Razumijevanje povrata energije u rotacijskim izmjenjivačima topline

Ključni tehnički elementi koji utječu na energetsku učinkovitost

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

Sustavi za iskorištavanje topline mogu se podijeliti u dvije kategorije na temelju toplinskih parametara sustava: Sustavi za iskorištavanje i pretvorbu energije iz otpadne topline s visokim toplinskim parametrima (iznad 70^oC) i sustave za iskorištavanje i pretvorbu energije iz otpadne topline s niskim toplinskim parametrima (ispod 70^oC).

Sustavi za povrat topline i pretvorbu energije iznad 70^oC se koriste u tehnološkim procesima koji se odvijaju u energetskoj, prehrambenoj, kemijskoj i drugim industrijama temeljenim na procesima gdje se oslobađaju velike količine otpadne topline. Ova otpadna toplina s visokim toplinskim parametrima može se koristiti za poboljšanje energetske i ekonomske učinkovitosti poduzeća izravnim zagrijavanjem zraka u ventilacijskim sustavima ili povećanjem tehnoloških procesa koji zahtijevaju više temperature (npr. izvor topline za toplinske pumpe koje se koriste za pasterizaciju u prehrambenoj industriji ili za proizvodnju električne energije u organskim Rankineovim ili Kalininim ciklusima). Otpadna toplina s takvim povišenim toplinskim parametrima može se koristiti i za procese hlađenja i klimatizacije (npr. pretvaranje toplinske energije u ohlađenu vodu pomoću apsorpcijskih ili adsorpcijskih hladnjaka).

Sustavi za povrat topline i pretvorbu energije ispod 70^oC se najčešće koriste za grijanje u stambenim zgradama (npr. podno grijanje s toplinskim pumpama) ili poslovnim zgradama (npr. u klima uređajima (AHU) za grijanje „svježeg“ ili „vanjskog“ zraka iskorištavanjem topline iz „korištenog“ ili „ispušnog“ zraka). Ovaj članak će se usredotočiti na primjenu u poslovnim zgradama.

Sustavi za povrat topline u klima uređajima temelje se na dva sustava koji, ovisno o vrsti rješenja usvojenog u dizajnu uređaja, troše električnu energiju (aktivni sustavi) ili ne (pasivni sustavi). Aktivni sustavi za povrat topline u klima uređajima uključuju, na primjer, sustave temeljene na rotacijskim izmjenjivačima topline ili reverzibilnim toplinskim pumpama. Pasivni sustavi za povrat topline uključuju križne i heksagonalne izmjenjivače topline. Karakteristično za povrat topline u ventilacijskim sustavima je da se toplina povrati pri malim temperaturnim razlikama između struje zraka više temperature i struje zraka niže temperature, pri čemu zrak više temperature rijetko prelazi 30^oC (u poslovnim zgradama, povrat topline se odvija čak i pri nižim temperaturama zraka).

Najčešće se povrat topline u ventilacijskim i klimatizacijskim jedinicama provodi pomoću rotacijskih ili križnoprotočnih (heksagonalnih) izmjenjivača topline, rjeđe pomoću toplinskih pumpi. Rotacijski izmjenjivači topline koriste se u klima-uređajima gdje je dopuštena izmjena mase između ulaznog i izlaznog zraka u klima-uređaju (to su obično javne zgrade). Križnoprotočni i heksagonalni izmjenjivači topline koriste se u klima-uređajima gdje se ne može dopustiti izmjena mase između svježeg i korištenog zraka (npr. bolnice). Reverzibilne toplinske pumpe koriste se kada je za grijanje potreban dovodni zrak visoke temperature.

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

Pri izračunu performansi rotacijskog izmjenjivača topline za povrat topline u klima uređajima, osim energetske bilance, potrebna je i odgovarajuća bilanca mase. Slijede jednadžbe energetske i masene bilance za uvjete stacionarnog strujanja uz sljedeću pretpostavku. Periodične promjene parametara koje proizlaze iz rotacijskog kretanja izmjenjivača usrednjavaju se u ukupnoj bilanci energije i vlage - to jest, periodične lokalne promjene temperature i vlažnosti na površini rotirajućeg kotača su beznačajne i stoga se izostavljaju u izračunima.

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