Tor Ing. Danl ADAMOVSKÝ ČVUT v Praz fakulta stavbní, katdra TZB Hodnocní rkupračních výměníků mtodou xrgí tplných toků valuaton of Rcupratv xchangrs by Hat Flow xrgy Mthods Rcnznt doc. Ing. Karl Brož, Csc. V článku s rozlšují pojmy tplotní účnnost a xrgtcké účnnost rkupračních výměníků tpla používaných v vzduchotchnc. Tortcké hodnoty xrgtcké účnnost jsou ověřny laboratorním měřním na dvou typch výměníků (plochý dskový a s gravtačním tplným trubcm) pro různé tplné kapacty přváděného a odváděného proudu vzduchu. Dál j przntováno provozní měřní na větším dskovém výměníku v xstujícím zařízní př stjných tplných kapactách přváděného a odváděného vzduchu. Klíčová slova: nrg, nrg, anrg, účnnost, tplotní účnnost, výměník tpla. Th artcl dscrbs th dffrncs btwn th tmpratur ffcncy and xrgy ffcncy of rcupratv hat xchangrs usd n vntlatng. Thortcal valus of th xrgy ffcncy ar vrfd by laboratora masurmnts of two typ sof hat xchangrs (plat plat and hat pp ons) undr dffrnt hat capacts of nlt and outlt ar flows. Also rsults of th opratonal masurmnts on xstng flat plat hat xchang undr qual hat capacts o far flows ar prsntd. Ky words: nrgy, xrgy, anrgy, ffcncy, tmpratur ffcncy, hat xchang. ÚVOD xrgtcká analýza tplných systémů j mtoda vznklá v sdmdsátých ltch mnulého stoltí. Pro zvýšní účnnost tplných procsů využívá trmodynamcké optmalzac, nbo-l mtody mnmalzac nárůstu ntrop (GM ntropy gnraton mnmzaton). Touto analýzou s od počátku zabývalo mnoho prací. Souhrnným pracm zaměřným na tortcké základy s návazností na výměníky tpla a další tplné systémy jsou publkac [1] a [2]. Ctované mtody jsou prncpálně vlm složté. Tnto článk s klad za cíl sznámt vřjnost s mtodou, ktrá jdnoduchým výpočtm umožní posoudt kvaltu provozu rkupračního výměníku př různých stavch, ktré v ročním běhu větracího systému nastanou. nrgtcké blanc výměníku používané v tchncké prax vycházjí z 1. trmodynamcké věty a zahrnují pouz okamžté kvanttatvní stránky tplných toků. Nlz v nch proto vůbc nbo jn v omzné míř dfnovat transformac část nrg (xrg) na méně hodnotnou nrg (anrg), nbol tzv. ztráty nrg podmíněné nvratností dějů, ktré lz omzt účlným vdním procsů přnosu tpla. Tyto vlastnost můžm vyjádřt xrgm tplných toků, srovnávající různé tplné toky na spolčném základě. 1. KRITRIUM TPLOTNÍ ÚČINNOSTI Dfnc njčastěj používaného paramtru př posuzování rkupračních výměníků, tj. tplotní účnnost vychází z obcné účnnost zpětného získávání tpla η R. Obcná účnnost j dfnována poměrm rkuprovaného tplného výkonu R k clkovému výkonu max [3], ktrý j možné získat př využtí clého tplotního spádu mz vntřním (ochlazovaným) a vnkovním (ohřívaným) vzduchm. R R η R max [-] (1) Vnější pohld na výměník umožňuj nzabývat s přměnam nrg uvntř, což výrazně zjdnoduší clý problém. Ovšm za cnu, ž njsm schopn posoudt kvaltu procsů v výměníku. Budm přdpokládat, ž ochlazujm odváděný vzduch nad tplotu jho rosného bodu, platí tdy x 1 x 2. Rovněž přdpokládjm rovnost hustot a měrných tplných kapact př stálém tlaku tak, ž: ρ 1 ρ 2 ρ ;c p1 c p2 c p ;ρ 1 ρ ; c p1 c p. Potom můžm jdnotlvé tplné výkony R, a vyjádřt násldovně: R V. ρ.c p (t 2 t 1 ) [W] (2) V. ρ.c p.t [W] (3) V. ρ.c p.t [W] (4) kd V objmový průtok vzduchu [m 3.s -1 ], ρ hustota vzduchu [kg.m -3 ], c p měrná tplná kapacta za stálého tlaku [J.kg -1.K -1 ], t tplota vzduchu [ C], ndx ochlazovaného (vntřního) proudu vzduchu ndx ohřívaného (vnějšího) proudu vzduchu Dosadím-l rovnc jdnotlvých tplných výkonů (2) až (4) do rovnc (1) s přhlédnutím k přdchozím podmínkám obdržím známý vztah pro tplotní účnnost. η Rt t2 t1 V ρ cp t V ρ c p t 1 1 [-] (5) Tplotní účnnost charaktrzuj fktvnost transportního pochodu v výměníku. Tato účnnost j njpoužívanější v tchncké prax, protož umožňuj vzájmné porovnávání výměníků. Nvýhodou j absnc přímého vyjádřní vázaného tpla v výpočtu a posouzní pouz z hldska I. zákona trmodynamky. Pokud chcm zahrnout parcální kondnzac vodní páry obsažné v ntrérovém odváděném vzduchu, když x 1 > x 2 j výhodnější přformulovat rovnc (1) na tzv. ntalpckou účnnost rkuprac [3]. Vyžadujm-l hlubší pohld do ntra přnosů nrg mz toky vzduchu, tak j nutné vzít v úvahu okolnost vyplývající z II. zákona trmodynamky. Obr. 1 Obcné schéma rkupračního výměníku 221
2. KRITRIUM XRGTICKÉ ÚČINNOSTI xrg tplného toku vyjadřuj njvyšší potncál, ktrý lz tortcky využít k konání prác, naopak anrg vyjadřuj nrg, ktrou nlz přímo využít pro posuzovaný procs. xrg tplných toků mají přrozný nulový bod v stavu okolí a ohodnocují tak v souladu s II. trmodynamckým zákonm kvaltu přnosu tplných toků, rsp. transformovatlnost nrg. Př těchto znalostch j posléz možné dfnovat paramtry a kroky směřující k návrhu výměníku s maxmální transformací xrg, tudíž mnmálním nárůstm ntrop a tdy s vysokou účnností. Užtím xrg a ang lz podl prof. Ranta [4] přformulovat první a druhou trmodynamckou větu: I. Zákon o zachování nrg př všch procsch zůstává suma xrg a anrg konstantní. II. Zákon o znhodnocování nrg př všch nvratných procsch s mění xrg na anrg. Pouz u vratných procsů zůstává xrg konstantní. Rkuprační výměníky typu vzduch vzduch, jjchž xrgtcké analýz s věnujm, pracují v smyslu uvdných zákonů v nvratných změnách. Změny xrg a anrg vyvolané sdělným tplným toky jsou závslé na vlastnostch tplosměnných ploch. Pro posuzování výměníků zpětného získávání tpla j dál zkrácně odvozno několk vztahů pro xrg tplného toku, tří xrgtckých účnností a xrgtckých faktorů. Změnu měrné xrg d látky př průchodu otvřnou trmodynamckou soustavou lz vyjádřt vztahm podl [4]: d dh T ds x 0 [J.kg -1 ] (6) V rovnc 6 j uvdna tplota T 0 dfnující tplotu okolí trmodynamcké soustavy. Správné stanovní j důlžté, měla by být nžší nž ktrákolv z pracovních tplot vyhodnocovaného systému. Ovšm jak j patrné z násldující rovnc (12) pro stanovní paramtru okolí j potřbná znalost dalších vlčn, aby v výpočtu bylo zahrnuto ctlné vázané tplo. Pro potřby násldujícího vyhodnocní rkupračních výměníků byla T 0 stanovna rovna tplotě ohřívaného proudu vzduchu na vstupu do výměníku T 1, ktrá j v clé blanc njnžší. V průběhu měřní s výrazně měnla, to ovšm výsldky ngatvně novlvní. Př zobarckém sdílní tpla j v smyslu druhého tvaru I. trmodynamckého zákona změna měrné ntalp dh rovna sdělnému měrnému tplu dq. Probíhá-l sdílní tpla vratně, pak změna měrné ntrop ds dq. T -1 a vztah (6) lz upravt do tvaru: d dq T dq T x dq T 0 0 1 [J.kg -1 ] (7) Uvažujm-l dílčí úsk výměníku v ktrém ochlazovaný vzduch odvzdává tplo ohřívanému vzduchu, pak vzduch přdá tplným tokm d v smyslu rovnc (7) tok xrg: d T 0 1 d [W] (8) Chladný vzduch však dostan pouz tok xrg: d T 0 1 d [W] (9) kd: T trmodynamcká tplota ochlazovaného vzduchu [K] trmodynamcká tplota ohřívaného vzduchu [K] T 222 Rozdíl d d j xrg ztrátového tplného toku d vyjádřná vztahm: d d d T d T T 0 [W] (10) T T Pro rkuprační výměník (obr. 1) j výhodné sstavt blanc xrgí tplných toků na vstupch a výstupch výměníku, ktrá zahrnuj xrg ztrátového tplného toku Δ. Spolu s dál popsaným účnnostm j Δ důlžtý ukazatl kvalty využtí tpla z ochlazovaného vzduchu př provozu výměníku ZZT. + + +D [W] (11) 1 1 2 2 kd 1 xrg tplného toku vstupního ohřívaného vzduchu [W], 1 xrg tplného toku vstupního ochlazovaného vzduchu [W], 2 xrg tplného toku výstupního ochlazovaného vzduchu [W], 2 xrg tplného toku výstupního ohřívaného vzduchu [W], Δ xrg ztrátového tplného toku [W]. xrg jdnotlvých tplných toků vzduchu o tplotě T lz vypočítat v návaznost na rovnc (8) a (9) [3]: V ρ ( 1+ x) T1 1 1 [W] (12) ( h h ) kd x měrná vlhkost vzduchu [kg/kg s.v. ], h měrná ntalp vzduchu [J/kg s.v. ]. Z rovnc (12) vyplývá, ž xg tplného toku vstupního ohřívaného vzduchu 1 0, protož T 0 T 1. Poměr mz xrgí tplného toku a nrgí tplného toku j podl prof. Ranta, ktrý pojmnoval transformovatlný podíl nrg, xrgí a díl ntransformovatlné nrg, anrgí, nazýván xrgtckým faktorm [4]. xrgtcké faktory můžm dfnovat pro ohřívaný vzduch ε x, (3.61) a ochlazovaný vzduch ε x, (3.62): ε x, 1 ε x,1 1 2 0 [-], ε x, 2 1 2 1 2 [-], ε x,2 1 2 [-] (13) [-] (14) Pro hodnocní výměníku jsou vdl xrgí tplných toků stanovny jště xrgtcké účnnost popsující fktvtu přnosu tplných toků mz proudy vzduchu v výměníku. a) xrgtcká účnnost přnosu tpla z ochlazovaného do ohřívaného vzduchu η x,p. 2 1 η x, p 1 2 b) xrgtcká účnnost využtí tpla z ochlazovaného vzduchu η x,. 1 2 η x, 2 [-] (15) 2 1 [-] (16) 1 c) Clková xrgtckou účnnost η x,c. 2 ηx, c ηx, p ηx, 1 [-] (17)
3. HODNOCNÉ VÝMĚNÍKY ZZT V současné době mám naměřny a vyhodnocny tř rkuprační výměníky. První dva byly měřny v laboratorních podmínkách, třtí v podmínkách provozu větracího systému vřjného bazénu. Laboratorní měřní s uskutčnlo na xprmntálním pracovšt Tchncké fakulty Čské změdělské unvrzty v Praz. Hlavním částm xprmntálního zařízní j starší větrací jdnotka Duplx 600 s dskovým rkupračním výměníkm, parallně j zapojn výměník z gravtačních tplných trubc TNB6. Schéma měřných výměníků j uvdno na obr. 2. Oba výměníky jsou osazny vlastním vntlátory na proudu ohřívaného a ochlazovaného vzduchu. Ohřívaný vzduch j přváděn přs obvodovou konstrukc z vnkovního prostřdí a po prostupu výměníkm j vyfouknut volně do prostoru laboratoř. Ochlazovaný vzduch j nasáván přs tplovodní ohřívač vzduchu, ktrým lz rgulovat tplotu vzduchu t 1 maxmálně na 40 C. Provozní měřní proběhlo na větrací jdnotc AT 20x16 AL-KO Lufttchnk vybavné dskovým rkupračním výměníkm. Jdnotka j součástí systému větrání vřjného bazénu. Bazén s nachází v arálu Čské změdělské unvrsty v Praz 6. Měřní probíhalo za běžného provozu od ldna do črvna 2005, čímž bylo dosažno hodnot rprzntujících zmní, přchodné ltní klmatcké podmínky. Pro vyhodnocní výměníků byly na každém měřny násldující hodnoty (obr. 2): tploty ochlazovaného vzduchu na vstupu t 1 a výstupu t 2 C], rlatvní vlhkost ochlazovaného vzduchu na vstupu ϕ 1 a výstupu ϕ 2 [-], tploty ohřívaného vzduchu na vstupu t 1 a výstupu t 2 [ C], rlatvní vlhkost ohřívaného vzduchu na vstupu ϕ 1 a výstupu ϕ 2 [-], rychlost proudění ochlazovaného a ohřívaného vzduchu v, v [m.s -1 ] Tploty a rlatvní vlhkost byly měřny tstovaným tploměry a psychromtry Ahlborn FH 9646-11 a FH 9636 51B, přpojným na měřcí ústřdnu Ahlborn Almmo 5990-2. Měřcí čdla byla záměrně duplkována pro vzájmnou kontrolu. Měrné ntalp, vlhkost a hustoty byly stanovny podl známých vztahů [5]. Rychlost proudění vzduchu byly u laboratorního měřní měřny vrtulkovým anmomtrm THIS CLIMA umístěným v střdu průřzu. Objmová množství přváděného a odváděného vzduchu byla vypočtna tzv. bodovou mtodou. Objmový průtok vzduchu př provozním měřní byl stanovn jnou mtodou [6]. Vzhldm k rozměrům potrubí 1000 x 625 mm pro odpadní vzduch z bazénu V a 800 x 785 mm pro črstvý vzduch přváděný do bazénu V, proběhlo stanovní průtoků vzduchu V a V na základě měřní rychlost v bodch rozdělného průřzu na jdnotlvé obdélníky s přblžně stjnou plochou. Pro měřní byla použta Prandtlova trubc s vyznačnou stupncí pro měřní hloubky vnořní do průřzu. V násldujícím txtu j použt poměr průtoků ochlazovaného V k ohřívanému V vzduchu značný κ V /V. Tchncké paramtry posuzovaných výměníků ZZT: A) Laboratorně měřný dskový rkuprační výměník: součást jdnotky Duplx 600, křížový směr proudů vzduchu, tělso výměníku j vyrobno z rtardovaného plastu, maxmální objmový tok přváděného a odváděného vzduchu: 600 m 3.h -1, rozměry jdnotky: výška 0,61 m, hloubka 0,33 m, šířka 1,30 m, hmotnost: 65 kg, lktrcký příkon motorů vntlátorů: 2 x 190 W, maxmální počt otáčk vntlátoru: 1850 ot. mn. -1. B) Laboratorně měřný výměník z gravtačních tplných trubc: Obr. 2. Schéma měřných vlčn dskového výměníku a výměníku z tplných trubc maxmální objmový tok přváděného a odváděného vzduchu: 7000 m 3.h -1, rozměry výměníku: výška 1,70 m, hloubka 0,41 m, šířka 0,70 m, typ žbrované trubky, vytlačovaná čstě hlníková, vnější průměr trubky bz lamly / s lamlou 25 mm / 53 mm, čnná délka trubc 1450 mm, roztč laml trubc 2,5 mm, počt laml na 1 m délky trubc 330, počt řad trubc / počt trubc v řadě 6/8, clkový počt trubc 48, podélná / příčná roztč trubc v řadě 62 mm / 62 mm, hmotnost 119 kg. C) Provozně měřný dskový rkuprační výměník: součást sstavné jdnotky AT 20x16 AL-KO Lufttchnk, křížový směr proudů vzduchu, tělso výměníku j vyrobno z hlníku, maxmální objmový tok přváděného a odváděného vzduchu: 17 000 a 18 000 m 3.h -1, rozměry výměníku: výška 1,2, šířka 1,2, hloubka 1,0 m, hmotnost: nznámá, lktrcký příkon motorů vntlátorů: 2 x 7,5 kw. 4. VÝSLDKY A DISKUZ 4.1 Laboratorní měřní Oba výměníky zpětného získávání tpla z větracího vzduchu byly posuzovány za shodných podmínk popsaných v přdchozích odstavcích. V této část jsou shrnuty spolčné rozdílné paramtry zjštěné z laboratorního ověřování [7], [8]. Průběhy jdnotlvých účnností, xrgí a xrgtckých účnností jsou vynsny v závslost na rozdílu vstupních tplot ochlazovaného a ohřívaného proudu vzduchu ΔT,1. Důvodm j přhld chování výměníku běhm různých stavů, jaké s v průběhu roku objví. Obcně lz shrnout, ž jdnotlvé xrgtcké účnnost mají stjné průběhy v závslost na tplotním spádu ΔT,1, přčmž výměník z tplných trubc vykazuj v většně případů vyšší hodnoty. Obdobné trndy jsou patrné u ostatních paramtrů jako j poměrné rozložní xrgí tplných toků. Pro oba výměníky platí shodný průběh rostoucí xrgtcké účnnost využtí tpla z ochlazovaného vzduchu η x, s nárůstm tplotního rozdílu ΔT,1 T 1 T 1 (obr. 3 a 4). Charaktr průběhu η x, f(δt,1 ) platí pro všchny poměry ochlazovaného a ohřívaného vzduchu κ V /V a potvrzuj Fourrův a Nwtonův zákon o sdílní tpla kondukcí a konvkcí. Příčnou j zvyšující s sdělný tplný tok mz ochlazovaným a ohřívaným vzduchm, čhož důsldkm sc rost xrg tplného toku ochlazovaného vzduchu na výstupu z výměníku 2, al dalc méně nž na vstupu 1. Z toho vyplývá v smyslu vztahu 16 růst účnnost η x,. Snahou j omzt růst xrg tplného toku výstupního ochlazovaného vzduchu 223
Obr.3. Závslost změny xrgtckých účnností a tplotní účnnost dskového rkupračního výměníku na rozdílu vstupních tplot př poměru průtoků ochlazovaného a ohřívaného proudu vzduchu κ V /V 1,02 1 η x,p xrgtcká účnnost přnosu tpla z ochlazovaného do ohřívaného vzduchu 2 η x, xrgtcká účnnost využtí tpla z ochlazovaného vzduchu 3 η x,c clková xrgtcká účnnost 4 η Rt tplotní účnnost 2, ktrá jnak zůstan nvyužta. To lz dosáhnout zvětšním tplosměnné plochy výměníku a také vyšším stupněm turbulnc proudění daným rychlostí proudícího vzduchu, tvary a povrchy tplosměnných ploch. V případě téměř rovnoobjmového provozu (κ 1,02 pro dskový a κ 1,12 pro výměník z tplných trubc) dosahuj rozdíl mz účnnostm η x, průměrně 0,2 v prospěch výměníku z tplných trubc. Naopak př větším množství ochlazovaného V nž ohřívaného V vzduchu procházjících výměníkm jsou výsldné účnnost vyšší a vyrovnanější u dskového nž u výměníku z tplných trubc. V tomto případě, kdy κ j v obou měřních 2,8 (obr. 5) j rozdíl mz účnnostm výměníků 0,11 až 0,32, přčmž s rostoucím ΔT,1 s snžuj. xrgtcká účnnost přnosu tpla z ochlazovaného do ohřívaného vzduchu η x,p klsá s nárůstm tplotního spádu ΔT,1. Charaktr průběhu j u obou výměníků shodný s vlm strmým poklsm na počátku. V smyslu vztahu 15 má na pokls njvětší vlv růst rozdílu xrgí ochlazovaného vzduchu 1 2. V zásadě s zvyšujícím s rozdílm tplot ΔT,1 rostou všchny xrg, al xrg tplného toku ochlazovaného vzduchu na vstupu do výměníku 1 rost njvíc. Jjí nárůst v rozmzí 10 K měřného tplotního rozdílu ΔT,1 j 3 až 4 násobný, zatímco u ostatních j růst maxmálně dvojnásobný. Zajímavý j u rovnoobjmových provozů výrazný rozdíl mz hodnotam účnností η x,p, kdy výměník z tplných trubc dosahuj př nárůstu ΔT,1 9 K poklsu hodnot z 0,98 na 0,42 a dskový z 0,59 na 0,19. Stjný vztah lz vysldovat u ostatních provozních stavů, zjména u κ 2,8, kdy u dskového výměníku npřsahují hodnoty η x,p 0,1, zatímco u trubkového s pohybují mz 0,2 až 0,4. Protož j účnnost η x,p, významným měřítkm využtí odpadního tpla obsažného v odváděném větracím vzduchu, j výrazně ovlvněna clková xrgtcká účnnost η x,c daná rovncí (17). 224 Obr. 5. Porovnání průběhu clkových xrgtckých účnností v závslost na rozdílu vstupních tplot vzduchu pro dskový výměník a výměník z tplných trubc pro poměry κ Pozn.: plné značky výměník z gravtačních tplných trubc TNB 6, prázdné značky dskový výměník Duplx; črvná křvka rovnoobjmový provoz, modrá křvka provoz s větším množstvím ochlazovaného nž ohřívaného vzduchu Clková xrgtcká účnnost výměníku η x,c, klsá s nárůstm tplotního rozdílu ΔT,1. Ačkolv j u výměníku z tplných trubc pokls účnnost výrazně vyšší nž u dskového jsou jjch hodnoty přsto dvojnásobné. Vš j patrné na obr. 5, kd jsou znázorněny průběhy clkových xrgtckých účnností dskového výměníku a výměníku z tplných trubc v závslost na tplotním spádu ΔT,1 pro téměř rovnoobjmový provoz a provoz s výrazným přvsm ochlazovaného nad ohřívaným vzduchm. Z grafu na obr. 5 j rovněž patrný vlv poměru κ V /V na clkovou xrgtckou účnnost, ktrá výrazně klsá s rostoucím κ 1 u obou výměníků. Vlv κ klsajícího pod hodnotu κ 1 (větší množství ohřívaného nž ochlazovaného vzduchu) na clkovou xrgtckou účnnost nlz bohužl z těchto měřní jdnoznačně vyjádřt. Tplotní účnnost η Rt (5) byly vypočtny pro oba výměníky pouz pro téměř rovnoobjmové stavy. V obou případch účnnost η Rt klsá s nárůstm tplotního rozdílu ΔT,1. Výměník z tplných trubc dosahuj vyšší tplotní účnnost v rozsahu 0,54 až 0,74, dskový výměník pouz 0,32 až 0,41. Tplotní účnnost slouží pro srovnání s clkovou xrgtckou účnností. U obou výměníků j tplotní účnnost η t vyšší nž clková xrgtcká η x,c. Průběh tplotních účnností j tvarm vlm podobný průběhu clkové xrgtcké účnnost. V případě zkoumaného dskového výměníku dokonc platí η x,c η Rt 0,2. Takto jdnoduchá závslost nbyla u výměníku z tplných trubc nalzna, rozdíl mz účnnostm η x,c a η Rt mírně rost s rostoucím ΔT,1 z 0,2 na 0,25 (obr. 6). Př porovnání hodnot clkové xrgtcké účnnost a tplotní účnnost j důlžté s uvědomt, ž běžné výměníky pro ZZT jsou navržny na základě blanc nrgí podl 1. zákona trmodynamky a tudíž podl stjného měřítka daného tplotní účnností vykazují vysoké hodnoty. Vš s ukáž být jnak pokud vzmm v úvahu II. zákon trmodynamky a nvratnost procsů sdílní tpla. Hodnoty xrgí jdnotlvých toků vzduchu v případch obou výměníků npřsahují 200 W. Njvyšší jak jž bylo zmíněno j počátční xrg tplného toku ochlazovaného vzduchu 1, z ktré s ostatní toky vyčlňují. xrg ztrátového tplného toku Δ tvoří výrazný podíl v všch varantách měřní. Vyjma rovnoobjmového provozu (κ 1,12) výměníku z tplných trubc zahrnuj njvětší podíl tplných toků, většnou přsahující 50 %. Porovnání jdnotlvých měřní ukazuj graf na obr.7. xrg ztrátového tplného toku Δ závsí na tplotním spádu ΔT,1 s jhož růstm strmě narůstá. Pro výš xrg ztrátového tplného toku j také důlžtá výš tplot T 1 a T 1. Př stjném tplotním rozdílu ΔT,1 j xrg ztrátového tplného toku nžší př vyšších tplotách a vyšší př nžších tplotách (10). S trndm zvýšní Δ souvsí snížní účnnost η x,p a procntulního podílu xrgí tplných toků vzduchu na výstupu z výměníku 2 a 2. Z porovnání průměrného podílu xrg ztrátového tplného toku u dskového výměníku a výměníku z tplných trubc (obr. 7) j jasně patrný vztah mz vysokou Δ a nízkou clkovou xrgtckou účnností η x,c, dskový výměník jasně vykazuj vyšší podíl Δ př srovnatlných stavch (obr. 5).
Obr. 4. Závslost změny xrgtckých účnností a tplotní účnnost výměníku z tplných trubc na rozdílu vstupních tplot vzduchu př κ V /V 1,12 1 η x,p xrgtcká účnnost přnosu tpla z ochlazovaného do ohřívaného vzduchu 2 η x, xrgtcká účnnost využtí tpla z ochlazovaného vzduchu 3 η x,c clková xrgtcká účnnost 4 η Rt tplotní účnnost xrgtcké faktory ε x mají obdobný průběh jako xrg tplných toků (13,14). Nárůstm tploty T vůč T 1 T 0 s zvyšuj podíl využtlné nrg, tdy xrg a zvyšuj s xrgtcký faktor. V většně případů j výstupní xrgtcký faktor ohřívaného vzduchu ε x,2 nžší nž xrgtcký faktor ochlazovaného vzduchu ε x,2. Výjmkou j rovnoobjmový provoz výměníku z tplných trubc (κ 1,12) pracující z všch měřní s njvyšší clkovou xrgtckou účnností. Z hldska provozu výměníku j žádoucí aby xrg a xrgtcký faktor ohřívaného vzduchu na výstupu z výměníku byly co njvyšší a ochlazovaného vzduchu na výstupu co njnžší. xrgtcké faktory dosahují vlm malých hodnot, například j-l ε x,1 0,0403 (t 1 19,7 C, t 1 7,9 C, κ 1,02, dskový výměník) znamná to, ž tplný tok 1 obsahuj 4,03 % xrg a 95,97 % anrg. xrgtcký faktor j funkcí poměru tplot T 0 a T a platí podobně jako pro xrg ztrátového tplného toku Δ, ž pro stjný ΔT,1 j vyšší př nžších tplotách a nžší př vyšších tplotách. 4.2 Provozní měřní Pro provozní měřní byl zvoln rkuprační výměník, ktrý j součástí větracího systému bazénu. Tato volba byla z důvodu posouzní výměníku, v ktrém probíhá alspoň částčně k sdílní vázaného tpla. Př zmních provozních stavch docházlo k kondnzac vodní páry na tplosměnných plochách. Bohužl s npodařlo úplně přsně zjstt vlv vázaného tpla v clkové blanc, tnto problém bud součástí další prác. Měřní dskového rkupračního výměníku proběhlo pouz př rovnoobjmovém stavu [9] pro κ V /V 1,016, běhm provozu nbylo možné přstavt klapky na vstupch proudů vzduchu a tím rgulovat objmový průtok. Obr. 6. Porovnání tplotních účnností η t a clkových xrgtckých účnností η x,c v závslost na rozdílu vstupních tplot vzduchu ΔT,1 pro dskový výměník a výměník z tplných trubc př rovnokapactním provozu S rostoucím rozdílm tplot ΔT,1 byl zjštěn nárůst xrgtcké účnnost využtí tpla z ochlazovaného vzduchu η x,. Př nárůstu ΔT,1 o 18 K účnnost η x, vzrostla o 0,1 z 0,6 na 0,7, což potvrzují rovnc (12) a (16), kd s nárůstm tplotního rozdílu ΔT,1 s rychl zvyšuj xrg tplného toku 1 prot pomalu rostoucí xrg 2. Prot tomuto průběhu naopak s rostoucím ΔT,1 klsá xrgtcká účnnost přnosu tpla z ochlazovaného do ohřívaného vzduchu η x,p. Běhm měřného nárůstu ΔT,1 poklsla η x,p o 0,06, př dosažní hodnot v rozmzí 0,241 až 0,181. V smyslu vztahu (15) má na pokls njvětší vlv růst rozdílu xrgí ochlazovaného proudu vzduchu 1 2. Výsldkm průběhu dílčích xrgtckých účnností j klsající průběh clkové xrgtcké účnnost výměníku η x,c (15) s nárůstm tplotního spádu ΔT,1. Clková xrgtcká účnnost dosáhla př mnmálním tplotním rozdílu ΔT,1 16 K maxmální hodnoty 0,148. To j výrazně nízká hodnota, pokud j porovnám s laboratorně měřným dskovým výměníkm, tn dosáhl př stjném ΔT,1 hodnoty clkové xrgtcké účnnost 0,14, zatím co výměník z tplných trubc dosáhl dokonc 0,35. Tplotní účnnost η Rt klsá s nárůstm tplotního rozdílu ΔT,1 T 1 T 1, ktrý j výrazně větší nž nárůst rozdílu tplot ΔT T 2 T 1 (5). Hodnoty η t s pohybovaly v rozmzí 0,460 a 0,406. Vypočtné hodnoty xrgí jdnotlvých toků vzduchu s pohybují v rozsahu 980 W až 31 500 W. Výrazný rozdíl hodnot xrgí prot laboratornímu měřní j dán přdvším vyšším objmovým průtokm a vyšší měrnou ntalpí ochlazovaného vzduchu odváděného z ntréru bazénu. Na obr. 9 j znázorněno procntulní rozdělní průměrných xrgí tplných toků v výměníku v průběhu měřní. Njdůlžtější na této blanc j xrg ztrátového tplného toku Δ tvořící njvětší podíl 52,79 %. Jako u přdchozích laboratorních měřní rost Δ s tplotním spádm ΔT,1. Pro výš xrg ztrátového tplného toku j také důlžtá výš tplot T 1 a T 1.Př stjném tplotní rozdílu ΔT,1 j xrg ztrátového tplného toku nžší př vyšších tplotách a vyšší př nžších tplotách. xrgtcké faktory vyjadřují zastoupní xrg a anrg v tplném toku, pro měřný výměník nabývaly vlm malých hodnot. Například xrgtcký faktor ochlazovaného proudu vzduchu na vstupu do výměníku ε x,1 V část vyhodnocní účnnost byl njprv zjštěn průběh dílčích xrgtckých účnností a clkové, pro porovnání byla stanovna tplotní účnnost. V grafu na obr. 8 jsou uvdny jdnotlvé účnnost v závslost na rozdílu tplot proudů vzduchu na vstupch do výměníku ΔT,1 T 1 T 1. Tplotní rozdíl ΔT,1 dosahoval hodnot 16 až 34 K. Obr. 7. Porovnání podílů xrg ztrátového tplného toku pro dskový výměník, výměník z tplných trubc 225
0,1 (t 1 27,6 C, t 1 2,6 C) znamná to, ž tplný tok obsahuj 10 % xrg a 90 % anrg. Obcně platí, ž s nárůstm tploty proudu vzduchu T vůč T 1 T 0 s zvyšuj podíl využtlné nrg, tdy xrg a zvyšuj s xrgtcký faktor. Jak bylo uvdno u vyhodnocní laboratorního měřní j xrgtcký faktor funkcí pouz poměru tplot T 0 a T a platí podobně jako pro xrg ztrátového tplného toku Δ, ž pro stjný ΔT,1 j vyšší př nžších tplotách a nžší př vyšších tplotách. 5. ZÁVĚR Hlavní přínos řšného problému j posouzní clkové nrgtcké blanc výměníků podl II. zákona trmodynamky. Výměníky typu vzduch vzduch, jjchž xrgtcké analýz s tnto článk věnuj, pracují v smyslu zákonů o sdílní tpla v nvratných změnách a proto kvalta přnosu tplných toků mz proudy vzduchu j závslá jak na konstrukc, tak provozních podmínkách. Přínosm j hlubší pohld na běžně uvažované účnnost zařízní pro zpětné získávání tpla a přdvším vyvrácní něktrých mýtů o dokonalost těchto zařízní. Jak j patrné z přdchozího txtu nvychází hodnocné výměníky zvláš dobř z hldska maxmálních účnností a jjch stálost v různých provozních stavch daných měnícím s tplotam a objmovým průtoky ochlazovaného a ohřívaného proudu vzduchu. Cílm tohoto posouzní j uvést mtodu, ktrá umožní vclku snadno posoudt rkuprační výměník provozovaný v rámc jakéhokolv větracího systému v cloročním provozu, bz nutné znalost dtalů popsujících paramtry tplosměnné plochy. V tomto souhrnu j dál uvdn výstup obcně platných výsldků xrgtcké analýzy, ktré byly zjštěny nzávsl na typu rkupračního výměníku a podmínkách provozu. Bylo prokázáno, ž [7], [8], [9]: xrgtcká účnnost využtí tpla z ochlazovaného vzduchu η x, stoupá s rozdílm vstupních tplot vzduchu ΔT,1 ; xrgtcká účnnost přnosu tpla z ochlazovaného do ohřívaného vzduchu η x,p klsá s rozdílm vstupních tplot vzduchu ΔT,1 ; všchny xrgtcké účnnost s rostoucím κ V.V -1 klsají; xrg ztrátového tplného toku Δ strmě rost s stoupajícím rozdílm ΔT,1 ; Obr. 9. Schéma xrgí tplných toků v dskovém rkupračním výměníku př κ 1,016. Obr. 8. Závslost změny xrgtckých účnností dskového výměníku na rozdílu vstupních tplot vzduchu př κ V /V 1,016 1 η x,p xrgtcká účnnost přnosu tpla z ochlazovaného do ohřívaného vzduchu 2 η x, xrgtcká účnnost využtí tpla z ochlazovaného vzduchu 3 η x,c clková xrgtcká účnnost 4 η Rt tplotní účnnost xrg ztrátového tplného toku Δ j př stjném rozdílu tplot ΔT,1 nžší př vyšších tplotách a vyšší př nžších tplotách; xrg ztrátového tplného toku Δ s zvyšuj, pokud κ V.V -1 1; xrg ztrátového tplného toku tvoří př všch měřných stavch výrazný podíl z clkové blanc, většnou přsahující 50 %, xrgtcké faktory ε x,1, ε x,2, ε x,2 rostou s rozdílm vstupních tplot vzduchu ΔT,1 ; xrgtcké faktory stjně jako xrg ztrátového tplného toku jsou př stjném rozdílu tplot ΔT,1 nžší př vyšších tplotách a vyšší př nžších tplotách. Vyhodnocní rkupračních výměníků a tnto článk byly přpravny za přspění výzkumného záměru VZ03 CZ MSM6840770003 Rozvoj algortmů počítačových smulací v nžnýrství. Kontakt na autora: danl.adamovsky@fsv.cvut.cz Použté zdroj: [1] Bjan, A.: ntropy gnraton mnmzaton: Th nw thrmodynamcs of fnt-sz dvcs and fnt tm procsss. Journal of Appld Physcs, 79, 1996 (3): 1191-1218. [2] Bjan, A.: Fundamntals of xrgy analyss, ntropy gnraton mnmzaton, and th gnraton of flow archtctur. Intrnatonal Journal of nrgy Rsarch, 26, 2002, p.545-565. [3] Adamovský, R., Kára, J.: Využtí druhotného tpla větracího vzduchu stájí. 1.vyd. Vydáno v rámc MSM 413100015. Praha. 2002, p. 211 [4] Rant, Z.: xrg n nus Wortfür tchnsch Arbtsfähgkt. Forsch. -Ing.-Ws. 22, 1956:36-37. [5] Rcknagl, H., Sprngr,., Schramk,.R.: Taschnbuch für Hzung und Klmatchnk. 67 d. Wn: Oldbourg Vrlag Münchn, 1994, 1 899 p. [6] Chyský, J., Hmzal, K. a kol.: Větrání a klmatzac. Tchncký průvodc č.31. Čská matc tchncká, 1993, 1. vyd. p. 560. [7] Adamovský, D., t al.: xrgy of hat flows n xchangr consstng of gravty hat pps. Rsarch n Agrcultur ngnrng, 51, 2005, (3): s. 81-87, [8] Adamovský, R., Adamovský, D., Hrák, D.: xrgy of hat flows of th ar-to-ar plat hat xchangr. Rsarch n Agrcultur ngnrng, 50, 2004 (4): s. 130-135. [9] Adamovský, D., Kabl, K., Urban, M.: valuaton of cross-flow hat xchangr wthn vntlaton systm of publc swmmng pool basd on xrgy analyss of th hat flows, procdngs of 17th Ar-condtonng and vntlaton confrnc 2006. 17.6 19.6. 2006, Praha: s. 13-18. 226