Утилизацията на отпадна топлина е един от често използваните методи за повишаване на енергийната ефективност. Използват се различни решения, като едно от най-честите е чрез използването на различни конструкции топлообменници, които обикновено биват разделяни основно на регенератори и рекуператори.
Регенеративните топлообменници са топлообменни апарати, характерна особеност на които е пренасянето на топлина между два потока с различно термодинамично състояние. Пренасянето на топлината е посредством акумулираща твърда маса, която контактува с двата потока в различен времеви период последователно. Широко използвани са в системите за отопление, вентилация и климатизация. Намират приложение и за повишаване ефективността на горивни процеси.
Особености на топлообмена
За разлика от рекуперативните топлообменници, при които топлината се принася директно и непосредствено през преградна стена от топлия флуид към студения, които преминават едновременно през топлообменника, работата на регенеративните топлообменници включва временно съхранение на топлината в акумулиращата среда на топлообменника. В резултат, при регенеративните топлообменници топлият и студеният флуид преминават последователно през една и съща част от топлообменника. За сравнение, в рекуперативните топлообменници топлият и студен флуид преминават през различни, но съседни части на апарата в един и същ период от време.
Често времето, през което топлият флуид преминава през акумулиращата маса се определя като „топъл период”. В края на този период преминаването на топлия флуид спира и през акумулиращата маса започва да преминава студеният поток. При преминаването на топлия поток през акумулиращата среда, той и отдава топлина, която се съхранява и в последствие при преминаването на студения поток го загрява. На практика работният цикъл на регенератора се състои от топъл период, последван от студен период с необходимите обръщания между двата периода. Използваната в регенеративните топлообменници акумулираща среда може да бъде подвижна или неподвижна.
Регенератори с неподвижна акумулираща маса
Стационарните регенератори са топлообменници, включващи две или повече камери в конструкцията си, запълнени с огнеупорен въздухонепроницаем пълнеж. Камерите периодично се превключват от режим на акумулиране на топлина към режим на отдаване. Характерната периодичност в работата на този тип регенератори може да донесе значителни ползи в случаи, при които се наблюдава известна периодичност в работата на системата, т. е. отделянето на топлина предхожда времето на използването й. В практиката обаче подобна организация е сравнително рядко приложима. В повечето случаи е необходимо преодоляване на периодичността в работата на регенератора и осигуряване на непрекъснато подаване на топлина. Това най-често се постига с използването на няколко регенератора, които се разминават по отношение на периодите на акумулиране и отдаване на топлина. В този случай в системата се включват няколко регенератора, като посредством клапи се насочват студеният и топлият въздушен поток, така че да се постигне непрекъсната работа на системата. При използването на подобна система е добре да се осигури подходяща схема на работа, позволяваща, при необходимост от почистване, това да се случва без да се нарушава работата на инсталацията. Също така е добре да се има предвид, че при работа с въздушни потоци е възможно студеният поток да е с по-високо налягане от това на топлия. При работа с газове с много високи температури се препоръчва избягването на поставянето на клапи в близост до най-горещата част от регенератора.
Регенератори с подвижна акумулираща маса
В практиката по-широко приложение намират регенераторите с подвижна акумулираща маса. От тях във вентилационните системи най-често използвани са регенераторите с въртящ се барабан. По-рядко срещани са капилярните вентилатори и регенераторите с оросяем пълнеж.
Регенераторите с оросяем пълнеж представляват две отделни оросителни камери, свързани посредством тръбопроводи, в които е поставена твърда акумулираща маса. В камерите през специални дюзи се впръсква течност със специфични свойства, която влиза в контакт с въздуха. За осъществяване на циркулацията в двата отворени кръга към системата се включват и помпи. Характерно за този тип регенератори е необходимостта работната течност да отговаря на определени изисквания като да запазва свойствата си в условията на непрекъснато променящия се режим на температурата и влажността, да може да отнема и отдава влага на потоци с различна влажност, 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.
Регенераторите с оросяем пълнеж се считат за подходящи освен за утилизация на топлина и на студ. Регулирането на мощността им е чрез изменение на дебита на циркулиращия флуид.
Капилярните вентилатори конструктивно представляват кожух, в който е поставен въртящ се неметален пръстен, който едновременно се явява работно колело и топлообменник. Структурата на пръстена е неподредена. Този вид регенератори се използват предимно за сгради с ограничени обеми и при температури до 40 –50 оС в зависимост от използвания материал. При тях се постига добро уплътнение на границите на 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. При тях няма опасност от замръзване. Характеризират се с безшумна работа, но и с невисок КПД поради действието на капилярните сили и невъзможността за формиране на оптимални течения. Има възможност да се променя частта от рециркулационен въздух чрез конструктивно изменение на положението на разделителната стена.
Ротационните топлообменници са сред най-познатите и често използвани регенератори
Този вид топлообменници не се характеризират със сложна структура. 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, определя се в зависимост от дебита на преминаващия през него въздух. В зависимост от размерите на топлообменника барабанът може да бъде монолитен – при по-малките диаметри, а при по-големи размери на барабана, той се сглобява от отделни сектори.
Корпусът, в който се монтира барабанът, обикновено се изпълнява от поцинкована ламарина, вътрешно покритие от полимерни материали или ламарина от легирана стомана. В зависимост от свойствата на преминаващия въздух се определя и корозионната му защита. Присъединяването на корпуса на топлообменника към въздухопроводите обикновено е чрез щуцери.
При ротационните топлообменници двата преминаващи въздушни потока през регенератора – изхвърлян и външен, са съседни, като всеки от тях протича през едната половина на барабана, а направлението им най-често е противоположно един на друг. Еднопосочното движение на двата потока се счита за по-ниско ефективно, поради което то е по-рядко срещаното решение. Между двата потока има разделителна зона, която ограничава преноса на въздух между тях. Чрез въртенето на барабана топлината се пренася от единия към другия въздушен поток, посредством акумулиращата среда.
Видът на използваната акумулираща среда се определя от съдържащите се във въздуха примеси, температурите на оросяване на двата въздушни потока, характеристиките им. Обикновено като акумулираща среда се изполват керамични, метални, минерални или органични материали. За да се увеличи преносът на влага или за да се постигне по-висока корозионна устойчивост, често използваният материал допълнително се обработва или напластява. Една от често използваните конструкции е фолио или тел от алуминий без и със покритие от хигроскопични платове. Подобна конструкция се счита за подходяща за работни температури до 80 оС и е с малка корозионна устойчивост. За температури до 200 оС се използват предимно керамични материали. При много високи температури от порядъка до 500 оС и агресивна среда се препоръчва използването на легирана стомана.
Акумулиращата маса обикновено се структурира като подредена или неподредена. Характерно за подредената структура са множеството геометрично подобни каналчета, формирани от редуващи се вълнообразен и прав слой на фолио с дебелина от 0,1 до 0,15 mm. Подобна структура се получава и при подреждането на тръбички с кръгло или шестоъгълно сечение. При тази подредба се постига висока специфична топлообменна повърхнина. При неподредената структура акумулиращата маса е от тел, мрежи, решетки, текстилни материали или пълнеж от керамични тела, а пътищата на въздуха не са дефинирани предварително. Тази структура обаче има един основен недостатък – възникването на напречни течения създава условия за събиране на прах, а самопочистването при смяна на обдухващия поток е възпрепятствано.
Регенераторите могат да бъдат монтирани хоризонтално или вертикално. В зависимост от конкретните условия те могат да се комбинират с въздухообработваща централа или да се монтират самостоятелно към въздухопроводите.
Изт.сп. „Енерджи ревю“
