Представленные материалы позволяют констатировать следующее: использование вытяжных вентиляторов с пологой аэродинамической характеристикой предотвращает или снижает интенсивность обледенения, что однозначно подтверждает целесообразность их использования; пластинчатые теплообменники открытого типа имеют очевидные преимущества в сравнении с канальными теплообменниками, поскольку последние более склонны к обмерзанию; в отношении расположения теплообменников и организации воздушных потоков, разработка общих рекомендаций принципиально невозможна, поэтому в каждом конкретном случае следует руководствоваться конкретными обстоятельствами, которые, прежде всего, определяются количеством образуемого конденсата, а также скоростью воздуха на вытяжке.
Методы борьбы с обмерзанием теплообменников
Прежде всего необходимо иметь в виду, что обмерзание пластинчатых теплообменников является вполне допустимым и при разработке систем рекуперации тепла отсутствует необходимость избегать частичного обледенения теплообменников на стороне вытяжки по следующим причинам: большинство объектов не работает в ночное время, когда температура наружного воздуха достигает минимальных значений; при эксплуатации систем вентиляции, предусматривающих рекуперацию отходящего тепла, частичное обмерзание теплообменников на короткое время не оказывает заметного влияния на общую производительность и энергетическую эффективность систем; формальный расчет не всегда соответствует реальной действительности, причем особенно это относится к условиям низкой влажности приточного воздуха, которая зимой при континентальном климате зачастую не превышает 4 г/ кг — при этих условиях поверхностная конденсация вообще не происходит.
Подогрев приточного воздуха
Проблема обледенения теплообменника полностью решается путем предварительного подогрева приточного воздуха выше температуры обмерзания. Это может быть реализовано за счет частичного смешения свежего и удаляемого воздуха на притоке либо при использовании дополнительных электрических нагревателей (ТЭНов) или калориферов.
Следует иметь в виду, что подогрев необходим только в пределах «холодного угла», за счет чего габариты и мощность устанавливаемого оборудования могут быть существенным образом снижены. Тем не менее, подобное решение проблемы нецелесообразно, поскольку связано со значительным усложнением конструкции и дополнительными эксплуатационными затратами.
Регулирование массового отношения воздушных потоков на притоке и вытяжке
При уменьшении количества холодного приточного воздуха в принципе можно достигнуть условий, при которых количество ассимилируемого им тепла не приводит к переохлаждению сравнительно большого количества удаляемого теплого воздуха и, соответственно, к обмерзанию теплообменника. Однако для достижения этого массовое отношение воздушных потоков m2/m1, как правило, не должно превышать 0,5, потому что на вытяжке удаляемый воздух всегда значительно холоднее в выходном сечении — по сравнению с входным.
Тем не менее, данная мера используется достаточно часто, поскольку в любом случае целесообразной является установка байпаса, позволяющего в летний период регулировать параметры воздуха на притоке. В силу этого дополнительные затраты оказываются невелики, будучи связаны только с необходимостью использования соответствующих средств автоматизированного контроля и органов управления.
Подобное техническое решение недостаточно эффективно с энергетической точки зрения, т.к. значительная часть приточного воздуха проходит через байпас, минуя теплообменник. Общая эффективность рекуперации при этом резко падает. Особый интерес представляет конструктивное решение, которое, однако, приемлемо только для пластинчатых теплообменников открытого типа.
Поток холодного приточного воздуха на входе в теплообменник отклоняется в поперечном направлении с помощью плоского дефлектора маятникового типа, управляемого сигналами термостата, расположенного в «холодном углу». В результате на вытяжке удаляемый теплый воздух не переохлаждается в критической зоне ниже заданной температуры, что обеспечивается локальным ограничением доступа холодного воздуха.
Таким образом, предотвращается процесс обледенения. За счет плоского дефлектора происходит сужение проходного сечения на входе со стороны притока, что приводит к увеличению потерь статического давления. Однако указанный эффект не столь значителен, поскольку за дефлектором в теплообменниках открытого типа воздушный поток вновь расширяется.
Размораживание теплообменников
Упоминаемые способы размораживания теплообменников предполагают возможность их обмерзания с последующим оттаиванием путем соответствующего переключения режимов работы. Имеют место следующие два варианта:
- Размораживание всего теплообменника. При достижении определенной степени обмерзания теплообменника происходит отключение притока. В результате через теплообменник проходит только удаляемый теплый воздух со стороны вытяжки, за счет чего теплообменник размораживается — это простой и достаточно эффективный способ (отключение притока производится на короткое время, от трех до пяти минут). Наилучшим в этом случае является управление по величине перепада статического давления на стороне вытяжки.
- Частичное размораживание (метод стратификации). Данный способ предполагает наличие на входе со стороны притока много лепестковых, индивидуально управляемых, воздушных клапанов. При нормальном функционировании клапаны полностью открыты. По мере обмерзания теплообменника осуществляется управление лепестками клапана, за счет чего происходит кратковременное перекрытие отдельных частей воздушного потока на притоке. Таким образом, могут последовательно размораживаться одна секция за другой. Потери статического напора в этом случае незначительны. В целом данный способ размораживания достаточно эффективен. Однако, при этом система управления значительно сложнее, чем в предыдущем варианте.
Снижение теплопередачи
Данный метод является чисто конструктивным, предусматривая специальное профилирование пластин с целью снижения коэффициента теплопередачи в «холодном углу». Однако при этом невозможно осуществлять управление и регулирование, что ограничивает возможности метода, обеспечивая лишь снижение температуры обмерзания до некоторых пределов. В зависимости от условий эксплуатации могут потребоваться дополнительные меры борьбы с обмерзанием теплообменников.
Способы регулирования
Существуют три способа регулирования, имеющих своим назначением предотвращение либо ликвидацию последствий обмерзания теплообменников, различающиеся между собой источником информации, на основе которой строится соответствующая система управления.
- Температура приточного воздуха. По показаниям термостата, устанавливаемого на входе воздушного потока со стороны притока, происходит управление работой байпасного клапана. В большинстве случаев осуществляется двухпозиционное регулирование. Использование тепловой энергии при этом оптимизируется не в полной мере.
- Температура воздуха на вытяжке в «холодном углу». По показаниям термостата, устанавливаемого таким образом, осуществляется непрерывное регулирование, обеспечивая полноценную оптимизацию использования тепловой энергии в ходе управления работой теплообменника в зимних условиях при охлаждении наружного воздуха ниже температуры обмерзания.
- Потеря статического давления на стороне вытяжки. Степень обледенения определяется по перепаду давления между входным и выходным сечениями потока удаляемого воздуха. С помощью пневмодатчика устанавливается значение перепада давлений, по достижении которого происходит срабатывание соответствующей системы защиты. Данный способ регулирования наиболее эффективен при использовании методов борьбы с обмерзанием теплообменников путем их периодического размораживания.
Заключение
Изложенные соображения носят качественный характер и основаны, прежде всего, на общих физических представлениях. В доступной нам научно-технической литературе строгое математическое описание анализируемых процессов, а также необходимые эмпирические данные отсутствуют. Тем не менее, представленные выше соображения иллюстрируют принципиальные возможности создания систем рекуперации тепла рациональных с инженерной точки зрения, которые обеспечивали бы высокую эффективность достигаемых теплотехнических показателей, связанных с энергосбережением, при удовлетворительных эксплуатационных свойствах систем в целом.
