Рекуперативни топлообменници

Характеристики и конструкция на пластинчати топлообменници, топлинни тръби и системи с междинен топлоносител

Сред най-често използваните технически средства за оползотворяване на отпадъчната топлина в отоплителни, вентилационни и климатични системи са рекуперативните топлообменници. Характерно за принципа им на работа е, че постъпващият и изхвърляният въздух обтичат различни повърхнини на топлообменника. Между тях са разположени разделителни стени, изработени от метал, стъкло, керамика или изкуствени материали. Стените на топлообменника могат да бъдат плоски, профилирани или цилиндрични.

От различните видове рекуперативни топлообменници, най-голямо приложение в практиката намират пластинчатите топлообменници. Използват се също топлинни тръби и системи с междинен топлоносител.

Пластинчати топлообменници
Пластинчатите топлообменници са познати още като топлообменници с неразглобяеми плочи (fixed-plate heat exchangers). В конструктивно отношение пластинчатите топлообменници са изградени от отделни редуващи се плочи, между които се формират процепи (фиг. 1). Плочите са добре уплътнени, а изхвърляният и постъпващият въздушни потоци протичат във формиралите се от плочите свободни пространства. В повечето случаи, с цел постигане на по-добър топлообмен между потоците, отделните пластини се профилират. Когато през топлообменника преминават замърсени въздушни потоци, не се препоръчва използването на модел със силнорелефни повърхности.
Материалите, които се използват за изработване на отделните пластини, трябва да са с висок коефициент на топлопроводимост и способност да пренасят топлосъдържанието (енталпията) между двата въздушни потока. Сред често използваните материали за изработване на топлообменници с неразглобяеми плочи е алуминият, който е устойчив срещу корозия и се отличава с добри топлообменни свойства. Пластинчатите топлообменници могат също така да бъдат произведени и от стомана. Обикновено дебелината на една пластина е от порядъка от 0,1 до 5 mm, а разстоянието между пластините е от 5 до 10 mm.

Липса на утечки във въздушните потоци
Пластинчатите топлообменници се характеризират с пълно отсъствие или почти незабележими утечки между въздушните потоци. Сред спецификите им е и способността да запазват добри работни характеристики при температура на постъпващия горещ въздушен поток над 200 °С. Препоръчително е, когато топлообменникът работи продължително време под температурата на оросяване да се предвиди щуцер за отвеждане на кондензата. За системи с големи дебити въздух се използват няколко топлообменника, свързани успоредно.
Основен недостатък на този тип топлообменници е възможността им да регенерират единствено енталпията. Могат да се монтират в централи за обработка на въздух, както и в агрегати за вентилация с рекуперация, като топлообменникът се поставя с наклон от около 2 до 4 % по посока на изхвърляния въздух. При последователното и паралелно свързване на модулите се постига висока ефективност на утилизация (фиг. 2).

Тръбни топлообменници
Тръбните топлообменници представляват конструктивна разновидност на пластинчатите модели. Разликата е, че при тръбните топлообменници пластините са заменени с тръби, изработени от стъкло или изкуствени материали. Всяка тръба представлява самостоятелна затворена система, в която при условия на вакуум циркулира работен агент. Топлинните тръби, в зависимост от принципа на работа, се разделят на две основни групи - гравитационни и капилярни.
Гравитационните топлинни тръби работят само във вертикално положение (фиг. 3). Условно, топлообменникът е разделен на три отделни зони - изпарителна, транспортна и кондензационна. Изхвърляният топъл въздух обтича долната част на тръбите, в резултат на което работният флуид се изпарява, достигайки до зоната на кондензация, където кондензира и под действието на гравитационните сили кондензатът се връща обратно в зоната на изпарение. Теоретично ефективността на работа на тръбите би могла да се контролира чрез техния наклон.
Вторият вид топлинни тръби - капилярните, от вътрешната страна са облицовани с материал с капилярна структура (фиг. 4). Възможно е да се използва филц, нетъкан текстил и други материали. При капилярните топлинни тръби, кондензатът се транспортира за сметка на разликата в налягането между зоните на кондензация и изпарение. За разлика от гравитационните, тези топлинни тръби работят в хоризонтално положение. Едно от основните им предимства е възможността за реверсиране на посоката на преноса, което позволява да се реализират икономии на енергия не само през зимата, но и през лятото, при използването им в климатични системи.

Характеризират се с висока ефективност
В зависимост от вида на работния агент, топлинните тръби могат да работят в сравнително широк температурен интервал. Основните им предимства са високата степен на ефективност и надеждност при експлоатация. При тях няма пренос на вредни вещества към подавания въздух, а разходите за поддръжка са малки.
Тръбните топлообменници са изключително подходящи за работа в агресивни среди. Използват се предимно в автономни въздухообработващи апарати за топловъздушно отопление и климатизация. Подходящи са и в случаи, при които се търси компактност на съоръженията Други техни предимства са отсъствието на подвижни части, както и възможността за лесно почистване и приложимостта им при високи температури на горещия въздушен поток.
Недостатъците им са свързани със сложната производствена технология, трудното регулиране на топлинната мощност, значителните разходи при необходимост от предварително филтриране на изхвърляния въздух и опасността от замръзване.

Топлообменници със затворен контур
В случаите, когато е недопустимо смесване на подавания и изпускания въздушен поток, поради съдържащи се в тях замърсявания, отпадъчната топлина се оползотворява чрез пренасянето й по контур. Пренасянето се реализира чрез използване на оребрени топлообменници тип въздух-течност, които се монтират във въздухопроводите с изхвърляния и постъпващия въздушни потоци. Топлообменниците са свързани в затвореноконтурна система, в която принудително циркулира работен флуид. Той трябва да отговаря на определени изисквания като висок специфичен топлинен капацитет, нисък вискозитет, висок коефициент на топлопроводност, пожаро- и взривобезопасност, да не е агресивен към метали и да е безвреден за човека. Сред най-често използваните топлоносители е воден разтвор на етиленгликол. Когато системата е свързана към мрежата на отоплителната система, се работи с вода. Предотвратяването от замръзване се осигурява от източника на топлина. За ограничаване на топлинните загуби, тръбопроводите, по които се пренася топлоносителят предварително се изолират, което предотвратява и кондензацията на водни пари по повърхността им.
Този вид системи пренасят предимно явна топлина. Ефективността на системата се повишава при понижаване на температурата на топлоносителя, което предизвиква кондензация на водни пари, вследствие на което започва пренасяне и на скрита топлина. Ако температурата на топлоносителя, обаче, падне под температурата на замръзване на водата, се наблюдава обледеняване на топлообменника и намаляване на ефективността му. Характерно за този тип системи е отсъствието на пренос на влага и възможността за реверсиране на топлопреносните процеси. Обикновено тези системи се изграждат от

Оребрени топлообменници
изработени от специално навити тръби или тръби с ламели. Не е задължително двата топлообменника да са от един и същ конструктивен тип. Самите топлообменници се разполагат във въздухообработваща централа или във въздухопроводната мрежа. В случаите на кондициониране на въздуха се работи в температурни граници, които налагат използването на многоредови топлообменници. Това води до повишаване на ефективността, но също така и до увеличаване на хидравличните загуби по въздух и топлоносител. В приложения, при които се рекуперира топлина от отпадъчни газове с агресивни свойства, се препоръчва използването на топлообменници от подходящи материали или със специална повърхностна обработка.
Системата включва още трипътен вентил за регулиране на топлинната мощност, помпа, която се монтира към топлообменника за изхвърляния въздух и разширителен съд за поемане на термичните обемни изменения на топлоносителя.

Подходящи са за технологични отпадни газове
Инсталациите с междинен топлоносител са подходящи за оползотворяване на топлината на технологични отпадни газове, независимо от химичния им състав, както и за отдалечени в пространството нагнетателни и смукателни инсталации за кондициониране на въздуха. Загубите на налягане в мрежата са сравнително малък процент от общия енергиен баланс на системата.
Системите с междинен топлоносител позволяват свързването на няколко смукателни и нагнетателни инсталации в обща система. Те могат да бъдат и с различни дебити и температури и да поддържат различен експлоатационен режим. Появата на обледеняване се предотвратява чрез управление на топлинната мощност - посредством промяна на дебита на топлоносителя, който преминава в потока външен въздух или чрез добавяне на топла вода от отоплителната инсталация.

Предимства и недостатъци на системите с топлоносител
Основно предимство на описаното техническо решение за оползотворяване на отпадъчната топлина е отпадане на изискването двата въздушни потока да са съседни и дори в непосредствена близост един до друг. Разстоянието между потоците се ограничава единствено от икономически съображения, свързани с разходите за изграждане на тръбопроводната и помпената системи. Друго предимство на системите с междинен топлоносител е отсъствието на смесване между въздушните потоци, което е от особена важност в редица заводски приложения. Съществува възможност за разпределяне на излишната топлина по различните инсталации или с цел използването й за технологични нужди. Също така, лесно се регулира топлинната мощност чрез изменение на дебита.
Като недостатъци на тази система могат да се посочат по-ниската й ефективност в сравнение с регенеративните топлообменници, което се дължи на необходимостта от достатъчно големи температурни разлики между топлоносителя и въздушните потоци. Необходимо е замърсените въздушни потоци предварително да се почистват, което съответно води и до по-високи експлоатационни разходи.