Оползотворяване на топлината от вентилационни инсталации

Ротационни топлообменници, капилярни вентилатори и регенератори с оросяем пълнеж

Понижаването на сградната енергийна консумация е сред приоритетните направления в развитието на съвременните технологии. Първостепенна важност сред тях заема оптимизацията на енергийното потребление на вентилационните и климатичните системи. Сред най-наложилите се технически методи е утилизацията на топлина. С цел оползотворяване на отпадната топлина от ОВК системите, се използват различни видове топлообменници. Сред тях са т.нар. регенеративни модели. При тях топлината се пренася между два въздушни потока, имащи различно термодинамично състояние, с помощта на акумулираща твърда маса.

Сред най-широко използваните видове са регенераторите с въртящ се барабан, познати още като ротационни топлообменници. Освен тях, макар и по-рядко, приложение намират капилярните вентилатори и регенераторите с оросяем пълнеж.

Ротационните топлообменници
се отличават с елементарна конструкция. В метален корпус е поставен въртящ се барабан, който е изграден от въздухопроницаем материал с акумулиращи свойства. Барабанът се върти с честота до 15 min-1.
Дебелината му обикновено е около 0,2 - 0,3 m, а диаметърът му варира в границите от 0,4 до 5 m. Логично, по-големият диаметър на барабана осигурява по-голям дебит на преминаващия през него въздух. В зависимост от габаритите на топлообменника, барабанът би могъл да бъде монолитен  при по-малките диаметри, докато при по-големи размери барабана се сглобява от отделни сектори.
Корпусът, в който се монтира барабанът, обикновено се изпълнява от поцинкована ламарина. Използва се и ламарина с вътрешно покритие от полимерни материали или ламарина от легирана стомана. В зависимост от свойствата на преминаващия въздух се определя и необходимата корозионна защита на корпуса. Присъединяването му към въздухопроводите обикновено се реализира чрез щуцери.

Принцип на действие на ротационните топлообменници
Принципът на действие на ротационните топлообменници се състои в пренасяне на топлината от единия към другия въздушен поток чрез акумулиращия материал, който е с висок коефициент на топлообмен. В действителност, средата извлича и съхранява топлината от високотемпературния поток и в резултат на въртенето на барабана я предава на студения въздушен поток. Съдържащите се във въздуха примеси, температурите на оросяване на двата въздушни потока, както и характеристиките им, определят вида на използваната акумулираща среда. Обикновено се използват керамични, метални, минерални или органични материали. За да се увеличи преносът на влага или за да се постигне по-висока корозионна устойчивост, използваният материал понякога допълнително се обработва или напластява. Една от наложилите се конструкции е фолио или тел от алуминий с и без покритие от хигроскопични платове. Тази конструкция, обаче, е подходяща за работни температури до 80 оС и се отличава с малка корозионна устойчивост. За температури до 200 оС се използват предимно керамични материали. Керамиката се характеризира с много добри свойства по отношение на температурната и химическата й устойчивост.

Характеристики на акумулиращата маса
Акумулиращата маса обикновено се разделя на два вида - подредена и неподредена. За подредената структура са характерни множество геометрично подобни каналчета с хидравличен диаметър от порядъка на 1,3 до 2,5 mm. Формират се от редуващи се слоеве фолио - вълнообразен и прав, които са с дебелина от 0,1 до 0,15 mm. Подобна структура се получава и при подреждането на тръбички с кръгло или шестоъгълно напречно сечение. При тази подредба се постига висока специфична топлообменна повърхнина. В случаите, при които формираните канали при подредената структура са успоредни на оста на ротора, преобладаващо е ламинарното течение, поради което се постига по-ниска чувствителност към замърсяване. Възможно е също и постигане на турболизиране на течението. Осъществява се чрез кръстосване на осите на ротора и каналчетата. Следва да се има предвид, че турбулизиране на течението се получава предимно в началните участъци на акумулиращата маса.
Характерно за неподредената структура на акумулиращата маса е изработването й от тел, мрежи, решетки, текстилни материали или пълнеж от керамични тела, без пътищата на въздуха да са дефинирани предварително. Тази структура, обаче, има един основен недостатък, а именно възникването на напречни течения, създаващи условия за събиране на прах, както и възпрепятствано самопочистване при смяна на обдухващия поток.

Оразмеряване на регенераторите
За оразмеряване на регенераторите се използват зависимости, описващи топло- и масопреносните процеси във функция на конструктивните и експлоатационните им параметри. Целта е да се определят ефективността на преносните процеси и големината на хидравличните загуби, при предварително избрани геометрични размери на барабана - диаметър, дебелина, коефициент на запълване и характерен размер на пълнежа, както и вид на акумулиращия материал и скорост на топлоносителя. Обикновено, скоростта на преминаващия през акумулиращия слой въздух не надвишава 6 m/s.

Монтажни специфики на регенераторите
Топлообменниците се изпълняват както за хоризонтален, така и за вертикален монтаж. В зависимост от конкретните условия могат да се комбинират с въздухообработваща централа или да се монтират самостоятелно към въздухопроводите. В случаите, когато регенераторите се монтират самостоятелно, се препоръчва във въздуховодите да се предвидят контролни люкове. Добре е да се има предвид фактът, че аеродинамичните загуби в инсталацията и начинът на разполагане на вентилаторите спрямо регенераторите създават определено съотношение между статичните налягания на входа и на изхода на регенератора. Това съотношение оказва пряко влияние върху посоката и обема на инфилтрирания въздух. Когато статичното налягане на външния въздух е по-високо от характерното за изхвърляния въздух, количеството, преминало от потока отработен въздух в потока външен въздух, е минимално.

Филтриране на въдушния поток
В случаите, при които в отработения въздух не се съдържат вредни вещества, е възможно да не се прави пълно разделение на отработения и външния въздух, т.е. съществуват условия инсталацията да работи с рециркулация. За приложения, в които инсталацията поддържа режим на рециркулация, се допуска известна разлика в наляганията и не е необходима реверсивна зона на вентилатора. В този случай, при изчисляване на вентилаторите е необходимо да се вземе предвид преминалото количество въздух от единия в другия въздушен поток.
При използване на регенератори в приложения, в които въздухът е с нормална запрашеност, напълно достатъчно е естественото самопочистване на акумулиращата маса. Ако във въздуха, обаче, се съдържат мазни или полепващи вредни вещества, те биха могли да замърсят акумулиращата маса. Тогава се налага предварително филтриране на въдуха в зависимост от вида на замърсителите, от възможностите за почистване, както и от неговия цикъл.

Обледеняване на барабана
При ниски външни температури и преохлаждане на изхвърляния въздух е възможно да започне обледеняване на барабана. Това от своя страна води до увеличаване на хидравличните загуби и налага предприемането на мерки за периодично размразяване на барабана. Мероприятията са насочени към намаляване дебита на външния въздух, както и към намаляване честотата на въртене на барабана. Възможно е, също така, да се понижи влажността на въздуха в помещението с цел намаляване влажността на изхвърляния въздух. Други мерки включват, например, предварително загряване на постъпващия външен въздух с 1 - 2 оС над температурата на замръзване. Допълнително би могло да се пристъпи към загряване на изхвърляния въздух.

Предимства и недостатъци на регенераторите
Ротационните топлообменници са сред най-познатите и широко използвани регенератори. Подходящи са за почти всички видове системи за кондициониране и обработка на въздух. Отличават се с висока степен на ефективност при преноса на явна и скрита топлина. Позволяват лесно регулиране на интензивността на преносните процеси и при нормални експлоатационни условия се самопочистват. Недостатъците им са свързани с: неизбежната инфилтрация на двата въздушни потока в регенератора, големите им габаритни размери, възможността от замръзване при ниски температури и наличието на подвижни части, които създават предпоставки за допълнително обслужване.

Капилярните вентилатори
Както вече бе споменато, за утилизация на топлината от вентилационните системи в сградите освен ротационни топлообменници, понякога се използват и капилярни вентилатори и регенератори с оросяем пълнеж. В конструктивно отношение, капилярните вентилатори представляват кожух, в който е поставен въртящ се неметален пръстен, изпълняващ едновременно ролята на работно колело и топлообменник. Структурата на пръстена е неподредена. Този вид регенератори се използват предимно за сгради с ограничени обеми и при работни температури в диапазона до 40 - 50  оС, в зависимост от използвания материал. При тях се постига добро уплътняване на границите между изхвърляния и външния въздух. Тъй като този вид регенератори имат и филтриращо действие, се препоръчва пръстенът да се подменя периодично или да се регенерира чрез подходяща обработка. Характерно за капилярните вентилатори е, че при тях не съществува опасност от замръзване. Те се отличават с безшумна работа. Сред недостатъците им е невисок коефициент на полезно действие, поради действието на капилярните сили и невъзможността от формирането на оптимални течения. Съществува възможност да се променя дебитът на рециркулационния въздух, чрез конструктивно изменение на положението на разделителната стена.

Регенераторите с оросяем пълнеж
се изпълняват конструктивно с две отделни камери, в които е поставена твърда акумулираща маса. В камерите, през специални дюзи, се впръсква течност със специфични свойства, която влиза в контакт с въздуха. Двете камери са свързани посредством тръбопроводи. За осъществяване на циркулация в двата отворени кръга, към системата се включват и помпи. При този вид регенератори работната течност трябва да отговаря на определени изисквания. Необходимо е да запазва свойствата си в условията на непрекъснато променящите се стойности на температурата и влажността на въздушните потоци. Също така е необходимо да притежава способността да отнема и отдава влага на потоци с различна влажност, както и да притежава антисептични свойства, които да се запазват през експлоатационния период. Течността не трябва да отделя вредни и миризливи газове, както и да не се изпарява бързо. От съществено значение, естествено, е и финансовата стойност на използваната течност. Регенераторите с оросяем пълнеж могат да се използват не само за утилизация на топлина, но и на студ. Регулирането на мощността им е чрез изменение на дебита на циркулиращия флуид.

Регенеративни и рекуперативни топлообменници
Основната разлика между регенеративните и рекуперативните топлообменници е, че първите осъществяват едновременен пренос на скрита и явна топлина. При ротационните топлообменници двата преминаващи през регенератора въздушни потока - изхвърлян и външен, са съседни, като всеки от тях протича през едната половина на барабана, а направлението им е противоположно един на друг. Между двата потока има разделителна зона, която ограничава преноса на въздух между тях. Обикновено, до 3% от изхвърляния въздух постъпва в потока на външния въздух, но е възможно преносът да бъде ограничен до 0,5%, при използването на регенератори със специални уплътнителни устройства.