Как известно, здания, построенные 15 и более лет назад, проектировались без учета возросших в последнее время требований по энергосбережению, вследствие чего характерной была высокая степень инфильтрации наружного воздуха (естественная вентиляция, аэрация). Современные здания имеют более высокую степень герметичности, вследствие чего в качестве побочного эффекта при недостаточной вентиляции возникают серьезные проблемы, связанные с повышенной влажностью воздуха, образованием плесени и грибков, формированием устойчивых запахов.

Мировая общественность серьезно озабочена в настоящее время так называемым «синдромом больных зданий» (Sick Building Syndrome, SSB). В современных жилых и общественных зданиях возможно повышенное содержание следующих газовых и аэрозольных примесей: формальдегиды, выделяемые из отделочных материалов; окись углерода и двуокись азота в результате неполного сгорания газа и других топливных материалов; биологические загрязнения, включая споры грибков и плесени, бактерии и др.; радон и его дочерние продукты, асбестовые волокна, аэрозоли, содержащие свинец и другие тяжелые металлы.

Характерными признаками SSB являются следующие виды недомоганий: головная боль, головокружение, тошнота; быстрая утомляемость, постоянное чувство слабости; аллергические проявления (дерматиты, раздражения слизистых оболочек).

Вошедшие в моду системы индивидуального кондиционирования воздуха с использованием так называемых «сплитсистем» не способствуют выходу из положения, поскольку, как правило, не обеспечивают приток свежего воздуха в помещение. Возникает проблема «мятого» воздуха, когда субъективные тепловые ощущения не адекватны фактическому состоянию воздушной среды, характеризуемой застоем и постепенным накоплением газовых и аэрозольных примесей. К тому же энергетическая эффективность таких систем достаточно сомнительна.

Разрешить проблему приточно-вытяжной вентиляции помогут системы центрального кондиционирования с использованием принципа рекуперации тепловой энергии. Агрегаты для утилизации тепла — рекуператоры — предназначены для передачи энергии от вытяжного воздуха к приточному путем теплопередачи. Они состоят из рекуперативных пластинчатых теплообменников, в которых происходит передача теплоты между разделенными алюминиевыми пластинами потоками воздуха с различной температурой. Вытяжной воздух проходит через каждый второй канал теплообменника и нагревает пластины, его образующие. Приточный воздух проходит через остальные каналы и нагревается при соприкосновении с нагретыми вытяжным воздухом стенками каналов. Тепловая эффективность рекуперативных теплообменников может достигать 60–65 %.Рассмотрим вопросы рекуперации тепла в системах вентиляции и кондиционирования воздуха с использованием пластинчатых теплообменников типа «воздух–воздух». Особое внимание уделим проблемам обеспечения работоспособности и эффективности функционирования теплообменников с учетом особенностей их эксплуатации в суровых климатических условиях.

На основе анализа имеющих место теплофизических процессов будут проанализированы условия обмерзания теплообменников под действием отрицательных температур. Также будет произведена систематизация вариантов конструктивных решений, предусматривающих профилактику обмерзания, либо сокращение вызываемых при этом отрицательных последствий. Кроме того, представим рекомендации по конструированию рекуперационных агрегатов, состоящих из серийно выпускаемых элементов и блоков, с учетом обеспечения их эффективной работы зимой при низких температурах наружного воздуха.

Физические основы обмерзания теплообменников

При охлаждении влажного воздуха происходит увеличение относительной влажности вплоть до состояния насыщения, затем начинается интенсивная конденсация избыточной влаги, в результате чего соответствующим образом уменьшается абсолютная влажность. При дальнейшем охлаждении ниже температуры замерзания происходит кристаллизация конденсированной влаги. Этот процесс характерен для систем рекуперации, в которых при низкой температуре наружного воздуха осуществляется его подогрев путем частичной передачи тепла, содержащегося в удаляемом воздухе систем вытяжной вентиляции.

В процессе рекуперации тепла приточный воздух нагревается, а удаляемый — охлаждается. При этом, как отмечалось выше, при определенных обстоятельствах возможно образование конденсата. Это, с одной стороны, приводит к существенному повышению эффективности теплообмена за счет скрытой теплоты испарения. С другой стороны, при отсутствии надлежащих способов отвода конденсата может наблюдаться уменьшение теплопередачи за счет формируемого на поверхности пластин слоя жидкости, а также уменьшение живого сечения воздушных каналов, что, в свою очередь, приводит к увеличению потерь статического давления. В случаях, когда приточный воздух имеет достаточно низкую температуру, скапливаемый внутри теплообменника конденсат замерзает, закупоривая частично или полностью воздушные каналы на стороне вытяжки. В результате расход удаляемого воздуха снижается либо прекращается совсем. Соответственно, эффективность рекуперации падает, что выражается в недостаточном предварительном подогреве приточного воздуха, компенсируемом установкой дополнительных внешних нагревателей (калориферов) сравнительно большой мощности.

Указанный физический процесс по существу протекает одинаковым образом в теплообменниках различного типа, например кожухотрубного типа, пластинчатых, спиральных, ламельных, ротационных и т.п. Температура обмерзания, т.е. такая температура приточного воздуха, с которой начинается процесс кристаллизации конденсируемой влаги на стороне вытяжки, зависит от следующих факторов: теплофизических параметров на вытяжке (температура t11 и относительная RF11 или абсолютная f11 влажность воздуха); эффективности теплообмена; массового отношения воздушных потоков на притоке и вытяжке (холодный воздух: теплый воздух); конструктивных особенностей теплообменника.

Наиболее интересным является анализ особенностей физических процессов, имеющих место при работе теплообменников пластинчатого типа, что, с одной стороны, определяется их относительно высокой эффективностью. С другой стороны, температурные поля, формируемые на рабочих поверхностях пластинчатых теплообменников, являются существенно неравномерными, вследствие чего последующий их анализ не тривиален.

Расчет температуры обмерзания пластинчатых теплообменников

Специалисты провели расчеты температуры обмерзания пластинчатых теплообменников. Полученные результаты далеко не очевидны и представляют определенный интерес с точки зрения использования теплообменников указанного типа в качестве ключевого элемента систем рекуперации тепла в системах вентиляции различного назначения.

Ниже рассматривается вариант пластинчатых теплообменников с поперечным направлением воздушных потоков, равномерно распределенных между пластинами. То есть, все пластины находятся в одинаковых теплофизических условиях. Вследствие поперечной направленности потоков нагрев приточного и охлаждение удаляемого воздуха происходят неравномерно вдоль обеих сторон пластины, что существенно затрудняет расчет. Однако если условно разделить пластины на некоторое число равновеликих по площади частей (например, 10 × 10), то расчеты теплопередачи, также как и процесса возможной конденсации, значительно упрощаются и могут быть реализованы численным образом с использованием компьютера.

Подобный расчет методом конечных элементов показывает наличие так называемого «холодного угла», где удаляемый воздух охлаждается наиболее интенсивным образом. Чтобы теоретически рассчитать температуру обмерзания, необходимо произвести варьирование температуры приточного воздуха при неизменных теплофизических параметрах на вытяжке, пока температура «холодного угла» не будет равна 0 °C.

Приведенные результаты вычислений основаны на следующих допущениях: температура удаляемого воздуха равна температуре насыщения (100 % относительная влажность); коэффициент теплопередачи от конденсата к пластине бесконечно велик, вследствие чего температура конденсата равна температуре пластины; теплоемкость конденсата пренебрежимо мала и в расчете не учитывается; энергия фазового перехода «вода–лед»также не учитывается вследствие малости фактических значений.

С использованием метода конечных элементов аналогичным образом могут быть произведены расчеты в разнообразной постановке задач. Исходя из результатов, можно сделать выводы:

1. Опасность замораживания снижается с увеличением влажности удаляемого воздуха. Особенно это заметно при высоких температурах на вытяжке.

2. Замечание: если абсолютная влажность удаляемого воздуха составляет менее 4 г/кг, то точка росы ниже 0 °С. В данном случае влага не конденсируется на поверхности теплообменника, а непосредственно переходит в твердую фазу путем объемной сублимации. Таким образом, для того чтобы произошло поверхностное обмерзание теплообменника, абсолютная влажность удаляемого воздуха должна превышать 4 г/кг.

3. Опасность замораживания, естественно, увеличивается с ростом сухой эффективности рекуперации.

4. По мере увеличения температуры на вытяжке опасность обледенения, естественно, снижается.

5. С увеличением массового отношения воздушных потоков на притоке и вытяжке m2/m1 (холодный воздух/теплый воздух) опасность обледенения возрастает (большое количество холодного воздуха более интенсивно охлаждает небольшие количества удаляемого воздуха).

При анализе приведенных данных необходимо учитывать их теоретический характер. На практике могут быть определенные отклонения от расчетных значений.

Особенности работы пластинчатых теплообменников в условиях их обмерзания

Теоретический анализ и практический опыт эксплуатации показывают, что работа пластинчатых теплообменников в условиях обмерзания определяется следующими факторами: аэродинамической характеристикой вытяжного вентилятора; положением теплообменника и направленностью воздушных потоков; конструктивным исполнением теплообменника, а именно — осуществляется ли перемещение удаляемого воздуха раздельными потоками с использованием специальных сепараторов (теплообменники канального типа) либо сплошным потоком, когда движение воздуха и, соответственно, образуемого конденсата не ограничено никакими направляющими ни в продольном, ни в поперечном направлениях (теплообменники открытого типа).

Указанные факторы не являются полностью независимыми и, по крайней мере, частично оказывают влияние друг на друга. В результате возможно большое количество комбинаций, которые следует рассматривать самостоятельно. Ниже представлены результаты анализа только наиболее существенных их сочетаний — раздельно для теплообменников открытого и канального типа.

Теплообменники открытого типа

Роль вентилятора

При частичном обледенении пластинчатого теплообменника открытого типа образуемый в «холодном углу» лед сужает проходное сечение на выходе удаляемого воздуха, что приводит к дополнительным потерям статического напора на стороне вытяжки.

В случае, если вытяжной вентилятор имеет крутую характеристику, происходит снижение расхода воздуха на вытяжке, в результате чего изменяется массовое отношение воздушных потоков на притоке и вытяжке, что, в свою очередь, способствует более интенсивному обледенению. Вновь увеличивается потеря напора, снижается расход, изменяется массовое отношение и данный процесс приобретает лавинообразный характер вплоть до полного замерзания теплообменника, который таким образом прекращает свою работу. Обычно это не приводит к повреждению пластин и после оттаивания теплообменник вновь может полноценно функционировать.

В противоположность этому, если вытяжной вентилятор имеет пологую характеристику, например в случае использования крыльчатки (импеллера) с обратно загнутыми лопатками, то расход воздуха при обледенении остается практически неизменным даже при достаточно большом сужении выходного сечения. В этом случае эффективность теплообмена несколько снижается за счет увеличения скорости воздуха, т.е. уменьшается отвод тепла от удаляемого воздуха, особенно по мере приближения к выходному сечению. В результате, несмотря на небольшое изменение массового отношения в пользу приточного воздуха, дальнейшей интенсификации обледенения не происходит, процесс стабилизируется на определенной стадии и, в итоге, полного замерзания не наблюдается.

Положение теплообменникаи направленность воздушных потоков

В вычислениях, результаты которых представлены выше, не учтено, что образуемый внутри теплообменника конденсат под действием сил тяжести стекает сверху вниз. Это может привести к двум прямо противоположным по своим результатам следствиям:1. Когда начинается процесс конденсации, точка росы довольно высока и образуемый конденсат содержит большое количество тепловой энергии. Кроме того, теплоемкость воды во много раз превышает теплоемкость воздуха. Итак, в случае образования большого количества конденсата при стекании вниз вместе с ним переносится тепло, достаточное для подогрева холодной части пластин, предотвращая или снижая их обледенение.2. Если количество образуемого конденсата невелико, то переносимой с ним тепловой энергии оказывается недостаточно для обогрева холодной части. В этом случае стекающий конденсат полностью или в своем большинстве замерзает, ускоряя процесс замораживания теплообменника.

В связи с изложенным выше необходимо рассмотреть следующие варианты.

2.1. Обычная конструкция

С учетом симметрии возможны четыре различающиеся между собой схемы организации воздушных потоков. В общем случае пластинчатые теплообменники не предназначены для горизонтальной установки в силу следующих причин: дренаж конденсата происходит неуправляемым образом; конденсат может попадать в приточный воздух через малейшие неплотности; в случае обледенения пластины теплообменника могут быть повреждены под действием тяжести образуемого при этом льда; капли конденсата могут переноситься вместе с потоком воздуха (в этом случае рекомендуется установка элиминаторов).

Кроме того, следует иметь в виду, что при отключении вентиляционной установки конденсат остается на пластинах и может замерзать при низких температурах наружного воздуха. Таким образом, горизонтальная установка пластинчатых теплообменников связана с гораздо большей опасностью и, возможно, более серьезными последствиями их замерзания.

2.2. Теплообменники канального типа

При перемещении воздуха по прямоугольным каналам или трубам обледенение происходит несколько иным образом, чем в теплообменниках открытого типа. Обледенение канала в выходном сечении полностью препятствует прохождению воздуха через него. В результате, если, например, перекрыт льдом первый канал, то второй канал становится первым. Приточный холодный воздух теперь, воздействуя на него, приводит к образованию очередной ледяной пробки и закупориванию этого канала. Таким образом, процесс развивается дальше. В итоге теплообменники канального типа замерзают значительно быстрее, чем теплообменники открытого типа.

Роль вентилятора

Влияние характеристики вентилятора на работу рекуперационной установки в этом случае аналогично влиянию, имеющему место при использовании теплообменников открытого типа: крутая характеристика — увеличение потерь статического давления приводит к снижению расхода воздуха через теплообменник, интенсифицируя процесс обледенения вплоть до полного замерзания; пологая характеристика — большее количество воздуха проходит через каждый из оставшихся работоспособных каналов, массовое отношение воздушных потоков в этих каналах изменяется в пользу удаляемого воздуха.

Теплообменник, имевший первоначально квадратное сечение, превращается в прямоугольный теплообменник. При этом интенсивность обледенения и опасность его полного замораживания снижаются.

Положение теплообменникаи направленность воздушных потоков

Поскольку воздух проходит через теплообменник по каналам или трубам, силы гравитации оказывают большое влияние на процесс обледенения. Теоретически, ситуация в этом случае аналогична имеющей место при использовании теплообменников открытого типа. С практической точки зрения опасность обледенения в этом случае несколько выше, поскольку в канальных теплообменниках дренирование конденсата в направлении, противоположном воздушному потоку, затруднено в большей степени.

Продолжение следует.		 Advanced technical solutions for ventilation systems. 4/2012. Фото 1































































Advanced technical solutions for ventilation systems. 4/2012. Фото 2


































































Advanced technical solutions for ventilation systems. 4/2012. Фото 3































































Advanced technical solutions for ventilation systems. 4/2012. Фото 4