По материалам канд. техн. Наук
Е. П. ВИШНЕВСКОГО

Как известно, здания, построенные15 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 сплит систем 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%.
    В данной статье мы более детально 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 х11 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. Т. е. 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°С. (см. рис. 1).

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. В таблице представлены результаты расчета минимальных значений температуры приточного воздуха при различных значениях температуры на вытяжке для одной из конкретных моделей пластинчатых теплообменников производства фирмы «HОVAL».
   
    Исходя из представленных результатов, можно сделать следующие выводы:

• Опасность замораживания снижается с увеличением влажности удаляемого воздуха. Особенно заметно такое снижение при высоких температурах на вытяжке.

• 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;

• Опасность замораживания увеличивается с ростом сухой эффективности рекуперации;

• По мере увеличения температуры на вытяжке опасность обледенения снижается;

• 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 (рис. 2), 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 происходит следующее (рис. 3). 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 функционировать полноценным образом.
    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 теплообменника и 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:

• 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. Таким образом, 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;

• 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:

• Обычная конструкция

С учетом симметрии возможны четыре различающиеся между собой схемы организации воздушных потоков (рис. 4).

• Диагональная конструкция

Возможны также четыре различающиеся между собой схемы организации воздушных потоков (рис. 5).

Горизонтальная установка

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 не плотности;

• 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.

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 (рис. 6).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 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 теплообменника и направленность воздушных потоков

Поскольку воздух проходит через теплообменник по каналам или трубам, силы гравитации оказывают гораздо большее влияние на процесс обледенения:

Обычная конструкция (рис. 7).

Диагональная конструкция (рис. 8).

Горизонтальная установка

Теоретически ситуация в этом случае аналогична имеющей место при использовании теплообменников открытого типа. Однако 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.

Представленные материалы позволяют констатировать следующее:

• Использование вытяжных вентиляторов с пологой аэродинамической характеристикой предотвращает или снижает интенсивность обледенения, что однозначно подтверждает целесообразность их использования.

• Пластинчатые теплообменники открытого типа имеют очевидные преимущества в сравнении с канальными теплообменниками, поскольку последние более склонны к обмерзанию.

• В отношении расположения теплообменников и организации воздушных потоков, разработка общих рекомендаций принципиально невозможна. В каждом конкретном случае следует руководствоваться конкретными обстоятельствами, которые, прежде всего, определяются количеством образуемого конденсата, а также скоростью воздуха на вытяжке.

Методы борьбы с обмерзанием теплообменников

Прежде всего необходимо иметь ввиду, что обмерзание пластинчатых теплообменников является вполне допустимым и при разработке систем рекуперации тепла отсутствует необходимость избегать частичного обледенения теплообменников на стороне вытяжки последующим причинам:

• Большинство объектов не работает в ночное время, когда температура наружного воздуха достигает минимальных значений.

• При эксплуатации систем вентиляции, предусматривающих рекуперацию отходящего тепла, частичное обмерзание теплообменников на короткое время не оказывает заметного влияния на общую производительность и энергетическую эффективность систем.

• Формальный расчет не всегда соответствует реальной действительности. Особенно это относится к условиям низкой влажности приточного воздуха, которая зимой при континентальном климате зачастую не превышает 4 г/кг. При этих условиях поверхностная конденсация вообще не происходит.

Подогрев приточного воздуха

Проблема обледенения теплообменника полностью решается путем предварительного подогрева приточного воздуха выше температуры обмерзания. Это может быть реализовано за счет частичного смешения свежего и удаляемого воздуха на притоке либо при использовании дополнительных электрических нагревателей (ТЭНов) или калориферов. Следует иметь в виду, что подогрев необходим только в пределах «холодного угла», за счет чего габариты и мощность устанавливаемого оборудования могут быть существенным образом снижены. Тем не менее, подобное решение проблемы нецелесообразно, поскольку связано со значительным усложнением конструкции и дополнительными эксплуатационными затратами.

Регулирование массового отношения воздушных потоков на притоке и вытяжке

При уменьшении количества холодного приточного воздуха в принципе можно достигнуть условий, при которых количество ассимилируемого им тепла не приводит к переохлаждению сравнительно большого количества удаляемого теплого воздуха и, соответственно, к обмерзанию теплообменника. Однако для достижения этого массовое отношение воздушных потоков m2:m1, как правило, не должно превышать 0,5. Потому, что на вытяжке удаляемый воздух всегда значительно холоднее в выходном сечении по сравнению со входным.
    Тем не менее, данная мера используется достаточно часто, поскольку в любом случае целесообразной является установка байпаса, позволяющего в летний период регулировать параметры воздуха на притоке. В силу этого дополнительные затраты оказываются невелики, будучи связаны только с необходимостью использования соответствующих средств автоматизированного контроля и органов управления. Подобное техническое решение недостаточно эффективно с энергетической точки зрения, т. к. значительная часть приточного воздуха проходит через байпас, минуя теплообменник. Общая эффективность рекуперации при этом резко падает.
    Особый интерес представляет конструктивное решение на рис. 9, которое, однако, приемлемо только для пластинчатых теплообменников открытого типа. Поток холодного приточного воздуха на входе в теплообменник отклоняется в поперечном направлении с помощью плоского дефлектора маятникового типа, управляемого сигналами термостата, расположенного в «холодном углу». В результате на вытяжке удаляемый теплый воздух не переохлаждается в критической зоне ниже заданной температуры, что обеспечивается локальным ограничением доступа холодного воздуха. Таким образом предотвращается процесс обледенения.

За счет плоского дефлектора происходит сужение проходного сечения на входе со стороны притока, что приводит к увеличению потерь статического давления. Однако указанный эффект не столь значителен, поскольку за дефлектором в теплообменниках открытого типа воздушный поток вновь расширяется.

Размораживание теплообменников

Упоминаемые способы размораживания теплообменников предполагают возможность их обмерзания с последующим оттаиванием путем соответствующего переключения режимов работы. Имеют место следующие два варианта:

• Размораживание всего теплообменника

При достижении определенной степени обмерзания теплообменника происходит отключение притока. В результате через теплообменник проходит только удаляемый теплый воздух со стороны вытяжки, за счет чего теплообменник размораживается. Указанный способ является простым и достаточно эффективным, поскольку отключение притока производится на короткое время(от 3 до 5 минут). Наилучшим в этом случае является управление по величине перепада статического давления на стороне вытяжки.

Частичное размораживание (метод стратификации)

Данный способ предполагает наличие на входе со стороны притока много лепестковых, индивидуально управляемых воздушных клапанов (рис. 10).

При нормальном функционировании клапаны полностью открыты. По мере обмерзания теплообменника осуществляется управление лепестками клапана, за счет чего происходит кратковременное перекрытие отдельных частей воздушного потока на притоке. Таким образом могут последовательно размораживаться одна секция за другой. Потери статического напора в этом случае незначительны. В целом данный способ размораживания достаточно эффективен. Однако при этом система управления значительно сложнее, чем в предыдущем варианте.

Снижение теплопередачи

Данный метод является чисто конструктивным, предусматривая специальное профилирование пластин с целью снижения коэффициента теплопередачи в «холодном углу». Однако при этом невозможно осуществлять управление и регулирование, что ограничивает возможности метода, обеспечивая лишь снижение температуры обмерзания до некоторых пределов. В зависимости от условий эксплуатации могут потребоваться дополнительные меры борьбы с обмерзанием теплообменников.

Способы регулирования

Существуют три способа регулирования, имеющих своим назначением предотвращение либо ликвидацию последствий обмерзания теплообменников, различающиеся между собой источником информации, на основе которой строится соответствующая система управления.

• Температура приточного воздуха

По показаниям термостата, устанавливаемого на входе воздушного потока со стороны притока, происходит управление работой байпасного клапана. В большинстве случаев осуществляется двухпозиционное регулирование. Использование тепловой энергии при этом оптимизируется не в полной мере.

• Температура воздуха на вытяжке в«холодном углу»

По показаниям термостата, устанавливаемого таким образом, осуществляется непрерывное регулирование, обеспечивая полноценную оптимизацию использования тепловой энергии в ходе управления работой теплообменника в зимних условиях при охлаждении наружного воздуха ниже температуры обмерзания.

• Потеря статического давления на стороне вытяжки

Степень обледенения определяется по перепаду давления между входным и выходным сечениями потока удаляемого воздуха. С помощью пневмодатчика устанавливается значение перепада давлений, по достижении которого происходит срабатывание соответствующей системы защиты. Данный способ регулирования наиболее эффективен при использовании методов борьбы с обмерзанием теплообменников путем их периодического размораживания.

Заключение

Изложенные соображения носят качественный характер и основаны, прежде всего, на общих физических представлениях. В доступной нам научно-технической литературе строгое математическое описание анализируемых процессов, а также необходимые эмпирические данные отсутствуют. Тем не менее, представленные выше соображения иллюстрируют принципиальные возможности создания систем рекуперации тепла рациональных с инженерной точки зрения, которые обеспечивали бы высокую эффективность достигаемых теплотехнических показателей, связанных с энергосбережением, при удовлетворительных эксплуатационных свойствах систем в целом.