Przyjrzyjmy się najczęściej stosowanym w naszym kraju urządzeniom do odzyskiwania ciepła z powietrza wywiewanego: wymiennikom płytowym, z obiegiem czynnika pośredniczącego oraz obrotowym. W jakim zakresie narażone są one na zjawisko oszraniania lub obladzania powierzchni oraz jakie są optymalne metody odszraniania?

Zgodnie z krajowymi przepisami [1], wymienniki do odzyskiwania ciepła z powietrza wywiewanego muszą być stosowane we wszystkich instalacjach wentylacji i klimatyzacji o wydajności co najmniej 500 m³/h. Podaje się także minimalną sprawność temperaturową tych urządzeń, która powinna wynosić co najmniej 50%. Przepisy nie precyzują, jakiej sprawności temperaturowej dotyczy to wymaganie, co może prowadzić do pewnych dwuznaczności przy projektowaniu, wykonywaniu oraz w czasie odbioru instalacji. Na ogół wartość ta jest rozumiana jako obliczeniowa (chwilowa)sprawność wymiennika – w odróżnieniu od przepisów w kilku krajach zachodnich, w których podano minimalną uśrednioną sprawność wymiennika odniesioną do całego roku. To drugie podejście, uwzględniające warunki działania urządzenia przez cały rok, wydaje się bardziej miarodajne, ponieważ może się zdarzyć, że wymiennik ciepła, który spełnia wymagania obowiązujących przepisów, w określonych warunkach klimatycznych i w danej instalacji będzie pracował mało efektywnie, ze średnią całoroczną sprawnością daleko odbiegającą od maksymalnej chwilowej wartości. Główny wpływ na ten stan rzeczy ma zjawisko oszraniania lub obladzania powierzchni wymiany ciepła po stronie powietrza wywiewanego przy ujemnej temperaturze na zewnątrz, które powoduje zmniejszenie całkowitej ilości odzyskiwanego ciepła. Zjawisko to przebiega z różnym nasileniem w poszczególnych typach urządzeń.

Wymienniki płytowe

Należą do kategorii rekuperatorów, tzn. urządzeń do odzyskiwania ciepła, w których wymiana ciepła między strumieniami powietrza następuje przez przeponę z ciała stałego. Najczęściej stosowane są płyty z aluminium, przy czym przepływ strumieni jest krzyżowy lub przeciwprądowy.
Wymienniki płytowe charakteryzują się [2]:

• zwartą budową;
• oddzieleniem obu strumieni powietrza;
• regulacją sprawności tylko za pomocą obejścia wymiennika;
• obejściem wymiennika po stronie powietrza zewnętrznego;
• sprawnością temperaturową 40-65%;
• stratą ciśnienia powietrza 100-250 Pa przy prędkości napływu powietrza 1,5-2,0 m/s.

Urządzenia te są podatne na oszranianie w warunkach ujemnej temperatury powierza zewnętrznego i dlatego wymagane jest stosowanie odpowiednich środków zapobiegawczych. Oszranianie rozpoczyna się w „zimnym” narożniku urządzenia i powoduje pogorszenie wymiany ciepła między strumieniami powietrza wywiewanego i zewnętrznego oraz zmniejszenie przekroju drogi przepływu powietrza wywiewanego. W konsekwencji następuje zmniejszenie sprawności odzyskiwania ciepła i znaczny wzrost strat ciśnienia powietrza [3]. W skrajnych przypadkach, bez stosowania urządzeń zabezpieczających, oszranianie może doprowadzić do uszkodzenia wymiennika w wyniku naprężeń mechanicznych.

Wymienniki obrotowe

Należą do kategorii regeneratorów, tzn. urządzeń do odzyskiwania ciepła, w których wymiana ciepła między strumieniami powietrza następuje poprzez naprzemienny ich kontakt z tą samą powierzchnią. Powierzchnia wymiany ciepła jest wykonana w formie masy akumulacyjnej z falistej folii aluminiowej, która obraca się z małą prędkością obrotową (5-20 obr./ min.). Masa akumulacyjna może być wykonana z samego aluminium i wtedy wymiana wilgoci ma miejsce tylko w przypadku występowania kondensacji pary wodnej (rotory kondensacyjne). Mogą być także stosowane masy akumulacyjne powodujące wymianę wilgoci dzięki chemicznej obróbce powierzchni wymiany ciepła (rotory higroskopijne) lub powlekaniu warstwą sorpcyjną (rotory sorpcyjne) [4].
Wymienniki obrotowe charakteryzują się [2]:

• związanym z zasadą działania nieuniknionym przenikaniem niedużej ilości powietrza ze strumienia powietrza wywiewanego do strumienia powietrza zewnętrznego;
• zmianą sprawności odzyskiwania ciepła w zależności od prędkości obrotowej rotora;
• możliwością wymiany wilgoci;
• stałym przepływem powietrza przez urządzenie (utrudnione stosowanie naturalnego chłodzenia);
• sprawnością temperaturową 40-65%, maksymalnie około 85%;
• stratą ciśnienia powietrza 80-190 Pa przy prędkości napływu powietrza 1,5-2,0 m/s.

Urządzenia te są stosunkowo mało podatne na oszronienie, szczególnie w wykonaniu z powłokami sorpcyjnymi. Wystarczy zmniejszenie prędkości obrotowej rotora o połowę, aby usunąć warstwę szronu z masy akumulacyjnej [3] lub nieznaczne wstępne podgrzanie powietrza zewnętrznego [5].

Wymienniki z obiegiem czynnika pośredniczącego

Urządzenia te zawierają dwa wymienniki ciepła połączone rurociągiem z czynnikiem pośredniczącym, którego obieg wymuszany jest przez pompę, przy czym jeden z wymienników pełni funkcję nagrzewnicy, a drugi chłodnicy powietrza.
Charakteryzują się [2]:

• całkowitym oddzieleniem strumieni powietrza, co umożliwia sytuowanie z dala od siebie central nawiewanych i wywiewanych;
• brakiem przenikania powietrza wywiewanego do powietrza zewnętrznego;
• zwartą budową;
• obiegiem czynnika pośredniczącego i zużyciem energii elektrycznej przez pompę obiegową;
• regulacją sprawności przez zmianę prędkości przepływu czynnika pośredniczącego;
• sprawnością temperaturową 60-75%, maksymalnie około 80%;
• stratą ciśnienia powietrza 100-250 Pa przy prędkości napływu powietrza 1,5-2,0 m/s;
• niestosowaniem obejścia powietrznego wymienników ze względu na duży koszt;
• podatnością na oszranianie w przypadku wysokich sprawności (wymagane środki zapobiegawcze);
• możliwością montażu wielofunkcyjnych systemów.

Zagrożenie oszranianiem lub obladzaniem występuje w tym systemie odzyskiwania ciepła w dwóch miejscach: w rurociągu czynnika pośredniczącego oraz w wymienniku powietrza wywiewanego. Powłoka lodowa pojawia się dookoła rury wymiennika, wpływając na tzw. sprawność żebra i obniżając moc cieplną [3]. Zwiększają się także opory przepływu powietrza przez wymiennik powietrza wywiewanego. Ze względu na sytuacje awaryjne i przestoje instalacji jako czynnik pośredniczący stosuje się najczęściej mieszaninę wody i glikolu etylenowego. Stężenie glikolu powinno być dostosowane do warunków klimatycznych, ale korzystne jest zapewnienie jak najniższej jego zawartości w mieszaninie. Glikol powoduje bowiem obniżenie ciepła właściwego czynnika i zmniejszenie ilości odzyskiwanego ciepła. Wzrasta również lepkość czynnika pośredniczącego, co zwiększa opory przepływu, a w konsekwencji – pobór mocy pompy obiegowej. W tabeli 1 podano wymagane stężenie glikolu etylenowego w wodzie w zależności od temperatury [3].

Ze stosowania glikolu można zrezygnować wtedy, gdy do obiegu odzyskiwania ciepła przyłączony jest rurociąg z instalacji zasilanej z kotła. W sytuacji zagrożenia regulator zapewnia dopływ odpowiedniej ilości gorącej wody, podnoszącej temperaturę czynnika pośredniczącego do bezpiecznego poziomu.

Autor: Sławomir Pykacz

O zabezpieczeniu przed oszranianiem wymienników płytowych, obrotowych i wymienników z czynnikiem pośredniczącym, o oszranianiu a całoroczną sprawnością odzysku ciepła oraz o tym jaki jest optymalny system zabezpieczenia przed oszranianiem można przeczytać w dalszej części artykułu w piątm numerze Polskiego Instalatora 5/2015 PI.