Wymienniki ciepła – budowa i sprawność

Ze względu na aktualne przepisy dotyczące stosowania odzysku ciepła w nowo projektowanych budynkach, wymienniki ciepła stają się nieodzownym elementem każdej centrali wentylacyjnej lub klimatyzacyjnej. Nie bez znaczenia jest również sprawność temperaturowa zastosowanego urządzenia, która zgodnie z zaleceniami rozporządzenia powinna wynosić co najmniej 50% [1,2, 3]. Z tego powodu w taki układ wpasowuje się niemal idealnie krzyżowy wymiennik ciepła. Poza tym stanowi on grupę rekuperatorów powszechnie stosowanych do odzyskiwania ciepła z powietrza wywiewanego (rys. 1a).

Rys. 1. Centrala wentylacyjna z rekuperatorem: a) krzyżowym wymiennikiem ciepła, b) asymetrycznym wymiennikiem ciepła: 1 – przepustnica, 2 – połączenie elastyczne, 3 – filtr powietrza zewnętrznego, 4 – wymiennik ciepła, 5 – filtr powietrza wywiewanego, 6 – wentylator, 7 – nagrzewnica
wodna, 8 – chłodnica freonowa, 9 – silnik wentylatora

Rys. 2. Budowa sekcji odzysku ciepła wyposażonej w: a) krzyżowy wymiennik ciepła, b) asymetryczny wymiennik ciepła: 1 – odkraplacz, 2 – siłownik bypassa, 3 – układ przepustnic sterujących przepływem powietrza przez wymiennik lub bypass, 4 – rama z profili aluminiowych, 5 – obudowa sekcji odzysku ciepła, 6 – przegrody dzielące sekcję odzysku ciepła na cztery główne sektory strumieni przepływu powietrza, 7 – wymiennik krzyżowy, 8 – bypass, 9 – łączniki profili, 10 – taca skroplin, 11 – syfon kanalizacyjny, 12 – króciec odpływowy zgromadzonej cieczy, 13 – rama nośna

Sprawność tego wymiennika przeważnie występuje w zakresie 50-70%. Na jej wartość wywiera bardzo istotny wpływ wiele czynników, takich jak parametry temperaturowe i wilgotnościowe strumieni powietrza, rozstaw płyt oraz wewnętrznych elementów dystansujących, materiał zastosowany do budowy wymiennika i jego wymiary konstrukcyjne. Producenci urządzeń wentylacyjnych i klimatyzacyjnych wprowadzają szereg zmian w jego budowie, w celu podwyższenia efektywności odzysku energii. Do takich działań można zaliczyć między innymi zastosowanie odpowiednio sprasowanego papieru lub polipropylenu. Ponadto pojawiają się również deformacje kształtu równoległoboku odbiegające od typowej formy rombu (rys. 1b).

Czytaj też:

• Rekuperacja powietrza w układach wentylacji
• Instalacje wentylacyjne i klimatyzacyjne. Energooszczędność – przepisy
• Centrale wentylacyjno-klimatyzacyjne. Energooszczędność

Wymienniki asymetryczne, ze względu na możliwość realizacji zróżnicowanych trybów pracy, znajdują w Polsce szerokie zastosowanie w kontroli mikroklimatu obiektów basenowych. Aczkolwiek warto również zastanowić się nad możliwością wykorzystania tego typu urządzeń w budynkach mieszkalnych. Taki wymiennik wymaga wówczas zwiększenia wymiarów sekcji przeznaczonej do jego montażu. Ponadto sposób usytuowania zmienia nieznacznie kąt jego nachylenia w stosunku do strumieni przepływającego powietrza. Modyfikacja jednego z boków wymiennika wydłuża czas kontaktowania się strumieni powietrza z jego wypełnieniem. Każdy z tych elementów będzie zatem przyczyniał się do zmian jego sprawności. Czy powyższe czynności spowodują więc zwiększenie stopnia odzysku ciepła w takim urządzeniu? Równie ważną kwestią nowego rekuperatora zbudowanego na bazie krzyżowego wymiennika jest kondensacja oraz szronienie. Wobec tego należy także zastanowić się, czy taki wymiennik będzie podatny na tworzenie się dodatkowych warstw cieczy i szronu? A może istnieje sposób zmiany jego wymiarów, ograniczający wpływ powyższych zjawisk? Aby móc udzielić odpowiedzi na powyższe pytania, należy najpierw scharakteryzować jego budowę.

Budowa asymetrycznego wymiennika do odzysku ciepła

Wymiennik asymetryczny swoją budową przypomina standardowy rekuperator krzyżowy (rys. 2). Strumienie powietrza przepływające przez jego wypełnienie nie kontaktują się ze sobą, a przekazywanie ciepła odbywa się za pośrednictwem wewnętrznej przepony.

Rozstaw płyt rozdzielających obydwa strumienie powietrza wynosi zwykle od kilku do kilkunastu milimetrów. Dodatkowo wymiennik może być wyposażony w bypass, odkraplacz oraz tace skroplin. Ze względu na sposób montażu tego urządzenia niekiedy potrzebne jest zwiększenie wymiarów jego sekcji. W tym miejscu warto również przypomnieć, że wymiennik krzyżowy w zakresie ujemnych temperatur jest bardzo podatny na procesy kondensacji oraz szronienia. Jakakolwiek ingerencja w jego budowę będzie zatem miała wpływ na zmienność tych zjawisk.

W związku z powyższym warto zastanowić się, czy modyfikacja jednego z boków wymiennika pozwoli w dalszych etapach na jego bezpieczną eksploatację. Z tego względu w kolejnym rozdziale opisano przebieg symulacji pracy urządzenia. Pozwoliło to na ustalenie charakteru procesów termodynamicznych zachodzących w jego wypełnieniu. W tym celu posłużono się programem komputerowym napisanym na podstawie opracowanego modelu wymiany ciepła i masy krzyżowego wymiennika ciepła.

Wyniki symulacji pracy wymienników ciepła

W celu przeanalizowania pracy asymetrycznego wymiennika ciepła przeprowadzono kilka symulacji z użyciem programu komputerowego. W rozważaniach porównano wyniki obliczeń uzyskane dla dwóch rodzajów urządzeń rozpatrywanych przy jednakowych parametrach temperaturowych i wilgotnościowych strumieni powietrza. Obliczenia przeprowadzono w warunkach niebezpiecznej (powstawania trzech stref aktywnej wymiany ciepła i masy) oraz bezpiecznej pracy urządzeń (pozbawionej strefy szronu). Analizę ustalania bezpiecznej granicy ochrony wymiennika przed szronem opisano szczegółowo we wcześniejszych pracach [5-9]. Jest to bardzo istotne zagadnienie, gdyż praca rzeczywistego urządzenia w zakresie skrajnie ujemnych temperatur powietrza doprowadziłaby do jego uszkodzenia. W rozpatrywanych wariantach pracy w otworach wlotowych do rekuperatora założono więc następujące parametry termodynamiczne strumieni powietrza: zewnętrznego t_1we = -20^oC, t_1we = -6^oC (temperatura progowa zależna od warunków wilgotności względnej powietrza, warunkująca bezpieczną pracę wymiennika [5-9]), t_1we = +5^oC, ϕ_1we = 100% i wywiewanego t_2we = +20^oC, ϕ_2we= ⁴⁰%.

Jak można zauważyć, w obydwu wymiennikach ciepła powstały trzy różne strefy aktywnej wymiany ciepła i masy – sucha, mokra oraz szronu (rys. 3).

Rys. 3. Przebieg stanu parametrów powietrza w kanałach: a) krzyżowego wymiennika ciepła (0,70 x 0,70 m); b) asymetrycznego wymiennika ciepła (0,91 x 0,70 m); na wykresie i-x dla warunków kondensacji w postaci cieczy oraz szronu t_1we = –6^oC

Następnym etapem była próba przeanalizowania funkcjonowania dwóch urządzeń działających w warunkach bezpiecznych. Do tego celu wykorzystano progową wartość temperatury powietrza zewnętrznego, która dla analizowanego przypadku wynosi t_1we = -6^oC [5-9]. Na szczególną uwagę zasługuje zróżnicowana obecność stref wymiany ciepła i masy (rys. 4).

Rys. 4. Przebieg zmian stanu parametrów powietrza w kanałach: a) krzyżowego wymiennika ciepła (0,70 x 0,70 m); b) asymetrycznego wymiennika ciepła (0,91 x 0,70 m); na wykresie i-x dla warunków kondensacji t_1we = -6^oC w postaci cieczy oraz ewentualnego szronu

Wymiennik krzyżowy charakteryzuje się bowiem bezpieczną pracą, podczas gdy asymetryczny wykazuje obecność szronu. Wprawdzie stanowi on nieco powyżej 1%, lecz jest to wyraźny znak informujący o spadku temperatury tzw. zimnego naroża (ang. cold corner) poniżej 0^oC. Podczas dalszego obniżania temperatury powietrza wprowadzanego do wymiennika warstwa szronu będzie więc stopniowo wzrastać. W związku z powyższym wymiennik asymetryczny będzie funkcjonował w warunkach niebezpiecznych. Z tego powodu stwierdzono, że progowe parametry termodynamiczne powietrza dla tego urządzenia będą inne i należy je określić indywidualnie.

W końcowym etapie symulacji zdecydowano o przeprowadzeniu analizy pracy urządzeń w warunkach suchej wymiany ciepła (rys. 5).

Rys. 5. Przebieg zmian stanu parametrów powietrza w kanałach: a) krzyżowego wymiennika ciepła (0,70 x 0,70 m); b) asymetrycznego wymiennika ciepła (0,91 x 0,70 m); na wykresie i-x dla warunków suchej wymiany ciepła t_1we = +5^oC (bezpieczna praca rekuperatorów)

Jest to typowa (bezpieczna) praca urządzeń wentylacyjnych w warunkach okresu przejściowego oraz letniego. W otworach wlotowych do obydwu wymienników zwiększono temperaturę powietrza zewnętrznego t_1we = +5^oC, pozwalającą na utworzenie tylko jednej strefy wymiany ciepła.

Podsumowując, otrzymane wyniki zestawiono w formie graficznej procentowego wykresu zmienności poszczególnych stref aktywnej wymiany ciepła i masy wraz z uzyskiwaną efektywnością temperaturową każdego z urządzeń (rys. 6).

Rys. 6. Przebieg zmian stref aktywnej wymiany ciepła i masy dla dwóch wymienników ciepła (krzyżowego i asymetrycznego) wraz z profilami ich sprawności w funkcji wybranych temperatur powietrza zewnętrznego

Warto zauważyć, że wraz z wydłużaniem jednego z boków rekuperatora maleje strefa mokra kosztem rosnących stref suchej oraz szronu. Należy przy tym podkreślić, że każdorazowe wydłużenie boku wymiennika skutkuje również zwiększeniem powierzchni wymiany ciepła i masy. Z tego względu wymiennik asymetryczny będzie charakteryzował się, pomimo mniejszego rozmiaru powierzchni mokrej, wyższym stopniem uwolnionego ciepła kondensacji. Potwierdzeniem tego zjawiska jest nie tylko uzyskiwanie wyższej efektywności odzysku ciepła, ale również zwiększona podatność na szronienie. Dla zakładanych warunków pracy zaobserwowano wzrost efektywności odzysku ciepła o ok. 2% na każde zwiększenie długości jednego z boków o 10%. Porównując dwa skrajne typy wymienników (krzyżowy 70 x 0,70 m i asymetryczny 0,91 x 0,70 m), uzyskano zwiększenie sprawności sięgające ok. 6% (tab. 1).

Tab. 1. Porównanie sprawności wymienników ciepła: krzyżowego i asymetrycznego, pracujących w zakresie temperatur powietrza zewnętrznego t_1we = (–20÷+5)oC

Wyższa sprawność wymiennika asymetrycznego wynika w głównej mierze z większej powierzchni wymiany ciepła. Niestety, wiąże się to z większym ryzykiem jego szronienia. Dlatego też podczas rozważań dotyczących zakupu takiego wymiennika nie powinno się sugerować wyłącznie jego zaletami, lecz należy także zastanowić się nad przeznaczeniem obiektu, w którym będzie on wykorzystywany. Parametry termodynamiczne przekazywanego przez niego powietrza oraz określony tryb pracy będą miały istotne znaczenie dla uzyskiwanych sprawności i jego bezawaryjnej eksploatacji.

Zobacz: Produkty budowlane

Budowa i praca wymienników ciepła. Wnioski

• Scharakteryzowano w sposób ogólny dwa rodzaje rekuperatorów stosowanych do odzysku ciepła.
• Przeanalizowano pracę asymetrycznego wymiennika ciepła w odniesieniu do wymiennika krzyżowego.
• Porównano charakter procesów wymiany ciepła w kanałach krzyżowego i asymetrycznego wymiennika ciepła.
• Potwierdzono wzrost sprawności o ok. 6% wymiennika asymetrycznego w porównaniu do rekuperatora o przepływie krzyżowym.
• Wykazano większą tendencję do szronienia wymiennika asymetrycznego w rozpatrywanych wariantach symulacji numerycznych.
• Otrzymane wyniki optymalizacyjne posłużą do dalszych działań zmierzających do wyznaczenia zakresu zmian roboczych parametrów pracy wymienników ciepła oraz pozwolą na wykonanie oceny możliwości ich racjonalnego wykorzystania w zależności od warunków klimatycznych.

dr inż. Andrzej Jedlikowski

Wydział Inżynierii Środowiska Politechniki Wrocławskiej, Katedra Klimatyzacji, Ogrzewnictwa, Gazownictwa i Ochrony Powietrza

Bibliografia

1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. nr 75, poz. 690).
2. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. nr 201, poz. 1238).
3. Obwieszczenie Ministra Inwestycji i Rozwoju z dnia 8 kwietnia 2019 r. w sprawie ogłoszenia jednolitego tekstu rozporządzenia Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. 2019 r., poz. 1065).

4. A. Jedlikowski, Wymiana ciepła w ożebrowanych krzyżowych wymiennikach ciepła w układach wentylacji i klimatyzacji[w:] Efektywność układów grzewczych i klimatyzacyjnych pod red. Sergeya Anisimova, Politechnika Wrocławska, 2009.
5. A. Jedlikowski, Wymiana ciepła w wymiennikach krzyżowych w systemach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych z odzyskiem ciepła z powietrza wywiewanego,praca doktorska, promotor: Sergey Anisimov, Politechnika Wrocławska, 2012.
6. A. Jedlikowski, A. Dadar, Realizacja bezpiecznej pracy krzyżowych wymienników stosowanych do odzysku ciepła w układach wentylacyjnych w warunkach ujemnych temperatur powietrza zewnętrznego[w:] Nowoczesne rozwiązania w inżynierii i ochronie środowiska pod red. nauk. Sergeya Anisimova, Jana Danielewicza, Edwarda Szczechowiaka, Grzegorza Bartnickiego, Marcina Klimczaka, T. 1, Politechnika Wrocławska, 2011.
7. Anisimov, A. Jedlikowski, M. Skrzycki, Heat and mass transfer in the cross-flow plate-fin heat exchangers used for energy recovery from exhaust air [w:] Proceedings of the Xth International Scientific Conference „Quality of Indoor Air and Emironment”, Volgograd- -Budapest 2012, May 13-20.

8. Anisimov, A. Jedlikowski, An influence of surface cross-flow plate-fin heat exchangers on efficiency of heat recovery units used in ventilation and air conditioning systems [w:] Proceedings of the XIIth International Scientific Conference „Quality of Indoor Air and Emironment”,Volgograd-Haifa 2014, March 23 – April 3 2013, VolGASU 2014.
9. A. Jedlikowski, S. Anisimov, Analysis of the frost formation and freeze protection with bypass for cross-flow recuperators, Applied Thermal Engineering, 2017, Vol. 116.