Energetické systémy zpětného získávání tepla z větracího vzduchu

Transkript

Energetické systémy
zpětného získávání tepla z
větracího vzduchu
Přednáška z předmětu TZ 31
Ing. Daniel Adamovský, Ph.D.
katedra technických zařízení budov,
fakulta stavební ČVUT
katedra technických zařízení budov, fakulta stavební, ČVUT
K11125
TZB
Osnova přednášky
Osnova přednášky
Princip zařízení pro zpětné
získávání tepla (ZZT)
Základní dělení zařízení
Problémy při využití v větracím
systému
Hodnocení efektivnosti provozu
TZ31: Energetické systémy zpětného získávání tepla z větracího vzduchu
K11125
TZB
Základní principy
Princip zařízení pro ZZT
Účel:
Využít teplo přenášené odpadním (znečištěným)
vzduchem a zlepšit celkovou energetickou bilanci
systému.
Využití tepla:
ohřev přiváděného čerstvého vzduchu,
ohřev jiné látky pro využití v energetickém systému
provozu (voda, akumulační látka...),
ohřev látky mimo energetický systém (sušení,...)
K11125
TZB
Základní principy
Odváděný odpadní vzduch sdílí teplo:
přímo do ohřívaného media (mísení vzduchu),
přes teplosměnnou plochu (většina výměníků),
přes vložené zařízení (kapalinový oběh).
K11125
TZB
Základní principy
Vlivy na přenesený tepelný tok:
Parametry výměníku
velikost, tvar a materiál teplosměnné plochy
rovnoměrnost vystavení teplosměnné plochy proudům
vzduchu
technická kvalita výměníku
těsnost, mechanická odolnost, odolnost příměsím
v vzduchu apod.
součinitel prostupu tepla přes teplosměnnou plochu
zejména součinitelé přestupu tepla z vzduchu na
teplosměnnou plochu na straně ochlazovaného a
opačně na straně ohřívaného vzduchu,
+ další v případě vložených kapalinových okruhů
K11125
TZB
Základní principy
Vlivy na přenesený tepelný tok:
Parametry provozu
parametry proudů vzduchu
zejména rozdíl teplot a hmotnostních průtoků
rovnost hmotnostních toků ochlazovaného a
ohřívaného vzduchu
tlakové rozdíly mezi proudy vzduchu
příměsy ve vzduchu
nečistoty, korozivní a leptavé látky
údržba zařízení
zejména pravidelné čištění teplosměnných ploch
a výměna filtrů
K11125
TZB
Rozdělení zařízení pro ZZT
Rozdělení
Základní dělení výměníků:
regenerační – entalpijní získávání tepla,
- převažující sdílení – citelné, latentní teplo, hmota,
rekuperační – teplotní získávání tepla,
- převažující sdílení – citelné (latentní) teplo,
K11125
TZB
Rozdělení zařízení pro ZZT
Rozdělení
Základní dělení tepelných čerpadel:
na výparník TČ je přiváděn odpadní vzduch
tepelná čerpadla v provedení
vzduch / x
vzduch
voda
pevné látky PCM
speciální
případ zařízení
pro ZZT
(phase change material)
K11125
TZB
Rozdělení výměníků
Vybrané typy výměníků
Několik podrobněji zmíněných výměníků:
Regenerační
rotační výměníky
přepínací výměníky
Rekuperační
deskové výměníky
výměníky z tepelných trubic
oddělené výměníky s vloženým kapalinovým okruhem
K11125
TZB
Regenerační výměníky
Rotační výměníky
t1,t2 – ochlazovaný vzduch, t3,t4 – ohřívaný vzduch,
1- válcová teplosměnná plocha, 2+3- el. motor a převod,
4- potrubí ochlazovaného vzduchu, 5- potrubí ohřívaného vzduchu
K11125
TZB
Rotační výměníky – dělení:
Kondenzační rotory – převažuje sdílení citelného
tepla, latentní teplo případně vodní pára je
přenášena pouze v případě ochlazení části
teplosměnné plochy pod teplotu rosného bodu
odvlhčovaného vzduchu.
Entalpijní rotory – teplosměnná plocha je tvořena
chemicky naleptanými foliemi s kapilární strukturou
povrchu. Kromě kondenzace dochází k přenou vodní
páry adsorpčím účinkem.
Sorpční rotory – tyto rotory přenášejí vlhkost téměř
nezávisle na stavu vzduchu, bez kondenzace vodní
páry.
K11125
TZB
Rotační výměníky – materiály teplosměnných ploch:
přenos citelného tepla - hliník, plasty, papír, měď
vysoké teploty - nerezová ocel, keramické hmoty
přenos celkového tepla - desikanty – adsorbéry vodní
páry, zeolit, syntetické polymery, aktivovaný oxid hlinitý
K11125
TZB
Rotační výměníky – výhody a nevýhody:
Výhody
– vysoká teplotní účinnost přesahující 85%
– teplosměnná plocha až 3000 m2/m3 – kompaktní rozměry
– využitelné pro přenos citelného i latentního tepla a
vlhčení/odvlhčování vzduchu
– (regulace přenášeného tepelného toku)
Nevýhody
–
–
–
–
–
netěsnost mezi pláštěm a rotorem
závislost na el. energii
vysoká tlaková ztráta
transport hmoty (voda, prach) mezi proudy vzduchu
vysoké investiční náklady (zejména sorpční rotory)
K11125
TZB
Přepínací výměníky
1,2 – ochlazovaný vzduch,
3,4 – ohřívaný vzduch,
Výměník je většinou tvořen
násypem akumulačního
materiálu, přes který proudí
střídavě odpadní a čerstvý
vzduch.
Intervaly přepínání se
pohybují v řádu sekund až
desítek minut

K11125
TZB
Přepínací výměníky – akumulační materiál:
oblázky zrnitosti 6 - 15 mm
střední kamenivo kolem 50 mm
kameny velikosti až 120 mm
Vliv zrnitosti materiálu:
s narůstající zrnitostí roste teplotní účinnost
(omezení do cca 50 - 70 mm – studie se různí)
s narůstající zrnitostí klesá účinnost přenosu vlhkosti
pro zrnitosti nad 15 mm klesá pod 20%
K11125
TZB
Přepínací výměníky – výhody a nevýhody:
Výhody
–
–
–
–
–
–
jednoduchá konstrukce
nízké investiční náklady
snadná čistitelnost teplosměnné plochy
teplosměnná plocha možná jakýchkoliv rozměrů
využitelné pro přenos citelného i latentního tepla
možná kombinace s dlouhodobější akumulací tepla
Nevýhody
– nižší účinnost mezi 40 - 55%
– značné prostorové nároky
– obtížný návrh – neexistují spolehlivé metody
K11125
TZB
Regenerační výměníky – transport hmoty:
Transport hmoty patří mezi základní vlastnosti regeneračních
výměníků s společnou teplosměnnou plochou
v pořádku pokud nedochází k degradaci čerstvého
vzduchu
transport prachových částic – tvorba aerosolů – bakterie
osadit filtry na oba
vstupy a výstupy
vzduchu
- omezit redistribuci
pevných částic
K11125
TZB
Rekuperační výměníky
Deskové výměníky
1- teplosměnné plochy ochlazovaného vzduchu;
2- teplosměnné plochy ohřívaného vzduchu.
K11125
TZB
Deskové výměníky – sdílení tepla:
sdílení hlavně citelného tepla
sdílení latentního tepla – v případě kondenzace vodní páry
na straně ochlazovaného vzduchu
vývoj speciálních výměníků umožňujících transport vlhkosti
mezi proudy vzduchu při vysoké těsnosti teplosměnných
ploch
(porézní materiály obsahující celulózu, některé polymery a
další syntetické materiály)
K11125
TZB
Deskové výměníky – teplosměnné plochy:
folie z umělých hmot, pozinkovaný plech, nerezová ocel, hliník
tvar způsobuje při obtékání desky narušení mezní vrstvy a tím
ke zvýšení přestupu tepla
vzdálenost od 2,5 mm do 12,5 mm
Uspořádání proudů vzduchu:
křížoproudé
částečně až plně protiproudé
– vyšší střední log. rozdíl teplot – vyšší přenášený tepelný
výkon při stejné ploše
K11125
TZB
Deskové výměníky – výhody a nevýhody:
Výhody
–
–
–
–
–
teplotní účinnost v rozsahu 50 - 75%
vyvážený přestup tepla
jednoduchá konstrukce
kompaktní rozměry, malá hmotnost
oddělení proudů vzduchu
Nevýhody
– vysoká tlaková ztráta
– obtížná čistitelnost při větších rozměrech výměníku
– stále složitější tvary teplosměnných ploch
K11125
TZB
Výměníky z tepelných trubic
t1,t2 – ochlazovaný vzduch,
t3,t4 – ohřívaný vzduch,
1- plášť trubice;
2- lamely trubice;
3- páry chladiva;
4- kondenzát chladiva;
5- dělící přepážka trubice;
6- pracovní médium trubice.
K11125
TZB
Výměníky z tepelných trubic – sdílení tepla:
sdílení hlavně citelného tepla
sdílení latentního tepla – podle teploty varu pracovního media
Rozdělení:
gravitační – pracují v vertikální poloze
– kondenzát stéká po vnitřním povrchu trubice – kolize s párou
chladiva
kapilární – pracují v horizontální poloze (mírný spád)
– kondenzát stéká tzv. knotovou soustavou – oddělení od par
K11125
TZB
Výměníky z tepelných trubic – konstrukce:
uspořádání do svazků
zvolen počet řad a trubic v řadě podle
– potřebného sděleného tepelného toku
– maximální tlakové ztráty
velmi variabilní systém
– možnost nízkých tlakových ztrát – přirozené větrání
Provedení trubic:
hladké
žebrované s různými tvary a roztečí žeber
K11125
TZB
Výměníky z tepelných trubic – výhody a nevýhody:
Výhody
–
–
–
–
–
vysoká účinnost při malých rychlostech vzduchu (80%)
kapilární trubice jsou reversibilní
variabilita konstrukce – uspořádání trubic do svazků
mechanicky odolná teplosměnná plocha
nízká tlaková ztráta – použitelné i pro přirozené větrání
Nevýhody
– větší rozměry a hmotnost
– výrazný pokles účinnosti s rostoucí rychlostí
K11125
TZB
Oddělené výměníky s vloženým kapalinovým okruhem
1- výměník v proudu ohřívaného vzduchu;
2- výměník v proudu ochlazovaného vzduchu;
3- oběžné čerpadlo pracovní látky (voda);
K11125
TZB
používané pro přenos tepla v v oddělených, často i vzdáleně
dislokovaných výměnících
propojení zprostředkujícím kapalinovým okruhem
výměník kapalina – vzduch
– nejčastěji žebrované trubky
pracovní látka
– nejčastěji voda
– nemrznoucí směsi
– většinou látky bez fázové přeměny
K11125
TZB
Výhody
možnost různého umístění výměníků – rekonstrukce
zabránění míšení proudů vzduchu
nízké investiční náklady
Nevýhody
nízká účinnost vzhledem k několikanásobnému přestupu
tepla
provozní náklady na příkon oběhového čerpadla
K11125
TZB
Problémy při využití ZZT
Problémy při využití výměníků
V každém větracím systému jsou zatíženy různými
provozními faktory komplikujícími správnou funkci:
netěsnosti teplosměnných ploch
zanášení teplosměnných ploch
možné námrazy
koroze
Nutná zvýšená údržba!
K11125
TZB
Netěsnosti teplosměnných ploch,
Příčina
výrobní nedostatky
koroze
umocněno rostoucím tlakovým rozdílem mezi proudy
vzduchu
Důsledek
pokles i nárůst účinnosti výměníku,
přenos škodlivin ze znečištěného do čerstvého vzduchu,
přenos odérů a jiných kontaminantů,
přenos může probíhat i zkondenzovanou vlhkostí.
K11125
TZB
Charakteristika:
účinnost mísení vzduchu Em
– vhodná zejména pro deskové výměníky
xe 2 − xe1
Em =
xi1 − xi 2
kde,
xe2 – xe1 je rozdíl měrných vlhkostí přiváděného čerstvého
vzduchu,
xi1 – xi2 je rozdíl měrných vlhkostí odváděného odpadního
vzduchu.
K11125
TZB
Zajímavost k rotačním výměníkům:
transport hmoty je nedílnou součástí provozu
chceme-li jej využít v systému větrání čistého provozu
– laboratoře, operační sály, citlivé výrobní procesy apod.
– nelze dovolit přenosu škodlivin mezi proudy vzduchu
možnost – sorpční rotory
– volba vhodného desikantu
– rozbor vzduchu – zjistit velikost molekul kontaminantů
– volit desikant pohlcující pouze menší molekuly
K11125
TZB
Znečištění teplosměnných ploch:
Příčina
přirozený důsledek činnosti ve větraném a okolním prostoru
Důsledek
snížení hmotnostního toku vzduchu
snížení součinitele prostupu tepla teplosměnnými plochami
pokles tepelného toku předaného tepla
v případě rotačních a přepínacích výměníků se ulpělé nečistoty
transportují mezi toky vzduchu
K11125
TZB
Příklad důsledku znečištění:
zemědělský provoz,
deskové rekuperační výměníky ZV 3-022,
(kdysi vyráběné v ZD Horní Brusice)
měřeno po realizaci a následně po 9 a 11 měsících.
K11125
TZB
Příčiny
vniřní provoz s velkou produkcí prachových částic (kůže,
stelivo, potrava..), prašné vnější komunikace,
míšení přívodního a odváděcího vzduchu vlivem netěsností:
– nový výměník - účinnost míšení vzduchů 0,15 až 0,22 (A)
– 11 měsíců provozu poklesl na 0,01 až 0,02 (B)
– 9 měsíců provozu poklesl až na 0,005 až 0,01 (C)
K11125
TZB
Důsledky
pokles hmotnostního toku až o 30%
– ohrožení kvality vnitřního prostředí stáje
pokles součinitele prostupu tepla z 9,29 na 4,97 W.m-2.K-1
pokles účinnosti o 20%
– výrazné zhoršení vlivu na energetickou bilanci
K11125
TZB
A byla měřena ihned po instalaci výměníků
B byly naměřeny ve stáji pro telata v mléčné výživě po 11 měsících provozu
C byly naměřeny ve stáji pro telata v rostlinné výživě po 9 měsících provozu
K11125
TZB
Znečištění teplosměnných ploch:
Řešení
instalace filtrů na všechny vstupní a výstupní strany
výměníku
pravidelná výměna filtrů
– zanesený filtr může být lepším prostředím pro tvorbu bakterií
než výměník
pravidelné čištění výměníku
– v špinavých provozech můžou být intervaly velmi krátké
(např. 1x týdně v chovech drůbeže)
návrh vhodného výměníku pro snadnou čistitelnost
K11125
TZB
Namrzání teplosměnných ploch
Příčiny
vysoký teplotní rozdíl vzduchů - nárůst kondenzace vlhkosti pokud není vlhkost řádně odvedena je možné namrzání,
Důsledky
omezení průtočného profilu výměníku,
snížení objemového toku vzduchu,
destrukce výměníku,
K11125
TZB
Prevence
odvod kondenzátu
využití tepla z odpadního vzduchu pro prohřátí výměníku
– venkovní vzduch proudí by-pasem
předehřev ohřívaného vzduchu
využití PC (phase change) materiálu
K11125
TZB
Využití materiálu s fázovou změnou (PCM)
sendvič „plech“ – PCM – „plech“
v PC materiálu je akumulováno teplo příkonem el. proudu
– venkovní vzduch proudí by-pasem
tl. 3 mm PCM + el. příkon je schopné bránit namrzání
totéž při tl. 6 mm PCM i bez el. příkonu
– cenou je snížení účinnosti výměníku
Qarnia, Lacroix, Mercadier, Use of a phase change material to prevent frosting in a
compact crossflow air heat exchanger. Energy Conversion and Management, 42, 2001, p.
1277-1296
K11125
TZB
Vývoj nárůstu námrazy na rotačním výměníku:
převažuje sklovitá nad hrubou námrazou
– větší měrná hmotnost a lepší tepelná vodivost
rozhodující faktory:
– měrná vlhkost odpadního vzduchu
– teplota přiváděného vzduchu
Bilodeau, Brousseau, Lacroix, Mercadier, Frost formation in rotary heat and moisture
exchangers. Heat and Mass Transfer, 42, 1999: p.2605 – 2619.
K11125
TZB
Vývoj nárůstu námrazy na rotačním výměníku:
Bilodeau, Brousseau, Lacroix, Mercadier, Frost formation in rotary heat and moisture
exchangers. Heat and Mass Transfer, 42, 1999: p.2605 – 2619.
K11125
TZB
Řešení
odvod kondenzátu
vysoká účinnost provozu - vyšší tepelný tok přes
teplosměnné plochy
tvar teplosměnných ploch
(umístění výměníku v nemrznoucím prostředí)
V případě namrznutí
výměník odstavit a rozmrazit
K11125
TZB
Koroze teplosměnných ploch
Příčiny
Ve větraném prostředí jsou obsaženy látky, které mohou být
agresivní vůči materiálu potrubí a výměníku,
Důsledky
V první fázi koroze - nárůst (důsledek zvrásnění povrchu),
V další fázi koroze- pokles součinitele přestupu tepla,
V poslední fázi - vznik netěsností až rozpad výměníku,
Prevence
Při návrhu volit materiál výměníku odolný látkám v vzduchu
K11125
TZB
Často opomíjené ...
Výměník ZZT je vřazeným odporem
tlaková ztráta musí být pokryta pracovním tlakem ventilátoru,
vyšší spotřeba elektrické energie!
(část lze využít formou tepla z vzduchem chlazené skříně
ventilátoru)
Tlakové ztráty závisí na:
tvar teplosměnných ploch
hmotnostní průtok vzduchu
teplota vzduchu
vlhkost vzduchu
napojení vstupu a výstupu výměníku
K11125
TZB
Hodnocení výměníků
Používané účinnosti
účinnost zpětného získávání tepla
- poměr rekuperovaného k celkovému teoreticky získatelnému
tepelnému výkonu,
teplotní účinnost
- měřítkem efektivnosti přenosu citelného tepla,
entalpická účinnost
- ukazuje provozní efektivnost přenosu tepla vzhledem k parciální
kondenzaci vodní páry (měrné vlhkosti),
exergetická účinnost
- definuje ztráty energie podmíněné nevratností dějů,
K11125
TZB
QR
ηR =
Qi − Qe
- Rekuperovaný tepelný výkon
- Celkový tepelný výkon, který je možné
získat při využití teplotního spádu mezi
ochlazovaným i a ohřívaným e vzduchem.
te2;he2;xe2;
Ve
z tohoto vztahu jsou
odvozeny všechny ostatní
účinnosti
te1;he1;xe1;
Ve
ní í
itř ed
vn st ř
o
pr
Účinnost zpětného získávání tepla
ti1;hi1;xi1;
Vi
í
ějš dí
vn stře
o
pr
ti2;hi2;xi2;
Vi
K11125
TZB
- je měřítkem efektivnosti přenosu citelného tepla, nejpoužívanější z
účinností v technické praxi, umožňuje porovnání různých výměníků
te 2 − te1
te 2 − te1
η Rt =
=
Vi ⋅ ρi ⋅ c pi
ti1 − te1
⋅ ti1 − te1
Ve ⋅ ρe ⋅ c pe
pro Vi = Ve, ρi = ρe,
cpi = cpe
te2;he2;xe2;
Ve
- nezahrnuje latentní teplo te1;he1;xe1;
Ve
ní í
itř ed
vn st ř
o
pr
Teplotní účinnost
ti1;hi1;xi1;
Vi
í
ějš dí
vn stře
o
pr
ti2;hi2;xi2;
Vi
K11125
TZB
- ukazuje provozní efektivnost přenosu tepla vzhledem k parciální
kondenzaci vodní páry (měrné vlhkosti),
η Rh
he 2 − he1
=
Vi ⋅ ρi (1 + xe1 )
⋅
⋅ hi1 − he1
(1 + xi1 ) Ve ⋅ ρe
te2;he2;xe2;
Ve
- zahrnuje latentní teplo te1;he1;xe1;
Ve
ní í
itř ed
vn st ř
o
pr
Entalpická účinnost
ti1;hi1;xi1;
Vi
í
ějš dí
vn stře
o
pr
ti2;hi2;xi2;
Vi
K11125
TZB
- vychází z II. zákona termodynamiky, popisuje ztráty energie podmíněné
nevratností dějů
ηex ,c = ηex , p ⋅ηex ,i
Ee 2 − Ee1
=
Ei1
ηex, p - exergetickou účinnost přenosu tepla
ηex,i
z ochlazovaného do ohřívaného vzduchu
- exergetická účinnost využití tepla
z ochlazovaného vzduchu
te1;he1;xe1;
Ve
í
ějš dí
vn stře
o
pr
popisuje jak je reálný nevratný
proces blízký ideálnímu vratnému
procesu
te2;he2;xe2;
Ve
ní í
itř ed
vn st ř
o
pr
Exergetická účinnost
ti1;hi1;xi1;
Vi
ti2;hi2;xi2;
Vi
... děkuji za pozornost
Ing. Daniel Adamovský, Ph.D.
katedra technických zařízení budov,
fakulta stavební ČVUT

Energetické systémy zpětného získávání tepla z větracího vzduchu

Transkript

Podobné dokumenty

Katedra technických zařízení budov K11125

seznam použitých literárních zdrojů k článku v čas. Les. Práce

řada 33-55 -návod

přednáška 05.