Razumevanje rekuperacije energije v rotacijskih toplotnih izmenjevalnikih

Ključni tehnični elementi, ki vplivajo na energetsko učinkovitost

Razumevanje rekuperacije energije v rotacijskih toplotnih izmenjevalnikih - ključni tehnični elementi, ki vplivajo na energetsko učinkovitost

Sisteme za rekuperacijo toplote lahko glede na toplotne parametre sistema razdelimo v dve kategoriji: sistemi za rekuperacijo in pretvorbo energije iz odpadne toplote z visokimi toplotnimi parametri (nad 70^oC) in sistemi za rekuperacijo in pretvorbo energije iz odpadne toplote z nizkimi toplotnimi parametri (pod 70^oC).

Sistemi za rekuperacijo toplote in pretvorbo energije nad 70^oC se uporabljajo v tehnoloških procesih, ki potekajo v energetski, živilski, kemični in drugih procesnih industrijah, kjer se sproščajo velike količine odpadne toplote. To odpadno toploto z visokimi toplotnimi parametri je mogoče uporabiti za izboljšanje energetske in ekonomske učinkovitosti podjetij z neposrednim ogrevanjem zraka v prezračevalnih sistemih ali z dopolnjevanjem tehnoloških procesov, ki zahtevajo višje temperature (npr. vir toplote za toplotne črpalke, ki se uporabljajo za pasterizacijo v živilski industriji, ali za proizvodnjo električne energije v organskih sistemih Rankinejevega cikla ali Kalininega cikla). Odpadno toploto s tako povišanimi toplotnimi parametri je mogoče uporabiti tudi za procese hlajenja in klimatizacije (npr. pretvorba toplotne energije v ohlajeno vodo z uporabo absorpcijskih ali adsorpcijskih hladilnikov).

Sistemi za rekuperacijo toplote in pretvorbo energije pod 70^oC se najpogosteje uporabljajo za ogrevanje v stanovanjskih stavbah (npr. talno ogrevanje z uporabo toplotnih črpalk) ali poslovnih stavbah (npr. v klimatskih napravah (AHU) za ogrevanje "svežega" ali "zunanjega" zraka z rekuperacijo toplote iz "rabljenega" ali "izpušnega" zraka). Ta članek se bo osredotočil na uporabo v poslovnih stavbah.

Sistemi za rekuperacijo toplote v prezračevalnih enotah temeljijo na dveh sistemih, ki glede na vrsto rešitve, uporabljene pri zasnovi enote, porabljajo električno energijo (aktivni sistemi) ali ne (pasivni sistemi). Aktivni sistemi za rekuperacijo toplote v prezračevalnih enotah vključujejo na primer sisteme, ki temeljijo na rotacijskih toplotnih izmenjevalnikih ali reverzibilnih toplotnih črpalkah. Pasivni sistemi za rekuperacijo toplote vključujejo križne in šesterokotne toplotne izmenjevalnike. Za rekuperacijo toplote v prezračevalnih sistemih je značilno, da se toplota rekuperira pri majhnih temperaturnih razlikah med zračnim tokom z višjo temperaturo in zračnim tokom z nižjo temperaturo, pri čemer zrak z višjo temperaturo redko preseže 30 °C.^oC (v poslovnih stavbah se rekuperacija toplote izvaja tudi pri nižjih temperaturah zraka).

Najpogosteje se rekuperacija toplote v prezračevalnih in klimatskih napravah izvaja z rotacijskimi ali križno-tokovnimi (heksagonalnimi) toplotnimi izmenjevalniki, redkeje z uporabo toplotnih črpalk. Rotacijski toplotni izmenjevalniki se uporabljajo v klimatskih napravah, kjer je dovoljena izmenjava mase med dovodnim in odvodnim zrakom v klimatski napravi (to so običajno javne stavbe). Križno-tokovni in šesterokotni toplotni izmenjevalniki se uporabljajo v klimatskih napravah, kjer izmenjava mase med svežim in porabljenim zrakom ni dovoljena (npr. bolnišnice). Reverzibilne toplotne črpalke se uporabljajo, kadar je za ogrevanje potreben dovodni zrak visoke temperature.

Masna in energijska bilanca v toplotnih izmenjevalnikih, ki se uporabljajo v klimatskih napravah

Pri izračunu zmogljivosti rotacijskega toplotnega izmenjevalnika za rekuperacijo toplote v prezračevalnih enotah je poleg energijske bilance potrebna tudi ustrezna masna bilanca. Sledijo enačbe energijske in masne bilance za ustaljene pretočne pogoje z naslednjo predpostavko. Periodične spremembe parametrov, ki so posledica rotacijskega gibanja izmenjevalnika, so povprečene v celotni energijski in vlažni bilanci – to pomeni, da so periodične lokalne spremembe temperature in vlažnosti na površini vrtečega se kolesa zanemarljive in zato v izračunih izpuščene.

a) Bilanca mase, koncentracije in energije za rotacijske toplotne izmenjevalnike: