Comprendere il recupero di energia negli scambiatori di calore rotativi

Elementi tecnici chiave che influenzano l'efficienza energetica

Comprendere il recupero di energia negli scambiatori di calore rotativi: elementi tecnici chiave che influenzano l'efficienza energetica.

I sistemi di recupero del calore possono essere suddivisi in due categorie in base ai parametri termici del sistema: Sistemi per il recupero e la conversione dell'energia dal calore di scarto con parametri termici elevati (superiori a 70^oC) e sistemi per il recupero e la conversione dell'energia dal calore di scarto con parametri termici bassi (inferiori a 70^oC).

Sistemi di recupero del calore e conversione dell'energia superiori a 70^oI combustibili di scarto (C) vengono utilizzati nei processi tecnologici che si svolgono nei settori energetico, alimentare, chimico e in altri settori basati su processi industriali, dove vengono rilasciate grandi quantità di calore di scarto. Questo calore di scarto, caratterizzato da elevati parametri termici, può essere utilizzato per migliorare l'efficienza energetica ed economica delle imprese, riscaldando direttamente l'aria nei sistemi di ventilazione o potenziando i processi tecnologici che richiedono temperature più elevate (ad esempio, come fonte di calore per le pompe di calore utilizzate per la pastorizzazione nell'industria alimentare o per la produzione di energia elettrica nei sistemi organici a ciclo Rankine o a ciclo Kalina). Il calore di scarto con tali elevati parametri termici può essere utilizzato anche per processi di refrigerazione e condizionamento dell'aria (ad esempio, convertendo l'energia termica in acqua refrigerata mediante refrigeratori ad assorbimento o adsorbimento).

Sistemi di recupero del calore e conversione dell'energia al di sotto dei 70^oI condensatori di tipo C sono utilizzati più frequentemente per il riscaldamento in edifici residenziali (ad esempio, riscaldamento a pavimento con pompe di calore) o commerciali (ad esempio, nelle unità di trattamento aria (UTA) per riscaldare l'aria "fresca" o "esterna" recuperando il calore dall'aria "usata" o "di scarico"). Questo articolo si concentrerà sulle applicazioni negli edifici commerciali.

I sistemi di recupero del calore nelle unità di trattamento aria si basano su due tipologie di sistemi che, a seconda della soluzione adottata nella progettazione dell'unità, consumano energia elettrica (sistemi attivi) o no (sistemi passivi). I sistemi di recupero del calore attivi nelle unità di trattamento aria includono, ad esempio, sistemi basati su scambiatori di calore rotativi o pompe di calore reversibili. I sistemi di recupero del calore passivi includono scambiatori di calore a croce ed esagonali. La caratteristica del recupero di calore nei sistemi di ventilazione è che il calore viene recuperato a piccole differenze di temperatura tra il flusso d'aria a temperatura più elevata e il flusso d'aria a temperatura inferiore, con l'aria a temperatura più elevata che raramente supera i 30 °C.^oC (negli edifici commerciali, il recupero di calore avviene anche a temperature dell'aria più basse).

Nella maggior parte dei casi, il recupero di calore negli impianti di ventilazione e condizionamento dell'aria avviene tramite scambiatori di calore rotativi o a flusso incrociato (esagonali), meno frequentemente tramite pompe di calore. Gli scambiatori di calore rotativi sono utilizzati nelle unità di trattamento aria (UTA) dove è consentito lo scambio di massa tra l'aria in ingresso e quella in uscita (solitamente negli edifici pubblici). Gli scambiatori di calore a flusso incrociato ed esagonali sono utilizzati nelle unità di trattamento aria (UTA) dove non è consentito lo scambio di massa tra aria fresca e aria usata (ad esempio negli ospedali). Le pompe di calore reversibili sono utilizzate quando è necessaria aria di mandata ad alta temperatura per scopi di riscaldamento.

Bilancio di massa ed energia negli scambiatori di calore utilizzati nelle unità di trattamento aria

Nel calcolo delle prestazioni di uno scambiatore di calore rotativo per il recupero di calore nelle unità di trattamento aria, oltre al bilancio energetico, è necessario un opportuno bilancio di massa. Di seguito sono riportate le equazioni di bilancio energetico e di massa per condizioni di flusso stazionario con la seguente ipotesi. Le variazioni periodiche dei parametri risultanti dal movimento rotatorio dello scambiatore vengono mediate nel bilancio energetico e di umidità complessivo, ovvero le variazioni locali periodiche di temperatura e umidità sulla superficie della ruota rotante sono trascurabili e quindi omesse nei calcoli.

a) Bilancio di massa, concentrazione ed energia per scambiatori di calore rotativi: