ТЕПЛООБМЕННИК ВЕНТМАШИНЫ ПРОИЗВОДСТВО И ПОСТАВКА

Теплообменник вентмашины – это ключевой узел вентиляционной установки, предназначенный для передачи тепла между различными средами с целью нагрева или охлаждения воздуха. В современных системах вентиляции (промышленных и бытовых) теплообменники позволяют поддерживать комфортный микроклимат и экономить энергию за счет утилизации тепла. Практически во всех типах вентиляционных установок – промышленных агрегатах, крышных моноблоках, приточно-вытяжных установках с рекуперацией, центральных кондиционерах и компактных HVAC-модулях – присутствуют те или иные виды теплообменников. Они обеспечивают нагрев приточного воздуха зимой, охлаждение летом, а также рекуперацию (возврат) тепла из вытяжного воздуха для снижения энергопотребления. Ниже рассмотрены назначение теплообменников в вентмашине, основные их типы, конструктивные особенности и материалы, принципы работы, современные технологии рекуперации, а также влияние цен и доступности материалов на эту область.

Назначение и применение теплообменников в вентиляционных установках

Главная задача теплообменника в вентиляционной машине – обмен тепловой энергией между двумя средами. В приточно-вытяжных системах вентиляции теплообменники позволяют передавать тепло от одного потока воздуха к другому без их непосредственного смешения. За счет этого теплота удаляемого из помещения воздуха используется для подогрева поступающего снаружи холодного приточного воздуха (зимой), а в летний период – для частичного охлаждения жаркого притока за счет кондиционированного вытяжного воздуха. Такой процесс называется рекуперация тепла (или утилизация тепла) и значительно повышает энергоэффективность вентиляции.

Кроме рекуперации, теплообменники используются для активного нагрева или охлаждения воздуха в составе климатических систем. Например, в центральных кондиционерах и приточных агрегатах устанавливаются калориферы (нагреватели воздуха) для отопления и воздухоохладители для кондиционирования. В промышленных вентиляционных агрегатах теплообменники могут работать на разных теплоносителях – горячей воде, паре, хладагентах (фреонах), растворах гликоля – в зависимости от задач. В крышных установках (руфтопах), которые часто представляют собой моноблок, сразу встроены оба типа теплообменников: испаритель для охлаждения притока и конденсатор для отвода тепла наружу, создавая замкнутый холодильный цикл.

Таким образом, в разных типах вентиляционных систем теплообменники выполняют следующие функции:

• Нагрев приточного воздуха. В холодном климате приточная вентиляция оснащается теплообменниками для подогрева воздуха до комфортной температуры. Без них холодный наружный воздух пришлось бы нагревать полностью за счет энергии нагревателей, тогда как рекуператор позволяет частично использовать тепло вытяжного воздуха, а калорифер догревает до требуемого уровня.
• Охлаждение и осушение воздуха. В системах кондиционирования теплообменники отводят избыток тепла и влаги из приточного воздуха. Водяные охлаждающие регистры или фреоновые испарители охлаждают поступающий воздух в жаркий период, обеспечивая комфортную температуру и нормальную влажность в помещении.
• Энергосбережение. За счет грамотного использования рекуперационных теплообменников (пластинчатых или роторных) можно значительно снизить расходы на отопление и охлаждение. Эффективность современных рекуператоров достигает 70–90%, что напрямую сокращает потребление топлива или электроэнергии отопительными котлами и холодильными машинами.
• Защита оборудования и поддержание режима. В некоторых случаях теплообменники служат для промежуточного охлаждения или нагрева воздуха с целью защиты следующего оборудования. Например, могут применяться промежуточные охладители для осушения воздуха перед адсорбционными осушителями, или подогреватели для предотвращения обмерзания пластинчатого рекуператора при сильном морозе.

Во всех вышеупомянутых ситуациях теплообменник вентмашины играет роль посредника, передающего теплоту от одного теплоносителя к другому. Конкретное назначение зависит от схемы вентиляционной установки. Промышленные вентиляционные системы часто модульные: они собираются из секций, где отдельная секция – это калорифер, охладитель или рекуператор. Крышные установки и компактные HVAC-модули обычно являются моноблочными устройствами, но внутри них также присутствуют секции теплообменников соответствующего типа. Центральные кондиционеры (большие центральные системы обработки воздуха) включают один или несколько теплообменников для нагрева/охлаждения воздуха и почти всегда оснащаются секцией рекуперации тепла из вытяжного воздуха.

Основные типы теплообменников

В вентиляционных машинах используется несколько основных типов теплообменных устройств. Их можно классифицировать по средам, между которыми происходит теплообмен:

• Воздух–воздух: рекуператоры, в которых оба теплообменивающихся потока – воздушные (обычно приток и вытяжка). Сюда относятся пластинчатые и роторные рекуператоры, а также системы с промежуточным переносом тепла (гликолевые).
• Воздух–жидкость: калориферы и воздухоохладители, где теплоносителем выступает жидкость (вода, водяной пар или раствор гликоля), а вторым агентом – воздух.
• Воздух–фреон (газ): испарители и конденсаторы холодильных систем, где теплота передается между воздухом и хладагентом (фреоном) в процессе фазового перехода последнего.

Рассмотрим детально каждую категорию и входящие в нее виды теплообменников.

Рекуператоры (воздух–воздух теплообменники)

Рекуператор – это теплообменник для утилизации тепла вытяжного воздуха. Он предназначен для прямого (через разделяющую стенку) обмена теплом между двумя потоками воздуха: вытяжным (теплым, исходящим из помещения) и приточным (холодным, поступающим с улицы). Рекуператоры устанавливаются в приточно-вытяжных установках и позволяют значительно снизить затраты на отопление зимой и кондиционирование летом. Потоки воздуха проходят через рекуператор раздельно, не смешиваясь, то есть тепло передается через стенку (пластину или другую поверхность) по принципу теплоотдачи и теплопроводности.

Основные виды рекуператоров в вентиляционных машинах:

• Пластинчатый рекуператор. Представляет собой пакет тонких пластин, образующих каналы для прохода двух воздухопотоков. Обычно пластины расположены таким образом, что приточный и вытяжной воздух движутся навстречу друг другу перпендикулярно (перекрестный поток) или в противоточном режиме (для повышения эффективности). Материал пластин – металл с высокой теплопроводностью (часто алюминий) или пластик. Тепло вытяжного воздуха передается через стенки пластин приточному воздуху. КПД пластинчатых рекуператоров достигает порядка 50–70% для перекрестноточных и до 80–90% для противоточных конструкций. Плюсы: простая конструкция без движущихся частей, надежность, отсутствие обслуживания в виде механизмов. Минусы: в холодном климате может возникать обледенение конденсата на пластинах (нужна система защиты от замерзания), также отсутствует передача влаги – приточный воздух лишь нагревается, но не увлажняется (если не применять специальные энтальпийные материалы, о которых ниже). Кроме того, пластинчатый теплообменник создает заметное аэродинамическое сопротивление потоку воздуха (порядка нескольких сотен Па), что нужно учитывать при выборе вентиляторов.
• Роторный теплообменник. Состоит из вращающегося ротора (колеса) с набранной в ячейки металлической лентой или гофрированной фольгой, образующей множество каналов. Половина ротора омывается вытяжным воздухом, вторая половина – приточным; при вращении колесо попеременно находится то в потоке вытяжки, то в притоке, аккумулируя тепло и влагу и передавая их. Роторный рекуператор обеспечивает прерывно-противоточный теплообмен и способен утилизировать не только чувствительное тепло, но и влагу (при использовании специального покрытия). Эффективность хорошего роторного рекуператора составляет 70–85% по теплу, а энтальпийные модели могут возвращать 50–70% влаги. Достоинства: высокая эффективность, саморегулирование (меньший риск обмерзания, так как часть тепла переносится и на приток, плюс тепло от электродвигателя), возможность передачи влаги – приточный воздух не пересушивается. Также ротор компактнее по габаритам в сравнении с пластинчатым при той же производительности. Недостатки: наличие движущихся частей (приводной мотор, вращающий колесо) – требуется обслуживание подвижного узла; небольшое перетекание воздуха между потоками неизбежно (в пределах 1–5%), что может быть критично для некоторых применений (например, где нельзя допустить даже следов загрязнений или запахов с вытяжки в приток). Для минимизации утечки в конструкции ротора предусмотрены уплотнения и сектор продувки, возвращающий утечку обратно в вытяжку. Роторные рекуператоры широко применяются в больших центральных кондиционерах и вентиляционных установках коммерческих зданий благодаря высокой эффективности и способности работать в мороз без остановок (при правильной настройке).
• Гликолевый рекуператор (система с промежуточным теплоносителем). В таком теплообменнике прямого контакта потоков нет – тепло передается от вытяжного воздуха к приточному через замкнутый контур циркуляции жидкости (водного раствора гликоля). Фактически это две раздельные секции оребренных теплообменников (финих), соединенные трубопроводом: одна секция стоит на вытяжке и снимает тепло из теплого воздуха, нагревая циркулирующую жидкость; другая – установлена на приточном канале и через эту горячую жидкость прогревает холодный воздух. Между ними по трубам прокачивается жидкость с помощью насоса. Такая схема еще называется система утилизации тепла с промежуточным теплоносителем. Преимущества: полное исключение перетоков воздуха между вытяжкой и притоком (они разобщены, что важно для санитарных условий – например, в больницах, лабораториях, где недопустимо смешение потоков), а также гибкость компоновки – приточная и вытяжная установки могут находиться далеко друг от друга, на разных этажах и даже в разных помещениях, соединенные лишь трубопроводом. Недостатки: сравнительно более низкий КПД (обычно 40–60%, так как добавляются потери при двух последовательных теплообменах плюс энергия на работу насоса), необходимость обслуживать насосное хозяйство и контролировать состояние теплоносителя (концентрацию гликоля, чтобы не замерзал). Гликолевые контуры применяются там, где другие типы рекуператоров использовать невозможно по условиям гигиены или конструкции здания. Несмотря на меньшую эффективность, современные гликолевые системы рекуперации оснащаются автоматическим регулированием расхода жидкости, более эффективными теплообменными секциями и качественными насосами, что позволяет им ощутимо экономить энергию и оставаться востребованными на рынке вентиляционного оборудования.

Помимо перечисленных, существуют и другие теплообменные устройства для рекуперации – например, тепловые трубы (heat pipes) – герметичные трубки с испаряющейся жидкостью, работающие как пассивные тепло переносчики между вытяжкой и притоком. Однако в вентиляционных машинах они используются реже и, как правило, конструктивно схожи с гликолевыми системами (те же раздельные секции оребренных трубок, только связанные не насосом, а совмещенные в едином корпусе с наклонными тепловыми трубками). Основные же типы рекуператоров в современных вентиляционных установках – пластинчатый, роторный и гликолевый.

Калориферы (воздух–вода нагреватели)

Калорифер – термин, обозначающий теплообменник для нагрева воздуха, чаще всего с использованием горячей воды или пара в качестве теплоносителя. Вода нагревается от котла или центральной теплосети и прокачивается через калорифер, отдавая свою теплоту проходящему через оребренный блок воздуху. Калориферы устанавливаются в приточных вентиляционных установках для обеспечения требуемой температуры воздуха, поступающего в помещения, особенно в холодный период года. Также их могут использовать в технологической вентиляции, где нужен нагрев воздуха до определенных параметров.

Конструкция калорифера обычно представляет собой медно-алюминиевый оребренный теплообменник: несколько рядов медных трубок, нанизанных на тонкие алюминиевые ламели (пластины-ребра). Такой медно-алюминиевый теплообменник имеет высокую эффективность теплопередачи: горячая вода внутри трубок отдает тепло через стенки трубок и посредством теплопроводности меди и алюминия распространяется на всю поверхность ламелей, нагревая проходящий воздух. Совокупность множества ребер (ламелей) значительно увеличивает поверхность контакта с воздухом, поэтому даже компактный калорифер способен передать значительное количество тепла. В типовой вентиляционной машине калорифер может содержать 1–4 ряда труб (в несколько слоев по глубине воздушного тракта) в зависимости от требуемой мощности нагрева. Вода подается через входной коллектор (распределительную камеру) калорифера, проходит по трубкам и выходит через выходной коллектор. Для равномерного распределения потока воды могут быть предусмотрены перегородки в коллекторах (при многоходовой схеме).

Виды калориферов по теплоносителю:

• Водяной калорифер: наиболее распространен, использует горячую воду (температурой, например, 70–95 °C) из системы отопления. Обеспечивает мягкий нагрев воздуха. В системах центрального кондиционирования часто используется пара горячей воды около 80 °C после пластинчатого теплообменника от котельной.
• Паровой калорифер: применяет водяной пар (например, насыщенный пар 120–130 °C) в качестве теплоносителя. Паровые нагреватели обладают очень большой теплопередачей (за счет конденсации пара внутри трубок), однако сложнее в регулировании и требуют прочных материалов (трубки и коллекторы обычно из стали или меди толстой стенки). Используются реже, в основном в промышленных вентиляционных системах старого типа или там, где есть доступный пар.
• Электрокалорифер: электрический нагреватель воздуха, не являющийся классическим теплообменником, поскольку отсутствует промежуточный теплоноситель – тепло выделяется при прохождении электрического тока через нагревательные элементы. Электрокалориферы используются в небольших установках или в качестве дополнительного (резервного) нагрева, но в контексте теплообменников их обычно рассматривают отдельно, так как они не обмениваются теплом с иной средой.

Калорифер обычно располагается в приточной установке после секции рекуперации (если она есть) и фильтров, но до вентилятора (либо после вентилятора – в зависимости от конструкции, хотя чаще на стороне всасывания вентилятора, чтобы нагретый воздух охлаждал мотор меньше). Обязательно предусматривается автоматическое регулирование – клапан на подаче воды (или регулятор мощности для электронагревателя), который поддерживает температуру воздуха на выходе калорифера на заданном уровне. Также необходимы меры безопасности: датчики перегрева воздуха, защита от размораживания (для водяных калориферов в мороз обычно организуют постоянную циркуляцию и минимум 20–30% раствор гликоля, либо ставят электрический преднагреватель чтобы исключить замерзание при очень низких температурах наружного воздуха).

Воздухоохладители (охлаждающие теплообменники воздух–вода)

Воздухоохладитель – это теплообменник для охлаждения воздуха, работающий, как правило, на охлажденной воде или хладоносителе (растворе гликоля). Он конструктивно очень похож на водяной калорифер, только предназначен для обратной задачи – отбирать тепло из воздуха и передавать его охлаждающей жидкости. Воздухоохладители устанавливаются в приточных вентиляционных установках и кондиционерах для понижения температуры приточного воздуха в теплое время года, а также для осушения (удаления избыточной влаги).

Конструкция воздухоохладителя – это все тот же оребренный медно-алюминиевый блок трубок и ламелей, но рассчитанный на подачу холодной воды. Температура воды обычно +6…+10 °C (подача от холодильной машины – чиллера, либо от выносного конденсатора испарительного типа). Проходя через такой холодный регистр, тёплый влажный воздух помещения охлаждается; его температура снижается, а избыточная влага конденсируется на холодных поверхностях ламелей. В результате помимо охлаждения происходит осушение воздуха – капли конденсата остаются на теплообменнике.

Для сбора влаги воздухоохладитель оснащается дренажной системой: под секцией размещен поддон (дренажный поддон) с отводом конденсата через трубку в канализацию. Кроме того, непосредственно за охладителем устанавливаются каплеуловители – специальные пластины или сетчатые профили, которые улавливают мелкие капли воды, увлекаемые потоком воздуха, и возвращают их в поддон. Без каплеуловителя мелкие капли конденсата могли бы выноситься в воздуховоды, вызывая увлажнение и коррозию.

Воздухоохладители чаще всего имеют несколько рядов труб (3–8 рядов, в зависимости от нужной глубины охлаждения и осушения). Для улучшения теплообмена их ламели могут иметь особый профиль с насечками (перфорацией), увеличивающими турбулизацию потока воздуха (что повышает КПД теплоотдачи). Однако при этом растет сопротивление воздуху, поэтому конструкции подбираются оптимально. Охлаждающая вода циркулирует через охладитель с помощью насоса, чаще в замкнутом контуре от центрального холодильного агрегата. Регулирование интенсивности охлаждения происходит за счет изменения расхода воды (трехходовой клапан смешивает часть теплой обратной воды в подачу, повышая температуру, либо напрямую регулируется поток через двухходовой клапан).

Следует отметить, что иногда в качестве хладоносителя используется не чистая вода, а водно-гликолевый раствор (обычно этиленгликоль или пропиленгликоль) с точкой замерзания ниже 0 °C. Это делается для предотвращения замерзания жидкости в теплообменнике при температурах ниже +0, особенно если чиллер выносной и эксплуатируется на улице зимой (например, при технологическом охлаждении) или если требуется охлаждать воздух до очень низких температур близких к 0 °C (что может привести к обмерзанию и внутри теплообменника). Гликолевый воздухоохладитель конструктивно не отличается, но несколько снижается его эффективность (гликоль имеет меньшую теплоемкость и теплопроводность, чем вода), поэтому площадь оребрения может быть увеличена.

Воздухоохладители устанавливаются в центральных кондиционерах, приточных установках больших общественных зданий, а также в промышленных вентиляционных системах, где есть потребность охлаждать поступающий воздух. Их работа тесно связана с другими элементами системы кондиционирования – например, после глубокого охлаждения и осушения воздуха может потребоваться повторный подогрев (регулирование точки росы) для достижения комфортной влажности, что опять же выполняет калорифер. В системах автоматизации HVAC управление этими теплообменниками координируется для экономичной работы: при умеренной наружной температуре охлаждение может отключаться вовсе (приток охлаждается только рекуператором или за счет холодного наружного воздуха – так называемое свободное охлаждение).

Фреоновые теплообменники (испарители и конденсаторы)

Фреоновые теплообменники – это компоненты холодильного контура, работающие с хладагентом (фреоном или аналогичным хладоном) для охлаждения или нагрева воздуха. К ним относятся испаритель (внутренний холодильный теплообменник) и конденсатор (внешний теплообменник для отвода тепла). Такие устройства используются в составе систем кондиционирования воздуха с прямым испарением, в компактных кондиционерах и руфтопах.

Испаритель (фреоновый испарительный теплообменник). Испаритель выполняет роль воздухоохладителя, но в нем в качестве холодоносителя выступает жидкий хладагент, кипящий при низком давлении. Конструктивно испаритель похож на водяной охладитель: это также оребренный теплообменник с трубками и ламелями. Только по трубкам испарителя испаряется фреон, забирая тепло у проходящего воздуха. Когда жидкий хладагент поступает в испаритель через терморегулирующий вентиль, он расширяется и переходит в газообразное состояние внутри трубок, интенсивно поглощая теплоту из окружающих ламелей и воздуха. Таким образом, воздух охлаждается, а фреон нагревается и испаряется. На ламелях испарителя, как и на водяном охладителе, образуется конденсат (влага из воздуха), поэтому тоже предусматривается поддон и дренаж, а зачастую и каплеуловитель для предотвращения выноса капель.

Испарители устанавливаются либо внутри обслуживаемого помещения (например, во внутренних блоках сплит-систем, фанкойлах) – тогда охлажденный воздух непосредственного поступает в помещение, либо внутри вентиляционной установки (например, в руфтопе или центральном кондиционере с DX-секцией). В последнем случае испаритель играет ту же роль, что и охлаждающий водяной регистр, но подключен он не к чиллеру, а к компрессорно-конденсаторному блоку с фреоном. Достоинство схемы прямого испарения – более компактная установка, отсутствие проміжуточного контура воды: тепло из воздуха сразу отводится хладагентом, что может давать несколько более высокий коэффициент охлаждения. Недостатки – сложность обслуживания (фреоновый контур требует лицензированного сервиса), ограничение по длине трубопроводов между компрессором и испарителем, а также необходимость точной дозировки хладагента.

Конденсатор (воздушный конденсатор холодильной установки). Конденсатор – это теплообменник, рассеивающий в окружающий воздух тепло, отобранное испарителем. После того как фреон испарился, забрав тепло у приточного воздуха, он сжимается компрессором и нагревается до высокой температуры. Горячий газ поступает в конденсатор – обычно он располагается на внешней стороне установки (например, на крыше, фасаде или в отдельном наружном блоке). В конденсаторе горячий хладагент охлаждается внешним воздухом и конденсируется обратно в жидкость, отдавая тепло наружу. По сути, в режиме охлаждения конденсатор нагревает внешний воздух – побочный тепловой выброс.

Воздушный конденсатор конструктивно также представляет собой оребренный змеевик – часто из медных или алюминиевых труб с алюминиевыми ребрами. В современных кондиционерах и тепловых насосах все чаще используют микроканальные конденсаторы из алюминия – плоские многоканальные трубки с присоединенными волнистыми ламелями. Они легче и содержат меньше хладагента, чем классические медно-алюминиевые. Конденсатор обычно обдувается вентилятором для интенсивного теплоотвода (например, вентилятор на наружном блоке сплит-системы или на крыше руфтопа).

В тепловом насосе роль испарителя и конденсатора может меняться в зависимости от режима работы. Если вентиляционная установка способна работать на обогрев (например, реверсивный тепловой насос в приточной установке), то зимой внешний теплообменник становится испарителем (забирает тепло из наружного воздуха, охлаждая его), а внутренний – конденсатором (нагревает приточный воздух теплом от компрессора). Таким образом, одни и те же физические устройства могут выполнять двоякую функцию, просто при разных режимах циркуляции хладагента.

Использование фреоновых теплообменников характерно для компактных HVAC-модулей и крышных кондиционеров (руфтопов). В них внутри корпуса вентиляционной машины сразу интегрирован компрессорно-конденсаторный модуль. Это удобно с точки зрения установки (не нужно прокладывать магистрали до чиллера), но ограничивает расстояния и гибкость системы. В крупных зданиях чаще применяют выносные чиллеры и фанкойлы/охладители с водой, однако в средних и малых объектах руфтоп с фреоновым контуром – распространенное решение.

Конструкция и формы теплообменников

Конструктивно теплообменники вентмашин могут существенно различаться в зависимости от типа, но большинство из них можно отнести к нескольким основным конструктивным исполнением: оребренные трубчатые, пластинчатые, роторные, а также их комбинации и секционные (модульные) варианты. Рассмотрим эти конструктивные формы.

• Оребренные трубчатые теплообменники. Это самая распространенная конструкция, применяемая для калориферов, охладителей, испарителей, конденсаторов и гликолевых рекуператоров. Она представляет собой пучок металлических труб, на которые нанизаны тонкие пластины-ламели (ребра) для увеличения поверхности теплообмена. Трубки обычно изготовлены из меди (в старых или специализированных – из стали или нержавейки), ламели – из алюминия или оцинкованной стали. Трубки могут быть прямыми или изогнутыми U-образно; в многорядных теплообменниках применяются U-образные изгибы (калачи) на конце, объединяющие трубки в несколько ходов. Например, двухходовой теплообменник: жидкость проходит сначала по половине труб, затем поворачивает через калачи и возвращается по второй половине – это нужно для более равномерного прогрева воздуха по сечению. Ламели плотно насажены на трубки с определенным шагом (расстоянием) – чем меньше шаг, тем больше поверхность и теплопередача, но выше сопротивление воздуха. Ламели могут быть гладкими или с небольшими гофрами и перфорацией (насечки), которые создают турбулентность в потоке воздуха и улучшают теплоотдачу. Оребренный пакет труб закреплен в раме (кожухе) – обычно это рамка из листового металла, закрывающая края ламелей. Боковые панели (щёки) образуют направляющий канал, чтобы весь воздух проходил сквозь ламельный блок, не обходя его. С торцов пучка труб располагаются коллекторы (распределительные камеры) – трубки впаяны в коллекторные трубки большего диаметра, которые распределяют жидкость по трубкам и собирают обратно. В коллекторах могут быть перегородки для многоходовых схем. Также в конструкции зачастую присутствуют сервисные штуцеры: спускник для слива жидкости (в нижней точке) и воздухоотводчик для выпуска воздуха (в верхней точке коллектора) – особенно актуально для водяных калориферов. Преимущество оребренных теплообменников – универсальность и высокая эффективность теплообмена на относительно небольшой площади, модульность (можно подобрать размер, число рядов, шаг ламелей под нужные параметры). Они применяются практически везде в HVAC, кроме случаев, где нужен особый тип утилизации тепла.
• Пластинчатые теплообменники. В контексте вентиляции сюда относятся главным образом пластинчатые рекуператоры (теплообменники воздух–воздух). Их конструкция – это пакет тонких листов (пластин) из металла или пластика, установленных в корпусе. Пластины образуют чередующиеся каналы: по одним движется теплый вытяжной воздух, по соседним – холодный приточный. Пластины могут быть гладкими либо иметь рифления/канавки для придания жесткости и направляния потока (например, многие пластинчатые рекуператоры имеют по поверхности пластин тиснение, создающее мини-каналы и турбулентность для улучшения теплоотдачи). Геометрия пластинчатых теплообменников бывает перекрестноточной (потоки перпендикулярны) и противоточной (каналы длиннее, потоки идут навстречу дольжее время, что повышает КПД). Корпус, как правило, из листового металла, удерживает пластины и направляет потоки в нужные каналы. Между пластинами ставятся прокладки или дистанционные рамки, обеспечивающие герметичность и фиксированный зазор. Пластинчатые теплообменники для вентиляции выпускаются различными габаритами; для больших расходów воздуха могут устанавливаться несколько одинаковых модулей параллельно (многосекционно) – то есть в камеру смешения вставляется, к примеру, два блока пластинчатых рекуператоров рядом, чтобы увеличить эффективную площадь. Таким образом, можно считать их секционными, когда требуемый теплообменник набирается из нескольких секций, если один слишком велик по размерам или для удобства обслуживания. Еще один нюанс – при эксплуатации в холодных зонах пластинчатого рекуператора может образовываться конденсат (со стороны вытяжного влажного воздуха). Поэтому в конструкции зачастую предусмотрен дренаж: снизу корпуса делаются отверстия и подводится трубка для стока конденсата, либо сам рекуператор наклоняется под небольшим углом для стока воды.
• Роторные (вращающиеся) теплообменники. Их конструкция включает цилиндрический ротор (wheel) и стационарный корпус с камерами для двух потоков воздуха. Ротор представляет собой большое колесо, набранное из множества гофрированных листов алюминиевой фольги, сформированных в мелкопористую структуру (сотовую или волнистую) наподобие сот. Эта структура создает огромную поверхность в небольшом объеме. Колесо насажено на вал и медленно вращается (обычная скорость порядка 10 об/мин, регулируется). Половина круга находится под потоком вытяжного воздуха, половина – под приточным, разделение идет с помощью перегородок и уплотнений в корпусе. Когда колесо вращается, каждый его сектор попеременно нагревается вытяжным воздухом, затем поворачивается в зону притока и там отдает тепло холодному воздуху. Рама ротора часто разделена на несколько сегментов (секций) – радиальных сегментов круга, которые можно разбирать для обслуживания или замены (так как целое колесо большого диаметра вынуть трудно). Это тоже проявление секционного принципа конструкции: большой теплообменник состоит из сборных частей. Уплотнение между вращающимся ротором и корпусом – важный элемент конструкции, от него зависит утечка. Применяются щеточные или лабиринтные уплотнения. В корпус обычно встроен небольшой сектор продувки: это зона, где сжатый воздух (либо часть приточного воздуха) продувает ячейки сразу после выхода из зоны притока, выметая оттуда возможный загрязненный воздух, и выбрасывает обратно в вытяжку. Материал ротора – алюминий (в дешевых моделях – тонкая оцинкованная сталь, но теплоемкость хуже). Для энтальпийных рекуператоров алюминий покрывают гигроскопичным составом (например, оксидом алюминия с солями силикагеля) или применяют специальные полимерные вставки, способные впитывать влагу. Конструктивно роторный теплообменник – наиболее сложный узел в плане механики (есть движущиеся детали), но он компактно объединяет функции нагрева и охлаждения (зимой/летом) и увлажнения/осушения частично.
• Секционные и модульные конструкции. Крупные теплообменники вентиляционных установок нередко изготавливаются секционными, модульными. Это означает, что вместо одного монолитного узла теплообменник состоит из нескольких частей, установленных последовательно или параллельно. Мы уже упоминали примеры: пластинчатые рекуператоры могут объединяться модульно, ротор собирается из сегментов, трубчатый оребренный теплообменник большого размера тоже может быть составным (например, батарея калорифера может состоять из двух последовательно соединенных секций внутри общего короба, если одна физически не покрывает всю площадь сечения). Секционный принцип упрощает транспортировку и монтаж (каждый модуль весит меньше и проходит в дверные проемы), а также ремонтопригодность (можно заменить отдельную секцию). Однако стыковка секций должна быть герметичной (чтобы воздух не просачивался в обход) и в случае параллельной работы – одинаковой по характеристикам, чтобы равномерно распределялся поток воздуха. Модульность – современный тренд в HVAC: многие производители предлагают набор типоразмеров секций теплообменников, из которых конструкторы набирают оптимальную конфигурацию под требования объекта.

Отдельно стоит упомянуть о микроканальных теплообменниках, которые представляют особую форму оребренных теплообменников. Они получили применение в основном в холодильной технике (конденсаторах и испарителях сплит-систем, руфтопов). Микроканальный теплообменник изготавливается полностью из алюминия: это плоские прямоугольные трубки с множеством параллельных микроканалов внутри, сгруппированные в ряды, между которыми уложены тонкие рифленые ламели. Концы трубок соединены коллекторами. Благодаря множеству микроканалов достигается большая площадь контакта хладагента с металлом, а алюминиевые ламели между трубками увеличивают теплоотдачу в воздух. Такие блоки паяются в печи алюминиевым припоем, образуя монолитную конструкцию. Микроканальные теплообменники компактнее и легче традиционных медно-алюминиевых, требуют меньше хладагента и стоят дешевле при массовом производстве (за счет отказа от дорогой меди). Их недостатком является чувствительность к засорению узких каналов и сложность ремонта (пайка алюминия сложна в полевых условиях). Тем не менее, все больше кондиционеров и холодильных модулей комплектуется микроканальными теплообменниками благодаря развитию технологий пайки алюминия.

Таким образом, конструктивное разнообразие теплообменников вентмашин велико – от простых трубных регистров с ребрами до высокотехнологичных роторных и микроканальных систем. Конкретная форма определяется требованиями по эффективности теплообмена, допустимому перепаду давления воздуха, характеристикам теплоносителя, габаритным ограничениям и бюджета.

Материалы изготовления теплообменников

Материалы, из которых изготавливаются теплообменники вентиляционных установок, должны обладать хорошей теплопроводностью, устойчивостью к коррозии и достаточной механической прочностью. Выбор материала влияет на эффективность работы, долговечность и стоимость устройства. Рассмотрим основные материалы:

• Медь. Медь обладает очень высокой теплопроводностью, поэтому традиционно используется в теплообменниках для трубок, по которым течет теплоноситель. Медные трубки легко паяются, гнутся, хорошо отдают тепло ламелям. Кроме того, медь достаточно устойчива к коррозии в пресной воде и воздухе (образует защитную пленку оксидов). В калориферах и охладителях медные трубки – стандарт де-факто. Однако медь дорогой и тяжелый металл, поэтому стараются минимизировать её количество (тонкие стенки трубок, небольшие диаметры). Иногда встречаются теплообменники полностью из меди (и трубки, и ламели – например, для сред с агрессивной средой или морского исполнения), но это редкость из-за цены.
• Алюминий. Алюминий – второй по популярности материал теплообменников. Из алюминия в основном делают ламели (ребра) на трубчатых теплообменниках: тонкие алюминиевые пластины идеальны для увеличения поверхности, так как алюминий легкий и хорошо проводит тепло (хоть и в 2 раза хуже меди, но за счет большой площади это компенсируется). Также из алюминия изготавливают сами пластины пластинчатых рекуператоров и роторы: тонкая алюминиевая фольга используется в роторных колесах. Преимущество алюминия – меньшая стоимость и масса, технологичность (штамповка ламелей, формирование пластин). Недостаток – склонность к коррозии в влажной или кислой среде: без покрытия алюминий может разрушаться в среде соляного тумана, хлорсодержащих паров (например, в бассейновых вентиляционных установках ламели обычно покрывают эпоксидным лаком или берут медные, чтобы избежать коррозии). Тем не менее, в большинстве обычных условий медно-алюминиевый теплообменник служит многие годы без проблем: медь и алюминий в паре работают нормально, хотя есть небольшой гальванический эффект (контакт разнородных металлов), но его сдерживают за счет специальных прослоек или покрытий на месте контакта.
• Оцинкованная сталь. Сталь с цинковым покрытием применяется в теплообменниках в основном для несущих элементов и кожухов. Например, рамки секций, короба, элементы крепления часто делают из оцинковки – это недорого и достаточно устойчиво к ржавчине (цинк защищает сталь). Что касается использования оцинкованной стали непосредственно в теплопередающих элементах: иногда делают ламели из оцинкованной стали (например, в пылевых или вентиляторах для сушильных установок, где алюминиевые ламели могли бы быстро забиваться или повреждаться – стальные прочнее). Но теплопроводность стали примерно в 4 раза ниже алюминия, поэтому при прочих равных стальной оребренный теплообменник менее эффективен или требует большей площади. Цинковое покрытие со временем может отслаиваться в условиях постоянной влаги и конденсата, поэтому для охладителей стальные ламели нечасто встретишь. В пластинчатых рекуператорах сталь тоже не используется (слишком низкая теплопередача). Зато корпуса самих пластинчатых блоков, дренажные поддоны, сепараторы капель обычно изготавливают из оцинкованной или нержавеющей стали.
• Нержавеющая сталь. Нержавейка – это сталь с добавками хрома/никеля, устойчивая к коррозии. Она используется в теплообменниках, предназначенных для агрессивных условий или особых требований гигиены. Например, вентиляционные установки бассейнов часто оснащаются нержавеющими охладителями и поддонами, поскольку хлор и постоянно влажный воздух быстро выводят из строя обычные материалы. В пищевой и фармацевтической промышленности предъявляются высокие требования к чистоте и моемоčnosti – там теплообменные поверхности (калориферы) тоже могут быть выполнены из нержавейки. Однако теплопроводность нержавеющей стали ниже, чем у меди и алюминия, поэтому для достижения той же эффективности нужно больше поверхность или более интенсивный обдув. Также нержавейка дороже обычных материалов. Потому ее применяют точечно: либо в трубках (например, паровой калорифер высокого давления может иметь оребренные трубки из нержавеющей стали для надежности), либо в пластинах рекуператора (специальные рекуператоры для агрессивных газов, где алюминий бы разрушился). В большинстве климатических установок нержавеющая сталь ограничивается элементами корпуса, крепежом, дренажными системами, но не основным теплообменником, если в этом нет особой нужды.
• Пластики и композитные материалы. Современные технологии позволяют использовать и полимерные материалы в теплообменниках. Например, пластинчатые рекуператоры часто делают из пластика (полистирол, полипропилен) – тонкие пластиковые пластины не подвержены коррозии, легкие и дешевы в производстве. Их теплопроводность ниже металлических, поэтому КПД может быть чуть меньше, но за счет тонкости пластин и малого расстояния передача тепла все равно происходит эффективно. Пластиковые рекуператоры особенно актуальны в установках, где нельзя применять металл из-за коррозии (например, вытяжка содержит агрессивные газы) или хочется снизить вес конструкции. Также пластики применяются в каплеуловителях (обычно это набор пластиковых зубчатых пластин ПВХ), в некоторых типах роторных колес (часть ротора может быть выполнена из полимерных материалов, впитывающих влагу, как в энтальпийных колесах на основе специальной мембраны). Композитные материалы, например графитонаполненные пластики, пористые материалы с пропитками, тоже находят ограниченное применение для специфических задач теплообмена, но в вентиляционных системах пока экзотика.
• Специальные материалы. К этой категории можно отнести редкие случаи: теплообменники с ламелями из медного сплава или алюминиево-медные биметаллические решения, теплопроводящие керамики, углеродные материалы. В стандартных вентиляционных машинах такого практически не встречается, но исследуются, к примеру, углеродные наноструктуры для теплообмена, однако это дело будущего.

Совокупность материалов в конкретном теплообменнике обычно комбинированная. Например, типовой водяной нагреватель: медные трубки, алюминиевые ламели, стальная оцинкованная рама, латунные коллекторы, каплеуловитель из ПВХ, поддон из нержавейки, крепеж – оцинковка. Такая комбинация подобрана для оптимального баланса эффективности, стоимости и долговечности. Выбор материалов тесно связан и с вопросом цены и доступности, что отдельно рассмотрено в конце статьи.

Конструктивные особенности и дополнительные элементы

При проектировании и эксплуатации теплообменников вентиляционных машин учитываются специальные конструктивные детали, которые обеспечивают надежную работу, безопасность и высокую эффективность. К основным особенностям и дополнительным элементам относятся:

• Каплеуловители (сепараторы капель). Это устройства, предназначенные для улавливания и удаления капель влаги из воздушного потока после теплообменника. Устанавливаются, как упоминалось, сразу за охлаждающими теплообменниками (водяными воздухоохладителями или испарителями), где образуется конденсат. Каплеуловитель обычно выполнен из ряда зигзагообразных пластин или профильных ламелей, образующих лабиринт для воздуха. Поток воздуха меняет направление, а более инерционные капли воды оседают на этих пластинах. Собранная вода стекает вниз в дренаж. Каплеуловители изготавливают из пластика или тонкого алюминия/нержавейки. Их эффективность приближается к 100% задержанных капель при правильно подобранной скорости воздуха. Без каплеуловителя мелкие капельки, несущиеся с охлажденного теплообменника, могли бы попасть в воздуховоды и создать влажность, плесень или повредить оборудование далее по тракту. Синонимом каплеуловителей можно считать сепараторы влаги – по сути, это одно и то же. В некоторых конструкциях роль каплеуловителя могут выполнять встроенные профили на ламелях (например, специальные надсечки, отводящие воду к низу), но чаще применяется отдельный модуль.
• Дренаж и отвод конденсата. Каждый теплообменник, на котором может образовываться жидкая влага, снабжается системой дренажа. Для охлаждающих и испарительных секций ставится поддон под всем оребренным блоком, собирающий стекающую воду. Поддон выполнен с уклоном к дренажному отверстию, к которому подключается трубка сифона. Сифон необходим, чтобы предотвращать подсос воздуха через дренаж и неприятные запахи из канализации, а также для наблюдения за стоком (водяной затвор). Дренажные поддоны чаще всего металлические (нержавейка или оцинковка с покрытием) либо пластиковые, теплоизолированные снаружи (чтобы вода не конденсировалась снаружи поддона). Помимо охлаждающих секций, дренаж может быть нужен и пластинчатому рекуператору – в морозы конденсат с вытяжного воздуха может замерзать на входе в рекуператор, а при оттаивании капли стекают вниз, поэтому ставится каплеуловитель/поддон или организация отвода талой воды. Правильно спроектированный дренаж гарантирует, что конденсат не накопится и не вызовет перелив или замерзание, способное повредить теплообменник.
• Перфорация ламелей и турбулизация потока. Современные оребренные теплообменники часто имеют перфорированные ламели – на тонких алюминиевых пластинах проделаны микропротяжки, штамповка, создающая «рябь», или ряд крошечных отверстий/прорезей. Эти элементы служат для нарушений ламинарного воздушного пограничного слоя на поверхности ламели. Гладкая пластина позволяет прилегающему слою воздуха течь ровно, и теплота передается не максимально эффективно. Если же на поверхности есть перфорация, то воздух завихряется, постоянно прилегают новые порции воздушной массы, и теплообмен усиливается. Такой прием увеличивает коэффициент теплопередачи, позволяя либо уменьшить габариты теплообменника при той же мощности, либо повысить мощность без увеличения размера. Минусом является рост аэродинамического сопротивления – воздуху труднее проходить через «шероховатый» канал. Поэтому степень перфорации и форма ламелей подбирают оптимально: на нагревателях, где перепад температуры большой, можно чуть снизить теплоотдачу в угоду меньшему сопротивлению, а на охладителях, где критично снять максимум тепла, делают ламели с усиленной турбулизацией. Перфорированные ламели – результат инженерных исследований, и у разных производителей есть свои паттерны (профили) оребрения. В статье энциклопедического характера достаточно понимать, что это важная особенность конструкции, повышающая эффективность теплообменника.
• Байпасные и регулирующие устройства. В конструкции вентиляционных машин с теплообменниками часто предусматриваются специальные заслонки и клапаны для управления воздушными потоками. Например, байпас рекуператора – обходной канал с заслонкой мимо пластинчатого или роторного теплообменника. Он позволяет при определенных условиях направлять воздух в обход рекуператора: летом ночью, когда наружный воздух прохладный и нет смысла восстанавливать тепло, или при риске обледенения – открывается байпас, и холодный воздух минует рекуператор, чтобы тот оттаял. В роторных установках вместо байпаса обычно регулируют скорость ротора или останавливают его, чтобы снизить эффективность до нужного уровня. Также в конструкциях могут быть перепускные клапаны для рециркуляции – как отмечалось в определении рекуператора, иногда часть воздуха можно перенаправлять, но это уже схема вентиляции (рекуператор тут ни при чем напрямую). В калориферных секциях могут быть встроены термостаты и предохранители (например, электрокалорифер имеет предохранитель от перегрева, который может отключить нагрев, чтобы не сгорел). У паровых калориферов предусматривают конденсатоотводчики (спуск конденсата), у водяных – воздухоотводчики. Все эти мелочи относятся к конструктивным особенностям, дополняющим основной теплообменный аппарат и обеспечивающим его нормальное функционирование в составе установки.
• Изоляция и кожухи. Хотя теплообменная поверхность обычно должна быть максимально открыта к потоку воздуха, некоторые теплообменники имеют изолированные участки. Например, входной коллектор парового калорифера может быть теплоизолирован (чтобы пар не конденсировался преждевременно). Корпуса пластинчатых рекуператоров снаружи иногда изолируют, чтобы не было потерь тепла в обход обмена между потоками. Внешние трубопроводы гликолевого контура обязательно теплоизолируются, иначе тепло будет теряться по дороге. Это не элементы самого теплообменника, но необходимые конструкционные меры вокруг него.
• Виброизоляция и крепление. Крупные теплообменные узлы, такие как роторы, монтируются с учетом гашения вибраций (амортизаторы под двигателем, упругие вставки). Оребренные калориферы вставляются в каркас вентиляционной камеры и фиксируются таким образом, чтобы не было обходных путей для воздуха (через уплотнения, прижимные планки). Важна правильная центровка ротора, чтобы не было задевания уплотнений. Эти инженерные аспекты тоже относят к конструктивным особенностям, влияющим на надежность системы.

Таким образом, кроме основной теплообменной поверхности, в секции теплообмена присутствует ряд дополнительных компонентов – каплеуловители, поддоны, уплотнения, байпасные заслонки, опоры и пр. Без них работа теплообменника либо невозможна, либо будет сопровождаться проблемами (потери воды, перемешивание потоков, обмерзание). Грамотное конструирование вентмашины учитывает все эти детали.

Современные технологии рекуперации тепла

Энергоэффективность в вентиляции – одна из главных тенденций последнего времени. Производители и инженеры постоянно совершенствуют теплообменники и разрабатывают новые технологии рекуперации, чтобы максимально использовать тепло вытяжного воздуха и снижать затраты на отопление/охлаждение. Рассмотрим некоторые современные решения в области рекуперации тепла:

• Высокоэффективные пластинчатые рекуператоры. Классический пластинчатый рекуператор постоянно улучшается. В последнее время появились противоточные пластинчатые рекуператоры из пластика или алюминия, которые обеспечивают КПД по теплу до 85–90%. В них потоки воздуха движутся практически параллельно в противоположных направлениях через длинные каналы, что позволяет почти полностью передать тепло вытяжки притоку. Для повышения влагопередачи применяются энергосберегающие мембраны – специальные полимерные материалы, проницаемые для водяного пара, но непроницаемые для воздуха. Такие пластинчатые рекуператоры называются энтальпийными: через их пластины частично диффундирует водяной пар, возвращая влагу приточному воздуху. В результате зимой удается повысить влажность в помещении (обычно приточная вентиляция сушит воздух). Эти мембраны изготавливаются из тонкого слоя целлюлозы или полимера с микропорами, которые пропускают молекулы воды, но задерживают газы и запахи. Еще одна технология – пластинчатые рекуператоры с переменным сечением каналов: например, в центре теплообменника пластины ближе друг к другу (для лучшего теплопереноса при высоких температурах), а к краям дальше (уменьшая сопротивление на охлажденном участке, где плотность воздуха выше). Такое дифференцированное оребрение позволяет сбалансировать потери давления и теплопередачу по всей длине канала. Также применяются улучшенные герметики и способы изготовления, снижающие паразитные утечки воздуха мимо пластин. Современные пластинчатые рекуператоры часто снабжаются байпасными каналами с автоматикой, как упоминалось, что тоже повышает эффективность системы в целом (позволяя отключать рекуперацию, когда она не нужна, например, при прохладной погоде летом для естественного ночного охлаждения здания).
• Роторные рекуператоры с влагосъемом (энтальпийные роторы). Классический роторный теплообменник возвращает часть влаги сам по себе – за счет того, что влага конденсируется на холодной части ротора и затем испаряется в приточный поток. Однако доля восстановленной влаги не превышает 20–30% без специальных мер. Современные влагорегенеративные роторы имеют гигроскопичное покрытие: это соли или полимеры, которые способны адсорбировать влагу из воздуха. Например, силикагель, литиевые соли наносятся на поверхность алюминиевой фольги ротора. Когда влажный вытяжной воздух проходит, покрытие впитывает воду (даже если температура не ниже точки росы, то есть может забирать влагу из ненасыщенного воздуха). Повернувшись в приток, покрытие отдаёт эту влагу более сухому приточному воздуху. Таким образом, происходит перенос скрытой теплоты испарения – помимо чувствительного тепла. Это повышает общий КПД по энергосбережению и, главное, позволяет удерживать влажность внутри помещения. Эффективность энтальпийных роторных рекуператоров по влаге может достигать 60–70%. Кроме покрытия, усовершенствования коснулись и механики: новые роторы имеют лучшие уплотнения, минимизирующие утечки, а приводы часто оснащены частотным регулированием, что дает возможность плавно изменять эффективность рекуперации. В случае очень морозной погоды автоматика может приостанавливать вращение ротора на короткие интервалы – за это время вытяжной поток прогревает стоящий сегмент и оттаивает его, затем вращение возобновляется (эта мера нужна редко, так как роторы обычно не обмерзают сильно). Современные роторные установки также интегрируются в систему управления здания: можно оптимизировать баланс тепла и влаги в зависимости от текущей нагрузки, что делает микроклимат более стабильным и экономичным.
• Гликолевые контуры и комбинированные схемы. Хотя принцип гликолевого теплообменника известен давно, новые системы теплоутилизации с промежуточным теплоносителем стали эффективнее. Во-первых, используются более эффективные оребренные батареи на приточной и вытяжной сторонах – с улучшенным оребрением, увеличенной поверхностью, подобранным числом ходов, что максимально отбирает и передает тепло. Во-вторых, внедряется интеллектуальное управление насосом: скорость циркуляции регулируется так, чтобы достичь максимального забора тепла на вытяжке и отдачи на притоке (например, при малом расходе воздуха увеличивают время контакта жидкости в батарее, замедляя поток, и т.д.). В некоторых установках применяют переменный поток – отключают насос при определенных условиях, когда рекуперация не требуется, экономя электроэнергию. Кроме того, появились комбинированные схемы рекуперации: например, пластинчатый рекуператор + гликолевый контур, работающие совместно. Такая гибридная система может отводить избыточное тепло, если пластинчатый рекуператор не справляется или нужно избежать переноса влаги/запахов – часть воздуха пускают через гликолевый регистр. Иногда в состав гликолевой системы включают промежуточный тепловой насос: тепло от вытяжного воздуха не напрямую идет на нагрев притока, а сначала поступает в испаритель теплового насоса, который поднимает температуру, а затем через конденсатор этот насос греет приток гораздо сильнее. Это уже фактически активная рекуперация, но она позволяет даже подогревать воздух выше температуры вытяжки за счет компрессора. Подобные решения сложнее и дороже, но могут дать суммарный КПД более 100% (ведь часть энергии добавляет компрессор). Тем не менее, в классическом виде гликолевые системы остаются востребованы. Современные теплоносители (незамерзающие жидкости) также улучшились – используются составы с антикоррозионными и антивспенивающими присадками, что продлевает срок службы контуров и сохраняет эффективность теплообмена (нет отложений внутри труб).
• Теплообменники с утилизацией низкопотенциального тепла. К современным технологиям можно отнести и нестандартные решения, например регенерация тепла грунта для предварительного подогрева/охлаждения воздуха. Это реализуется через грунтовые теплообменники – трубы, проложенные в земле, через которые прогоняется приточный воздух перед подачей в здание. Зимой земля теплее наружного воздуха, и воздух немного нагревается (и влажность частично осаждается как конденсат), а летом земля прохладнее – происходит предварительное охлаждение. Такие геотермальные воздуховоды – тоже вид теплообмена, хотя и не в самой вентмашине, но в связке с ней. Их эффективность невысока (поднятие температуры на несколько градусов), но они снижают нагрузку на основной калорифер или охладитель. Другое направление – термоэлектрические рекуператоры, использующие эффект Пельтье: в них теплопередача происходит за счет электрического тока, прокачиваемого через полупроводниковые элементы между потоками. Пока это больше экспериментальная технология для вентиляции (из-за низкого КПД термоэлементов), но исследования ведутся.

В целом современные технологии направлены на то, чтобы максимально сократить потери энергии при вентиляции. Во многих странах внедряются стандарты энергоэффективности зданий, требующие обязательной рекуперации в приточно-вытяжных системах. Поэтому инженеры совершенствуют как сами теплообменники (материалы, формы), так и систему их интеграции (автоматика, комбинирование с другими способами теплопереноса). В результате современные вентиляционные машины способны возвращать значительную часть энергии и существенно уменьшать эксплуатационные расходы на климатизацию помещений.

Принципы работы и инженерные аспекты теплообменников

Чтобы понять, как эффективно применять теплообменники в вентиляции, важно представить основные принципы их работы и учесть некоторые инженерные особенности при проектировании системы.

Общий принцип теплопередачи. Все теплообменники функционируют на основе одного физического закона – тепло переходит от более нагретого тела (или потока) к более холодному. В рекуператоре это означает, что теплый вытяжной воздух остывает, отдавая теплоту через стенки пластин (или через ротор) холодному приточному воздуху, который нагревается. В водяном калорифере горячая вода, протекая по трубкам, охлаждается, нагревая окружающий воздух. В охлаждающем регистре наоборот – теплый воздух отдает тепло холодной воде и сам остывает. В испарителе фреона тепло воздуха расходуется на испарение жидкости внутри трубок. Во всех случаях процесс идет самопроизвольно, если есть разница температур и достаточно площади для передачи тепла. Инженерная задача – обеспечить максимальное соприкосновение горячей и холодной сред через теплопроводные стенки, при этом разделяя их (если среды разные) и минимизируя сопротивление.

Конвекция и теплопроводность. Передача тепла в теплообменнике происходит в несколько этапов: (1) конвективная отдача/поглощение тепла от воздуха к стенке (ламели или пластине), (2) теплопроводность внутри материала стенки, (3) конвекция от стенки к другой среде (вода, фреон или воздух с другой стороны). Каждый из этих этапов ограничивает общий процесс. Например, воздух – плохой проводник, поэтому главным образом тепло передается конвекцией (движением потока). Чтобы улучшить конвекцию, создают турбулентность (перфорации ламелей, гофры), увеличивают скорость воздуха (но тут компромисс – растет потребляемая мощность вентиляторов). Теплопроводность твердой стенки должна быть высокой – поэтому используют металл; толстые стенки нежелательны, оптимально тонкие трубки и пластины, лишь бы выдерживали давление. На стороне жидкости (вода или фреон) теплоотдача тоже происходит: в трубчатом калорифере внутри труб ламинарный поток воды, но обычно конвекция там достаточная из-за высокой теплоемкости воды. В фреоне перенос еще и фазовый (при кипении/конденсации теплоотдача очень интенсивна). Инженер рассчитывает эти процессы по формулам теплопередачи и назначает площадь (количество ламелей, длину труб) так, чтобы требуемое количество ватт тепла успело перейти при заданных расходах воздуха и теплоносителя.

Аэродинамическое сопротивление. Неотъемлемый спутник эффективного теплообмена – сопротивление потоку воздуха. Любая решетка, оребрение или узкий канал препятствуют воздушному потоку, вызывая падение давления. Вентилятор должен преодолеть это сопротивление. Поэтому при проектировании вентиляционной машины важно учитывать суммарный перепад давления на всех теплообменниках. Пластинчатый рекуператор может давать 150–300 Па сопротивления, каплеуловитель еще ~50 Па, калорифер порядка 30–100 Па (зависит от плотности ламелей и рядности). Совокупно в установке может набежать сотни Паскалей. Это требовательность к мощности вентилятора, энергозатраты на перемещение воздуха. Инженеры оптимизируют конструкции, подбирая, например, не слишком частое оребрение или увеличивая площадь теплообменника, чтобы снизить скорость воздуха через него (при большей площади та же объемная подача воздуха идет медленнее, и сопротивление падает). В некоторых случаях ставят два параллельных теплообменника (как уже упомянуто модульно), чтобы разбить поток – это тоже уменьшает сопротивление. Всегда идет баланс: либо компактно, но туго дует, либо громоздко, но легче продуть.

Регулирование и управление работой. Теплообменники в составе систем ОВК работают не статично, а динамично в зависимости от потребности. Например, калорифер должен поддерживать выходную температуру воздуха. Это делает система автоматизации через регулирующий клапан на воде: при отклонении температуры притока, открывается или прикрывается подача горячей воды. Аналогично, охладитель регулируется по потоку холодной воды. В DX-системах (фреоновых) управление осуществляется компрессором (цикл вкл/выкл или инверторный привод для плавного изменения холодопроизводительности) и регулированием потока хладагента. Рекуператоры регулируются иначе: пластинчатые – байпасной заслонкой (часть воздуха идет в обход, уменьшая эффективный теплообмен), роторные – скоростью вращения (чем медленнее крутится, тем ближе работает к пластинчатому случаю – меньше перенос тепла). Гликолевый контур – скоростью насоса или даже отключением/включением его. Зачем все это нужно? Например, в межсезонье или весной рекуператор может перегревать приток (на улице не так холодно, а вытяжка теплая – приток станет слишком горячим). Тогда нужно сбросить часть энергии – либо пустив часть воздуха мимо (охладив его свежим воздухом), либо остановив ротор периодически. В летнее же время может потребоваться отключить рекуперацию полностью, чтобы не греть приточный воздух (который и так может быть теплее вытяжного, если в помещении кондиционер). Грамотное управление обеспечивает комфортные параметры воздуха при минимальной энергии. Инженер, проектируя автоматизацию, учитывает инерционность теплообменников (большие водяные калориферы медленно остывают/нагреваются, ротор обладает тепловой массой и т.д.) и настраивает регуляторы, чтобы избежать скачков температуры или колебаний (перерегулирования).

Защита от замерзания. Очень важный аспект – предотвращение обмерзания теплообменников при низких температурах. Пластинчатый рекуператор, как отмечалось, может начать покрываться льдом, если вытяжной влажный воздух остывает ниже 0 °C на выходе из него. Лед блокирует каналы и снижает эффективность. Для защиты применяют:

• байпас приточного воздуха (на время пустить приток мимо рекуператора, чтобы теплый вытяжной его отогрел),
• предварительный подогреватель воздуха (маленький электрический или водяной калорифер перед рекуператором нагревает наружный воздух до -5…0 °C, тогда лед не формируется),
• снижение производительности (уменьшить скорость вращения ротора или циркуляцию гликоля, чтобы вытяжной воздух не охлаждался так сильно и не достиг точки замерзания).
  Вода в калориферах тоже может замерзнуть, если автоматика или циркуляция откажет – тогда вода расширяется при превращении в лед и разрывает трубки. Поэтому помимо использования антифриза (гликоля) часто устанавливают датчики температуры воздуха после калорифера: если она опускается ниже безопасного минимума, автоматика может полностью открыть клапан (прогнать горячую воду) или выключить приточный вентилятор, чтобы не гнать ледяной воздух. У электронагревателей есть реле перегрева – но их задача обратная, не дать перегреться при слабом потоке.

Чистота и обслуживание. Без упоминания ремонта стоит отметить, что теплообменники требуют периодической чистки, так как через них проходит большой объем воздуха, несущего пыль, грязь, а влажные секции могут собирать налет. Поэтому конструктивно должны быть предусмотрены люки доступа, съемные панели. Рекуператоры иногда снабжаются встроенными фильтрами или сами выполняют частично роль фильтра (пластины задерживают пыль). Инженер учитывает, что загрязнение ламелей ведет к падению эффективности и росту сопротивления. Поэтому изначально закладывается некоторый запас по мощности теплообменника и по напору вентилятора, чтобы система могла работать и при незначительном загрязнении между обслуживаниями. Также выбираются материалы, устойчивые к чистке: например, алюминиевые ламели могут помяться при грубой очистке, лучше использовать с учетом этого (или усилить рамки).

Баланс расходов среды. Для эффективной работы важен баланс: количество воздуха и теплоносителя должно соответствовать расчетному. Если через калорифер течет слишком мало воды, он может отдать не всю мощность (вода остынет слишком сильно, и оставшаяся часть калорифера будет недогружена). Если воды слишком много (большой расход), то она не успевает остыть – температура выхода почти как вход, тепло не успевает перейти, тоже потери (тепло пролетает через теплообменник). Поэтому обычно стремятся организовать противоточные движение: самый горячий теплоноситель соприкасается с самым горячим воздухом, а остывающий – с охлажденным, чтобы разность температур была более равномерной по длине. В рекуператорах противоток – наиболее эффективная схема по той же причине. Инженер при подборе оборудования смотрит характеристики теплообменника: зависимость мощности и ΔT от расходов. Например, пластинчатый рекуператор при несбалансированном расходе притока и вытяжки (скажем, приток больше вытяжки) не сможет полноценно нагреть весь приток – часть воздуха пройдет неоприкоснувшись с теплым потоком. Поэтому в установках желательно равенство расходов вытяжного и приточного вентиляторов. В калориферах и охладителях регулируют расход воды клапанами, добиваясь нужной степени охлаждения/нагрева (измеряют температуру воздуха на выходе и сравнивают с уставкой).

Пропускная способность и скорости. Еще один инженерный момент – выбор оптимальной скорости воздуха через теплообменник. Если воздух движется слишком медленно, теплообмен будет очень хорошим (максимально отдает тепло), но нужен огромный сечение теплообменника чтобы пропустить требуемый объем – это невыгодно экономически. Если воздух слишком быстро – аппарат компактный, но тепло не успевает передаться. Обычно для оребренных калориферов выбирают скорость воздуха через сечение 2–4 м/с. Для пластинчатых рекуператоров – 1.5–3.5 м/с. Это компромисс между размерами и эффективностью. Скорость жидкости внутри трубок тоже важна: низкая – будет плохой теплоотвод внутри (особенно у воды laminar flow может привести к меньшей теплоотдаче и отложению грязи), слишком высокая – большие потери давления и эрозия трубок. Обычно поддерживается скорость воды в пределах 0.3–1 m/s в калориферах.

Подводя итог, принцип работы теплообменника – это организованный процесс передачи тепла от одного потока к другому с помощью теплопроводных элементов, усиленный конструктивными мерами (оребрение, турбулизаторы) и ограниченный аэродинамическими и гидравлическими факторами. Инженерные особенности (регулирование, защита от замерзания, баланс потоков) обеспечивают, чтобы устройство работало эффективно в разных режимах и условиях. Глубокое понимание этих принципов позволяет проектировать надежные и экономичные системы вентиляции и кондиционирования воздуха.

Влияние цен на материалы и их доступность

Стоимость и доступность материалов для теплообменников существенно влияют на конструкцию и применение тех или иных технологий. В последние годы рынок металлов переживает колебания цен, что отражается на HVAC-оборудовании.

Цена меди. Медь – один из наиболее дорогих компонентов теплообменника. Если цены на медь растут, производители стремятся сократить ее содержание в изделии. Это привело к тому, что старые конструктивные решения (например, медные ламели) практически исчезли – им на смену давно пришел алюминий. Современный тренд – all-aluminum coils (полностью алюминиевые теплообменники), особенно в холодильной технике. Появление микроканальных алюминиевых конденсаторов во многом обусловлено желанием отказаться от меди: они используют на 70–80% меньше меди (только в присоединительных патрубках) по сравнению с традиционными змеевиками. В водяных калориферах все еще нужна медь для трубок, но и здесь ищут альтернативы: например, тонкостенные стальные трубки с алюминиевым ламинатом или биметаллические трубки (сталь внутри, алюминий снаружи) – такие технологии позволяют снизить расход дорогой меди. Однако сталь сложнее паять, тяжелее, и у нее ниже теплопроводность, поэтому полная замена меди затруднительна. Тем не менее, экономия меди – ключевой фактор снижения себестоимости теплообменников. Производители оптимизируют диаметр труб (меньший диаметр = меньше объем меди), переходят на более высокие скорости и более интенсивные оребрения, чтобы с минимальным количеством медных трубок добиться нужной мощности.

Цена алюминия. Алюминий хотя и дешевле меди, но тоже подвержен мировым ценовым колебаниям, так как широко используется во многих отраслях. Если алюминий дорожает, возрастает интерес к альтернативным материалам, например, к пластиковым теплообменникам. Пластик (полимеры) пока не может полностью заменить металл в силу намного меньшей теплопроводности, но в сегменте рекуператоров это реально: полимерные пластинчатые рекуператоры уже используются и стоят конкурентоспособно, особенно при массовом производстве (литье пластика проще, чем штамповка металла, при больших тиражах). Еще одно решение – уменьшение толщины алюминиевых ламелей и пластин. Сегодня типичная толщина ламели – 0,1 мм (100 микрон). Некоторые производители экспериментируют с 0,08 мм. Это позволяет экономить металл, но есть предел – слишком тонкая фольга становится хрупкой, может рваться при вибрациях или чистке. Поэтому здесь баланс цена/надежность. Доступность алюминия тоже важна: в период дефицита (например, торговые ограничения или скачок спроса) возможны задержки поставок алюминиевой фольги, что тормозит производство рекуператоров и радиаторов. Тогда на помощь могут прийти оцинкованные ламели как временная замена – при нехватке алюминия некоторые изготовители могут выпустить партию со стальными ребрами (при условии, что заказчик согласится на большие габариты и немного меньший КПД). Также может использоваться вторичный алюминий (переплав), но для тонкой фольги критична чистота сплава, чтобы штамповка шла без разрывов, так что тут экономия ограничена.

Стоимость нержавеющей стали. Нержавейка всегда дороже черной стали и большинства цветных металлов (за исключением меди). Поэтому применять ее без крайней необходимости никто не будет. Если требования требуют нержавеющей стали (например, в пищевом производстве), то цена изделия резко возрастает. Однако на рынке появилось больше марок недорогой нержавейки (с пониженным содержанием никеля, так называемая AISI 201 вместо классической AISI 304). Такие стали дешевле, хотя и более подвержены коррозии в тяжелых условиях. Иногда их используют для снижения цены нержавеющих теплообменников, но это чревато сокращением срока службы. Доступность нержавейки тоже играет роль: при дефиците возможно удорожание специальных установок (бассейновых, химических). В целом же это нишевый материал – массовый рынок вентиляции зависит больше от меди и алюминия.

Пластики и композиты: цена vs эффективность. Полимеры обычно дешевле металлов на сырьевой основе, но изготовление из них теплообменников может быть дорого из-за необходимости прецизионных форм, ограниченных серий и т.д. Однако с развитием 3D-печати и новых композитов ситуация меняется. Если металл станет слишком дорог, через некоторое время станут рентабельны пластмассовые оребренные структуры, напечатанные или отлитые. Пока же пластики применяют в ограниченном числе устройств, но они не подвержены рыночным скачкам металлов, что плюс. Зато пластик – нефтепродукт, его цена связана с ценой нефти и химического сырья.

Глобальные тенденции и влияние на дизайн. В периоды, когда цены на материалы подскакивают или возникают перебои (например, геополитические санкции, логистические проблемы), производители вентиляционного оборудования могут пересматривать дизайн существующих линеек. Например, в случае дефицита меди могут временно сократить ассортимент крупных теплообменников, предлагая заказчикам использовать несколько меньших модулей – так можно использовать более тонкие трубки, требующиеся для малых размеров. Или активнее продвигать решения с промежуточным теплоносителем (где больше стали, меньше меди). Бывали случаи, когда на фоне дефицита радиаторов для чиллеров (из-за нехватки алюминия) переходили на водяное охлаждение (гибридные схемы с градирнями) – т.е. совсем иной подход, чтобы обойтись без большого количества оребренного алюминия.

Рециклинг и повторное использование. Еще одна сторона – что делать с вышедшими из строя теплообменниками. Поскольку медь и алюминий ценны, их почти всегда отправляют в переработку. В этом смысле HVAC-отрасль старается быть ресурсоэффективной: старый калорифер или конденсатор можно сдать на металлолом, частично компенсируя стоимость нового. Рост цен на металл стимулирует более активный сбор и переработку старых агрегатов. С точки зрения конструкции, это значит, что разборность узла желательна – облегчает разделение материалов. Поэтому иногда трубки в ламелях не паяют, а механически развальцовывают – это упрощает замену, а также сдачу на лом (медь легко отделяется от алюминия).

В заключение, экономические факторы напрямую влияют на технические решения. Дорогие материалы заставляют изобретать альтернативы или усовершенствовать существующие теплообменники, чтобы достичь той же функции меньшим количеством ресурсов. Доступность материалов может диктовать логистику производства и сроки – крупные производители стараются диверсифицировать поставщиков, иметь запасы ключевых металлов, чтобы не останавливать конвейер. Для заказчика же результат проявляется в стоимости оборудования: например, вентустановка с роторным рекуператором (преимущественно алюминий) может заметно вырасти в цене при резком подорожании алюминия, тогда как установка с гликолевым контуром (больше стали, насосы) может оказаться дешевле в тот же период, хотя обычно наоборот. Поэтому иногда выбор технологии диктуется не только техническими требованиями, но и экономической конъюнктурой.

Несмотря на все изменения цен, теплообменники остаются неотъемлемой частью вентиляционных машин, и спрос на них только растет в связи с ужесточением норм энергосбережения. Инженеры ищут баланс между эффективностью, надежностью и стоимостью, используя доступные материалы наиболее рационально. Таким образом, отрасль развивается отчасти под влиянием материаловедческих и рыночных факторов, внедряя новые решения, но сохраняет главную цель – обеспечивать обмен теплом в системах вентиляции максимально эффективно и с минимальными потерями.