Системы холодоснабжения зданий и сооружений остаются одним из основных потребителей электроэнергии. Исследования в области повышения энергоэффективности систем холодоснабжения позволяют снизить антропогенное воздействие на окружающую среду. Вместе с этим применение энергоэффективных систем холодоснабжения приводит к уменьшению коммунальных платежей. В условиях повышения требований к поддержанию заданных параметров микроклимата данное направление исследований является особенно актуальным.
Для снижения энергопотребления в зданиях и сооружениях на работу системы холодоснабжения и кондиционирования необходимо предпринимать комплексные меры, которые включают в себя: использование современной качественной теплоизоляции; применение тепловых завес в дверных проёмах с высокой проходимостью; использование стеклопакетов с пониженным коэффициентом пропускания солнечной энергии; применение рекуператоров.
Рекуператоры подразделяются на два вида: с передачей только явной энергии и с передачей явной и скрытой энергии. Наибольшее распространение получили рекуператоры, в которых передаётся только явная энергия. К ним относятся: пластинчатый, с промежуточным теплоносителем, с тепловой трубкой.
Преимуществом данных теплообменников является низкая стоимость, относительная простота обслуживания и распространённость. Недостатком теплообменников является необходимость удаления избыточной влаги из приточного воздуха в тёплый период года.
Более совершенными являются энтальпийные рекуператоры. Их конструкция позволяет осуществлять перенос тепла и влаги. Они отличаются по типу конструкции [1]:
1. Роторный рекуператор с гигроскопической рабочей поверхностью (гигроскопический роторный рекуператор).
2. Сорбционные рекуператор с рабочей поверхностью из силикагеля (сорбционный роторный рекуператор).
3. Мембранные.
Отличие гигроскопического от обычного роторного рекуператора заключается в специальной обработке для удерживания влаги рабочей поверхности. Это позволяет рабочей поверхности адсорбировать и десорбировать молекулы воды во время вращения ротора.
Сорбционные роторы работают по такому же принципу, как и роторный рекуператор с гигроскопической рабочей поверхностью. В качестве материала для адсорбции влаги применяется силикагель, который имеет площадь поверхности 800 м²/г и обладает высокой способностью впитывать влагу.
Мембранные рекуператоры имеют вместо металлических пластин полимерную мембрану. Она способна пропускать молекулы водяного пара из вытяжного (увлажнённого) воздуха и передавать их приточному (сухому). Смешения вытяжных и приточных потоков при этом не происходит, так как влага пропускается через мембрану посредством диффузии.
Расчёт полной теплоты для рекуператоров трёх типов
В рамках исследования теплопередающей способности рекуператоров разных видов был проведён расчёт передачи полной теплоты для пластинчатого, мембранного и роторного рекуператора без адсорбционного покрытия. Целью данного исследования является анализ рекуперации явной и скрытой энергии удаляемого воздуха в системах вентиляции и кондиционирования и определение наиболее эффективного типа энтальпийного рекуператора с точки зрения минимальных затрат тепловой энергии.
Объектом исследования является хранилище лука объёмом 200 тонн, расположенное в пределах Московской области, в тёплый период года. Расчётная температура наружного воздуха соответствует июлю и составляет t1 = 26°C. В рамках исследования принята обеспеченность температуры воздуха 0,98, а удельная энтальпия наружного воздуха в июле составляет 54 кДж/кг [2]. Согласно нормативной документации, температура хранения лука составляет tп = 0°C при относительной влажности jп = 75% [3].
При построении на i-d-диаграмме процессов обработки влажного воздуха принято использовать следующие наименования характеристик точек:
- 1 — наружный воздух по параметрам «Б» в тёплый период года;
- 2п — приточный воздух на выходе из пластинчатого рекуператора;
- 2р — приточный воздух на выходе из роторного рекуператора;
- 2м — приточный воздух на выходе из мембранного рекуператора;
- п — воздух в помещении;
- 3 — приточный воздух на выходе из воздухоохладителя.
Вариант 1. Процесс охлаждения воздуха в пластинчатом рекуператоре и воздухоохладителе
В зависимости от конструктивного исполнения пластинчатые теплообменники способны передать от 40 до 70% явной теплоты [4]. Данное соотношение характеризуется критерием эффективности теплообменника ηt и рассчитывается по формуле [5]:
где t2п — температура на выходе из рекуператора, °C; tп — температура в помещении, °C. Температурная эффективность рекуператора равна максимальному значению ηt = 70%, тогда температура приточного воздуха после рекуператора составляет 7,8°C при влажности j2п = 100%.
В пластинчатом рекуператоре теплообмен происходит без влагопередачи, поэтому расчётная энтальпия приточного воздуха на выходе из рекуператора составляет i2п = 24,4 кДж/кг. Количество энергии, отведённой через пластинчатый рекуператор, находится по формуле [6]:
где L — объёмный расход приточного воздуха, составляющий в рассматриваемом примере 150×200 = 30000 м³/ч; ρп — плотность воздуха, принятая в размере 1,225 кг/м³; i1 — энтальпия наружного воздуха, равная 54 кДж/кг; i2п — энтальпия приточного воздуха на выходе из пластинчатого рекуператора, равная 24,4 кДж/кг. Тогда Qр = 295758 Вт.
Холодильная нагрузка на воздухоохладитель Qв при отсутствии рекуператора рассчитывается по формуле:
где i3 — энтальпия приточного воздуха на выходе из воздухоохладителя, равная 7,1 кДж/кг. Тогда Qв = 469328 Вт.
Холодильная нагрузка с применением рекуператора рассчитана по следующей формуле [4]:
Применение пластинчатого рекуператора позволило снизить холодильную нагрузку на воздухоохладитель в 2,7 раза.
Вариант 2. Процесс обработки воздуха в приточно-вытяжной установке с роторным рекуператором
Эффективность передачи явной теплоты роторным рекуператором без адсорбционного покрытия варьируется ηt от 60 до 76%, а эффективность передачи скрытой теплоты ηd от 55 до 71%.
При эффективности передачи явной теплоты ηt = 76%, воздух охладится в рекуператоре до t2р = 6,24°C по формуле (1). Эффективность передачи скрытой теплоты рекуператора рассчитана по следующей формуле [5]:
где d1 и d2р — влагосодержание притока, соответственно, на входе в утилизатор и на выходе из него, г/кг; dп — влагосодержание воздуха, уходящего из помещения, г/кг.
При эффективности передачи скрытой теплоты ηd = 71%, влагосодержание приточного воздуха после рекуператора составляет d2р = 5,1 г/кг, а энтальпия приточного воздуха — i2р = 19,1 кДж/кг.
Количество энергии, отведённой через роторный рекуператор, рассчитывается по формуле (2) и составляет величину Qр = 347279 Вт. Холодильная нагрузка на воздухоохладитель с применением роторного рекуператора рассчитана по формуле (4) Qвр = 122048 Вт.
Применение роторного рекуператора позволило снизить холодильную нагрузку на воздухоохладитель в 3,85 раза.
Вариант 3. Процесс обработки воздуха в установке с мембранным утилизатором
Эффективность передачи явной теплоты мембранного рекуператора ηt от 62 до 70%, а эффективность передачи скрытой теплоты ηd от 45 до 54%.
При эффективности передачи явной теплоты ηt = 70%, а скрытой теплоты ηd = 54%, воздух охладится в теплоутилизаторе до t2 м = 7,8°C по формуле (1) и осушится до d2 м = 6,5 г/кг по формуле (5) за счёт холодного и сухого вытяжного воздуха, а энтальпия приточного воздуха — i2 м = 24,2 кДж/кг. Количество энергии, отведённой через мембранный рекуператор, рассчитывается по формуле (2) и составляет Qр = 296926 Вт. Холодильная нагрузка на воздухоохладитель с применением мембранного рекуператора рассчитана по формуле (4): Qвр = 172401 Вт.
Применение мембранного рекуператора позволило снизить холодильную нагрузку на воздухоохладитель в 2,72 раза.
Анализ полученных результатов
По результатам проведённых расчётов были построены графики процессов охлаждения приточного воздуха на диаграмме Рамзина-Молье (рис. 1): 1–2п — процесс охлаждения приточного воздуха в пластинчатом рекуператоре; 2п-3 — процесс охлаждения в воздухоохладителе после пластинчатого рекуператора.
Рис. 1. График обработки приточного воздуха
Из данного графика следует, что произошло понижение температуры приточного воздуха до температуры ниже точки росы. Это привело к конденсации водяных паров непосредственно на теплопередающей поверхности.
Отсюда следует вывод, что при температуре поверхности рекуператора ниже 15,3°C происходит образование влаги в нём. Во время охлаждения в пластинчатом рекуператоре с 26°C до 7,8°C влаги было сконденсировано 154,9 кг/ч.
Рассмотрим процесс охлаждения приточного воздуха в роторном рекуператоре 1–2р и процесс охлаждения в воздухоохладителе после роторного рекуператора 2р-3 на рис. 1.
Процесс понижения температуры приточного воздуха в роторном рекуператоре без адсорбционного покрытия ниже точки росы проходит аналогично процессу в рекуператоре пластинчатого типа, описание которого приведено выше. Однако ротор рекуператора движется вокруг своей оси, и ячейки, насыщенные влагой, перемещаются из приточного канала в вытяжной. В данном процессе потоком отработанного воздуха уносится часть влаги из ячеек рекуператора.
В процессе охлаждения в роторном рекуператоре температура снизилась с 26°C до 6,24°C, влаги было сконденсировано 205,9 кг/ч.
1–2м — процесс охлаждения приточного воздуха в мембранном рекуператоре, а 2м-3 — процесс охлаждения в воздухоохладителе после мембранного рекуператора. Охлаждение приточного воздуха в мембранном рекуператоре отличается от рекуператоров, описанных выше. При движении приточного воздуха с высокой влажностью через теплообменник часть влаги не конденсируется, а адсорбируется на его поверхности. Благодаря разности парциальных давлений, адсорбированная влага перемещается из приточного канала в вытяжной и десорбируется. Во время охлаждения в мембранном рекуператоре с 26°C до 7,8°C, количество влаги, перенесённой из приточного канала в вытяжной, составляет 156,6 кг/ч.
Рассмотрев сравнения видов рекуператоров энергии в системах холодоснабжения и кондиционирования воздуха, авторы пришли к выводу, что основные задачи — это уменьшение энергопотребления, что впоследствии даёт снижение нагрузки на окружающую среду.
В табл. 1 представлены технические характеристики рассмотренных рекуператоров. При одинаковой воздухопроизводительности рекуператор роторного типа отводит на 11,6–13,8% больше тепловой энергии. В этом случае холодильная нагрузка на воздухоохладитель снижается на 28,1–31,6%.
