Тепловое колесо , также известное как роторный теплообменник или вращающееся энтальпийное колесо воздух-воздух , колесо рекуперации энергии или колесо рекуперации тепла , представляет собой тип теплообменника-утилизатора энергии , расположенного внутри потоков приточного и вытяжного воздуха . установках обработки или установках на крыше или в выхлопных газах промышленного процесса для рекуперации тепловой энергии. Другие варианты включают энтальпийные колеса и осушающие колеса . Тепловое колесо, предназначенное для охлаждения, иногда называют « киотским колесом» .
Роторные тепловые колеса представляют собой механическое средство рекуперации тепла. Вращающееся пористое металлическое колесо передает тепловую энергию от одного воздушного потока к другому, проходя через каждую жидкость поочередно. Система работает как аккумулирующая тепло масса, благодаря чему тепло воздуха временно сохраняется внутри матрицы колеса, пока оно не будет передано более холодному воздушному потоку. [1]
Существует два типа вращающихся термических колес: тепловые колеса и энтальпийные ( осушающие ) колеса. Хотя существует геометрическое сходство между тепловыми и энтальпийными колесами, существуют различия, которые влияют на работу каждой конструкции. В системе, использующей осушительное колесо, влага из воздушного потока с самой высокой относительной влажностью передается противоположному воздушному потоку после прохождения через колесо. Это может работать в обоих направлениях: входящий воздух в вытяжной воздух и вытяжной воздух в входящий воздух. Затем приточный воздух можно использовать напрямую или использовать для дальнейшего охлаждения воздуха. Это энергозатратный процесс. [2]
Вращающийся энтальпийный теплообменник «воздух-воздух» представляет собой вращающийся цилиндр, заполненный воздухопроницаемым материалом, обычно полимером, алюминием или синтетическим волокном, обеспечивающим большую площадь поверхности, необходимую для ощутимой передачи энтальпии ( энтальпия — это мера тепла). . Когда колесо вращается между потоками приточного и вытяжного воздуха, оно собирает тепловую энергию и передает ее в поток более холодного воздуха. Движущей силой обмена является разница температур противоположных потоков воздуха (термический градиент).
Обмен энтальпии осуществляется за счет использования осушителей . Осушители переносят влагу посредством процесса адсорбции , который преимущественно обусловлен разницей парциального давления пара в противоположных воздушных потоках. Типичные осушители состоят из силикагеля и молекулярных сит .
Энтальпийные колеса являются наиболее эффективными устройствами для передачи как скрытой , так и явной тепловой энергии. Выбор конструкционных материалов ротора, чаще всего полимера, алюминия или стекловолокна, определяет долговечность.
При использовании вращающихся устройств рекуперации энергии два воздушных потока должны располагаться рядом друг с другом, чтобы обеспечить местную передачу энергии. Кроме того, в холодном климате следует уделять особое внимание предотвращению обледенения колес. Системы могут избежать обледенения, регулируя скорость вращения колес, предварительно нагревая воздух или останавливая/перезагружая систему.
О'Коннор и др. [3] исследовали влияние вращающегося теплового колеса на скорость потока приточного воздуха в здание. Была создана вычислительная модель для моделирования влияния вращающегося теплового колеса на скорость воздушного потока при его включении в систему коммерческой ветряной башни . Моделирование было подтверждено экспериментом на масштабной модели в дозвуковой аэродинамической трубе с замкнутым контуром. Данные, полученные в результате обоих испытаний, сравнивались для анализа скоростей потока. Хотя скорость потока была снижена по сравнению с ветряной башней, которая не имела вращающегося теплового колеса, нормативные показатели вентиляции для находящихся в школе или офисном здании были соблюдены при скорости внешнего ветра 3 м/с, что ниже, чем средняя скорость ветра Великобритании (4–5 м/с).
В этом исследовании не было полномасштабных экспериментальных или полевых испытаний, поэтому невозможно окончательно доказать, что вращающиеся тепловые колеса можно интегрировать в коммерческую систему ветряных башен. Однако, несмотря на снижение расхода воздуха внутри здания после внедрения вращающегося теплового колеса, это снижение не было достаточно большим, чтобы не допустить соблюдения нормативных показателей вентиляции. Достаточные исследования для определения пригодности вращающихся термических колес для естественной вентиляции еще не проведены, нормы подачи вентиляции могут быть соблюдены, но тепловые возможности вращающегося термического колеса еще не исследованы. Дальнейшая работа будет полезна для улучшения понимания системы. [4]
Тепловое колесо состоит из круглой сотовой матрицы из теплопоглощающего материала, которая медленно вращается в потоках приточного и вытяжного воздуха системы обработки воздуха. При вращении теплового колеса тепло захватывается из потока вытяжного воздуха на одной половине оборота и передается потоку свежего воздуха на другой половине оборота. Таким образом, отработанная тепловая энергия из потока отработанного воздуха передается материалу матрицы, а затем от материала матрицы потоку свежего воздуха. Это увеличивает температуру потока приточного воздуха на величину, пропорциональную разнице температур между воздушными потоками или «тепловому градиенту» и в зависимости от эффективности устройства. Теплообмен наиболее эффективен, когда потоки текут в противоположных направлениях , поскольку это вызывает благоприятный градиент температуры по толщине колеса. Принцип работает наоборот: при желании и перепаде температур энергия «охлаждения» может быть рекуперирована в поток приточного воздуха.
Матрица теплообмена может быть алюминием, пластиком или синтетическим волокном. Теплообменник вращается с помощью небольшого электродвигателя и ременной передачи. Двигатели часто имеют инверторное управление скоростью для улучшения контроля температуры выходящего воздуха. Если теплообмен не требуется, двигатель можно вообще остановить.
Поскольку тепло передается от потока вытяжного воздуха к потоку приточного воздуха, не проходя непосредственно через теплоноситель, общий КПД обычно выше, чем у любой другой системы рекуперации тепла со стороны воздуха. Меньшая глубина теплообменной матрицы по сравнению с пластинчатым теплообменником означает, что перепад давления в устройстве обычно меньше по сравнению с ним. Как правило, тепловое колесо выбирается для скоростей движения воздуха от 1,5 до 3,0 метров в секунду (от 4,9 до 9,8 футов/с), и при равных объемных расходах воздуха можно ожидать валового «разумного» КПД в 85%. Хотя для вращения колеса требуется небольшая энергия, потребление энергии двигателем обычно невелико и мало влияет на сезонную эффективность устройства. Способность рекуперировать «скрытое» тепло может повысить общую эффективность на 10–15%.
Обычно теплообмен между воздушными потоками, обеспечиваемый устройством, называется « разумным », то есть обменом энергии или энтальпией , приводящим к изменению температуры среды (в данном случае воздуха), но без изменения содержания влаги. . Однако, если уровень влажности или относительной влажности в потоке возвратного воздуха достаточно высок, чтобы в устройстве могла произойти конденсация, это приведет к выделению « скрытого » тепла, и материал теплопередачи покроется пленкой из вода. Несмотря на соответствующее поглощение скрытого тепла, поскольку некоторая часть водяной пленки испаряется в противоположном воздушном потоке, вода снизит термическое сопротивление пограничного слоя материала теплообменника и, таким образом, улучшит коэффициент теплопередачи устройства, и следовательно, повысить эффективность. Энергообмен таких устройств теперь включает как явную, так и скрытую передачу тепла; Помимо изменения температуры происходит также изменение влажности воздушных потоков.
Однако пленка конденсата также немного увеличит перепад давления в устройстве, и в зависимости от расстояния между материалами матрицы это может увеличить сопротивление до 30%. Это увеличит энергопотребление вентилятора и снизит сезонную эффективность устройства.
Алюминиевые матрицы также доступны с нанесенным гигроскопичным покрытием, и его использование или использование пористых матриц из синтетических волокон позволяет адсорбировать и выделять водяной пар при уровнях влажности, намного более низких, чем тот, который обычно требуется для конденсации и скрытого тепла. произойдет передача. Преимуществом этого является еще более высокая эффективность теплопередачи, но это также приводит к осушению или увлажнению воздушных потоков, что также может быть желательно для конкретного процесса, обслуживаемого приточным воздухом.
По этой причине эти устройства также широко известны как энтальпийные колеса .
Во время интереса автомобильной промышленности к газовым турбинам для привода транспортных средств (около 1965 г.) компания Chrysler изобрела уникальный тип роторного теплообменника [5] , который состоял из вращающегося барабана, изготовленного из гофрированного металла (по внешнему виду похожего на гофрированный картон). Этот барабан непрерывно вращался с помощью редукторов, приводимых в движение турбиной. Горячие выхлопные газы направлялись через часть устройства, которая затем вращалась в секцию, проводящую впускной воздух, где этот всасываемый воздух нагревался. Такая рекуперация теплоты сгорания значительно повысила эффективность газотурбинного двигателя. Этот двигатель оказался непрактичным для автомобильной техники из-за плохого крутящего момента на низких оборотах. Даже такой эффективный двигатель, если он достаточно большой, чтобы обеспечить надлежащую производительность, будет иметь низкую среднюю топливную экономичность . Такой двигатель может когда-нибудь в будущем стать привлекательным в сочетании с электродвигателем в гибридном транспортном средстве благодаря его высокой долговечности и способности сжигать широкий спектр жидкого топлива. [ оригинальное исследование? ]
Осушительное колесо очень похоже на тепловое колесо, но с покрытием, нанесенным исключительно с целью осушения или «осушки» воздушного потока. Осушителем обычно является силикагель . При вращении колеса осушитель попеременно проходит через входящий воздух, где адсорбируется влага , и через «регенерирующую» зону, где осушается и влага удаляется. Колесо продолжает вращаться, и процесс адсорбирования повторяется. Регенерация обычно осуществляется с использованием нагревательного змеевика, такого как водяной или паровой змеевик, или газовой горелки прямого накала.
Термические колеса и осушающие колеса часто используются в последовательной конфигурации для обеспечения необходимого осушения, а также рекуперации тепла из цикла регенерации.
Тепловые колеса не подходят для использования там, где требуется полное разделение потоков приточного и вытяжного воздуха, так как воздух будет обходить на границе раздела воздушных потоков на границе теплообменника, а также в месте перехода колеса от одного воздушного потока к другому. другой во время его нормального вращения. Первое уменьшается за счет щеточных уплотнений, а второе за счет небольшой продувочной секции, образованной путем удаления небольшого сегмента колеса, обычно находящегося в потоке выхлопного воздуха.
Матрицы, изготовленные из волокнистых материалов или с гигроскопичными покрытиями для передачи скрытого тепла, гораздо более подвержены повреждению и деградации в результате « загрязнения », чем простые металлические или пластиковые материалы, и их трудно или невозможно эффективно очистить в случае загрязнения. Необходимо позаботиться о том, чтобы должным образом фильтровать воздушные потоки как со стороны выхлопа, так и со стороны приточного воздуха колеса. Любая грязь, прилипшая к обеим сторонам воздуха, всегда будет переноситься в поток воздуха другой стороны.