background image

Wojciech Wełna 

 

KSEiUOŚ, AGH Kraków   

 

 

 

Strona 1 z 20 

 

Akademia Górniczo - Hutnicza 

im. Stanisława Staszica w Krakowie 

 

 

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki 

Kierunek: Mechanika i Budowa Maszyn 

 

Praca przejściowa 

 
 

Temat pracy:  

Numeryczny model wymiennika ciepła typu rekuperator. 

 
 
 
 
 
 

Autor:  

Wojciech Wełna 

rok III 2011/2012  

gr. I 

semestr letni 

 
 

Promotor pracy:  

mgr  inż. Jerzy Wołoszyn

 

background image

Wojciech Wełna 

 

KSEiUOŚ, AGH Kraków   

 

 

 

Strona 2 z 20 

 

Spis treści 

Spis treści ................................................................................................................................................ 2 

1. Wstęp ................................................................................................................................................... 3 

 

1.1 Cel pracy .................................................................................................................................... 3 

 

1.2 Zakres pracy .............................................................................................................................. 3 

2. Podział Wymienników ........................................................................................................................ 4 

3. Podstawy wymiany ciepła ................................................................................................................... 6 

4. Rekuperatory ..................................................................................................................................... 15 

 

4.1 Zasada działania ...................................................................................................................... 16 

 

4.2 Budowa .................................................................................................................................... 16 

 

4.3

 

Obliczanie wielkości wymiennika oparte na jego sprawności .................................... 18

 

Literatura ............................................................................................................................................... 21 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

Wojciech Wełna 

 

KSEiUOŚ, AGH Kraków   

 

 

 

Strona 3 z 20 

 

1. Wstęp 

Celem pracy jest przybliżenie teorii na temat wymiany ciepła (niezbędnych definicji oraz 

wzorów potrzebnych do obliczeń rekuperatora) i wymienników ciepła, a następnie skupienie 
się na rekuperatorach i stworzenie modelu 3D tego wymiennika.  

 

1.1 Zakres Pracy 

W  rozdziale  2  są  omówione  rodzaje  wymienników  ciepła,  podzielone  ze  względu  na: 

liczbę płynów biorących udział w wymianie ciepła, kierunek przepływu płynów i zasadę ich 
działania.  

W  następnym  rozdziale  zapisane  są  definicje  zaczynając  od  podstawowych,  takich  jak 

ciepło, czy przewodzenie ciepła i przechodząc później do przenikania ciepła. Uwzględnione 
są zarówno zjawiska zachodzące w przegrodach płaskich, jak i cylindrycznych. Oprócz pojęć 
zawarte są jeszcze wzory opisujące definicje. 

W  ostatnim  rozdziale  znajduje  się  zastosowanie  rekuperatorów,  opis  ich    budowy, 

schemat obliczeniowy i model 3D rekuperatora. 

 

2. Podział wymienników 

-  wymiennik  ciepła-  jest  to  urządzenie  służące  do  wymiany  ciepła  pomiędzy  dwoma 

płynami  oddzielonymi  od  siebie  ścianką.  Często  noszą  nazwy  określające  ich  użycie,           
np.  chłodnice,  skraplacze,  podgrzewacze,  przegrzewacze,  wytwornice  pary,  parowniki. 
Wymienniki są stosowane w przemyśle chemicznym, spożywczym i w energetyce. Wymiana 
ciepła może być ustalona lub nieustalona. [1,3] 

 

Ze  względu  na  liczbę  płynów  biorących  udział  w  wymianie  ciepła  wymienniki  można 

podzielić na: dwu-czynnikowe i więcej czynnikowe.  

 
Natomiast  ze  względu  na  kierunki  przepływu  płynów  względem  siebie,  wyróżniamy 

wymienniki: 

 
 
 
 
 

 
 
 
 
 

background image

Wojciech Wełna 

 

KSEiUOŚ, AGH Kraków   

 

 

 

Strona 4 z 20 

 

 

a)  współprądowe- kierunek ruchu płynów jest taki sam; 

 

 

 

Rys.2.1 Rozkład temperatur dla wymiennika współprądowego [4] 

 
 

b) przeciwprądowe- kierunki ruchu płynów są przeciwne; 

 
 

 

 

Rys.2.2 Rozkład temperatur dla wymiennika przeciwprądowego [4]

 

 

 

background image

Wojciech Wełna 

 

KSEiUOŚ, AGH Kraków   

 

 

 

Strona 5 z 20 

 

c) krzyżowy- kierunki ruchu płynów krzyżują się, średnia różnica temperatur jest 
obliczana  tak  samo,  jak  dla  przepływu  przeciwprądowego,  a  następnie 
wprowadzamy poprawkę ε; 

 

 

Rys.2. 3 Rozkład temperatur dla wymiennika krzyżowego [4] 

Średnia różnica logarytmiczna temperatur dla przepływu krzyżowego 

 

 

 

 

(2.1) 

 

Powierzchnia wymiany ciepła wymiennika 

 

 

 

 

(2.2) 

 

Ze względu na zasadę działania wymienniki można podzielić na: 

 

a) rekuperatory- są to przeponowe wymienniki ciepła,  płyny, pomiędzy którymi 

następuje  wymiana  ciepła  są  rozdzielone  metalową  ścianką  (podczas  wymiany 
występuje  przenikanie).  W  rekuperatorze  występują  ustalone  warunki  pracy,  oprócz 
krótkiego  czasu  po  włączeniu,  zatrzymaniu  oraz  zmiany  warunków  pracy.  Przepływ 
płynów  może  być  współprądowy,  przeciwprądowy,  krzyżowy  lub  krzyżowy 

background image

Wojciech Wełna 

 

KSEiUOŚ, AGH Kraków   

 

 

 

Strona 6 z 20 

 

mieszany. [3] 

 

Ze względu na liczbę dróg przepływu rozróżnia się rekuperatory: 
 

a) dwudrożne i wielodrożne; 
b) dwuciągowe i wielociągowe; 
 
b)  regeneratory-  są  wypełnione  np.  cegłami,  kulkami,  blachami  falistymi,  itp. 

ciałami  o  rozwiniętej  powierzchni  przejmowania  ciepła  (ceramicznymi  lub 
wykonanymi  z  metali).  W  pierwszym  okresie  styku  (z  cieplejszym  płynem)  ciało 
wypełniające gromadzi energię cieplną, którą oddaje zimniejszemu płynowi w drugim 
okresie styku. [3] 

 

Ze względu na rodzaj wypełnienia, rozróżnia się regeneratory: 
 
a)  z  nieruchomym  wypełnieniem-  mają  dwie  komory,  do  których  trafiają  płyny   

o różnych temperaturach nie mając ze sobą kontaktu, działają w sposób powtarzający 
się okresowo; [3] 

 

b) z ruchomym wypełnieniem- podczas obrotu wypełnienia, ich elementy opływa 

na przemian płyn cieplejszy i zimniejszy, działają w sposób ciągły; [3] 

 

c)  mieszalniki-  proces  wymiany  ciepła  polega  na  wymieszaniu  dwóch  płynów      

o  różnych  temperaturach.  Poza  wymianą  ciepła  następuje  wymiana  substancji.  Za 
przykład  może  posłużyć  chłodnia  kominowa,  w  której  woda  jest  chłodzona  przez 
powietrze atmosferyczne. 

 

3. Podstawy wymiany ciepła 

Ciepło-  jest  to  energia  cieplna  (energia  kinetyczna  i  potencjalna  mikrocząsteczek) 
przenosząca  się  stosownie  do  II  Zasady  Termodynamiki  samorzutnie  od  jednego  ciała  do 
drugiego kierunku (i na skutek) spadku temperatury. [2] 

Wymiana ciepła- jest to przekazywanie energii cieplnej z jednego ciała do drugiego, przy 

czym  temperatury obu  ciał różnią się od siebie. Kiedy zjawiska wymiany  ciepła są zmienne  
w  czasie  występuje  nieustalona  wymiana  ciepła,  a  w  przypadku  niezmienności  w  czasie- 
ustalona wymiana ciepła. [3] 

 
Strumień Ciepła- stosunek elementarnej ilości ciepła dQ do czasu trwania wymiany tej 

ilości ciepła. [3] 

 
Możemy rozróżnić trzy mechanizmy wymiany ciepła: 
 
przewodzenie ciepła- jest to przekazywanie energii wewnętrznej między bezpośrednio 

stykającymi  się  częściami  jednego  ciała  lub  różnych  ciał.    W  przypadku  płynów 
przekazywaną energią, jest energia kinetyczna atomów i cząstek, natomiast w przypadku ciał 

background image

Wojciech Wełna 

 

KSEiUOŚ, AGH Kraków   

 

 

 

Strona 7 z 20 

 

stałych  przekazywana  jest  energia  drgań  atomów  w  sieci  krystalicznej  i  ruchu  swobodnych 
elektronów. W płynach zjawisko przewodzenia ciepła połączone jest z konwekcją; [3] 

 

Przewodzenie przez przegrodę płaską. 

 

 
T

1

,T

2

- temperatury na powierzchni przegrody [°C] 

 
δ- grubość przegrody [m] 
 
λ- współczynnik przewodzenia ciepła [

 

- strumień ciepła [

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Strumień ciepła 

 

 

 

 

 

(3.1) 

Równanie Fouriera dla przegrody płaskiej 

   

 

 

 

(3.2) 

A- pole powierzchni  przegrody 

T- temperatura w rozpatrywanym punkcie przegrody 

 – pochodna w kierunku normalnej do powierzchni 

Opór przewodzenia ciepła przegrody 

 

 

 

 

 

(3.3) 

 

Rys. 3.1 Przewodzenie ciepła 
przez ściankę płaską [4]

 

background image

Wojciech Wełna 

 

KSEiUOŚ, AGH Kraków   

 

 

 

Strona 8 z 20 

 

 

Przewodzenie przez przegrodę płaską wielowarstwową. 

T

1

,T

2

,T

3

,T

4

-  temperatury  na  powierzchni  wewnętrznej            i 

zewnętrznej przegrody [°C] 

 

       δ

1

, δ

2

, δ

3

- grubości kolejnych przegród [m] 

λ

1, 

λ

,  λ

3

,

 

-  współczynniki  przewodzenia  ciepła  kolejnych 

przegród[

 

 

 

Opór przewodzenia ciepła przegrody

 

 

 

 

 

 

(3.4) 

Przewodzenie ciepła przez przegrodę cylindryczną. 

T

s1

-  temperatura  powierzchni  ścianki 

wewnątrz cylindra 

T

s2

- temperatura powierzchni ścianki na 

zewnątrz cylindra 

- współczynnik przewodzenia 

q

l

- gęstość strumienia ciepła 

d

1

- średnica wewnętrzna cylindra 

d

2

- średnica zewnętrzna cylindra 

 

Rys. 3.2 Przewodzenie ciepła przez 
ściankę wielowarstwową [4]

 

Rys.3.3 Przewodzenie ciepła przez przegrodę 
cylindryczną

 

background image

Wojciech Wełna 

 

KSEiUOŚ, AGH Kraków   

 

 

 

Strona 9 z 20 

 

 

Równanie Fouriera dla przegrody cylindrycznej 

 

 

 

 

 

(3.5) 

Pole powierzchni 

 

 

 

 

 

(3.6) 

Strumień ciepła 

 

 

 

 

(3.7) 

Opór cieplny przegrody walcowej 

 

 

 

 

 

(3.8) 

Średnia logarytmiczna powierzchnia  

 

 

 

 

 

(3.9) 

-  konwekcję  ciepła-  jest  to  zjawisko  związane  z  przepływem  płynów.  Transport  energii 
występuje  pomiędzy  miejscami  o  różnej  temperaturze,  poprzez  przemieszczanie  się  całych 
pakietów  (elementów,  cząstek)  płynu,  a  nie  jak  ma  to  miejsce  w  przewodzeniu-  przez 
pojedyncze molekuły. Strugi płynu mieszają się ze sobą, przez co transport ciepła jest o wiele 
szybszy  niż  w  przypadku  przewodzenia.  Istnieją  dwa  typy  konwekcji-  wymuszona                  
i swobodna:  [1]          

a) Konwekcja wymuszona- ruch płynu i ciepła jest skutkiem wymuszenia  przepływu 

przez: pompę, wentylator, mieszadło, sprężarkę lub inne urządzenie; [1]         
 

b)  Konwekcja  swobodna-  ruch  płynu  i  ciepła  następuje  samoistnie,  poprzez 

wystąpienie sił wyporu termicznego. Jest to spowodowane faktem, iż płyn cieplejszy ma 
mniejszą  gęstość,  przez  co  unosi  się  do  góry,  gdzie  miesza  się  z  płynem  zimnym                
i  przekazuje  mu  część  swojego  ciepła.  Jako  przykład  może  posłużyć  kaloryfer-  zimne 
powietrze przechodzi pomiędzy jego ściankami (gdzie rośnie jego temperatura) do góry,  
a następnie mieszając się i ogrzewając zimniejsze powietrze krąży po pomieszczeniu; [1] 

background image

Wojciech Wełna 

 

KSEiUOŚ, AGH Kraków   

 

 

 

Strona 10 z 20 

 

    -  promieniowanie-  jest  to  zjawisko  polegające  na  przekazywaniu  energii  za  pomocą 
promieniowania  elektromagnetycznego,  takiego  jak  promieniowanie  świetlne  lecz  w  całym 
zakresie  długości  fal  (głównie  fal  podczerwonych).  Każde  ciało  posiadające  temperaturę 
większą  od  zera  bezwzględnego  pochłania  oraz  wypromieniowuje  ciepło.  Promieniowanie 
zachodzi także w próżni; [2] 

 
-  wnikanie  ciepła-  (  przejmowanie  ciepła)  jest  to  proces  wymiany  ciepła  pomiędzy 

powierzchnią ciała stałego, a opływającym to ciało płynem. Strumień ciepła przepływającego 
pomiędzy  strugą  płynu,  a  powierzchnią  przegrody  opisuje  równanie  Newtona.  Zjawisko 
wnikania ciepła zawiera w sobie konwekcję oraz przewodzenie ciepła; [3] 
 

W  przypadku  burzliwego  przepływu  płynu  wzdłuż  przegrody  warstwa  graniczna 

przyjmuje następujący kształt: 

 

Rys.3.Błąd! W dokumencie nie ma tekstu o podanym stylu..4 Warstwa przyścienna w opływie ściany płaskiej: 1- 
warstwa laminarna, 2- obszar przejściowy, 3- warstwa turbulentna, 4- podwarstwa laminarna, 5- podwarstwa 
buforowa. [4] 

                 

Laminarna  warstwa  graniczna  wynosi  ok.  10

-6

m  i  zachodzi  w  niej  przewodzenie.  W  dalszej 

odległości od przegrody występuje konwekcja.  

                      

Strumień ciepła dla przegrody płaskiej określa równanie Newtona 

    

   

 

 

 

           

 

- strumień ciepła [ ] 

α-  współczynnik  wnikania  ciepła  [

],  jest  to  ilość  ciepła  w  dżulach  przekazywana        

w czasie 1s na powierzchni 1m, gdy 

 = 1K  

A-  pole powierzchni przegrody [m

2

- różnica temperatury w rdzeniu płynu i na powierzchni przegrody [°C] 

     

Współczynnik  wnikania  ciepła  jest  funkcją  bardzo  wielu  elementów,  np.  ciśnienia, 

przewodzenia  ciepła,  gęstość  lepkość,  ciepło  właściwie.  Samo  wnikanie  ciepła  jest  bardzo 
skomplikowanym  procesem,  przez  co  obliczenie  współczynnika  wnikania  dokonuje  się  za 
pomocą programów komputerowych wykorzystujących MES.  

Współczynnik  przejmowania  może  też  zmieniać  się  w  czasie,  jak  również  wzdłuż 

powierzchni, którą opływa.  

background image

Wojciech Wełna 

 

KSEiUOŚ, AGH Kraków   

 

 

 

Strona 11 z 20 

 

Aby uśrednić  współczynnik wnikania ciepła wykorzystuje się strumienie ciepła obliczone 

na dwa sposoby 

                         

 

 

 

 

 

 

(3.11) 

 

 

 

 

 

(3.12) 

- temperatura płynu [°C] 

- temperatura ścianki przegrody [°C] 

 

Następnie rozdziela się zmienne i całkuje po odpowiednich granicach 

   

 

 

(3.13) 

- różnica temperatur na wlocie kanału 

- różnica temperatur na wylocie kanału 

 

Ostatnim krokiem jest obliczenie strumienia ciepła 

 

(3.14) 

 

- średnia logarytmiczna różnica temperatur 

 

-  przenikanie  ciepła-  jest  to  proces  ruchu  ciepła  z  głębi  rdzenia  jednej  fazy  do  rdzenia 

drugiej  fazy.  Innymi  słowy  polega  na  transporcie  ciepła  z  jednego  płynu  do  drugiego,  przy 
założeniu, że płyny oddzielone są przegrodą. Przenikanie zawiera trzy (a co najmniej dwie) 
fazy:  przejmowanie  od  pierwszego  płynu  do  ścianki,  przewodzenie  przez  ściankę                    
i  przejmowanie  ciepła  od  ścianki  do  drugiego  płynu.  Proces  ten  ma  miejsce  w  każdym 
przekroju wymiennika ciepła; [1] 

 
Przenikanie ciepła przez przegrodę płaską. 

 
 
 
T

1

, T

2

- temperatury płynów 

 
T

ść1

, T

ść2

- temperatury powierzchni ścianek 

 
λ- współczynnik przewodzenia ciepła 
 
δ- grubość ścianki 

Rys.3.4 Przenikanie ciepła przez 
przegrodę płaską

 

background image

Wojciech Wełna 

 

KSEiUOŚ, AGH Kraków   

 

 

 

Strona 12 z 20 

 

Równanie Pecleta dla przegrody płaskiej 

 

 

 

 

 

(3.15) 

k-  współczynnik  przenikania ciepła, [

], jest to strumień ciepła przenikający przez 

powierzchnię  1  m

2

  pomiędzy  dwoma  fazami  płynnymi  w  ciągu  1  s,  przy  czym  różnica 

temperatur między fazami wynosi 1 K. [1] 

 

 

 

 

 

(3.16) 

Przekazywanie  ciepła  pomiędzy  ścianką  przegrody,  a  płynem  może  odbywać  się 

poprzez  wnikanie  lub  promieniowanie.  Przy  uwzględnieniu  promieniowania  należy 
wprowadzić zastępczy współczynnik α

r

 

 

 

 

 

(3.17) 

 

 

 

 

 

(3.18) 

Przy uwzględnieniu wnikania i  promieniowania  strumień ciepła oblicza  się z następującego 
wzoru 

   

 

 

 

(3.19) 

- współczynnik wnikania ciepła  

- współczynnik ruchu ciepła przez promieniowanie 

Opór podczas przenikania ciepła składa się z trzech procesów tworzących układ szeregowy. 
Gdy opór jednego procesu jest znaczny, powoduje duże zmniejszenie strumienia ciepła całego 
układu. 

Opór cieplny przewodzenia dla ścianki płaskiej 

   

 

 

 

(3.20) 

 

background image

Wojciech Wełna 

 

KSEiUOŚ, AGH Kraków   

 

 

 

Strona 13 z 20 

 

Rys.3.5 Przenikanie ciepła przez przegrodę 
cylindryczną

 

Opór cieplny wnikania  

 

 

 

 

 

(3.21) 

Opór cieplny promieniowania  

 

 

 

 

 

(3.22) 

Opór cieplny wnikania z promieniowaniem 

 

 

 

 

(3.23) 

Opór cieplny przenikania 

   

 

(3.24) 

Przenikanie ciepła przez przegrodę cylindryczną.T

p1 

– temperatura płynu wewnątrz cylindra 

T

p2

  temperatura  płynu  na  zewnątrz 

cylindra 

T

s1

-  temperatura  powierzchni  ścianki 

wewnątrz cylindra 

T

s2

- temperatura powierzchni ścianki na 

zewnątrz cylindra 

α

1

-  współczynnik  przenikania  ciepła 

płynu wewnątrz cylindra 

α

2

-  współczynnik  przenikania  ciepła 

płynu na zewnątrz cylindra 

 

 

 

background image

Wojciech Wełna 

 

KSEiUOŚ, AGH Kraków   

 

 

 

Strona 14 z 20 

 

Równania wnikania ciepła przez przegrodę cylindryczną 

 

 

 

 

(3.25) 

 

 

 

 

(3.26) 

Równania przewodzenia ciepła przez przegrodę cylindryczną 

  

 

 

 

(3.27) 

Strumień ciepła dla przegrody cylindrycznej 

    

 

 

(3.28) 

K

D

- współczynnik przenikania dla ścianki cylindrycznej 

 

 

 

 

(3.29) 

Strumień ciepła dla przegrody cylindrycznej po podstawieniu 

   

 

 

(3.30) 

 

4. Rekuperatory 

 

Rekuperacja-  jest  to  proces  odzysku  ciepła  ze  zużytego  i  ogrzanego  powietrza  (np.      

z  kuchni,  łazienki)  i  oddanie  go  do  powietrza  nawiewanego  (pokoi  mieszkalnych).  W  tym 
procesie bierze udział urządzenie, zwane rekuperatorem. Dzięki rekuperacji obieg powietrza 
w  pomieszczeniach  jest  optymalny,  powietrze  jest  przefiltrowane  (bez  wilgoci                         
i nieprzyjemnych zapachów).  

Jak  większość  rzeczy,  ich  powstanie  spowodowała  potrzeba.  Wraz  z  zaczęciem 

stosowania  energooszczędnych  rozwiązań  w  budownictwie  pogorszyła  się  jakość  powietrza                     
w  pomieszczeniach.  Poprzez  instalację  szczelnych  okien,  ogranicza  się  wymianę  powietrza    
z  zewnątrz.  W  następstwie  skutkuje  to  koncentracją  zanieczyszczeń  w  pomieszczeniach, 
zwiększeniem  ilości  pary  wodnej,  która  może  się  wykraplać  na  ścianach,  co  prowadzi  do 

background image

Wojciech Wełna 

 

KSEiUOŚ, AGH Kraków   

 

 

 

Strona 15 z 20 

 

rozwoju  pleśni  i  grzybów.  Potrzebne  więc  było  rozwiązanie  tego  problemu-  wentylacja 
zapewniająca wymianę powietrza, która jednocześnie nie powodowałaby dużych strat ciepła. 

4.1 Zasada działania 

Zużyte  powietrze  wyrzucane  na  zewnątrz  zabiera  ze  sobą  znaczne  ilości  energii.  Aby 
zatrzymać  ciepło,  przy  jednoczesnej  wymianie  powietrza  należy  zastosować  rekuperator, 
który  przekazuje  energię  z  usuwanego  do  napływającego  powietrza.  W  domach 
jednorodzinnych  najczęściej  stosowane  są  wymienniki  krzyżowe-  przez  przegrody 
naprzemiennie  przepływa  gaz  ciepły  i  zimny,  a  kierunki  przepływu  krzyżują  się.  Taki 
wymiennik pozwala odzyskać do 80% ciepła, a przy zastosowaniu podwójnego wymiennika 
ponad 90%. 

 

Rys.4.1 Przepływ medium przez rekuperator i wymiana ciepła [5] 

Najprostszym i najtańszym wyjściem jest odzyskiwanie energii cieplnej  z wentylacji 

podczas recyrkulacji powietrza. To rozwiązanie ma jednak poważne wady- nie można w ten 
sposób  usuwać  zanieczyszczonego  powietrza  (np.  dymem  papierosowym,  bakteriami,  czy 
zapachami z kuchni). W takim wypadku najlepszym wyborem jest zastosowanie rekuperatora, 
ponieważ strumienie powietrza nie mieszają się ze sobą, a jednocześnie  następuje wymiana 
ciepła  pomiędzy  tymi  strumieniami.  Instalację  wentylacji  z  odzyskiem  ciepła  należy 
uwzględnić  w  czasie  projektowania  budynku  lub  jego  modernizacji.  Podczas  doboru 
urządzenia  należy  zwrócić  uwagę  na  jego  sprawność,  efektywność  odzysku  ciepła,  rodzaj 
izolacji  oraz  zabezpieczenia  antykorozyjne.  Centrala  rekuperacyjna  nie  powinna  przenosić 
drgań  z  wentylatora  na  obudowę.  Wentylator  musi  mieć  odpowiednią  wydajność  i  rozmiar, 
aby nie wytwarzał zbyt dużego poziomu hałasu. Filtry powinny być umieszczone na ssaniu, 
by  wychwyciły  zanieczyszczenia,  zwiększając  żywotność  wentylatora  i  silnika. 
Wymiennikiem ciepła można sterować mechaniczno-elektrycznie, elektrycznie lub cyfrowo.  

4.2 Budowa 

W przypadku domu jednorodzinnego wystarcza rekuperator o wymiarach nie większych niż: 

 

długość- 1m, 

 

wysokość- 0,5m, 

 

szerokość- 0,3m. 

Rekuperator  zawiera:  wymiennik  ciepła,  dwa  wentylatory,  filtry,  opcjonalnie  nagrzewnicy      
i  sterowania.  Powietrze  z  zewnątrz  przechodzi  przez  filtry  i  następnie  podgrzewane.  Moc 
wentylatorów nie jest większa, niż 120W i nie wytwarza uciążliwego hałasu. Dla poprawienia 

background image

Wojciech Wełna 

 

KSEiUOŚ, AGH Kraków   

 

 

 

Strona 16 z 20 

 

efektywności  wymiany  ciepła  można  zastosować  nagrzewnicę  (pierwotną  lub  wtórną),          
w której moc grzałek wynosi 2kW, lecz czas włączenia jest krótki. Niektóre rekuperatory są 
zaopatrzone  w  układ  odmrożeniowy-  przy  oszronieniu  wymiennika  włączony  jest  jedynie 
wentylator  usuwający  ciepłe  powietrze,  a  po  odszronieniu  drugi  wentylator  zaczyna 
pracować.  Obudowa  powinna  tłumić  hałas.  Najważniejszym  parametrem  rekuperatora  jest 
spręż- siła zasysania i wyrzucania powietrza. Gdy spręż jest zbyt mały, powietrze może nie 
docierać do wszystkich nawiewników. Spręż w domach jednorodzinnych powinien wynosić 
od 150 do 300Pa. 

 

Rys.4.2 Instalacja systemu rekuperacyjnego w domu jednorodzinnym [5]

 

Zalety rekuperatorów: 

  filtracja powietrza, 

  usuwanie przykrych zapachów, 

 

brak przeciągów, 

 

redukcja hałasu z zewnątrz, 

 

usuwanie nadmiernej ilości pary wodnej, 

 

stały dopływ świeżego powietrza, 

 

oszczędność  kosztów  energii  cieplnej  (w  niektórych  przypadkach  ponad  80%  na 
ogrzanie powietrza wentylacyjnego). 

 

 

 

background image

Wojciech Wełna 

 

KSEiUOŚ, AGH Kraków   

 

 

 

Strona 17 z 20 

 

Model 3D rekuperatora. 

 

Rys.4.3 Model 3D rekuperatora

 

 

Rys.4.4 Model 3D rekuperatora- wnętrze

 

4.3 Obliczanie wielkości wymiennika oparte na jego sprawności.   

 

Jedną z metod obliczania wymienników ciepła jest metoda oparta na liczbie wymiany 

jednostek-  NTU  (Number  of  Transfer  Units).  Jest  ona  oparta  na  sprawności  (efektywności) 
wymiennika  ciepła  η.  Efektywność  wymiennika  ciepła  jest  stosunkiem  jego  wydajności  do 
wydajności,  jaką  uzyskałby,  w  przypadku  uzyskania  przez  czynnik  o  mniejszym 
równoważniku wodnym przepływu wykorzystał całkowicie maksymalną różnicę temperatury 

     w tym wymienniku. [4] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

 

 

 

 

 

 

 

 (4.1) 

background image

Wojciech Wełna 

 

KSEiUOŚ, AGH Kraków   

 

 

 

Strona 18 z 20 

 

Całkowite  wykorzystanie 

  jest  możliwe  w  wymienniku  przeciwprądowym                     

o  nieograniczonej  powierzchni.  W  przypadku  wymiennika  współprądowego  jest  to  możliwe 
wyłącznie  w  przypadku,  kiedy  jeden  z  równoważników  wodnych  przepływu    jest 
nieskończenie duży (skraplacz, wyparka). Płyn o mniejszym równoważniku wodnym (W

min

doświadcza większej zmiany temperatury. Dla założenia W

b

=W

min 

 - jak dla przeciwprądu, to 

przy nieskończenie dużej powierzchni wymiany temperatury płynu b na wylocie i płynu a na 
wlocie będą równe. [4] 

   

 

           (4.2)

 

 

  

 

 

           (4.3)

 

 

 

 

 

 

           

(4.4)

 

 

Gdy płyn gorący jest płynem minimum, to ostatnie wyrażenie przyjmie postać: 

  

 

 

           (4.5)

 

 

W  licznikach  powyższych  wzorów  występuje  strumień  ciepła  ,  zatem  możemy 

napisać, że: 

 

 

 

 

 

 

 

 

           (4.6)

 

 

Gdy płyn zimny jest płynem minimum, to dla przeciwprądowego wymiennika ciepła 

mamy: 

 

 

           (4.7) 

 

Z równania (4.6) otrzymujemy sprawność wymiennika: 

 

 

 

 

 

           (4.8) 

Dla 

 

     

 

 

           (4.9) 

 

Następnie odejmujemy stronami 

               (4.10) 

 

background image

Wojciech Wełna 

 

KSEiUOŚ, AGH Kraków   

 

 

 

Strona 19 z 20 

 

Ponieważ: 

   

 

 

 

           (4.11) 

 

to po przekształceniu:  

 

 

 

           (4.12) 

oraz 

   

 

           (4.13) 

Z równania (4.9) otrzymujemy zależność: 

 

 

 

 

           (4.14) 

Następnie podstawiamy ją do równania (1.46): 

 

           (4.15) 

Z zależności (4.10) i (4.15) podstawiamy do równania 4.7) 

 

 

 

           (4.16) 

Następnie pozbywamy się logarytmu i przekształcamy: 

 

 

 

           (4.17) 

Wyrażenie 

 jest to liczba jednostek wymiany NTU. Stosunek 

 oznaczamy jako R       

i dla wymiennika przeciwprądowego dostaniemy równanie: 

    

 

 

 

           (4.18) 

Natomiast dla wymiennika współprądowego otrzymamy równanie: 

 

 

 

 

 

           (4.19) 

 

 

 

 

 

 

background image

Wojciech Wełna 

 

KSEiUOŚ, AGH Kraków   

 

 

 

Strona 20 z 20 

 

Literatura 

[1]  Zarzycki  R.:  Wymiana  ciepła  i  ruch  masy  w  inżynierii  środowiska.  WNT.  Warszawa 
2005. Wyd. I. ISBN 83-204-3083-6 

[2] Pudlik W.: Wymiana i wymienniki ciepła, Gdańsk 1998,  

[3]  Wiśniewski  S.,  Wiśniewski  S.  T.:  Wymiana  ciepła,  WNT.  Warszawa  1997.  Wyd.  IV. 
ISBN 83-204-2110-1  

[4]  Kmieć  A.:  Procesy  cieplne  i  aparaty,  Oficyna  Wydawnicza  Politechniki  Wrocławskiej. 
Wrocław 2005. ISBN 83-7085-864-3  

[5] http://www.rekuperacja-rekuperatory.pl/