Suministro y ventilación de escape con recuperación de calor: principio de funcionamiento, una descripción general de las ventajas y desventajas

La entrada de aire fresco en el período de tiempo frío conduce a la necesidad de calefacción para garantizar el clima interior correcto. Para minimizar el costo de la electricidad se puede utilizar el suministro y la ventilación de extracción con recuperación de calor.

Comprender los principios de su funcionamiento permitirá la reducción más eficiente de la pérdida de calor mientras se mantiene un volumen suficiente de aire reemplazado. Intentemos resolver esto.

Ahorro de energía en sistemas de ventilación.

En el período otoño-primavera, cuando la ventilación es un problema importante, es la gran diferencia de temperatura entre el aire entrante y el interior. La corriente fría se precipita y crea un microclima desfavorable en hogares, oficinas y en el lugar de trabajo o un gradiente vertical de temperatura inaceptable en el almacén.

Una solución común al problema es la integración en la ventilación de suministro. calentador de airepor el cual se calienta el flujo. Tal sistema requiere consumo de energía, mientras que una cantidad significativa de aire caliente saliente conduce a una pérdida de calor significativa.

La salida al exterior con vapor intenso sirve como un indicador de pérdida de calor significativa, que se puede usar para calentar la corriente entrante

Si el suministro de aire y los canales de escape se encuentran cerca, entonces es posible transferir parcialmente el calor de la corriente saliente a la entrante. Esto reducirá el consumo de energía del calentador o lo abandonará por completo. Un dispositivo para proporcionar intercambio de calor entre flujos de gas a diferentes temperaturas se denomina recuperador.

En la estación cálida, cuando la temperatura exterior es mucho más alta que la temperatura ambiente, se puede usar un recuperador para enfriar la corriente entrante.

Unidad unitaria con recuperador

La estructura interna del sistema de ventilación con recuperador integrado lo suficientemente simple, por lo tanto, es posible su compra e instalación independientes por elementos. En caso de que el ensamblaje o el autoensamblaje sean difíciles, puede comprar soluciones preparadas en forma de monobloque típico o estructuras prefabricadas individuales por encargo.

El diseño típico de un dispositivo de sistema de ventilación de suministro y escape con un recuperador ubicado en una sola carcasa puede complementarse con otros nodos a discreción del usuario

Los elementos principales y sus parámetros.

La caja con aislamiento térmico y acústico generalmente está hecha de chapa de acero. En el caso del montaje en la pared, debe resistir la presión que se produce al hacer espuma en las ranuras alrededor de la unidad, y también debe evitar la vibración de los ventiladores.

En el caso de una entrada distribuida y flujo de aire sobre varias habitaciones, se conectan a la carcasa sistema de conductos. Está equipado con válvulas y amortiguadores para la distribución del flujo.

En ausencia de conductos de aire, se instala una rejilla o difusor en la salida de aire de suministro desde el costado de la habitación para distribuir el flujo de aire. Una rejilla de entrada de aire exterior está montada en la abertura de entrada desde la calle para evitar que pájaros, insectos grandes y basura entren al sistema de ventilación.

El movimiento del aire es proporcionado por dos ventiladores axiales o centrífugos. En presencia de un recuperador, la circulación natural del aire en un volumen suficiente es imposible debido a la resistencia aerodinámica creada por esta unidad.

La presencia de un recuperador implica la instalación de filtros finos en la entrada de ambos flujos. Esto es necesario para reducir la obstrucción del polvo y los depósitos de grasa en los canales delgados del intercambiador de calor. De lo contrario, para el pleno funcionamiento del sistema deberá aumentar la frecuencia de mantenimiento preventivo.

Los filtros finos deben cambiarse o limpiarse periódicamente. De lo contrario, una mayor resistencia al flujo de aire hará que los ventiladores se rompan.

Uno o más recuperadores ocupan la mayor parte del dispositivo de suministro y escape. Se montan en el centro de la estructura.

En el caso de heladas severas típicas del territorio y la eficiencia insuficiente del intercambiador de calor para calentar el aire exterior, se puede instalar adicionalmente un calentador de aire. Además, si es necesario, se montan un humidificador, un ionizador y otros dispositivos para crear un microclima favorable en la habitación.

Los modelos modernos incluyen una unidad de control electrónico. Las modificaciones sofisticadas tienen funciones para programar modos de operación dependiendo de los parámetros físicos del aire. Los paneles externos tienen una apariencia atractiva, por lo que pueden integrarse bien en el interior de cualquier habitación.

Resolviendo el problema de la condensación

El enfriamiento del aire que sale de la habitación crea los requisitos previos para la descarga de humedad y la formación de condensado. En el caso de un caudal alto, la mayor parte no tiene tiempo para acumularse en el recuperador y sale al exterior. Con un movimiento lento del aire, una parte significativa del agua permanece dentro del dispositivo. Por lo tanto, es necesario asegurar la recolección de humedad y su eliminación fuera de la carcasa. sistema de suministro y escape.

Un dispositivo elemental para la recolección y eliminación de condensado es una bandeja ubicada debajo del recuperador con una pendiente hacia el orificio de drenaje.

La conclusión de la humedad se produce en un recipiente cerrado. Se coloca solo en interiores para evitar la congelación de los canales de salida a temperaturas bajo cero.No existe un algoritmo confiable para calcular el volumen de agua obtenida cuando se utilizan sistemas con un recuperador, por lo que se determina experimentalmente.

La reutilización del condensado para humedecer el aire no es deseable, ya que el agua absorbe muchos contaminantes, como el sudor humano, los olores, etc.

Reduzca significativamente la cantidad de condensado y evite los problemas asociados con su apariencia organizando un sistema de escape separado del baño y la cocina. Es en estas habitaciones donde el aire tiene la mayor humedad. Si hay varios sistemas de escape, el intercambio de aire entre las áreas técnicas y residenciales debe limitarse mediante la instalación de válvulas de retención.

En el caso de enfriar el flujo de aire saliente a temperaturas negativas dentro del recuperador, el condensado se transforma en hielo, lo que provoca una reducción en la sección transversal viva del flujo y, como resultado, una disminución en el volumen o el cese completo de la ventilación.

Para la descongelación periódica o única del recuperador, se instala un bypass, un canal de bypass para el movimiento del aire de suministro. Cuando el flujo pasa sin pasar por el dispositivo, la transferencia de calor se detiene, el intercambiador de calor se calienta y el hielo se vuelve líquido. El agua fluye hacia el tanque de recolección de condensado o se evapora hacia afuera.

El principio del dispositivo de derivación es simple, por lo tanto, si existe el riesgo de formación de hielo, es aconsejable proporcionar dicha solución, ya que la recuperación de calor del intercambiador de calor de otras maneras es complicada y prolongada.

Cuando el flujo pasa a través del bypass, no hay calentamiento del aire de suministro a través del recuperador. Por lo tanto, cuando se activa este modo, es necesario encender el calentador de aire automáticamente.

Características de varios tipos de recuperadores.

Existen varias opciones estructuralmente diferentes para la implementación de la transferencia de calor entre los flujos de aire frío y calentado. Cada uno de ellos tiene sus propias características distintivas que determinan el propósito principal de cada tipo de recuperador.

Intercambiador de calor de placa de flujo cruzado

El diseño del intercambiador de calor de placas se basa en paneles de paredes delgadas conectadas alternativamente de manera que alternen el paso entre ellos de diferentes flujos de temperatura en un ángulo de 90 grados. Una de las modificaciones de este modelo es un dispositivo con canales aleteados para el paso del aire. Tiene un coeficiente de transferencia de calor más alto.

El paso alternativo del flujo de aire caliente y frío a través de las placas se realiza doblando los bordes de las placas y sellando los compuestos con una resina de poliéster.

Los paneles de transferencia de calor pueden estar hechos de varios materiales:

• las aleaciones a base de cobre, latón y aluminio tienen buena conductividad térmica y no son susceptibles a la oxidación;
• un plástico hecho de un material hidrofóbico polimérico con un alto coeficiente de conductividad térmica es liviano;
• La celulosa absorbente permite que el condensado penetre a través de la placa y regrese a la habitación.

La desventaja es la posibilidad de condensación a bajas temperaturas. Debido a la pequeña distancia entre las placas, la humedad o el hielo aumentan significativamente la resistencia aerodinámica. En caso de congelación, es necesario cerrar el flujo de aire entrante para calentar las placas.

Las ventajas de los recuperadores de placas son las siguientes:

• bajo costo;
• larga vida útil;
• un largo período entre el mantenimiento preventivo y su simplicidad;
• Pequeñas dimensiones y peso.

Este tipo de recuperador es más común en locales residenciales y de oficinas. También se usa en algunos procesos tecnológicos, por ejemplo, para optimizar la combustión de combustible durante el funcionamiento de los hornos.

Tambor o tipo rotativo

El principio de funcionamiento de un intercambiador de calor rotativo se basa en la rotación del intercambiador de calor, dentro del cual se encuentran capas de metal corrugado con alta capacidad de calor.Como resultado de la interacción con el efluente, el sector del tambor se calienta, lo que posteriormente emite calor al aire entrante.

El intercambiador de calor de malla fina del intercambiador de calor rotativo es propenso a la obstrucción, por lo tanto, es especialmente importante prestar atención al trabajo de calidad de los filtros finos.

Las ventajas de los recuperadores rotativos son las siguientes:

• bastante alta eficiencia en comparación con los tipos de la competencia;
• El retorno de una gran cantidad de humedad, que en forma de condensado permanece en el tambor y se evapora al entrar en contacto con el aire seco entrante.

Este tipo de recuperador se usa con menos frecuencia para edificios residenciales con ventilación de apartamentos o cabañas. A menudo se usa en grandes salas de calderas para devolver el calor a los hornos o para grandes instalaciones industriales o minoristas.

Sin embargo, este tipo de dispositivo tiene desventajas significativas:

• una estructura relativamente compleja con partes móviles, que incluyen un motor eléctrico, un tambor y una transmisión por correa, que requiere un mantenimiento constante;
• aumento del nivel de ruido.

A veces, para dispositivos de este tipo, se puede encontrar el término "intercambiador de calor regenerativo", que es más correcto que un "recuperador". El hecho es que una pequeña parte del aire de escape fluye hacia atrás debido al ajuste flojo del tambor al cuerpo de la estructura.

Esto impone restricciones adicionales sobre la posibilidad de usar dispositivos de este tipo. Por ejemplo, el aire contaminado de las estufas de calefacción no puede usarse como portador de calor.

Sistema de tubo y carcasa

El recuperador de tipo tubular consiste en tubos de pared delgada de pequeño diámetro ubicados en la carcasa aislada del sistema, a través de los cuales fluye el aire externo. En la carcasa se produce una salida de masa de aire caliente desde la habitación, que calienta la corriente entrante.

La salida de aire caliente debe realizarse precisamente a través de la carcasa, y no a través de un sistema de tubos, ya que es imposible eliminar el condensado de ellos.

Las principales ventajas de los recuperadores tubulares son las siguientes:

• alta eficiencia, gracias al principio de contracorriente de movimiento del refrigerante y el aire entrante;
• la simplicidad del diseño y la ausencia de partes móviles proporcionan un bajo nivel de ruido y rara vez surgen necesidades de mantenimiento;
• larga vida útil;
• sección transversal más pequeña entre todos los tipos de dispositivos de recuperación.

Los tubos para dispositivos de este tipo usan metal de aleación ligera o, con menos frecuencia, polímero. Estos materiales no son higroscópicos, por lo tanto, con una diferencia significativa en la temperatura de los flujos, es posible la formación de condensado intenso en la carcasa, lo que requiere una solución constructiva para su eliminación. Otra desventaja es que el relleno de metal tiene un peso considerable, a pesar de sus pequeñas dimensiones.

La simplicidad del diseño del recuperador tubular hace que este tipo de dispositivo sea popular para la fabricación propia. Como carcasa exterior, generalmente se utilizan tubos de plástico para conductos de aire, aislados con cubiertas de poliuretano.

Dispositivo de transferencia de calor intermedio

A veces, los conductos de suministro y escape se encuentran a cierta distancia el uno del otro. Esta situación puede surgir debido a las características tecnológicas del edificio o los requisitos sanitarios para la separación confiable de los flujos de aire.

En este caso, use un refrigerante intermedio que circule entre los conductos a través de una tubería aislada. Como medio para la transferencia de energía térmica utilizando agua o una solución de agua-glicol, cuya circulación es proporcionada por bomba de calor.

El recuperador con un refrigerante intermedio es un dispositivo volumétrico y costoso, cuyo uso está justificado económicamente para habitaciones con grandes áreas.

En el caso de que sea posible usar un tipo diferente de recuperador, es mejor no usar un sistema con un refrigerante intermedio, ya que tiene las siguientes desventajas significativas:

• baja eficiencia en comparación con otros tipos de dispositivos, por lo tanto, para habitaciones pequeñas con un flujo de aire bajo, dichos dispositivos no se utilizan;
• volumen y peso significativos de todo el sistema;
• la necesidad de una bomba eléctrica adicional para hacer circular el fluido;
• Aumento del ruido de la bomba.

Hay una modificación de este sistema cuando, en lugar de la circulación forzada del fluido de intercambio de calor, se usa un medio con un punto de ebullición bajo, como el freón. En este caso, el movimiento a lo largo del circuito es posible de forma natural, pero solo si el conducto de suministro de aire se encuentra por encima del conducto de escape.

Tal sistema no requiere costos de energía adicionales, pero funciona para calentar solo a una diferencia de temperatura significativa. Además, es necesario ajustar el punto de cambio en el estado de agregación del fluido de transferencia de calor, que puede implementarse creando la presión deseada o una composición química específica.

Principales parámetros técnicos

Conociendo el rendimiento requerido del sistema de ventilación y la eficiencia de intercambio de calor del intercambiador de calor, es fácil calcular los ahorros en calentar el aire de una habitación en condiciones climáticas específicas. Al comparar los beneficios potenciales con el costo de comprar y mantener el sistema, puede elegir razonablemente a favor de un recuperador o un calentador de aire estándar.

A menudo, los fabricantes de equipos ofrecen una línea de modelos en la que las unidades de ventilación con una funcionalidad similar difieren en la cantidad de intercambio de aire. Para locales residenciales, este parámetro debe calcularse de acuerdo con la tabla 9.1. SP 54.13330.2016

Coeficiente de rendimiento

La eficiencia del recuperador se entiende como la eficiencia de transferencia de calor, que se calcula mediante la siguiente fórmula:

K = (T_n - T_n) / (T_en - T_n)

En el cual:

• T_n - temperatura del aire entrante en la habitación;
• T_n - temperatura exterior;
• T_en - temperatura del aire en la habitación.

El valor máximo de eficiencia con estándar caudales de aire y un cierto régimen de temperatura indicado en la documentación técnica del dispositivo. Su tasa real será ligeramente menor.

En el caso de la fabricación independiente de un intercambiador de calor de placas o tubos, para lograr la máxima eficiencia de transferencia de calor, es necesario cumplir con las siguientes reglas:

• El mejor intercambio de calor está garantizado por dispositivos de contracorriente, luego dispositivos de flujo cruzado y los más pequeños, con el movimiento unidireccional de ambos flujos.
• La velocidad de transferencia de calor depende del material y el grosor de las paredes que separan las corrientes, así como de la duración del aire dentro del dispositivo.

Conociendo la eficiencia del recuperador, es posible calcular su eficiencia energética a varias temperaturas del aire externo e interno:

E (W) = 0.36 x P x K x (T_en - T_n)

donde P (m³/ hora) - consumo de aire.

El cálculo de la eficiencia del recuperador en términos monetarios y la comparación con los costos de su compra e instalación para una cabaña de dos pisos con un área total de 270 m2 muestra la viabilidad de instalar dicho sistema.

El costo de los recuperadores con alta eficiencia es bastante alto, tienen una estructura compleja y un tamaño considerable. A veces puede solucionar estos problemas instalando varios dispositivos más simples para que el aire entrante los atraviese secuencialmente.

Rendimiento del sistema de ventilación.

El volumen del flujo de aire está determinado por la presión estática, que depende de la potencia del ventilador y de los componentes principales que crean resistencia aerodinámica.Como regla, su cálculo exacto es imposible debido a la complejidad del modelo matemático, por lo tanto, se realizan estudios experimentales para diseños típicos de monobloques, y los componentes se seleccionan para dispositivos individuales.

La potencia del ventilador debe seleccionarse teniendo en cuenta el rendimiento de los recuperadores instalados de cualquier tipo, que se indica en la documentación técnica como el caudal recomendado o el volumen de aire que pasa el dispositivo por unidad de tiempo. Como regla, la velocidad de aire permitida dentro del dispositivo no excede los 2 m / s.

De lo contrario, a altas velocidades en los elementos estrechos del recuperador hay un fuerte aumento en la resistencia aerodinámica. Esto conduce a costos de energía innecesarios, calentamiento ineficiente del aire exterior y acorta la vida útil de los ventiladores.

El gráfico de pérdida de presión versus caudal de aire para varios modelos de intercambiadores de calor de alto rendimiento muestra un aumento no lineal de la resistencia, por lo tanto, es necesario cumplir con los requisitos para el volumen de intercambio de aire recomendado en la documentación técnica del dispositivo.

Cambiar la dirección del flujo de aire crea resistencia aerodinámica adicional. Por lo tanto, al modelar la geometría del conducto interior, es deseable minimizar el número de vueltas de la tubería en 90 grados. Los difusores para la dispersión del aire también aumentan la resistencia, por lo que es aconsejable no utilizar elementos con un patrón complejo.

Los filtros y rejillas contaminados crean una interferencia significativa con el flujo, por lo que deben limpiarse o reemplazarse periódicamente. Una de las formas efectivas de evaluar la obstrucción es instalar sensores que controlen la caída de presión en las áreas antes y después del filtro.

Conclusiones y video útil sobre el tema.

El principio de funcionamiento del recuperador rotativo y de placa:

Medición de la eficiencia de un recuperador de placa:

Los sistemas de ventilación domésticos e industriales con un recuperador integrado han demostrado su eficiencia energética para mantener el calor en interiores. Ahora hay muchas ofertas para la venta e instalación de dichos dispositivos en forma de modelos listos y probados, así como para pedidos individuales. Puede calcular los parámetros necesarios y realizar la instalación usted mismo.

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