Rodzaje rekuperatorów płytowych. Rekuperator powietrza: co to jest i jak działa


Wszyscy wiedzą, że istnieje ogromna różnorodność systemów wentylacji pomieszczeń. Najprostsze z nich to systemy typ otwarty(naturalne), na przykład przy użyciu okna lub otworu wentylacyjnego.

Ale ta metoda wentylacji jest absolutnie nieekonomiczna. Ponadto za skuteczna wentylacja musi mieć stale otwarte okno lub obecność przeciągu. Dlatego ten rodzaj wentylacji będzie wyjątkowo nieefektywny. Wentylacja nawiewna z odzyskiem ciepła jest coraz częściej wykorzystywana do wentylacji pomieszczeń mieszkalnych.

Krótko mówiąc, odzyskiwanie jest tożsame ze słowem „konserwacja”. Odzysk ciepła to proces magazynowania energii cieplnej. Dzieje się tak dlatego, że strumień powietrza opuszczający pomieszczenie chłodzi lub ogrzewa powietrze wpadające do środka. Schematycznie proces odzyskiwania można przedstawić w następujący sposób:

Wentylacja z odzyskiem ciepła odbywa się według zasady, która powinna rozdzielać przepływy ze względu na konstrukcję rekuperatora, aby uniknąć ich mieszania. Jednak np. obrotowe wymienniki ciepła nie pozwalają na całkowite odizolowanie powietrza nawiewanego od powietrza wywiewanego.

Sprawność rekuperatora może wynosić od 30 do 90%. W przypadku instalacji specjalnych wartość ta może wynosić 96% oszczędności energii.

Co to jest rekuperator powietrza

Rekuperator powietrze-powietrze ze swojej konstrukcji jest instalacją polegającą na odzyskiwaniu ciepła z masy powietrza wylotowego, co pozwala na najbardziej efektywne wykorzystanie ciepła lub chłodu.

Dlaczego warto wybrać wentylację rekuperacyjną?

Wentylacja oparta na odzyskiwaniu ciepła charakteryzuje się bardzo wysokimi wskaźnikami sprawności. Wskaźnik ten wyliczany jest na podstawie stosunku ciepła faktycznie wytworzonego przez rekuperator do maksymalnej ilości ciepła, jaką można zmagazynować.

Jakie są rodzaje rekuperatorów powietrza?

Obecnie wentylację z odzyskiem ciepła można realizować za pomocą pięciu typów rekuperatorów:

  1. Lamelkowe, które ma metalowa konstrukcja i ma wysoki poziom przepuszczalności wilgoci;
  2. Obrotowy;
  3. Typ komory;
  4. Rekuperator z pośrednim nośnikiem ciepła;
  5. Rury cieplne.

Wentylacja domu z odzyskiem ciepła przy wykorzystaniu rekuperatora pierwszego typu pozwala na opływ napływającego powietrza ze wszystkich stron wokół wielu blach o zwiększonej przewodności cieplnej. Sprawność rekuperatorów tego typu waha się od 50 do 75%.

Cechy konstrukcji rekuperatorów płytowych

  • Masy powietrza nie stykają się ze sobą;
  • Wszystkie części są stałe;
  • Nie ma ruchomych elementów konstrukcyjnych;
  • Nie tworzy się kondensacja;
  • Nie można używać jako osuszacza pomieszczeń.

Cechy rekuperatorów obrotowych

Rekuperatory obrotowe mają cechy konstrukcyjne, dzięki którym następuje wymiana ciepła między kanałami zasilającymi i wyjściowymi wirnika.

Rekuperatory obrotowe pokryte są folią.

  • Wydajność do 85%;
  • Oszczędza energię;
  • Nadaje się do osuszania pomieszczeń;
  • Mieszanie do 3% powietrza z różnych strumieni, dzięki czemu mogą być przenoszone zapachy;
  • Złożona konstrukcja mechaniczna.

Wentylacja nawiewno-wywiewna z odzyskiem ciepła, na której opiera się rekuperatory komorowe, jest używany niezwykle rzadko, ponieważ ma wiele wad:

  • Wydajność do 80%;
  • Mieszanie napływających strumieni, co zwiększa przenoszenie zapachów;
  • Ruchome części konstrukcji.

Rekuperatory oparte na chłodziwie pośrednim posiadają w swojej konstrukcji roztwór wodno-glikolowy. Czasem zwykła woda może pełnić rolę takiego chłodziwa.

Cechy rekuperatorów z pośrednim nośnikiem ciepła

  • Niezwykle niska wydajność do 55%;
  • Całkowicie wyeliminowane jest mieszanie strumieni powietrza;
  • Zakres zastosowania: duża produkcja.

Wentylacja z odzyskiem ciepła oparta na rurkach cieplnych często składa się z rozbudowanego systemu rur zawierających freon. Ciecz odparowuje po podgrzaniu. W przeciwnej części rekuperatora freon ochładza się, w wyniku czego często tworzy się kondensacja.

Cechy rekuperatorów z rurkami cieplnymi

  • Brak ruchomych części;
  • Możliwość zanieczyszczenia powietrza zapachami jest całkowicie wyeliminowana;
  • Średnia wydajność wynosi od 50 do 70%.

Obecnie produkowane są kompaktowe jednostki do odzyskiwania masy powietrza. Jedną z głównych zalet rekuperatorów mobilnych jest brak konieczności stosowania kanałów wentylacyjnych.

Główne cele odzysku ciepła

  1. Wentylacja oparta na odzysku ciepła służy do utrzymania wymaganego poziomu wilgotności i temperatury w pomieszczeniu.
  2. Dla zdrowej skóry. Co zaskakujące, systemy z odzyskiem ciepła pozytywnie wpływają na ludzką skórę, która zawsze będzie nawilżona, a ryzyko wysuszenia zminimalizowane.
  3. Aby uniknąć wysuszania mebli i skrzypienia podłóg.
  4. Aby zwiększyć prawdopodobieństwo wystąpienia elektryczności statycznej. Nie wszyscy znają te kryteria, ale przy zwiększonym napięciu statycznym pleśń i grzyby rozwijają się znacznie wolniej.

Prawidłowo wybrane wentylacja nawiewno-wywiewna z odzyskiem ciepła dla Twojego domu pozwoli Ci znacząco zaoszczędzić na ogrzewaniu zimą i klimatyzacji latem. Ponadto ten rodzaj wentylacji ma korzystny wpływ na ludzkie ciało, dzięki czemu będziesz mniej chorować, a ryzyko wystąpienia grzybów w domu zostanie zminimalizowane.

W tym artykule rozważymy taką charakterystykę wymiany ciepła, jak współczynnik odzysku. Pokazuje stopień, w jakim jeden nośnik ciepła wykorzystuje inny podczas wymiany ciepła. Współczynnik odzysku można nazwać współczynnikiem odzysku ciepła, efektywnością wymiany ciepła lub sprawnością cieplną.

W pierwszej części artykułu postaramy się znaleźć uniwersalne zależności dla wymiany ciepła. Można je wyprowadzić z najbardziej ogólnych zasad fizycznych i nie wymagają żadnych pomiarów. W drugiej części zaprezentujemy zależność rzeczywistych współczynników odzysku od głównych charakterystyk wymiany ciepła dla rzeczywistych kurtyn powietrznych lub oddzielnie dla wymienników ciepła woda-powietrze, co zostało już omówione w artykułach „Moc kurtyny cieplnej przy dowolnym chłodziwie i natężenia przepływu powietrza. Interpretacja danych eksperymentalnych” i „Moc kurtyny cieplnej przy dowolnych natężeniach przepływu chłodziwa i powietrza. Niezmienniki procesu wymiany ciepła”, opublikowanej przez magazyn „Climate World” w numerach odpowiednio 80 i 83. Pokazane zostanie, w jaki sposób współczynniki zależą od charakterystyki wymiennika ciepła, a także jaki wpływ na nie mają natężenia przepływu chłodziwa. Wyjaśnione zostaną niektóre paradoksy wymiany ciepła, w szczególności paradoks dużej wartości współczynnika odzysku przy dużej różnicy w natężeniu przepływu chłodziwa. Aby uprościć koncepcję odzysku i znaczenie jego definicji ilościowej (współczynnika), rozważymy przykład wymienników ciepła powietrze-powietrze. Umożliwi to określenie podejścia do znaczenia zjawiska, które można następnie rozszerzyć na dowolną wymianę, w tym „woda – powietrze”. Należy pamiętać, że w blokach wymiany ciepła powietrze-powietrze można organizować zarówno prądy krzyżowe, które są zasadniczo podobne do wymienników ciepła woda-powietrze, jak i przeciwprądy mediów wymieniających ciepło. W przypadku przeciwprądów, które determinują wysokie wartości współczynników odzysku, praktyczne wzorce wymiany ciepła mogą nieznacznie różnić się od omówionych wcześniej. Ważne jest, aby uniwersalne prawa wymiany ciepła obowiązywały ogólnie dla każdego typu jednostki wymiennika ciepła. W dyskusji artykułu założymy, że podczas wymiany ciepła następuje zachowanie energii. Jest to równoznaczne ze stwierdzeniem, że moc promieniowania i konwekcja ciepła z korpusu urządzenia termicznego, ze względu na temperaturę ciała, są małe w porównaniu z mocą użytecznego przenoszenia ciepła. Założymy również, że pojemność cieplna nośników nie zależy od ich temperatury.

KIEDY WYSOKI WSKAŹNIK ODZYSKU JEST WAŻNY?

Można uznać, że zdolność do przesyłania określonej ilości energii cieplnej jest jedną z głównych cech każdego sprzętu cieplnego. Im wyższa zdolność, tym droższy sprzęt. Współczynnik odzysku w teorii może wahać się od 0 do 100%, ale w praktyce często waha się od 25 do 95%. Intuicyjnie można założyć, że wysoki współczynnik odzysku, a także możliwość przesyłania dużej mocy, implikuje wysokie walory konsumenckie sprzętu. Jednak w rzeczywistości takiego bezpośredniego połączenia nie obserwuje się; wszystko zależy od warunków wykorzystania wymiany ciepła. Kiedy wysoki stopień odzysku ciepła jest ważny, a kiedy drugorzędny? Jeżeli czynnik chłodzący, z którego pobierane jest ciepło lub chłód, jest używany tylko raz, to znaczy nie jest zapętlony i bezpośrednio po użyciu jest bezpowrotnie odprowadzany do środowisko zewnętrzne, to dla efektywne wykorzystanie Do tego ciepła wskazane jest zastosowanie urządzenia o wysokim współczynniku odzysku. Przykładami są wykorzystanie ciepła lub chłodu z części instalacji geotermalnych, zbiorników otwartych, źródeł nadwyżki technologicznej, gdzie nie ma możliwości zamknięcia obiegu chłodziwa. Wysoki odzysk jest ważny, gdy obliczenia w sieci ciepłowniczej przeprowadzane są wyłącznie na podstawie przepływu wody i temperatury wody bezpośredniej. W przypadku wymienników ciepła powietrze-powietrze jest to wykorzystanie ciepła z powietrza wywiewanego, które bezpośrednio po wymianie ciepła oddaje się do środowiska zewnętrznego. Inny skrajny przypadek ma miejsce, gdy za chłodziwo płaci się ściśle według pobranej z niego energii. Można to nazwać idealna opcja sieci ciepłownicze. Można wtedy powiedzieć, że taki parametr jak współczynnik odzysku nie ma żadnego znaczenia. Chociaż przy ograniczeniach temperatury powrotu nośnika współczynnik odzysku również ma sens. Należy pamiętać, że w niektórych warunkach pożądany jest niższy stopień odzyskiwania sprzętu.

OKREŚLENIE WSPÓŁCZYNNIKA ODZYSKU

Definicja współczynnika odzysku jest podana w wielu podręczniki(Na przykład, , ). Jeżeli następuje wymiana ciepła pomiędzy dwoma mediami 1 i 2 (rys. 1),

które mają odpowiednio pojemności cieplne c 1 i c 2 (w J/kgxK) oraz masowe natężenia przepływu g 1 i g 2 (w kg/s), wówczas współczynnik odzysku ciepła z wymiany ciepła można przedstawić w postaci dwóch równoważnych stosunków:

= (с 1 g 1)(Т 1 - Т 1 0) / (сg) min (T 2 0 - T 1 0) = (с 2 g 2)(Т 2 0 - Т 2) / (сg) min ( T 2 0 - T 1 0). (1)

W tym wyrażeniu T 1 i T 2 są temperaturami końcowymi tych dwóch mediów, T 1 0 i T 2 0 są temperaturami początkowymi, a (cg) min jest minimalną z dwóch wartości tzw. odpowiednik tych mediów (W/K) przy natężeniach przepływu g 1 i g 2 , (cg) min = min((przy 1 g 1), (przy 2 g 2)). Aby obliczyć współczynnik, możesz użyć dowolnego wyrażenia, ponieważ ich liczniki, z których każdy wyraża pełna moc przenikanie ciepła (2) są równe.

W = (c 1 sol 1)(T 1 - T 1 0) = (c 2 sol 2)(T 2 0 - T 2). (2)

Drugą równość w (2) można uznać za wyraz prawa zachowania energii podczas wymiany ciepła, które dla procesów termicznych nazywa się pierwszą zasadą termodynamiki. Można zauważyć, że w którejkolwiek z dwóch równoważnych definicji w (1) występują tylko trzy z czterech temperatur wymiany. Jak stwierdzono, wartość staje się znacząca, gdy jeden z czynników chłodzących zostanie wyrzucony po użyciu. Wynika z tego, że zawsze można dokonać wyboru dwóch wyrażeń w (1) tak, że z wyrażenia do obliczeń nie będzie brana temperatura końcowa tego nośnika. Podajmy przykłady.

a) Odzysk ciepła z powietrza wywiewanego

Dobrze znanym przykładem wymiennika ciepła o dużej wymaganej wartości jest rekuperator ciepła powietrza wywiewanego do podgrzewania powietrza nawiewanego (rys. 2).

Jeżeli jako T pomieszczenie oznaczymy temperaturę powietrza wywiewanego, powietrza ulicznego jako T st, a powietrza nawiewanego po podgrzaniu w rekuperatorze jako T pr, to biorąc pod uwagę tę samą wartość pojemności cieplnych z obu strumieni powietrza (są prawie takie same, jeśli pominiemy małe zależności od wilgotności i temperatury powietrza), możemy uzyskać dobre, znane wyrażenie na:

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

We wzorze tym gmin oznacza najmniejsze g min = min(g in, g out) z dwóch sekund natężenia przepływu gin powietrza nawiewanego i dnę powietrza wywiewanego. Jeżeli przepływ powietrza nawiewanego nie przekracza strumienia powietrza wywiewanego, wzór (3) upraszcza się i sprowadza do postaci = (T pr - T st) / (T pomieszczenie - T st). Temperatura nieuwzględniona we wzorze (3) to temperatura T’ powietrza wywiewanego po przejściu przez wymiennik ciepła.

b) Rekuperacja w kurtynie powietrznej lub dowolnej nagrzewnicy wodno-powietrznej

Bo na oczach wszystkich możliwe opcje jedyną temperaturą, której wartość może być nieistotna jest temperatura wody powrotnej T x, należy ją wyłączyć z wyrażenia na współczynnik odzysku. Jeżeli temperaturę powietrza otaczającego kurtynę oznaczymy jako T0, powietrza ogrzanego przez kurtynę jako T, a temperaturę wpływającą do wymiennika ciepła tarapaty T g, (ryc. 3), gdyż otrzymujemy:

Cg(T – T 0) / (cg) min (T g – T 0). (4)

We wzorze tym c jest pojemnością cieplną powietrza, g jest drugim masowym natężeniem przepływu powietrza.

Oznaczenie (сg) min najmniejsza wartość z powietrza сg i wody с W G równoważniki termiczne, с W to pojemność cieplna wody, G to drugie masowe natężenie przepływu wody: (сg) min = min((сg), (с W G)). Jeżeli przepływ powietrza jest stosunkowo mały, a równoważnik powietrza nie przekracza równoważnika wody, wzór jest również uproszczony: = (T - T 0) / (T g - T 0).

FIZYCZNE ZNACZENIE WSPÓŁCZYNNIKA ODZYSKU

Można przyjąć, że wartość współczynnika odzysku ciepła jest ilościowym wyrażeniem termodynamicznej sprawności przenoszenia mocy. Wiadomo, że w przypadku wymiany ciepła wydajność ta jest ograniczona przez drugą zasadę termodynamiki, znaną również jako prawo niemalejącej entropii.

Można jednak wykazać, że rzeczywiście jest to sprawność termodynamiczna w sensie niemalejącej entropii tylko w przypadku równości równoważników termicznych dwóch ośrodków wymieniających ciepło. W ogólnym przypadku nierówności równoważników maksymalna możliwa wartość teoretyczna = 1 wynika z postulatu Clausiusa, który brzmi następująco: „Ciepło nie może zostać przeniesione z ciała zimniejszego do cieplejszego bez innych zmian, jednocześnie związanych z tego transferu.” W tej definicji inne zmiany oznaczają pracę wykonaną w systemie, na przykład podczas odwrotnego cyklu Carnota, w oparciu o którą działają klimatyzatory. Biorąc pod uwagę, że pompy i wentylatory wymieniając ciepło z takimi nośnikami jak woda, powietrze i inne, wykonują na nich znikomą pracę w porównaniu z energią wymiany ciepła, można założyć, że przy takiej wymianie ciepła spełniony jest postulat Clausiusa wysoki stopień dokładność.

Chociaż powszechnie przyjmuje się, że zarówno postulat Clausiusa, jak i zasada niemalejącej entropii są po prostu różnymi wyrażeniami drugiej zasady termodynamiki dla systemy zamknięte, to jest błędne. Aby obalić ich równoważność, pokażemy, że ogólnie mogą one prowadzić do różnych ograniczeń w wymianie ciepła. Rozważmy rekuperator powietrze-powietrze w przypadku równych równoważników cieplnych dwóch wymieniających się mediów, co przy równych pojemnościach cieplnych oznacza równość masowych natężeń przepływu obu strumieni powietrza, oraz = (T pr - T st) / (T pokój - T st). Niech dla pewności temperatura pokojowa T pokój = 20 o C, a temperatura ulicy T ulica = 0 o C. Jeśli całkowicie pominiemy ciepło utajone powietrza, które jest spowodowane jego wilgocią, to jak wynika z ( 3) temperatura powietrza nawiewanego T pr = 16 o C odpowiada współczynnikowi odzysku = 0,8, a przy T pr = 20 o C osiągnie wartość 1. (Temperatury powietrza emitowanego na ulicę w tych przypadkach T ' będzie wynosić odpowiednio 4 o C i 0 o C). Pokażmy, że dokładnie = 1 jest maksimum w tym przypadku. Przecież nawet gdyby powietrze nawiewane miało temperaturę T pr = 24 o C, a powietrze emitowane na ulicę T' = –4 o C, to pierwsza zasada termodynamiki (prawo zachowania energii) nie byłaby naruszone. Co sekundę E = cg·24 o C Dżule energii zostaną przekazane do powietrza ulicznego i taka sama ilość zostanie pobrana z powietrza w pomieszczeniu, a jednocześnie będzie wynosić 1,2, czyli 120%. Jednak taki transfer ciepła jest niemożliwy właśnie dlatego, że entropia układu spadnie, czego zabrania druga zasada termodynamiki.

Rzeczywiście, zgodnie z definicją entropii S, jej zmiana wiąże się ze zmianą całkowitej energii gazu Q poprzez zależność dS = dQ/T (temperatura jest mierzona w Kelvinach), a przy stałym ciśnieniu gazu dQ = mcdT, m to masa gazu, s (lub jak to się często oznacza przez p) - pojemność cieplna przy stałym ciśnieniu, dS = mc · dT/T. Zatem S = mc ln(T 2 / T 1), gdzie T 1 i T 2 to początkowa i końcowa temperatura gazu. W zapisie wzoru (3) dla drugiej zmiany entropii powietrza nawiewanego otrzymujemy Spr = сg ln(Tpr / Tul), jeżeli uliczne powietrze nagrzewa się, jest dodatni. Aby zmienić entropię powietrza wywiewanego Svyt = s g ln(T / Troom). Zmiana entropii całego układu w ciągu 1 sekundy:

S = S pr + S out = cg(ln(T pr / T st) + ln(T’ / T pokój)). (5)

We wszystkich przypadkach założymy, że T ulica = 273 tys., T pokój = 293 tys. Dla = 0,8 z (3), T pr = 289 K i z (2) T’ = 277 K, co pozwoli nam obliczyć całkowitą zmianę entropii S = 0,8 = 8 · 10 –4 cg. Dla = 1 analogicznie otrzymujemy T pr = 293 K i T' = 273 K, a entropia, jak można się spodziewać, jest zachowana S =1 = 0. Hipotetyczny przypadek = 1,2 odpowiada T pr = 297 K i T' = 269 K , a obliczenia wykazują spadek entropii: S =1,2 = –1,2 · 10 –4 cg. Obliczenie to można uznać za uzasadnienie niemożliwości przeprowadzenia tego procesu w szczególności c = 1,2 i w ogóle dla dowolnego > 1 również ze względu na S< 0.

Tak więc, przy natężeniach przepływu, które zapewniają równe równoważniki termiczne dwóch mediów (w przypadku identycznych mediów odpowiada to równym natężeniom przepływu), współczynnik odzysku określa efektywność wymiany w tym sensie, że = 1 określa graniczny przypadek zachowania entropii. Postulat Clausiusa i zasada niemalejącej entropii są w tym przypadku równoważne.

Rozważmy teraz nierówne natężenie przepływu powietrza w przypadku wymiany ciepła powietrze-powietrze. Niech na przykład masowe natężenie przepływu powietrza nawiewanego będzie wynosić 2g, a powietrza wywiewanego g. Dla zmiany entropii przy takich natężeniach przepływu otrzymujemy:

S = S pr + S out = 2s g ln(T pr / T st) + s g ln(T’ / T pokój). (6)

Dla = 1 przy tych samych temperaturach początkowych T st = 273 K i T pokój = 293 K, korzystając z (3), otrzymujemy T pr = 283 K, ponieważ g pr / g min = 2. Następnie z zasady zachowania energii (2) otrzymujemy wartość T' = 273K. Jeśli podstawimy te wartości temperatur do (6), to dla całkowitej zmiany entropii otrzymamy S = 0,00125сg > 0. Oznacza to, że nawet w najkorzystniejszym przypadku przy = 1 proces staje się termodynamicznie nieoptymalny; wraz ze wzrostem entropii i w konsekwencji, w przeciwieństwie do podprzypadku o równych kosztach, jest to zawsze nieodwracalne.

Aby oszacować skalę tego wzrostu, znajdziemy współczynnik odzysku dla wymiany równych wydatków, o których mowa powyżej, tak że w wyniku tej wymiany powstaje taka sama wielkość entropii, jak w przypadku wydatków różniących się 2-krotnie przy = 1. Innymi słowy, w idealnych warunkach ocenimy termodynamiczną nieoptymalność wymiany różnych kosztów. Po pierwsze, sama zmiana entropii niewiele mówi; o wiele bardziej pouczające jest rozważenie stosunku S / E zmiany entropii do energii przenoszonej przez wymianę ciepła. Biorąc pod uwagę, że w powyższym przykładzie, gdy entropia wzrasta o S = 0,00125cg, przeniesiona energia E = cg pr (T pr - T str) = 2c g 10K. Zatem stosunek S / E = 6,25 10 –5 K -1. Łatwo sprawdzić, że tę samą „jakość” wymiany przy równych przepływach osiąga współczynnik odzysku = 0,75026... Rzeczywiście, przy tych samych temperaturach początkowych T st = 273 K i T pomieszczenia = 293 K i równych przepływach, to współczynnik odpowiada temperaturom T re = 288 K i T' = 278 K. Korzystając z (5) otrzymujemy zmianę entropii S = 0,000937сg i biorąc pod uwagę, że E = сg(T pr - T str) = сg 15К otrzymujemy S/E = 6,25 10 –5 К -1 . Tak więc, pod względem jakości termodynamicznej, przenikanie ciepła przy = 1 i przy dwukrotnie różnych przepływach odpowiada przenikaniu ciepła przy = 0,75026... przy identycznych przepływach.

Kolejnym pytaniem, jakie możemy zadać, jest: jakie powinny być hipotetyczne temperatury wymiany różne wydatki aby ten wyimaginowany proces zachodził bez zwiększania entropii?

Dla = 1,32 przy tych samych temperaturach początkowych T st = 273 K i T pokoju = 293 K, korzystając z (3), otrzymujemy T pr = 286,2 K, a z zasady zachowania energii (2) T’ = 266,6 K. Jeśli podstawimy te wartości do (6), to dla całkowitej zmiany entropii otrzymamy сg(2ln(286,2 / 273) + ln(266,6 / 293)) 0. Prawo zachowania energii i prawo nie - entropia malejąca dla tych wartości temperatur jest spełniona, a mimo to zamiana jest niemożliwa ze względu na to, że T' = 266,6 K nie należy do zakresu temperatur początkowych. Stanowiłoby to bezpośrednie naruszenie postulatu Clausiusa, przenosząc energię ze środowiska zimniejszego do cieplejszego. W konsekwencji proces ten jest niemożliwy, podobnie jak inne, nie tylko przy zachowaniu entropii, ale nawet przy jej wzroście, gdy temperatury końcowe któregokolwiek z ośrodków wykroczą poza zakres temperatur początkowych (ulica T, pokój T).

Przy natężeniach przepływu, które zapewniają nierówne równoważniki cieplne mediów wymiany, proces wymiany ciepła jest zasadniczo nieodwracalny i zachodzi wraz ze wzrostem entropii układu, nawet w przypadku najbardziej efektywnej wymiany ciepła. Argumenty te obowiązują również w przypadku dwóch mediów o różnych pojemnościach cieplnych; jedyną ważną rzeczą jest to, czy równoważniki termiczne tych mediów pokrywają się, czy nie.

PARADOKS MINIMALNEJ JAKOŚCI WYMIANY CIEPŁA PRZY WSPÓŁCZYNNIKU ODZYSKU 1/2

W tym akapicie rozważymy trzy przypadki wymiany ciepła ze współczynnikami odzysku odpowiednio 0, 1/2 i 1. Niech przez wymienniki ciepła przepłyną równe przepływy czynników wymiany ciepła o jednakowych pojemnościach cieplnych i różnych temperaturach początkowych T 1 0 i T 2 0. Przy współczynniku odzysku wynoszącym 1 oba media po prostu wymieniają wartości temperatur, a temperatury końcowe odzwierciedlają początkowe T 1 = T 2 0 i T 2 = T 1 0. Jest oczywiste, że entropia nie zmienia się w tym przypadku S = 0, ponieważ na wyjściu znajdują się te same ośrodki o takich samych temperaturach jak na wejściu. Przy współczynniku odzysku 1/2 końcowe temperatury obu mediów będą równe średniej arytmetycznej temperatur początkowych: T 1 = T 2 = 1/2 (T 1 0 + T 2 0). Nastąpi nieodwracalny proces wyrównywania temperatur, co jest równoznaczne ze wzrostem entropii S > 0. Przy współczynniku odzysku wynoszącym 0 nie ma wymiany ciepła. Oznacza to, że T 1 = T 1 0 i T 2 = T 2 0, a entropia stanu końcowego nie ulegnie zmianie, co jest podobne do stanu końcowego układu o współczynniku odzysku równym 1. Podobnie jak stan c = 1 jest tożsame ze stanem c = 0, również przez analogię można wykazać, że stan = 0,9 jest tożsamy ​​ze stanem c = 0,1 itd. W tym przypadku stan c = 0,5 będzie odpowiadał maksymalnemu wzrostowi entropii wszystkie możliwe współczynniki. Najwyraźniej = 0,5 odpowiada przenoszeniu ciepła o minimalnej jakości.

Oczywiście nie jest to prawdą. Wyjaśnienie paradoksu należy zacząć od faktu, że wymiana ciepła jest wymianą energii. Jeśli entropia w wyniku wymiany ciepła wzrośnie o pewną wartość, wówczas jakość wymiany ciepła będzie się różnić w zależności od tego, czy przekazano 1 J, czy 10 J ciepła. Bardziej poprawne jest nieuwzględnianie bezwzględnej zmiany entropii S (. w rzeczywistości jego wytwarzanie w wymienniku ciepła), ale stosunek entropii zmiany do przeniesionej energii E w tym przypadku Oczywiście dla różnych zestawów temperatur wartości te można obliczyć dla = 0,5. Trudniej jest obliczyć ten stosunek dla = 0, ponieważ jest to niepewność postaci 0/0. Nie jest jednak trudno przyjąć stosunek do 0, co w praktyce można uzyskać przyjmując ten stosunek przy bardzo małych wartościach, na przykład 0,0001. W tabelach 1 i 2 przedstawiamy te wartości dla różnych warunki początkowe przez temperaturę.



Przy dowolnych wartościach i dla codziennych zakresów temperatur T pokój i T pokój (założymy, że T pokój / T st x

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

Rzeczywiście, jeśli oznaczymy T pokój = T ulica (1 + x), 0< x

Na wykresie 1 pokazujemy tę zależność dla temperatur T st = 300K T pomieszczenia = 380K.



Krzywa ta nie jest linią prostą określoną w przybliżeniu (7), chociaż jest na tyle blisko niej, że są one nie do odróżnienia na wykresie. Wzór (7) pokazuje, że jakość wymiany ciepła jest minimalna właśnie przy = 0. Dokonajmy kolejnego oszacowania skali S/E. W podanym przykładzie rozważamy połączenie dwóch zbiorników ciepła o temperaturach T 1 i 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 i przy dowolnym stosunku natężenia przepływu chłodziwa.

ZMIANY JAKOŚCI PRZEKAZY CIEPŁA PRZY RÓŻNYCH KOSZTACH PRZEPŁYWU OGRZEWANIA

Zakładamy, że natężenia przepływu chłodziwa różnią się o współczynnik n, a wymiana ciepła zachodzi z najwyższą możliwą jakością (= 1). Jakiej jakości wymianie ciepła przy jednakowych natężeniach przepływu będzie to odpowiadać? Aby odpowiedzieć na to pytanie, spójrzmy, jak zachowuje się wartość S/E przy = 1 dla różnych wskaźników wydatków. Dla różnicy przepływów n = 2 zgodność tę obliczono już w punkcie 3: = 1 n=2 odpowiada = 0,75026... dla tych samych przepływów. W tabeli 3 dla zestawu temperatur 300 K i 350 K przedstawiamy względną zmianę entropii przy jednakowych natężeniach przepływu chłodziw o tej samej pojemności cieplnej dla różnych wartości.



W Tabeli 4 przedstawiamy także względną zmianę entropii dla różnych współczynników przepływu n tylko przy maksimum możliwą skuteczność przenikanie ciepła (= 1) i odpowiadające im wydajności prowadzące do tej samej jakości przy jednakowych natężeniach przepływu.



Wynikową zależność (n) przedstawmy na wykresie 2.



Przy nieskończonej różnicy kosztów dąży się do ostatecznej granicy 0,46745... Można wykazać, że to powszechne uzależnienie. Obowiązuje ona w dowolnych temperaturach początkowych dla dowolnych nośników, jeżeli zamiast współczynnika wydatków mamy na myśli stosunek równoważników cieplnych. Można to również przybliżyć za pomocą hiperboli, co zaznaczono linią 3 na wykresie niebieski:



„(n) 0,4675+ 0,5325/n. (8)

Czerwona linia wskazuje dokładną zależność (n):

Jeśli w zamian zostaną zrealizowane nierówne koszty w zamian za dowolne n>1, wówczas wydajność termodynamiczna w sensie wytwarzania względnej entropii maleje. Przedstawiamy jego oszacowanie z góry bez wyprowadzenia:

Stosunek ten ma tendencję do dokładnej równości dla n>1, bliskiej 0 lub 1, a dla wartości pośrednich nie przekracza błędu bezwzględnego kilku procent.

Zakończenie artykułu zostanie zaprezentowane w jednym z kolejnych numerów magazynu „KLIMAT ŚWIAT”. Na przykładach rzeczywistych jednostek wymienników ciepła znajdziemy wartości współczynników odzysku i pokażemy, w jakim stopniu zależą one od charakterystyki jednostki, a w jakim od natężenia przepływu chłodziwa.

LITERATURA

  1. Puchow A. powietrze. Interpretacja danych eksperymentalnych. // Świat klimatyczny. 2013. Nr 80. s. 110.
  2. Puchow A. B. Moc kurtyny termicznej przy dowolnych natężeniach przepływu chłodziwa i powietrze. Niezmienniki procesu wymiany ciepła. // Świat klimatyczny. 2014. Nr 83. s. 202.
  3. Sprawa W. M., London A. L. Kompaktowe wymienniki ciepła. . M.: Energia, 1967. s. 23.
  4. Wang H. Podstawowe wzory i dane nt wymiana ciepła dla inżynierów. . M.: Atomizdat, 1979. s. 138.
  5. Kadomtsev B. B. Dynamika i informacje // Postępy w naukach fizycznych. T. 164. 1994. Nr. 5 maja. s. 453.

Puchow Aleksiej Wiaczesławowicz,
dyrektor techniczny
Firma Tropic Line

Powrót do zdrowia to proces zwrotu maksymalnej ilości energii. W wentylacji odzysk to proces przeniesienia energii cieplnej z powietrza wywiewanego do powietrza nawiewanego. Jest ich wiele różne typy rekuperatory i w tym artykule porozmawiamy o każdym z nich. Każdy typ rekuperatora jest dobry na swój sposób i ma unikalne zalety, ale każdy z nich pozwoli zaoszczędzić co najmniej 50%, a częściej nawet 95%, na ogrzewaniu powietrza nawiewanego w zimie.

Bardzo interesujący jest proces przenoszenia ciepła z powietrza wywiewanego do nawiewanego. Następnie zaczniemy demontować każdy typ rekuperatora powietrza, abyś mógł łatwiej zrozumieć, co to jest i jakiego rekuperatora potrzebujesz.

Najpopularniejszy typ rekuperatora, a raczej centrale wentylacyjne z rekuperatorem płytowym. Swoją popularność zyskał dzięki prostocie i niezawodności konstrukcji samego wymiennika ciepła rekuperatora.

Zasada działania jest prosta - w wymienniku ciepła rekuperatora dwa strumienie powietrza (wywiewny i nawiewny) przecinają się, ale w taki sposób, że są oddzielone ściankami. W rezultacie przepływy te nie mieszają się. Ciepłe powietrze ogrzewa ściany wymiennika ciepła, a ściany ogrzewają powietrze nawiewane. Sprawność rekuperatorów płytowych (sprawność rekuperatora płytowego) mierzona jest w procentach i odpowiada:

45-78% dla metalowych i plastikowych wymienników ciepła rekuperatorów.

60-92% dla rekuperatorów płytowych z celulozowymi higroskopijnymi wymiennikami ciepła.

Ten skok wydajności w kierunku rekuperatorów celulozowych wynika po pierwsze z powrotu wilgoci przez ścianki rekuperatora z powietrza wywiewanego do powietrza nawiewanego, a po drugie z przenoszenia ciepła utajonego w tej samej wilgoci. Rzeczywiście w rekuperatorach rolę odgrywa nie ciepło samego powietrza, ale ciepło zawartej w nim wilgoci. Powietrze bez wilgoci ma bardzo niską pojemność cieplną, a wilgoć to woda... o znanej dużej pojemności cieplnej.

W przypadku wszystkich rekuperatorów, z wyjątkiem celulozowych, wymagany jest króciec drenażowy. Te. Planując montaż rekuperatora należy pamiętać, że wymagane jest także doprowadzenie kanalizacji.

A więc zalety:

1. Prostota konstrukcji i niezawodność.

2. Wysoka wydajność.

3. Brak dodatkowych odbiorców energii elektrycznej.

I oczywiście wady:

1. Aby taki rekuperator działał, należy do niego doprowadzić zarówno nawiew, jak i wywiew. Jeśli system został zaprojektowany od podstaw, nie jest to wcale minus. Ale jeśli system już istnieje, a nawiew i wywiew znajdują się w pewnej odległości, lepiej go użyć.

2. Przy ujemnych temperaturach może dojść do zamarznięcia wymiennika ciepła rekuperatora. Aby go rozmrozić, należy albo zatrzymać lub zmniejszyć dopływ powietrza z ulicy, albo zastosować zawór obejściowy, który umożliwia ominięcie wymiennika ciepła przez powietrze nawiewane podczas jego rozmrażania przez powietrze wywiewane. W tym trybie odszraniania całe zimne powietrze dostaje się do systemu z pominięciem rekuperatora, a do jego ogrzania potrzebna jest duża ilość energii elektrycznej. Wyjątek stanowią rekuperatory płytowe celulozowe.

3. Rekuperatory te w zasadzie nie oddają wilgoci, a powietrze nawiewane do pomieszczeń jest zbyt suche. Wyjątek stanowią rekuperatory płytowe celulozowe.

Drugi najpopularniejszy typ rekuperatora. Oczywiście... Wysoka wydajność, nie zamarza, jest bardziej kompaktowy niż typu płytowego, a nawet oddaje wilgoć. Niektóre zalety.

Obrotowy wymiennik ciepła wykonany jest z aluminium, nawiniętego warstwowo na wirnik, przy czym jedna blacha jest płaska, a druga zygzakowata. Aby umożliwić przepływ powietrza. Napędzany napędem elektrycznym poprzez pasek. Ten „bęben” obraca się i każda jego część nagrzewa się, przechodząc przez strefę wywiewu, a następnie przemieszcza się do strefy nawiewu i schładza, przekazując w ten sposób ciepło do powietrza nawiewanego.

Sektor oczyszczający służy do ochrony przed przepływem powietrza.

Nowe i niezbyt dobre znane gatunki rekuperatory powietrza. Dachowe wymienniki ciepła w rzeczywistości wykorzystują płytowe wymienniki ciepła, a czasami obrotowe wymienniki ciepła, ale zdecydowaliśmy się uczynić je odrębnym rodzajem wymienników ciepła, ponieważ... Rekuperator dachowy to specyficzny, odrębny typ centrali wentylacyjnej z rekuperatorem.

Wymienniki ciepła montowane na dachu nadają się do dużych obiektów o pojedynczej kubaturze i stanowią szczyt łatwości projektowania, instalacji i obsługi. Aby go zainstalować, po prostu to zrób żądane okno na dachu budynku zamontuj specjalną „szybę” rozkładającą obciążenie i zamontuj w niej rekuperator dachowy. To proste. Powietrze pobierane jest spod sufitu w pomieszczeniu i dostarczane zgodnie z życzeniem klienta spod sufitu lub do strefy oddychania pracowników lub gości centrów handlowych.

Rekuperator z pośrednim chłodziwem:

A ten typ rekuperatora już się nadaje istniejących systemów wentylacja „oddzielnie nawiew - osobno wywiew”.

Cóż, lub jeśli nie da się go zbudować nowy system wentylacja za pomocą pewnego rodzaju rekuperatora, która polega na dostarczaniu nawiewu i wywiewu do jednego pomieszczenia. Warto jednak pamiętać, że zarówno wymienniki płytowe, jak i obrotowe mają bielsze wysoka wydajność niż glikolowe.