Zastosowanie membranowych wymienników ciepła w technice klimatyzacyjnej

Transkrypt

1 Demis PANDELIDIS, Krzysztof RAJSKI W artykule opisano temat potencjalnego wykorzystania procesów membranowych w procesie uzdatniania powietrza klimatyzacyjnego. Podano przykłady zastosowań dla nawilżania, osuszania oraz chłodzenia wyparnego powietrza. Odzysk ciepła w wentylacji budynków Nowoczesne budownictwo cechuje się dużą szczelnością przegród zewnętrznych i okien. W związku z tym, w celu zapewnienia niezbędnej ilości świeżego powietrza użytkownikom pomieszczeń, powszechne staje się stosowanie wentylacji mechanicznej. Przy wyborze systemu napowietrzania, warto wybrać rozwiązanie optymalne, zarówno pod względem kosztów, oszczędności energii, jak również rzeczywistej wydajności. Jednym z najbardziej popularnych rozwiązań jest zastosowanie systemu wentylacji, wykorzystującego zjawisko rekuperacji (łac. recuperatio) czyli odzyskiwania ciepła jawnego z usuwanego powietrza za pomocą wymienników, w celu jego dalszego wykorzystania. W praktyce rekuperator służy do ogrzewania świeżego powietrza nawiewanego do budynku, przez powietrze z niego usuwane. Urządzenia te są również wykorzystywane do regulowania przepływu powietrza w pomieszczeniach oraz stabilizacji w nich dobowej temperatury. Zgodnie z definicją [1], rekuperacja polega na wymianie jedynie ciepła jawnego pomiędzy czynnikami (brak wymiany wilgoci). Proces ten często bywa mylnie odnoszony do wszystkich wymienników ciepła, np. wymiennika obrotowego, będącego wymiennikiem regeneracyjnym (rys. 1.). 1 / 9

2 Rys. 1. Wymienniki do odzysku ciepła: wymiennik krzyżowy rekuperacja; b) wymiennik obrotowy regeneracja [1] Nowoczesne wymienniki rekuperacyjne pozwalają na znaczne oszczędności w systemach wentylacji w domach jednorodzinnych. Nowe technologie central rekuperacyjnych pozwalają na szereg udogodnień eksploatacyjnych, np. poprzez zastosowanie by-passu. By-pass jest obejściem, które po spełnieniu określonych warunków temperaturowych powietrza zewnętrznego, otwiera się, blokując jednocześnie przejście powietrza nawiewanego przez wymiennik lub zamyka się, umożliwiając takie przejście i odzysk ciepła lub chłodu. Dzięki tej funkcji w okresie letnim chłodniejsze powietrze nocne jest nawiewane bezpośrednio do pomieszczeń bez przejścia przez wymiennik. 2 / 9

3 By-pass zapewnia także wywiew ciepłego powietrza z budynku bezpośrednio na zewnątrz, omijając wymiennik. System ten używany jest głównie latem w tym okresie chłodniejsze powietrze wprowadzane jest bezpośrednio do budynku. By-pass funkcjonuje całkowicie automatycznie, jedynym parametrem, jaki należy określić jest tzw. temperatura komfortowa, która ma być utrzymana w pomieszczeniach. Dodatkowo, by-pass jest niezbędny do ochrony wymiennika przed zamarznięciem. Do wad rekuperacji należy brak możliwości odzysku ciepła utajonego (pary wodnej) z powietrza wywiewanego, co przyczynia się do obniżenia komfortu użytkowników pomieszczeń oraz generuje straty energetyczne (w okresie letnim wstępne osuszenie powietrza może znacząco zmniejszyć zużycie energii przez układ chłodniczy). Dlatego coraz powszechniejsze staje się zastosowanie wymienników entalpicznych, które wykorzystują przepuszczalne dla cząsteczek pary wodnej membrany. Technologicznie wymiennik entalpiczny wykonany jest z materiałów takich jak celuloza zawierająca kryształy odpowiedniego rodzaju soli, w celu wykorzystania jej właściwości higroskopijnych. Działanie takiego układu przypomina w efekcie działanie nowoczesnych materiałów oddychających, z jakich wykonywana jest wysokiej klasy odzież. Wymienniki wykorzystujące technikę membranową, zyskują coraz większą popularność, dlatego istotna jest analiza ich struktur, w celu osiągnięcia maksymalnej efektywności odzysku ciepła. Membrany Membrana jest cienkowarstwową przegrodą o bardzo specyficznej strukturze zapewniającej określone właściwości separacyjne i transportowe [1]. Z pomocą w opracowaniu membrany syntetycznej przyszły mechanizmy występujące powszechnie w przyrodzie. Dokładne badanie i kopiowanie przez naukowców szczegółów budowy i zasad działania z żywych form nazywa się bioniką (inaczej biomimetyką). 3 / 9

4 W uproszczeniu, membraną można określić wszystkie cienkowarstwowe przegrody, których główną cechą jest zdolność do selektywnego transportu składników różnych mieszanin, stanowiąc jednocześnie nieprzepuszczalną barierę dla innych elementów. Membrany mogą być wykonane z materiałów organicznych (rys. 2a) polimerów lub nieorganicznych (rys. 2b) np. z materiałów ceramicznych lub tlenków metali. Wszystkie procesy separacji membranowej wymagają ściśle określonej siły napędowej, która pozwoli na selektywny transport wybranych składników płynu. W większości procesów membranowych siłą napędową jest różnica: - ciśnień, - stężeń, - temperatury, - potencjału elektrycznego. 4 / 9

5 Rys. 2. Zdjęcia mikroskopowe membran syntetycznych: a) organicznych; b) ceramicznych [1] Potencjał procesów membranowych jest szeroko wykorzystywany w technice (m.in. w oczyszczaniu i uzdatnianiu wody, w oczyszczaniu ścieków, w medycynie np. sztuczna nerka). W literaturze coraz częściej pojawiają się informacje dotyczące badań, w których wykorzystano membrany do obróbki powietrza w układach klimatyzacyjnych [2]. Konwencjonalne metody obróbki powietrza w klimatyzacji wiążą się z dużym nakładem energii, potrzebnym do ich przeprowadzenia. Oprócz powszechnie stosowanych rozwiązań, służących do procesów osuszania, nawilżania lub chłodzenia wyparnego powietrza, można wykorzystać moduły membranowe. Wymienniki ciepła o wypełnieniu membranowym pozwalają odzyskiwać ciepło i wilgoć z powietrza wywiewanego. Dzięki takiemu rozwiązaniu można zmniejszyć zużycie energii potrzebne w okresie zimnym do ogrzewania i nawilżania powietrza oraz w okresie ciepłym do ochładzania i osuszania powietrza. Osuszanie powietrza za pomocą technik membranowych, wykorzystujących sorbenty wykazuje niższe zapotrzebowanie energii niż klasyczne osuszanie kondensacyjne na chłodnicach przeponowych. Problemem w takim rozwiązaniu jest późniejsza regeneracja sorbentu. W procesie nawilżania powietrza korzyścią wynikającą ze stosowania membran jest wyeliminowanie bezpośredniego kontaktu powietrza z wodą. Zapobiega to możliwości przedostania się bakterii z wody do powietrza. 5 / 9

6 Chłodzenie wyparne Najszerzej na świecie dostępnym źródłem energii odnawialnej do celów chłodniczych jest suche powietrze i woda. Własności termodynamiczne powietrza wilgotnego pozwalają na obniżenie jego temperatury podczas nawilżania wodą. Proces ten nazywany jest chłodzeniem wyparnym, można zaobserwować go np. w komorach zraszania central klimatyzacyjnych (rys. 3a). Ochładzanie powietrza za pomocą parowania wody jest procesem wymiany ciepła i masy pomiędzy cieczą a gazem, podczas którego powietrze obniża swoją temperaturę, jednocześnie zwiększając swoją zawartość wilgoci [3]. Do wad takiego sposobu chłodzenia powietrza można zaliczyć: - zależność od parametrów powietrza zewnętrznego, - mniejsze schłodzenie powietrza niż w urządzeniach sprężarkowych, - brak możliwości osuszania powietrza Chłodzenie wyparne można podzielić na [4]: - bezpośrednie, związane z ochładzaniem powietrza przy jego kontakcie z wodą; - pośrednie, z wykorzystaniem wymiennika ciepła, gdzie w procesie biorą udział dwa strumienie powietrza (nawilżany i oziębiany) (rys 3b); - pośrednio-bezpośrednie, które jest szeregowym połączeniem dwóch wcześniejszych sposobów. W systemach z chłodzeniem wyparnym nieunikniony jest wzrost zawartości wilgoci w powietrzu. Rozwiązaniem, które pozwala regulować wilgotność uzdatnianego powietrza, a zarazem umożliwiać zastosowanie chłodzenia wyparnego przedstawiono w pracy [5]. Proces chłodzenia wyparnego został poprzedzony osuszaniem powietrza przy użyciu modułu membranowego. Takie rozwiązanie pozwala na zastosowanie chłodzenia wyparnego na obszarach o dużej wilgotności, gdzie typowym rozwiązaniem jest chłodzenie i osuszanie przy pomocy czynnika chłodniczego z agregatów sprężarkowych. 6 / 9

7 Johnson i inni [6] zaproponowali zastosowanie membran do prowadzenia bezpośredniego chłodzenia wyparnego. Takie rozwiązanie zapobiega przed potencjalnym przedostaniem się bakterii z rodzaju Legionella z wody do powietrza. Rys. 3. Urządzenia do chłodzenia wyparnego: a) komora zraszania chłodzenie bezpośrednie; b) wymiennik krzyżowy chłodzenie pośrednie [3] Odzysk ciepła i wilgoci (...) 7 / 9

8 Efektywność procesów transportu ciepła i wilgoci w wymienniku z wypełnieniem membranowym (...) Wymiana ciepła i masy przez wodoprzepuszczalną membranę (...) Model matematyczny (...) Podsumowanie Techniki membranowe mają obecnie szerokie zastosowanie. Ich potencjał można również wykorzystać w klimatyzacji, gdzie pozwalają zmniejszyć zużycie energii w procesach uzdatniania powietrza (osuszanie i nawilżanie powietrza, odzysk energii i wilgoci z powietrza wywiewanego). Powoduje to niższe koszty eksploatacyjne w porównaniu z systemami 8 / 9

9 tradycyjnymi. Efektywne wykorzystanie wymienników ERV wymaga dalszych badań. Celem dalszej pracy jest sprawdzenie założeń i uproszczeń, przyjmowanych przy tworzeniu modeli matematycznych dla takich urządzeń oraz określenie ich wpływu na otrzymywane wyniki. Uzyskane wyniki należy zweryfikować doświadczalnie. Pozwoli to zoptymalizować konstrukcję membrany dla równoczesnego transferu ciepła i masy. LITERATURA: [1] KABSCH-KORBUTOWICZ M.: Membrany wokół nas. VIII Ogólnopolska konferencja naukowa na temat: Kompleksowe i szczegółowe problemy inżynierii środowiska. Wydaw. Uczel. PKoszal. Koszalin, ss [2] ENGLART S.: Membrany w technice klimatyzacyjnej. Wybrane problemy podwyższania efektywności systemów inżynieryjnych pod red. nauk. Sergeya Anisimova. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej. Wrocław, ss [3] ANISIMOV S., PANDELIDIS D.: Efektywność wyparnego ochładzania powietrza: Chłodnictwo & Klimatyzacja, nr 7/2012. ss [4] BEDNARSKI J.: Pośrednie chłodzenie wyparne w klimatyzacji. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej. Wrocław, [5] EL-DESSOUKY H. T., ETTOUNEY H. M., BOUHAMRA W.: A novel air conditioning system membrane air drying and evaporative cooling. Trans IChemE. Vol. 78. Part A ss [6] JOHNSON D. W., YAVUZTURK C., PRUIS J.: Analysis of heat and masstransfer phenomena in hollow fiber membranes used for evaporative cooling. Journal of Membrane Science, ss [7] ZHANG L. Z., NIU J. L.: Effectiveness Correlations for Heat and Moisture Transfer Processes in an Enthalpy Exchanger With Membrane Cores. Journal of Heat Transfer. Vol ss [8] ZHANG L. Z., NIU J. L.: Membranebased Enthalpy Exchanger: material considerations and clarification of moisture resistance. Journal of Membrane Science, ss [9] NASIF M., AL-WAKED R., MORRISON G., BEHNIA M.: Membrane heat exchanger in HVAC energy recovery systems, systems energy analysis. Energy and Buildings, s / 9