Quando si costruisce una casa, è necessario selezionare e installare un sistema per il recupero del calore nei sistemi di ventilazione. Esistono diverse modifiche alle apparecchiature di ventilazione, che vengono scelte in base al produttore. Le apparecchiature a impulso naturale includono prese d'aria a parete e finestra per portare aria fresca nelle stanze. Per rimuovere gli odori dai servizi igienici e dai bagni, oltre che dalle cucine, sono installati condotti di scarico.

Il ricambio d'aria è ottenuto grazie alla differenza di temperatura nell'ambiente e all'esterno. Durante l'estate le temperature si uniformano sia all'interno che all'esterno degli ambienti. Cioè, il ricambio d'aria è sospeso. In inverno, l'effetto si manifesta più rapidamente, ma richiederà più energia per riscaldare l'aria fredda esterna.

La cappa Composite è un sistema con ventilazione forzata e circolazione naturale dell'aria. Gli svantaggi sono:

I vantaggi includono il prezzo basso e l'assenza di fattori naturali esterni. Ma allo stesso tempo, in termini di qualità e funzionalità, l'aerazione non può essere considerata una ventilazione a tutti gli effetti.

Per garantire condizioni confortevoli nei nuovi edifici residenziali, vengono installati sistemi universali di aerazione forzata. I sistemi con scambiatore di calore garantiscono la fornitura di aria fresca a una temperatura normale con la contemporanea rimozione dell'aria di scarico dai locali. Insieme a questo, il calore viene rimosso dal flusso di scarico.

Risparmio di energia termica utilizzando la ventilazione di mandata e di scarico con uno scambiatore di calore // FORUMHOUSE

A seconda dei tipi di recuperatori e delle dimensioni dei locali in cui è installata la ventilazione, il microclima viene migliorato in modo più o meno efficace. Ma anche con un recupero installato con un'efficienza di appena il 30%, il risparmio energetico sarà significativo e migliorerà anche il microclima generale degli ambienti. Ma gli scambiatori di calore hanno anche degli svantaggi:

• aumento del consumo di energia elettrica;
• rilascio di condensa e formazione di ghiaccio in inverno, che può causare danni allo scambiatore di calore;
• forte rumore durante il funzionamento, causando grandi disagi.

Gli scambiatori di calore o i recuperatori di calore negli impianti di ventilazione con isolamento termico e acustico potenziato funzionano in modo molto silenzioso.

I recuperatori del movimento diretto dei vettori di calore presuppongono la ventilazione e l'utilizzo dell'aria calda di scarico. Il dispositivo muove l'aria in due direzioni alla stessa velocità. Con gli scambiatori di calore aumenta il comfort della vita nelle case.

Allo stesso tempo, i costi di riscaldamento e ventilazione sono notevolmente ridotti, combinando entrambi i seri processi in uno solo. Tali dispositivi possono essere utilizzati sia in locali residenziali che industriali. Pertanto, il risparmio in denaro sarà di circa il trenta-settanta per cento. Gli scambiatori di calore possono essere suddivisi in due gruppi: scambiatori di calore a semplice effetto e pompe di calore per aumentare la riserva di calore utilizzato. Gli scambiatori di calore possono essere utilizzati solo nei casi in cui le risorse delle sorgenti siano maggiori delle risorse del microclima a cui viene ceduta l'energia termica.

Sistema di ventilazione dell'appartamento con recuperatore Ecoluxe EC-900H3.

Dispositivi che trasferiscono calore dalle sorgenti ai consumatori utilizzando fluidi di lavoro intermedi, ad esempio liquidi circolanti in circuiti chiusi, costituiti da pompe di circolazione, tubazioni e scambiatori di calore situati in camere riscaldate e raffreddate, sono detti recuperatori con portatori di calore intermedi. Tali apparecchiature sono ampiamente utilizzate in vari scambiatori di calore e pompe di circolazione a grandi distanze tra la fonte di calore e il consumatore.

Questo principio è utilizzato in un sistema estensivo di recupero di calore e consumatori di energia con caratteristiche diverse. Il funzionamento di uno scambiatore di calore con un vettore di calore intermedio è che il processo in esso procede nell'intervallo del vapore acqueo con un cambiamento nello stato di aggregazione a temperatura, pressione e volume costanti. Il funzionamento dei recuperatori di calore con pompe di calore è diverso in quanto il movimento del fluido di lavoro in essi contenuto è prodotto da un compressore.

Efficienza del tubo dello scambiatore di calore nel tubo in autunno. +6g.C. fuori.

Dispositivi ad azione mista

Per lo smaltimento e per il riscaldamento dell'aria di mandata utilizzare scambiatori di tipo recuperativo oa contatto. Possono essere installati anche dispositivi ad azione mista, ovvero uno - azione recuperativa e il secondo - contatto. È auspicabile installare refrigeranti intermedi che siano innocui, economici, non corrosivi nelle tubazioni e negli scambiatori di calore. Fino a poco tempo, solo l'acqua oi glicoli acquosi agivano come vettori di calore intermedi.

Al momento, le loro funzioni sono svolte con successo dall'unità di refrigerazione, che funziona come una pompa di calore in combinazione con uno scambiatore di calore. Gli scambiatori di calore si trovano nei condotti dell'aria di mandata e di scarico e, con l'aiuto di un compressore, viene fatto circolare il freon, i cui flussi trasferiscono il calore dal flusso dell'aria di scarico all'aria di alimentazione e viceversa. Tutto dipende dal periodo dell'anno. Un tale sistema è costituito da due o più, che sono uniti da un circuito di refrigerazione, che garantisce il funzionamento sincrono delle unità in diverse modalità.

Caratteristiche dei modelli di piastre e rotori

Il design più semplice dello scambiatore di calore a piastre. La base di un tale scambiatore di calore è camera ermetica con condotti d'aria paralleli. I suoi canali sono separati da piastre termoconduttrici in acciaio o alluminio. Lo svantaggio di questo modello è la formazione di condensa nei condotti di scarico e la comparsa di una crosta di ghiaccio in inverno. Quando l'apparecchiatura viene sbrinata, l'aria in ingresso va allo scambiatore di calore e le masse d'aria calda in uscita contribuiscono allo scioglimento del ghiaccio sulle piastre. Per prevenire tali situazioni, è preferibile utilizzare lastre in foglio di alluminio, plastica o cellulosa.

Gli scambiatori di calore rotativi sono i dispositivi più efficienti e sono cilindri con strati di metallo ondulato. Quando il tamburo ruota, un flusso d'aria calda o fredda entra in ogni sezione. Poiché l'efficienza è determinata dalla velocità di rotazione del rotore, è possibile controllare un tale apparato.

I vantaggi includono il ritorno di calore di circa il 90%, l'uso economico dell'elettricità, l'umidificazione dell'aria, i tempi di ammortamento più brevi. Per calcolare l'efficienza dello scambiatore di calore, è necessario misurare la temperatura dell'aria e calcolare l'entalpia dell'intero sistema utilizzando la formula: H = U + PV (U - energia interna; P - pressione del sistema; V - volume del sistema) .

In questo articolo, considereremo tale caratteristica di trasferimento di calore come coefficiente di recupero. Mostra il grado di utilizzo da parte di un vettore di calore di un altro durante lo scambio di calore. Il fattore di recupero può essere indicato come fattore di recupero del calore, efficienza di scambio termico o efficienza termica.

Nella prima parte dell'articolo, cercheremo di trovare relazioni universali per il trasferimento di calore. Possono derivare dai principi fisici più generali e non richiedono alcuna misura. Nella seconda parte presenteremo le dipendenze dei coefficienti di recupero reali dalle principali caratteristiche di scambio termico per barriere a lama d'aria reali o separatamente per unità di scambio termico “acqua-aria”, che sono già state considerate negli articoli “Potenza delle barriere di calore a portate arbitrarie del liquido di raffreddamento e dell'aria. Interpretazione dei dati sperimentali” e “Potenza della cortina termica a portata arbitraria del refrigerante e dell'aria. Invariants of the heat transfer process”, pubblicato dalla rivista “Climate World” rispettivamente nei numeri 80 e 83. Verrà mostrato come i coefficienti dipendano dalle caratteristiche dello scambiatore di calore, nonché come siano influenzati dalle portate dei vettori di calore. Verranno spiegati alcuni paradossi del trasferimento di calore, in particolare il paradosso di un alto valore del coefficiente di recupero con una grande differenza nelle portate dei vettori di calore. Per semplificare, si considererà il concetto stesso di recupero e il significato della sua definizione quantitativa (coefficiente) utilizzando l'esempio degli scambiatori di calore aria-aria. Questo permetterà di definire un approccio al significato del fenomeno, che potrà poi essere esteso a qualsiasi scambio, anche “acqua – aria”. Si noti che nelle unità di scambio termico aria-aria possono essere organizzate sia correnti trasversali, che sono fondamentalmente vicine agli scambiatori di calore acqua-aria, sia controcorrenti dei mezzi scambiatori di calore. Nel caso delle controcorrenti, che determinano gli elevati valori dei coefficienti di recupero, gli schemi pratici di scambio termico possono differire alquanto da quelli discussi in precedenza. È importante che le leggi universali del trasferimento di calore siano generalmente valide per qualsiasi tipo di unità di scambio termico. Nel ragionamento dell'articolo, assumeremo che l'energia viene conservata durante il trasferimento di calore. Ciò equivale all'affermazione che la potenza di irraggiamento e la convezione del calore dal corpo dell'apparecchiatura termica, a causa del valore della temperatura del corpo, sono piccole rispetto alla potenza di trasferimento del calore utile. Assumiamo inoltre che la capacità termica dei vettori non dipenda dalle loro temperature.

QUANDO È IMPORTANTE UN ELEVATO COEFFICIENTE DI RECUPERO?

Possiamo presumere che la capacità di trasferire una certa quantità di potenza termica sia una delle caratteristiche principali di qualsiasi apparecchiatura termica. Maggiore è questa capacità, più costosa è l'attrezzatura. Il fattore di recupero in teoria può variare dallo 0 al 100%, e in pratica spesso dal 25 al 95%. Intuitivamente, si può presumere che un elevato fattore di recupero, oltre alla capacità di trasmettere un'elevata potenza, implichi elevate qualità di consumo dell'apparecchiatura. Tuttavia, in realtà, non si osserva una relazione così diretta, tutto dipende dalle condizioni per l'utilizzo del trasferimento di calore. Quando è importante un alto grado di recupero del calore e quando è secondario? Se il liquido di raffreddamento da cui viene prelevato il calore o il freddo viene utilizzato una sola volta, cioè non viene eseguito in loop e immediatamente dopo l'uso viene irrimediabilmente scaricato nell'ambiente esterno, per un uso efficiente di questo calore è opportuno utilizzare un dispositivo con un elevato fattore di recupero. Esempi includono l'uso del calore o del freddo da una parte di impianti geotermici, serbatoi aperti, fonti di calore in eccesso tecnologico, dove è impossibile chiudere il circuito del vettore di calore. Un elevato recupero è importante quando nella rete di riscaldamento il calcolo viene effettuato solo sulla portata d'acqua e sul valore della temperatura dell'acqua diretta. Per gli scambiatori di calore aria-aria si tratta dell'utilizzo del calore dell'aria di scarico, che subito dopo lo scambio termico va nell'ambiente esterno. Un altro caso limite si realizza quando il liquido di raffreddamento viene pagato rigorosamente in base all'energia da esso prelevata. Questa può essere definita un'opzione ideale per una rete di fornitura di calore. Quindi si può affermare che un parametro come il coefficiente di recupero non ha alcuna importanza. Sebbene, con restrizioni sulla temperatura di ritorno del vettore, anche il coefficiente di recupero abbia senso. Si noti che, in determinate condizioni, è auspicabile un fattore di ripristino dell'attrezzatura inferiore.

DETERMINAZIONE DEL COEFFICIENTE DI RECUPERO

La definizione del fattore di recupero è data in molti manuali di riferimento (ad esempio, , ). Se il calore viene scambiato tra due mezzi 1 e 2 (Fig. 1),

che hanno rispettivamente capacità termiche c 1 e c 2 (in J/kgxK) e portate massiche g 1 e g 2 (in kg/s), il coefficiente di recupero dello scambio termico può essere rappresentato come due rapporti equivalenti:

\u003d (c 1 g 1) (T 1 - T 1 0) / (cg) min (T 2 0 - T 1 0) \u003d (c 2 g 2) (T 2 0 - T 2) / (cg) min ( T 2 0 - T 1 0). (uno)

In questa espressione, T 1 e T 2 sono le temperature finali di questi due mezzi, T 1 0 e T 2 0 sono quelle iniziali e (cg) min è il minimo dei due valori della so- chiamato equivalente termico di questi mezzi (W / K) alle portate g 1 e g 2 , (cg) min = min((s 1 g 1), (s 2 g 2)). Per calcolare il coefficiente si può utilizzare una qualsiasi delle espressioni, poiché i loro numeratori, ognuno dei quali esprime la potenza termica totale (2), sono uguali.

W \u003d (c 1 g 1) (T 1 - T 1 0) \u003d (c 2 g 2) (T 2 0 - T 2). (2)

La seconda uguaglianza in (2) può essere considerata come un'espressione della legge di conservazione dell'energia durante il trasferimento di calore, che per i processi termici è chiamata prima legge della termodinamica. Si può notare che in una qualsiasi delle due definizioni equivalenti in (1), sono presenti solo tre delle quattro temperature di scambio. Come detto, il valore diventa significativo quando uno dei refrigeranti viene scartato dopo l'uso. Ne consegue che la scelta tra le due espressioni di (1) può sempre essere fatta in modo tale che sia la temperatura finale di questo vettore ad essere esclusa dall'espressione di calcolo. Diamo esempi.

a) Recupero del calore dell'aria estratta

Un noto esempio di scambiatore di calore con un elevato valore richiesto è lo scambiatore di calore dell'aria di ripresa per il riscaldamento dell'aria di mandata (Fig. 2).

Se designiamo la temperatura dell'aria di scarico T stanza, T st strada e l'aria di mandata dopo il riscaldamento nello scambiatore di calore T pr, quindi, dato lo stesso valore delle capacità termiche di due flussi d'aria (sono quasi gli stessi, se trascuriamo le piccole dipendenze dall'umidità e dalla temperatura dell'aria), si può ottenere un'espressione ben nota per:

G pr (T pr - T st) / g min (T room - T st). (3)

In questa formula, gmin indica la g min \u003d min (g in, g out) più piccola delle due portate di secondo g nell'aria di alimentazione e g nell'aria di scarico. Quando la portata dell'aria di mandata non supera la portata dell'aria di scarico, la formula (3) viene semplificata e ridotta alla forma = (T pr - T st) / (T room - T st). La temperatura che non viene presa in considerazione nella formula (3) è la temperatura T' dell'aria di scarico dopo il passaggio attraverso lo scambiatore di calore.

b) Recupero in una porta a lama d'aria o in uno scaldabagno arbitrario

Poiché, in tutti i casi possibili, l'unica temperatura, il cui valore può non essere significativo, è la temperatura dell'acqua di ritorno T x, va esclusa dall'espressione per il fattore di recupero. Se designiamo la temperatura dell'aria attorno alla porta a lama d'aria T 0, riscaldata dalla porta a lama d'aria - T, e la temperatura dell'acqua calda che entra nello scambiatore di calore T g, (Fig. 3), perché otteniamo:

Cg (T - T 0) / (cg) min (T g - T 0). (4)

In questa formula, c è la capacità termica dell'aria, g è il secondo flusso d'aria di massa.

La designazione (cg) min è il valore più piccolo di aria cg e acqua con equivalenti termici WG, c W è la capacità termica dell'acqua, G è la seconda portata massica dell'acqua: (cg) min \u003d min ((cg) , (cWG)). Se il flusso d'aria è relativamente piccolo e l'equivalente in aria non supera l'equivalente in acqua, anche la formula è semplificata: \u003d (T - T 0) / (T g - T 0).

SIGNIFICATO FISICO DEL COEFFICIENTE DI RECUPERO

Si può presumere che il valore del coefficiente di recupero del calore sia un'espressione quantitativa dell'efficienza termodinamica del trasferimento di potenza. È noto che per il trasferimento di calore questa efficienza è limitata dalla seconda legge della termodinamica, nota anche come legge dell'entropia non decrescente.

Tuttavia, si può dimostrare che - questa è davvero l'efficienza termodinamica nel senso di entropia non decrescente solo nel caso di uguaglianza degli equivalenti termici di due mezzi scambiatori di calore. Nel caso generale di disuguaglianza di equivalenti, il valore teorico massimo possibile = 1 è dovuto al postulato di Clausius, che è così formulato: "Il calore non può essere trasferito da un corpo più freddo a uno più caldo senza altri cambiamenti contemporaneamente associati con questo trasferimento". In questa definizione, altre modifiche sono il lavoro che viene fatto sull'impianto, ad esempio nel ciclo di Carnot inverso, in base al quale funzionano i condizionatori d'aria. Considerando che pompe e ventilatori durante lo scambio di calore con vettori come acqua, aria e altri, producono su di essi un lavoro trascurabile rispetto alle energie di scambio termico, possiamo supporre che con tale scambio termico il postulato di Clausius sia soddisfatto con un alto grado di accuratezza.

Sebbene si creda comunemente che sia il postulato di Clausius che il principio dell'entropia non decrescente siano solo formulazioni della seconda legge della termodinamica per sistemi chiusi di forma diversa, non è così. Per confutare la loro equivalenza, mostreremo che generalmente possono portare a varie restrizioni sul trasferimento di calore. Si consideri un recuperatore aria-aria nel caso di uguali equivalenti termici di due mezzi scambiatori, che, a parità di capacità termiche, implica l'uguaglianza delle portate massiche di due flussi d'aria, e = (T pr - T st ) / (Camera T - T st). Sia, per certezza, la temperatura ambiente T stanza \u003d 20 ° C e la temperatura della strada T strada \u003d 0 ° C. Se ignoriamo completamente il calore latente dell'aria, che è dovuto alla sua umidità, allora, come segue da (3), la temperatura dell'aria di mandata T pr \u003d 16 o C corrisponde a un coefficiente di recupero = 0,8 e a T pr = 20 o C raggiunge un valore di 1. (Le temperature dell'aria espulsa nel street in questi casi T' sarà rispettivamente 4 o C e 0 o C). Mostriamo che esattamente = 1 è il massimo per questo caso. Dopotutto, anche se l'aria di mandata avesse una temperatura di T pr \u003d 24 ° C e gettata nella strada T ' = -4 ° C, la prima legge della termodinamica (la legge di conservazione dell'energia) non lo sarebbe essere violato. Ogni secondo, E = cg 24 o C Joule di energia saranno trasmessi all'aria della strada e la stessa quantità sarà prelevata dall'aria della stanza, e in questo caso sarà pari a 1,2, ovvero 120%. Tuttavia, tale trasferimento di calore è impossibile proprio perché in questo caso l'entropia del sistema diminuirà, cosa vietata dalla seconda legge della termodinamica.

Infatti, secondo la definizione di entropia S, la sua variazione è associata ad una variazione dell'energia totale del gas Q per la relazione dS = dQ / T (la temperatura è misurata in Kelvin), e dato che a pressione costante del gas dQ = mcdT, m è la massa del gas, s (o come viene spesso indicato con p) - capacità termica a pressione costante, dS \u003d mc dT / T. Pertanto, S = mc ln(T 2 / T 1), dove T 1 e T 2 sono le temperature del gas iniziale e finale. Nella notazione della formula (3), per una seconda variazione dell'entropia dell'aria di mandata, otteniamo Spr = cg ln(Tpr / Tul), se l'aria di strada si riscalda è positiva. Per modificare l'entropia dell'aria di scarico Sout = c g · ln(T / Troom). La variazione dell'entropia dell'intero sistema in 1 secondo:

S \u003d S pr + S vyt \u003d cg (ln (T pr / T st) + ln (T ' / T room)). (5)

Per tutti i casi, considereremo T st \u003d 273K, T room \u003d 293K. For = 0.8 da (3), T pr = 289K e da (2) T' = 277K, che ci permetterà di calcolare la variazione di entropia totale S = 0.8 = 8 10 –4 cg. A = 1, otteniamo allo stesso modo T pr = 293K e T' = 273K e l'entropia, come previsto, rimane S = 1 = 0. Il caso ipotetico = 1.2 corrisponde a T pr = 297K e T' = 269K, e il il calcolo mostra una diminuzione dell'entropia: S = 1,2 = –1,2 10 –4 cg. Questo calcolo può essere considerato una giustificazione per l'impossibilità di questo processo c = 1,2 in particolare, e in generale per qualsiasi > 1 dovuto anche a S< 0.

Quindi, a portate che forniscono equivalenti termici di due mezzi (per mezzi identici, ciò corrisponde a portate uguali), il coefficiente di recupero determina l'efficienza di scambio nel senso che = 1 determina il caso limite di conservazione dell'entropia. Il postulato di Clausius e il principio di entropia non decrescente sono equivalenti per un caso del genere.

Consideriamo ora portate d'aria disuguali per lo scambio di calore aria-aria. Si supponga, ad esempio, che la portata massica dell'aria di mandata sia 2g e quella dell'aria di scarico sia g. Per modificare l'entropia a tali costi, otteniamo:

S \u003d S pr + S vyt \u003d 2s g ln (T pr / T st) + s g ln (T ' / T st). (6)

Per = 1 alle stesse temperature iniziali T st = 273 K e T stanza = 293 K, usando (3), otteniamo T pr = 283 K, poiché g pr / g min = 2. Quindi dalla legge di conservazione dell'energia (2) otteniamo il valore T ' = 273K. Se sostituiamo questi valori di temperatura in (6), quindi per una variazione completa di entropia otteniamo S = 0,00125cg > 0. Cioè, anche nel caso più favorevole c = 1, il processo diventa termodinamicamente non ottimale, avviene con un aumento dell'entropia e, di conseguenza, a differenza del sottocaso a pari costi, è sempre irreversibile.

Per stimare la scala di tale aumento, troviamo il coefficiente di recupero per lo scambio di costi uguali già considerato sopra, in modo che a seguito di tale scambio si produca lo stesso valore di entropia dei costi che differiscono di un fattore 2 a = 1 In altre parole, stimiamo la non ottimalità termodinamica dello scambio di diversi costi in condizioni ideali. Innanzitutto, la variazione di entropia stessa dice poco, è molto più informativo considerare il rapporto S / E della variazione di entropia rispetto all'energia trasferita dallo scambio termico. Dato che nell'esempio precedente, quando l'entropia aumenta di S = 0,00125cg, l'energia trasferita è E = cg pr (T pr - T ul) = 2c g 10K. Pertanto, il rapporto S / E = 6,25 10 -5 K -1. È facile notare che il coefficiente di recupero = 0,75026 porta alla stessa “qualità” di scambio a flussi uguali... Infatti, a parità di temperatura iniziale T ul = 273K e T ambiente = 293K e flussi uguali, questo coefficiente corrisponde a temperature T pr = 288 K e T' = 278 K. Utilizzando la (5), otteniamo la variazione di entropia S = 0.000937сg e tenendo conto che E = сg(T pr - T ul) = сg 15K, otteniamo S / Е = 6.25 10 –5 K -1 . Quindi, in termini di qualità termodinamica, il trasferimento di calore a = 1 ea flussi due volte diversi corrisponde al trasferimento di calore a = 0,75026 ... con flussi identici.

Un'altra domanda può essere fatta: quali dovrebbero essere le ipotetiche temperature di scambio con diverse portate affinché questo processo immaginario avvenga senza un aumento dell'entropia?

Per = 1,32 alle stesse temperature iniziali T st = 273 K e T ambiente = 293 K, utilizzando la (3), otteniamo T pr = 286,2 K e dalla legge di conservazione dell'energia (2) T' = 266,6 K. Se sostituiamo questi valori in (6), allora per una variazione completa dell'entropia otteniamo cg(2ln(286.2 / 273) + ln(266.6 / 293)) 0. La legge di conservazione dell'energia e la legge di non -entropia decrescente per queste temperature sono soddisfatte, eppure lo scambio è impossibile perché T' = 266,6 K non appartiene all'intervallo di temperatura iniziale. Ciò violerebbe direttamente il postulato di Clausius, trasferendo energia da un ambiente più freddo a uno riscaldato. Di conseguenza, questo processo è impossibile, così come altri sono impossibili non solo con la conservazione dell'entropia, ma anche con il suo aumento, quando le temperature finali di uno qualsiasi dei mezzi superano l'intervallo di temperatura iniziale (T st, T ambiente).

A costi che forniscono equivalenti termici disuguali del mezzo di scambio, il processo di trasferimento del calore è fondamentalmente irreversibile e procede con un aumento dell'entropia del sistema, anche nel caso del trasferimento di calore più efficiente. Queste considerazioni valgono anche per due mezzi di diversa capacità termica, l'unica cosa importante è se gli equivalenti termici di questi mezzi coincidono o meno.

PARADOSSO DELLA QUALITÀ MINIMA DI TRASFERIMENTO TERMICO CON COEFFICIENTE DI RECUPERO 1/2

In questo paragrafo consideriamo tre casi di scambio termico con coefficienti di recupero rispettivamente pari a 0, 1/2 e 1. Far passare attraverso gli scambiatori di calore flussi uguali di mezzi scambiatori di calore di uguale capacità termica con alcune diverse temperature iniziali T 1 0 e T 2 0. Con un fattore di recupero pari a 1, i due mezzi si scambiano semplicemente i valori di temperatura e le temperature finali rispecchiano quelle iniziali T 1 = T 2 0 e T 2 = T 1 0 . Ovviamente, l'entropia non cambia in questo caso S = 0, perché lo stesso mezzo in uscita ha le stesse temperature in ingresso. Con un fattore di recupero di 1/2, le temperature finali di entrambi i mezzi saranno uguali alla media aritmetica delle temperature iniziali: T 1 = T 2 = 1/2 (T 1 0 + T 2 0). Avverrà un processo irreversibile di equalizzazione della temperatura, che equivale ad un aumento dell'entropia S > 0. Con un coefficiente di recupero pari a 0, non vi è trasferimento di calore. Cioè, T 1 \u003d T 1 0 e T 2 \u003d T 2 0 e l'entropia dello stato finale non cambierà, che è simile allo stato finale del sistema con un coefficiente di recupero pari a 1. Come il lo stato c \u003d 1 è identico allo stato c \u003d 0, anche per analogia si può dimostrare che lo stato = 0,9 è identico allo stato c = 0,1, ecc. In questo caso, lo stato c = 0,5 corrisponderà a il massimo aumento di entropia da tutti i coefficienti possibili. Apparentemente, = 0,5 corrisponde al trasferimento di calore di qualità minima.

Naturalmente, questo non è vero. La spiegazione del paradosso dovrebbe iniziare dal fatto che il trasferimento di calore è uno scambio di energia. Se l'entropia aumenta di una certa quantità come risultato del trasferimento di calore, la qualità del trasferimento di calore differirà a seconda che il calore sia stato trasferito 1 J o 10 J. È più corretto considerare non la variazione assoluta dell'entropia S (in infatti la sua produzione nello scambiatore di calore), ma il rapporto tra la variazione di entropia e l'energia trasferita in questo caso E. Ovviamente, per vari insiemi di temperature, questi valori possono essere calcolati per = 0,5. È più difficile calcolare questo rapporto per = 0, perché questa è un'incertezza della forma 0/0. Tuttavia, è facile prendere la ridistribuzione del rapporto a 0, che in termini pratici può essere ottenuta prendendo questo rapporto a valori molto piccoli, ad esempio 0,0001. Nelle tabelle 1 e 2 presentiamo questi valori per varie condizioni iniziali di temperatura.

Per tutti i valori ​​e alle temperature domestiche T st e T br (assumeremo che T br / T st x

S / E (1 / T st - 1 / T camera) (1 -). (7)

Infatti, se designiamo la stanza T \u003d T street (1 + x), 0< x

Nel grafico 1 mostriamo questa dipendenza per le temperature T ul = 300K T ambiente = 380K.

Questa curva non è una retta definita dall'approssimazione (7), sebbene sia abbastanza vicina ad essa da essere indistinguibili sul grafico. La formula (7) mostra che la qualità del trasferimento di calore è minima proprio a = 0. Facciamo un'ulteriore stima della scala S / E. Nell'esempio riportato in , consideriamo il collegamento di due serbatoi di calore con temperature T 1 e T 2 (T 1< T 2) теплопроводящим стержнем. Показано, что в стержне на единицу переданной энергии вырабатывается энтропия 1/Т 1 –1/Т 2 . Это соответствует именно минимальному качеству теплообмена при рекуперации с = 0. Интересное наблюдение заключается в том, что по физическому смыслу приведенный пример со стержнем интуитивно подобен теплообмену с = 1/2 , поскольку в обоих случаях происходит выравнивание температуры к среднему значению. Однако формулы демонстрируют, что он эквивалентен именно случаю теплообмена с = 0, то есть теплообмену с наиболее низким качеством из всех возможных. Без вывода укажем, что это же минимальное качество теплообмена S / E = 1 / Т 1 0 –1 / Т 2 0 в точности реализуется для ->0 e con un rapporto arbitrario delle portate del refrigerante.

CAMBIAMENTI NELLA QUALITÀ DEL TRASMISSIONE DI CALORE SOTTO LE DIVERSE SPESE DEI VETTORI DI CALORE

Assumiamo che le portate dei vettori di calore differiscano di n volte e che il trasferimento di calore avvenga con la massima qualità possibile (= 1). A quale qualità dello scambio termico a parità di costi corrisponderà? Per rispondere a questa domanda, vediamo come si comporta il valore di S / E a = 1 per vari rapporti di costi. Per la differenza di costo n = 2, tale corrispondenza è già stata calcolata al punto 3: = 1 n=2 corrisponde a = 0,75026… per gli stessi flussi. Nella tabella 3, per un insieme di temperature di 300 K e 350 K, presentiamo la variazione relativa dell'entropia a portate uguali di refrigeranti della stessa capacità termica per valori diversi.

Nella tabella 4 presentiamo anche la variazione relativa dell'entropia per diversi rapporti di flusso n solo alla massima efficienza di trasferimento del calore possibile (= 1) e le corrispondenti efficienze risultanti nella stessa qualità a parità di portate.

Presentiamo la dipendenza ottenuta (n) dal grafico 2.

Con una differenza infinita di costi, tende a un limite finito di 0,46745 ... Si può dimostrare che questa è una dipendenza universale. Vale a qualsiasi temperatura iniziale per qualsiasi mezzo, se invece del rapporto di costo si intende il rapporto degli equivalenti termici. Può anche essere approssimato da un'iperbole, che è indicata nel grafico 3 da una linea blu:

«(n) 0,4675+ 0,5325/n. (otto)

La linea rossa indica la relazione esatta (n):

Se si realizzano costi disuguali in uno scambio con un n>1 arbitrario, l'efficienza termodinamica nel senso di produzione di entropia relativa diminuisce. Diamo la sua stima superiore senza derivazione:

Questo rapporto tende all'esatta uguaglianza per n>1 vicino a 0 o 1, e per valori intermedi non supera un errore assoluto di qualche punto percentuale.

La fine dell'articolo sarà presentata in uno dei prossimi numeri della rivista "CLIMATE WORLD". Utilizzando esempi di unità di scambio termico reali, troveremo i valori dei coefficienti di recupero e mostreremo quanto sono determinati dalle caratteristiche dell'unità, e quanto dalle portate dei vettori di calore.

LETTERATURA

1. Pukhov A. aria. Interpretazione dei dati sperimentali. // Mondo climatico. 2013. N. 80. P. 110.
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Pukhov Alexey Vyacheslavovich,
Direttore tecnico
Compagnia Tropic Line

Qualsiasi spazio chiuso necessita di una ventilazione quotidiana, ma a volte questa non è sufficiente per creare un microclima confortevole e piacevole. Nella stagione fredda, quando le finestre sono aperte nella modalità di ventilazione, il calore esce rapidamente e ciò comporta costi di riscaldamento inutili. In estate molte persone usano i condizionatori d'aria, ma insieme all'aria raffreddata penetra anche l'aria calda proveniente dalla strada.

Per bilanciare la temperatura e rendere l'aria più fresca, è stato inventato un dispositivo come un recuperatore d'aria. In inverno permette di non disperdere il calore dell'ambiente e in estate il caldo non consente all'aria calda di entrare nella stanza.

Cos'è un recuperatore?

Tradotto dal latino, la parola recuperatore significa - ricevuta di ritorno o reso, per quanto riguarda l'aria, si intende il ritorno di energia termica, che viene asportata con l'aria attraverso il sistema di ventilazione. Un tale dispositivo come un recuperatore d'aria affronta il compito di ventilazione, bilanciando due flussi d'aria.

Il principio di funzionamento del dispositivo è molto semplice, a causa della differenza di temperatura si verifica uno scambio di calore, per questo la temperatura dell'aria si equalizza. Lo scambiatore di calore ha uno scambiatore di calore a due camere, passano lo scarico e l'aria di alimentazione scorre attraverso di esse. La condensa accumulata, che si forma a causa della differenza di temperatura, viene rimossa automaticamente dallo scambiatore di calore.

Il sistema di recupero consente non solo di ventilare l'aria nell'ambiente, ma consente di risparmiare notevolmente sui costi di riscaldamento, in quanto riduce efficacemente le dispersioni di calore. Il recuperatore è in grado risparmia più di 2/3 calore in uscita dalla stanza, il che significa che il dispositivo riutilizza l'energia termica in un ciclo tecnologico.

Classificazione del dispositivo

I recuperatori differiscono negli schemi di movimento dei vettori di calore e nel design, nonché nel loro scopo. Esistono diversi tipi di recuperatori?

1. lamellare
2. Rotante
3. Acquatico
4. Dispositivi che possono essere posizionati sul tetto.

Scambiatori di calore a piastre

Sono considerati i più comuni, perché il loro prezzo è basso, ma sono abbastanza efficaci. Lo scambiatore di calore situato all'interno del dispositivo è costituito da uno o più lastre di rame o alluminio, plastica, cellulosa molto resistente, sono allo stato stazionario. L'aria che entra nel dispositivo passa attraverso una serie di cassette e non si mescola; durante il funzionamento avviene un processo simultaneo di raffreddamento e riscaldamento.

Il dispositivo è molto compatto e affidabile, praticamente non si guasta. I recuperatori a piastre funzionano senza consumo di energia, il che è un vantaggio importante. Tra gli svantaggi del dispositivo: in caso di gelo, il modello lamellare non può funzionare, lo scambio di umidità è impossibile a causa del congelamento del dispositivo di scarico. I suoi canali di scarico raccolgono la condensa, che gela a temperature inferiori allo zero.

Scambiatori di calore rotativi

Un tale dispositivo è alimentato dall'elettricità, le sue lame da uno o due rotori deve ruotare durante il funzionamento seguito da movimento d'aria. Solitamente hanno forma cilindrica con piastre ben montate e tamburo all'interno, sono costrette a ruotare dai flussi d'aria, prima esce l'aria ambiente e poi, cambiando direzione, l'aria ritorna dalla strada.

Va notato che i dispositivi rotanti sono più grandi, ma Sono molto più efficienti rispetto a quelli di piatto. Sono ottimi per stanze grandi - corridoi, centri commerciali, ospedali, ristoranti, quindi non è pratico acquistarli per la casa. Tra gli svantaggi, vale la pena notare la costosa manutenzione di tali dispositivi, poiché consumano molta elettricità, non sono facili da installare a causa dell'ingombro e sono costosi. Per l'installazione è necessaria una camera di ventilazione a causa delle grandi dimensioni dello scambiatore di calore rotativo.

Scambiatore di calore ad acqua e posto sul tetto

I dispositivi di ricircolo trasferiscono l'energia termica allo scambiatore di calore di alimentazione utilizzando diversi vettori di calore: acqua, antigelo, ecc. Questo dispositivo ha prestazioni molto simili agli scambiatori di calore a piastre, ma differisce in quanto è molto simile a un sistema di riscaldamento dell'acqua. Lo svantaggio è la bassa efficienza e la manutenzione frequente.

Lo scambiatore di calore, che può essere posizionato sul tetto, consente di risparmiare spazio nella stanza. La sua efficienza è un massimo del 68%, non necessita di costi di gestione, tutte queste qualità sono da attribuire ai vantaggi di questa tipologia. Lo svantaggio è che un tale scambiatore di calore è difficile da montare, richiede un sistema di montaggio speciale. Molto spesso, questo tipo viene utilizzato per impianti industriali.

La ventilazione naturale deve essere progettata e installata in qualsiasi edificio residenziale, ma è sempre influenzata dalle condizioni meteorologiche, a seconda del periodo dell'anno, la forza della ventilazione dipende da questo. Se in inverno il sistema di ventilazione funziona in modo efficiente con il gelo, in estate praticamente non funziona.

La tenuta di un edificio residenziale può essere ridotto migliorando la ventilazione naturale, ma darà un risultato tangibile solo nella stagione fredda. C'è anche un lato negativo, ad esempio, il calore lascerà un edificio residenziale e l'aria fredda in entrata richiederà un riscaldamento aggiuntivo.

Affinché un tale processo di ventilazione non sia troppo costoso per i proprietari della casa, è necessario utilizzare il calore dell'aria rimossa dalla stanza. È necessario effettuare la circolazione dell'aria forzata. Per fare ciò, viene predisposta una rete di condotti dell'aria di alimentazione e di scarico, quindi vengono installati i ventilatori. L'aria sarà fornita attraverso di loro a stanze separate e tale processo non sarà associato alle condizioni meteorologiche. Soprattutto per questo, uno scambiatore di calore è installato all'intersezione di masse d'aria fresca e inquinata.

Cosa fornisce un recuperatore d'aria?

Il sistema di recupero permette di ridurre al minimo la percentuale di miscelazione dell'aria in entrata e in uscita. I separatori presenti nel dispositivo eseguono questo processo. A causa del trasferimento di energia del flusso al confine, si verifica uno scambio di calore, i getti passeranno in parallelo o si incrociano. Il sistema di recupero ha molte caratteristiche positive.

1. Uno speciale tipo di griglia all'ingresso dell'aria trattiene polvere, insetti, pollini e persino batteri dall'esterno.
2. L'aria purificata entra nella stanza.
3. L'aria inquinata esce dalla stanza, che può contenere componenti nocivi.
4. Oltre alla circolazione, i getti di alimentazione vengono puliti e riscaldati.
5. Favorisce un sonno migliore e più sano.

Le proprietà positive del sistema ne consentono l'utilizzo in varie tipologie di ambienti per creare condizioni di temperatura più confortevoli. Molto spesso vengono utilizzati in locali industriali dove è necessaria la ventilazione di un ampio spazio. In tali luoghi è necessario mantenere una temperatura dell'aria costante, questo compito è gestito da scambiatori di calore rotativi che possono funzionare a temperature fino a +650°C.

Conclusione

Il necessario equilibrio tra aria fresca e pulita con umidità normale può essere fornito dal sistema di ventilazione di alimentazione e scarico. Installando un recuperatore, puoi risolvere molti problemi legati al risparmio di risorse energetiche.

Quando si sceglie un recuperatore d'aria per la propria casa, è necessario tenere conto dell'area dello spazio abitativo, del grado di umidità in esso contenuto e dello scopo del dispositivo. Dovresti assolutamente prestare attenzione al costo del dispositivo e alla possibilità di installazione, alla sua efficienza, da cui dipenderà la qualità della ventilazione dell'intera casa.

Recuperoè il processo di restituzione della massima quantità di energia. Nella ventilazione, il recupero è il processo di trasferimento dell'energia termica dall'aria di scarico all'aria di mandata. Esistono molti tipi diversi di recuperatori e in questo articolo parleremo di ciascuno di essi. Ogni tipo di scambiatore di calore è buono a modo suo e presenta vantaggi unici, ma ognuno di essi ti consentirà di risparmiare almeno il 50% e più spesso fino al 95% sul riscaldamento dell'aria di mandata in inverno.

Il processo di trasferimento del calore dall'aria di scarico all'aria di mandata è molto interessante. Successivamente, inizieremo a smontare ogni tipo di recuperatore d'aria in modo che tu possa capire più facilmente di cosa si tratta e di che tipo di recuperatore hai bisogno.

Il tipo più diffuso di recuperatori, ovvero unità di trattamento aria con scambiatore di calore a piastre. Ha guadagnato popolarità grazie alla semplicità e all'affidabilità del design dello scambiatore di calore stesso.

Il principio di funzionamento è semplice: due flussi d'aria (scarico e mandata) si intersecano nello scambiatore di calore dello scambiatore di calore, ma in modo tale da essere separati da pareti. Di conseguenza, questi flussi non si mescolano. L'aria calda riscalda le pareti dello scambiatore di calore e le pareti riscaldano l'aria di mandata. L'efficienza degli scambiatori di calore a piastre (rendimento di uno scambiatore di calore a piastre) è misurata in percentuale e corrisponde a:

45-78% per scambiatori di calore in metallo e plastica di recuperatori.

60-92% per scambiatori di calore a piastre con scambiatori di calore igroscopici in cellulosa.

Tale salto di efficienza nella direzione dei recuperatori di cellulosa è dovuto, in primo luogo, al ritorno di umidità attraverso le pareti del recuperatore dall'aria di scarico all'aria di mandata e, in secondo luogo, al trasferimento di calore latente nella stessa umidità. Nei recuperatori, infatti, il ruolo non è svolto dal calore dell'aria stessa, ma dal calore dell'umidità in essa contenuta. L'aria senza umidità ha una capacità termica molto bassa e l'umidità è acqua ... con una capacità termica nota elevata.

Per tutti i recuperatori, ad eccezione della cellulosa, è obbligatorio rimuovere il drenaggio. Quelli. quando si pianifica l'installazione di uno scambiatore di calore, è necessario ricordare che è necessaria anche una rete fognaria.

Quindi i pro:

1. Semplicità di design e affidabilità.

2. Alta efficienza.

3. Mancanza di ulteriori consumatori di elettricità.

E, naturalmente, i contro:

1. Per il funzionamento di tale scambiatore di calore, devono essere forniti sia l'alimentazione che lo scarico. Se il sistema è progettato da zero, questo non è affatto un aspetto negativo. Ma se il sistema è già disponibile e l'afflusso e lo scarico sono a distanza, è meglio applicare.

2. A temperature inferiori allo zero, lo scambiatore di calore dello scambiatore di calore potrebbe congelarsi. Per sbrinarlo è necessaria o la cessazione o la riduzione dell'afflusso di aria dalla strada, oppure l'utilizzo di una valvola di bypass che consenta all'aria di mandata di bypassare lo scambiatore di calore mentre viene sbrinata dall'aria di scarico. Con questa modalità di sbrinamento, tutta l'aria fredda entra nel sistema bypassando lo scambiatore di calore ed è necessaria molta elettricità per riscaldarlo. L'eccezione sono gli scambiatori di calore a piastre in cellulosa.

3. In sostanza, questi recuperatori non restituiscono umidità e l'aria fornita ai locali è troppo secca. L'eccezione sono gli scambiatori di calore a piastre in cellulosa.

Il secondo tipo più popolare di recuperatori. Ancora... Alta efficienza, non gela, più compatto del lamellare, e restituisce anche umidità. Alcuni vantaggi.

Lo scambiatore di calore rotativo è realizzato in alluminio, avvolto a strati sul rotore, con una lastra piana e l'altra a zigzag. Per far passare l'aria. È azionato da un azionamento elettrico tramite una cinghia. Questo "tamburo" ruota e ciascuna parte di esso si riscalda quando passa attraverso la zona di scarico, quindi si raffredda quando si sposta nella zona di afflusso, trasferendo così il calore all'aria di mandata.

Un settore di spurgo viene utilizzato per proteggere dai traboccamenti d'aria.

Un nuovo e poco conosciuto tipo di recuperatori d'aria. Gli scambiatori di calore a tetto utilizzano effettivamente scambiatori di calore a piastre e talvolta scambiatori di calore rotativi, ma abbiamo deciso di renderli un tipo separato di scambiatori di calore, perché. Lo scambiatore di calore a tetto è un tipo separato specifico di unità di alimentazione e scarico con uno scambiatore di calore.

Gli scambiatori di calore a tetto sono adatti per grandi ambienti a un volume e rappresentano l'apice della facilità di progettazione, installazione e funzionamento. Per installarlo, è sufficiente realizzare la finestra necessaria sul tetto dell'edificio, inserire uno speciale "vetro" che distribuisce il carico e inserire uno scambiatore di calore sul tetto. Tutto è semplice. L'aria viene prelevata da sotto il soffitto nella stanza e, secondo i desideri del cliente, da sotto il soffitto o nella zona di respirazione dei lavoratori o dei visitatori dei centri commerciali.

Recuperatore con termovettore intermedio:

E questo tipo di recuperatori è adatto per i sistemi di ventilazione esistenti "afflusso separatamente - scarico separatamente".

Bene, o se è impossibile costruire un nuovo sistema di ventilazione con qualsiasi tipo di scambiatore di calore, che prevede l'alimentazione di mandata e scarico in una stanza. Ma vale la pena ricordare che sia gli scambiatori di calore a piastre che quelli rotativi hanno un'efficienza maggiore rispetto a quelli a glicole.