Регенератор тепла или холода вентиляционного воздуха
HEAT OR COLD REGENERATOR OF VENTILATION AIR

Регенератор тепла или холода вентиляционного воздуха относится к вентиляционной технике для утилизации тепла или холода выходящего воздуха из помещения и для нагрева или охлаждения входящего с улицы воздуха.
С развитием технологий энергосбережения в системах вентиляции и кондиционирования все более широко начинают применяться рекуператоры и регенераторы воздуха - устройства для обмена тепловой энергией между вытяжным и приточным воздухом.
Основной функцией этих устройств является снижение затрат энергии на нагрев или охлаждение приточного воздуха, при этом потоки не должны смешиваться, то есть приточный воздух не должен загрязняться отработанным вытяжным воздухом. В системах вентиляции и кондиционирования такая экономия энергии актуальна как зимой, так и летом.
Известна конструкция рекуператора с промежуточным теплоносителем, в котором в обычном пластинчатом теплообменнике вытяжной воздух отдает свое тепло промежуточному теплоносителю, а во втором теплообменнике этот промежуточный теплоноситель отдает свое тепло приточному воздуху.
Такие устройства имеют два ключевых преимущества. Во-первых, они позволяют реализовать принципы рекуперации для раздельных и даже удаленных друг от друга приточных и вытяжных установок. Во-вторых, ими могут быть дополнены существующие системы вентиляции, которые изначально не предполагали в своем составе устройств рекуперации.
Таким образом, рекуператор с промежуточным теплоносителем представляет собой два теплообменника, устанавливаемых, соответственно, в приточной и вытяжной системах вентиляции, которые соединены трубопроводами с промежуточным теплоносителем.
Известно устройство для вентиляции помещения, согласно патенту RU2313733, в котором устройство смонтировано в проеме рамы и включает трубу для удаления из помещения использованного воздуха и трубу для поступления в помещение свежего воздуха. Устройство снабжено тепловой трубой с рабочей жидкостью (промежуточный теплоноситель), испарительная часть которой закреплена внутри трубы для удаления из помещения использованного воздуха, а конденсационная - внутри трубы для поступления в помещение свежего воздуха. На концах обеих труб установлены задвижки. Для включения устройства в работу открывают задвижки, использованный теплый воздух устремляется по трубе из помещения наружу, а холодный наружный воздух - в помещение. В тепловой трубе рабочая жидкость нагревается теплым использованным воздухом, проходящим по трубе, и испаряется. Пары рабочей жидкости перемещаются по тепловой трубе и поступают в ее конденсационную часть, где отдают тепло наружному воздуху, поступающему в помещение по наружной трубе, и конденсируются. Конденсат рабочей жидкости по капиллярной структуре, закрепленной на внутренних поверхностях тепловой трубы, перемещается в ее испарительную часть. Теплоноситель тепловых труб работает по принципу испарения теплоносителя в горячей части и конденсации в холодной. Процесс повторяется. Таким образом устройство для вентиляции помещения не требует дополнительных затрат энергии, однако эффективность работы такого устройства не достаточна.
Известно устройство для утилизации тепла вытяжного воздуха, согласно патенту RU2655907, который содержит приточный теплоизвлекающий пластинчатый теплообменник, на входе которого установлен приточный вентилятор, и вытяжной теплоотдающий пластинчатый теплообменник, с вытяжным вентилятором. Теплообменники соединены трубопроводами, по которым при работе насоса циркулирует антифриз (промежуточный теплоноситель). К насосу подключен преобразователь частоты, соединенный с устройством управления. Эта установка утилизации тепла вытяжного воздуха имеет сложную конструкцию.
Основным назначением вентиляционной системы при применении рекуперативных или регенеративных теплообменников является обеспечение необходимого количества свежего воздуха, удаление из помещения вредных веществ, бактерий, влаги и пыли. Обычно основными требованиями к таким аппаратам являются: высокая эффективность, простота конструкции, способность выводить из теплообменника влагу, сконденсированную из потока удаляемого воздуха, надежность в условиях отрицательных температур наружного воздуха. Этим требованиям во многом удовлетворяют новые конструкции регенераторов с капельным орошением и промежуточным теплоносителем.
Известны рекуператоры с промежуточным теплоносителем, где применяют воду или солевые растворы, которые позволяют снизить интенсивность процессов испарения и повысить эффективность теплообменника. Солевой раствор, являясь промежуточным теплоносителем, достаточно эффективно охлаждает воздух в одной колонке и нагревает воздух в другой.
Изменяя концентрацию солевого раствора, можно регулировать влажность поступающего в помещение воздуха. Применение солевых растворов позволяет работать теплообменнику при отрицательных наружных температурах без обмерзания.
За прототип выбран способ регенерации тепла вентиляции по заявке на изобретение RU2010121465. Способ регенерации тепла вентиляции, включает передачу тепла с помощью теплообменников в виде двух кассет с керамзитовой насадкой, одна из которых омывается холодным воздухом, другая - теплым, и циркуляцию промежуточного теплоносителя для передачи тепла между теплообменниками. Согласно изобретению, насадку в обеих кассетах орошают циркулирующим жидким промежуточным теплоносителем, который непосредственно контактирует с воздухом: из кассеты, омываемой холодным воздухом, теплоноситель подают на орошение насадки кассеты, омываемой теплым воздухом, а теплоноситель из кассеты, омываемой теплым воздухом, подают на орошение насадки кассеты, омываемой холодным воздухом. В качестве промежуточного теплоносителя используют насыщенный раствор поваренной соли.
Недостатком прототипа является использование насыщенного раствора поваренной соли, который не обеспечивает в достаточной степени требуемую эффективность работы указанного способа.
Задачей предлагаемого регенератора тепла или холода вентиляционного воздуха является повышение эффективности его работы.
2
Положительный эффект возникает за счет снижения испарения воды из солевого раствора при использовании хлористого кальция (CaCl); регулирования влажности поступающего воздуха, за счет изменения концентрации соли в растворе.
2
Техническое решение обеспечивается тем, что регенератор тепла или холода вентиляционного воздуха, включает две вертикальные теплообменные колонны, для подачи в одну из них внутреннего воздуха из помещения, а в другую наружного воздуха с улицы, заполненные теплообменной насадкой и трубопроводы с промежуточным теплоносителем в виде солевого раствора, подаваемого последовательно в колонны сверху вниз через оросители в противоток подаваемому снизу вверх воздуху, а также воздушные вентиляторы и насосы для солевого раствора. В качестве теплообменной насадки можно использовать, например, керамзитовый гравий или кольца Рашига. Согласно изобретению колонны заполнены насадкой частично, ограниченной снизу решеткой, а в верхней части под слоем насадки размещены оросители для подачи промежуточного теплоносителя в виде раствора хлористого кальция (CaCl) расчетной концентрации. Концентрацию раствора хлористого кальция выбирают с учетом обеспечения нормативного диапазона влажности для жилых помещений, а также сезонных перепадов температуры уличного воздуха.
Для того чтобы промежуточный теплоноситель (солевой раствор хлористого кальция) не уносился потоком встречного воздуха, оросители частично заглубляют под слой насадки.
2
Концентрацию раствора хлористого кальция (CaCl) определяют расчетом с учетом нормативной влажности воздуха в жилом помещении и температуры наружного воздуха. (ГОСТ 30494-2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях», СП 131.13330.2012 «Строительная климатология». Актуализированная  версия СНиП 23-01-99*).
На рис.- изображена схема регенератора тепла или холода вентиляционного воздуха с промежуточным теплоносителем и капельным орошением. Регенератор содержит две вертикальные теплообменные колонны 1, 2; решетки 3, установленные в нижней части колонн 1 и 2, удерживающие теплообменную насадку 4, частично заполняющую теплообменные колонны 1 и 2; оросители 5 и 6 под слоем насадки 4; трубопроводы с промежуточным теплоносителем 7 и 8; воздушные вентиляторы 9 и 10; насосы 11 и 12 для промежуточного теплоносителя в виде солевого раствора хлорида кальция.
Регенератор тепла или холода вентиляционного воздуха состоит из двух теплообменных колонн 1, 2, установленные в нижней части колонн решетки 3, удерживающие теплообменную насадку 4 частично заполняющую колонны 1 и 2. В каждую колонну 1 и 2 воздушный поток подается снизу-вверх воздушными вентиляторами 9 и 10 и прокачивается через теплообменную насадку 4: одна колонна 1 прокачивается потоком воздуха из помещения, другая 2 - воздухом с улицы. В каждую из колонн, в верхнюю часть теплообменной насадки 4, через заглубленные оросители 5 и 6, насосы 11 и 12 подают раствор соли хлорида кальция, который стекает по насадке 4 сверху вниз, обмениваясь теплом на поверхности насадки с воздушным потоком, поступающим снизу в верх и затем по трубопроводу 7 подается насосом солевого раствора 11 в верхнюю часть другой колонны 1, а по трубопроводу 8 подается насосом солевого раствора 12 в верхнюю часть колонны 2. Раствор соли хлорида кальция является промежуточным теплоносителем, который охлаждает воздух в одной колонне и нагревает воздух в другой.
Оросители 5 и 6 частично заглублены под слоем теплообменной насадки 4, каждой колонны для снижения уноса солевого раствора потоком встречного воздуха.
Регенератор тепла или холода вентиляционного воздуха работает следующим образом.
Описание основано на экспериментальных лабораторных исследованиях, выполненных в Институте теплофизики СО РАН. Эксперименты проводились на лабораторном оборудовании.
2
3
2
Был выполнен цикл экспериментальных исследований на опытном образце регенератора. Регенератор состоял из двух теплообменных колонн высотой 0.4 м с поперечным сечением 0.2×0.2 м, заполненных насадкой из керамзитового гравия со средним размером гранул 7 мм. В качестве промежуточного теплоносителя использовался раствор хлористого кальция (CaCl) с массовой концентрацией соли 26%-28%. Раствор данной концентрации не замерзает при температурах -36°С ÷ -41°С, кроме того, он имеет еще важное преимущество, что максимальная влажность воздуха над данным раствором не превышает 60%-70% относительной влажности, что предотвращало избыточную влажность, поступающего в помещение воздуха и повышало тепловую эффективность регенератора. В экспериментах расход воздуха через теплообменные колонны поддерживался постоянным и составлял 110 м/час, а расход раствора соли изменялся от 30 л/час до 60 л/час.В нагревающую колонну подавался воздух с улицы при температуре -5°С ÷ -10°С, а в охлаждающую колонну - из помещения при температуре около +25°С.
Нагрев и охлаждение воздуха в каждой теплообменной колонне характеризуется температурной эффективностью, которая определяется отношением абсолютной величины перепада температур воздуха на входе и выходе теплообменной колонны к температурному перепаду между температурой воздуха в помещении и на улице.
По нагревающей колонне температурная эффективность слабо зависела от расхода промежуточного теплоносителя и составляла 57% - 58%. По охлаждающей колонне наблюдался рост эффективности с увеличением расхода солевого раствора от 49% до 60%. При этом средняя температурная эффективность регенератора увеличивалась от 53% до 59% за счет роста эффективности охлаждающей колонны.
В экспериментах изменением концентрации солевого раствора промежуточного теплоносителя регулировалась влажность воздуха, поступающего в помещение.
Технический результат предложенного устройства регенератора тепла или холода вентиляционного воздуха.
Преимущества использования раствора хлорида кальция по сравнению с насыщенным раствором поваренной соли:
1. Как показали экспериментальные исследования, в холодное время года при применении данного типа регенератора с насыщенным раствором поваренной соли для нагрева поступающего с улицы воздуха за счет уходящего из помещения воздуха эффективность нагрева снижается за счет процесса испарения влаги, которое приводит к дополнительному охлаждению воздуха и снижению эффективности работы регенератора. Применение раствора хлорида кальция вместо насыщенного раствора поваренной соли позволяет снизить интенсивность процессов испарения и повысить эффективность регенератора.
2. Изменяя концентрацию раствора хлорида кальция, можно регулировать влажность поступающего в помещение воздуха.
3. Применение раствора хлорида кальция позволяет работать регенератору зимой при температурах наружного воздуха до -40°С, а на насыщенном растворе поваренной соли - до -25°С.