Wymienniki krzyżowe czy przeciwprądowe?

Od czasu pierwszego kryzysu energetycznego w 1973 r. odzysk ciepła w systemach HVAC stał się punktem odniesienia w branży - mimo iż wcześniej nie było obowiązku korzystania z niego i rzadko wspominało się o minimalnej sprawności cieplnej. Po wdrożeniu dyrektywy w sprawie Ekoprojektu 2009/125 / WE po raz pierwszy zaczęto wymagać minimalne wartości sprawności cieplnej. Miały one bezpośredni wpływ na wybór i konstrukcję systemów do odzysku ciepła. Wymienniki ciepła wykorzystujące w szczególności zasadę przepływu krzyżowego miały trudności z zapewnieniem wymaganych wartości przy niskich prędkościach przepływu powietrza (około 1000-4000 m³/h). Z rozwiązaniem przychodzą wymienniki z przepływem przeciwprądowym.
Różne rodzaje przepływu mają teraz własne specyficzne obszary zastosowania.

Rosnące wymagania w zakresie efektywności

W wyniku różnych przepisów i norm istnieją również różne wymagania dotyczące wydajności cieplnej i spadku ciśnienia. Co więcej, zakres (w krajach członkowskich UE lub CEN) oraz status (obowiązkowe wymagania lub najnowocześniejsza technologia) również są różne. Jednak podstawowe warunki są zawsze takie same – czyli strumień masowy dla powietrza nawiewanego i wywiewanego (bez kondensacji). Pod względem skuteczności rozporządzenie Komisji Europejskiej 1253/2014 jest głównym aktem prawnym.

• Rozporządzenie Komisji Europejskiej EU 1253/2014

Jest to rozporządzenie Komisji Europejskiej, które musi zostać wdrożone we wszystkich państwach członkowskich. Określa minimalną sprawność cieplną wynoszącą 0,73 (poprzednio 0,67) dla płytowych wymienników ciepła od 01.01.2018. Ponadto wartość SFP pośrednio ogranicza spadek ciśnienia; po przeliczeniu jest to łącznie ok. 280 Pa (2 x 140 Pa). Na koniec należy zainstalować by-pass dla systemu do odzysku ciepła, aby regulować moc wyjściową.

• Norma Europejska EN 13053 (2017)

Norma ta opisuje to, co jest uważane za punkt odniesienia w zakresie technologii. Określa wartości sprawności cieplnej dla czterech klas jakości od H1 do H4. Wartość dla klasy H2 wynosi 0,73 i dlatego odpowiada specyfikacji zawartej w rozporządzeniu Komisji UE. Istnieje również rodzaj wartości efektywności cieplnej netto, która jest korygowana wymaganą mocą dla spadku ciśnienia. Niestety, te dopuszczalne spadki ciśnienia - np. 480 Pa (2 x 240 Pa) dla klasy H2 - są znacznie wyższe niż specyfikacje w UE 1253/2014.

• Norma Europejska EN 16798-3 (2017)

Jest to również norma europejska, która odnosi się do EN 13053 w odniesieniu do odzysku ciepła. Co ciekawe, do klas operacyjnych H1 i H2 dopuszcza się 300 W/m³/h dodatkowej energii elektrycznej. Oznacza to zwiększenie dopuszczalnego spadku ciśnienia w EN 13053, co jest sprzeczne z celem UE 1253/2014.

• Inne wytyczne

W uzupełnieniu do przepisów i norm określonych powyżej istnieją również krajowe wytyczne dotyczące odzyskiwania ciepła w prawie każdym kraju (np. W SIA, Szwajcaria). Nacisk kładziony jest na wysoką sprawność cieplną i niski spadek ciśnienia. Należy również podkreślić wpływ domowej wentylacji (np. poprzez Instytut Budownictwa Pasywnego) na parametry systemów HVAC.

• Odpowiedź rynkowa

Na rynkach, wydajność cieplna i spadki ciśnienia są dostosowywane do specyfikacji. Wyższe wartości sprawności cieplnej i niższe spadki ciśnienia występują tylko w wyjątkowych przypadkach - ze względu na wysokie wymagania. Względy ekonomiczne są rzadką przyczyną. W przeciwieństwie do wcześniejszych standardów (kiedy nie było żadnych wartości minimalnych), teraz całkowitą odpowiedzialność ponosi jednostka wentylacyjna lub konstruktor instalacji, a nie producent urządzeń do odzysku ciepła. Technologia systemowa, która efektywnie łączy komponenty, jest bardzo poszukiwana.

Obliczanie przepływu powietrza za pomocą metody NTU

Metoda NTU jest idealna do obliczania przepływu w wymienniku ciepła (przepływ krzyżowy lub przeciwprądowy). Następujące podstawowe warunki odnoszą się do odzysku ciepła:

to samo medium dla obu przepływów (powietrza);
taki sam strumień masowy dla obydwóch przepływów;
bez zmiany stanu (kondensacja).

W rezultacie wartości sprawności cieplnej będą takie same dla dwóch strumieni powietrza (powietrza nawiewanego i powietrza wywiewanego). Wielkość bezwymiarowa N stanowi wzór ogólny dla różnych przepływów.

Ø = stopień zmiany temperatury (sprawność cieplna)
N = liczba jednostek transferu (liczba NTU)
F = współczynnik korekcji, który zależy od przepływu (przepływ przeciwprądowy, przepływ bezpośredni itp.) i N; jest przeznaczony do przeciwprądu.

Definiując N można wywnioskować wielkość wymiennika ciepła (wielkość płyty, liczby płyt).

k          = współczynnik przenikania ciepła
A         = powierzchnia transferowa
cp       = określona pojemność cieplna
m       = strumień masowy

Jeśli spojrzysz na wykres 1, który pokazuje wydajność cieplną z zastrzeżeniem N, zobaczysz, że:

wymiennik ciepła o przepływie krzyżowym wymaga wartości N równej 4,24, aby osiągnąć sprawność cieplną wynoszącą 0,73, zgodnie z EU 1253/2014;
wymiennik ciepła o przepływie przeciwprądowym wymaga wartości N równej 2.70 aby uzyskać taką samą sprawność.

Mówiąc prościej, oznacza to, że czysty wymiennik ciepła z przepływem krzyżowym musiałby być 1,57 razy większy niż wymiennik ciepła z przepływem przeciwprądowym, aby osiągnąć taką samą sprawność cieplną. Przyjmuje się, że współczynnik przenikania ciepła k i pojemność cieplna c_p są takie same dla obu typów przepływu.

Wykres 1: Sprawność cieplna wymiennika przeciwprądowego i wymiennika ciepła z czystym przepływem krzyżowym, podlegającym NTU wartość N

Obszar zastosowania wymiennika ciepła o przepływie krzyżowym

Aby uzyskać sprawność cieplną wynoszącą 0,73, czysty wymiennik krzyżowy musi mieć NTU wartość N wynoszącą co najmniej 4,24. Jakie są dostępne opcje osiągnięcia tej wartości, która jest wyższa niż w przypadku wymiennika przeciwprądowego?

Określenie NTU wartość N zapewnia odpowiedź:

współczynnik przenikania ciepła k - wartość ta jest ogólnie zoptymalizowana pod względem spadku ciśnienia i kształtu płyty, co oznacza, że nie są możliwe (znaczne) ulepszenia;
powierzchnia transferowa A - można ją zwiększyć za pomocą większych płyt, tj. długości krawędzi. Jednak dużych płyt (długość krawędzi ok. 0,8 m i więcej) nie można obecnie stosować przy niskich prędkościach przepływu powietrza (do ok. 4000 m³/h) ze względu na małe wymiary (wysokości) urządzenia wentylacyjnego;
pojemność cieplna cp - nie można poprawić wartości cp dla powietrza, ponieważ jest to właściwość substancji;
strumień masowy m - odnosi się to do masowego strumienia na płytę, które można zmieniać za pomocą odstępu pomiędzy płytami. Przy tej samej szerokości wymiennika (dyktowanej przez szerokość zespołu wentylacyjnego), zmniejszone odstępy między płytami dają więcej płyt, a zatem niższy strumień masy na płytę. Liczba NTU wzrasta.

Niestety, nie można zmniejszyć odstępu między płytami , co powoduje: - możliwość zabrudzenia lub zatkania; - możliwość małego wchłonięcia sprężystych odkształceń w przypadku różnicy ciśnień. A to może spowodować zwiększenie spadku ciśnienia; - trudności w produkcji (tolerancja wymiarowa). Minimalny odstęp między płytami określony w EN 3803-1 opiera się na tych obserwacjach. Innym aspektem odstępu między płytami jest spadek ciśnienia, które zwiększa się wraz ze zmniejszaniem odstępów.

Stara mądrość mówi, że do uzyskania wysokiej sprawności cieplnej konieczne są długie odcinki brzegowe i minimalny odstęp między płytami - to podsumowuje te obserwacje idealnie. W praktyce oznacza to, że wymiennik ciepła o przepływie krzyżowym z minimalnym dopuszczalnym odstępem między płytami wymaga długości krawędzi co najmniej 0,8 m, aby osiągnąć wymaganą wydajność cieplną wynoszącą 0,73. Przy standardowych szerokościach do urządzeń wentylacyjnych i dopuszczalnych spadkach ciśnienia, uzyskuje się natężenie przepływu powietrza wynoszące ok. 3500 m³/h. Przy mniejszej wartości, nie jest możliwe stworzenie rozwiązania z płytowym wymiennikiem ciepła wykorzystującym samą zasadę przepływu krzyżowego.

Wypróbowane i przetestowane wymienniki ciepła z przepływem krzyżowym przynoszą znaczne korzyści w przypadku większych przepływów powietrza do 100 000 m³ / h:
• są łatwe do wyprodukowania;
• są łatwe do zainstalowania w jednostce wentylacyjnej;
• od dziesięcioleci sprawdzają się w praktyce;
• akcesoria, takie jak bypass, również zostały przetestowane;
• pozwalają na różne warianty połączeń geometrycznych;
• umożliwiają różne opcje ochrony przed zamarzaniem;
• odprowadzanie kondensatu jest proste.

Obszar zastosowania wymiennika ciepła o przepływie przeciwprądowym

Jeśli chodzi o najlepsze przenikanie ciepła (teoretycznie), często zastanawiamy się, dlaczego przeciwprądowe wymienniki ciepła nie są ogólnie używane. Sprowadza się to do trudnej kontroli przepływu na wlocie i wylocie, co sprawia, że jednostki są skomplikowane do zaprojektowania i wykonania. W wyniku tego przeciwprądowy wymiennik ciepła składa się z dwóch stref mieszania z rzeczywistym wymiennikiem samym w sobie.

Zdjęcie 1: Strefa mieszania i strefa przeciwprądowa

W strefach mieszania przepływ odpowiada mniej więcej przepływowi krzyżowemu, natomiast w środkowej części panuje czysty przepływ przeciwprądowy. Długość tej środkowej części określa przede wszystkim moc wyjściową. Oznacza to, że zawsze można osiągnąć wymaganą sprawność cieplną wynoszącą 0,73; wyższe wartości nie są wymagane/wspólne. Obliczenie tego układu jest zatem skomplikowane.

Ponieważ przepływy powietrza nie mogą się ze sobą mieszać, płyty są wykonane z jednego kawałka; wymaga to dużych narzędzi i w związku z tym jest kosztowne. Zastosowanie wymiennika ciepła z przepływem przeciwprądowym jest zatem uważane za ekonomiczne tylko wtedy, gdy wymiennik ciepła z przepływem krzyżowym o tej samej mocy wyjściowej nie może być użyty. W praktyce oznacza to, że natężenie przepływu powietrza w przybliżeniu. Od 1000 do 5000 m³/h można pokryć odrobiną szarej strefy. Większe przeciwprądowe wymienniki ciepła nie są obecnie dostępne na rynku.

Przeciwprądowe wymienniki ciepła są bardziej płaskie (ale dłuższe) niż wymienniki ciepła z przepływem krzyżowym, co jest korzystne w przypadku małych urządzeń wentylacyjnych.

Zdjęcie 2: Przeciwprądowy wymiennik ciepła

Temperatura wylotowa jest prawie stała, co jest korzystne, ponieważ zmniejsza ryzyko oblodzenia. Jeśli chodzi o prowadnicę powietrza, przeciwprądowy wymiennik ciepła może być zainstalowany w podobny sposób jak wymiennik ciepła z przepływem krzyżowym. Istnieją również podobieństwa w odniesieniu do bypassow i odprowadzania kondensatu.

Podsumowanie

Rozporządzenie Komisji Europejskiej EU 1253 (2014) oznacza, że od 01.01.2018 wymagana jest sprawność cieplna wynosząca co najmniej 0,73 dla płytowych wymienników ciepła. Ta wartość nie została osiągnięta dzięki wymiennikom krzyżowym w małych urządzeniach wentylacyjnych o przepływie do ok. 3500 m³/h. Jednym z rozwiązań jest stosowanie wymienników ciepła z przepływem przeciwprądowym, które mogą być zgodne z minimalną wartością sprawności cieplnej w tym zakresie przepływu powietrza. Wydaje się, że obecnie nie jest możliwe/wskazane stosowanie większych wymienników ciepła z przepływem przeciwprądowym do natężenia przepływu powietrza powyżej 5000 m³ / h ze względów produkcyjnych.