Zrozumienie odzyskiwania energii w obrotowych wymiennikach ciepła

Kluczowe elementy techniczne wpływające na efektywność energetyczną

Zrozumienie odzyskiwania energii w obrotowych wymiennikach ciepła – kluczowe elementy techniczne wpływające na efektywność energetyczną

Systemy odzysku ciepła można podzielić na dwie kategorie ze względu na parametry cieplne układu: Systemy odzysku i konwersji energii z ciepła odpadowego o wysokich parametrach cieplnych (powyżej 70°C)^oC) oraz systemy odzysku i konwersji energii z ciepła odpadowego o niskich parametrach cieplnych (poniżej 70^oC).

Systemy odzysku ciepła i konwersji energii powyżej 70^oCiepło odpadowe C jest wykorzystywane w procesach technologicznych zachodzących w przemyśle energetycznym, spożywczym, chemicznym i innych gałęziach przemysłu, w których uwalniane są duże ilości ciepła odpadowego. To ciepło odpadowe o wysokich parametrach cieplnych może być wykorzystane do poprawy efektywności energetycznej i ekonomicznej przedsiębiorstw poprzez bezpośrednie ogrzewanie powietrza w systemach wentylacyjnych lub do wspomagania procesów technologicznych wymagających wyższych temperatur (np. jako źródło ciepła dla pomp ciepła wykorzystywanych do pasteryzacji w przemyśle spożywczym lub do produkcji energii elektrycznej w systemach z organicznym cyklem Rankine'a lub cyklem Kaliny). Ciepło odpadowe o tak wysokich parametrach cieplnych może być również wykorzystywane w procesach chłodniczych i klimatyzacyjnych (np. do przetwarzania energii cieplnej na schłodzoną wodę za pomocą chłodziarek absorpcyjnych lub adsorpcyjnych).

Systemy odzysku ciepła i konwersji energii poniżej 70^oC są najczęściej wykorzystywane do ogrzewania w budynkach mieszkalnych (np. ogrzewanie podłogowe z wykorzystaniem pomp ciepła) lub komercyjnych (np. w centralach wentylacyjnych (AHU) do ogrzewania „świeżego” lub „zewnętrznego” powietrza poprzez odzysk ciepła z powietrza „zużytego” lub „wywiewanego”). Niniejszy artykuł skupi się na zastosowaniach w budynkach komercyjnych.

Systemy odzysku ciepła w centralach wentylacyjnych oparte są na dwóch układach, które w zależności od rodzaju rozwiązania zastosowanego w projekcie centrali, zużywają energię elektryczną (układy aktywne) lub nie (układy pasywne). Aktywne systemy odzysku ciepła w centralach wentylacyjnych obejmują na przykład systemy oparte na obrotowych wymiennikach ciepła lub rewersyjnych pompach ciepła. Pasywne systemy odzysku ciepła obejmują krzyżowe i heksagonalne wymienniki ciepła. Cechą charakterystyczną odzysku ciepła w systemach wentylacyjnych jest to, że ciepło jest odzyskiwane przy niewielkich różnicach temperatur między strumieniem powietrza o wyższej temperaturze a strumieniem powietrza o niższej temperaturze, przy czym powietrze o wyższej temperaturze rzadko przekracza 30°C.^oC (w budynkach komercyjnych odzysk ciepła odbywa się nawet przy niższych temperaturach powietrza).

Najczęściej odzysk ciepła w centralach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych odbywa się za pomocą obrotowych lub krzyżowych (heksagonalnych) wymienników ciepła, rzadziej za pomocą pomp ciepła. Obrotowe wymienniki ciepła stosuje się w centralach wentylacyjnych, w których możliwa jest wymiana masy między powietrzem nawiewanym a wywiewanym (zwykle są to budynki użyteczności publicznej). Wymienniki krzyżowe i heksagonalne stosuje się w centralach wentylacyjnych, w których nie jest możliwa wymiana masy między powietrzem świeżym a zużytym (np. w szpitalach). Rewersyjne pompy ciepła stosuje się, gdy do ogrzewania wymagane jest powietrze nawiewane o wysokiej temperaturze.

Bilans masy i energii w wymiennikach ciepła stosowanych w centralach wentylacyjnych

Przy obliczaniu wydajności obrotowego wymiennika ciepła do odzysku ciepła w centralach wentylacyjnych, oprócz bilansu energii, wymagany jest odpowiedni bilans masy. Poniżej przedstawiono równania bilansu energii i masy dla ustalonych warunków przepływu, przy następującym założeniu. Okresowe zmiany parametrów wynikające z ruchu obrotowego wymiennika są uśredniane w ogólnym bilansie energii i wilgoci – tzn. okresowe lokalne zmiany temperatury i wilgotności na powierzchni obracającego się koła są nieistotne i dlatego pomijane w obliczeniach.

a) Bilans masy, stężenia i energii dla obrotowych wymienników ciepła: