Termalni točak

  

Rotacioni izmenjivač toplote

Termalni točak

Termalni točak, takođe poznat kao rotacioni izmenjivač toplote, ili rotacioni točak za entalpiju vazduh-vazduh, točak za rekuperaciju energije ili točak za rekuperaciju toplote, je tip izmenjivača toplote za rekuperaciju energije koji se nalazi u dovodnim i izduvnim vazdušnim strujama vazduha, jedinice za rukovanje ili krovne jedinice ili u izduvnim gasovima industrijskog procesa, kako bi se povratila toplotna energija. Druge varijante uključuju entalpijske točkove i točkove za sušenje. Termalni točak specifičan za hlađenje se ponekad naziva i Kjoto točak.

Opis
Termalni točak se sastoji od kružne matrice saća od materijala koji apsorbuje toplotu, koji se polako rotira u strujama dovodnog i odvodnog vazduha sistema za obradu vazduha. Kako se termički točak rotira, toplota se hvata iz struje izduvnog vazduha u jednoj polovini rotacije i pušta u struju svežeg vazduha u drugoj polovini rotacije. Tako se otpadna toplotna energija iz struje izduvnog vazduha prenosi na materijal matriksa, a zatim od materijala matrice na struju svežeg vazduha. Ovo povećava temperaturu struje dovodnog vazduha za količinu proporcionalnu temperaturnoj razlici između strujanja vazduha, ili „termalnom gradijentu“ i u zavisnosti od efikasnosti uređaja. Razmena toplote je najefikasnija kada tokovi teku u suprotnim smerovima, jer to izaziva povoljan temperaturni gradijent po debljini točka. Princip radi obrnuto, a energija "hlađenja" se može povratiti u struju dovodnog vazduha ako se želi i temperaturna razlika dozvoljava. Matrica za razmenu toplote može biti aluminijum, plastika ili sintetička vlakna. Izmjenjivač toplote se okreće malim elektromotorom i sistemom remenskog pogona. Motori su često kontrolisani inverterom radi poboljšane kontrole temperature izlaznog vazduha. Ako nije potrebna razmena toplote, motor se može potpuno zaustaviti. Pošto se toplota prenosi iz struje izduvnog vazduha u struju dovodnog vazduha bez prolaska direktno kroz izmenjivač, bruto efikasnost je obično veća od bilo kog drugog sistema za rekuperaciju toplote na strani vazduha. Manja dubina matrice razmene toplote u poređenju sa pločastim izmenjivačem toplote znači da je pad pritiska kroz uređaj normalno manji u poređenju sa njim. Generalno, termalni točak će biti izabran za brzine između 1,5 i 3,0 metra u sekundi (4,9 i 9,8 ft/s), a sa jednakim protokom vazduha, može se očekivati bruto „razumna“ efikasnost od 85%. Iako postoji mala potreba za energijom za rotiranje točka, potrošnja energije motora je obično niska i ima mali uticaj na sezonsku efikasnost uređaja. Sposobnost povrata „latentne“ toplote može poboljšati bruto efikasnost za 10–15%.

Proces prenosa energije
Obično se prenos toplote između vazdušnih struja koje obezbeđuje uređaj naziva „senzibilnim“, što je razmena energije ili entalpije, koja rezultira promenom temperature medijuma (u ovom slučaju vazduha), ali bez promene sadržaja vlage . Međutim, ako su nivoi vlage ili relativne vlažnosti u povratnom toku vazduha dovoljno visoki da omoguće kondenzaciju u uređaju, to će izazvati oslobađanje „latentne“ toplote, a materijal za prenos toplote će biti prekriven filmom od voda. Uprkos odgovarajućoj apsorpciji latentne toplote, pošto deo vodenog filma isparava u suprotnoj struji vazduha, voda će smanjiti toplotni otpor graničnog sloja materijala izmenjivača toplote i na taj način poboljšati koeficijent prenosa toplote uređaja, a dakle povećati efikasnost. Razmena energije ovakvih uređaja sada obuhvata i prenos osetljive i latentne toplote; pored promene temperature dolazi i do promene sadržaja vlage u vazdušnim strujama. Međutim, film kondenzacije će takođe malo povećati pad pritiska kroz uređaj, a u zavisnosti od razmaka materijala matrice, ovo može povećati otpor do 30%. Ovo će povećati potrošnju energije ventilatora i smanjiti sezonsku efikasnost uređaja. Aluminijumske matrice su takođe dostupne sa primenjenim higroskopskim premazom, a upotreba ove, ili upotreba matrica poroznih sintetičkih vlakana, omogućava adsorpciju i oslobađanje vodene pare, na nivoima vlage mnogo nižim od onih koji su obično potrebni za kondenzaciju i latentnu toplotu da se dogodi transfer. Prednost ovoga je još veća efikasnost prenosa toplote, ali takođe rezultira sušenjem ili vlaženjem vazdušnih struja, što takođe može biti poželjno za određeni proces koji se služi dovodnim vazduhom. Iz tog razloga ovaj uređaj je takođe poznat kao entalpijski točak.

Točak za sušenje
Točak za sušenje je veoma sličan termalnom točku, ali sa premazom koji se nanosi isključivo u svrhu odvlaživanja, ili "sušenja", struje vazduha. Desikant je obično silika gel. Kako se točak okreće, desikant naizmenično prolazi kroz ulazni vazduh, gde se vlaga adsorbuje, i kroz zonu „regeneracije“, gde se desikant suši i vlaga izbacuje. Točak nastavlja da se okreće, a proces adsorbenta se ponavlja. Regeneracija se obično vrši korišćenjem zavojnice za grejanje, kao što je zavojnica za vodu ili paru, ili gasni gorionik sa direktnim sagorevanjem. Termalni točkovi i točkovi za sušenje se često koriste u serijskoj konfiguraciji da bi se obezbedilo potrebno odvlaživanje, kao i povrat toplote iz ciklusa regeneracije.

Nedostaci
Termalni točkovi nisu pogodni za upotrebu tamo gde je potrebno potpuno razdvajanje dovodnih i izduvnih struja vazduha, jer će vazduh zaobići na interfejsu između strujanja vazduha na granici izmenjivača toplote, i na mestu gde točak prelazi iz jedne struje vazduha u drugi tokom njegove normalne rotacije. Prvi se smanjuje pomoću zaptivki sa četkom, a drugi se smanjuje malim delom za pročišćavanje, formiranim odvajanjem malog segmenta točka, obično u struji izduvnog vazduha.

  

 Solarni klima uređaj sa isušivanjem

Izobare za različite materijale za sušenje

Mantersov sistem kontrole životne sredine (MEC)

 
Kao jedan od načina za klimatizaciju zgrade solarnom energijom, koristimo Munters sistem kontrole životne sredine. Ovo je mnogima poznato kao mašina "Lizenzia" koju je razvio švedski inženjer Karl Manters. Glavni delovi solarnog MEC-a su: točak za sušenje; točak izmenjivača toplote; komora za isparavanje i komora za regeneraciju, vidi sliku. MEC sistem se često naziva sistemom za sušenje. Važno je shvatiti da je glavni element sistema točak za sušenje i stoga je njegov kratak opis koristan. Njegove funkcije i karakteristike su:
* Trebalo bi da bude u stanju da osuši ulazni vazduh do veoma niskog nivoa vlage, oko 0,0014 kg vode po kg suvog vazduha.
* Pad pritiska protoka vazduha kroz točak pri projektovanim brzinama ne sme biti prevelik tako da se postigne smanjenje parazitske snage.
* Točak mora imati maksimalnu površinu po jedinici zapremine sredstva za sušenje.
* Pod pretpostavkom da se proces sušenja odvija adijabatski (proces u kome je razmena toplote sa spoljnom sredinom zanemarljiva), što znači da se desikant zagreva tokom sušenja, sposobnost sušenja sredstva za sušenje na visokim temperaturama mora biti dobra kako bi duboko sušenje i dalje bilo moguće.
* Toplotni kapacitet sistema za sušenje treba da bude nizak, a regeneracija sredstva za sušenje treba da bude na što nižoj temperaturi.
* Sistem mora da bude jeftin, da ima dug životni vek i da bude stabilan na gasove koji se nalaze u vazduhu, kao što su CO2/NOx i SO2.

Faktori 4 i 5 su kontradiktorni jedan drugom i u praksi se pravi kompromis. Na tržištu je dostupno nekoliko dizajna točkova sa različitim materijalima za sušenje kao što su silikagel, etilen glikol, specijalni oblik natrijum aluminijum silikata (Linde 4A) i aktivirana glinica. Slika prikazuje izobare apsorpcije vode za različite materijale za sušenje. Postoje tri režima rada koje MEC-sistem može izvesti. Ovi režimi su:

Rashladno dejstvo MEC - sistema

Psihrometrijski grafikon

 

Hlađenje: Ovo je ilustrovano na slici. Kako se vlažan spoljašnji vazduh uvlači u usisni deo kroz sporo rotirajući točak za sušenje B. Točak zagreva vazduh i uklanja vlagu iz njega. Kako vruć, suv vazduh prolazi kroz sporo rotirajući točak izmenjivača toplote, D, toplota iz vazduha se apsorbuje. Vazduh, sada hladan i suv, prolazi kroz jastučiće za zasićenje, E gde se dalje hladi isparavanjem vode. Vazduh zasićen vodom na približno 13 °C i 65 % relativne vlažnosti se dovodi u kućne kanale. Unutar stambenog prostora, vazduh se zagreva do temperature izabrane termostatom od 24 do 27 °C i njegova relativna vlažnost pada na 50 %. Rad u ovom režimu je prikazan na slici a psihrometrijski grafikon na slici. Proces počinje tako što se spoljašnji vazduh u stanju E duva kroz točak za sušenje. Ovo je predstavljeno (na slici) punom linijom kao korak (1). Kao rezultat ovog koraka adijabatskog sušenja, vazduh napušta točak u prosečnom stanju, B, koji je sada suv, ali znatno topliji. Osetna toplota dobijena vazduhom kao rezultat koraka sušenja uklanja se pomoću točaka za razmenu toplote, prikazanog na obe slike kao promena stanja B i C i korak (2). Ovo rezultira suvim, hladnim vazduhom u uslovima C. Vazduh se zatim propušta kroz ovlaživač, korak (3), postoji kao uslov D i zasićen je do temperature od oko 12,8 °C. Da bi sistem radio, točak za sušenje, koji sada sadrži vodu uklonjenu u koraku (1), mora da se regeneriše zagrevanjem. Energija regeneracije se može uvesti u fazama. Ovo se najbolje može videti ako pratite putanju označenu isprekidanom linijom na slikama i povežete ovo sa odgovarajućim tačkama na slikama. Sobni vazduh u stanju A prolazi kroz ovlaživač, korak (4), gde je zasićen i ohlađen do stanja F. Ovaj ohlađeni, vlažni vazduh postaje hladnjak za uklanjanje osetljive energije koja je prethodno uskladištena u točku razmene toplote iz procesa. vazduh u koraku (2). Ovaj korak uklanjanja toplote (5) pokazuje da se vazduh za regeneraciju prethodno zagreva od F do G. Za jednake masene protoke između procesa i strujanja regeneracije, koraci (2) i (5) će biti jednaki po veličini i suprotni po smeru. Dodatna energija, ako je dostupna u obliku solarne ili otpadne toplote, sada se dodaje ovom prethodno zagrejanom strujanju vazduha preko grejnog namotaja između stepeni G i G', korak (6). Moguće je da je energija dostupna za prenos neadekvatna da zagreje tok regeneracije do stanja koje će izbaciti količinu vode koja je pokupljena u koraku (1), a zatim se koristi pomoćni gasni gorionik. Ovo će završiti zadatak od G', korak (7')/ do prosečnog stanja potrebnog za završetak regeneracije, H. Poslednji korak je odbacivanje toka regeneracije napolje. Za jednake masene tokove, ovaj korak (8) je jednak po veličini, ali suprotnog smera i paralelan sa korakom (1).

MEC u režimu ovlaživanja i grejanja

Grejanje i vlaženje: Ovo je ilustrovano slikama. Točak za sušenje B se sada okreće za 10 obrtaja u minuti brže nego za hlađenje, dok je točak izmenjivača toplote D potpuno zaustavljen. Hladan, suv spoljni vazduh se uvlači kroz ulaz unutar rotirajućeg točka za sušenje, gde se zagreva prenosom toplote. Vlažnost se podešava na željeni nivo dok vazduh prolazi kroz jastučiće za zasićenje i isporučuje se u kućne kanale. Povratni vazduh iz stambenog prostora prolazi pored solarnog izmenjivača toplote/gasnog gorionika, gde se zagreva. Struja vrućeg vazduha prolazi kroz povratnu stranu točka za sušenje, B (sada deluje kao izmenjivač toplote), koji preuzima toplotu i svu vlagu sagorevanja za prenos u ulazni tok vazduha. (Jedan od proizvoda sagorevanja gasa je čista voda). Povratni vazduh, sada hladan, i svi proizvodi sagorevanja (manje vlage) se ispuštaju napolje.

MEC u režimu odvlaživanja

Odvlaživanje: Ovo je ilustrovano na slici. U ovom ciklusu sistem će raditi potpuno isto kao i kada se hladi, osim što se voda do jastučića zasićenja isključuje. Vazduh koji ima umerenu temperaturu ali visoku vlažnost uvlači se kroz usisnu stranu spororotirajuće, B. Ovde se vlaga uklanja i vazduh se zagreva. Zatim prolazi kroz usisnu stranu sporo rotirajućeg točka izmenjivača toplote, D koji uklanja toplotu iz vazduha. Suv vazduh umerene temperature se zatim dovodi u kućne kanale. Povratni vazduh iz stambenog prostora prolazi kroz povratnu stranu točka izmenjivača toplote, D, gde prima toplotu koju je dolazni vazduh prethodno predao točku. Zagrejani vazduh se zatim dalje zagreva pomoću solarnog izmenjivača toplote/gasnog gorionika. Kada vreli vazduh prođe kroz povratnu stranu sušača, on zagreva točak i odbacuje vlagu koju je točak prethodno apsorbovao iz ulaznog vazduha, (7).