Efektywność energetyczna urządzeń w technice wentylacyjnej i klimatyzacyjnej (2). Rekuperator z charakterem

Zobacz artykuł w wersji pdf pdf pdf

Na początku jednak chciałbym wrócić do tematu rozpoczętego w poprzedniej części, a mianowicie do przepływu ciepła między płynami w wymienniku. Jak wspomniałem wartości współczynników przejmowania ciepła dla cieczy przyjmują na ogół znacznie większe wartości niż dla gazów i par. Zmianie stanu skupienia płynu (skraplanie, wrzenie) towarzyszą wyższe wartości współczynników niż w przypadkach wymiany ciepła bez zmiany stanu skupienia płynu.

Z kolei podczas konwekcji wymuszonej płynu (przepływ płynu wymuszony działaniem zewnętrznym sprężarki, pompy, wentylatora lub podobne urządzenia) występują wyższe wartości współczynników niż przy konwekcji naturalnej płynu wywołanej działaniem siły wyporu termicznego.

Natomiast współczynnik przewodzenia ciepła jest własnością fizyczną materiału przegrody rozdzielającej oba płyny.

Podczas konstrukcji takiego aparatu wartość jego współczynnika przenikania ciepła jest określana analitycznie, ale potem przeprowadzane badania cieplne wykonanego aparatu mogą jego wartość skorygować.

Zgodnie z prawem Pécleta strumień przekazywanego w aparacie ciepła zależy też od średniej różnicy temperatury pomiędzy płynami. Dlatego też wyniki badań wymiennika ciepła powinno się podać nie w postaci wartości współczynnika przenikania ciepła, lecz w postaci jego charakterystyki cieplnej. Taka charakterystyka ujmuje np. wpływ zmiany niektórych parametrów przepływowych jednego z płynów na wielkość przekazywanego między nimi strumienia ciepła.

Cechy rekuperatora Poprawnie skonstruowany rekuperator powinien charakteryzować się znikomym oporem cieplnym przegrody rozdzielającej oba wymieniające ciepło płyny. Dlatego też w analizach dotyczących szeregu przypadków, zwłaszcza wymienników z techniki klimatyzacyjnej, można go zaniedbać. Wówczas to w pewnym, ale wygodnym, uproszczeniu współczynnik przenikania ciepła zależy tylko od współczynników przejmowania ciepła po obu stronach przegrody.

I tu można wyodrębnić dwa charakterystyczne przypadki:

  • płyny charakteryzują się silnie zróżnicowanymi wartościami współczynników przejmowania ciepła, np. w przypadku chłodnicy lub nagrzewnicy powietrza zasilanej wodą odpowiednio grzejną lub chłodzącą,
  • płyny charakteryzują się zbliżonymi wartościami współczynników przejmowania ciepła, np. w rekuperacyjnych wymiennikach ciepła, w których zachodzi wymiana ciepła – tzw. odzysk ciepła – pomiędzy powietrzem usuwanym a nawiewanym.

W pierwszym z tych przypadków, wobec wysokich wartości współczynnika przejmowania ciepła w przypadku wody, przy niewielkiej wartości współczynnika przejmowania ciepła dla powietrza, współczynnik przenikania ciepła aparatu jest tylko nieco mniejszy od współczynnika przejmowania ciepła dla powietrza.

Z kolei dla drugiego przypadku, o zbliżonych wartościach współczynnika przejmowania ciepła po obu stronach przegrody, współczynnik przenikania ciepła aparatu jest w przybliżeniu równy połowie uśrednionej wartości tego współczynnika przejmowania ciepła.

Wynika stąd podstawowy wniosek dotyczący efektywności energetycznej takiego aparatu, która silnie zależy od zazwyczaj niewielkiej wartości współczynnika przejmowania ciepła po stronie powietrza. A zatem podstawowe zadanie konstrukcyjne i badawcze sprowadza się do takiego układu geometrycznego części przepływowej wymiennika, by zapewnić możliwie jak najwyższe wartości współczynnika przejmowania ciepła po stronie powietrza.

Dodatkowym argumentem przemawiającym za koniecznością maksymalizacji współczynnika przejmowania ciepła po stronie powietrza, powodującą wszak ograniczenie rozmiarów powierzchni wymiany ciepła aparatu, jest – również wpływająca na te rozmiary – stosunkowo niewielka średnia różnica temperatury występująca pomiędzy płynami wymieniającymi ciepło w tym aparacie (jako specyficzna cecha techniki wentylacyjnej i klimatyzacyjnej).

W nagrzewnicy powietrza, w warunkach ograniczenia poziomu temperatury wody grzejnej, a już szczególnie w chłodnicy powietrza, przy wykorzystaniu tzw. wody lodowej jako nośnika chłodu, wspomniana średnia różnica temperatury między powietrzem a odpowiednim nośnikiem nie przekracza najczęściej 10 K. Podobnego rzędu jest średnia różnica temperatury pomiędzy strumieniami powietrza podczas tzw. regeneracyjnego odzysku ciepła stosowanego w centralach klimatyzacyjnych i wentylacyjnych. Wymusza to w konsekwencji intensyfikację wymiany ciepła po stronie powietrza we wspomnianych aparatach jako jedyny sposób ograniczania rozmiarów powierzchni wymiany ciepła, przy narzuconej wartości przekazywanego strumienia ciepła.

Sens fizyczny intensyfikacji wymiany ciepła sprowadza się do zwiększenia stopnia burzliwości przepływu i jednocześnie zmniejszenia grubości warstwy laminarnej (przylegającej do powierzchni wymiany ciepła), decydującej o oporze cieplnym przejmowania ciepła między płynem a powierzchnią aparatu. A zatem łatwo się domyślić, że każda, nawet najmniejsza lokalna, zmiana prędkości strugi przepływającego płynu wpływa na wartość współczynnika przejmowania ciepła. Właśnie zmianie prędkości towarzyszy wzrost burzliwości struktury przepływającego płynu. Praktycznym celem takiej intensyfikacji jest takie zorganizowanie oddziaływania na przepływający strumień czynnika, by uzyskać przyrost lokalnej (przyściennej) prędkości płynu. Jeżeli jednak wspomniana zmiana prędkości powoduje wzrost średniej prędkości przepływu czynnika, to w konsekwencji następuje wzrost oporów jego przepływu w takim aparacie, co wymusza wzrost mocy napędowej odpowiednich urządzeń służących do przetłaczania płynów, a współpracujących z wymiennikami.

Intensyfikacja wymiany ciepła Istnieje pewna ciekawa, z punktu technicznego, możliwość prowadząca do poszukiwanego efektu energetycznego w postaci intensyfikacji wymiany ciepła. Jest to pozorne zwiększenie wartości współczynnika przejmowania ciepła po stronie powietrza poprzez zastosowanie rozwiniętej tam powierzchni wymiany ciepła. Przy rozwinięciu tej powierzchni względem rozmiarów gładkiej powierzchni po tej samej stronie przegrody uzyskujemy właśnie wspomniany efekt. A zatem względnie niska wartość współczynnika przejmowania ciepła po stronie powietrza, ale odniesiona do zwiększonej tam lokalnie powierzchni wymiany ciepła, przy prawie takiej samej różnicy temperatury między powierzchnią a powietrzem, powoduje w efekcie wzrost strumienia ciepła dopływającego do tej strony przegrody. Dlatego też w takich aparatach zawsze spotykamy rozwinięte w różny sposób powierzchnie omywane przez powietrze, stanowiące jej tzw. ożebrowanie.

Zastosowane ożebrowanie powierzchni po stronie powietrza nie wyczerpuje jednak możliwości technicznych intensyfikacji wymiany ciepła w wymiennikach.

Trzy sposoby Ogólnie rzecz biorąc, rozróżniamy trzy główne sposoby intensyfikacji wymiany ciepła w takich aparatach. I tak intensyfikacja może być wywołana metodami aktywnymi albo pasywnymi lub też złożonymi (kombinowanymi), wykorzystującymi oba poprzednio wspomniane podstawowe sposoby.

Doprowadzanie dodatkowej energii do przepływającego płynu, by wywołać intensyfikację, to domena metod aktywnych, gdy natomiast w metodach pasywnych efekt ten uzyskuje się bez doprowadzania takiej dodatkowej energii. W metodzie kombinowanej wykorzystuje się efekty łączne obu tych metod, w tym nawet i różnych metod aktywnych.

A zatem najbardziej obiecującym obszarem zainteresowania techniki jest stosowanie metod pasywnych, niewymagających zwiększania nakładu energii, np. na przetłaczanie płynu, intensyfikujące wymianę ciepła.

Zwiększanie efektywności energetycznej podczas wymiany ciepła można też uzyskać właśnie nakładem dodatkowej energii, przez oddziaływanie na przepływający płyn odpowiednim zewnętrznym polem sił.

Metody aktywne W metodach aktywnych wyodrębniamy następujące główne przedsięwzięcia:

  • ogólnie rozumiane wspomaganie mechaniczne intensyfikujące przepływ płynu, w szczególności:
    • wywoływanie drgań powierzchni wymiany ciepła,
    • wywoływanie pulsacji przepływającego płynu uczestniczącego w procesie wymiany ciepła,
  • stosowanie różnych rodzajów zewnętrznego pola sił (pole elektryczne, akustyczne),
  • podsysanie lub tłoczenie płynu względem powierzchni wymiany ciepła,
  • stosowanie napływu strugowego (głównie dla wywołania zmiany fazowej) na powierzchnię wymiany ciepła.

Metody pasywne Z kolei w metodach pasywnych możemy wyróżnić:

  • poddawanie powierzchni wymiany ciepła stosownej obróbce chemicznej lub cieplnej, w szczególności:
    • zwiększenie chropowatości powierzchni wymiany ciepła,
    • odpowiednie powlekanie powierzchni,
  • mikro- i makrogabarytowe rozwijanie powierzchni wymiany ciepła,
  • stosowanie przestawnych elementów intensyfikujących wymianę ciepła,
  • wprowadzenie różnego rodzaju turbulizatorów, zawirowywaczy i innych wkładek,
  • odpowiednie ukształtowanie kanału przepływowego, minimalizujące jego średnicę hydrauliczną,
  • odpowiedni ukształtowanie zewnętrznych gabarytów aparatu, np. w postaci wężownicy lub rur wygiętych,
  • wprowadzenie elementów wspomagających wymianę ciepła poprzez wykorzystanie sił napięcia powierzchniowego (w przypadku zmiany fazowej płynu),
  • stosowanie dodatków chemicznych poprawiających własności termokinetyczne, zwykle do cieczy.

Metody kombinowane Wreszcie w metodach kombinowanych często spotykamy równoczesne wprowadzenie wkładki turbulizującej oraz zastosowanie zwiększonej chropowatości powierzchni wymiany ciepła.

Wyszczególnione powyżej metody różnią się między sobą pod względem poziomu złożoności technologicznej, pociągającej za sobą określone względy ekonomiczne podczas wykonywania i eksploatacji takiego wymiennika.

A zatem intensyfikacja wymiany ciepła jest ważnym zagadnieniem praktycznym w dziedzinie konstruowania wymienników ciepła. Ale warto pamiętać, że powinna być prowadzona szczególnie po stronie tego płynu, który charakteryzuje się niższymi wartościami współczynnika przejmowania ciepła.

Znajomość omówionej tutaj problematyki pozwoli na świadome i twórcze podejście do zagadnień związanych z przekazywaniem ciepła między płynami w rekuperatorach.

dr inż. Piotr Kubski

Prenumerata Magazynu Instalatora

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij