Energetické systémy zpětného získávání tepla z větracího vzduchu

Energetické systémy zpětného získávání tepla z větracího vzduchu Přednáška z předmětu TZ 31 Ing. Daniel Adamovský, Ph.D. katedra technických zařízení budov, fakulta stavební ČVUT

Osnova přednášky Osnova přednášky Princip zařízení pro zpětné získávání tepla (ZZT) Základní dělení zařízení Problémy při využití v větracím systému Hodnocení efektivnosti provozu TZ31: Energetické systémy zpětného získávání tepla z větracího vzduchu

Princip zařízení pro ZZT Základní principy Účel: Využít teplo přenášené odpadním (znečištěným) vzduchem a zlepšit celkovou energetickou bilanci systému. Využití tepla: ohřev přiváděného čerstvého vzduchu, ohřev jiné látky pro využití v energetickém systému provozu (voda, akumulační látka...), ohřev látky mimo energetický systém (sušení,...)

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

Princip zařízení pro ZZT Základní principy Vlivy na přenesený tepelný tok: Parametry výměníku velikost, tvar a materiál teplosměnné plochy rovnoměrnost vystavení teplosměnné plochy proudům vzduchu technická kvalita výměníku těsnost, mechanická odolnost, odolnost příměsím v vzduchu apod. součinitel prostupu tepla přes teplosměnnou plochu zejména součinitelé přestupu tepla z vzduchu na teplosměnnou plochu na straně ochlazovaného a opačně na straně ohřívaného vzduchu, + další v případě vložených kapalinových okruhů

Princip zařízení pro ZZT Základní principy Vlivy na přenesený tepelný tok: Parametry provozu parametry proudů vzduchu zejména rozdíl teplot a hmotnostních průtoků rovnost hmotnostních toků ochlazovaného a ohřívaného vzduchu tlakové rozdíly mezi proudy vzduchu příměsy ve vzduchu nečistoty, korozivní a leptavé látky údržba zařízení zejména pravidelné čištění teplosměnných ploch a výměna filtrů

Rozdělení zařízení pro ZZT Rozdělení Základní dělení výměníků: regenerační entalpijní získávání tepla, -převažující sdílení citelné, latentní teplo, hmota, rekuperační teplotní získávání tepla, -převažující sdílení citelné (latentní) teplo,

Rozdělení zařízení pro ZZT Rozdělení Základní dělení tepelných čerpadel: na výparník TČ je přiváděn odpadní vzduch tepelná čerpadla v provedení vzduch / x vzduch voda pevné látky PCM (phase change material) speciální případ zařízení pro ZZT

Rozdělení výměníků Několik podrobněji zmíněných výměníků: Vybrané typy výměníků Regenerační rotační výměníky přepínací výměníky Rekuperační deskové výměníky výměníky z tepelných trubic oddělené výměníky s vloženým kapalinovým okruhem

Regenerační výměníky Rotační výměníky Vybrané typy výměníků t 1,t 2 ochlazovaný vzduch, t 3,t 4 ohřívaný vzduch, 1- válcová teplosměnná plocha, 2+3- el. motor a převod, 4- potrubí ochlazovaného vzduchu, 5- potrubí ohřívaného vzduchu

Regenerační výměníky Vybrané typy výměníků Rotační výměníky dělení: Kondenzační rotory převažuje sdílení citelného tepla, latentní teplo případně vodní pára je přenášena pouze v případě ochlazení části teplosměnné plochy pod teplotu rosného bodu odvlhčovaného vzduchu. Entalpijní rotory teplosměnná plocha je tvořena chemicky naleptanými foliemi s kapilární strukturou povrchu. Kromě kondenzace dochází k přenou vodní páry adsorpčím účinkem. Sorpční rotory tyto rotory přenášejí vlhkost téměř nezávisle na stavu vzduchu, bez kondenzace vodní páry.

Regenerační výměníky Rotační výměníky materiály teplosměnných ploch: Vybrané typy výměníků přenos citelného tepla - hliník, plasty, papír, měď vysoké teploty - nerezová ocel, keramické hmoty přenos celkového tepla - desikanty adsorbéry vodní páry, zeolit, syntetické polymery, aktivovaný oxid hlinitý

Regenerační výměníky Vybrané typy výměníků Rotační výměníky výhody a nevýhody: Výhody vysoká teplotní účinnost přesahující 85% teplosměnná plocha až 3000 m 2 /m 3 kompaktní rozměry využitelné pro přenos citelného i latentního tepla a vlhčení/odvlhčování vzduchu (regulace přenášeného tepelného toku) Nevýhody netěsnost mezi pláštěm a rotorem závislost na el. energii vysoká tlaková ztráta transport hmoty (voda, prach) mezi proudy vzduchu vysoké investiční náklady (zejména sorpční rotory)

Regenerační výměníky Přepínací výměníky Vybrané typy výměníků 1,2 ochlazovaný vzduch, 3,4 ohřívaný vzduch, Výměník je většinou tvořen násypem akumulačního materiálu, přes který proudí střídavě odpadní a čerstvý vzduch. Intervaly přepínání se pohybují v řádu sekund až desítek minut

Regenerační výměníky Přepínací výměníky akumulační materiál: Vybrané typy výměníků oblázky zrnitosti 6-15 mm střední kamenivo kolem 50 mm kameny velikosti až 120 mm Vliv zrnitosti materiálu: s narůstající zrnitostí roste teplotní účinnost (omezení do cca 50-70 mm studie se různí) s narůstající zrnitostí klesá účinnost přenosu vlhkosti pro zrnitosti nad 15 mm klesá pod 20%

Regenerační výměníky Přepínací výměníky výhody a nevýhody: Vybrané typy výměníků Výhody jednoduchá konstrukce nízké investiční náklady snadná čistitelnost teplosměnné plochy teplosměnná plocha možná jakýchkoliv rozměrů využitelné pro přenos citelného i latentního tepla možná kombinace s dlouhodobější akumulací tepla Nevýhody nižší účinnost mezi 40-55% značné prostorové nároky obtížný návrh neexistují spolehlivé metody

Regenerační výměníky Regenerační výměníky transport hmoty: Vybrané typy výměníků Transport hmoty patří mezi základní vlastnosti regeneračních výměníků s společnou teplosměnnou plochou v pořádku pokud nedochází k degradaci čerstvého vzduchu transport prachových částic tvorba aerosolů bakterie osadit filtry na oba vstupy a výstupy vzduchu - omezit redistribuci pevných částic

Rekuperační výměníky Deskové výměníky Vybrané typy výměníků t 1,t 2 ochlazovaný vzduch, t 3,t 4 ohřívaný vzduch, 1- teplosměnné plochy ochlazovaného vzduchu; 2- teplosměnné plochy ohřívaného vzduchu.

Rekuperační výměníky Vybrané typy výměníků Deskové výměníky sdílení tepla: sdílení hlavně citelného tepla sdílení latentního tepla v případě kondenzace vodní páry na straně ochlazovaného vzduchu vývoj speciálních výměníků umožňujících transport vlhkosti mezi proudy vzduchu při vysoké těsnosti teplosměnných ploch (porézní materiály obsahující celulózu, některé polymery a další syntetické materiály)

Rekuperační výměníky Vybrané typy výměníků Deskové výměníky teplosměnné plochy: folie z umělých hmot, pozinkovaný plech, nerezová ocel, hliník tvar způsobuje při obtékání desky narušení mezní vrstvy a tím ke zvýšení přestupu tepla vzdálenost od 2,5 mm do 12,5 mm Uspořádání proudů vzduchu: křížoproudé částečně až plně protiproudé vyšší střední log. rozdíl teplot vyšší přenášený tepelný výkon při stejné ploše

Rekuperační výměníky Deskové výměníky výhody a nevýhody: Vybrané typy výměníků Výhody teplotní účinnost v rozsahu 50-75% vyvážený přestup tepla jednoduchá konstrukce kompaktní rozměry, malá hmotnost oddělení proudů vzduchu Nevýhody vysoká tlaková ztráta obtížná čistitelnost při větších rozměrech výměníku stále složitější tvary teplosměnných ploch

Rekuperační výměníky Výměníky z tepelných trubic Vybrané typy výměníků t 1,t 2 ochlazovaný vzduch, t 3,t 4 ohřívaný vzduch, 1- plášť trubice; 2- lamely trubice; 3- páry chladiva; 4- kondenzát chladiva; 5- dělící přepážka trubice; 6- pracovní médium trubice.

Rekuperační výměníky Vybrané typy výměníků Výměníky z tepelných trubic sdílení tepla: sdílení hlavně citelného tepla sdílení latentního tepla podle teploty varu pracovního media Rozdělení: gravitační pracují v vertikální poloze kondenzát stéká po vnitřním povrchu trubice kolize s párou chladiva kapilární pracují v horizontální poloze (mírný spád) kondenzát stéká tzv. knotovou soustavou oddělení od par

Rekuperační výměníky Vybrané typy výměníků Výměníky z tepelných trubic konstrukce: uspořádání do svazků zvolen počet řad a trubic v řadě podle potřebného sděleného tepelného toku maximální tlakové ztráty velmi variabilní systém možnost nízkých tlakových ztrát přirozené větrání Provedení trubic: hladké žebrované s různými tvary a roztečí žeber

Rekuperační výměníky Výměníky z tepelných trubic výhody a nevýhody: Vybrané typy výměníků Výhody vysoká účinnost při malých rychlostech vzduchu (80%) kapilární trubice jsou reversibilní variabilita konstrukce uspořádání trubic do svazků mechanicky odolná teplosměnná plocha nízká tlaková ztráta použitelné i pro přirozené větrání Nevýhody větší rozměry a hmotnost výrazný pokles účinnosti s rostoucí rychlostí

Rekuperační výměníky Oddělené výměníky s vloženým kapalinovým okruhem Vybrané typy výměníků t 1,t 2 ochlazovaný vzduch, t 3,t 4 ohřívaný vzduch, 1- výměník v proudu ohřívaného vzduchu; 2- výměník v proudu ochlazovaného vzduchu; 3- oběžné čerpadlo pracovní látky (voda);

Rekuperační výměníky Vybrané typy výměníků Oddělené výměníky s vloženým kapalinovým okruhem používané pro přenos tepla v v oddělených, často i vzdáleně dislokovaných výměnících propojení zprostředkujícím kapalinovým okruhem výměník kapalina vzduch nejčastěji žebrované trubky pracovní látka nejčastěji voda nemrznoucí směsi většinou látky bez fázové přeměny

Rekuperační výměníky Oddělené výměníky s vloženým kapalinovým okruhem Vybrané typy výměníků Výhody možnost různého umístění výměníků rekonstrukce zabránění míšení proudů vzduchu nízké investiční náklady Nevýhody nízká účinnost vzhledem k několikanásobnému přestupu tepla provozní náklady na příkon oběhového čerpadla

Problémy při využití výměníků Problémy při využití ZZT V každém větracím systému jsou zatíženy různými provozními faktory komplikujícími správnou funkci: netěsnosti teplosměnných ploch zanášení teplosměnných ploch možné námrazy koroze Nutná zvýšená údržba!

Problémy při využití výměníků Problémy při využití ZZT Netěsnosti teplosměnných ploch, Příčina výrobní nedostatky koroze umocněno rostoucím tlakovým rozdílem mezi proudy vzduchu Důsledek pokles i nárůst účinnosti výměníku, přenos škodlivin ze znečištěného do čerstvého vzduchu, přenos odérů a jiných kontaminantů, přenos může probíhat i zkondenzovanou vlhkostí.

Problémy při využití výměníků Netěsnosti teplosměnných ploch, Problémy při využití ZZT Charakteristika: účinnost mísení vzduchu E m vhodná zejména pro deskové výměníky xe2 xe 1 Em = xi 1 xi2 kde, x e2 x e1 je rozdíl měrných vlhkostí přiváděného čerstvého vzduchu, x i1 x i2 je rozdíl měrných vlhkostí odváděného odpadního vzduchu.

Problémy při využití výměníků Netěsnosti teplosměnných ploch, Problémy při využití ZZT Zajímavost k rotačním výměníkům: transport hmoty je nedílnou součástí provozu chceme-li jej využít v systému větrání čistého provozu laboratoře, operační sály, citlivé výrobní procesy apod. nelze dovolit přenosu škodlivin mezi proudy vzduchu možnost sorpční rotory volba vhodného desikantu rozbor vzduchu zjistit velikost molekul kontaminantů volit desikant pohlcující pouze menší molekuly

Problémy při využití výměníků Problémy při využití ZZT Znečištění teplosměnných ploch: Příčina přirozený důsledek činnosti ve větraném a okolním prostoru Důsledek snížení hmotnostního toku vzduchu snížení součinitele prostupu tepla teplosměnnými plochami pokles tepelného toku předaného tepla v případě rotačních a přepínacích výměníků se ulpělé nečistoty transportují mezi toky vzduchu

Problémy při využití výměníků Příklad důsledku znečištění: Problémy při využití ZZT zemědělský provoz, deskové rekuperační výměníky ZV 3-022, (kdysi vyráběné v ZD Horní Brusice) měřeno po realizaci a následně po 9 a 11 měsících.

Problémy při využití výměníků Problémy při využití ZZT Příklad důsledku znečištění: Příčiny vniřní provoz s velkou produkcí prachových částic (kůže, stelivo, potrava..), prašné vnější komunikace, míšení přívodního a odváděcího vzduchu vlivem netěsností: nový výměník - účinnost míšení vzduchů 0,15 až 0,22 (A) 11 měsíců provozu poklesl na 0,01 až 0,02 (B) 9 měsíců provozu poklesl až na 0,005 až 0,01 (C)

Problémy při využití výměníků Problémy při využití ZZT Příklad důsledku znečištění: Důsledky pokles hmotnostního toku až o 30% ohrožení kvality vnitřního prostředí stáje pokles součinitele prostupu tepla z 9,29 na 4,97 W.m -2.K -1 pokles účinnosti o 20% výrazné zhoršení vlivu na energetickou bilanci

Problémy při využití výměníků Příklad důsledku znečištění: Problémy při využití ZZT A byla měřena ihned po instalaci výměníků B byly naměřeny ve stáji pro telata v mléčné výživě po 11 měsících provozu C byly naměřeny ve stáji pro telata v rostlinné výživě po 9 měsících provozu

Problémy při využití výměníků Problémy při využití ZZT Znečištění teplosměnných ploch: Řešení instalace filtrů na všechny vstupní a výstupní strany výměníku pravidelná výměna filtrů zanesený filtr může být lepším prostředím pro tvorbu bakterií než výměník pravidelné čištění výměníku v špinavých provozech můžou být intervaly velmi krátké (např. 1x týdně v chovech drůbeže) návrh vhodného výměníku pro snadnou čistitelnost

Problémy při využití výměníků Namrzání teplosměnných ploch Problémy při využití ZZT Příčiny vysoký teplotní rozdíl vzduchů - nárůst kondenzace vlhkosti - pokud není vlhkost řádně odvedena je možné namrzání, Důsledky omezení průtočného profilu výměníku, snížení objemového toku vzduchu, destrukce výměníku,

Problémy při využití výměníků Namrzání teplosměnných ploch Problémy při využití ZZT Prevence odvod kondenzátu využití tepla z odpadního vzduchu pro prohřátí výměníku venkovní vzduch proudí by-pasem předehřev ohřívaného vzduchu využití PC (phase change) materiálu

Problémy při využití výměníků Namrzání teplosměnných ploch Problémy při využití ZZT Využití materiálu s fázovou změnou (PCM) sendvič plech PCM plech v PC materiálu je akumulováno teplo příkonem el. proudu venkovní vzduch proudí by-pasem tl. 3 mm PCM + el. příkon je schopné bránit namrzání totéž při tl. 6 mm PCM i bez el. příkonu cenou je snížení účinnosti výměníku Qarnia, Lacroix, Mercadier, Use of a phase change material to prevent frosting in a compact crossflow air heat exchanger. Energy Conversion and Management, 42, 2001, p. 1277-1296

Problémy při využití výměníků Namrzání teplosměnných ploch Problémy při využití ZZT Vývoj nárůstu námrazy na rotačním výměníku: převažuje sklovitá nad hrubou námrazou větší měrná hmotnost a lepší tepelná vodivost rozhodující faktory: měrná vlhkost odpadního vzduchu teplota přiváděného vzduchu Bilodeau, Brousseau, Lacroix, Mercadier, Frost formation in rotary heat and moisture exchangers. Heat and Mass Transfer, 42, 1999: p.2605 2619.

Problémy při využití výměníků Namrzání teplosměnných ploch Problémy při využití ZZT Vývoj nárůstu námrazy na rotačním výměníku: Bilodeau, Brousseau, Lacroix, Mercadier, Frost formation in rotary heat and moisture exchangers. Heat and Mass Transfer, 42, 1999: p.2605 2619.

Problémy při využití výměníků Problémy při využití ZZT Namrzání teplosměnných ploch Řešení odvod kondenzátu vysoká účinnost provozu - vyšší tepelný tok přes teplosměnné plochy tvar teplosměnných ploch (umístění výměníku v nemrznoucím prostředí) V případě namrznutí výměník odstavit a rozmrazit

Problémy při využití výměníků Problémy při využití ZZT Koroze teplosměnných ploch Příčiny Ve větraném prostředí jsou obsaženy látky, které mohou být agresivní vůči materiálu potrubí a výměníku, Důsledky V první fázi koroze - nárůst (důsledek zvrásnění povrchu), V další fázi koroze- pokles součinitele přestupu tepla, V poslední fázi - vznik netěsností až rozpad výměníku, Prevence Při návrhu volit materiál výměníku odolný látkám v vzduchu

Problémy při využití výměníků Často opomíjené... Výměník ZZT je vřazeným odporem tlaková ztráta musí být pokryta pracovním tlakem ventilátoru, vyšší spotřeba elektrické energie! (část lze využít formou tepla z vzduchem chlazené skříně ventilátoru) Tlakové ztráty závisí na: tvar teplosměnných ploch hmotnostní průtok vzduchu teplota vzduchu vlhkost vzduchu napojení vstupu a výstupu výměníku

Hodnocení výměníků Používané účinnosti účinnost zpětného získávání tepla -poměr rekuperovaného k celkovému teoreticky získatelnému tepelnému výkonu, teplotní účinnost -měřítkem efektivnosti přenosu citelného tepla, entalpická účinnost - ukazuje provozní efektivnost přenosu tepla vzhledem k parciální kondenzaci vodní páry (měrné vlhkosti), exergetická účinnost - definuje ztráty energie podmíněné nevratností dějů,

Hodnocení výměníků Účinnost zpětného získávání tepla Používané účinnosti η R = QR Q Q i e z tohoto vztahu jsou odvozeny všechny ostatní účinnosti - Rekuperovaný tepelný výkon - Celkový tepelný výkon, který je možné získat při využití teplotního spádu mezi ochlazovaným i a ohřívaným e vzduchem. t e1;h e1;x e1; V e vnější prostředí t e2;h e2;x e2; V e vnitřní prostředí t;h;x; i1 i1 i1 V i t;h;x; i2 i2 i2 V i

Hodnocení výměníků Používané účinnosti Rt = Teplotní účinnost -je měřítkem efektivnosti přenosu citelného tepla, nejpoužívanější z účinností v technické praxi, umožňuje porovnání různých výměníků η te2 te 1 Vi ρi cpi t V ρ c e e pe i1 t e1 - nezahrnuje latentní teplo - = t t e2 i1 t t e1 e1 t e1;h e1;x e1; V e vnější prostředí pro V i = V e, ρ i = ρ e, c pi = c pe t e2;h e2;x e2; V e vnitřní prostředí t;h;x; i1 i1 i1 V i t;h;x; i2 i2 i2 V i

Hodnocení výměníků Používané účinnosti η Rh = Entalpická účinnost - ukazuje provozní efektivnost přenosu tepla vzhledem k parciální kondenzaci vodní páry (měrné vlhkosti), he 2 he 1 Vi ρi (1 + xe 1) h (1 + x ) V ρ i1 - zahrnuje latentní teplo - e e i1 h e1 t e1;h e1;x e1; V e vnější prostředí t e2;h e2;x e2; V e vnitřní prostředí t;h;x; i1 i1 i1 V i t;h;x; i2 i2 i2 V i

Hodnocení výměníků Používané účinnosti η ex, c Exergetická účinnost - vychází z II. zákona termodynamiky, popisuje ztráty energie podmíněné nevratností dějů η ex, p η ex,i = η η ex, p ex, i = Ee2 E E i1 e1 - exergetickou účinnost přenosu tepla z ochlazovaného do ohřívaného vzduchu - exergetická účinnost využití tepla z ochlazovaného vzduchu popisuje jak je reálný nevratný proces blízký ideálnímu vratnému procesu t e1;h e1;x e1; V e vnější prostředí t;h;x; i2 i2 i2 V i t e2;h e2;x e2; V e vnitřní prostředí t;h;x; i1 i1 i1 V i

... děkuji za pozornost Ing. Daniel Adamovský, Ph.D. katedra technických zařízení budov, fakulta stavební ČVUT