Razumijevanje povrata energije u rotacijskim izmjenjivačima topline

Ključni tehnički elementi koji utiču na energetsku efikasnost

Razumijevanje povrata energije u rotacijskim izmjenjivačima topline - Ključni tehnički elementi koji utječu na energetsku efikasnost

Sistemi za rekuperaciju toplote mogu se podijeliti u dvije kategorije na osnovu termičkih parametara sistema: Sistemi za rekuperaciju i konverziju energije iz otpadne toplote sa visokim termičkim parametrima (iznad 70^oC) i sisteme za iskorištavanje i konverziju energije iz otpadne toplote sa niskim termičkim parametrima (ispod 70^oC).

Sistemi za povrat toplote i konverziju energije iznad 70^oC se koriste u tehnološkim procesima koji se odvijaju u energetskoj, prehrambenoj, hemijskoj i drugim industrijama zasnovanim na procesima, gdje se oslobađaju velike količine otpadne toplote. Ova otpadna toplota sa visokim termičkim parametrima može se koristiti za poboljšanje energetske i ekonomske efikasnosti preduzeća direktnim zagrijavanjem vazduha u ventilacionim sistemima ili proširivanjem tehnoloških procesa koji zahtijevaju više temperature (npr. izvor toplote za toplotne pumpe koje se koriste za pasterizaciju u prehrambenoj industriji ili za proizvodnju električne energije u organskim Rankine ciklusima ili Kalina ciklusima). Otpadna toplota sa tako povišenim termičkim parametrima može se koristiti i za procese hlađenja i klimatizacije (npr. pretvaranje toplotne energije u ohlađenu vodu pomoću apsorpcionih ili adsorpcionih hladnjaka).

Sistemi za povrat toplote i konverziju energije ispod 70^oC se najčešće koriste za grijanje u stambenim zgradama (npr. podno grijanje uz korištenje toplinskih pumpi) ili poslovnim zgradama (npr. u klima-uređajima (AHU) za grijanje "svježeg" ili "vanjskog" zraka povratom topline iz "korištenog" ili "ispušnog" zraka). Ovaj članak će se fokusirati na primjenu u poslovnim zgradama.

Sistemi za rekuperaciju toplote u klima uređajima zasnivaju se na dva sistema koji, u zavisnosti od vrste rješenja usvojenog u dizajnu uređaja, troše električnu energiju (aktivni sistemi) ili ne (pasivni sistemi). Aktivni sistemi za rekuperaciju toplote u klima uređajima uključuju, na primjer, sisteme zasnovane na rotacionim izmjenjivačima toplote ili reverzibilnim toplotnim pumpama. Pasivni sistemi za rekuperaciju toplote uključuju ukrštene i heksagonalne izmjenjivače toplote. Karakteristično za rekuperaciju toplote u ventilacionim sistemima je da se toplota rekuperira pri malim temperaturnim razlikama između struje vazduha više temperature i struje vazduha niže temperature, pri čemu vazduh više temperature rijetko prelazi 30...^oC (u poslovnim zgradama, povrat toplote se odvija čak i pri nižim temperaturama vazduha).

Najčešće se rekuperacija toplote u ventilacionim i klima uređajima vrši pomoću rotacionih ili unakrsnoprotočnih (heksagonalnih) izmjenjivača toplote, rjeđe pomoću toplotnih pumpi. Rotacioni izmjenjivači toplote se koriste u klima-komorama (AHU) gdje je dozvoljena izmjena mase između ulaznog i izlaznog vazduha u AHU (to su obično javne zgrade). Unakrsnoprotočni i heksagonalni izmjenjivači toplote se koriste u klima-komorama gdje se ne može dozvoliti izmjena mase između svježeg i korištenog vazduha (npr. bolnice). Reverzibilne toplotne pumpe se koriste kada je za grijanje potreban dovodni vazduh visoke temperature.

Bilans mase i energije u izmjenjivačima topline koji se koriste u klima uređajima

Prilikom izračunavanja performansi rotacionog izmjenjivača toplote za rekuperaciju toplote u klima uređajima, pored energetskog bilansa, potreban je i odgovarajući maseni bilans. Slijede jednačine energetskog i masenog bilansa za uslove stacionarnog protoka sa sljedećom pretpostavkom. Periodične promjene parametara koje proizlaze iz rotacionog kretanja izmjenjivača usrednjavaju se u ukupnom bilansu energije i vlage - to jest, periodične lokalne promjene temperature i vlažnosti na površini rotirajućeg točka su beznačajne i stoga izostavljene u proračunima.

a) Bilans mase, koncentracije i energije za rotacijske izmjenjivače topline: