішкою вуглекислого газу;
Для притоку необхідної кількостісвіжого повітря у житлові приміщення;
Для усунення підвищеної вологості у кімнатах, а також усунення неприємних запахів;
Для економії тепла;
А також для видалення пилу та шкідливих мікроорганізмів, які можуть у ньому утримуватися.

Системи припливного типу з рекуперацією

Припливна установка з рекуперацією тепла починає мати все більший попит серед приватних домовласників. І її переваги, особливо в холодну пору року, дуже високі.

Як відомо, забезпечити житлове приміщення необхідною вентиляцією можна багатьма способами. Це і природна циркуляція повітря, яка здійснюється за рахунок провітрювання кімнат. Але погодьтеся, що використовувати такий спосіб узимку просто неможливо, оскільки все тепло швидко покине житлові приміщення.

Якщо ж у будинку, в якому циркуляція повітря виконується тільки природним шляхом, немає більш ефективної системи, то виходить, що в холод кімнати не отримують потрібного обсягу свіжого повітря і кисню відповідно, що надалі негативно позначається на самопочутті всіх членів сім'ї.

Зрозуміло, останнім часом, коли практично всі власники встановлюють пластикові вікнаі двері виходить, що влаштовувати вентиляцію природним способом просто неефективно. Тому виникає необхідність встановлення додаткового обладнання, яке здатне забезпечити хорошу циркуляцію повітря всередині приміщень. І, звичайно, кожен власник погодиться з тим, що хотілося б, щоб будь-яка система витрачала електроенергію економно.

І ось тут найоптимальнішим варіантом буде рекуперація тепла у системах вентиляції. В ідеальному варіанті бажано придбати установку, яка могла б забезпечити і рекуперацію вологості.

Що таке рекуперація вологи?

У будь-якому приміщенні має завжди підтримуватись певний рівень вологості, при якому кожна людина почувається найбільш комфортно. Ця норма має величину від 45 до 65%. Взимку більшість людей стикаються із зайво сухим повітрям у приміщенні. Особливо в квартирах, коли опалення включають на повну і повітря стає дуже сухим, що має вологість близько 25%.

Крім того, часто виходить і так, що з такими перепадами вологості страждає не лише людина. Але й підлога з меблями, як відомо, дерево має високу гігроскопічність. Дуже часто меблі та підлоги від надто сухого повітря пересихають, і надалі виходить, що підлога починає скрипіти, а меблі розвалюватися. Дані установки в першу чергу підтримуватимуть і необхідний рівень вологості в будь-якому приміщенні незалежно від пори року.

Види рекуператорів

В індивідуальних житлових будинкахнайчастіше встановлюють системи вентилювання, що мають централізовані теплообмінники. Крім того, сьогодні можна вибирати з кількох видів конструкцій рекуперативної вентиляції, але вищим попитом користуються такі:

Пластинчасті.
Роторні.
Камерні.
Що мають проміжний теплоносій.

Теплообмінники пластинчастого типу

Найкращі прості конструкціїдля систем вентиляції Теплообмінник виконаний у вигляді камери, розділеної на окремі канали, розташовані паралельно один до одного. Між ними знаходиться тонка пластинчаста перегородка, яка має високі теплопровідні властивості.

Принцип дії заснований на обміні теплом повітряних потоків, тобто відпрацьоване повітря, яке видаляється з приміщення і віддає своє тепло припливному повітрю, яке надходить усередину будинку вже теплим завдяки такому обміну.

До переваг такої технології можна віднести:

просте налаштування пристрою;
повна відсутність будь-яких деталей, що рухаються;
високу ефективність дії.

Ну, і одним з найбільш істотних недоліків у роботі такого рекуператора є утворення конденсату на самій пластині. Зазвичай такі теплообмінники потрібно додатково монтувати спеціальними краплеуловлювачами. Це необхідний параметр, оскільки в зимовий часконденсат може замерзнути та зупинити пристрій. Саме тому в деяких пристроях цього типу є вбудовані системи розморожування.

Теплообмінники роторного типу

Тут головну деталь бере на себе ротор, який розташовується між повітроводними каналами та нагріває повітря за допомогою постійного обертання. Вентиляція з рекуперацією роторного тепла типу має дуже високу ефективність роботи. Така система дозволяє повертати назад до приміщення близько 80% тепла.

А ось істотним недоліком є неповноцінність роботи системи щодо бруду, пилу та запахів. У конструкції між ротором та корпусом є не щільності. Через них потоки повітря можуть змішуватись і тому всі забруднення можуть знову потрапити назад. І природно рівень шуму тут набагато вище, ніж у пластинчастого теплообмінника.

Теплообмінники камерного типу

У рекуператорі даного типу повітряні потоки розділені безпосередньо камерою. Обмін тепла відбувається завдяки заслінці, яка періодично змінює напрямок потоків повітря. Дана система має високу ефективність у роботі. А до недоліків можна віднести лише наявність рухомих деталей усередині пристрою.

Теплообмінники із проміжним носієм

Принцип роботи цього пристрою практично аналогічний роботі пластинчастого рекуператора. Тут теплообмінником є замкнутий контур із трубки. У ньому відбувається постійна циркуляція води чи водно-гліколевого розчину. Ефективність процесів теплообміну залежить від швидкості циркуляції в замкнутому контурі рідини.

У такому пристрої змішання потоків повітря повністю виключено. До мінусів належить лише недостатня ефективність. Такий пристрій здатний повернути приблизно 50% забраного із приміщення тепла.

Теплові трубки

Варто виділити ще один тип рекуператорів. Рекуперація тепла в будинку з використанням теплових трубок є досить ефективною. Такі пристрої являють собою запаяні трубки, виготовлені з металу, який володіє високими теплопровідними властивостями. Усередині такої трубки знаходиться рідина, яка має дуже низьку температурукипіння (зазвичай тут використовують фреон).

Такий теплообмінник завжди встановлюється у вертикальному положенні, причому один із його кінців розташований у каналі витяжки, а інший у припливному каналі.

Принцип дії простий. Тепле повітря, що витягується, омиваючи трубу, передає тепло фреону, який закипаючи, переміщається вгору, з великою кількістю тепла. А припливне повітря, що омиває верх трубки, забирає це тепло з собою.

До переваг можна віднести високу ефективність, безшумність роботи та високий коефіцієнт корисної дії. Отже, сьогодні можна значно заощадити на обігріві будинку, частково повертаючи його назад.

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) = (с 2 g 2) (Т 2 0 - Т 2) / (с g) min (T 2 0 - T 1 0). (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 з двох значень так званого теплового еквівалента цих середовищ (Вт/К) при витратах g 1 і g 2 (c) min = min((с 1 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 С. ' будуть відповідно 4 про С та 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, з (або як її часто позначають з р) -Tmc d. 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: 1,2. 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 самих 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 в (6), то повної зміни ентропії отримаємо S = 0,00125сg > 0. Тобто навіть за найсприятливішому випадку з = 1 процес стає термодинамічно неоптимальний, він відбувається зі збільшенням ентропії і, як наслідок цього, на відміну від підвипадку з рівними витратами.

Щоб оцінити масштаб цього збільшення, знайдемо коефіцієнт рекуперації для вже розглянутого вище обміну рівних витрат, щоб у 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, при тих же початкових температурах Т вул = 273К і Т кімн = 293К і рівних потоках цього коефіцієнта відповідають температури Т пр = 288К і Т'. 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 в (6), то для повної зміни ентропії отримаємо сg(2ln(286,2 / 273) + ln(266,6 / 293)) 0. Закон збереження енергії і закон незменшення ентропії для цих значень температур виконуються, і все ж обмін неможливий через те, що Т6 . 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 тождено . відповідати максимальне збільшення ентропії із 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 в залежності 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 різних температур для переданої при цьому енергії . ,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

Пухів А. повітря. Інтерпретація дослідних даних. // Світ клімату. 2013. № 80. С. 110.
Пухів А. В. Потужність теплової завіси при довільних витратах теплоносія та повітря. Інваріанти процесу теплопередачі. // Світ клімату. 2014. № 83. С. 202.
Кейс Ст М., Лондон А. Л. Компактні теплообмінники. . М.: Енергія, 1967. З. 23.
Уонг Х. Основні формули та дані по теплообмін для інженерів. . М.: Атоміздат, 1979. С. 138.
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»

Електродвигуни призначені для руху різних механізмів, але після завершення руху механізм необхідно зупинити. Для цього можна використовувати також електричну машинута 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. В 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

Екологія споживання. Утрата тепла – серйозна проблема, з якою бореться будівельна наука. Ефективні утеплювачі, герметичні вікна та двері вирішують її лише частково. Можна суттєво знизити витік тепла через стіни, вікна, дах та підлогу. Незважаючи на це, в енергії залишається ще один широкий шлях для «втечі». Це вентиляція, без якої неможливо обійтись у будь-якій будівлі.

Втрати тепла – серйозна проблема, з якою бореться будівельна наука. Ефективні утеплювачі, герметичні вікна та двері вирішують її лише частково. Можна суттєво знизити витік тепла через стіни, вікна, дах та підлогу. Незважаючи на це, в енергії залишається ще один широкий шлях для «втечі». Це вентиляція, без якої неможливо обійтись у будь-якій будівлі.

Виходить, що взимку ми витрачаємо дороге паливо на нагрівання приміщень і при цьому безперервно викидаємо тепло на вулицю, впускаючи холодне повітря.

Вирішити проблему енергозбереження можна за допомогою рекуператора тепла. У цьому пристрої теплий кімнатне повітрянагріває вуличний. Так досягається чимала економія коштів на опалення (до 25% загальної суми витрат).

У літній період, коли на вулиці стоїть спека, а в будинку працює кондиціонер, рекуператор також приносить користь. Він охолоджує гарячий вхідний потік, знижуючи витрати на кондиціювання.

Давайте ближче познайомимося з побутовими рекупераційними установками, щоб мати уявлення про їх пристрій, переваги та особливості вибору.

Види, принцип роботи та влаштування рекуператорів

Ідея використати тепло кімнатного повітря для підігріву вуличного виявилася дуже плідною. Вона була покладена основою роботи всіх рекуператорів.

На сьогоднішній день використовується три види таких пристроїв:

пластинчасті;
роторні;
рециркуляційні водяні.

Найпоширеніші та найпростіші за конструкцією – пластинчасті рекуператори. Вони енергонезалежні, компактні, надійні в роботі та мають досить високий ККД (40-65%).

Основна робоча частина такого пристрою – касета, усередині якої встановлені паралельні пластини. Виходить з приміщення і повітря, що входить до нього, розсікається ними на вузькі потоки, кожен з яких йде по своєму каналу. Теплообмін відбувається через пластини. Вуличне повітря підігрівається, а кімнатне остигає і викидається в атмосферу.

Принцип роботи пластинчастого рекуператора

Головний недолік пластинчастих установок - обмерзання в сильні морози. Конденсат, що осідає в рекупераційному блоці, перетворюється на лід і різко знижує продуктивність пристрою. Для боротьби з цим явищем знайшли три способи.

Перший – встановлення клапана байпасу. Отримавши сигнал від датчика, він пускає холодний потік в обхід блоку. Через пластини йде тільки тепле повітря, що розморожує льоду. Після відтавання та відведення конденсату клапан відновлює штатну роботу системи.

Другий варіант – використання пластин із гігроскопічної целюлози. Вода, що осідає на стінках касети, вбирається в них і проникає в канали, якими рухається припливне повітря. Так вирішується відразу дві задачі: усунення конденсату та зволоження.

Третій спосіб полягає в попередньому нагріванні холодного потоку до температури, що виключає замерзання води. Для цього в подаючий вентиляційний каналставлять ТЕН. Необхідність у ньому виникає за нормальної температури вуличного повітря нижче -10С.

У Останніми рокамина ринку з'явилися пластинчасті реверсивні установки. На відміну від прямоточних пристроїв вони працюють у два такти: перший – випуск теплого повітря надвір, другий – всмоктування холодного через прогрітий блок.

Принцип роботи реверсивної установки

Ще один вид установок – роторні рекуператори. ККД таких пристроїв значно вище, ніж у пластинчастих (74-87%).

Принцип дії роторної установки полягає в обертанні касети з комірками в потоці повітря, що входить і виходить. Рухаючись по колу, канали по черзі пропускають теплий внутрішній та холодний зовнішній потоки. Волога у разі не замерзає, а насичує припливне повітря.

Слід зазначити, що припливно-витяжна установка з рекуператором типу роторного дозволяє плавно регулювати тепловіддачу. Робиться з допомогою зміни швидкості обертання касети. Основний недолік роторних систем – висока вартість обслуговування. За надійністю вони також поступаються пластинчастим.

Наступний вид – рециркуляційна водяна установка. Вона найскладніша за конструкцією. Передача тепла тут виконується не через пластини чи ротор, а з допомогою антифризу чи води.

Перший рідинно-повітряний теплообмінник ставиться на витяжному каналі, а другий на всмоктувальному. Робота йде за принципом калорифера: кімнатне повітря нагріває воду, а вона гріє вуличну.

ККД такої системи не перевищує показників пластинчастих рекуператорів(50-65%). Висока ціна, яку доводиться платити за складність конструкції, виправдовується єдиною перевагою: блоки такої установки можна розмістити не в одному корпусі, а на віддалених ділянках припливно-витяжної вентиляції. Для потужних промислових системце має велике значення. У невеликих будинках такі пристрої не ставлять.

Особливості вибору рекуператора

Познайомившись з особливостями роботи рекуператорних установок, настав час перейти до практичної частини – критеріїв вибору для виконання конкретних завдань.

Перше, на що потрібно звернути увагу, – спосіб монтажу. У робоче положення побутова припливно-витяжна вентиляція з рекуперацією тепла може бути встановлена декількома способами:

Всередині стіни. Корпус монтується в попередньо пробурений отвір. З зовнішньої сторониставиться ковпак, з внутрішньої - грати та блок управління.

Всередині приміщення. Установка навішується на стіну. Зовні ставиться решітка чи ковпак.

Зовнішнє розміщення. Переваги такого рішення очевидні: мінімум шуму та економія місця. Канальний пристрій дозволяє розміщувати його на балконах і лоджіях, а також просто на фасаді будівлі.

Ще один параметр, який потрібно врахувати під час купівлі – кількість вентиляторів. Бюджетні рекуператори повітря для оснащуються однією вентиляційною установкою, що працює і на приплив, і на витяжку.

Більш дорогі пристрої мають 2 вентилятори. Один із них закачує, а інший викидає повітря. Продуктивність таких приладів вища, ніж одновентиляторна.

При покупці слід звертати увагу на наявність електричного нагрівача. З його допомогою виключається обмерзання касети та підвищується нижня температурна межа роботи пристрою.

Функція клімат-контроль. Дозволяє точно задати температуру, до якої рекуператор нагріватиме повітря.

Можливість регулювання вологості. Цей параметр суттєво впливає на комфорт мікроклімату. Стандартний рекуператор пересушує повітря, забираючи з нього воду.

Наявність чи відсутність фільтра. Додаткова опція, що позитивно впливає на санітарні характеристики повітряної суміші.

Важливий параметр, що вимагає уваги - температура повітря, що перекачується. У різних моделях її значення може суттєво відрізнятись. Максимально широкий діапазон робочих температур від -40 до +50С побутових пристроївтрапляється рідко.

Тому окрім обліку оптимальної продуктивності в м3/годину, при покупці вибирайте прилад, який зможе повноцінно працювати у ваших кліматичних умовах.

Розрахунок продуктивності

Детальні розрахунки роботи рекуператорів у системі припливно-витяжної вентиляції досить складні. Тут доводиться враховувати безліч факторів: кратність повітрообміну в приміщеннях, переріз каналів, швидкість руху повітря, необхідність встановлення глушників тощо. Грамотно виконати таке завдання здатні лише досвідчені інженери.

Рядовий споживач може скористатися спрощеною методикою для того, щоб правильно зорієнтуватися при покупці пристрою.

Продуктивність рекуператора безпосередньо залежить від санітарної нормивитрати повітря на 1 особу. Її середнє значення становить 30 м3/годину. Тому, якщо у квартирі чи приватному будинку постійно проживають 4 особи, то продуктивність установки має бути не менше 4х30 = 120 м3/година.

Власна електрична потужність побутових рекуператорів невелика (25-80 Вт). Вона визначається рівнем енергоспоживання канальних вентиляторів. В установках з електродогріванням вхідного потоку ставляться ТЕН загальною потужністю від 0,8 до 2,0 КВт.

Коротко про самостійне складання

У більшості фото та відеоінструкцій з самостійного виготовленняРекуператори розглядаються пластинчасті моделі. Це найпростіший і доступніший варіант для домашнього майстра.

Головна частина конструкції – теплообмінник. Його роблять з оцинкованої сталі, нарізуючи її у вигляді пластин розміром 30х30 см. Для створення каналів на краях та посередині кожної секції за допомогою силікону наклеюють пластикові смугитовщиною 4 мм та шириною 2-3 см.

Збирають теплообмінник, накладаючи та по черзі повертаючи пластини на кут 90 градусів відносно один одного. Так отримують ізольовані канали для зустрічного руху холодного та теплого повітря.

Після цього під розміри теплообмінника виготовляють корпус із металу, ДСП або пластику. У ньому роблять чотири отвори для подачі повітря. У два з них ставлять вентилятори. Теплообмінник розгортають під кутом 45 градусів і закріплюють його в корпусі.

Завершує роботу ретельна герметизація всіх монтажних стиків силіконом.

Схожі статті

Обговорюють:

Бонус-код багаторазовий у World of Tanks:Оновлено (25-10-2019, 20:46): T2 Light Tank Кожному гравцю у World of...
Рейтинг бронесайту як вважається:У багатьох гравців, хто не вникає в різну статистику свого облікового запису,...
Як використовувати баг на вічний засвіт ворога «Лінія фронту» World of Tanks:Вміння правильно танкувати на своєму танку безумовно дуже важливе і корисне.
Найкращий гравець у World of Tanks Найкращий статист у world of tanks:У грі World of Tanks найбільший вплив має стата гравців World of...