Подняться наверх
пн-пт 9:00-18:00
+7 (495) 662-99-84
sales@all-climate.ru
О компании Каталог продукции Наши объекты Гарантии Библиотека Вакансии Партнерам Контакты
Распродажа компрессорно-конденсаторных блоков
  • Библиотека
  • Статьи
  • Энергетическая эффективность каскадных пластинчатых рекуператоров теплоты
  • 22 Ноябрь 2013, 15:14

    Энергетическая эффективность каскадных пластинчатых рекуператоров теплоты

    Федеральным законом от 03.11.2009 № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности...» эффективное и рациональное использование энергетических ресурсов отнесено к проблемам государственной важности, что на современном этапе определяет актуальность применения наиболее эффективных энергосберегающих технологий, в том числе в области вентиляции и кондиционирования воздуха.

    Постановлением Правительства РФ от 25.11.2010 № 18 утверждены «Правила установления требований энергетической эффективности для зданий, строений, сооружений», согласно п. 15 которых предусмотрено снижение годового удельного общего потребления энергии в 2011-2015 гг. не менее чем на 15%, в 2016-2020 гг. не менее чем на 30%. Достижение указанных показателей невозможно без соответствующего повышения эффективности рекуперации теплоты в системах приточновытяжной вентиляции, потребляющих до 80% общей энергетической мощности объекта.

    Так, например, в Швейцарии законодательным актом ЕЕ Wärme G (Renewable Energies Heat Act) с 1 января 2009 года установлена минимальная эффективность рекуперации теплоты 70%. Указанный акт затем официально был опубликован и введен в действие в Германии с 14 апреля 2011 года. В настоящее время стандартом DINEN 13053-2012-02 «Ventilation for buildings — Air handling units — Rating and performance for units, components and sections» для систем рекуперации теплоты класса Н1 установлена эффективность ≥ 71%.Столь высокая эффективность рекуперации при использовании пластинчатых теплообменников требует их каскадного исполнения. Возможны различные схемы компоновки каскадов.  Возможны как рекуперация теплоты (зимний режим), так и холода (летний режим). 

    В соответствии со стандартом DINEN 13779 использованы следующие обозначения:
    ETA (Ex Tract Air) — вытяжной воздух (на входе в условно «теплое» плечо); ODA (Out Door Air) — наружный воздух (на входе в условно «холодное» плечо); ЕНА (Ex Haust Air) — воздух, выбрасываемый в атмосферу (на выходе из условно «теплого» плеча); SUP (SUPplyair) — приточный воздух (на выходе из условно «холодного» плеча).

    В индексации температур tkij введены следующие обозначения: k — номер каскада по ходу движения приточного воздуха (n — число каскадов в системе); i — плечо пластинчатого теплообменника, где: i = 1 — плечо по ходу движения приточного воздуха (условно «холодное»); i = 2 — плечо по ходу движения удаляемого воздуха (условно «теплое»); j — входное/выходное сечение соответствующего плеча теплообменника, где: j = 1 — входное сечение; j = 2 — выходное сечение.

    Независимо от вариантов последовательной компоновки результирующая эффективность каскадной последовательной установки пластинчатых рекуператоров теплоты в первом приближении оценивается следующей формулой.

    ФΣ= 1 - (1 - Фi)n, (1) где ФΣ — результирующая энергетическая эффективность каскадного рекуператора, в долях единицы; Фi — энергетическая эффективность каждого из i = 1 ... n пластинчатых теплообменников, в долях единицы; n — число каскадов.

    В частных случаях равенства энергетической эффективности каждого из используемых теплообменников (Фi = Ф) имеем: при n = 1 ФΣ = Фi; (1.1) при n = 2 ФΣ = 2Фi - Ф2i; (1.2) при n = 3 ФΣ = ЗФi - ЗФ2i + Ф3i (1.3) и т. д.
    Графически данные зависимости представлены на рис. 3. Цветом выделен реальный диапазон, энергетическая эффективность каждого из i = 1 ... n пластинчатых теплообменников от 0,3 до 0,7.

    Ужесточение требований в части минимально необходимой эффективности рекуперации теплоты привело к появлению на рынке вентиляционных агрегатов с каскадными пластинчатыми рекуператорами теплоты. На рис. 4 и 5 представлены традиционный однокаскадный и вновь разработанный двухкаскадный рекуператоры теплоты в составе децентрализованного вентиляционного агрегата типа LHW производства фирмы HOVAL (www.hoval.com).

    На рис. 6 и 7 представлены двухкаскадный и четырехкаскадный рекуператоры теплоты в составе централизованных вентиляционных агрегатов типа HRV производства фирмы REMAK (www.remak.com).

    Зависимость (1) и ее частные случаи (1.1-1.3) являются упрощенными. Более строгим является подход, основанный на решении систем уравнений, определяющих взаимосвязь теплофизических параметров по ходу движения воздуха в конкретной системе каскадной компоновки пластинчатых теплообменников.

    Воспользуемся определениями эффективности рекуперации пластинчатых теплообменников, установленными стандартами VDI 2071 «Heat recovery in heating, ventilation and air conditioning» и VDI 3803 «Air conditioning, system requirements — Heat recovery systems (VDI Ventilation Code of Practice)». В принятых нами обозначениях указанные определения имеют следующий вид:

    Фk1= (tk11-tk12)/(tk11-tk21); (2.1)

    Фk2 = (tk22-tk21)/(tk11 - tk21); (2.2) k = 1...n.

    Рассмотрим каскадную систему с одинаковыми пластинчатыми теплообменниками, имеющими равную эффективность рекуперации по притоку и вытяжке.

    Фki=ф; (3) k=1...n; i = 1,2.

    Тогда получаем систему из 2n уравнений, которую дополним 2n-2 связями.

    При последовательной установке двух теплообменников имеем следующие связи: t112 = t211; t121 = t222.

    При последовательной установке трех теплообменников имеем следующие связи: t112 = t211; t121=t222;

    t221=t322; t212=t311

    При двух заданных значениях температур на входе «теплого» и «холодного» плеч каскадной установки tETA и tODA число уравнений равно числу неизвестных 4n - 2.

    Решая численно полученную систему равнений по методу Левенберга (Levenberg-Marquardt) при tETA = 20° и tODA = -20° (расчетная температура холодного периода года для Санкт-Петербурга), находим значения всех температур tkiJ, в том числе на выходе из «теплого» и «холодного» плеч tEHA и tsup.

    Отсюда суммарная эффективность рекуперации каскадной установки определится следующим образом:

    ФΣ1= (tODA-tsup)/(tODA -tЕТа); (4)
    ФΣ2 = (tЕНА- tEТA)/(t ОDА- tEТA). (5)

    В каскадной системе, удовлетворяющей условию (3), имеем:

    ФΣ=ФΣ1=ФΣ2. (6)

    В табл. 1 представлены результаты численного решения полученной системы уравнений для рекуператоров с последовательной установкой двух и трех теплообменников в сопоставлении с первым приближением по формуле (1).

    Графически данное сравнение представлено на рис. 8 и 9.

    Частный случай каскадной системы с последовательно установленными одинаковыми пластинчатыми теплообменниками и прямоточном подключении поддается аналитическому решению, выражаемому формулой (7):

    ФΣ= nФi/(1+(n-1) Фi). (7)

    В частных случаях имеем: при n = 1 ФΣ = Фi; (7.1) при n = 2 ФΣ = 2Фi/(Фi+ 1); (7.2) при n = 3 ФΣ = ЗФi/(2Фi)+1) (7.3) и т. д.

    Результаты, полученные в данном случае численным и аналитическим образом, совпадают между собой.
    При более сложной компоновке теплообменников аналитическое решение, как правило, не существует. Отсюда оценка суммарной эффективности рекуперации каскадной установки в этих случаях возможна только численным образом по предложенной выше схеме.

    В качестве примера рассмотрим представленную на рис. 10 комбинированную компоновку шести теплообменников, обеспечивающую повышенную защиту от обмерзания.

    Система из 12 уравнений (3) в данном случае замыкается 10 следующими связями: t112=t211; t212=t311; t312=t411; t412=t511; t512=t611; t422=t521; t522=t621; t622=t121; t122=t221; t222=t321.

    Решая полученную систему уравнений при tETA = t421 = 20° С и tODA = t111= -26 °С заданной величине Ф, находим значения всех температур tkij, в том числе искомые численные значения t322 = tEHA и t612= tSUP.

    Отсюда вычисляем (4) и (5), удовлетворяющие условию (6). Результаты вычислений представлены на рис. 11 в сравнении с вариантом последовательной компоновки шести одинаковых пластинчатых теплообменников, имеющих равную эффективность рекуперации по притоку и вытяжке, а также по отношению к базовому варианту одиночного теплообменника.

    Как видно из представленных  результатов, вариант последовательной компоновки шести одинаковых пластинчатых теплообменников позволяет существенно повысить результирующую энергетическую эффективность, которая может достигать значений 90% и выше. При этом следует отметить, что при многокаскадной схеме оценки первого приближения, являясь избыточно оптимистичными, существенно отличаются от уточненных, основанных на решении систем уравнений, определяющих взаимосвязь теплофизических параметров в рассматриваемой компоновке.

    В варианте комбинированной установки результирующая энергетическая эффективность значительно ниже по сравнению с последовательной установкой и превышает эффективность базового варианта (одиночный теплообменник) только при его эффективности не более 70%, что характерно для пластинчатых теплообменников. Однако преимущество комбинированной установки заключается в существенном снижении риска обмерзания при неблагоприятном сочетании теплофизических параметров.

    Критической точкой по площади продольного сечения пластинчатого теплообменника в зимнем режиме является так называемый «холодный» угол, располагаемый на входе «холодного» плеча и выходе «теплого» плеча. В этой точке приточный воздух еще не приобрел дополнительной теплоты, а вытяжной воздух его максимально израсходовал. На рисунке 10 «холодные» углы теплообменников обозначены белым цветом. Отсюда начинается процесс обмерзания в «теплом» плече при температуре ниже нуля. Таким образом, мерой риска обмерзания каждого из теплообменников является следующий температурный контраст в «холодном» углу:

    ?k=tk11-tk22, k= 1...n; i = 1,2.

    В качестве базового варианта рассмотрим одиночный пластинчатый теплообменник, имеющий энергетическую эффективность, эквивалентную результирующей эффективности шести теплообменников в комбинированной компоновке. Воспользовавшись (4) и (5) при условии (6), для рассматриваемого базового варианта имеем следующий температурный контраст в «холодном» углу:

    ? = tODA- tЕНА =(tODA- tЕТА)(1- ФΣ).

    Результаты расчетов температурных контрастов в базовом варианте сведены в табл. 2.

    В силу симметрии имеем:

    ?k= ?k+3, k = 1...3.

    В табл. 3 представлены результаты расчетов температурных контрастов ?k в рассматриваемой комбинированной компоновке шести теплообменников при tETA = 20 °С и toda = _26 °С, а также значения δк = (? – ?k)/ ?, характеризующие снижение риска обмерзания каждого из теплообменников.

    В теплообменниках 2 и 5 имеем соотношения t211 > t222 (?2 > 0) и t511> > t522 (?5> 0), что полностью исключает конденсацию влаги и, соответственно, обмерзание теплообменников.
    Графически полученные результаты представлены на рис. 12.

    Как видно из представленных на рис. 12 результатов, в рассмотренном примере комбинированной компоновки шести теплообменников при tETA = 20 °С и t0DA = -26 °С риск обмерзания по сравнению с базовым вариантом снижается минимум на 20%. С повышением энергетической эффективности Ф каждого из используемых теплообменников снижение риска обмерзания на входе в «холодное» (ODA) и «теплое» (ЕТА) плечи становится все более значимым, практически достигая 50% при Фi × 100 = 70%, взаимно приближаясь к физически обусловленным чрезвычайно низким значениям риска обмерзания на выходе «холодного» (SUP) и «теплого» (ЕНА) плеч рассматриваемой реферативной системы.
    Выводы

    1. Каскадное исполнение пластинчатых теплообменников позволяет достичь результирующей энергетической эффективности 90% и более.
    2. Наиболее действенным способом повышения энергетической эффективности является последовательная компоновка каскадной установки пластинчатых теплообменников.
    3. Практикуемые оценки результирующей энергетической эффективности в первом приближении являются избыточно оптимистичными и подлежат существенному уточнению путем решения систем уравнений, определяющих взаимосвязь теплофизических параметров.
    4. При последовательной компоновке каскадной установки пластинчатых теплообменников система уравнений, определяющая взаимосвязь теплофизических параметров, помимо численного поддается также аналитическому решению.
    5. Решение системы уравнений, определяющей взаимосвязь теплофизических параметров, в случае комбинированной компоновки теплообменников возможно только численным образом.
    6. При использовании теплообменников, обладающих энергетической эффективностью менее 70%, возможно в ограниченных пределах повышение результирующей энергетической эффективности путем комбинированной их установки.
    7. Комбинированная компоновка теплообменников, имея ограниченную энергетическую эффективность, обеспечивает значительное снижение риска обмерзания.
    8. Предложенная расчетная схема обеспечивает количественную оценку как результирующей энергетической эффективности практически любой комбинированной схемы каскадного использования пластинчатых рекуператоров теплоты, так и достигаемого при этом снижения риска обмерзания элементов формируемой рекуперативной системы.
    Вернуться в раздел статьи