Рекуператор — это специальный противоточный рекуператор энергии, устанавливаемый в потоках приточного и вытяжного воздуха системы обработки воздуха или в выхлопных газах промышленного процесса для рекуперации отработанного тепла . Обычно они используются для извлечения тепла из выхлопных газов и его использования для предварительного нагрева воздуха, поступающего в систему сгорания. Таким образом, они используют отработанную энергию для нагрева воздуха, компенсируя часть топлива, и тем самым повышая энергоэффективность системы в целом.
Во многих типах процессов сжигание используется для получения тепла, а рекуператор служит для рекуперации или возврата этого тепла для его повторного использования или переработки. Термин рекуператор также относится к противоточным теплообменникам жидкость-жидкость, используемым для рекуперации тепла в химической и нефтеперерабатывающей промышленности, а также в закрытых процессах, таких как абсорбционный холодильный цикл аммиак-вода или LiBr-вода.
Рекуператоры часто используются в сочетании с горелкой теплового двигателя для повышения общей эффективности. Например, в газотурбинном двигателе воздух сжимается, смешивается с топливом, которое затем сжигается и используется для привода турбины. Рекуператор передает часть отработанного тепла в выхлопе сжатому воздуху, таким образом, предварительно нагревая его перед поступлением в ступень топливной горелки. Поскольку газы были предварительно нагреты, требуется меньше топлива для нагрева газов до температуры на входе в турбину. Рекуперируя часть энергии, обычно теряемой в виде отработанного тепла, рекуператор может сделать тепловой двигатель или газовую турбину значительно более эффективными.
Обычно теплопередача между потоками воздуха, обеспечиваемыми устройством, называется « явным теплом », что представляет собой обмен энергией или энтальпией , приводящий к изменению температуры среды (в данном случае воздуха), но без изменения содержания влаги. Однако, если уровень влажности или относительной влажности в обратном потоке воздуха достаточно высок, чтобы в устройстве могла произойти конденсация, то это приведет к высвобождению « скрытого тепла », и материал теплопередачи будет покрыт пленкой воды. Несмотря на соответствующее поглощение скрытого тепла, поскольку часть водяной пленки испаряется в противоположном потоке воздуха, вода снизит тепловое сопротивление пограничного слоя материала теплообменника и, таким образом, улучшит коэффициент теплопередачи устройства, а значит, и увеличит эффективность. Энергообмен таких устройств теперь включает как явный, так и скрытый теплоперенос; в дополнение к изменению температуры также происходит изменение содержания влаги в потоке отработанного воздуха.
Однако пленка конденсата также немного увеличит перепад давления через устройство, и в зависимости от расстояния между матричным материалом это может увеличить сопротивление до 30%. Если устройство не уложено на уклонах, а конденсат не стекает должным образом, это увеличит потребление энергии вентилятором и снизит сезонную эффективность устройства.
В системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC ) рекуператоры обычно используются для повторного использования отработанного тепла от отработанного воздуха, обычно выбрасываемого в атмосферу . Устройства обычно состоят из ряда параллельных пластин из алюминия , пластика , нержавеющей стали или синтетического волокна , медные чередующиеся пары которых заключены с двух сторон, образуя двойные наборы воздуховодов под прямым углом друг к другу, которые содержат потоки приточного и вытяжного воздуха. Таким образом, тепло от потока отработанного воздуха передается через разделительные пластины в поток приточного воздуха. Производители заявляют о валовой эффективности до 95% в зависимости от спецификации устройства.
Характеристики этого устройства обусловлены соотношением между физическим размером устройства, в частности расстоянием воздушного пути, и расстоянием между пластинами. При равном падении давления воздуха через устройство, небольшое устройство будет иметь более узкое расстояние между пластинами и более низкую скорость воздуха, чем большее устройство, но оба устройства могут быть столь же эффективными. Из-за конструкции поперечного потока устройства его физический размер будет определять длину воздушного пути, и по мере ее увеличения теплопередача будет увеличиваться, но также будет увеличиваться и падение давления, поэтому расстояние между пластинами увеличивается, чтобы уменьшить падение давления, но это, в свою очередь, уменьшит теплопередачу.
Как правило, рекуператор, выбранный для перепада давления в диапазоне 150–250 паскалей (0,022–0,036 фунтов на кв. дюйм), будет иметь хорошую эффективность, при этом оказывая небольшое влияние на энергопотребление вентилятора, но в свою очередь будет иметь более высокую сезонную эффективность, чем рекуператор физически меньшего размера, но с большим перепадом давления.
Если рекуперация тепла не требуется, то обычно устройство обходят с помощью заслонок, установленных в системе распределения вентиляции. Если предположить, что вентиляторы оснащены инверторными регуляторами скорости, настроенными на поддержание постоянного давления в системе вентиляции, то уменьшенный перепад давления приводит к замедлению двигателя вентилятора и, таким образом, к снижению энергопотребления, и, в свою очередь, повышает сезонную эффективность системы.
Рекуператоры также использовались для рекуперации тепла из отходящих газов для предварительного нагрева воздуха горения и топлива в течение многих лет с помощью металлических рекуператоров для снижения затрат на электроэнергию и углеродного следа эксплуатации. По сравнению с альтернативами, такими как регенеративные печи, начальные затраты меньше, нет клапанов, которые нужно переключать вперед и назад, нет вытяжных вентиляторов и не требуется сеть газоходов, распределенных по всей печи.
Исторически коэффициенты рекуперации рекуператоров по сравнению с регенеративными горелками были низкими. Однако недавние усовершенствования технологии позволили рекуператорам восстанавливать 70-80% отходящего тепла, и теперь возможен предварительный нагрев воздуха до 850–900 °C (1560–1650 °F).
Рекуператоры могут использоваться для повышения эффективности газовых турбин для выработки электроэнергии при условии, что выхлопные газы горячее температуры на выходе компрессора. Тепло от выхлопных газов турбины используется для предварительного нагрева воздуха из компрессора перед дальнейшим нагревом в камере сгорания, что снижает требуемый расход топлива. Чем больше разница температур между выходом турбины и выходом компрессора, тем больше польза от рекуператора. [1] Поэтому микротурбины (<1 МВт), которые обычно имеют низкие коэффициенты давления, могут получить наибольшую выгоду от использования рекуператора. На практике возможно удвоение эффективности за счет использования рекуператора. [2] Основной практической проблемой для рекуператора в микротурбинных приложениях является борьба с температурой выхлопных газов, которая может превышать 750 °C (1380 °F).