Wymienniki termosyfonowe typu "rurka ciepła"

Urządzenia do odzysku ciepła są powszechnie stosowane w układach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych, jak również w pewnych przypadkach wymagane odpowiednimi przepisami. Do najpopularniejszych z nich należą wymienniki obrotowe, wymienniki krzyżowe oraz układy z medium pośredniczącym. Każde z tych urządzeń, posiada określone rejony zastosowań, jak również wady i zalety.

Wstęp
Urządzenia do odzysku ciepła są powszechnie stosowane w układach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych, jak również w pewnych przypadkach wymagane odpowiednimi przepisami. Do najpopularniejszych z nich należą wymienniki obrotowe, wymienniki krzyżowe oraz układy z medium pośredniczącym. Każde z tych urządzeń, posiada określone rejony zastosowań, jak również wady i zalety.
Wymienniki termosyfonowe, które potocznie nazywamy “rurkami ciepła” (“heat pi-pe”), zaliczamy do układów z medium pośredniczącym. Znalazły one zastosowanie w klimatyzacji i wentylacji środowisk z dużą ilością wilgoci w powietrzu usuwanym (instalacje basenowe, przemysł spożywczy). Stosuje się je tam ze względu na podstawowe cechy, a mianowicie niską temperaturę szronienia i łatwą możliwość czyszczenia.
Do grona europejskich producentów “rurek ciepła” (IVP - Szwecja, Cominter - Włochy, Delta Air - Francja) dołączył “KLIMOR” rozpoczynając ich produkcję na bazie wymienników ciepła typu CuAl, które produkuje od wielu lat.
Teoria i budowa wymienników
Termosyfon dwufazowy - zasadniczy element termosyfonowego wymiennika ciepła - stanowi najczęściej zamknięty hermetycznie i zaślepiony na dwóch końcach odcinek rury. We wnętrzu takiej rury wytwarza się wstępnie próżnię, a następnie wypełnia częściowo pewną ilością pośredniego nośnika ciepła. Usunięcie z wewnętrznej przestrzeni zamkniętego termosyfonu w etapie wstępnym gazów inertnych (niekondensacyjnych), pozwala na ciągłe utrzymywanie pośredniego nośnika ciepła w stanie dwufazowym i w warunkach odpowiadających warunkom nasycenia. Dzięki temu również obecność lokalnych stref wymiany ciepła - odprowadzenia „od dołu” oraz odprowadzenia „od góry” - powoduje, że pośredni nośnik ciepła zmienia swój stan przenosząc efekt cieplny przemian fazowych para-ciecz od parownika do skraplacza i odwrotnie. Funkcjonowanie zamkniętego termosyfonu dwufazowego sprowadza się do transportu ciepła w obszarze ograniczonym w warunkach oddziaływania pola grawitacyjnego (1).
Wyprodukowane w KLIMORZE wymienniki, zostały przebadane na fabrycznym stanowisku badawczym według ustalonego programu badań (m.in. dla różnych warunków temperaturowych, ilości powietrza i stopni napełnienia freonem), a zespół pracowników Politechniki Gdańskiej opracował wyniki badań w postaci nomogramów doborowych, które potwierdziły opracowywany równolegle model teoretyczny wymiennika.
Wymienniki zostały umieszczone w zespole central nawiewno-wywiewnych, jak na rysunku 1. W trakcie badań mierzono ilości strumieni powietrza, ciśnienie i temperaturę powietrza oraz jego prędkość.
Pomiary dotyczące rurki cieplnej obejmowały temperatury ścianek rurek w różnych miejscach, ciśnienie i temperaturę nasycenia płynu chłodniczego oraz jego ilość wewnątrz rurki.


Rys. 1
Wymiennik typu „rurka ciepła” ze znaczkiem firmowym „KLIMOR”, zbudowany jest z baterii CuAl (poz. 3), tzn. miedzianych rur fi16x0,8 mm oraz aluminiowych lamel 0,18 mm, zamkniętych w obudowie (poz. 1) wykonanej z blachy ocynkowanej malowanej dodatkowo farbą antykorozyjną. Obudowa dzieli wymiennik na dwie sekcje (poz. 2): chłodzącą - parownik w części dolnej i grzewczą - skraplacz w części górnej.
Stosowane są rozstawy lamel 1,6; 2,0 i 2,5 mm.
Rurki miedziane stanowiące poszczególne rzędy wymiennika, połączone są w hermetycznie zamknięte wężownice. Wewnątrz każdej wężownicy znajduje się odpowiednia ilość freonu, który podlega procesowi przemian w czasie pracy wymiennika. Ilość rzędów wężownic wynosi R = 4, 6, 8, 10, 12.
Rurki instalowane są w rozstawie typu H 30x30 mm.
Pod wymiennikiem znajduje się taca na skropliny (poz. 4), z króćcem odpływowym.
Wymienniki mogą być wykonane w wersji epoksydowanej, jeżeli środowisko pracy i stan przepływającego powietrze tego wymaga.
Temperaturowy zakres pracy wymienników wynosi -30-60°C.


Rys. 2
Podstawowy typoszereg wymiarowy wymienników pokazano w tabeli 1, a na rys. 2 jego wymiary.
Tabela 1. Wymiary standardowych wymienników kanałowych


Istnieje również możliwość wykonania wymienników o innych wymiarach.
Wymiennik jest podzielony na część grzewczą i chłodzącą profilem rozdzielającym, który również może być wykonany w innych wymiarach.
Jako wyposażenie dodatkowe w wersji wymiennika do kanału powietrznego, można zamówić sekcję odkraplacza oraz połączenia elastyczne, a w przypadku wymiennika przeznaczonego do zamontowania w centrali klimatyzacyjnej, również przepustnice i kanał by-passu.
Zasada działania, sprawność
Przepływ ciepłego (wyciąganego) powietrza w układzie przez część dolną wymiennika, powoduje parowanie czynnika chłodniczego. Pary czynnika przedostają się do górnej części wymiennika i ulegają skropleniu w strumieniu zimnego powietrza (nawiewanego). Powietrze ogrzewa się, a skroplony gaz ścieka po ściankach rurek z powrotem do części dolnej wymiennika. Ilość freonu jest tak dobrana, aby znajdował się on ciągle w stanie dwufazowym.
Wymienniki pracują w układzie grawitacyjnym, tzn. skropliny spływają do parow-nika pod wpływem sił grawitacji. W związku z tym normalne usytuowanie wymienni-ka jest w pozycji pionowej. Dopuszcza się jednak położenie wymiennika w pozycji ukośnej min. kąt podniesienia to 6o.
W części nawiewnej, na wlocie wymiennika, zamontowana jest przepustnica wielopłaszczyznowa; druga przepustnica z łopatkami przestawionymi o 90° zamontowana jest na by-passie. Obydwie przepustnice sterowane są automatycznie przy pomocy siłowników, aby można było realizować następujące przepływy powietrza:
- całkowity przepływ przez wymiennik („by-pass” zamknięty) - realizowany odzysk ciepła,
- całkowity przepływ przez „by-pass” (wymiennik zamknięty) - realizowany, gdy odzysk nie występuje lub w czasie działania układu przeciwzamrożeniowego,
- przepływy częściowe przez wymiennik i przez „by-pass” - realizowany w czasie odszraniania wymiennika oraz do regulacji temperatury nawiewanego powietrza.
Na części chłodzącej montowany jest również odkraplacz, który wyłapuje krople wilgoci unoszone przez przepływające powietrze. Skropliny gromadzą się w tacy pod wymiennikiem i są następnie odprowadzane na zewnątrz urządzenia.
Zabezpieczenie przed szronieniem wymiennika realizuje się poprzez zamontowanie presostatu różnicowego, który uruchamia układ przepustnic.
Sprawność odzysku ciepła jest odczytywana z nomogramów doborowych. Wpływ na sprawność mają wartości stałe dla danego wymiennika, czyli ilość rzędów wężownic (R=4; 6; 8; 10; 12) i rozstaw aluminiowych lamel (B=1,6; 2,0; 2,5) oraz wartości zmienne: prędkość przepływającego powietrza: 1,5-3,5 m/s i stosunek ilości powietrza nawiewanego do wywiewanego.
Określenie podwójna „rurka ciepła” oznacza wykonanie wymiennika o większej ilości rzędów 8; 10; 12 niż wymiennika standardowego 4; 6.
Sprawność odzysku ciepła wynosi dla rurek pojedynczych w granicach 40-55%, a dla rurek podwójnych 50-75%.
Wraz ze wzrostem liczby rzędów wężownic wzrasta opór wymiennika po stronie przepływającego powietrza. Jest on zmienny dla różnych rozstawów aluminiowych lamel, a także inne dla parownika i skraplacza.
Zastosowanie wymienników
Wymienniki typu „rurka ciepła” mają zastosowanie w układach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych, jako elementy wyposażenia zestawów central nawiewno-wywiewnych oraz w kanałowych instalacji powietrznych.
KLIMOR produkuje wymienniki na potrzeby dla swoich urządzeń, jak również na sprzedaż.
Wymienniki znalazły zastosowanie w kompaktowych zestawach wentylacyjnych KZWRC, w których dotychczas stosowano „rurki ciepła” zagranicznych producentów. Zastosowanie własnego wymiennika pozwoliło znacznie obniżyć cenę urządzeń i przyspieszyć czas dostawy dla klienta.
Wymienniki znalazły równiez zastosowanie w nowouruchomionym typoszeregu zestawów central basenowych MCKB, jako bloki RC z pojedynczą i podwójną „rurka ciepła”.
Autor: mgr inż. Dariusz Stefanowski, KLIMOR