Forståelse av energigjenvinning i roterende varmevekslere

Viktige tekniske elementer som påvirker energieffektiviteten

Forståelse av energigjenvinning i roterende varmevekslere – viktige tekniske elementer som påvirker energieffektiviteten

Varmegjenvinningssystemer kan deles inn i to kategorier basert på systemets termiske parametere: Systemer for energigjenvinning og konvertering fra spillvarme med høye termiske parametere (over 70^oC) og systemer for energigjenvinning og omdanning fra spillvarme med lave termiske parametere (under 70^oC).

Varmegjenvinnings- og energiomformingssystemer over 70^oC brukes i teknologiske prosesser som finner sted innen energi-, næringsmiddel-, kjemisk og annen prosessbasert industri der store mengder spillvarme frigjøres. Denne spillvarmen med høye termiske parametere kan brukes til å forbedre energieffektiviteten og den økonomiske effektiviteten til bedrifter ved å varme opp luft direkte i ventilasjonssystemer eller ved å forsterke teknologiske prosesser som krever høyere temperaturer (f.eks. varmekilden for varmepumper som brukes til pasteurisering i næringsmiddelindustrien, eller til produksjon av elektrisitet i organiske Rankine-syklus- eller Kalina-syklussystemer). Spillvarme med slike forhøyede termiske parametere kan også brukes til kjøle- og klimaanleggsprosesser (f.eks. omdannelse av termisk energi til kjølt vann ved hjelp av absorpsjons- eller adsorpsjonskjølere).

Varmegjenvinnings- og energiomformingssystemer under 70^oC brukes oftest til oppvarmingsformål i boligbygg (f.eks. gulvvarme med bruk av varmepumper) eller næringsbygg (f.eks. i luftbehandlingsenheter (AHU) for oppvarming av «frisk» eller «uteluft» ved å gjenvinne varme fra «brukt» eller «avtrekksluft»). Denne artikkelen vil fokusere på kommersielle bygningsapplikasjoner.

Varmegjenvinningssystemer i luftbehandlingsenheter er basert på to systemer som, avhengig av hvilken type løsning som er valgt i enhetens design, forbruker strøm (aktive systemer) eller ikke (passive systemer). Aktive varmegjenvinningssystemer i luftbehandlingsenheter inkluderer for eksempel systemer basert på roterende varmevekslere eller reversible varmepumper. Passive varmegjenvinningssystemer inkluderer kryss- og sekskantede varmevekslere. Karakteristisk for varmegjenvinning i ventilasjonssystemer er at varmen gjenvinnes ved små temperaturforskjeller mellom luftstrømmen med høyere temperatur og luftstrømmen med lavere temperatur, hvor luften med høyere temperatur sjelden overstiger 30^oC (i næringsbygg skjer varmegjenvinning selv ved lavere lufttemperaturer).

Varmegjenvinning i ventilasjons- og klimaanlegg utføres oftest ved hjelp av roterende eller kryssstrøms (sekskantede) varmevekslere, sjeldnere ved bruk av varmepumper. Roterende varmevekslere brukes i aggregater der masseutveksling mellom innløps- og utløpsluft i aggregatet er tillatt (dette er vanligvis offentlige bygninger). Kryssstrøms- og sekskantede varmevekslere brukes i luftbehandlingsenheter der masseutveksling mellom frisk og brukt luft ikke er tillatt (f.eks. sykehus). Reversible varmepumper brukes når det kreves tilluft med høy temperatur til oppvarming.

Masse- og energibalanse i varmevekslere brukt i luftbehandlingsenheter

Ved beregning av roterende varmevekslerytelse for varmegjenvinning i luftbehandlingsenheter, kreves det i tillegg til energibalanse en passende massebalanse. Følgende er energi- og massebalanseligninger for steady-state strømningsforhold med følgende antagelse. Periodiske parameterendringer som følge av vekslerens rotasjonsbevegelse er gjennomsnittlig i den totale energi- og fuktighetsbalansen – det vil si at periodiske lokale endringer i temperatur og fuktighet på overflaten av det roterende hjulet er ubetydelige og dermed utelatt i beregningene.

a) Masse-, konsentrasjons- og energibalanse for roterende varmevekslere: