Особенности работы теплообменников рекуперативного типа в условиях отрицательных температур

Экономическая обоснованность применения в отечественной практике теплообменников рекуперативного типа более чем очевидна, что связано с условиями относительно низких температур, по сравнению со странами Западной Европы, поскольку достигаемый при рекуперации эффект непосредственным образом зависит от температурного контраста. Чем больше разница температур воздуха снаружи и внутри здания, тем больше достигаемый экономический эффект. Единственным видимым препятствием к широкому внедрению систем рекуперации тепла является опасность обмерзания. В связи с этим представляет несомненный интерес детальный анализ проблем обеспечения работоспособности и эффективности функционирования теплообменников с учетом особенностей их эксплуатации при отрицательных температурах, характерных для северо-восточных регионов.
В процессе рекуперации при определенных обстоятельствах возможно образование конденсата, что, с одной стороны, приводит к существенному повышению эффективности теплообмена за счет скрытой теплоты испарения. С другой стороны, при отсутствии надлежащих способов отвода конденсата может наблюдаться уменьшение теплопередачи за счет формируемого на поверхности пластин слоя жидкости, а также уменьшение живого сечения воздушных каналов, что, в свою очередь, приводит к увеличению потерь статического давления. В случаях, когда приточный воздух имеет достаточно низкую температуру, скапливаемый внутри теплообменника конденсат замерзает, закупоривая частично или полностью воздушные каналы на стороне вытяжки. Указанный физический процесс по существу протекает одинаковым образом в теплообменниках различного типа, например кожухотрубных, пластинчатых, спиральных, ламельных, ротационных и т.п. Наиболее интересным является анализ особенностей физических процессов, имеющих место при работе теплообменников пластинчатого типа, получившими в странах СНГ наиболее широкое использование в качестве ключевого элемента систем рекуперации тепла в системах вентиляции различного назначения. Прежде всего, следует отметить что температурные поля, формируемые на рабочих поверхностях пластинчатых теплообменников, являются существенно неравномерными. Характерным является наличие так называемого «холодного угла», где удаляемый воздух охлаждается наиболее интенсивным образом.
Теоретический анализ и практический опыт эксплуатации показывают, что работа пластинчатых теплообменников в условиях обмерзания определяется следующими факторами:

• аэродинамической характеристикой вытяжного вентилятора;
• положением теплообменника и направленностью воздушных потоков;
• конструктивным исполнением теплообменника в зависимости от того, осуществляется ли перемещение удаляемого воздуха раздельными потоками с использованием специальных сепараторов (теплообменники канального типа), либо сплошным потоком, когда движение воздуха и, соответственно, образуемого конденсата не ограничено никакими направляющими ни в продольном, ни в поперечном направлениях (теплообменники открытого типа).

Указанные факторы не являются полностью независимыми и, по крайней мере, частично оказывают влияние друг на друга. В результате возможно большое количество комбинаций, которые следует рассматривать самостоятельно. Ниже, однако, представлены результаты анализа только наиболее существенных их сочетаний раздельно для теплообменников открытого и канального типа.
Роль вентилятора
При частичном обледенении пластинчатого теплообменника открытого типа происходит следующее. Образуемый в «холодном углу» лед сужает проходное сечение на выходе удаляемого воздуха, что приводит к дополнительным потерям статического напора на стороне вытяжки. Если вытяжной вентилятор имеет пологую характеристику, например в случае использования крыльчатки (импеллера) с лопатками, загнутыми вперед, то при обмерзании происходит снижение расхода воздуха на вытяжке, в результате чего изменяется массовое отношение воздушных потоков на притоке и вытяжке, что в свою очередь способствует более интенсивному обмерзанию. Вновь увеличивается потеря напора, снижается расход, изменяется массовое отношение, и данный процесс приобретает лавинообразный характер вплоть до полного обледенения теплообменника, который в результате прекращает свою работу. Обычно это не приводит к повреждению пластин, и после оттаивания теплообменник вновь может функционировать полноценным образом. В противоположность этому, если вытяжной вентилятор имеет крутую характеристику, например в случае использования крыльчатки (импеллера) с лопатками, загнутыми назад, то расход воздуха при обмерзании остается практически неизменным даже при достаточно большом сужении выходного сечения. В этом случае эффективность теплообмена несколько снижается за счет увеличения скорости воздуха, т.е. уменьшается отвод тепла от удаляемого воздуха, особенно по мере приближения к выходному сечению. В результате, несмотря на некоторое небольшое изменение массового отношения в пользу приточного воздуха, дальнейшей интенсификации обледенения не происходит, процесс стабилизируется на определенной стадии и, в итоге, полного обледенения не наблюдается.
В теплообменниках канального типа обледенение происходит несколько иным образом. Обледенение канала в выходном сечении полностью препятствует прохождению воздуха через него. В результате, если, например, перекрыт льдом первый канал, то второй канал становится первым. Приточный, холодный воздух теперь, воздействуя на него, приводит к образованию очередной ледяной пробки и закупориванию этого канала. Таким образом, процесс развивается дальше. В итоге теплообменники канального типа замерзают значительно быстрее, чем теплообменники открытого типа.
Положение теплообменника и направленность воздушных потоков
В пластинчатых теплообменниках открытого типа образуемый конденсат под действием силы тяжести стекает сверху вниз. Принципиально указанный факт может приводить к двум прямо противоположным по своим результатам следствиям:
– когда начинается процесс конденсации, точка росы довольно высока, и образуемый конденсат содержит большое количество тепловой энергии. Кроме того, теплоемкость воды во много раз превышает теплоемкость воздуха. Таким образом, в случае образования большого количества конденсата при стекании вниз вместе с ним переносится тепло, достаточное для подогрева холодной части пластин, предотвращая или снижая их обледенение;
– если количество образуемого конденсата невелико, то переносимой с ним тепловой энергии оказывается недостаточно для обогрева холодной части. В этом случае стекающий конденсат полностью или в своем большинстве замерзает, ускоряя тем самым процесс замораживания теплообменника.
Возможными являются как горизонтальное, так и диагональное расположение теплообменников. В обоих случаях с учетом симметрии возможны четыре варианта организации воздушных потоков. Когда сила тяжести и воздушный поток направлены в одну сторону (при горизонтальном расположении теплообменника) или сила тяжести и воздушный поток способствуют переносу конденсата в зону «холодного угла», при большом количестве конденсата опасность замерзания снижается, а при малом количестве конденсата – увеличивается. Когда сила тяжести и воздушный поток увлекают конденсат в теплую зону, опасность замерзания снижается. Когда сила тяжести и воздушный поток направлены в противоположные стороны, существенным является их соотношение. Если сила тяжести превалирует над скоростным напором, то конденсат стекает в теплую зону. В противоположном случае – в холодную зону. Таким образом, рациональная схема установки и обвязки рекуперативного теплообменника зависит от конкретных условий его работы.
На основе вышеизложенного можно констатировать:
– использование вытяжных вентиляторов с крутой аэродинамической характеристикой предотвращает или снижает интенсивность обледенения, что однозначным образом диктует целесообразность их использования;
– пластинчатые теплообменники открытого типа имеют очевидные преимущества в сравнении с канальными теплообменниками, поскольку последние более склонны к обмерзанию;
– в отношении расположения теплообменников и организации воздушных потоков разработка общих рекомендаций принципиально невозможна. В каждом конкретном случае следует руководствоваться конкретными обстоятельствами, которые, прежде всего, определяются количеством образуемого конденсата, а также скоростью воздуха на вытяжке.
В докладе также проанализированы основные методы борьбы с обмерзанием теплообменников, к числу которых относятся:
– подогрев приточного воздуха;
– регулирование массового отношения воздушных потоков на притоке и вытяжке;
– снижение теплопередачи по мере приближения к «холодному углу».
При этом необходимо иметь в виду, что обмерзание пластинчатых теплообменников является вполне допустимым и при разработке систем рекуперации тепла отсутствует необходимость избегать частичного обледенения теплообменников на стороне вытяжки по следующим причинам.

• Большинство объектов не работает в ночное время, когда температура наружного воздуха достигает минимальных значений.
• При эксплуатации систем вентиляции, предусматривающих рекуперацию отходящего тепла, частичное обмерзание теплообменников на короткое время не оказывает заметного влияния на общую производительность и энергетическую эффективность систем.
• Формальный расчет дает пессимистическую оценку, не всегда соответствуя реальной действительности. В особой мере это относится к условиям низкой влажности воздуха, которая зимой в наших климатических условиях редко превышает 3,8 г/кг внутри обслуживаемых помещений. При этом поверхностная конденсация вообще не происходит.

Administrator