Deskový rekuperátor, rotační regenerátor a další typy výměníků pro ZZT ve vzduchotechnice

ZPĚTNÉ ZÍSKÁVÁNÍ TEPLA VE VZDUCHOTECHNICE

Definice a základní principy

Zpětné získávání tepla (ZZT) a další pojmy, jako například rekuperace, regenerace se používají v řadě oborů. V případě vzduchotechniky lze ZZT definovat jako cílené využití energie odpadního vzduchu odváděného z objektu. Využívat lze energii citelného tepla i energii vázanou ve vlhkosti a obvykle se tato energie využívá k úpravě přiváděného vzduchu do objektu.

ZZT je obecný pojem s širokým obsahem a proto zahrnuje velkou škálu nejrůznějších řešení. Základním principem tepelných výměníků je přestup tepla mezi proudícím vzduchem a materiálem výměníku. Při řešení různých typů systémů ZZT se ovšem využívá řada dalších principů a řešení. Mezi tyto principy patří například kondenzace, adsorpce a další.

Rozdělení ZZT

Protože při využití odpadního tepla se používá různých zařízení a fyzikálních vlastností, tak i pro rozdělení můžou být použita různá kritéria. Velmi často se systémy zpětného získávání tepla rozdělují na rekuperátory a regenerátory, a proto často dochází k zobecnění těchto pojmů a jejich záměně.

Hodnocení systémů ZZT

Výrobci systémů zpětného získávání tepla často uvádějí hodnotu její účinnosti. Tento parametr s přesnějším názvem termická účinnost vztažená k vnějšímu vzduchu vyjadřuje poměr rozdílu teplot přiváděného vzduchu a rozdílu teploty odváděného vzduchu a přiváděného vzduchu před výměníkem ? = (te2-te1) / (ti1-te1). Toto hodnocení je velmi jednoduché, ale také velmi nejednoznačné. Protože skutečné teploty při procesu ZZT závisí na mnoha dalších parametrech, tak také účinnost není stálá, ale závisí na skutečných podmínkách použití. Někteří výrobci této vlastnosti využívají a ukazují maximální účinnost svých výrobků, která ovšem v reálném použití nebude dosažena, nebo bude dosažena pouze krátkodobě při určitých podmínkách.

Podobně jako termickou účinnost lze definovat účinnost přenosu vlhkosti a účinnost přenosu entalpie.

Takto definovaná účinnost u pasivních výměníků ZZT může teoreticky nabývat až 100%. V reálných aplikacích se obvykle používají zařízení s jmenovitou účinností 50-90%. Zařízení s nižší účinnosti se většinou nevyplatí z důvodů nízké návratnosti, to znamená, že investice jsou mnohonásobně vyšší než náklady vzniklé úsporou energií. Samozřejmě při výběru řešení mohou být důležitá další hlediska, například v průmyslových provozech hledisko čistitelnosti.

Také snaha dosáhnout maximální účinnosti ZZT není prvořadá. Cílem každého řešení by mělo být navrhnout optimální systém pro dané podmínky a použití. Výměníky ZZT pro vzduchotechniku mají i řadu dalších vlastností jako tlakové ztráty, hmotnost, velikost atd. Proto při návrhu výměníku jako součásti celého systému řešení vzduchotechniky je nutné tyto další parametry zohlednit.

Rekuperace

Při využití rekuperačního systému dochází k přenosu tepelné energie mezi odpadním vzduchem a přiváděným vzduchem přes pevnou stěnu. Při tomto principu nedochází k žádnému přenosu hmoty mezi odpadním a přiváděným vzduchem a proto se obecně hodí pro znečištěný odpadní vzduch. Konstrukční provedení může být velmi odlišné. Základním typem je trubkový rekuperační výměník. Výhodou tohoto řešení je velmi dobrá čistitelnost, takže tento typ se používá zejména v průmyslu. Nevýhodou je relativně malý povrch a z toho vyplývající nízká účinnost, která bývá 20-40%. Vyšších účinností obvykle v rozmezí 40-70% dosahují deskové křížové rekuperátory. Jejich konstrukce je kompaktní a relativně jednoduchá. Pro desky výměníků bývají použity různé materiály - ocel, hliník, plasty. Se zvyšující se účinností, které je dosahováno uspořádáním, tvarováním desek a zvětšující se měrnou plochou ovšem klesá čistitelnost a stoupají tlakové ztráty. Ještě vyšších účinností v rozsahu cca 60-90% je možné dosáhnout protiproudým uspořádáním a kanálkovým profilem průtokových cest výměníku.

Mezi rekuperační výměníky lze zařadit i speciální konstrukce, kdy k přenosu tepla je využíván další mezistupeň. Takovým řešením jsou kapalinové okruhy, kdy tepelná energie je z odpadního vzduchu předávána obvykle v žebrovaném výměníku do kapaliny (vody, nebo nemrznoucí směsi). Pomocí kapalinového okruhu s čerpadlem a dalšími potřebnými prvky je energie předávána do druhého výměníku v přívodním vzduchu. Největší výhodou tohoto uspořádání je možnost přenosu energie na relativně velké vzdálenosti. V typickém uspořádání má tento systém účinnost 30-50%, což je relativně málo. Při protiproudém uspořádání a použití velkého počtu řad výměníků může být účinnost vyšší (až 90%), ale protože při tomto řešení jsou vyšší tlakové ztráty, tak ne vždy se takové řešení vyplatí.

Velmi jednoduchým řešením ZZT je použití tepelných trubic. Jedná se o zvláštní trubkový výměník zasahující do obou proudů vzduchu, kdy uvnitř trubek je chladivo. Přirozenou kondenzací a odparem chladiva mezi rozdílnými teplotami odsávaného a přiváděného vzduchu dochází k rekuperaci tepla. Výhodou řešení je výborná čistitelnost, velká hustota tepelného toku, jednoduché uspořádání a konstrukce. Nevýhodou je nutnost definované vzájemné polohy kanálů vzduchu. Částečně lze toto omezení redukovat použitím kapilární konstrukce, kdy vzduchové kanály nemusí být v definovaném uspořádání nad sebou.

Na následujícím obrázku je ukázka typického průběhu změny stavu vzduchu při rekuperaci v hx diagramu. Změny jsou zobrazeny jako úsečky mezi průměrným stavem vzduchu před a za rekuperátorem. Protože teplosměnná plocha je prostorovým útvarem, tak také skutečný dílčí průběh změny neprobíhá přesně dle těchto úseček, ale závisí na dalších parametrech.

V diagramu je zobrazen průběh pro dvě řešení, která jsou stejná (shodné průtoky, shodná základní termická účinnost) mimo vlhkost odváděného vzduchu. V prvním případě (nečárkované označení) je vlhkost odváděného vzduchu malá, a protože průměrná teplota povrchu výměníku je vyšší než teplota rosného bodu odváděného vzduchu, tak nedochází ke kondenzaci. Ve druhém případě (čárkované označení) je vlhkost odváděného vzduchu vyšší a dochází ke kondenzaci. Při kondenzaci se zvýší předávaná energie, a proto teplota přiváděného vzduchu je vyšší než při procesu bez kondenzace. V tomto příkladu se vlivem kondenzace zvýší termická účinnost asi o 6-7%.

Regenerace

Regenerační systém zpětného získávání tepla využívá hmoty výměníku k akumulaci tepelné energie a případně i vlhkosti. Teplo se střídavě předává z odpadního vzduchu do hmoty a odevzdává do přívodního vzduchu, to znamená, že teplosměnný povrch hmoty je omýván střídavě odpadním i přívodním vzduchem.

V současnosti se nejčastěji používají dva systémy a to s použitím rotačního regeneračního výměníku, kdy akumulační hmota je tvořena válcem s průtočnými kanálky, který se otáčí v prostoru mezi vzduchovými kanály a střídavě zasahuje půlkou objemu hmoty do obou kanálů. Druhým principem je přepínání, kdy akumulačním blokem protéká střídavě pomocí přepínacích klapek odpadní a přívodní vzduch. Aby nedocházelo k nerovnoměrnostem proudění, tak jsou obvykle použity dva shodné akumulační bloky a klapkový systém přepíná proudění střídavě mezi nimi.

Účinnost může být podobně jako u rekuperace až 100%, ale reálná účinnost bývá 60-80%. V závislosti na konstrukčním řešení výměníku není obvykle u regeneračních výměníků zajištěna 100% těsnost, a proto tento typ se hodí většinou pro jiné aplikace než rekuperátory.

Vlastností regeneračních výměníků je částečný přenos hmoty. Cíleným využitím může být tato vlastnost pro některé aplikace pozitivní, protože umožňuje z odpadního vzduchu přenášet vlhkost. V případě rotačních regenerátorů se upravuje povrch hmoty tak, aby přenos vlhkosti byl co nejvyšší. V některých případech lze dosáhnout účinnosti přenosu vlhkosti 60-80%.

Rotační regenerátory se obvykle vyrábějí z hliníkového pásu šíře 100-300 mm, který je navinut do válce. Pro výrobu se používají i další materiály - ocel, plasty, speciální papír. Materiál je zvlněn a mezi jednotlivými vrstvami jsou vytvořeny malé kanálky. V případě standardního povrchu dochází k přenosu vlhkosti pouze za předpokladu kondenzace, pokud je teplota povrchu nižší než teplota rosného bodu protékajícího vzduchu. Z důvodů zvýšení přenosu vlhkosti může být povrch upraven tak, aby byl hygroskopický. K dosažení nejvyšší účinnosti přenosu vlhkosti se povrch opatřuje speciální látkou - adsorbentem, který přenáší vzdušnou vlhkost z jedné vzdušiny do druhé.

Na dalším obrázku je ukázka průběhu změny stavu vzduchu při regeneraci v hx diagramu s použitím standardního zařízení bez úpravy povrchu pro přenos vlhkosti. Změny jsou zobrazeny jako úsečky mezi průměrným stavem vzduchu před a za regenerátorem.

V diagramu je zobrazen průběh pro dvě řešení, která jsou stejná (shodné průtoky, shodná základní termická účinnost) a rozdílný je pouze stav nasávaného venkovního vzduchu. V prvním případě (nečárkované označení) vlivem vyšších teplot nedochází ke kondenzaci a proto se na obou stranách mění pouze teplota vzduchu, ale měrná vlhkost je stálá. Ve druhém případě (čárkované označení) je povrchová teplota výměníku nižší než teplota rosného bodu a dochází ke kondenzaci. V ideálním případě se veškerá kondenzovaná voda předá do přiváděného vzduchu, kde opět dojde k jejímu odpaření. U některých výměníků může dojít k odtoku kondenzátu a v tom případě se zvýší termická účinnost, ale současně se nezvýší měrná vlhkost přiváděného vzduchu.

Účinnost přes 100% ?!

Termická účinnost je definována jako poměr rozdílů teplot vzdušiny před a za ZZT, protože tyto teploty mohou nabývat různých hodnot, tak i účinnost procesu nemusí být pouze v rozsahu 0-100%. V případě pasívních systémů ZZT z principů zákonů termodynamiky hranice 100% být překročena nemůže, ale v případě aktivního systému (např. tepelné čerpadlo), kdy do systému je přiváděna další externí energie, může být účinnost vyšší. Protože tyto systémy jsou velmi rozdílné, tak tento parametr se pro vzájemné porovnání příliš nehodí.

Recirkulace a ZZT

Často je směšování (recirkulace) vzduchu vydávána za systém zpětného získávání tepla. Směšování je nepochybně účelný prostředek a v určitých aplikacích vhodné řešení úspor tepelné energie. Úspor energií je dosaženo přímým využitím odpadního vzduchu (recirkulací) za předpokladu, že v dané aplikaci je to možné. Mnohdy je z hlediska spotřeby energií použití recirkulace vhodnější a úspornější než použití systémů ZZT. Nicméně směšování není systém zpětného získávání tepla (ZZT), protože nesplňuje jeho základní definici - nevyužívá energii odpadního vzduchu vyfukovaného vně objekt.

Namrzání výměníků

Při aplikacích s teplotami pod bodem mrazu a vlhkým vzduchem může vždy docházek k namrzání výměníků. V případě regeneračních výměníků, u kterých je přestup tepla řešen v opakujících se cyklech, v běžných podmínkách je riziko negativních následků namrzání minimální, a proto se u těchto výměníků většinou nějak neřeší. Vznikající námraza může mít negativní vliv na průtok vzduchu, přestup tepla a další faktory.

U rekuperačních výměníků je namrzání výměníků negativním jevem, který může mít vliv na funkci zařízení a dokonce může dojít až k destrukci výměníku. Proto je u tohoto typu výměníků nutné se otázkou namrzání zabývat. Strategie řešení může být různá. Základním typem je cyklické rozmrazování a to buď změnou průtoků vzduchu, ohříváním vzduchu, nebo cirkulací vzduchu. Druhým typem je stálé zajištění podmínek zabraňující namrzání a to obtokem, předehřevem, směšováním, případně vhodně umístěným lokálním ohřívačem (topné kabely apod.). Opatření proti namrzání obecně snižují účinnost ZZT a proto správná volba může mít také výrazný vliv na celkové energetické úspory řešení. Trvalá úprava (obtok, předehřev) jsou stabilním řešením, ale jejich vliv na účinnost je vyšší. Naopak cyklické odmrazování je příznivější z hlediska změny průměrné účinnosti, ale teplotní a průtoková stabilita systému je nižší.

Těsnost výměníků

Z hlediska zamezení přenosu hmoty mezi proudem odváděného (znečištěného) vzduchu a přiváděného vzduchu jsou obecně vhodnější rekuperační výměníky, kde je přenos energie řešen přes pevnou překážku. V případě kapalinových okruhů je zamezení kontaminace z principu 100%. U ostatních výměníků, kde jsou vzduchové kanály vedeny v bezprostřední blízkosti, závisí jejich těsnost na kvalitě konstrukce a provedení. Většinou je jejich těsnost (například u deskových výměníků) pro standardní aplikace při běžných tlacích dostatečně velká a tyto výměníky se považují za vzduchotěsné. Při speciálních aplikacích, například pokud by v odpadním vzduchu byly životu nebezpečné škodliviny, je potřeba těsnost ověřit a také je vhodné zařízení navrhnout tak, aby tlakové poměry ve výměníku byly nastaveny s přetlakem na čisté straně.

Princip regeneračních výměníků je odlišný, a proto k určitému znečištění přiváděného vzduchu ze vzduchu odváděného vždy může dojít. Pokud cílem řešení je také přenos vlhkosti, tak se můžou přenášet také další látky, včetně škodlivin. V případě rotačních výměníků může také v závislosti na konstrukčním řešení docházet k trvalému průtoku vzduchu mezi kanály. Obvykle se uvádí, že tento průtok bývá do 5%, ale samozřejmě tento údaj je pouze orientační a do značné míry záleží také na tlakových poměrech. Z tohoto důvodu je také u rotačních regeneračních výměníků vhodné zajistit přetlak mezi čistou a znečištěnou stranou.

Regulace

Dalším důležitým prvkem výběru vhodného typu ZZT je regulovatelnost. Regulační schopnosti obvykle velmi úzce souvisí se složitostí a konstrukční a technickou propracovaností systému. Jednoduchý pasivní prvek ZZT, jako například deskový výměník má řadu předností, ale regulovatelnost mezi ně nepatří. Regulaci takového výměníku (a podobně i dalších výměníků, které jsou řešeny kompaktně v jednotce) je možné provést obtokem s řízenými klapkami. Výborně regulovatelný je rotační regenerátor, kde lze měnit otáčky akumulačního kola v závislosti na požadovaném přenosu energie (nebo vlhkosti). Dobrou regulovatelnost mají také kapalinové okruhy, kde je možné řídit průtok kapaliny pomocí vhodných ventilů, nebo jiných prvků vodního okruhu.

Ekonomie

Přestože ekonomie je jedním z hlavních kritérií volby ZZT, tak správné ekonomické posouzení je většinou velmi náročný úkol s poměrně nejistými výsledky. Do výpočtu je možné zahrnout mnoho parametrů, z nichž určitá část má velký rozsah možných hodnot, které je možné ověřit až realizovanou skutečností. Proto asi není možné se při výběru řídit pouze číselnými výsledky ekonomických parametrů, ale je nutné provést i další analýzy.

Současná praxe ukazuje, že systémy ZZT se vyplatí pro zařízení s delší provozní dobou. Pro zařízení s krátkodobým, nebo občasným provozem se instalace ZZT obvykle nevyplatí, není-li potřebná z jiného důvodu (například z důvodů nedostatku energetických zdrojů). Nejčastěji se používají kompaktní systémy ZZT s účinností 50-90% - deskové rekuperátory a rotační regenerátory.