Płytowe wymienniki krzyżowe do odzysku ciepła

W niniejszym artykule porównujemy wymienniki krzyżowe klasyczne i wymienniki krzyżowe przeciwprądowe, ich poziomy sprawności, wady i zalety, z punktu widzenia producenta urządzeń, w których są one montowane.

Czym są wymienniki krzyżowe?

Wymienniki krzyżowe należą do grupy wymienników rekuperacyjnych płytowych. Strumienie powietrza nawiewanego i wywiewanego, rozdzielone są od siebie cienkimi płytami falistymi wykonanymi z blachy aluminiowej, stalowej nierdzewnej, tworzywa sztucznego lub papieru.

Płyty posiadają kierunkowe przetłoczenia i zabudowane są równolegle do siebie w ustalonych dla danej wielkości wymiennika odległościach. Pakiet płyt jest obudowany szkieletem z profili. Dwie ściany boczne (klasyczny) lub cztery ściany (wymiennika stanowią obudowę.

Wymiennik krzyżowy - zasada działania

Przepływ strumieni powietrza wprowadzony do kanalików wymiennika jest krzyżowy.


Strumienie nie mieszają się, tylko omywają płyty z obu stron jednocześnie. Nie występuje również wymiana wilgoci, zapachów, zanieczyszczeń.
Odzysk energii realizowany jest przez przewodzenie, wskutek różnicy temperatur pomiędzy strumieniami powietrza.
Możliwy jest odzysk ciepła w zimie oraz odzysk zimna w lecie.

Klasyczne wymienniki krzyżowe

Wymienniki mają kształt kostki sześcianu. Zabudowa w centrali wentylacyjnej wymaga zastosowania przegród konstrukcyjnych do odseparowania strumieni powietrza nawiewanego i wywiewanego oraz zaprojektowania prawidłowej wielkości bypassu.      

Zakres stosowania wymienników krzyżowych 500÷20.000(100.000)m3/h
Wymiary gabarytowe: długości 0,2÷2,4m; szerokości 0,2÷3,0m.
Wielkości szczelin między płytami w zależności od modelu 1,8÷14,0mm
Produkowane są wersje wymienników do zastosowań standardowych, aplikacji antykorozyjnych oraz odpornych temperaturowo.
Wymienniki mogą być montowane i zabudowywane w układzie szeregowym dla powiększenia sprawności odzysku ciepła i uzyskania większego wysuszenia powietrza wywiewanego.
 

Przeciwprądowe wymienniki krzyżowe

Wymienniki krzyżowe przeciwprądowe zwane również diagonalnymi, są konstrukcyjnie wykonane podobnie jak klasyczne wymienniki, ale posiadają inny kształt płyt i kierunek przepływu powietrza.

Kształt płyt jest diagonalny. Płyty mają większą powierzchnię wymiany ciepła niż klasyczne wymienniki. Strumienie powietrzne mają ze sobą „dłuższy kontakt”. Skutkuje to większymi oporami przepływu powietrza, ale większym odzyskiem energii. Kształt wymiennika jest bardziej „płaski”, co pozwala na uzyskanie mniejszej kubatury sekcji centrali.



Wymienniki określa się je, jako przeciwprądowe, dlatego, że przepływ strumieni powietrza, jest przez część wymiennika rzeczywiście równoległy, a nie się krzyżujący.
                            
Zakres stosowania wymienników krzyżowych przeciwprądowych 50÷2000m3/h
Wymiary gabarytowe: długości 0,4÷1,2m; szerokości 0,1÷1,0m.
Wielkości szczelin między płytami 2,0÷2,6mm
Produkowane są wersje wymienników do zastosowań standardowych i aplikacji antykorozyjnych
Przy zabudowie wymienników również stosowany jest bypass.

Dla większych przepływów powietrza wymienniki łączy się grupy równoległe dla uzyskania większych przekrojów dla przepływającego powietrza. Wykorzystuje się również wymienniki klasyczne do wypełnienia kubatury.                           

Sprawności wymienników

Odzysk energii na wymiennikach krzyżowych odbywa się na zasadzie rekuperacji, czyli wymiany energii bez wymiany masy.
Odzyskiwana jest energia przepływa ze strumienia powietrza o wyższej temperaturze, do strumienia o niższej temperaturze.

Jeżeli założymy, że oba strumienie powietrza maję te same wielkości, to równanie sprawności przyjmuje postać sprawności temperaturowej odzysku ciepła

n_t = T₂ - T₁ / T₃ - T₁,    gdzie oznaczenie cyfrowe odpowiada odpowiednim parametrom powietrza.

Odzysk energii może odbywać się „na sucho” lub z wykropleniem wilgoci.
Odzysk „suchy” potocznie nazywany jest odzyskiem ciepła jawnego Qj, a odzysk energii z wilgoci – odzyskiem ciepła utajonego Qu.


Obliczenia sprawności dla obu rodzajów wymienników krzyżowych wykonano dla parametrów:
Ilość powietrza zewnętrznego: 1000m³/h
Ilość powietrza wywiewanego: 1000m³/h
Temperatura/wilgotność powietrza zewnętrznego tz/φz: -16°C/100%
Temperatura/wilgotność powietrza wywiewanego tw/φw: wg tabeli.

Obliczenia dla wymiennika klasycznego:


Obliczenie dla wymiennika przeciwprądowego:


Dla wymiennika przeciwprądowego pojawia się niebezpieczne zjawisko „za wysokiej sprawności” odzysku ciepła. Skutkiem jest ujemna temperatura powietrza za wymiennikiem po stronie powietrza wywiewanego. Wykraplający się kondensat będzie zamarzał.
Zamarzanie powstaje wówczas, kiedy temperatura powierzchni wymiany ciepła jest niższa niż od temperatury punktu rosy powietrza wywiewanego i dochodzi do wykraplania wilgoci. Gdy temperatura powietrza wynosi poniżej 0°C, wilgoć ta zamarza.

Szronienie wymienników krzyżowych

„Łagodzeniu” skutków szronienia przeciwdziała automatyka centrali oraz rozwiązania konstrukcyjne i dodatkowe urządzenia:

- obejście wymiennika przez strumień powietrza zewnętrznego, tzw. bypass,
Jeżeli wykorzystujemy bypass, to następuje rozdzielenie strumieni powietrza nawiewanego – część powietrza kierowana jest na wymiennik, a część na bypass. Za wymiennikiem mieszanina powietrza ma niższą temperaturę i wymaga doprowadzenia dodatkowej energii cieplnej (nagrzewnica elektryczna lub wodna). Urządzenie dogrzewające z reguły jest zamontowane w centrali, bo wymaga tego całkowity bilans energetyczny.

- zmniejszenie ilości powietrza (regulacja płynna) przez wentylator nawiewny, aż do okresowego zatrzymywania, stosowana dla urządzeń bez bypassu
Jeżeli urządzenie nie ma bypassu, to zmniejszana jest ilość powietrza na nawiewie, czyli również zmniejszana jest sprawność odzysku, skutkiem podnoszenia się temperatury powietrza wywiewanego za wymiennikiem. Metoda skuteczna, ale zaburza się bilans powietrza w pomieszczeniu.

- recyrkulacja powietrza wywiewanego, kierowanego do części wymiennika od strony powietrza zewnętrznego, stosowana dla urządzeń bez bypassu
Recyrkulacja powietrza wywiewanego możliwa tylko wówczas, kiedy jego jakość sanitarna na to pozwala. Metoda wykorzystywana w centralach basenowych, ale w funkcji regulacji wilgotności powietrza.

- wstępne podgrzanie strumienia powietrza zewnętrznego (nagrzewnica elektryczna, wodna lub GWC – gruntowy wymiennik ciepła).
Wstępne podgrzanie strumienia powietrza nawiewanego wymaga dostarczenia dodatkowej energii. Obniża sprawność odzysku ciepła, ale gwarantuje uzyskiwanie prawidłowego zabezpieczenia przed zjawiskiem szronienia.

Ilość dostarczonego ciepła Qe jest związana z uzyskaniem takiej temperatury powietrza zewnętrznego tz1 , aby temperatura powietrza wywiewanego t4 za wymiennikiem, nie spadła poniżej 0°C i mimo pojawienia się kondensatu, aby on nie zamarzał.


Obliczenie wielkości podgrzewu wstępnego Qe dla wymiennika przeciwprądowego:




Rysunek przedstawia w obrazowy sposób, jak przebiega proces odzyskiwania ciepła na wymienniku przeciwprądowym, a algorytm wylicza odpowiednie wartości. Pokazane w tabeli dane odnoszę się do pełnego wydatku powietrza 1000m³/h.

 

Automatyka zabezpieczająca

Głównym zadaniem automatyki jest odpowiednie realizowanie procesów antyszronieniowych.


Podsumowanie
Wymienniki krzyżowe są stosowane w centralach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych, stosowanych w systemach, w których:

• wymagana separacja strumieni powietrza,
• możliwy jest odwracalny odzysk energii,
• możliwe jest osuszanie powietrza (baseny – wykorzystanie powietrza wywiewanego do recyrkulacji).

Do zalet wymienników krzyżowych należą:

• brak części ruchomych,
• brak zasilania elektrycznego,
• względnie wysoki odzysk energii (wymienniki przeciwprądowe),
• bezobsługowa praca.

Do wad należy:

• konieczność doprowadzenia kanałów powietrznych do jednego miejsca,
• niewielka wydajność jednostkowa,
• znaczne wymiary gabarytowe,
• duża wrażliwość na szronienie i zamarzanie,

Do przygotowania artykułu wykorzystane zostały materiały firm Hoval, Klingenburg i Recutech.

Opracowanie:
Dariusz Stefanowski
Kierownik Produktu KLIMOR S.A.