Entendendo a recuperação de energia em trocadores de calor rotativos

Elementos técnicos essenciais que afetam a eficiência energética

Entendendo a recuperação de energia em trocadores de calor rotativos: principais elementos técnicos que afetam a eficiência energética.

Os sistemas de recuperação de calor podem ser divididos em duas categorias com base nos parâmetros térmicos do sistema: Sistemas para recuperação e conversão de energia a partir de calor residual com parâmetros térmicos elevados (acima de 70 °C).^oC) e sistemas para recuperação e conversão de energia a partir de calor residual com parâmetros térmicos baixos (abaixo de 70^oC).

Sistemas de recuperação de calor e conversão de energia acima de 70^oO calor residual é utilizado em processos tecnológicos que ocorrem nas indústrias de energia, alimentos, química e outras indústrias baseadas em processos, onde grandes quantidades de calor residual são liberadas. Esse calor residual com altos parâmetros térmicos pode ser usado para melhorar a eficiência energética e econômica das empresas, aquecendo diretamente o ar em sistemas de ventilação ou complementando processos tecnológicos que exigem temperaturas mais elevadas (por exemplo, como fonte de calor para bombas de calor utilizadas na pasteurização na indústria alimentícia ou para a produção de eletricidade em sistemas orgânicos de Ciclo Rankine ou Ciclo Kalina). O calor residual com esses elevados parâmetros térmicos também pode ser utilizado em processos de refrigeração e ar condicionado (por exemplo, convertendo energia térmica em água gelada utilizando resfriadores de absorção ou adsorção).

Sistemas de recuperação de calor e conversão de energia abaixo de 70^oOs sistemas de aquecimento por calor (tipo C) são mais frequentemente utilizados para fins de aquecimento em edifícios residenciais (por exemplo, aquecimento de piso radiante com o uso de bombas de calor) ou edifícios comerciais (por exemplo, em unidades de tratamento de ar (UTA) para aquecer o ar "fresco" ou "externo" recuperando o calor do ar "utilizado" ou "exaustão"). Este artigo se concentrará em aplicações em edifícios comerciais.

Os sistemas de recuperação de calor em unidades de tratamento de ar baseiam-se em dois sistemas que, dependendo do tipo de solução adotada no projeto da unidade, consomem eletricidade (sistemas ativos) ou não (sistemas passivos). Os sistemas ativos de recuperação de calor em unidades de tratamento de ar incluem, por exemplo, sistemas baseados em permutadores de calor rotativos ou bombas de calor reversíveis. Os sistemas passivos de recuperação de calor incluem permutadores de calor cruzados e hexagonais. Uma característica da recuperação de calor em sistemas de ventilação é que o calor é recuperado com pequenas diferenças de temperatura entre a corrente de ar de temperatura mais alta e a corrente de ar de temperatura mais baixa, sendo que a temperatura do ar de temperatura mais alta raramente excede 30 °C.^oC (em edifícios comerciais, a recuperação de calor ocorre mesmo em temperaturas do ar mais baixas).

Na maioria das vezes, a recuperação de calor em unidades de ventilação e ar condicionado é realizada utilizando trocadores de calor rotativos ou de fluxo cruzado (hexagonais), e menos frequentemente bombas de calor. Os trocadores de calor rotativos são utilizados em Unidades de Tratamento de Ar (UTAs) onde a troca de massa entre o ar de entrada e o de saída é permitida (geralmente em edifícios públicos). Os trocadores de calor de fluxo cruzado e hexagonais são utilizados em unidades de tratamento de ar onde a troca de massa entre o ar fresco e o ar usado não é permitida (por exemplo, em hospitais). As bombas de calor reversíveis são utilizadas quando se necessita de ar de suprimento em alta temperatura para fins de aquecimento.

Balanço de massa e energia em trocadores de calor utilizados em unidades de tratamento de ar.

Ao calcular o desempenho de trocadores de calor rotativos para recuperação de calor em unidades de tratamento de ar, além do balanço energético, é necessário um balanço de massa adequado. As equações de balanço de energia e massa a seguir são apresentadas para condições de fluxo em regime permanente, considerando a seguinte premissa: as variações periódicas dos parâmetros resultantes do movimento rotacional do trocador são consideradas na média do balanço energético e de umidade global — ou seja, as variações locais periódicas de temperatura e umidade na superfície da roda rotativa são insignificantes e, portanto, omitidas nos cálculos.

a) Balanço de massa, concentração e energia para trocadores de calor rotativos: