Energetické systémy zpětného získávání tepla z větracího vzduchu

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

Princip zařízení pro ZZT Odváděný odpadní vzduch sdílí teplo: přímo do ohřívaného media (mísení vzduchu), přes teplosměnnou plochu (většina výměníků), přes vložené zařízení (kapalinový oběh).


K11125 TZB

Princip zařízení pro ZZT

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

Princip zařízení pro ZZT

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

t1,t2 – ochlazovaný vzduch, t3,t4 – ohřívaný vzduch, 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

t1,t2 – ochlazovaný vzduch, t3,t4 – ohřívaný vzduch, 1- výměník v proudu ohřívaného vzduchu; 2- výměník v proudu ochlazovaného vzduchu; 3- oběžné čerpadlo pracovní látky (voda);


K11125 TZB



Oddělené výměníky s vloženým kapalinovým okruhem 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



Oddělené výměníky s vloženým kapalinovým okruhem 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

Problémy při využití výměníků


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



Netěsnosti teplosměnných ploch, 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



Netěsnosti teplosměnných ploch, 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


Problémy při využití výměníků 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


Problémy při využití výměníků Příklad důsledku znečištění: 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



Příklad důsledku znečištění: 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



Příklad důsledku znečištění:

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


Problémy při využití výměníků 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



Namrzání teplosměnných ploch 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



Namrzání teplosměnných ploch 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



Namrzání teplosměnných ploch 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



Namrzání teplosměnných ploch 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



Namrzání teplosměnných ploch 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 ...

Problémy při využití výměníků 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

Hodnocení výměníků 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

Hodnocení výměníků - 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



Teplotní účinnost

ti1;hi1;xi1; Vi


ti2;hi2;xi2; Vi


K11125 TZB

Hodnocení výměníků - 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



Entalpická účinnost

ti1;hi1;xi1; Vi


ti2;hi2;xi2; Vi


K11125 TZB

Hodnocení výměníků - 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


popisuje jak je reálný nevratný proces blízký ideálnímu vratnému procesu

te2;he2;xe2; Ve



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

Recommend Documents