Κατανόηση της ανάκτησης ενέργειας σε περιστροφικούς εναλλάκτες θερμότητας

Βασικά τεχνικά στοιχεία που επηρεάζουν την ενεργειακή απόδοση

Κατανόηση της ανάκτησης ενέργειας σε περιστροφικούς εναλλάκτες θερμότητας - Βασικά τεχνικά στοιχεία που επηρεάζουν την ενεργειακή απόδοση

Τα συστήματα ανάκτησης θερμότητας μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες με βάση τις θερμικές παραμέτρους του συστήματος: Συστήματα ανάκτησης ενέργειας και μετατροπής από απορριπτόμενη θερμότητα με υψηλές θερμικές παραμέτρους (άνω των 70°C).^oΓ) και συστήματα ανάκτησης και μετατροπής ενέργειας από απορριπτόμενη θερμότητα με χαμηλές θερμικές παραμέτρους (κάτω των 70^oΝΤΟ).

Συστήματα ανάκτησης θερμότητας και μετατροπής ενέργειας άνω των 70^oΤα C χρησιμοποιούνται σε τεχνολογικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα στις ενεργειακές, τροφικές, χημικές και άλλες βιομηχανίες που βασίζονται σε διεργασίες, όπου απελευθερώνονται μεγάλες ποσότητες απορριπτόμενης θερμότητας. Αυτή η απορριπτόμενη θερμότητα με υψηλές θερμικές παραμέτρους μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη βελτίωση της ενεργειακής και οικονομικής απόδοσης των επιχειρήσεων μέσω της άμεσης θέρμανσης του αέρα σε συστήματα εξαερισμού ή μέσω της ενίσχυσης τεχνολογικών διεργασιών που απαιτούν υψηλότερες θερμοκρασίες (π.χ. η πηγή θερμότητας για αντλίες θερμότητας που χρησιμοποιούνται για παστερίωση στη βιομηχανία τροφίμων ή για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας στα οργανικά συστήματα κύκλου Rankine ή κύκλου Kalina). Η απορριπτόμενη θερμότητα με τέτοιες αυξημένες θερμικές παραμέτρους μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για διεργασίες ψύξης και κλιματισμού (π.χ. μετατροπή θερμικής ενέργειας σε ψυχρό νερό χρησιμοποιώντας ψύκτες απορρόφησης ή προσρόφησης).

Συστήματα ανάκτησης θερμότητας και μετατροπής ενέργειας κάτω των 70^oΤα C χρησιμοποιούνται συχνότερα για σκοπούς θέρμανσης σε οικιστικά κτίρια (π.χ. ενδοδαπέδια θέρμανση με τη χρήση αντλιών θερμότητας) ή εμπορικά κτίρια (π.χ. σε μονάδες επεξεργασίας αέρα (AHU) για τη θέρμανση «φρέσκου» ή «εξωτερικού» αέρα με ανάκτηση θερμότητας από τον «χρησιμοποιημένο» ή «εξαεριζόμενο» αέρα). Αυτό το άρθρο θα επικεντρωθεί σε εφαρμογές εμπορικών κτιρίων.

Τα συστήματα ανάκτησης θερμότητας στις μονάδες επεξεργασίας αέρα βασίζονται σε δύο συστήματα τα οποία, ανάλογα με τον τύπο της λύσης που υιοθετείται στο σχεδιασμό της μονάδας, καταναλώνουν ηλεκτρική ενέργεια (ενεργά συστήματα) ή όχι (παθητικά συστήματα). Τα ενεργά συστήματα ανάκτησης θερμότητας στις μονάδες επεξεργασίας αέρα περιλαμβάνουν, για παράδειγμα, συστήματα που βασίζονται σε περιστροφικούς εναλλάκτες θερμότητας ή αναστρέψιμες αντλίες θερμότητας. Τα παθητικά συστήματα ανάκτησης θερμότητας περιλαμβάνουν εγκάρσιους και εξαγωνικούς εναλλάκτες θερμότητας. Χαρακτηριστικό για την ανάκτηση θερμότητας στα συστήματα εξαερισμού είναι ότι η θερμότητα ανακτάται σε μικρές διαφορές θερμοκρασίας μεταξύ του ρεύματος αέρα υψηλότερης θερμοκρασίας και του ρεύματος αέρα χαμηλότερης θερμοκρασίας, με τον αέρα υψηλότερης θερμοκρασίας σπάνια να υπερβαίνει τους 30°C.^oC (σε εμπορικά κτίρια, η ανάκτηση θερμότητας λαμβάνει χώρα ακόμη και σε χαμηλότερες θερμοκρασίες αέρα).

Τις περισσότερες φορές, η ανάκτηση θερμότητας σε μονάδες εξαερισμού και κλιματισμού πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας περιστροφικούς ή εγκάρσιας ροής (εξαγωνικούς) εναλλάκτες θερμότητας, λιγότερο συχνά χρησιμοποιώντας αντλίες θερμότητας. Οι περιστροφικοί εναλλάκτες θερμότητας χρησιμοποιούνται σε μονάδες επεξεργασίας αέρα (ΚΚΜ) όπου επιτρέπεται η ανταλλαγή μάζας μεταξύ του αέρα εισόδου και εξόδου στην ΚΚΜ (αυτές είναι συνήθως δημόσια κτίρια). Οι εγκάρσιες και εξαγωνικοί εναλλάκτες θερμότητας χρησιμοποιούνται σε μονάδες επεξεργασίας αέρα όπου δεν επιτρέπεται η ανταλλαγή μάζας μεταξύ φρέσκου και χρησιμοποιούμενου αέρα (π.χ. νοσοκομεία). Οι αντιστρέψιμες αντλίες θερμότητας χρησιμοποιούνται όταν απαιτείται αέρας τροφοδοσίας υψηλής θερμοκρασίας για σκοπούς θέρμανσης.

Ισοζύγιο μάζας και ενέργειας σε εναλλάκτες θερμότητας που χρησιμοποιούνται σε μονάδες επεξεργασίας αέρα

Κατά τον υπολογισμό της απόδοσης του περιστροφικού εναλλάκτη θερμότητας για την ανάκτηση θερμότητας σε μονάδες επεξεργασίας αέρα, εκτός από το ενεργειακό ισοζύγιο, απαιτείται και ένα κατάλληλο ισοζύγιο μάζας. Ακολουθούν οι εξισώσεις ενέργειας και ισοζυγίου μάζας για συνθήκες ροής σταθερής κατάστασης με την ακόλουθη υπόθεση. Οι περιοδικές αλλαγές παραμέτρων που προκύπτουν από την περιστροφική κίνηση του εναλλάκτη υπολογίζονται κατά μέσο όρο στο συνολικό ισοζύγιο ενέργειας και υγρασίας — δηλαδή, οι περιοδικές τοπικές αλλαγές στη θερμοκρασία και την υγρασία στην επιφάνεια του περιστρεφόμενου τροχού είναι ασήμαντες και επομένως παραλείπονται στους υπολογισμούς.

α) Ισοζύγιο μάζας, συγκέντρωσης και ενέργειας για περιστροφικούς εναλλάκτες θερμότητας: