Тепловое колесо , также известное как роторный теплообменник , или роторное колесо энтальпии воздух-воздух , колесо рекуперации энергии или колесо рекуперации тепла , представляет собой тип теплообменника рекуперации энергии, размещенного в потоках приточного и вытяжного воздуха вентиляционных установок или крышных установок или в выхлопных газах промышленного процесса, чтобы рекуперировать тепловую энергию. Другие варианты включают колеса энтальпии и колеса осушителя . Тепловое колесо, предназначенное для охлаждения, иногда называют колесом Киото .
Вращающиеся тепловые колеса являются механическим средством рекуперации тепла. Вращающееся пористое металлическое колесо передает тепловую энергию от одного воздушного потока к другому, проходя через каждую жидкость поочередно. Система работает, работая как теплоаккумулирующая масса, в которой тепло из воздуха временно хранится в матрице колеса, пока не будет передано более холодному воздушному потоку. [1]
Существуют два типа вращающихся тепловых колес: тепловые колеса и энтальпийные ( осушающие ) колеса. Хотя между тепловыми и энтальпийными колесами существует геометрическое сходство, существуют различия, которые влияют на работу каждой конструкции. В системе, использующей осушительное колесо, влага в воздушном потоке с самой высокой относительной влажностью переносится в противоположный воздушный поток после прохождения через колесо. Это может работать в обоих направлениях: от входящего воздуха к отработанному воздуху и отработанного воздуха к входящему воздуху. Затем приточный воздух можно использовать напрямую или применять для дальнейшего охлаждения воздуха. Это энергоемкий процесс. [2] [ нужна цитата для проверки ] [ почему? ]
Роторный энтальпийный теплообменник типа «воздух-воздух» представляет собой вращающийся цилиндр, заполненный воздухопроницаемым материалом, как правило, полимером, алюминием или синтетическим волокном, что обеспечивает большую площадь поверхности, необходимую для передачи чувствительной энтальпии ( энтальпия — это мера тепла). Когда колесо вращается между потоками приточного и вытяжного воздуха, оно забирает тепловую энергию и отдает ее в более холодный поток воздуха. Движущей силой обмена является разница температур между встречными потоками воздуха (термический градиент).
Обмен энтальпией осуществляется посредством использования осушителей . Осушители переносят влагу посредством процесса адсорбции , который в основном обусловлен разницей парциального давления пара в встречных 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 для ротора, чаще всего полимера, алюминия или стекловолокна, определяет долговечность.
При использовании роторных устройств рекуперации энергии два воздушных потока должны быть смежными друг с другом, чтобы обеспечить локальную передачу энергии. Кроме того, следует уделить особое внимание холодному климату, чтобы избежать обледенения колес. Системы могут избежать обледенения путем модуляции скорости колес, предварительного нагрева воздуха или остановки/толчковой подачи системы.
О'Коннор и др. [3] изучали влияние вращающегося теплового колеса на скорость потока воздуха, подаваемого в здание. Была создана вычислительная модель для моделирования влияния вращающегося теплового колеса на скорость потока воздуха при включении в коммерческую систему ветряной башни . Моделирование было подтверждено с помощью эксперимента с масштабной моделью в замкнутой дозвуковой аэродинамической трубе. Данные, полученные в обоих испытаниях, сравнивались для анализа скорости потока. Хотя скорость потока была снижена по сравнению с ветряной башней, которая не включала вращающееся тепловое колесо, рекомендуемые скорости вентиляции для людей в школьном или офисном здании были соблюдены при скорости внешнего ветра выше 3 м/с, что ниже средней скорости ветра в Великобритании (4–5 м/с).
В этом исследовании не было завершено полномасштабных экспериментальных или полевых испытаний, поэтому нельзя окончательно доказать, что роторные тепловые колеса осуществимы для интеграции в коммерческую систему ветряных башен. Однако, несмотря на снижение скорости воздушного потока внутри здания после внедрения роторного теплового колеса, снижение было недостаточно большим, чтобы помешать выполнению нормативов вентиляции. Достаточных исследований для определения пригодности роторных тепловых колес для естественной вентиляции еще не было проведено, скорости подачи вентиляции могут быть выполнены, но тепловые возможности роторного теплового колеса еще не были 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 отработанного воздуха системы обработки воздуха. При вращении теплового колеса тепло извлекается из потока отработанного воздуха на одной половине вращения и высвобождается в поток свежего воздуха на другой половине вращения. Таким образом, отработанная тепловая энергия из потока отработанного воздуха передается в материал матрицы, а затем из материала матрицы в поток свежего воздуха. Это увеличивает температуру потока приточного воздуха на величину, пропорциональную разнице температур между потоками воздуха или «тепловому градиенту» и зависящую от эффективности устройства. Теплообмен наиболее эффективен, когда потоки текут в противоположных направлениях , поскольку это вызывает благоприятный температурный градиент по толщине колеса. Принцип работает в обратном направлении, и «охлаждающая» энергия может быть возвращена в поток приточного воздуха, если это необходимо и разность температур позволяет.
Матрица теплообмена может быть алюминиевой, пластиковой или из синтетического волокна. Теплообменник вращается небольшим электродвигателем и системой ременного привода. Двигатели часто имеют инверторное управление скоростью для улучшенного контроля температуры выходящего воздуха. Если теплообмен не требуется, двигатель можно полностью остановить.
Поскольку тепло передается из потока отработанного воздуха в поток приточного воздуха без прохождения непосредственно через теплообменную среду, валовая эффективность обычно выше, чем у любой другой системы рекуперации тепла со стороны воздуха. Меньшая глубина матрицы теплообмена по сравнению с пластинчатым теплообменником означает, что падение давления через устройство обычно ниже по сравнению с ним. Как правило, тепловое колесо выбирается для скоростей на поверхности от 1,5 до 3,0 метров в секунду (от 4,9 до 9,8 футов/с), и при равном расходе воздуха можно ожидать валовой «ощутимой» эффективности в 85%. Хотя для вращения колеса требуется небольшая энергия, потребление энергии двигателем обычно низкое и мало влияет на сезонную эффективность устройства. Возможность рекуперации «скрытого» тепла может улучшить валовую эффективность на 10–15%.
Обычно теплопередача между воздушными потоками, обеспечиваемыми устройством, называется « явной », что представляет собой обмен энергией или энтальпией , приводящий к изменению температуры среды (в данном случае воздуха), но без изменения содержания влаги. Однако, если уровни влажности или относительной влажности в обратном потоке воздуха достаточно высоки, чтобы позволить конденсации происходить в устройстве, 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 следовательно, увеличит эффективность. Энергообмен таких устройств теперь включает как явную, так и скрытую теплопередачу; в дополнение к изменению температуры, также происходит изменение содержания влаги в воздушных потоках.
Однако пленка конденсата также немного увеличит перепад давления через устройство, и в зависимости от расстояния между элементами матрицы это может увеличить сопротивление до 30%. Это увеличит потребление энергии вентилятором и снизит сезонную эффективность устройства.
Алюминиевые матрицы также доступны с нанесенным гигроскопическим покрытием, и использование этого или использование пористых синтетических волоконных матриц позволяет адсорбировать и выделять водяной пар при уровнях влажности, намного ниже тех, которые обычно требуются для конденсации и скрытой теплопередачи. Преимущество этого заключается в еще более высокой эффективности 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 движения транспортных средств (около 1965 года) Крайслер изобрел уникальный тип роторного теплообменника [5] , который состоял из вращающегося барабана, изготовленного из гофрированного металла (похожего по внешнему виду на гофрированный картон). Этот барабан непрерывно вращался редукторами, приводимыми в движение турбиной. Горячие выхлопные газы направлялись через часть устройства, которая затем вращалась в секцию, проводящую всасываемый воздух, где этот всасываемый воздух нагревался. Эта рекуперация тепла сгорания значительно увеличила эффективность газотурбинного двигателя. Этот двигатель оказался непрактичным для автомобильного применения из-за его низкого крутящего момента на низких оборотах. Даже такой эффективный двигатель, если он достаточно большой, чтобы обеспечить надлежащую производительность, имел бы низкую среднюю топливную эффективность . Такой двигатель может в будущем стать привлекательным в сочетании с электродвигателем в гибридном автомобиле из-за его надежной долговечности и способности сжигать широкий спектр жидкого топлива. [ оригинальное исследование? ]
Колесо осушителя очень похоже на тепловое колесо, но с покрытием, нанесенным с единственной целью осушения или «высушивания» воздушного потока. Осушителем обычно является силикагель . По мере вращения колеса осушитель попеременно проходит через входящий воздух, где влага адсорбируется , и через «регенерирующую» зону, где осушитель высушивается, а влага вытесняется. Колесо продолжает вращаться, и процесс адсорбции повторяется. Регенерация обычно осуществляется с помощью нагревательной спирали, такой как водяная или паровая спирали, или газовой горелки прямого нагрева.
Тепловые и осушительные роторы 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, поскольку воздух будет обходить на границе между потоками воздуха на границе теплообменника и в точке, где колесо переходит из одного потока воздуха в другой при его нормальном вращении. Первое уменьшается щеточными уплотнениями, а второе уменьшается небольшой секцией продувки, образованной путем покрытия металлом небольшого сегмента колеса, обычно в потоке вытяжного воздуха.
Матрицы, изготовленные из волокнистых материалов или с гигроскопичными покрытиями для передачи скрытого тепла, гораздо более подвержены повреждению и деградации из-за " загрязнения ", чем простые металлические или пластиковые материалы, и их трудно или невозможно эффективно очищать, если они грязные. Необходимо позаботиться о том, чтобы должным образом фильтровать воздушные потоки как с выхлопной, так и с приточной стороны колеса. Любая грязь, прилипшая к любой из воздушных сторон, будет неизменно переноситься в воздушный поток другой стороны.