Jak działa rekuperator?

Cała sytuacja miała miejsce 3 lata temu. Dotyczyła ona modernizacji instalacji wentylacji mechanicznej w zakładzie przetwórstwa mięsnego. Oczywiście w takich pomieszczeniach muszą być zachowane bardzo rygorystyczne warunki dotyczące jakości powietrza i nie ma tutaj mowy o jakichkolwiek wyjątkach. Również nie każdy rekuperator zastosowany w centrali wentylacyjnej będzie się nadawał do takich instalacji. Ale… jednak jak pokazało życie, nie wszyscy są tego samego zdania.

Wszystko zaczęło się od telefonu Inwestora, z którym nie miałem okazji wcześniej współpracować. Dostał mój numer z polecenia i zadzwonił, ponieważ chciał zmodernizować obecną instalację wentylacji mechanicznej. Wynikało to z dwóch powodów. Po pierwsze, w grę wchodziła rozbudowa samego zakładu wraz z całą linią produkcyjną. Po drugie, obecna instalacja była już dość leciwa, droga w eksploatacji i stwarzała jeszcze kilka innych problemów, o czym zaraz Ci oczywiście opowiem.

Problemy z instalacją wentylacji mechanicznej

Tak jak wspomniałem na samym początku, istniejąca instalacja wentylacji mechanicznej przysparzała Inwestorowi pewnych problemów. Najważniejsze z nich dotyczyły centrali wentylacyjnej. Przede wszystkim została ona wyposażona w rekuperator krzyżowy. Z jednej strony urządzenie takie zapewnia wysoką szczelność, ale pomimo tego, nie gwarantuje ono szczelności na poziomie 100%.

Jakie były tego efekty? Ano takie, że nieznaczna część powietrza wywiewanego mieszała się z powietrzem zewnętrznym, a następnie była ona nawiewana do pomieszczeń. Oczywiście tutaj w grę wchodziły również pomieszczenia technologiczne, które posiadały bardzo rygorystyczne wymagania dotyczące m.in. jakości powietrza.

Kiedy się o tym dowiedziałem, od razu zapytałem Inwestora czy centrala wentylacyjna posiada w ogóle atest higieniczny i czy sanepid nigdy nie miał co do tego uwag. Odpowiedź na pierwsze pytanie była pozytywna, a na drugie, ku mojemu zdziwieniu, negatywna. Podobno sanepid nigdy nie miał zastrzeżeń co do samej wentylacji. Nie mniej jednak, Inwestorowi zależało na zapewnieniu jak najlepszych parametrów powietrza wentylacyjnego w swoim zakładzie.

Ok, zatem zastosowany w centrali wentylacyjnej rekuperator stwarzał jeden problem. Drugi, który moim zdaniem również był bardzo poważny, dotyczył zespołu chłodnic w urządzeniu. Ze względów na uzyskanie bardzo niskiej temperatury w poszczególnych pomieszczeniach, powietrze nawiewane musiało być chłodzone do temperatury +2°C. Wymagało to zastosowanie czynnika chłodniczego, który posiadał temperaturę zasilania na poziomie -8°C, a powrotu -3°C.

Taka temperatura czynnika chłodniczego nie pozwalała uniknąć szronienia wymiennika ciepła w poszczególnych zespołach chłodnic. Oczywiście sam rekuperator zastosowany w centrali również był tutaj na to narażony. Co więcej, problem szronienia był spotęgowany, ponieważ centrala wentylacyjna była umieszczona wewnątrz budynku i nie została wyposażona ani w odpowiednie tacki ociekowe, ani w instalację, która mogłaby odprowadzać wodę na zewnątrz. W rezultacie, przy centrali często znajdowały się wielkie kałuże, a one oczywiście nie pozostawały obojętne na samą konstrukcję budynku. Ciekawie? 🙂

Rekuperator powietrza i jego rodzaje

Zanim przejdziemy do dalszej części historii, chciałbym, abyśmy na razie się zatrzymali i porozmawiali sobie o samych rekuperatorach. Są to po prostu wymienniki ciepła, które pozwalają odzyskać część energii z powietrza wywiewanego i przekazać ją do powietrza nawiewanego. Dzięki temu możliwe jest zwiększenie temperatury tego strumienia powietrza oraz zmniejszyć koszty związane z jego ogrzaniem.

Naturalnie możemy wyróżnić kilka rodzajów takich rekuperatorów, a najpopularniejsze z nich to wymiennik ciepła krzyżowy, krzyżowy przeciwprądowy oraz obrotowy. Oczywiście zaraz omówimy sobie każdy z nich.

Jak działa rekuperator krzyżowy?

Zacznijmy od wymiennika krzyżowego, który wciąż jest chyba najbardziej popularnym urządzeniem. Pomimo swoich wad jak i zalet. 🙂 Na początek, aby było nam łatwiej zrozumieć jak działa taki rekuperator, spójrzmy na jego schemat.

Zasada działania takiego urządzenia jest bardzo prosta. Ponieważ kierunek przepływu powietrza zewnętrznego jest przeciwny do kierunku powietrza wywiewanego z pomieszczeń, następuje pomiędzy nimi wymiana ciepła. W rezultacie, zimne powietrze pobierane z zewnątrz jest ogrzewane, a powietrze wewnętrzne schładzane (ponieważ oddaje swoje ciepło).

Jednak od razu trzeba tutaj wspomnieć, że wymiana ciepła pomiędzy obydwoma strumieniami powietrza nie odbywa się bezpośrednio. Rekuperator taki jest zbudowany z bardzo cienkich płyt, których głównym zadaniem jest zminimalizowanie mieszania się ze sobą powietrza nawiewanego i wywiewanego. W praktyce jednak tak to nie działa i strumienie te i tak się ze sobą mieszają, chociaż w bardzo małych ilościach. Ale co ważniejsze, to właśnie dzięki tym płytkom następuje w takim urządzeniu wymiana ciepła. Innymi słowy, tworzą one warstwę pośrednią pomiędzy strumieniami powietrza, która pobiera oraz oddaje energię.

Zdecydowaną zaletą takiego urządzenia jest bardzo prosta konstrukcja, pozbawiona jakichkolwiek elementów ruchomych. Dzięki temu, rekuperatory takie są bardzo mało awaryjne. Z drugiej jednak strony, jeżeli będzie trzeba kiedyś wymienić takie urządzenie to w większości przypadków jest ono dostarczane przez producenta jako całość.

Sprawność temperaturowa takiego rekuperatora wynosi ok. 70%. Co to dokładnie oznacza? Oczywiście powiem Ci w dalszej części artykułu. 🙂 Natomiast jeżeli chodzi o wady takich wymienników ciepła to należy do nich zaliczyć bardzo dużą podatność na szronienie. W praktyce, urządzenia takie zaczynają szronić już przy niewiele niższej temperaturze powietrza zewnętrznego niż 0°C.

Jak działa rekuperator krzyżowy przeciwprądowy?

Kolejnym wymiennikiem ciepłą, jakim chciałbym, abyśmy się teraz zajęli to rekuperator krzyżowy przeciwprądowy. Tutaj, podobnie jak poprzednio zaczniemy od schematu samego urządzenia.

Rekuperator taki jest zbudowany bardzo podobnie jak wymiennik krzyżowy. Elementy, które ich różnią to inny typ oraz kształt płytek, które są odpowiedzialne za kierunek przepływu poszczególnych strumieni powietrza wentylacyjnego.

Tak jak widzisz na powyższym rysunku, powietrze, które przepływa przez taki wymiennik ciepła ma ze sobą dłuższy kontakt. Oczywiście mowa tutaj o kontakcie pośrednim, ponieważ strumienie te nie powinny się ze sobą łączyć. Dzięki temu, energia pobrana z powietrza wywiewanego przez powietrze zewnętrzne może być w tym przypadku większa. Sprawność temperaturowa takiego urządzenia może sięgać nawet 95%. Niemniej jednak, wiąże się to oczywiście z większymi oporami przepływu powietrza.

Ponieważ strumienie powietrza mają ze sobą w takich urządzeniach dłuższy kontakt, ilość kondensatu, który się tutaj wykrapla również jest większa. Przy ujemnych temperaturach powietrza zewnętrznego prowadzi to oczywiście do szronienia wymiennika, co w rezultacie może skutkować jego zamarznięciem. Jeżeli chciałbyś się dowiedzieć jak można się zabezpieczyć przed takim zjawiskiem, to zapisz się na moją listę mailingową, a ja wyślę Ci artykuł na ten temat mailem. Oczywiście jeżeli jesteś już na nią zapisany, to w ciągu najbliższych dni otrzymasz ode mnie takie materiały. Jeżeli natomiast jeszcze się do niej nie zapisałeś to możesz to zrobić poniżej.

Pamiętaj, że lista ta służy mi tylko po to, aby dostarczyć Ci maksymalną ilość dodatkowej wiedzy i materiałów, których nie publikuję na stronie. Nie wysyłam na maila żadnych reklam, i nikomu nie udostępniam Twojego adresu e-mail więc możesz być o jego bezpieczeństwo całkowicie spokojny.

Jak działa rekuperator obrotowy?

Ok, tym sposobem przeszliśmy do kolejnego rekuperatora, czyli do wymiennika obrotowego. Myślę, że nie zaskoczę Cię, jeżeli tutaj rówież zaczniemy od jego schematu. 🙂

Urządzenia takie różnią się nieco od wymienników krzyżowych. Mam tutaj na myśli zarówno ich budowę jak i zasadę działania. Przede wszystkim, rekuperator obrotowy jest urządzeniem dużo mniej szczelnym. Sprawia to, że ilość powietrza wewnętrznego, mieszającego się z powietrzem zewnętrznym jest tutaj większa. Z drugiej jednak strony, sprawia to, że w takich wymiennikach ciepła dochodzi do wymiany ciepła utajonego (czyli wilgoci), dzięki czemu sprawność temperaturowa rekuperatora będzie większa niż w przypadku krzyżowego wymiennika ciepła. Zazwyczaj dochodzi ona do 90%.

No dobra, ale jak w ogóle taki rekuperator działa? Jak widzisz na powyższym rysunku, zbudowany jest on z wirnika, który się obraca i przez który przepływa zarówno powietrze zewnętrzne jak i wewnętrzne. Prędkość obrotowa takiego urządzenia może być regulowana, co nie jest obojętne dla wymiany energii. Im prędkość ta będzie większa, tym więcej energii może zostać pobrana z powietrza wewnętrznego i odwrotnie.

Większa prędkość obrotowa wirnika wiąże się również z większym hałasem. Oczywiście hałas taki będzie również przenoszony dalej przy pomocy sieci kanałów wentylacyjnych. Dlatego decydując się na taki rekuperator, należy zwrócić szczególną uwagę na dobór tłumików akustycznych. Ponadto wymienniki obrotowe są dużo bardziej odporne na szronienie niż ma to miejsce w przypadku dwóch, pozostałych urządzeń, o których mówiliśmy dobie wcześniej.

Wadliwy rekuperator i ciąg dalszy historii

Wróćmy teraz do naszej historii. Jak pamiętasz, centrala wentylacyjna, która znajdowała się w budynku zakładu przetwórstwa mięsnego była wyposażona w rekuperator krzyżowy. Myślę, że po poznaniu zasady działania takiego urządzenia doskonale wiesz, że nie był to najlepszy wybór. Niestety taki wymiennik ciepła nie zapewniał 100% szczelności, dlatego jakość powietrza nawiewanego do pomieszczeń produkcyjnych pozostawiała nieco o życzenia…

No dobra, ale w takim razie na jaki rekuperator powinniśmy się zdecydować, skoro żaden z tych trzech, o których Ci powiedziałem powyżej, nie zapewnia stuprocentowej szczelności. Ano właśnie… 🙂 Tutaj przychodzi nam z pomocą jeszcze jeden typ wymiennika ciepła. Jest to rekuperator z czynnikiem pośrednim, lub też jak niektórzy wolą go nazywać – wymiennik ciepła glikolowy. Jego schemat wygląda następująco.

1 – pompa obiegowa

Zauważ, że w tym przypadku, do instalacji wprowadzamy czynnik pośredni. Medium takie odbiera energię z powietrza wewnętrznego, a następnie przekazuje je go powietrza pobranego z zewnątrz. Dzięki temu, nie ma możliwości, aby obydwa strumienie powietrza wentylacyjnego miały ze sobą kontakt.

Ok, ale teraz przejdźmy do samego czynnika, który krąży w instalacji. Czynnik taki powinien nie zamarzać w kontakcie z powietrzem zewnętrznym. Dlatego najczęściej stosuje się tutaj r-r glikolu etylenowego o odpowiednim stężeniu. Ale… żeby nie było zbyt łatwo. 🙂

W naszym przypadku mieliśmy do czynienia z pomieszczeniami zakładu przetwórstwa spożywczego, a glikol etylenowy nie jest dopuszczony do stosowania w takich budynkach. Zatem, w tej sytuacji zdecydowałem się na zastosowanie r-r glikolu propylenowego. Taki czynnik ma co prawda gorsze właściwości dotyczące wymiany ciepła, ale może być stosowany w przemyśle spożywczym.

Oczywiście instalacja z czynnikiem pośrednim musi być tutaj wyposażona w odpowiednią armaturę. Mam tutaj na myśli pompę, zawory, manometry, itp. Ale co ważniejsze, z punktu widzenia obowiązujących przepisów, powinna być ona również zabezpieczona zaworem bezpieczeństwa oraz przeponowym naczyniem wzbiorczym (w przypadku systemów zamkniętych).

Sprawność temperaturowa rekuperatora

Przy omawianiu krzyżowego wymiennika ciepła obiecałem Ci wyjaśnić, w jaki sposób można obliczyć sprawność temperaturową rekuperatora. Zatem teraz przyszedł czas, abyśmy się tym zajęli. Abyśmy mogli określić temperaturę powietrza nawiewanego, za rekuperatorem na konkretnym przykładzie, przyjmijmy następujące założenia:

  • temperatura powietrza zewnętrznego: -20°C
  • temperatura powietrza wewnętrznego: +20°C
  • sprawność temperaturowa wymiennika ciepła: 72%

Wzór na określenie sprawności temperaturowej takiego urządzenia jest następujący:

    \[ \eta = \frac{t_{n} - t_{z}}{t_{w} - t_{z}} \]

  • tn – temperatura powietrza nawiewanego za rekuperatorem, °C
  • tw – temperatura powietrza wewnętrznego wywiewanego z pomieszczeń, °C
  • tz – temperatura powietrza zewnętrznego, °C

Zatem, abyśmy mogli określić temperaturę powietrza nawiewanego, które znajduje się za wymiennikiem ciepła, musimy nieco przekształcić powyższy wzór:

    \[ t_{n} = \eta \cdot (t_{w} - t{z}) + t_{z} \]

    \[ t_{n} = 0,72 \cdot (20 +20) - 20 = 8,8\ ^{\circ} C \]

Tak jak widzisz, w naszym przypadku, temperatura powietrza nawiewanego, za rekuperatorem będzie wynosić 8,8°C. Od razu muszę Ci jednak powiedzieć, że często w rzeczywistości sytuacja nie jest tak piękna, jak pokazują obliczenia. Niemniej jednak pozwól, że więcej informacji na ten temat wyślę Ci na maila, ponieważ artykuł już w tym momencie nie należy do najkrótszych, a nie chciałbym go jeszcze bardziej przedłużać.

Skropliny pochodzące z centrali wentylacyjnej

Kolejnym problem, który miał miejsce w instalacji wentylacji mechanicznej, na którą skarżył się Inwestor to zbyt duża ilość kondensatu. Oczywiście nie była ona nigdzie odprowadzana, co tylko potęgowało jego frustrację. Jednak ten problem nie był tak trudny do wyeliminowania.

W grę wchodziła modernizacja całej instalacji, w tym centrali wentylacyjnej. Jak już wiesz, zdecydowałem się wykorzystać urządzenie, które było wyposażone w rekuperator z czynnikiem pośrednim. Dodatkowo, nowa centrala została wyposażona w odpowiedni system zabezpieczający przed szronieniem. Były to po prostu duże zbiorniki na wodę, ale producent wolał je tak dumnie nazwać. 🙂

Dodatkowo, powyższe zbiorniki zostały podłączone przewodami do rur spustowych. W rezultacie, instalacja mogła być bezobsługowa, ponieważ namiar kondensatu był grawitacyjnie odprowadzany na zewnątrz.

Stosowanie pomp do skroplin na szczęście nie było tutaj konieczne. Napisałem “na szczęście” ponieważ są to urządzenia elektryczne, które lubi się od czasu do czasu zepsuć. Oczywiście zawsze można zastosować układ podwójnych pomp, ale jeżeli można coś zrobić łatwiej, to po co sobie komplikować życie? 🙂

Podsumowanie

Instalacja wentylacji mechanicznej została w całości przebudowana i z tego co wiem, to do dziś działa poprawnie. Inwestor nie ma póki co żadnych zastrzeżeń, co na pewno cieszy. 🙂 Mnie jednak do dnia dzisiejszego cały czas zastanawia jedna rzecz…

Co było spowodowane tym, że sanepid ani razu nie zakwestionował jakości powietrza wentylacyjnego w pomieszczeniach produkcji. Ok, centrala posiadała atest higieniczny, ale rekuperator krzyżowy w takiej instalacji, to przynajmniej moim zdaniem nie najlepsze rozwiązanie. Tym bardziej, że mówimy o instytucji, która lubi drążyć temat i szukać niedociągnięć. 🙂

No, ale jak widać im to nie przeszkadzało. A może to ja po prostu przesadzam? Niemniej jednak, zastosowanie w powyższej instalacji wymiennika ciepła z czynnikiem pośrednim poprawiło jakość powietrza nawiewanego. Urządzenia takie są często stosowane nie tylko w instalacjach przemysłu spożywczego, ale również w budynkach gastronomicznych czy szpitalach, gdzie często trzeba zachować czyste, a czasami nawet sterylne warunki.