Typy rekuperátorov. Rekuperácia tepla vo vetracích systémoch: princíp činnosti a možnosti

V súvislosti s rastom taríf za primárne energetické zdroje sa obnova stáva aktuálnejšou ako kedykoľvek predtým. Vo vzduchotechnických jednotkách s rekuperáciou tepla sa bežne používajú nasledujúce typy výmenníkov tepla:

• doskový alebo krížový výmenník tepla;
• rotačný výmenník tepla;
• rekuperátory s medziľahlým nosičom tepla;
• Tepelné čerpadlo;
• rekuperátor komorového typu;
• rekuperátor s tepelnými trubicami.

Princíp činnosti

Princíp činnosti akéhokoľvek výmenníka tepla vo vzduchotechnických jednotkách je nasledujúci. Zabezpečuje výmenu tepla (v niektorých modeloch - a výmenu chladu, ako aj výmenu vlhkosti) medzi prívodným a odvádzaným vzduchom. Proces výmeny tepla môže prebiehať kontinuálne - cez steny výmenníka tepla, pomocou freónu alebo medziľahlého nosiča tepla. Výmena tepla môže byť tiež periodická, ako v rotačnom a komorovom výmenníku tepla. V dôsledku toho sa odsávaný vzduch ochladzuje, čím sa ohrieva čerstvý privádzaný vzduch. Proces výmeny chladu v niektorých modeloch rekuperátorov prebieha v teplom období a umožňuje znížiť náklady na energiu pre klimatizačné systémy v dôsledku určitého ochladzovania privádzaného vzduchu dodávaného do miestnosti. Výmena vlhkosti prebieha medzi prúdom odpadového a privádzaného vzduchu, čo umožňuje udržiavať vnútornú vlhkosť príjemnú pre človeka po celý rok, bez použitia akýchkoľvek prídavných zariadení – zvlhčovačov a iných.

Doskový alebo krížový výmenník tepla.

Teplovodivé platne rekuperačnej plochy sú vyrobené z tenkej kovovej (materiál - hliník, meď, nerez) fólie alebo ultratenkého kartónu, plastu, hygroskopickej celulózy. Prúd privádzaného a odvádzaného vzduchu prechádza mnohými malými kanálikmi tvorenými týmito tepelne vodivými doskami v protiprúdovom vzore. Kontakt a miešanie tokov, ich znečistenie sú prakticky vylúčené. V konštrukcii výmenníka tepla nie sú žiadne pohyblivé časti. Pomer účinnosti 50-80%. V tepelnom výmenníku vyrobenom z kovovej fólie môže vplyvom rozdielu teplôt prúdiaceho vzduchu kondenzovať vlhkosť na povrchu dosiek. V teplom období sa musí odviesť do kanalizácie budovy pomocou špeciálne vybaveného drenážne potrubie. V chladnom počasí hrozí zamrznutie tejto vlhkosti vo výmenníku tepla a mechanickému poškodeniu(rozmrazovanie). Vytvorený ľad navyše značne znižuje účinnosť výmenníka tepla. Preto tepelné výmenníky s kovovými teplovodivými doskami vyžadujú počas prevádzky v chladnom období pravidelné odmrazovanie prúdom teplého odpadového vzduchu alebo použitie prídavného vodného alebo elektrického ohrievača vzduchu. V tomto prípade sa privádzaný vzduch buď vôbec neprivádza, alebo sa do miestnosti privádza obtokom výmenníka tepla cez prídavný ventil (obtok). Doba rozmrazovania je v priemere 5 až 25 minút. Výmenník tepla s tepelne vodivými doskami vyrobenými z ultratenkej lepenky a plastu nepodlieha zamŕzaniu, pretože k výmene vlhkosti dochádza aj cez tieto materiály, má však ďalšiu nevýhodu - nemožno ho použiť na vetranie miestností s vysokou vlhkosťou. aby ste ich vysušili. Doskový výmenník je možné inštalovať do prívodného a výfukového systému vo vertikálnej aj horizontálnej polohe v závislosti od požiadaviek na rozmery vetracej komory. Doskové výmenníky tepla sú najbežnejšie kvôli ich relatívnej jednoduchosti konštrukcie a nízkej cene.

Rotačný rekuperátor.

Tento typ je po lamelárnom druhým najrozšírenejším. Teplo z jedného prúdu vzduchu do druhého sa prenáša cez valcový dutý bubon, ktorý sa otáča medzi výfukovou a prívodnou časťou, nazývanou rotor. Vnútorný objem rotora je vyplnený tesne zabalenou kovovou fóliou alebo drôtom, ktorý zohráva úlohu rotujúcej teplovýmennej plochy. Materiál fólie alebo drôtu je rovnaký ako materiál doskového výmenníka tepla – meď, hliník alebo nehrdzavejúca oceľ. Rotor má vodorovnú os otáčania hnacieho hriadeľa otáčaného elektromotorom s krokovou alebo invertorovou reguláciou. Motor možno použiť na riadenie procesu obnovy. Pomer účinnosti 75-90%. Účinnosť rekuperátora závisí od teplôt prúdov, ich rýchlosti a otáčok rotora. Zmenou rýchlosti rotora môžete zmeniť účinnosť. Zamŕzanie vlhkosti v rotore je vylúčené, ale nemožno úplne vylúčiť miešanie prúdov, ich vzájomné znečistenie a prenos pachov, keďže prúdy sú vo vzájomnom priamom kontakte. Miešanie je možné až do 3 %. Rotačné výmenníky tepla nevyžadujú veľké množstvo elektriny, umožňujú odvlhčovať vzduch v miestnostiach s vysokou vlhkosťou. Konštrukcia rotačných výmenníkov tepla je zložitejšia ako doskové výmenníky tepla a ich cena a prevádzkové náklady sú vyššie. Vzduchotechnické jednotky s rotačnými výmenníkmi sú však veľmi obľúbené pre svoju vysokú účinnosť.

Rekuperátory s medziľahlým nosičom tepla.

Chladivom je najčastejšie voda alebo vodné roztoky glykolov. Takýto výmenník tepla pozostáva z dvoch výmenníkov tepla prepojených potrubím s obehovým čerpadlom a armatúrami. Jeden z výmenníkov tepla je umiestnený v kanáli s prúdom odpadového vzduchu a prijíma teplo z neho. Teplo sa prenáša cez teplonosnú látku pomocou čerpadla a potrubia do ďalšieho výmenníka tepla umiestneného v potrubí prívodného vzduchu. Privádzaný vzduch absorbuje toto teplo a ohrieva sa. Miešanie prúdov je v tomto prípade úplne vylúčené, ale v dôsledku prítomnosti prechodného nosiča tepla je faktor účinnosti tohto typu rekuperátorov relatívne nízky a dosahuje 45-55%. Účinnosť môže byť ovplyvnená čerpadlom, ktoré ovplyvňuje rýchlosť chladiacej kvapaliny. Hlavnou výhodou a rozdielom medzi výmenníkom tepla s medziľahlým nosičom tepla a výmenníkom tepla s tepelnou trubicou je, že výmenníky tepla vo výfukovej a napájacej jednotke môžu byť umiestnené vo vzájomnej vzdialenosti. Montážna poloha pre výmenníky tepla, čerpadlo a potrubie môže byť vertikálna alebo horizontálna.

Tepelné čerpadlo.

Relatívne nedávno sa objavil zaujímavá odroda výmenník tepla s medziľahlým nosičom tepla - tzv. termodynamický rekuperátor, v ktorom úlohu kvapalinových výmenníkov tepla, potrubí a čerpadla plní chladiaci stroj pracujúci v režime tepelného čerpadla. Ide o akúsi kombináciu výmenníka tepla a tepelného čerpadla. Pozostáva z dvoch freónových výmenníkov tepla - výparník-chladič vzduchu a kondenzátora, potrubia, termostatického ventilu, kompresora a 4 smerový ventil. Výmenníky tepla sú umiestnené v potrubí prívodu a odvodu vzduchu, kompresor je nevyhnutný na zabezpečenie cirkulácie freónu a ventil prepína toky chladiva v závislosti od ročného obdobia a umožňuje prenášať teplo z odpadového vzduchu do privádzaného vzduchu a naopak. V tomto prípade môže prívodný a výfukový systém pozostávať z niekoľkých prívodov a jedného výfuková jednotka vyššia produktivita spojená jedným chladiacim okruhom. Možnosti systému zároveň umožňujú, aby viacero vzduchotechnických jednotiek pracovalo v rôznych režimoch (kúrenie / chladenie) súčasne. Konverzný faktor tepelného čerpadla COP môže dosiahnuť hodnoty 4,5-6,5.

Rekuperátor s tepelnými trubicami.

Podľa princípu činnosti je výmenník tepla s tepelnými rúrkami podobný výmenníku tepla s medziľahlým nosičom tepla. Jediný rozdiel je v tom, že v prúdoch vzduchu nie sú umiestnené výmenníky tepla, ale takzvané tepelné trubice alebo presnejšie termosifóny. Štrukturálne ide o hermeticky uzavreté časti medenej rebrovanej rúrky, naplnené vo vnútri špeciálne vybraným nízkovriacim freónom. Jeden koniec potrubia vo výfukovom prúde sa zahrieva, freón v tomto mieste vrie a odovzdáva prijaté teplo zo vzduchu na druhý koniec potrubia, fúkaný prúdom privádzaného vzduchu. Tu freón vo vnútri potrubia kondenzuje a odovzdáva teplo vzduchu, ktorý sa ohrieva. Vzájomné premiešavanie tokov, ich znečisťovanie a prenos pachov sú úplne vylúčené. Neexistujú žiadne pohyblivé prvky, potrubia sú umiestnené v prúdoch len zvisle alebo v miernom sklone, takže freón sa vplyvom gravitácie pohybuje vo vnútri potrubia od studeného konca k horúcemu. Pomer účinnosti 50-70%. Dôležitá podmienka na zabezpečenie prevádzky jeho prevádzky: vzduchové kanály, v ktorých sú termosifóny inštalované, musia byť umiestnené vertikálne nad sebou.

Komorový typ rekuperátora.

Vnútorný objem (komora) takéhoto výmenníka tepla je rozdelený na dve polovice klapkou. Klapka sa z času na čas pohybuje, čím mení smer pohybu prúdov odsávaného a privádzaného vzduchu. Odpadový vzduch ohrieva jednu polovicu komory, potom sem klapka usmerňuje prúd privádzaného vzduchu a ten sa ohrieva od vyhrievaných stien komory. Tento proces sa periodicky opakuje. Pomer účinnosti dosahuje 70-80%. Ale v dizajne sú pohyblivé časti, a preto je vysoká pravdepodobnosť vzájomného miešania, kontaminácie tokov a prenosu pachov.

Výpočet účinnosti rekuperátora.

V Technické špecifikácie rekuperačné vetracie jednotky mnohých výrobcov spravidla udávajú dve hodnoty koeficientu rekuperácie - podľa teploty vzduchu a jeho entalpie. Výpočet účinnosti výmenníka tepla sa môže vykonať pomocou teploty alebo entalpie vzduchu. Výpočet teploty zohľadňuje zdanlivý tepelný obsah vzduchu a výpočet entalpie zohľadňuje aj vlhkosť vzduchu (jeho relatívnu vlhkosť). Výpočet entalpie sa považuje za presnejší. Na výpočet sú potrebné počiatočné údaje. Získavajú sa meraním teploty a vlhkosti vzduchu na troch miestach: v interiéri (kde vetracia jednotka zabezpečuje výmenu vzduchu), v exteriéri a v priereze mriežky prívodného vzduchu (odkiaľ sa do miestnosti dostáva upravený vonkajší vzduch). Vzorec na výpočet účinnosti rekuperácie tepla podľa teploty je nasledujúci:

Kt = (T4 – T1) / (T2 – T1), kde

• Kt– faktor účinnosti výmenníka tepla podľa teploty;
• T1– teplota vonkajšieho vzduchu, oC;
• T2 je teplota odvádzaného vzduchu (t. j. vzduchu v miestnosti), °C;
• T4– teplota privádzaného vzduchu, oC.

Entalpia vzduchu je tepelný obsah vzduchu, t.j. množstvo tepla v ňom obsiahnutého, vztiahnuté na 1 kg suchého vzduchu. Entalpia sa určuje pomocou i-d grafy stav vlhkého vzduchu vyznačením bodov na ňom zodpovedajúcich nameranej teplote a vlhkosti v miestnosti, v exteriéri a privádzanom vzduchu. Vzorec na výpočet účinnosti regenerácie entalpie je nasledujúci:

Kh = (H4 - H1) / (H2 - H1), kde

• Kh– faktor účinnosti výmenníka tepla podľa entalpie;
• H1– entalpia vonkajšieho vzduchu, kJ/kg;
• H2–entalpia odpadového vzduchu (t.j. vzduch v miestnosti), kJ/kg;
• H4– entalpia privádzaného vzduchu, kJ/kg.

Ekonomická realizovateľnosť použitia vzduchotechnických jednotiek s rekuperáciou.

Ako príklad si uveďme štúdiu realizovateľnosti použitia vetracích jednotiek s rekuperáciou v systémoch prívodné a odsávacie vetranie priestory autobazáru.

Počiatočné údaje:

• objekt - autobazár o celkovej ploche 2000 m2;
• priemerná výška priestorov je 3-6 m, pozostáva z dvoch výstavných hál, kancelárskeho priestoru a stanice Údržba(STO);
• pre prívodné a odvodné vetranie týchto priestorov boli zvolené potrubné vetracie jednotky: 1 jednotka s prietokom vzduchu 650 m3/hod a príkonom 0,4 kW a 5 jednotiek s prietokom vzduchu 1500 m3/hod. príkon 0,83 kW.
• garantovaný rozsah teplôt vonkajšieho vzduchu pre potrubné inštalácie je (-15…+40) °C.

Pre porovnanie spotreby energie vypočítame výkon potrubného elektrického ohrievača vzduchu, ktorý je potrebný na ohrev vonkajšieho vzduchu v chladnom období v napájacej jednotke tradičný typ(pozostáva zo spätného ventilu, potrubného filtra, ventilátora a elektrického ohrievača vzduchu) s prietokom vzduchu 650 a 1500 m3/h. Zároveň sa náklady na elektrickú energiu považujú za 5 rubľov za 1 kWh.

Vonkajší vzduch musí byť zohriaty na -15 až +20°C.

Výpočet výkonu elektrického ohrievača vzduchu sa vykonáva podľa rovnice tepelnej bilancie:

Qn \u003d G * Cp * T, W, kde:

• Qn– výkon ohrievača vzduchu, W;
• G- hmotnostný prietok vzduchu cez ohrievač vzduchu, kg/s;
• St je špecifická izobarická tepelná kapacita vzduchu. Cp = 1000 kJ/kg*K;
• T- rozdiel medzi teplotami vzduchu na výstupe z ohrievača vzduchu a na vstupe.

T \u003d 20 - (-15) \u003d 35 °C.

1. 650 / 3600 = 0,181 m3/s

p = 1,2 kg/m3 je hustota vzduchu.

G = 0,181 x 1,2 = 0,217 kg/s

Qn \u003d 0, 217 * 1 000 * 35 \u003d 7 600 W.

2. 1500 / 3600 = 0,417 m3/s

G = 0,417 x 1,2 = 0,5 kg/s

Qn \u003d 0,5 * 1 000 * 35 \u003d 17 500 W.

Použitie potrubných inštalácií s rekuperáciou tepla v chladnom období namiesto tradičných elektrických ohrievačov vzduchu teda umožňuje znížiť náklady na energiu pri rovnakom množstve dodávaného vzduchu viac ako 20-krát, a tým znížiť náklady, a teda aj zvýšiť zisk autobazáru. Okrem toho použitie zariadení s rekuperáciou umožňuje znížiť finančné náklady spotrebiteľa na nosiče energie na vykurovanie priestorov v chladnom období a na ich klimatizáciu v teplom období asi o 50 %.

Pre lepšiu prehľadnosť urobíme porovnávaciu finančnú analýzu energetickej náročnosti systémov prívodu a odvodu vetrania priestorov autosalónu, vybavených potrubnými rekuperačnými jednotkami a klasickými jednotkami s elektrickými ohrievačmi vzduchu.

Počiatočné údaje:

Systém 1.

Zariadenia s rekuperáciou tepla s prietokom 650 m3 / h - 1 jednotka. a 1500 m3/hod - 5 jednotiek.

Celková spotreba elektrickej energie bude: 0,4 + 5 * 0,83 = 4,55 kW * h.

Systém 2.

Tradičné jednotky na prívod a odvod potrubia - 1 jednotka. s prietokom 650m3/hod a 5 jednotiek. s prietokom 1500 m3/hod.

Celkom elektrická energia inštalácia pri 650 m3/h bude:

• ventilátory - 2 * 0,155 \u003d 0,31 kW * h;
• automatizácia a pohony ventilov - 0,1 kWh;
• elektrický ohrievač vzduchu - 7,6 kWh;

Spolu: 8,01 kWh.

Celkový elektrický výkon inštalácie pri 1500 m3/hod bude:

• ventilátory - 2 * 0,32 \u003d 0,64 kW * hodina;
• automatizácia a pohony ventilov - 0,1 kWh;
• elektrický ohrievač vzduchu - 17,5 kWh.

Celkom: (18,24 kW * h) * 5 \u003d 91,2 kW * h.

Celkom: 91,2 + 8,01 \u003d 99,21 kWh.

Akceptujeme dobu používania vykurovania vo vetracích systémoch 150 pracovných dní v roku po 9 hodín. Získame 150 * 9 = 1350 hodín.

Spotreba energie zariadení s rekuperáciou bude: 4,55 * 1350 = 6142,5 kW

Prevádzkové náklady budú: 5 rubľov * 6142,5 kW = 30712,5 rubľov. alebo v relatívnom vyjadrení (k celkovej ploche predajne automobilov 2000 m2) 30172,5/2000 = 15,1 rubľov/m2.

Spotreba energie tradičných systémov bude: 99,21 * 1350 = 133933,5 kW Prevádzkové náklady budú: 5 rubľov * 133933,5 kW = 669667,5 rubľov. alebo v relatívnom vyjadrení (k celkovej ploche predajne automobilov 2000 m2) 669667,5 / 2000 = 334,8 rubľov/m2.

zotavenie je proces vrátenia maximálneho množstva energie. Pri vetraní je rekuperácia proces prenosu tepelnej energie z odpadového vzduchu do privádzaného vzduchu. Existuje mnoho rôznych typov rekuperátorov a v tomto článku si povieme o každom z nich. Každý typ výmenníka tepla je dobrý svojím vlastným spôsobom a má jedinečné výhody, ale ktorýkoľvek z nich vám umožní ušetriť najmenej 50% a častejšie až 95% na ohrev privádzaného vzduchu v zime.

Veľmi zaujímavý je proces prenosu tepla z odpadového vzduchu do privádzaného vzduchu. Ďalej začneme rozoberať každý typ rekuperátora vzduchu, aby ste ľahšie pochopili, čo to je a aký druh rekuperátora potrebujete.

Najobľúbenejší typ rekuperátorov, alebo skôr vzduchotechnických jednotiek s doskovým výmenníkom tepla. Svoju obľubu si získal jednoduchosťou a spoľahlivosťou konštrukcie samotného výmenníka tepla.

Princíp činnosti je jednoduchý - vo výmenníku tepla výmenníka sa pretínajú dva prúdy vzduchu (odvod a prívod), ale tak, že sú oddelené stenami. V dôsledku toho sa tieto prúdy nemiešajú. Teplý vzduch ohrieva steny výmenníka tepla a steny ohrievajú privádzaný vzduch. Účinnosť doskových výmenníkov tepla (účinnosť doskového výmenníka tepla) sa meria v percentách a zodpovedá:

45-78% pre kovové a plastové výmenníky tepla rekuperátorov.

60-92% pre doskové výmenníky tepla s celulózovými hygroskopickými výmenníkmi tepla.

Takýto skok v účinnosti v smere k celulózovým rekuperátorom je spôsobený jednak vracaním vlhkosti cez steny rekuperátora z odpadového vzduchu do privádzaného vzduchu a jednak odovzdávaním latentného tepla v tej istej vlhkosti. V rekuperátoroch totiž úlohu nehrá samotné teplo vzduchu, ale teplo v ňom obsiahnutej vlhkosti. Vzduch bez vlhkosti má veľmi nízku tepelnú kapacitu a vlhkosť je voda ... so známou vysokou tepelnou kapacitou.

Pri všetkých rekuperátoroch, okrem celulózových, je povinné odstránenie drenáže. Tie. pri plánovaní inštalácie výmenníka tepla je potrebné pamätať na to, že je potrebný aj prívod kanalizácie.

Takže plusy:

1. Jednoduchosť dizajnu a spoľahlivosť.

2. Vysoká účinnosť.

3. Nedostatok ďalších spotrebiteľov elektriny.

A samozrejme, nevýhody:

1. Pre prevádzku takéhoto výmenníka tepla musí byť doň privádzaný prívod aj odvod. Ak je systém navrhnutý od nuly, potom to vôbec nie je mínus. Ale ak je systém už k dispozícii a prítok a výfuk sú v určitej vzdialenosti, je lepšie aplikovať.

2. Kedy mínusové teploty výmenník tepla výmenníka tepla môže zamrznúť. Na jeho odmrazovanie je potrebné buď zastavenie alebo zníženie prívodu vzduchu z ulice, alebo použitie obtokového ventilu, ktorý umožní privádzanému vzduchu obtekať výmenník tepla, zatiaľ čo je odmrazovaný odpadovým vzduchom. V tomto režime odmrazovania všetok studený vzduch vstupuje do systému obtokom výmenníka tepla a na jeho zohriatie je potrebné veľké množstvo elektriny. Výnimkou sú celulózové doskové výmenníky tepla.

3. Tieto rekuperátory v podstate nevracajú vlhkosť a vzduch privádzaný do priestorov je príliš suchý. Výnimkou sú celulózové doskové výmenníky tepla.

Druhý najpopulárnejší typ rekuperátorov. Napriek tomu ... Vysoká účinnosť, nezamŕza, kompaktnejšia ako lamelová a dokonca vracia vlhkosť. Nejaké plusy.

Rotačný výmenník tepla je vyrobený z hliníka, navinutý vo vrstvách na rotor, pričom jeden plech je plochý a druhý cik-cak. Aby vzduch prešiel. Je poháňaný elektrickým pohonom cez remeň. Tento „bubon“ sa otáča a každá jeho časť sa pri prechode výfukovou zónou zahrieva a potom sa pri prechode do prítokovej zóny ochladzuje, čím odovzdáva teplo privádzanému vzduchu.

Čistiaci sektor sa používa na ochranu pred pretečením vzduchu.

Nové a nie také dobré známe druhy rekuperátory vzduchu. Strešné výmenníky tepla v skutočnosti využívajú doskové výmenníky tepla a niekedy aj rotačné výmenníky tepla, ale rozhodli sme sa z nich urobiť samostatný typ výmenníkov tepla, pretože. strešný výmenník tepla je špecifikum samostatný pohľad vzduchotechnické jednotky s výmenníkom tepla.

Strešné výmenníky tepla sú vhodné pre veľké jednoobjemové miestnosti a sú vrcholom jednoduchosti dizajnu, inštalácie a prevádzky. Na jeho inštaláciu stačí urobiť potrebné okno na streche budovy, vložiť špeciálne „sklo“, ktoré rozloží záťaž, a vložiť do nej strešný výmenník tepla. Všetko je jednoduché. Vzduch sa nasáva spod stropu v miestnosti a podľa želania zákazníka buď spod stropu alebo do dýchacej zóny pracovníkov či návštevníkov obchodných centier.

Rekuperátor s medziľahlým nosičom tepla:

A práve tento typ rekuperátorov je vhodný pre existujúce vetracie systémy "prítok zvlášť - odvod zvlášť".

No, alebo ak nie je možné vybudovať nový ventilačný systém s akýmkoľvek typom výmenníka tepla, ktorý zahŕňa prívod a odvod do jednej miestnosti. Je však potrebné pripomenúť, že doskové aj rotačné výmenníky tepla majú vyššiu účinnosť ako glykolové.

Ekológia spotreby. Panstvo: Tepelné straty - vážny problém s ktorými sa stavebná veda potýka. Efektívne ohrievače, hermetické okná a dvere to riešia len čiastočne. Únik tepla cez steny, okná, strechy a podlahy sa dá výrazne znížiť. Napriek tomu má energia ešte jednu širokú cestu „úniku“. Ide o vetranie, bez ktorého sa v žiadnej budove nezaobídete.

Tepelné straty sú vážnym problémom, s ktorým bojuje stavebná veda. Účinná izolácia, utesnené okná a dvere to riešia len čiastočne. Únik tepla cez steny, okná, strechy a podlahy sa dá výrazne znížiť. Napriek tomu má energia ešte jednu širokú cestu „úniku“. Ide o vetranie, bez ktorého sa v žiadnej budove nezaobídete.

Ukazuje sa, že v zime míňame vzácne palivo na vykurovanie priestorov a zároveň neustále vypúšťame teplo na ulicu a vpúšťame studený vzduch.

Problém úspory energie je možné vyriešiť pomocou rekuperátora tepla. V tomto zariadení teplý vzduch v miestnosti ohrieva vonkajší vzduch. Tým sa dosahujú značné úspory nákladov na vykurovanie (až 25 % z celkových nákladov).

V lete, keď je vonku horúco, a v dome funguje klimatizácia, prospieva aj rekuperátoru. Ochladzuje horúci vstupný prúd, čím znižuje náklady na klimatizáciu.

Poďme sa bližšie pozrieť na rekuperačné jednotky pre domácnosť, aby sme mali predstavu o ich dizajne, výhodách a vlastnostiach výberu.

Druhy, princíp činnosti a zariadenie rekuperátorov

Myšlienka využiť teplo vzduchu v miestnosti na vykurovanie exteriéru sa ukázala ako veľmi plodná. Bol základom pre fungovanie všetkých rekuperátorov.

Dnes sa používajú tri typy takýchto zariadení:

• lamelárne;
• rotačné;
• recirkulujúca voda.

Najbežnejšie a najjednoduchšie v dizajne sú doskové výmenníky tepla. Sú neprchavé, kompaktné, spoľahlivé v prevádzke a majú pomerne vysokú účinnosť (40-65%).

Hlavnou pracovnou časťou takéhoto zariadenia je kazeta, vo vnútri ktorej sú inštalované paralelné dosky. Vzduch opúšťajúci miestnosť a vstupujúci do nej je rozrezaný na úzke prúdy, z ktorých každý prechádza vlastným kanálom. K prenosu tepla dochádza cez dosky. Vonkajší vzduch sa ohrieva, zatiaľ čo vnútorný vzduch sa ochladzuje a uvoľňuje sa do atmosféry.

Princíp činnosti doskového výmenníka tepla

Hlavnou nevýhodou lamelových inštalácií je zamrznutie pri silných mrazoch. Kondenzát, ktorý sa usadzuje v regeneračnej jednotke, sa mení na ľad a drasticky znižuje výkon zariadenia. Boli nájdené tri spôsoby boja proti tomuto javu.

Prvým je inštalácia obtokového ventilu. Po prijatí signálu zo snímača spustí studený prúd obchádzajúci blok. Cez taniere prechádza len teplý vzduch, ktorý námrazu rozmrazuje. Po odmrazení a odstránení kondenzátu ventil obnoví normálnu prevádzku systému.

Druhou možnosťou je použitie hygroskopických celulózových platní. Voda usadzujúca sa na stenách kazety je absorbovaná do nich a preniká do kanálov, cez ktoré sa pohybuje privádzaný vzduch. Tým sa riešia dva problémy naraz: eliminácia kondenzátu a zvlhčovanie.

Tretím spôsobom je predhriatie studeného prúdu na teplotu, ktorá zabráni zamrznutiu vody. Na tento účel sa do prívodného vetracieho potrubia umiestni vykurovací článok. Jeho potreba vzniká, keď je vonkajšia teplota vzduchu nižšia ako -10C.

V posledných rokoch lamelárne reverzibilné inštalácie. Na rozdiel od zariadení s priamym prúdením fungujú v dvoch cykloch: prvým je vypúšťanie teplého vzduchu na ulicu, druhým je nasávanie studeného vzduchu cez vyhrievaný blok.

Princíp činnosti reverzibilnej inštalácie

Ďalším typom inštalácie sú rotačné rekuperátory. Účinnosť takýchto zariadení je výrazne vyššia ako u lamelových (74-87%).

Princípom činnosti rotačnej jednotky je otáčanie kazety s článkami v prúde prichádzajúceho a odchádzajúceho vzduchu. Kanály sa pohybujú v kruhu a striedavo prechádzajú teplými vnútornými a studenými vonkajšími tokmi. Vlhkosť v tomto prípade nezmrazí, ale nasýti privádzaný vzduch.

Treba poznamenať, že napájacia a výfuková jednotka s rotačným výmenníkom tepla umožňuje plynulé nastavenie prenosu tepla. Vykonáva sa zmenou rýchlosti otáčania kazety. Hlavnou nevýhodou rotačných systémov sú vysoké náklady na údržbu. Z hľadiska spoľahlivosti sú tiež nižšie ako lamelové.

Ďalším typom je recirkulácia vodná rastlina. Je dizajnovo najkomplexnejší. Prenos tepla sa tu neuskutočňuje cez dosky alebo rotor, ale pomocou nemrznúcej zmesi alebo vody.

Prvý výmenník tepla kvapalina-vzduch je umiestnený na výfukovom potrubí a druhý na sacom potrubí. Práca prebieha na princípe ohrievača: vzduch v miestnosti ohrieva vodu a ohrieva ulicu.

Účinnosť takéhoto systému nepresahuje výkon doskových výmenníkov tepla (50-65%). Vysoká cena, ktorú je potrebné zaplatiť za zložitosť dizajnu, je odôvodnená jedinou výhodou: bloky takejto inštalácie môžu byť umiestnené nie v jednej budove, ale v oblastiach prívodu a odsávania, ktoré sú od seba vzdialené. Pre výkonné priemyselné systémy to má veľký význam. V malých budovách takéto zariadenia nie sú inštalované.

Vlastnosti výberu rekuperátora

Po oboznámení sa s osobitosťami práce rekuperačných jednotiek je čas prejsť na praktickú časť - výberové kritériá na vykonávanie konkrétnych úloh.

Prvá vec, ktorú musíte venovať pozornosť, je spôsob inštalácie. V pracovná poloha Domáce prívodné a odsávacie vetranie s rekuperáciou tepla môže byť inštalované niekoľkými spôsobmi:

• Vnútri steny. Puzdro je namontované v predvŕtanom otvore. S vonkajšia strana je umiestnený uzáver, zvnútra - gril a riadiaca jednotka.

• V interiéri. Jednotka je zavesená na stene. Vonku je umiestnená mriežka alebo uzáver.

• Vonkajšie umiestnenie. Výhody tohto riešenia sú zrejmé: minimálna hlučnosť a úspora miesta. Kanálové zariadenie zariadenia vám umožňuje umiestniť ho na balkóny a lodžie, ako aj len na fasádu budovy.

Ďalším parametrom, ktorý treba pri kúpe zvážiť, je počet ventilátorov. Cenovo výhodné rekuperátory vzduchu pre domácnosť sú vybavené jednou vetracou jednotkou, ktorá funguje na prívod aj odvod.

Drahšie zariadenia majú 2 ventilátory. Jeden z nich napumpuje a druhý vypustí vzduch. Výkon takýchto zariadení je vyšší ako s jedným ventilátorom.

Pri nákupe by ste mali venovať pozornosť aj prítomnosti elektrického ohrievača. S jeho pomocou sa vylúči zamrznutie kazety a zvýši sa spodná hranica teploty prevádzky zariadenia.

Funkcia klimatizácie. Umožňuje presne nastaviť teplotu, na ktorú bude výmenník tepla ohrievať vzduch.

Možnosť regulácie vlhkosti. Tento parameter výrazne ovplyvňuje komfort mikroklímy. Štandardný výmenník tepla vysušuje vzduch tým, že z neho odstraňuje vlhkosť.

Prítomnosť alebo neprítomnosť filtra. Ďalšia možnosť, ktorá pozitívne ovplyvňuje hygienické vlastnosti zmesi vzduchu.

Dôležitým parametrom, ktorý si vyžaduje pozornosť, je teplota čerpaného vzduchu. V rôznych modeloch sa jeho hodnota môže výrazne líšiť. Najširší rozsah prevádzkových teplôt od -40 do +50 C je pre domáce spotrebiče zriedkavý.

Preto, okrem zohľadnenia optimálneho výkonu v m3 / h, pri nákupe vyberte zariadenie, ktoré môže plne pracovať vo vašich klimatických podmienkach.

Výpočet výkonu

Podrobné výpočty prevádzky rekuperátorov v systéme prívodu a odsávania sú pomerne zložité. Tu je potrebné vziať do úvahy veľa faktorov: frekvenciu výmeny vzduchu v priestoroch, prierez kanálov, rýchlosť pohybu vzduchu, potrebu inštalácie tlmičov atď. Takúto úlohu môžu kompetentne vykonávať iba skúsení inžinieri.

Bežný spotrebiteľ môže použiť zjednodušenú metodiku na správnu orientáciu pri kúpe zariadenia.

Výkon výmenníka tepla priamo závisí od hygienickej normy spotreby vzduchu na 1 osobu. Jeho priemerná hodnota je 30 m3/hod. Preto, ak v byte alebo súkromnom dome trvale žijú 4 ľudia, potom by mala byť produktivita inštalácie najmenej 4x30 = 120 m3 / h.

Vlastný elektrický výkon domácich rekuperátorov je malý (25-80W). Je určená úrovňou spotreby energie potrubných ventilátorov. V inštaláciách s elektrickým ohrevom vstupného prúdu sú inštalované vykurovacie telesá s celkovým výkonom 0,8 až 2,0 kW.

Populárne značky a odhadované ceny

Pri výbere výmenníka tepla pre domácnosť by ste sa mali zamerať na výrobcov a modely, ktoré si vyslúžili vysoké hodnotenia zákazníkov. Ako príklad môžeme uviesť produkty zahraničných firiem Electrolux (Electrolux), Mitsubishi (Mitsubishi), Marley (Marley).

Rekuperátor pre malé priestory Mitsubishi Electric VL-100EU5-E. Spotreba vzduchu 105 m3/h. Cena od 21 000 rubľov.

Obľúbený model od Electrolux. Odhadovaná maloobchodná cena od 42 000 rubľov.

Cenovky pre domáce inštalácie týchto značiek v roku 2017 začínajú na 22 000 rubľov a končia na 60 000 rubľov.

MARLEY MENV-180. Spotreba vzduchu 90 m3/hod. Cena od 27 500 rubľov.

Zariadenie ruských a ukrajinských firiem Vents (Vents), Vakio (Vakio), Prana a Zilant sa osvedčilo. Nie sú horšie ako zahraničné náprotivky vo výkone a spoľahlivosti, ale často sú cenovo dostupnejšie.

Inštalácia Vakio. Výkon 60 m3/h v režime rekuperácie, až 120 m3/h v režime prívodného vetrania. Cena od 17 000 rubľov.

Odhadované náklady na systémy rekuperácie vzduchu týchto spoločností (kapacita od 120 do 250 m3 / hod) sú od 17 000 do 55 000 rubľov.

Pravá 200 g. Prítok - 135 m3/h, odťah - 125 m3/h. Odporúčaná plocha pre údržbu systému je do 60 m2.

Charakter recenzií o rekuperátoroch vzduchu je väčšinou pozitívny. Mnohí majitelia poznamenávajú, že s ich pomocou sa vyriešil problém nadmernej vlhkosti, ktorá spôsobila výskyt plesní a húb v priestoroch.

Vo výpočtoch doby návratnosti tohto zariadenia sú uvedené hodnoty od 3 do 7 rokov. Údaje o prístrojových meraniach reálnych úspor energie sme na fórach venovaných tejto téme nenašli.

Stručne o svojpomocnej montáži

Vo väčšine foto a video návodov na nezávislú výrobu rekuperátorov sa berú do úvahy doskové modely. Toto je najjednoduchšia a najdostupnejšia možnosť pre domáceho majstra.

Hlavnou časťou konštrukcie je výmenník tepla. Je vyrobený z pozinkovanej ocele, narezaný na platne s rozmermi 30x30 cm.Na vytvorenie kanálikov na okrajoch a v strede každého dielu sú plastové pásiky o hrúbke 4 mm a šírke 2-3 cm zlepené silikónom.

Výmenník tepla sa montuje ukladaním a striedavým otáčaním dosiek pod uhlom 90 stupňov voči sebe. Získajte izolované kanály pre prichádzajúci pohyb studeného a teplého vzduchu.

Potom sa skriňa z kovu, drevotriesky alebo plastu vyrobí tak, aby zodpovedala rozmerom výmenníka tepla. Má štyri otvory pre prívod vzduchu. V dvoch z nich sú inštalované ventilátory. Výmenník tepla je otočený pod uhlom 45 stupňov a upevnený v kryte.

Dôkladné utesnenie všetkých montážnych spojov silikónom dokončí dielo.

V tomto článku sa budeme zaoberať takou charakteristikou prenosu tepla, ako je koeficient regenerácie. Ukazuje stupeň využitia jedného nosiča tepla druhého počas výmeny tepla. Faktor rekuperácie sa môže označovať ako faktor rekuperácie tepla, účinnosť výmeny tepla alebo tepelná účinnosť.

V prvej časti článku sa pokúsime nájsť univerzálne vzťahy pre prenos tepla. Môžu byť odvodené z najvšeobecnejších fyzikálnych princípov a nevyžadujú žiadne merania. V druhej časti uvedieme závislosti reálnych koeficientov rekuperácie od hlavných charakteristík prestupu tepla pre reálne vzduchové clony alebo samostatne pre teplovýmenné jednotky „voda – vzduch“, ktoré už boli uvažované v článkoch „Výkon tepelnej clony pri ľubovoľné prietoky chladiacej kvapaliny a vzduchu. Interpretácia experimentálnych údajov“ a „Výkon tepelnej clony pri ľubovoľnom prietoku chladiacej kvapaliny a vzduchu. Invarianty procesu prenosu tepla, publikované v časopise „Climate World“ v číslach 80 a 83. Ukáže sa, ako koeficienty závisia od charakteristík výmenníka tepla, ako aj ako ich ovplyvňujú prietoky nosičov tepla. Vysvetlené budú niektoré paradoxy prestupu tepla, najmä paradox vysokej hodnoty koeficientu spätného získavania pri veľkom rozdiele prietokov teplonosných látok. Pre zjednodušenie bude samotný pojem rekuperácia a význam jej kvantitatívnej definície (koeficient) uvažovaný na príklade výmenníkov tepla vzduch-vzduch. To nám umožní definovať prístup k významu javu, ktorý je potom možné rozšíriť na akúkoľvek výmenu, vrátane „voda – vzduch“. Je potrebné poznamenať, že v jednotkách výmeny tepla vzduch-vzduch môžu byť organizované ako krížové prúdy, ktoré sú zásadne blízke výmenníkom tepla voda-vzduch, tak aj protiprúdy teplovýmenných médií. V prípade protiprúdov, ktoré určujú vysoké hodnoty koeficientov obnovy, sa praktické zákony prenosu tepla môžu trochu líšiť od tých, ktoré boli uvedené vyššie. Je dôležité, aby univerzálne zákony prenosu tepla boli všeobecne platné pre akýkoľvek typ teplovýmennej jednotky. V zdôvodnení článku budeme predpokladať, že pri prenose tepla sa šetrí energia. To je ekvivalentné tvrdeniu, že výkon žiarenia a konvekcia tepla z telesa tepelného zariadenia sú vzhľadom na hodnotu teploty telesa malé v porovnaní s výkonom prenosu užitočného tepla. Predpokladáme tiež, že tepelná kapacita nosičov nezávisí od ich teplôt.

KEDY JE DÔLEŽITÉ VYSOKÝ KOEFICIENT NÁVRATNOSTI?

Môžeme predpokladať, že schopnosť prenášať určité množstvo tepelnej energie je jednou z hlavných charakteristík každého tepelného zariadenia. Čím je táto schopnosť vyššia, tým je zariadenie drahšie. Faktor výťažnosti sa teoreticky môže meniť od 0 do 100 % a v praxi často od 25 do 95 %. Intuitívne možno predpokladať, že vysoký koeficient obnovy, ako aj schopnosť prenášať vysoký výkon, znamenajú vysokú spotrebiteľskú kvalitu zariadenia. V skutočnosti sa však takýto priamy vzťah nedodržiava, všetko závisí od podmienok využitia prenosu tepla. Kedy je vysoký stupeň rekuperácie tepla dôležitý a kedy sekundárny? Ak sa chladiaca kvapalina, z ktorej sa odoberá teplo alebo chlad, použije iba raz, to znamená, že sa nezacyklí a ihneď po použití je nenávratne vypustená do vonkajšieho prostredia, potom pre efektívne využitie tohto tepla je žiaduce použiť tzv. zariadenie s vysokým faktorom obnovy. Príkladom je využitie tepla alebo chladu časti geotermálnych zariadení, otvorených zásobníkov, zdrojov technologického prebytočného tepla, kde nie je možné uzavrieť teplonosný okruh. Vysoká rekuperácia je dôležitá, keď sa vo vykurovacej sieti výpočet vykonáva iba na prietoku vody a hodnote teploty priamej vody. Pri výmenníkoch vzduch-vzduch ide o využitie tepla odpadového vzduchu, ktoré hneď po výmene tepla odchádza do vonkajšieho prostredia. Ďalší obmedzujúci prípad sa realizuje, keď sa chladiaca kvapalina platí striktne podľa energie z nej odobratej. To možno nazvať ideálnou možnosťou pre sieť zásobovania teplom. Potom možno konštatovať, že na takom parametri, akým je koeficient výťažnosti, vôbec nezáleží. Hoci s obmedzeniami na vratnú teplotu nosiča má zmysel aj koeficient regenerácie. Upozorňujeme, že za určitých podmienok je žiaduci nižší faktor obnovy zariadenia.

STANOVENIE KOEFICIENTU VÝŤAŽNOSTI

Definícia koeficientu obnovy je uvedená v mnohých referenčných príručkách (napríklad , ). Ak dôjde k výmene tepla medzi dvoma médiami 1 a 2 (obr. 1),

ktoré majú tepelné kapacity c 1 a c 2 (v J/kgxK) a hmotnostné prietoky g 1 a g 2 (v kg/s), možno koeficient spätného získavania tepla reprezentovať ako dva ekvivalentné pomery:

\u003d (c 1 g 1) (T 1 - T 1 0) / (cg) min (T 2 0 - T 1 0) \u003d (c 2 g 2) (T 2 0 - T 2) / (cg) min (T20 - T10). (jeden)

V tomto vyjadrení sú T 1 a T 2 konečné teploty týchto dvoch médií, T 1 0 a T 2 0 sú počiatočné teploty a (cg) min je minimum z dvoch hodnôt tzv. nazývaný tepelný ekvivalent týchto médií (W / K) pri prietokoch g 1 a g 2, (cg) min = min ((s 1 g 1), (s 2 g 2)). Na výpočet koeficientu je možné použiť ktorýkoľvek z výrazov, pretože ich čitatelia, z ktorých každý vyjadruje celkový výkon prenosu tepla (2), sú rovnaké.

W \u003d (c 1 g 1) (T 1 - T 1 0) \u003d (c 2 g 2) (T 2 0 - T 2). (2)

Druhú rovnosť v (2) možno považovať za vyjadrenie zákona zachovania energie pri prenose tepla, ktorý sa pre tepelné procesy nazýva prvý termodynamický zákon. Je možné vidieť, že v ktorejkoľvek z dvoch ekvivalentných definícií v (1) sú prítomné iba tri zo štyroch teplôt výmeny. Ako bolo uvedené, hodnota sa stáva významnou, keď sa jedna z chladiacich kvapalín po použití vyhodí. Z toho vyplýva, že výber z dvoch výrazov v (1) je možné vykonať vždy tak, že z výpočtového výrazu je vylúčená konečná teplota tohto nosiča. Uveďme si príklady.

a) Rekuperácia tepla odvádzaného vzduchu

Známym príkladom výmenníka tepla s vysokou požadovanou hodnotou je výmenník tepla odvádzaného vzduchu na ohrev privádzaného vzduchu (obr. 2).

Ak označíme teplotu odpadového vzduchu T miestnosť, ulica T st a privádzaný vzduch po zohriatí vo výmenníku T pr, potom pri rovnakej hodnote tepelných kapacít z dvoch prúdov vzduchu (sú takmer rovnaké, ak zanedbávame malé závislosti od vlhkosti a teploty vzduchu), môžete získať dobre známy výraz pre:

G pr (T pr - T st) / g min (T pokoj - T st). (3)

V tomto vzorci gmin označuje najmenší g min \u003d min (g in, g out) z dvoch druhých prietokov g v privádzanom vzduchu a g out vo výfukovom vzduchu. Keď prietok privádzaného vzduchu nepresahuje prietok odvádzaného vzduchu, vzorec (3) sa zjednoduší a zredukuje na tvar = (T pr - T st) / (T miestnosť - T st). Teplota, ktorá sa vo vzorci (3) nezohľadňuje, je teplota T' odpadového vzduchu po prechode cez výmenník tepla.

b) Rekuperácia vo vzduchovej clone alebo ľubovoľnom ohrievači voda-vzduch

Keďže vo všetkých možných prípadoch je jedinou teplotou, ktorej hodnota nemusí byť podstatná, teplota vratnej vody T x, mala by byť z výrazu pre koeficient regenerácie vylúčená. Ak označíme teplotu vzduchu okolo vzduchovej clony T 0 ohrievaného vzduchovou clonou - T a teplotu vzduchu vstupujúceho do výmenníka tepla horúca voda T g, (obr. 3), lebo dostaneme:

Cg (T - To) / (cg) min (Tg - To). (4)

V tomto vzorci je c tepelná kapacita vzduchu, g je druhý hmotnostný prúd vzduchu.

Zápis (cg) min je najmenšia hodnota zo vzduchu cg a vody s tepelnými ekvivalentmi W G, s W - tepelná kapacita vody, G - druhý hmotnostný prietok vody: (cg) min = min ((cg), (c W G)). Ak je prietok vzduchu relatívne malý a ekvivalent vzduchu nepresahuje ekvivalent vody, vzorec sa tiež zjednoduší: \u003d (T - T 0) / (T g - T 0).

FYZIKÁLNY VÝZNAM KOEFICIENTU OBNOVENIA

Dá sa predpokladať, že hodnota koeficientu spätného získavania tepla je kvantitatívnym vyjadrením termodynamickej účinnosti prenosu výkonu. Je známe, že pre prenos tepla je táto účinnosť obmedzená druhým termodynamickým zákonom, ktorý je známy aj ako zákon neklesajúcej entropie.

Dá sa však ukázať, že - ide skutočne o termodynamickú účinnosť v zmysle neklesajúcej entropie len v prípade rovnosti tepelných ekvivalentov dvoch teplovýmenných médií. Vo všeobecnom prípade nerovnosti ekvivalentov je maximálna možná teoretická hodnota = 1 spôsobená Clausiovým postulátom, ktorý je formulovaný nasledovne: „Teplo nemožno preniesť z chladnejšieho na teplejšie teleso bez iných zmien súčasne spojených s týmto prevodom." V tejto definícii sú ďalšími zmenami práca, ktorá sa vykonáva na systéme, napríklad v reverznom Carnotovom cykle, na základe ktorého fungujú klimatizácie. Vzhľadom na to, že čerpadlá a ventilátory pri výmene tepla s takými nosičmi, ako je voda, vzduch a iné, na nich vykonajú zanedbateľnú prácu v porovnaní s energiami výmeny tepla, môžeme predpokladať, že pri takejto výmene tepla sa Clausiusov postulát napĺňa s vysokou mierou presnosti.

Hoci sa všeobecne verí, že Clausiov postulát aj princíp neklesajúcej entropie sú len formulácie druhého termodynamického zákona pre uzavreté systémy, ktoré sa líšia formou, nie je to tak. Aby sme vyvrátili ich ekvivalenciu, ukážeme, že môžu vo všeobecnosti viesť k rôznym obmedzeniam prenosu tepla. Rekuperátor vzduch-vzduch uvažujme v prípade rovnakých tepelných ekvivalentov dvoch výmenných médií, z čoho pri rovnakých tepelných kapacitách vyplýva rovnosť hmotnostných prietokov dvoch prúdov vzduchu a = (T pr - T st ) / (T miestnosť - T st). Nech je pre istotu izbová teplota T izbová \u003d 20 °C a uličná teplota T street \u003d 0 °C. Ak úplne ignorujeme latentné teplo vzduchu, ktoré je spôsobené jeho vlhkosťou, potom takto od (3) teplota privádzaného vzduchu T pr \u003d 16 o C zodpovedá koeficientu regenerácie = 0,8 a pri T pr = 20 o C dosiahne hodnotu 1. (Teploty vzduchu vyfukovaného do ulica v týchto prípadoch bude T' 4 o C a 0 o C). Ukážme, že presne = 1 je maximum pre tento prípad. Koniec koncov, aj keby mal prívodný vzduch teplotu T pr \u003d 24 ° C a vyhodil by sa na ulicu T ' = -4 ° C, potom by prvý zákon termodynamiky (zákon zachovania energie) nebol byť porušené. Každú sekundu sa E = cg 24 o C Jouly energie prenesú do pouličného vzduchu a rovnaké množstvo sa odoberie zo vzduchu v miestnosti, v tomto prípade sa bude rovnať 1,2 alebo 120 %. Takýto prenos tepla je však nemožný práve preto, že entropia systému sa v tomto prípade zníži, čo zakazuje druhý termodynamický zákon.

Podľa definície entropie S je jej zmena spojená so zmenou plnú energiu plyn Q pomerom dS = dQ / T (teplota sa meria v Kelvinoch) a vzhľadom na to, že pri konštantnom tlaku plynu dQ = mcdT je m hmotnosť plynu, c (alebo ako sa často označuje s p) je teplo kapacita pri konštantnom tlaku, dS = mc dT/T. Teda S = mc ln(T2/T1), kde T1 a T2 sú počiatočné a konečné teploty plynu. V zápise vzorca (3) pre druhú zmenu entropie privádzaného vzduchu dostaneme Spr = cg ln(Tpr / Tul), ak sa vzduch na ulici ohreje, je kladný. Pre zmenu entropie odpadového vzduchu Sout = c g · ln(T / Troom). Zmena entropie celého systému za 1 sekundu:

S \u003d S pr + S vyt \u003d cg (ln (T pr / T st) + ln (T ' / T miestnosť)). (5)

Vo všetkých prípadoch budeme brať do úvahy T st \u003d 273K, T room \u003d 293K. Pre = 0,8 z (3), T pr = 289K az (2) T’ = 277K, čo nám umožní vypočítať celkovú zmenu entropie S = 0,8 = 8 10 –4 cg. Pri = 1 podobne získame T pr = 293 K a T' = 273 K a entropia podľa očakávania zostáva S = 1 = 0. Hypotetický prípad = 1,2 zodpovedá T pr = 297 K a T' = 269 K a výpočet ukazuje pokles entropie: S = 1,2 = –1,2 10 –4 cg. Tento výpočet možno považovať za ospravedlnenie nemožnosti tohto procesu najmä c = 1,2 a vo všeobecnosti pre akékoľvek > 1 aj kvôli S< 0.

Takže pri prietokoch, ktoré poskytujú rovnaké tepelné ekvivalenty dvoch médií (pre rovnaké médiá to zodpovedá rovnakým prietokom), koeficient rekuperácie určuje účinnosť výmeny v tom zmysle, že = 1 určuje hraničný prípad zachovania entropie. Clausiusov postulát a princíp neklesajúcej entropie sú pre takýto prípad ekvivalentné.

Teraz zvážte nerovnaké rýchlosti prúdenia vzduchu pri výmene tepla vzduch-vzduch. Nech je napríklad hmotnostný prietok privádzaného vzduchu 2 g a odvádzaného vzduchu g. Na zmenu entropie za takéto náklady získame:

S \u003d S pr + S vyt \u003d 2s g ln (T pr / T st) + s g ln (T ' / T miestnosť). (6)

Pre = 1 pri rovnakých počiatočných teplotách T st = 273 K a T room = 293 K pomocou (3) dostaneme T pr = 283 K, keďže g pr / g min = 2. Potom zo zákona zachovania energie (2) získame hodnotu T ' = 273 K. Ak tieto hodnoty teploty dosadíme do (6), potom pre úplnú zmenu entropie dostaneme S = 0,00125 cg > 0. To znamená, že aj v najpriaznivejšom prípade c = 1 sa proces stáva termodynamicky neoptimálnym, vyskytuje sa so zvýšením entropie a v dôsledku toho je na rozdiel od podprípadu s rovnakými nákladmi vždy nezvratný.

Na odhadnutie rozsahu tohto zvýšenia nájdeme koeficient rekuperácie pre výmenu rovnakých nákladov, o ktorých sme už uvažovali vyššie, takže výsledkom tejto výmeny sa vytvorí rovnaká hodnota entropie ako pre náklady, ktoré sa pri = 1 líšia o faktor 2. Inými slovami, odhadujeme termodynamickú neoptimálnosť výmeny rôznych nákladov za ideálnych podmienok. Po prvé, samotná zmena entropie hovorí málo, oveľa informatívnejšie je zvážiť pomer S / E zmeny entropie k energii odovzdanej výmenou tepla. Ak vezmeme do úvahy, že vo vyššie uvedenom príklade, keď sa entropia zvýši o S = 0,00125 cg, prenesená energia je E = cg pr (T pr - T ul) = 2c g 10K. Teda pomer S/E = 6,25 10-5 K-1. Je ľahké vidieť, že koeficient obnovy = 0,75026 vedie k rovnakej „kvalite“ výmeny pri rovnakých prietokoch... Skutočne, pri rovnakých počiatočných teplotách T ul = 273 K a T room = 293 K a rovnakých prietokoch tento koeficient zodpovedá teploty T pr = 288 K a T' = 278 K. Pomocou (5) získame zmenu entropie S = 0,000937сg a ak vezmeme do úvahy, že E = сg(T pr - T ul) = сg 15K, dostaneme S / Е = 6,25 10 –5 K -1. Takže z hľadiska termodynamickej kvality prenos tepla pri = 1 a pri dvakrát rôznych prietokoch zodpovedá prenosu tepla pri = 0,75026 ... s rovnakými prietokmi.

Možno si položiť ešte jednu otázku: aké by mali byť hypotetické výmenné teploty s rôznymi prietokmi, aby tento imaginárny proces nastal bez zvýšenia entropie?

Pre = 1,32 pri rovnakých počiatočných teplotách T st = 273 K a T room = 293 K pomocou (3) získame T pr = 286,2 K a zo zákona zachovania energie (2) T’ = 266,6 K. Ak tieto hodnoty dosadíme do (6), tak pre úplnú zmenu entropie dostaneme cg(2ln(286,2 / 273) + ln(266,6 / 293)) 0. Zákon zachovania energie a zákon non -klesajúca entropia pre tieto teploty je splnená, a napriek tomu je výmena nemožná, pretože T' = 266,6 K nepatrí do počiatočného teplotného rozsahu. To by priamo porušilo Clausiusov postulát, prenos energie z chladnejšieho prostredia do vyhrievaného. V dôsledku toho je tento proces nemožný, rovnako ako iné sú nemožné nielen pri zachovaní entropie, ale dokonca aj pri jej zvyšovaní, keď konečné teploty ktoréhokoľvek média prekročia počiatočný teplotný rozsah (T st, T pokoj).

Pri nákladoch, ktoré poskytujú nerovnaké tepelné ekvivalenty výmenných médií, je proces prenosu tepla zásadne nevratný a prebieha so zvýšením entropie systému aj v prípade najefektívnejšieho prenosu tepla. Tieto úvahy platia aj pre dve médiá s rôznymi tepelnými kapacitami, dôležité je len to, či sa tepelné ekvivalenty týchto médií zhodujú alebo nie.

PARADOX MINIMÁLNEJ KVALITY PRENOSU TEPLA S KOEFICIENTOM REKUPERÁCIE 1/2

V tomto odseku uvažujeme tri prípady prestupu tepla s koeficientmi rekuperácie 0, 1/2 a 1. Cez tepelné výmenníky nech prechádzajú rovnaké prúdy teplovýmenných médií rovnakých tepelných kapacít s rôznymi počiatočnými teplotami T10 a T20. S faktorom obnovy 1 si tieto dve médiá jednoducho vymenia hodnoty teploty a konečné teploty odzrkadľujú počiatočné teploty T 1 = T 2 0 a T 2 = T 1 0. Je zrejmé, že entropia sa v tomto prípade nemení S = 0, pretože rovnaké médium na výstupe má rovnaké teploty ako na vstupe. Pri koeficiente regenerácie 1/2 sa konečné teploty oboch médií budú rovnať aritmetickému priemeru počiatočných teplôt: T 1 = T 2 = 1/2 (T 1 0 + T 2 0). Prebehne nezvratný proces vyrovnávania teplôt, čo je ekvivalentné zvýšeniu entropie S > 0. Pri koeficiente obnovy 0 nedochádza k prenosu tepla. To znamená, že T 1 \u003d T 1 0 a T 2 \u003d T 2 0 a entropia konečného stavu sa nezmení, čo je podobné konečnému stavu systému s koeficientom obnovy rovným 1. stav c \u003d 1 je identický so stavom c \u003d 0, tiež možno analogicky ukázať, že stav = 0,9 je identický so stavom c = 0,1 atď. V tomto prípade bude stav c = 0,5 zodpovedať maximálny nárast entropie zo všetkých možných koeficientov. Zdá sa, že = 0,5 zodpovedá prenosu tepla minimálnej kvality.

Samozrejme, nie je to pravda. Vysvetlenie paradoxu by malo začať skutočnosťou, že prenos tepla je výmena energie. Ak sa entropia v dôsledku prestupu tepla zvýšila o určitú hodnotu, potom sa kvalita prestupu tepla bude líšiť v závislosti od toho, či bolo odovzdané teplo 1 J alebo 10 J. Správnejšie je neuvažovať o absolútnej zmene entropie S (v skutočnosť, jeho produkcia vo výmenníku tepla), ale v tomto prípade pomer entropie zmeny k odovzdanej energii E. Je zrejmé, že pre rôzne súbory teplôt možno tieto hodnoty vypočítať pre = 0,5. Je ťažšie vypočítať tento pomer pre = 0, pretože ide o neistotu tvaru 0/0. Je však ľahké vziať prerozdelenie pomeru na 0, čo sa v praxi dá získať tak, že sa tento pomer vezme pri veľmi malých hodnotách, napríklad 0,0001. V tabuľkách 1 a 2 uvádzame tieto hodnoty pre rôzne počiatočné podmienky teploty.

Pre akékoľvek hodnoty a pri domácich teplotných rozsahoch T st a T br (budeme predpokladať, že T br / T st x

S / E (1 / T st - 1 / T miestnosť) (1 -). (7)

V skutočnosti, ak označíme miestnosť T \u003d ulicu T (1 + x), 0< x

Na grafe 1 ukazujeme túto závislosť pre teploty T ul = 300K T room = 380K.

Táto krivka nie je priamka definovaná aproximáciou (7), hoci je k nej dostatočne blízko, že sú na grafe nerozoznateľné. Vzorec (7) ukazuje, že kvalita prestupu tepla je minimálna práve pri = 0. Urobme ešte jeden odhad stupnice S / E. V príklade uvedenom v , uvažujeme spojenie dvoch zásobníkov tepla s teplotami T 1 a T 2 (T1< 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 a pri ľubovoľnom pomere prietokov chladiacej kvapaliny.

ZMENY V KVALITE PRENOSU TEPLA PRI RÔZNYCH NÁKLADOCH TEPLA

Budeme predpokladať, že prietoky nosičov tepla sa líšia n-krát a prenos tepla nastáva v najvyššej možnej kvalite (= 1). Akej kvalite výmeny tepla pri rovnakých nákladoch to bude zodpovedať? Aby sme odpovedali na túto otázku, pozrime sa, ako sa správa hodnota S / E pri = 1 pre rôzne pomery nákladov. Pre rozdiel v nákladoch n = 2 bola táto zhoda už vypočítaná v bode 3: = 1 n=2 zodpovedá = 0,75026… pre rovnaké toky. V tabuľke 3 pre súbor teplôt 300 K a 350 K uvádzame relatívnu zmenu entropie pri rovnakých prietokoch chladív s rovnakou tepelnou kapacitou pre rôzne hodnoty.

V tabuľke 4 uvádzame aj relatívnu zmenu entropie pre rôzne prietokové pomery n len pri najvyššej možnej účinnosti prenosu tepla (= 1) a zodpovedajúce účinnosti vedúce k rovnakej kvalite pri rovnakých prietokoch.

Uveďme získanú závislosť (n) na grafe 2.

Pri nekonečnom rozdiele v nákladoch to smeruje ku konečnej hranici 0,46745 ... Dá sa ukázať, že ide o univerzálnu závislosť. Platí pri akýchkoľvek počiatočných teplotách pre akékoľvek médium, ak namiesto pomeru nákladov máme na mysli pomer tepelných ekvivalentov. Dá sa aproximovať aj hyperbolou, ktorá je v grafe označená čiarou 3 modrej farby:

„(n) 0,4675 + 0,5325/n. (osem)

Červená čiara označuje presný vzťah (n):

Ak sa pri výmene s ľubovoľným n>1 realizujú nerovnaké náklady, potom klesá termodynamická účinnosť v zmysle produkcie relatívnej entropie. Uvádzame jej horný odhad bez odvodenia:

Tento pomer má tendenciu k presnej rovnosti pre n>1 blízko 0 alebo 1 a pre stredné hodnoty nepresahuje absolútnu chybu niekoľkých percent.

Záver článku prinesieme v niektorom z najbližších čísel časopisu „CLIMATE WORLD“. Na príkladoch reálnych teplovýmenných jednotiek nájdeme hodnoty koeficientov rekuperácie a ukážeme, do akej miery sú určené charakteristikami jednotky a do akej miery prietokmi nosičov tepla.

LITERATÚRA

1. Pukhov A. vzduchu. Interpretácia experimentálnych údajov. // Svet podnebia. 2013. Číslo 80. S. 110.
2. Pukhov A. C. Výkon tepelnej clony pri ľubovoľných prietokoch chladiacej kvapaliny a vzduchu. Invarianty procesu prenosu tepla. // Svet podnebia. 2014. Číslo 83. S. 202.
3. Prípad V. M., Londýn A. L. Kompaktné výmenníky tepla. . M.: Energia, 1967. S. 23.
4. Wang H. Základné vzorce a údaje o prenos tepla pre inžinierov. . M.: Atomizdat, 1979. S. 138.
5. Kadomtsev B. B. Dynamika a informácie // Uspekhi fizicheskikh nauk. T. 164. 1994. Č. 5. máj S. 453.

Pukhov Alexej Vjačeslavovič,
Technický riaditeľ
Spoločnosť Tropic Line