Конструктивно теплообменник-утилизатор может быть составной частью приточно-вытяжной установки, или быть отдельно встроенным в систему. Как правило перекрестноточный пластинчатый рекуператор представляет собой теплообменную матрицу, набранную из тонкостенных пластин (часто— со сложной геометрией поверхности), помещенную в корпус. На сегодняшний день ряд отечественных и зарубежных фирм производят рекуперативные теплообменники с перекрестным движением потоков воздуха, отличающиеся материалом и формой теплообменного пакета, конструкцией и видом изоляции корпуса. Основными характеристиками рекуператора являются аэродинамическое сопротивление и эффективность, определяемая как отношение величины, на которую нагрелся приточный воздух, к разности температур приточного и удаляемого воздуха на входе в теплообменник. Обычно эффективность перекрестноточных рекуператоров составляет около 60%, поэтому на большей части территории России в зимний период только теплообменный аппарат не способен обеспечить необходимую температуру подаваемого в помещение воздуха— дополнительно требуется установка калорифера. Следует отметить, что эффективность рекуператора не постоянна, а сильно зависит от влажности в помещении, колебаний расхода, температуры воздуха в помещении и снаружи [1].Кроме того, рекуператоры подвержены обмерзанию, что вызывает необходимость их периодического оттаивания или предварительного подогрева приточного воздуха (т.е. установки еще одного нагревателя). Спрогнозировать поведение рекуператора в таких условиях чрезвычайно трудно, поскольку анализ теплообменных процессов требует привлечения специфических расчетных методик. На практике это означает, что для гибкой системы, спроектированной для работы в переменном режиме, невозможно априорно задать программу работы калорифера, предназначенного догревать наружный воздух (как функцию времени суток, например). Тем не менее, мощность калорифера можно изменять динамически — как отклик на температуру приточного воздуха на выходе из рекуператора. Последнее позволяет достичь существенной экономии энергии, поскольку на калориферы будет приходиться ориентировочно 60% от требуемой мощности на нагрев воздуха. Для достаточно большого класса воздухообрабатывающих агрегатов, где присутствует и утилизатор, и камера смешения, и калорифер подобное «явное» регулирование представляется единственно возможным. В этом случае, ключевым будет вопрос, где расположить датчик температуры приточного воздуха? Как правило, данный момент игнорируется производителями оборудования. В ряде приточно-вытяжных установок западного производства, укомплектованных утилизаторами теплоты, водяными калориферами и системой автоматики, обеспечивающей совместную их работу, трехходовой клапан получает сигнал от датчика температуры, помещенного непосредственно за теплообменной матрицей ниже по потоку приточного воздуха. Подобное схемное решение, видимо, основано на предположении, что температурное поле воздуха, покидающего теплообменник — однородно. Однако равенство температур по сечению перекрестноточного рекуператора достижимо только в одном случае: а именно, когда эффективность его достигает 100%, что на практике не встречается. Неравномерность температуры, к примеру, в водяных многоходовых воздухонагревателях, является известным фактом. Существуют приближенные методики определения такой неравномерности [2],и показано, что она может достигать больших значений. Примерно аналогичная картина наблюдается и в перекрестноточных воздухо-воздушных рекуператорах. Отсюда следует очевидный вывод о том, что в зоне течения, где имеют место температурные градиенты, по одному измерению локального значения температуры нельзя судить о средней температуре. Вместе с тем, использование более одного датчика температуры нерационально, следовательно, необходимо выявить зоны, где разница температур в сечении, перпендикулярном течению воздуха, незначительна. С целью определения температур на выходе из рекуператора по тракту приточного воздуха была поставлена серия численных и натурных экспериментов. Опытный образец перекрестноточного пластинчатого рекуператора (со снятой крышкой) показан на рис. 1. В эксперименте варьировались температуры приточного и удаляемого воздуха на входе в рекуператор и расходы по каждому тракту. Измерение температур проводилось как внутри самого теплообменного пакета, так и ниже по потоку, а также в отводящих патрубках. В качестве основного прибора был использован многоканальный измеритель температуры УКТ-38, тестовые и контрольные измерения проводились с помощью электронного милливольтметра Щ68002-01 и лабораторных ртутных термометров. В теплообменном пакете и патрубках было размещено 40 тарированных хромель-копелевых термопар (рис. 3). Погрешность измерения температур в ходе эксперимента не превышала ±0,5°С. На выходе из теплообменного пакета приточный воздух имел различную температуру для всей серии эспериментов. Особенность протекания теплообмена при перекрестном токе такова, что некоторая часть приточного воздуха достигает температуры вытяжного, в то же время другая часть практически не нагревается. Все это приводит к значительному разбросу температуры на выходе из теплообменного пакета. В поставленном опыте она достигала ±12°С, т.е. около 50% от начальной разности температур приточного и удаляемого воздуха на входе в аппарат. Подобная разница температур имела место во всем корпусе рекуператора ниже по потоку, считая от пакета— как для приточного, так и для удаляемого воздуха. Дальнейшие теоретические и опытные исследования показали, что существенная неоднородность температур наблюдается не только в самом рекуператоре, но и ниже по потоку уже в воздуховоде. Длина гибкого воздуховода, в пределах которой фиксировалась заметная разность температур, составляла в зависимости от расхода 3–5 калибров (т.е. диаметров патрубка— d).Ниже по потоку происходило выравнивание профиля температуры за счет теплопроводности и перемешивания. Анализ данных показал, что измерения, полученные одиночной термопарой, установленной на расстоянии трех калибров от выходного отверстия рекуператора на оси воздуховода (с погрешностью установки ±0,1d), соответствуют средней температуре по сечению воздуховода с точностью до 80% даже в присутствие остаточной температурной неоднородности. Изложенное выше справедливо для тех случаев, когда в качестве датчика температуры используется термопара. На сегодняшний день широкое распространение получили также датчики на основе терморезисторов. Элементом, реагирующим на изменение температуры, в таких датчиках является не точка спая, а весь проводник. Терморезисторы, или термометры сопротивления, определяют интегральную температуру, т.е. некоторую среднюю температуру достаточно протяженного проводника. Фактически, при инженерных измерениях в системах ВКВ терморезисторный датчик позволяет заменить несколько термопар, что дает возможность устанавливать его непосредственно на выходном патрубке рекуператора. Но и в этом случае необходимо учитывать специфику температурного поля. В рекуператоре характер протекания теплообмена не изменяется по высоте пакета. Это значит, что температуры в различных точках на одной пластине — разные, но в одинаковых точках различных пластин — одни и те же (в пренебрежение краевыми эффектами).При установке терморезисторного датчика температуры в приточный воздуховод непосредственно за рекуператором, необходимо измерительный стержень датчика располагать в плоскости пластин теплообменного пакета. Кроме того, необходимо стремиться к тому, чтобы длина измерительного проводника при таком положении была близка к диаметру воздуховода. Установка датчиков температуры любого из рассмотренных типов внутри корпуса рекуператора недопустима. По мере удаления от рекуператора показания датчика становятся менее чувствительными к расположению проводника и его длине. На расстоянии, превышающем 3d,можно рекомендовать установку терморезистора с длиной измерительного стержня около 0,5d, расположенного перпендикулярно плоскости пластин. На расстоянии более 5d поле температур уже достаточно равномерно, и положение измерительного элемента не оказывает существенного влияния на показания. Основные рекомендации по установке датчиков температуры приведены в табл. 1. Аналогичные исследования, проведенные для приточно-вытяжных установок, включающих рекуператор, фильтры и вентиляторы приточного и удаляемого воздуха (рис. 3), показали, что ограничений по минимальному расстоянию установки датчиков температуры нет, вследствие интенсивного перемешивания воздуха, выходящего из пакета, вентиляторами.
1. Белоногов Н.В. Утилизация теплоты в перекрестноточных пластинчатых рекуператорах.— Журнал «С.О.К.», №5/2005. 2. Сотников А.Г. Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции. Т.1.— СПб, 2005.
