Principiul recuperării. Ventilație cu recuperare de căldură. Frânarea dinamică a unui motor asincron

Ecologia consumului. Estate: Pierderea de căldură este o problemă serioasă cu care se confruntă știința construcțiilor. Izolarea eficientă, ferestrele și ușile sigilate rezolvă doar parțial această problemă. Scurgerile de căldură prin pereți, ferestre, acoperișuri și podele pot fi reduse semnificativ. În ciuda acestui fapt, energia are încă o cale mai largă spre „scăpare”. Aceasta este ventilația, de care este imposibil să faci fără în orice clădire.

Pierderea de căldură este o problemă serioasă cu care se confruntă știința construcțiilor. Izolarea eficientă, ferestrele și ușile sigilate rezolvă doar parțial această problemă. Scurgerile de căldură prin pereți, ferestre, acoperișuri și podele pot fi reduse semnificativ. În ciuda acestui fapt, energia are încă o cale mai largă spre „scăpare”. Aceasta este ventilația, de care este imposibil să faci fără în orice clădire.

Se pare că iarna cheltuim combustibil prețios pentru încălzirea camerelor și, în același timp, aruncăm în mod continuu căldură în stradă, lăsând să intre. aer rece.

Problema economisirii energiei poate fi rezolvată folosind un recuperator de căldură. În acest dispozitiv, aerul cald din interior încălzește aerul exterior. Acest lucru realizează economii considerabile la costurile de încălzire (până la 25% din valoare totală costuri).

Vara, cand este cald afara si aerul conditionat functioneaza in casa, recuperatorul aduce si beneficii. Răcește fluxul fierbinte de intrare, reducând costurile cu aerul condiționat.

Să aruncăm o privire mai atentă la unitățile de recuperare a căldurii de uz casnic pentru a ne face o idee despre designul, avantajele și caracteristicile lor alese.

Tipuri, principiul de funcționare și proiectarea recuperatoarelor

Ideea de a folosi căldura din aerul din interior pentru a încălzi aerul exterior s-a dovedit a fi foarte fructuoasă. A fost baza pentru funcționarea tuturor recuperatoarelor.

Astăzi, sunt utilizate trei tipuri de astfel de dispozitive:

  • lamelar;
  • rotativ;
  • recircularea apei.

Cele mai comune și mai simple în design sunt recuperatoarele de plăci. Sunt nevolatile, compacte, fiabile în funcționare și au o eficiență destul de ridicată (40-65%).

Partea principală de lucru a unui astfel de dispozitiv este o casetă, în interiorul căreia sunt instalate plăci paralele. Aerul care iese și intră în cameră este tăiat de ei în fluxuri înguste, fiecare dintre ele trece prin propriul său canal. Schimbul de căldură are loc prin plăci. Aerul străzii este încălzit, iar aerul din interior se răcește și este eliberat în atmosferă.

Principiul de funcționare al unui recuperator de plăci

Principalul dezavantaj al instalării plăcilor este înghețarea înghețuri severe. Depunerea condensului în unitatea de recuperare se transformă în gheață și reduce drastic performanța dispozitivului. Au fost găsite trei căi de combatere a acestui fenomen.

Prima este instalarea unei supape de bypass. După ce a primit un semnal de la senzor, acesta permite unui flux rece să ocolească blocul. Prin plăci trece doar aer cald, dezghețând gheața. După dezghețarea și scurgerea condensului, supapa restabilește funcționarea normală a sistemului.

A doua opțiune este utilizarea plăcilor din celuloză higroscopică. Apa care se depune pe pereții casetei este absorbită în ei și pătrunde în canalele prin care se deplasează aerul de alimentare. Acest lucru rezolvă două probleme simultan: eliminarea condensului și umidificarea.

A treia metodă este să preîncălziți curentul rece la o temperatură care să împiedice înghețarea apei. Pentru a face acest lucru, serverul conducta de ventilatie instalați elementul de încălzire. Necesitatea acesteia apare atunci când temperatura aerului exterior este sub -10C.

ÎN ultimii ani Pe piață au apărut unități reversibile cu plăci. Spre deosebire de dispozitivele cu flux direct, acestea funcționează în două timpi: primul este eliberarea aer cald spre strada, al doilea este aspirarea aerului rece printr-un bloc incalzit.

Principiul de funcționare al instalării reversibile

Un alt tip de instalație sunt recuperatoarele rotative. Eficiența unor astfel de dispozitive este semnificativ mai mare decât cea a dispozitivelor cu plăci (74-87%).

Principiul de funcționare al unității rotative este de a roti o casetă cu celule în fluxul de aer de intrare și de ieșire. Deplasându-se în cerc, canalele trec alternativ fluxuri interne calde și externe reci. În acest caz, umiditatea nu îngheață, ci saturează aerul de alimentare.

Trebuie remarcat faptul că unitatea de alimentare și evacuare cu un recuperator de tip rotativ vă permite să reglați fără probleme transferul de căldură. Acest lucru se realizează prin schimbarea vitezei de rotație a casetei. Principalul dezavantaj al sistemelor rotative este costul ridicat de întreținere. În ceea ce privește fiabilitatea, acestea sunt, de asemenea, inferioare celor din plăci.

Următorul tip este recircularea instalatie de apa. Este cel mai complex în design. Transferul de căldură aici nu se realizează prin plăci sau rotor, ci cu ajutorul antigelului sau a apei.

Primul schimbător de căldură lichid-aer este instalat pe conducta de evacuare, iar al doilea pe conducta de aspirație. Lucrarea se desfășoară după principiul unui încălzitor: aerul din interior încălzește apa și încălzește aerul exterior.

Eficiența unui astfel de sistem nu o depășește pe cea a recuperatoarelor de plăci (50-65%). Pret mare pe care trebuie să-l plătiți pentru complexitatea designului, este justificat de singurul avantaj: unitățile unei astfel de instalații pot fi amplasate nu într-o singură clădire, ci în zone de ventilație de alimentare și evacuare îndepărtate unele de altele. Pentru cei puternici sisteme industriale are mare valoare. Astfel de dispozitive nu sunt instalate în clădiri mici.

Caracteristici ale alegerii unui recuperator

Familiarizându-se cu caracteristicile de funcționare ale unităților de recuperare, este timpul să trecem la partea practică – criteriile de selecție pentru îndeplinirea sarcinilor specifice.

Primul lucru la care trebuie să acordați atenție este metoda de instalare. Ventilația de alimentare și evacuare casnică cu recuperare de căldură poate fi instalată în poziția sa de lucru în mai multe moduri:

  • În interiorul peretelui. Carcasa este montată într-un orificiu pre-găurit. Pe exterior este plasat un capac, iar pe interior o grilă și o unitate de control.
  • În interior. Instalația este atârnată pe perete. Un grilaj sau capac este plasat în exterior.
  • Amplasare în aer liber. Avantajele acestei soluții sunt evidente: zgomot minim și economie de spațiu. Designul conductei dispozitivului permite plasarea acestuia pe balcoane și loggii, precum și pur și simplu pe fațada unei clădiri.

Un alt parametru de care trebuie luat în considerare la cumpărare este numărul de ventilatoare. Recuperatoarele de aer bugetare pentru locuință sunt echipate cu o unitate de ventilație care funcționează atât pentru alimentare, cât și pentru evacuare.

Dispozitivele mai scumpe au 2 ventilatoare. Unul dintre ei pompează, iar celălalt evacuează aerul. Performanța unor astfel de dispozitive este mai mare decât cea a dispozitivelor cu un singur ventilator.

Atunci când cumpărați, ar trebui să acordați atenție prezenței unui încălzitor electric. Cu ajutorul acestuia, se previne înghețarea casetei și se mărește limita inferioară de temperatură a funcționării dispozitivului.

Functie de climatizare. Vă permite să setați cu precizie temperatura la care recuperatorul va încălzi aerul.

Posibilitate de control al umiditatii. Acest parametru afectează în mod semnificativ confortul microclimatului. Un recuperator standard usucă aerul, eliminând umezeala din acesta.

Prezența sau absența unui filtru. Opțiune suplimentară, care are un efect pozitiv asupra caracteristicilor sanitare ale amestecului de aer.

Un parametru important care necesită atenție este temperatura aerului pompat. ÎN diferite modele semnificația sa poate varia semnificativ. Cea mai largă gamă de temperaturi de funcționare de la -40 la +50С aparate de uz casnic este rar.

Așadar, pe lângă luarea în considerare a performanței optime în m3/oră, la achiziție, alegeți un dispozitiv care să poată funcționa pe deplin în condițiile dumneavoastră climatice.

Calculul performanței

Calculele detaliate ale funcționării recuperatoarelor în sistemul de ventilație de alimentare și evacuare sunt destul de complexe. Aici trebuie să luăm în considerare mulți factori: frecvența schimbului de aer în incintă, secțiunea transversală a canalelor, viteza de mișcare a aerului, necesitatea instalării amortizoarelor etc. Doar inginerii cu experiență pot îndeplini cu competență o astfel de sarcină.

Consumatorul mediu poate folosi o metodă simplificată pentru a naviga corect atunci când achiziționează un dispozitiv.

Performanța recuperatorului depinde direct de standardul sanitar al debitului de aer per persoană. Valoarea medie a acestuia este de 30 m3/oră. Prin urmare, dacă într-un apartament sau o casă privată locuiesc permanent 4 persoane, atunci productivitatea instalării ar trebui să fie de cel puțin 4x30 = 120 m3/oră.

Puterea electrică proprie a recuperatoarelor casnice este mică (25-80 W). Este determinat de nivelul de consum de energie al ventilatoarelor de conducte. În instalațiile cu încălzire electrică a fluxului de intrare se instalează elemente de încălzire cu o putere totală de 0,8 până la 2,0 kW.

Mărci populare și prețuri aproximative

Atunci când alegeți un recuperator de uz casnic, ar trebui să vă concentrați pe producătorii și modelele care au câștigat evaluări ridicate ale clienților. Ca exemplu, putem cita produsele companiilor străine Electrolux, Mitsubishi, Marley.

Recuperator pentru spații mici Mitsubishi Electric VL-100EU5-E. Consum de aer 105 m3/h. Preț de la 21.000 de ruble.

Model popular de la Electrolux. Prețul de vânzare cu amănuntul estimat de la 42.000 de ruble.

Etichetele de preț pentru 2017 pentru instalațiile de uz casnic ale acestor mărci încep de la 22.000 de ruble și se termină la 60.000 de ruble.

MARLEY MENV-180. Consum de aer 90 mc/oră. Cost de la 27.500 de ruble.

Echipamentele companiilor rusești și ucrainene Vents (Vents), Vakio (Vakio), Prana și Zilant s-au dovedit bine. Nu sunt inferiori analogilor străini în ceea ce privește performanța și fiabilitatea, acestea sunt adesea mai accesibile.

Instalarea lui Vakio. Capacitate 60 m3/h în modul de recuperare, până la 120 m3/h în ventilatie de alimentare. Preț de la 17.000 de ruble.

Costul estimat al sistemelor de recuperare a aerului de la aceste companii (capacitate de la 120 la 250 m3/oră) variază de la 17.000 la 55.000 de ruble.

Prava 200G. Debit - 135 m3/h, evacuare - 125 m3/h. Suprafața recomandată pentru întreținerea sistemului este de până la 60 m2.

Natura recenziilor despre recuperatoarele de aer este în mare parte pozitivă. Mulți proprietari observă că, cu ajutorul lor, a fost rezolvată problema umidității excesive, care a provocat apariția mucegaiului și a mucegaiului în incintă.

În calculele perioadei de rambursare pentru acest echipament, sunt date cifre de la 3 la 7 ani. Nu am găsit date din măsurătorile instrumentale privind economiile reale de energie pe forumurile dedicate acestui subiect.

Pe scurt despre auto-asamblare

În cele mai multe fotografii și instrucțiuni video pentru autoproducție modelele de plăci sunt luate în considerare pentru recuperatoare. Acesta este cel mai simplu și opțiune accesibilă pentru meșterul de acasă.

Partea principală a structurii este schimbătorul de căldură. Este realizat din otel galvanizat, taiat in placi de 30x30 cm Pentru a crea canale la margini si in mijlocul fiecarei sectiuni se lipesc cu silicon benzi de plastic de 4 mm grosime si 2-3 cm latime.

Schimbătorul de căldură este asamblat prin plasarea și rotirea alternativă a plăcilor la un unghi de 90 de grade unele față de altele. Așa o primesc canale izolate pentru contra-miscarea aerului rece si cald.

După aceasta, o carcasă din metal, PAL sau plastic este realizată pentru a se potrivi dimensiunilor schimbătorului de căldură. Există patru găuri în el pentru alimentarea cu aer. Ventilatoarele sunt instalate în două dintre ele. Schimbătorul de căldură este rotit la un unghi de 45 de grade și fixat în carcasă.

Lucrarea se finalizează prin etanșarea completă a tuturor îmbinărilor de instalare cu silicon.

La operarea unităților de ventilație în cladiri rezidentiale sau spațiile de producție Pentru a economisi bani, este necesar să se prevadă instalarea de echipamente de economisire a energiei, denumite sisteme de ventilație de alimentare și evacuare, folosind procese de recuperare a energiei termice, chiar și în fazele de proiectare.

Dispozitivul în sine, numit „recuperator”, este un anumit tip un schimbător de căldură format din pereți dubli care permit trecerea atât a aerului de alimentare rece, cât și a aerului de evacuare cald. Principalele caracteristici ale recuperatoarelor includ eficiența lor, care în majoritatea cazurilor depinde de câțiva parametri importanți:

  • compoziția metalică a structurii schimbătorului de căldură;
  • suprafața totală de contact cu fluxurile de aer;
  • raportul dintre volumul maselor de aer trecute prin (alimentare la evacuare).

În general, diferențele dintre schimbătoarele de căldură de ventilație sunt determinate și de mulți alți factori care sunt incluși în tipuri specifice de recuperatoare.

Clasificarea tipului recuperatoarelor

Recuperatoarele de aer sunt destul de des echipate nu numai cu un schimbător de căldură, ci și cu două ventilatoare pentru îndepărtarea separată a aerului curat și evacuat. În plus, aceste dispozitive pot include diverse dispozitive tehnice pentru a îmbunătăți calitatea aerului furnizat. Pe baza acestui fapt, schimbătoarele de căldură sunt clasificate în funcție de lichidul de răcire utilizat, designul sau modelul de curgere al lichidului de răcire în următoarele tipuri:

      Recuperator de plăci (numit și punct de încrucișare) este cel mai popular tip de schimbător de căldură datorită simplității designului său compact, costului relativ scăzut și fiabilității. Acest tip de echipament este format dintr-un set de casete separate prin canale de alimentare și evacuare a aerului din metal galvanizat. Eficiența acestor dispozitive poate ajunge la o medie de 70%. și nu trebuie folosit energie electrica. Principalele avantaje ale unor astfel de unități de ventilație includ:

      • eficiență crescută (nivel de productivitate);
      • lipsa consumatorilor de energie electrică;
      • instalare convenabilă și simplă;
      • funcționare silențioasă.

      Principalul lor dezavantaj este posibila înghețare a schimbătorului de căldură ca urmare a formării de condens în exces pe plăci. Pentru a elimina pe cât posibil acest dezavantaj, un recuperator de uz casnic este echipat cu ieșiri pentru colectarea lichidului de condens (colectori de condens). Singura excepție sunt schimbătoarele de căldură din celuloză.

      Un recuperator de plăci, al cărui principiu de funcționare este destul de convenabil și simplu, și se bazează pe intersecția fără amestecare în schimbătorul de căldură a două fluxuri de mase de aer (alimentare și evacuare) are o eficiență suficientă datorită indicatorului de eficiență măsurat în procent, și poate corespunde următoarelor valori:

      • 45-78% - când se folosesc schimbătoare de căldură din plastic sau metal;
      • 60-92% - la utilizarea recuperatoarelor de plăci cu un schimbător de căldură higroscopic din celuloză.

      Recuperarea plăcilor de conducte poate fi utilizat în spații în care se impun cerințe și standarde înalte privind curățenia aerului de intrare. Pentru dispozitiv sistem de ventilație Puteți cumpăra un dispozitiv gata făcut sau puteți face unul.

      Pe baza unităților de alimentare cu plăci și evacuare, există și un recuperator cu membrană care permite schimbul simultan de umiditate și căldură pentru a elimina necesitatea creării unui sistem suplimentar de drenaj pentru a elimina excesul de condens. Plăcile cu membrană au permeabilitate selectivă, care permite trecerea moleculelor de apă și reținerea moleculelor de gaz.

      1. Un recuperator rotativ, al cărui principiu de funcționare se bazează pe rotația unui schimbător de căldură rotativ la o anumită viteză și constantă, este o structură cilindrică, în interiorul căreia sunt amplasate dens straturi de metal ondulat. Tamburul încorporat, făcând mișcări de rotație, trece inițial aer încălzit, după care este furnizat aerul rece. Ca urmare, straturile ondulate sunt răcite sau încălzite progresiv și o parte din căldură este transferată în fluxul de aer rece. Astfel de unități de ventilație au o serie de avantaje, printre care:
        • revenirea parțială a umidității (nu este nevoie);
        • capacitatea de a regla viteza de rotație a rotoarelor;
        • design compact și instalare.

        Alături de avantajele lor, schimbătoarele de căldură rotative au dezavantaje semnificative - necesită utilizarea energiei electrice, instalarea de componente suplimentare de filtrare și au elemente mobile.

        Eficiența unui recuperator rotativ poate fi de 60-85%, deci sunt utilizate în sisteme caracterizate prin debite mari de aer.

      2. Recuperator de glicol este unul dintre reprezentanții instalațiilor cu lichide de răcire intermediare, care vă permite să conectați două sisteme de ventilație separate. Acest echipament ideal pentru modernizarea sistemelor de ventilație existente care funcționează separat unul de celălalt Un recuperator de glicol, al cărui principiu de funcționare se bazează pe instalarea unui schimbător de căldură de încălzire cu antigel furnizat (circularea unei soluții de apă-glicol). individual. Caracteristicile de bază ale unor astfel de instalații includ:
        • capacitatea de a regla sistemul folosind automatizarea încorporată și viteza de circulație a lichidului de răcire;
        • funcționarea unității la temperaturi sub zero fără a fi necesară dezghețarea;
        • conectarea mai multor fluxuri de intrare și un evacuare sau invers;
        • fără piese mobile;
        • decalajul dintre evacuare și flux poate ajunge până la 800 m.

        Principalul dezavantaj este eficiența scăzută - 45-60%.

      3. Recuperator de apă este un tip de recuperator de aer utilizat în sistemele de alimentare și evacuare. Mecanismul de acțiune al unui astfel de dispozitiv se datorează transferului de căldură prin apă. În acest caz, schimbătoarele de căldură pot fi amplasate la o distanță îndepărtată folosind conducte izolate termic. Această circumstanță este scopul principal al aplicației - conectarea liniilor de ventilație. Recuperatoarele de apă sunt folosite destul de rar din cauza valorilor scăzute de eficiență și a necesității de întreținere frecventă.

      Principalele criterii de alegere a recuperatoarelor

      Atunci când alegeți un recuperator adecvat și eficient, trebuie să respectați următoarele criterii:

      • nivelul de recuperare (economie de energie) - în funcție de producător și model, acest parametru ar trebui să fie în intervalul 40-85%;
      • indicatori sanitari și igienici - capacitatea de a controla gradul de purificare și calitatea aerului de intrare;
      • eficienta energetica – valoarea consumului de energie;
      • caracteristici operaționale - durata generală de viață, adecvarea echipamentului pentru performanță lucrari de reparatii, nevoia de întreținere minimă;
      • cost adecvat.

      Ținând cont de toți acești indicatori, alegerea celor mai calitative și eficiente tipuri de recuperatoare din punct de vedere al performanței nu va fi foarte dificilă pentru cei care doresc atât să creeze, cât și să îmbunătățească sistemul de ventilație existent.

În timpul procesului de ventilație, nu numai aerul evacuat este reciclat din cameră, ci și o parte din energia termică. Iarna, acest lucru duce la facturi mai mari la energie.

Recuperarea căldurii în sistemele de ventilație centralizate și locale vă va permite să reduceți costurile nejustificate fără a compromite schimbul de aer. Pentru recuperarea energiei termice se folosesc diferite tipuri schimbatoare de caldura - recuperatoare.

Articolul descrie în detaliu modelele de unități, ale acestora caracteristici de proiectare, principii de funcționare, avantaje și dezavantaje. Informațiile furnizate vă vor ajuta să alegeți varianta optima pentru amenajarea unui sistem de ventilație.

Tradus din latină, recuperarea înseamnă compensare sau întoarcere. În ceea ce privește reacțiile de schimb de căldură, recuperarea este caracterizată ca o revenire parțială a energiei cheltuite pentru o acțiune tehnologică în scopul aplicării în același proces.

Recuperatoarele locale sunt echipate cu un ventilator și un schimbător de căldură cu plăci. „Manșonul” de admisie este izolat cu material care absorb zgomotul. Unitatea de control a unităților compacte de ventilație este amplasată pe peretele interior

Caracteristici ale sistemelor de ventilație descentralizată cu recuperare:

  • Eficienţă – 60-96%;
  • productivitate scăzută– aparatele sunt concepute pentru a asigura schimbul de aer în încăperi de până la 20-35 mp;
  • pret accesibilși o selecție largă de unități, variind de la robinete de perete convenționale până la modele automate cu un sistem de filtrare în mai multe etape și capacitatea de a regla umiditatea;
  • ușurință de instalare– pentru punere în funcțiune nu este necesară instalarea de conducte de aer, o puteți face singur.

    Criterii importante pentru alegerea unei admisii de perete: grosimea admisă a peretelui, performanța, eficiența recuperatorului, diametrul canalului de aer și temperatura mediului pompat

    Concluzii și video util pe această temă

    Comparație de locuri de muncă ventilatie naturalași sistem forțat cu recuperare:

    Principiul de funcționare al unui recuperator centralizat, calculul eficienței:

    Proiectarea și procedura de operare a unui schimbător de căldură descentralizat folosind robinetul de perete Prana ca exemplu:

    Aproximativ 25-35% din căldură părăsește încăperea prin sistemul de ventilație. Recuperatoarele sunt folosite pentru a reduce pierderile și pentru a recupera eficient căldura. Echipamentele climatice vă permit să utilizați energia maselor de deșeuri pentru a încălzi aerul care intră.

    Aveți ceva de adăugat sau aveți întrebări despre funcționarea diferitelor recuperatoare de ventilație? Vă rugăm să lăsați comentarii la publicație și să împărtășiți experiența dumneavoastră în operarea unor astfel de instalații. Formularul de contact este situat în blocul inferior.

Până de curând, ventilația de alimentare și evacuare cu un recuperator de aer a fost folosită destul de rar în Rusia, până când experții au ajuns la concluzia că un astfel de sistem era o necesitate. Funcționarea ventilației se bazează pe principiul recuperării. Acesta este numele procesului în care o parte din căldură este returnată din aerul evacuat. Ieșind din încăpere, aerul cald încălzește parțial fluxul rece care se apropie în schimbătorul de căldură. Astfel, aerul complet „epuizat” iese afară și nu numai aer proaspăt, ci și deja încălzit intră în cameră.

De ce este timpul să renunțăm la vechiul tip de ventilație de evacuare?

De ce ventilația naturală tradițională, care a fost instalată în case particulare, apartamente și clădiri de mulți ani, nu mai este eficientă? Cert este că, în acest caz, prin tocuri, uși și crăpături, ar trebui să existe o pătrundere continuă a aerului în încăpere, dar în cazul instalării etanșe. geamuri termopan din plastic, debitul de aer este mult redus și, ca urmare, natural sistem de evacuare ventilația nu mai funcționează normal.
Pentru a vă asigura că temperatura aerului din camere este confortabilă, perioada de iarna aerul trebuie încălzit, pentru care la noi proprietarii cheltuiesc sume uriașe de bani, pentru că... vremea rece in tara noastra dureaza 5-6 luni. Și deși sezonul de incalzire- pe scurt, resurse uriașe sunt încă cheltuite pentru încălzirea aerului de alimentare. Cu toate acestea, dezavantajele ventilației naturale cu evacuare nu se termină aici. Nu doar aerul rece, ci și murdar intră în cameră din stradă, iar curenții apar periodic. Nu există nicio modalitate de a controla volumul acestor fluxuri de aer. Se pare că din cauza ventilației dezechilibrate, o mulțime de bani sunt literalmente irosite, deoarece oamenii sunt obligați să plătească pentru încălzirea aerului, care zboară pe coș în câteva minute. Deoarece prețurile la energie cresc de la an la an, nu este surprinzător că problema reducerii costurilor de încălzire, mai devreme sau mai târziu, se pune la fiecare persoană gospodărească care nu vrea să „încălzească strada” pe cheltuiala sa.

Cum să economisești căldură în casa ta

Pentru a economisi căldură în sistemul de ventilație - încălzirea aerului rece de alimentare datorită aerului cald eliminat din cameră, sunt proiectate unități speciale de recuperare. O casetă este încorporată în unitățile de ventilație de alimentare și evacuare pentru a asigura schimbul de căldură a aerului. Ieșind prin el, aerul evacuat transferă căldură către pereții schimbătorului de căldură, în timp ce aerul rece care curge în cameră este încălzit de pereți. Acest principiu stă la baza funcționării recuperatoarelor cu plăci și rotative, care în acest moment au câștigat popularitate pe piața unităților de ventilație.

Există dezavantaje ale recuperatoarelor de plăci?

La dispozitivele de acest tip, fluxurile de aer sunt, parcă, tăiate de plăci. Aceste sisteme de alimentare și evacuare, pe lângă numeroasele avantaje, care vor fi discutate mai târziu, au și un dezavantaj: pe partea de unde iese aerul evacuat, se formează gheață pe plăci. Problema se explică simplu: ca urmare a faptului că placa de schimb de căldură și aerul evacuat au temperaturi diferite, se formează condens, care, de fapt, se transformă în gheață. Aerul începe să treacă prin plăcile înghețate cu o rezistență enormă, iar performanța de ventilație scade brusc, iar procesul de recuperare practic se oprește până când plăcile sunt complet dezghețate.
Procesul poate fi comparat cu congelator am primit o sticlă de limonada. Paharul ar fi acoperit instantaneu mai întâi cu o peliculă albă, apoi cu picături de apă. Este posibil să se combată problema înghețului recuperatorului? Experții au găsit o cale de ieșire instalând o supapă de bypass specială în sistemele de ventilație cu recuperare. De îndată ce plăcile sunt acoperite cu un strat de gheață, bypass-ul se deschide, iar aerul de alimentare ocolește pentru un timp caseta recuperatorului, intrând în încăpere practic fără încălzire. Totodată, plăcile recuperatoare sunt dezghețate destul de rapid datorită aerului evacuat eliminat, iar apa rezultată este colectată în baia de drenaj. Baia este conectată la un sistem de drenaj care intră în canalizare, iar tot condensul este evacuat acolo. Recuperătorul începe să funcționeze eficient din nou și schimbul de aer este restabilit.
Când caseta se dezgheță, supapa se închide din nou, totuși, există un „dar” aici. Atunci când aerul nu intră în schimbătorul de căldură și îl ocolește, economiile de energie sunt minime. Acest lucru se datorează faptului că aerul de alimentare, de regulă, pe lângă plăcile schimbătoarelor de căldură, încălzește încălzitorul de aer încorporat - exact la fel ca cel găsit în unitățile simple de alimentare cu aer, dar cu o putere semnificativ mai mică. Cum să te descurci cu asta? Este posibil să te descurci cu gheața fără a pierde bani?

Unități de ventilație de alimentare și evacuare cu recuperare de căldură

Producătorii de recuperatoare au găsit o soluție la această problemă serioasă. Datorită inventării noii tehnologii, umiditatea care se depune pe pereții schimbătorului de căldură pe partea de ieșire a aerului începe să fie absorbită în ei și se deplasează pe partea de alimentare cu aer - umezindu-l. Astfel, aproape toată umezeala din aerul îndepărtat ajunge înapoi în cameră. Ce face posibil acest proces? Inginerii au obținut acest efect prin crearea de casete din celuloză higroscopică. În plus, multe celuloze higroscopice nu au bypass-uri și nu se conectează la sistemul de drenaj cu cada și instalațiile sanitare. Toată umiditatea este utilizată de curenții de aer și rămâne aproape în întregime în cameră. Deci, folosind un schimbător de căldură din celuloză în recuperator, nu mai trebuie să utilizați un bypass și aer direct care ocolește plăcile recuperatorului.

Ca urmare, randamentul recuperatorului a fost crescut la 90%! Aceasta înseamnă că aerul de alimentare din stradă va fi încălzit în proporție de 90% de aerul evacuat. În același timp, recuperatoarele pot funcționa fără probleme chiar și pe vreme rece, până la -30 de grade Celsius. Astfel de instalații sunt excelente pentru spații rezidențiale, apartamente, case de țară și cabane, păstrând și menținând umiditatea și schimbul de aer necesar iarna și vara, creează și mențin microclimatul interior necesar. tot timpul anului, economisind în același timp destul de mulți bani. Cu toate acestea, trebuie amintit că recuperatoarele cu schimbătoare de căldură din celuloză, ca toate celelalte, sunt capabile să înghețe, ceea ce în timp poate duce la defectarea casetei de schimb de căldură. Pentru a elimina complet posibilitatea de îngheț, este necesar să instalați protecție împotriva înghețului. De asemenea, cu toate calitățile lor pozitive, recuperatoarele cu schimbător de căldură din hârtie nu pot fi folosite pentru încăperi cu un conținut ridicat de umiditate, în special pentru. Pentru încăperile umede, inclusiv piscinele, este necesar să se utilizeze unități de ventilație de alimentare și evacuare cu un schimbător de căldură cu plăci de aluminiu.

Schema și principiul de funcționare a unui sistem de ventilație de alimentare și evacuare cu recuperator

Să presupunem că afară este iarnă și temperatura aerului în afara ferestrei este de -23 0 C. Când unitatea de tratare a aerului este pornită, aerul stradal este aspirat de unitate folosind un ventilator încorporat, trece prin filtru și lovește caseta de schimb de căldură. Trecând prin el, se încălzește până la +14 0 C. După cum vedem, în frigul iernii, instalația nu poate încălzi complet aerul la temperatura camerei, deși pentru mulți, o astfel de încălzire poate fi suficientă, așa că după recuperator, aerul de alimentare poate merge direct în cameră sau dacă există așa-numita „reîncălzire a aerului” în recuperator, trecând prin acesta, aerul este încălzit la +20 0 C și doar aerul complet încălzit intră în cameră. Reîncălzitorul este un încălzitor electric sau de apă de mică putere cu o putere de 1-2 kW, care, dacă este necesar, poate porni la temperaturi exterioare scăzute și încălzi aerul la o temperatură confortabilă a camerei. În configurațiile recuperatoarelor de la diverși producători, de regulă, este posibil să alegeți un reîncălzitor de apă sau electric. Dimpotrivă, aerul din încăpere cu o temperatură de +18 0 C (+20 0 C), aspirat din cameră de un ventilator încorporat în instalație, care trece printr-o casetă de schimb de căldură, este răcit de aerul de alimentare și iese afară din recuperatorul, având o temperatură de -15 0 C.

Care va fi temperatura aerului după recuperator iarna și vara?

Există o modalitate destul de simplă de a calcula singur la ce temperatură va intra aerul în cameră după recuperator. Cât de eficient va fi încălzit aerul de alimentare și va fi încălzit deloc? Ce se va întâmpla cu aerul din recuperator vara?

Iarnă

Imaginea arată că aerul stradal este de 0 0 C, randamentul recuperatorului este de 77%, în timp ce temperatura aerului care intră în cameră este de 15,4 0 C. Cât se va încălzi aerul dacă temperatura de afară este, de exemplu , -20 0 C? Există o formulă pentru calcularea aerului de alimentare pentru un recuperator în funcție de eficiența acestuia, de temperatura aerului exterior și interior:

t (după recuperator)=(t (în interior)-t (în aer liber))xK (eficiența recuperatorului)+t (în aer liber)

Pentru exemplul nostru, rezultă: 15,4 0 C = (20 0 C - 0 0 C)x77% + 0 0 C Dacă temperatura în afara ferestrei este -20 0 C, în cameră +20 0 C, eficiența recuperatorului este 77%, atunci temperatura aerului după recuperator va fi: t=((20-(-20))x77%-20=10,8 0 C. Dar acesta este, desigur, un calcul teoretic, în practică temperatura va fi ușor mai scăzut, aproximativ +8 0 C.

Vară

Temperatura aerului după recuperator vara se calculează în mod similar:

t (după recuperator)=t (în aer liber)+(t (în interior)-t (în aer liber))xK (eficiența recuperatorului)

Pentru exemplul nostru rezultă: 24,2 0 С=35 0 С+(21 0 С-35 0 С)х77%

Schema și principiul funcționării unui sistem de ventilație de alimentare și evacuare cu recuperator rotativ




Principiul de funcționare al unui recuperator rotativ se bazează pe schimbul de căldură între fluxul de aer de intrare și de ieșire în sistemul de ventilație printr-un schimbător de căldură rotativ din aluminiu, care, rotindu-se la viteze diferite, permite ca acest proces să fie efectuat cu intensități diferite. .

Care recuperator este mai bun?

Astăzi sunt disponibile spre vânzare recuperatoare de la diferiți producători, care diferă în multe privințe: principiu de funcționare, eficiență, fiabilitate, economie etc. Să ne uităm la cele mai populare tipuri de recuperatoare și să le comparăm avantajele și dezavantajele.
1. Recuperator de plăci cu schimbător de căldură din aluminiu.Pretul unui astfel de recuperator este destul de mic in comparatie cu alte tipuri de recuperatoare, ceea ce este fara indoiala unul dintre avantajele sale. Fluxurile de aer din aparat nu se amestecă; ele sunt separate prin folie de aluminiu. Unul dintre dezavantaje nu este performanța ridicată când temperaturi scăzute, pentru că Schimbătorul de căldură îngheață periodic și trebuie să se dezghețe frecvent. Este logic că costurile cu energia sunt în creștere. De asemenea, nu este recomandabil să le instalați în spații rezidențiale, deoarece iarna, în timpul funcționării recuperatorului, toată umezeala este îndepărtată din aerul din cameră și este necesară umidificarea constantă a acestuia. Principalul avantaj al schimbătoarelor de căldură cu plăci de aluminiu este că pot fi instalate pentru ventilarea piscinelor.
2. Recuperator de plăci cu schimbător de căldură din plastic. Avantajele sunt aceleași ca și opțiunea anterioară, dar eficiența este mai mare datorită proprietăților plasticului.

3. Recuperator de plăci cu schimbător de căldură din celuloză și o singură casetă.În ciuda faptului că fluxurile de aer sunt separate prin pereți despărțitori de hârtie, umiditatea pătrunde în liniște în pereții schimbătorului de căldură. Un avantaj important este că căldura și umiditatea economisite sunt returnate în cameră. Datorită faptului că schimbătorul de căldură practic nu este supus înghețului, nu se pierde timp la dezghețare, iar eficiența dispozitivului crește semnificativ. Dacă vorbim despre dezavantaje, acestea sunt următoarele: recuperatoarele de acest tip nu pot fi instalate în piscine, precum și în orice alte încăperi în care există exces de umiditate. În plus, recuperatorul nu poate fi folosit pentru uscare. Foarte des, așa.

4. Recuperator rotativ. Se caracterizează printr-o eficiență ridicată, dar această cifră rămâne în continuare mai mică decât dacă s-ar fi folosit o instalație de plăci cu o casetă dublă. Trăsătură distinctivă este un consum redus de energie. În ceea ce privește deficiențele, observăm următoarele puncte, deoarece fluxurile de aer din sensul invers ale schimbătorului de căldură rotativ nu sunt separate în mod ideal, o cantitate mică de aer eliminată din cameră (deși nesemnificativă) intră în aerul de alimentare. Dispozitivul în sine este destul de scump, deoarece... sunt folosite mecanici complexe. În cele din urmă, schimbătorul de căldură rotativ trebuie întreținut mai des decât alte unități de tratare a aerului și instalarea acestuia în zonele umede nu este de dorit.

Recuperatori pentru apartamente si case de tara

Mitsubishi Lossney Electrolux EPVS DAIKIN
Systemair SHIFT

Ce determină prețul unui recuperator?

În primul rând, prețul unui recuperator depinde de performanța întregului sistem de ventilație. Un designer profesionist va putea dezvolta un proiect competent care să satisfacă exact condițiile și cerințele dumneavoastră, a cărui calitate va determina nu numai eficiența întregului sistem, ci și costurile dumneavoastră ulterioare pentru întreținerea acestuia. Desigur, puteți selecta singur echipamentul, inclusiv canalele de aer și grilele, dar este indicat ca un specialist să se ocupe de problemele identificate. Costurile de dezvoltare a proiectului bani in plusși la prima vedere, astfel de cheltuieli vor părea cuiva destul de substanțiale, dar dacă calculezi câți bani vor rămâne în buget ca urmare a unei investiții competente, vei fi surprins.
Atunci când alegeți singur un recuperator, acordați atenție în primul rând prețului și calității promise. Aparatul merită suma declarată? Sau pur și simplu veți plăti în exces pentru un produs sau o marcă nouă? Echipamentul nu este ieftin și durează câțiva ani să se plătească singur, așa că alegerea dispozitivului trebuie abordată foarte responsabil.
Asigurați-vă că verificați disponibilitatea certificatelor de produs și aflați cât timp sunt valabile perioada de garantie. De obicei, garanția se acordă nu pentru recuperator, ci pentru componentele acestuia. Cum calitate mai bună componente, ansambluri și alte componente - cu atât achiziția va fi mai scumpă. Fiabilitatea sistemului este evaluată de puternic și punctele slabe bunuri. Nimeni nu oferă o opțiune naturală, ideală, dar găsirea celei mai bune soluții pentru o anumită cameră este destul de posibilă.

Cum să alegi o unitate de tratare a aerului cu recuperator

În primul rând, întrebați vânzătorul următoarele întrebări:
1. Ce companie produce produsul? Ce se știe despre ea? Câți ani pe piață? Care sunt recenziile?
2. Care este performanța sistemului? Aceste date pot fi calculate de către specialiști pe care îi contactați pentru sfaturi, inclusiv specialiști din compania noastră. Pentru a face acest lucru, trebuie să indicați parametrii exacti ai spațiilor, este recomandabil să furnizați aspectul unui apartament, birou, casă de țară, cabană etc.
3. Care va fi rezistența sistemului de conducte de aer la fluxul de aer după instalarea unui anumit model? Aceste date trebuie, de asemenea, calculate de către proiectanți pentru fiecare caz în parte. Calculele iau în considerare toate difuzoarele, coturile de conductă și multe altele. Modelul și puterea recuperatorului sunt selectate ținând cont de așa-numitul „punct de funcționare” - raportul dintre fluxul de aer și rezistența conductei de aer.
4. Din ce clasa de consum de energie apartine recuperatorul? Cât va costa întreținerea sistemului? Câtă energie electrică poți economisi? Trebuie să știți acest lucru pentru a calcula cheltuielile pentru sezonul de încălzire.
5. Care este Factorul de Eficiență declarat al instalației și cel real? Eficiența recuperatoarelor depinde de diferența de temperatură dintre interior și exterior. Acest indicator este influențat și de parametri precum: tipul casetei de schimb de căldură, umiditatea aerului, aspectul sistemului în ansamblu, amplasarea corectă a tuturor componentelor etc.
Să vedem cum poate fi calculată eficiența diferite tipuri recuperatori.
- Dacă schimbătorul de căldură al unui recuperator de plăci este din hârtie, atunci randamentul va fi, în medie, de 60-70%. Instalarea nu îngheață, sau mai degrabă, acest lucru se întâmplă extrem de rar. Dacă schimbătorul de căldură trebuie dezghețat, sistemul în sine reduce performanța instalației pentru o perioadă de timp.
- Schimbătorul de căldură cu plăci de aluminiu demonstrează o eficiență ridicată - până la 63%. Dar recuperatorul va fi mai puțin productiv. Eficiența aici va fi de 42-45%. Acest lucru se datorează faptului că schimbătorul de căldură trebuie să se dezghețe adesea. Dacă vrei să elimini înghețul, va trebui să folosești mult mai multă energie electrică.
- Un recuperator rotativ prezintă o eficiență ridicată dacă turația rotorului este reglată prin „automatizare”, ghidată de citirile senzorilor de temperatură care sunt instalați atât în ​​interior, cât și în exterior. Recuperatori rotativi ele sunt, de asemenea, susceptibile la îngheț, drept urmare eficiența scade în același mod ca și în cazul schimbătoarelor de căldură cu plăci din aluminiu.

În acest articol vom lua în considerare o astfel de caracteristică de transfer de căldură ca coeficientul de recuperare. Acesta arată gradul în care un purtător de căldură îl folosește pe altul în timpul schimbului de căldură. Coeficientul de recuperare poate fi numit coeficient de recuperare a căldurii, eficiență de transfer de căldură sau eficiență termică.

În prima parte a articolului vom încerca să găsim relații universale pentru transferul de căldură. Ele pot fi obținute de la cele mai generale principii fiziceși nu necesită măsurători. În a doua parte, vom prezenta dependența coeficienților reali de recuperare de principalele caracteristici ale schimbului de căldură pentru perdele de aer reale sau separat pentru unitățile de schimb de căldură apă-aer, care au fost deja discutate în articolele „Puterea cortinei de căldură la lichid de răcire arbitrar. și debitele de aer. Interpretarea datelor experimentale” și „Puterea perdelei de căldură la debite arbitrare de lichid de răcire și de aer. Invarianți ai procesului de transfer de căldură”, publicat de revista „Lumea Climei” în numerele 80 și, respectiv, 83. Se va arăta modul în care coeficienții depind de caracteristicile schimbătorului de căldură, precum și modul în care sunt influențați de debitele de lichid de răcire. Vor fi explicate unele paradoxuri ale transferului de căldură, în special paradoxul unei valori mari a coeficientului de recuperare cu o diferență mare a debitelor de lichid de răcire. Pentru a simplifica conceptul de recuperare și semnificația definiției sale cantitative (coeficient), vom lua în considerare exemplul schimbătoarelor de căldură aer-aer. Acest lucru va face posibilă determinarea unei abordări a sensului fenomenului, care poate fi apoi extinsă la orice schimb, inclusiv „apă - aer”. Rețineți că în blocurile de schimb de căldură aer-aer, pot fi organizați atât curenții încrucișați, care sunt în mod fundamental similari cu schimbătoarele de căldură apă-aer, cât și contracurenții de medii de schimb de căldură. În cazul contracurenților, care determină valori mari ale coeficienților de recuperare, modelele practice de transfer de căldură pot diferi ușor de cele discutate mai devreme. Este important ca legile universale ale transferului de căldură să fie în general valabile pentru orice tip de unitate de schimb de căldură. În discuția articolului, vom presupune că energia este conservată în timpul transferului de căldură. Acest lucru este echivalent cu a spune că puterea radiantă și convecția căldurii din corp echipamente termice, determinate de temperatura carcasei, sunt mici în comparație cu puterea de transfer util de căldură. De asemenea, vom presupune că capacitatea termică a purtătorilor nu depinde de temperaturile acestora.

CÂND ESTE IMPORTANT UN RAPORT MARE DE RECUPERARE?

Se poate considera că abilitatea de a transmite o anumită cantitate de putere termică este una dintre principalele caracteristici ale oricărui echipament termic. Cu cât această capacitate este mai mare, cu atât echipamentul este mai scump. Coeficientul de recuperare în teorie poate varia de la 0 la 100%, dar în practică acesta variază adesea de la 25 la 95%. Intuitiv, se poate presupune că un coeficient ridicat de recuperare, precum și capacitatea de a transmite putere mare, implică calități ridicate de consum ale echipamentului. Cu toate acestea, în realitate, o astfel de conexiune directă nu este observată, totul depinde de condițiile de utilizare a schimbului de căldură. Când este important un grad ridicat de recuperare a căldurii și când este secundar? Dacă lichidul de răcire din care se ia căldură sau rece este folosit o singură dată, adică nu este în buclă și imediat după utilizare este evacuat iremediabil în mediu extern, atunci pentru a folosi eficient această căldură este indicat să folosiți un dispozitiv cu un coeficient de recuperare ridicat. Exemplele includ utilizarea căldurii sau a frigului din o parte a instalațiilor geotermale, rezervoare deschise, surse de exces tehnologic de căldură, unde este imposibil să închideți circuitul de răcire. Recuperarea ridicată este importantă atunci când rețeaua de încălzire este calculată numai pe baza debitului de apă și a temperaturii apei directe. Pentru schimbătoarele de căldură aer-aer, aceasta este utilizarea căldurii din aerul evacuat, care imediat după schimbul de căldură intră în mediul extern. Altul caz limitativ se implementeaza atunci cand lichidul de racire este platit strict in functie de energia luata din acesta. Se poate numi varianta ideala rețele de încălzire. Apoi putem spune că un astfel de parametru precum coeficientul de recuperare nu are deloc sens. Deși, cu restricții privind temperatura de retur a purtătorului, are sens și coeficientul de recuperare. Rețineți că în anumite condiții este de dorit o rată mai mică de recuperare a echipamentului.

DETERMINAREA FACTORULUI DE RECUPERARE

Definiția coeficientului de recuperare este dată în multe cărți de referință (de exemplu,). Dacă se face schimb de căldură între două medii 1 și 2 (Fig. 1),

care au capacități termice c 1 și c 2 (în J/kgxK) și debite masice g 1 și respectiv g 2 (în kg/s), atunci coeficientul de recuperare a schimbului de căldură poate fi reprezentat sub forma a două rapoarte echivalente:

= (с 1 g 1)(Т 1 - Т 1 0) / (сg) min (T 2 0 - T 1 0) = (с 2 g 2)(Т 2 0 - Т 2) / (сg) min ( T 2 0 - T 1 0). (1)

În această expresie, T 1 și T 2 sunt temperaturile finale ale acestor două medii, T 1 0 și T 2 0 sunt cele inițiale, iar (cg) min este minimul celor două valori ale așa-numitelor termice. echivalent al acestor medii (W/K) la debitele g 1 şi g 2 , (cg) min = min((cu 1 g 1), (cu 2 g 2)). Pentru a calcula coeficientul, puteți utiliza oricare dintre expresii, deoarece numărătorii lor, fiecare dintre care exprimă puterea totală de transfer de căldură (2), sunt egali.

W = (c 1 g 1)(T 1 - T 1 0) = (c 2 g 2)(T 2 0 - T 2). (2)

A doua egalitate din (2) poate fi considerată ca o expresie a legii conservării energiei în timpul transferului de căldură, care pentru procesele termice se numește prima lege a termodinamicii. Se poate observa că în oricare dintre cele două definiții echivalente din (1) sunt prezente doar trei dintre cele patru temperaturi de schimb. După cum sa menționat, valoarea devine semnificativă atunci când unul dintre lichidele de răcire este aruncat după utilizare. Rezultă că alegerea a două expresii din (1) poate fi întotdeauna făcută astfel încât temperatura finală a acestui purtător să fie exclusă din expresie pentru calcul. Să dăm exemple.

a) Recuperarea căldurii din aerul evacuat

Un exemplu celebru Un schimbător de căldură cu o valoare necesară ridicată poate servi ca recuperator de căldură pentru aerul evacuat pentru a încălzi aerul de alimentare (Fig. 2).

Dacă desemnăm temperatura aerului evacuat ca T încăpere, aerul stradal ca T st, iar aerul de alimentare după încălzire în recuperator ca T pr, atunci, ținând cont de aceeași valoare a capacităților termice din cele două fluxuri de aer (sunt aproape la fel, dacă neglijăm mici dependențe de umiditate și temperatura aerului), putem obține o expresie faimoasă bună pentru:

G pr (T pr - T st) / g min (T camera - T st). (3)

În această formulă, gmin denotă cel mai mic g min = min(g în, g în afara) dintre cele două debite secunde gin de aer de alimentare și debit de aer evacuat. Când debitul de aer de alimentare nu depășește debitul de aer evacuat, formula (3) se simplifică și se reduce la forma = (T pr - T st) / (T camera - T st). Temperatura care nu este luată în considerare în formula (3) este temperatura T’ a aerului evacuat după trecerea schimbătorului de căldură.

b) Recuperare într-o perdea de aer sau într-un încălzitor arbitrar apă-aer

Pentru că în fața tuturor opțiuni posibile singura temperatură a cărei valoare poate fi nesemnificativă este temperatura apei de retur Tx, care trebuie exclusă din expresia pentru coeficientul de recuperare. Dacă notăm temperatura aerului din jurul perdelei de aer ca T0, aerul încălzit de perdeaua de aer ca T și temperatura care intră în schimbătorul de căldură apă fierbinte T g, (Fig. 3), pentru că obținem:

Cg(T – T 0) / (cg) min (T g – T 0). (4)

În această formulă, c este capacitatea termică a aerului, g este al doilea debit de aer în masă.

Denumirea (сg) min este cea mai mică valoare din aer сg și apă с W G echivalenți termici, с W este capacitatea termică a apei, G este al doilea debit masic al apei: (сg) min = min((сg), (с W G)). Dacă debitul de aer este relativ mic și echivalentul de aer nu depășește echivalentul de apă, se simplifică și formula: = (T - T 0) / (T g - T 0).

SENSUL FIZIC AL FACTORULUI DE RECUPERARE

Se poate presupune că valoarea coeficientului de recuperare a căldurii este o expresie cantitativă a randamentului termodinamic al transmisiei de putere. Se știe că pentru transferul de căldură această eficiență este limitată de a doua lege a termodinamicii, care este cunoscută și sub numele de legea entropiei nedescrescătoare.

Cu toate acestea, se poate demonstra că aceasta este într-adevăr eficiență termodinamică în sensul entropiei nedescrescătoare numai în cazul egalității echivalenților termici a două medii care schimbă căldură. În cazul general al inegalității de echivalenți, valoarea teoretică maximă posibilă = 1 se datorează postulatului Clausius, care este afirmat astfel: „Căldura nu poate fi transferată dintr-un corp mai rece într-un corp mai cald fără alte modificări asociate în același timp cu acest transfer.” În această definiție, alte modificări înseamnă munca care se realizează asupra sistemului, de exemplu, în timpul ciclului invers Carnot, pe baza căruia funcționează aparatele de aer condiționat. Având în vedere că pompele și ventilatoarele, atunci când schimbă căldură cu purtători precum apa, aerul și alții, efectuează lucrări neglijabile asupra acestora în comparație cu energia de schimb de căldură, putem presupune că cu un astfel de schimb de căldură postulatul Clausius este îndeplinit cu un grad ridicat de precizie.

Deși este general acceptat că atât postulatul Clausius, cât și principiul entropiei nedescrescătoare sunt doar expresii diferite ale formulării celei de-a doua legi a termodinamicii pentru sisteme închise, nu este așa. Pentru a respinge echivalența lor, vom arăta că pot duce, în general, la diverse restricții asupra transferului de căldură. Să considerăm un recuperator aer-aer în cazul echivalenților termici egali ai celor două medii schimbătoare, care, dacă capacitățile termice sunt egale, implică egalitatea debitelor masice ale celor două fluxuri de aer, și = (T pr - T st) / (T camera - T st). Lasă pentru certitudine temperatura camerei T camera = 20 o C, iar strada T strada = 0 o C. Dacă ignorăm complet căldura latentă a aerului, care este cauzată de umiditatea acestuia, atunci, după cum rezultă din (3), temperatura aerului de alimentare T pr = 16 o C corespunde coeficientului de recuperare = 0,8, iar la T pr = 20 o C va ajunge la o valoare de 1. (Temperaturile aerului emis în stradă în aceste cazuri T' vor fi de 4 o C şi 0 o C, respectiv). Să arătăm că exact = 1 este maximul pentru acest caz. La urma urmei, chiar dacă aerul de alimentare ar avea o temperatură T pr = 24 o C, iar aerul emis către stradă T' = –4 o C, atunci prima lege a termodinamicii (legea conservării energiei) nu ar fi încălcat. La fiecare secundă E = cg·24 o C Joulii de energie vor fi transferați în aerul străzii și aceeași cantitate va fi preluată din aerul din cameră și, în același timp, va fi egală cu 1,2, sau 120%. Cu toate acestea, un astfel de transfer de căldură este imposibil tocmai pentru că entropia sistemului va scădea, ceea ce este interzis de a doua lege a termodinamicii.

Într-adevăr, conform definiției entropiei S, modificarea acesteia este asociată cu o modificare a energiei totale a gazului Q prin relația dS = dQ/T (temperatura se măsoară în Kelvin), și având în vedere că la presiunea constantă a gazului dQ = mcdT, m este masa gazului, s (sau cum este adesea notat cu p) - capacitatea de căldură la presiune constantă, dS = mc · dT/T. Astfel, S = mc ln(T 2 / T 1), unde T 1 și T 2 sunt temperaturile inițiale și finale ale gazului. În notarea formulei (3) pentru a doua modificare a entropiei aerului de alimentare obținem Spr = сg ln(Tpr / Tul), dacă aerul stradal este încălzit, acesta este pozitiv. Pentru a modifica entropia aerului evacuat Svyt = s g ln(T / Troom). Modificarea entropiei întregului sistem într-o secundă:

S = S pr + S out = cg(ln(T pr / T st) + ln(T’ / T camera)). (5)

Pentru toate cazurile, vom presupune T strada = 273K, T camera = 293K. Pentru = 0,8 din (3), T pr = 289K și din (2) T’ = 277K, ceea ce vă va permite să calculați schimbare generală entropie S =0,8 = 8 10 –4 cg. La = 1, obținem în mod similar T pr = 293K și T' = 273K, iar entropia, așa cum ar fi de așteptat, este conservată S =1 = 0. Cazul ipotetic = 1,2 corespunde T pr = 297K și T' = 269K , iar calculul demonstrează scăderea entropiei: S =1,2 = –1,2 10 –4 cg. Acest calcul poate fi considerat o justificare pentru imposibilitatea acestui proces c = 1,2 în special și, în general, pentru orice > 1 tot din cauza S< 0.

Deci, la debite care oferă echivalenți termici egali a două medii (pentru medii identice acest lucru corespunde unor debite egale), coeficientul de recuperare determină eficiența schimbului în sensul că = 1 definește cazul limită de conservare a entropiei. Postulatul Clausius și principiul entropiei nedescrescătoare sunt echivalente pentru acest caz.

Acum luați în considerare debitele inegale de aer pentru schimbul de căldură aer-aer. Fie, de exemplu, debitul masic al aerului de alimentare să fie de 2 g, iar cel al aerului evacuat să fie g. Pentru modificarea entropiei la astfel de debite obținem:

S = S pr + S out = 2s g ln(T pr / T st) + s g ln(T’ / T camera). (6)

Pentru = 1 la aceleași temperaturi inițiale T st = 273 K și T cameră = 293 K, folosind (3), obținem T pr = 283 K, deoarece g pr / g min = 2. Atunci din legea conservării energiei (2) obținem valoarea T ' = 273K. Dacă înlocuim aceste valori de temperatură în (6), atunci pentru o modificare completă a entropiei obținem S = 0,00125сg > 0. Adică, chiar și în cazul cel mai favorabil cu = 1, procesul devine suboptim din punct de vedere termodinamic; cu o creștere a entropiei și, în consecință, în contrast cu subcazul cu costuri egale, este întotdeauna ireversibilă.

Pentru a estima amploarea acestei creșteri, vom găsi coeficientul de recuperare pentru schimbul de costuri egale deja discutat mai sus, astfel încât în ​​urma acestui schimb se produce aceeași cantitate de entropie ca și pentru costurile care diferă cu un factor de 2 la = 1. Cu alte cuvinte, vom evalua non-optimalitatea termodinamică a schimbului de costuri diferite în condiții ideale. În primul rând, schimbarea entropiei în sine spune puțin este mult mai informativ să luăm în considerare raportul S/E dintre modificarea entropiei și energia transferată prin schimbul de căldură. Având în vedere că în exemplul de mai sus, când entropia crește cu S = 0,00125cg, energia transferată E = cg pr (T pr - T str) = 2c g 10K. Astfel, raportul S / E = 6,25 10 –5 K -1. Este ușor de verificat că aceeași „calitate” a schimbului la debite egale se realizează prin coeficientul de recuperare = 0,75026... Într-adevăr, la aceleași temperaturi inițiale T st = 273 K și T cameră = 293 K și debite egale, aceasta coeficientul corespunde temperaturilor T re = 288 K si T' = 278K. Folosind (5), obținem modificarea entropiei S = 0.000937сg și ținând cont că E = сg(T pr - T str) = сg 15К, obținem S/E = 6.25 10 –5 К -1 . Deci, din punct de vedere al calității termodinamice, transferul de căldură la = 1 și la debite de două ori diferite corespunde transferului de căldură la = 0,75026... la debite identice.

Se poate pune o altă întrebare: care ar trebui să fie temperaturile de schimb ipotetice la diferite rate pentru ca acest proces imaginar să aibă loc fără o creștere a entropiei?

Pentru = 1,32 la aceleași temperaturi inițiale T st = 273 K și T cameră = 293 K, folosind (3), se obține T pr = 286,2 K și din legea conservării energiei (2) T’ = 266,6 K. Dacă înlocuim aceste valori în (6), atunci pentru modificarea completă a entropiei obținem сg(2ln(286.2 / 273) + ln(266.6 / 293)) 0. Legea conservării energiei și legea nonului -scăderea entropiei pentru aceste valori de temperatură sunt satisfăcute și, totuși, schimbul este imposibil datorită faptului că T' = 266,6 K nu aparține intervalului de temperatură inițial. Acest lucru ar încălca în mod direct postulatul lui Clausius, transferând energie dintr-un mediu mai rece într-unul mai cald. În consecință, acest proces este imposibil, la fel ca altele sunt imposibile, nu numai cu conservarea entropiei, ci chiar și cu creșterea acesteia, când temperaturile finale ale oricăruia dintre medii depășesc intervalul de temperatură inițial (T strada, T camera).

La debite care asigură echivalente termice inegale ale mediilor de schimb, procesul de transfer de căldură este fundamental ireversibil și are loc cu o creștere a entropiei sistemului, chiar și în cazul celui mai eficient transfer de căldură. Aceste argumente sunt valabile și pentru două medii cu capacități termice diferite, singurul lucru important este dacă echivalentele termice ale acestor medii coincid sau nu.

PARADOXUL CALITĂȚII MINIME A SCHIMBULUI DE CĂLDURĂ CU UN RAPORT DE RECUPERARE DE 1/2

În acest paragraf, luăm în considerare trei cazuri de schimb de căldură cu coeficienți de recuperare de 0, 1/2 și, respectiv, 1. Să treacă prin schimbătoarele de căldură fluxuri egale de medii schimbătoare de căldură cu capacități termice egale cu unele temperaturi inițiale diferite T 1 0 și T 2 0. Cu un coeficient de recuperare de 1, cele două medii pur și simplu schimbă valori de temperatură, iar temperaturile finale o oglindesc pe cele inițiale T 1 = T 2 0 și T 2 = T 1 0. Este evident că entropia nu se modifică în acest caz S = 0, deoarece la ieșire sunt aceleași medii de aceleași temperaturi ca la intrare. Cu un coeficient de recuperare de 1/2, temperaturile finale ale ambelor medii vor fi egale cu media aritmetică a temperaturilor inițiale: T 1 = T 2 = 1/2 (T 1 0 + T 2 0). Va avea loc un proces ireversibil de egalizare a temperaturii, iar acesta este echivalent cu o creștere a entropiei S > 0. La un coeficient de recuperare de 0, nu există transfer de căldură. Adică, T 1 = T 1 0 și T 2 = T 2 0, iar entropia stării finale nu se va modifica, ceea ce este similar cu starea finală a sistemului cu un coeficient de recuperare egal cu 1. La fel ca starea c = 1 este identic cu starea c = 0, tot prin analogie se poate arăta că starea = 0,9 este identică cu starea c = 0,1 etc. În acest caz, starea c = 0,5 va corespunde creșterii maxime a entropiei a toți coeficienții posibili. Aparent, = 0,5 corespunde unui transfer de căldură de calitate minimă.

Desigur, acest lucru nu este adevărat. Explicația paradoxului ar trebui să înceapă cu faptul că schimbul de căldură este un schimb de energie. Dacă entropia ca urmare a schimbului de căldură a crescut cu o anumită cantitate, atunci calitatea schimbului de căldură va diferi în funcție de faptul că a fost transferat 1 J sau 10 J de căldură. Este mai corect să nu luăm în considerare modificarea absolută a entropiei S (. de fapt, producția sa în schimbătorul de căldură), dar raportul dintre variația entropiei și energia E transferată în acest caz Evident, pentru diferite seturi de temperaturi, aceste valori pot fi calculate pentru = 0,5. Este mai dificil de calculat acest raport pentru = 0, deoarece aceasta este o incertitudine de forma 0/0. Cu toate acestea, nu este dificil să luăm raportul la 0, care în termeni practici poate fi obținut luând acest raport la valori foarte mici, de exemplu, 0,0001. În tabelele 1 și 2 prezentăm aceste valori pentru diferite condiții inițiale de temperatură.



La orice valoare și pentru intervalele de temperatură zilnice T st cameră și T cameră (vom presupune că T camera / T st x

S / E (1 / T st - 1 / T camera)(1 -). (7)

Într-adevăr, dacă notăm T cameră = T strada (1 + x), 0< x

Pe graficul 1 arătăm această dependență pentru temperaturi T st = 300K T cameră = 380K.



Această curbă nu este linia dreaptă definită de aproximarea (7), deși este suficient de aproape de ea încât nu se pot distinge pe grafic. Formula (7) arată că calitatea transferului de căldură este minimă exact la = 0. Să facem o altă estimare a scalei S / E. În exemplul dat în, considerăm conectarea a două rezervoare de căldură cu temperaturile T 1 și T 2 (T 1< T 2) теплопроводящим стержнем. Показано, что в стержне на единицу переданной энергии вырабатывается энтропия 1/Т 1 –1/Т 2 . Это соответствует именно минимальному качеству теплообмена при рекуперации с = 0. Интересное наблюдение заключается в том, что по физическому смыслу приведенный пример со стержнем интуитивно подобен теплообмену с = 1/2 , поскольку в обоих случаях происходит выравнивание температуры к среднему значению. Однако формулы демонстрируют, что он эквивалентен именно случаю теплообмена с = 0, то есть теплообмену с наиболее низким качеством из всех возможных. Без вывода укажем, что это же минимальное качество теплообмена S / E = 1 / Т 1 0 –1 / Т 2 0 в точности реализуется для ->0 și la un raport arbitrar al debitelor de lichid de răcire.

MODIFICĂRI ÎN CALITATEA TRANSFERULUI DE CĂLDURĂ LA COSTURI DIFERITE DE DEBUT DE ÎNCĂLZIRE

Vom presupune că debitele de lichid de răcire diferă cu un factor de n, iar schimbul de căldură are loc cu cea mai înaltă calitate posibilă (= 1). Care este calitatea schimbului de căldură cu debite egale? Pentru a răspunde la această întrebare, să ne uităm la modul în care valoarea S/E se comportă la = 1 pentru diferite rate de cheltuieli. Pentru o diferență de debit n = 2, această corespondență a fost deja calculată la punctul 3: = 1 n=2 corespunde = 0,75026... pentru aceleași debite. În tabelul 3, pentru un set de temperaturi de 300K și 350K, prezentăm modificarea relativă a entropiei la debite egale de lichide de răcire cu aceeași capacitate termică pentru valori diferite.



În Tabelul 4 prezentăm, de asemenea, modificarea relativă a entropiei pentru diferite rapoarte de curgere n numai la randamentul maxim posibil de transfer de căldură (= 1) și eficiența corespunzătoare care conduc la aceeași calitate pentru debite egale.



Să prezentăm dependența rezultată (n) pe graficul 2.



Cu o diferență infinită de costuri, tinde spre o limită finală de 0,46745... Se poate demonstra că aceasta este o dependență universală. Este valabil la orice temperatură inițială pentru orice purtător, dacă în loc de raportul de cheltuieli ne referim la raportul echivalenților termici. Poate fi aproximat și printr-o hiperbolă, care este indicată de linia 3 pe grafic albastru:



„(n) 0,4675+ 0,5325/n. (8)

Linia roșie indică relația exactă (n):

Dacă se realizează costuri inegale în schimbul unui n>1 arbitrar, atunci eficiența termodinamică în sensul producției relative de entropie scade. Vă prezentăm estimarea de mai sus fără derivare:

Acest raport tinde spre egalitate exactă pentru n>1, aproape de 0 sau 1, iar pentru valorile intermediare nu depășește o eroare absolută de câteva procente.

Sfârșitul articolului va fi prezentat într-unul dintre următoarele numere ale revistei „LUME CLIMATICE”. Folosind exemple de unități reale de schimb de căldură, vom găsi valorile coeficienților de recuperare și vom arăta cât de mult sunt determinati de caracteristicile unității și cât de debitele de lichid de răcire.

LITERATURĂ

  1. Puhov A. aer. Interpretarea datelor experimentale. // Lumea Climei. 2013. Nr. 80. P. 110.
  2. Puhov A. B. Puterea perdelei termice la debite arbitrare de lichid de răcire și aer. Invarianți ai procesului de transfer de căldură. // Lumea Climei. 2014. Nr 83. P. 202.
  3. Cazul W. M., Londra A. L. Schimbătoare de căldură compacte. . M.: Energie, 1967. P. 23.
  4. Wang H. Formule de bază și date despre transfer de căldură pentru ingineri. . M.: Atomizdat, 1979. P. 138.
  5. Kadomtsev B. B. Dinamica și informaţie // Progrese în ştiinţele fizice. T. 164. 1994. Nr. 5, mai. p. 453.

Puhov Alexey Vyacheslavovich,
director tehnic
Compania Tropic Line