Содержание части №2.
5) Разбивка на сектора, их назначение и соотношение между собой.
6) Какие факторы влияют на разбивку секторов?
7) Скорость вращения колеса, на что она влияет?
8) Особенности проектирования/эксплуатации, мировые бренды и ситуация на Российском рынке.
Для удобства навигации по материалу — он был разбит на 2 части. В этой части мы окунёмся в практические аспекты и факторы влияющие на производительность колеса, погнали!
По любым вопросам сотрудничества, а также: поблагодарить, покритиковать или задать вопрос — можно писать на почту (nikolaev.hvac@gmail.com) или в Телеграм @NHVAC
1-я часть – по ссылке, тут.
5) Разбивка на сектора, их назначение и соотношение между собой.
Для организации устойчивых процессов тепломассопереноса, 360 – градусное колесо делят на сектора в следующих соотношения.
Сектор «процесса» — часть колеса, выраженная в градусах, отвечающая за поглощение влаги ротором из воздуха «процесса» (приточного воздуха). Как правило имеет значения: 180°/240°/270°.
Сектор «регенерации» (или реактивации) — часть колеса, выраженная в градусах, отвечающая за поглощение влаги воздухом «регенерации» (удаляемого воздуха) из самого ротора. Как правило имеет значения: 180°/120°/90°.
Сектор «продувки» или purge sector. – суть этого сектора в том, что берётся часть потока воздуха «процесса» до входа в ротор и прогоняется через самый влажный и горячий участок ротора.
В момент, когда вращающаяся матрица ротора переходит из зоны десорбции («регенерации») в зону адсорбции («процесса»), и образуется этот самый участок, который имеет очень высокую температуру и низкий потенциал для адсорбции водяного пара, см. рис. 10 (Колесо необходимо сначала охладить, прежде чем оно сможет полноценно поглощать влагу).
Обособленное отделение сектора «продувки» приводит к снижению общей влажности и температуры остаточного потока воздуха «процесса» на выходе из осушителя, а также увеличивает осушающую способность ротора (MRC).
Смешение «продувочного» воздуха с потоком воздуха «регенерации» до калорифера — снижает нагрузку на калорифер и приводит к чистой экономии энергии. В современных решениях в адсорбционных колёсах могут добавляться 2 или 3 сектора продувки в погоне за высоким КПД и показателями энергоэффективности. Такая технология, с 2-мя и более секторами «продувки», применена в осушителях Munters [5].
Как правило, этот сектор имеет значения от 10° до 40°, почему так? Ответ на графике ниже, после перехода из зоны десорбции в зону адсорбции, воздух на срезе в этом диапазоне — имеет самые высокие показатели температуры и влажности.
6) Какие факторы влияют на соотношение секторов?
Согласно данным исследований 2022 года [7], а именно графика зависимости осушающей способность ротора (MRC), при различных комбинациях деления колеса на сектора и заданной температуры воздуха «регенерации» — представлен ниже,
видно, что при низкой температуре «регенерации» в +80°C и сбалансированной разбивке колеса 180°/180° (равной скорости потоков в сечении каждого сектора) – обеспечивается значительно более высокая производительность в установившемся режиме (примерно на 30%) и снижается время выхода на устойчивую работу, чем разбивка на 270°/90° при той же температуре.Из него также следует, что при высокой температуре регенерации (+140°С) нет особой разницы между разбивкой колеса на сектора по 180°/180° и 270°/90°, и осушающая способность ротора (MRC) устанавливается примерно на одном уровне. При этом разбивка колеса на 270°/90° имеет соотношение расходов воздуха адсорбции и десорбции примерно равного 1 к 0,33 – что также является преимуществом.
Для сектора «продувки» определяющим фактором стало понятие «эффективный угол продувки», которое, согласно [4] составляет: при соотношении секторов «процесса» и «регенерации» 1:1 – от 30° до 40°; 2:1 – от 20° до 30°; 3:1 – от 10° до 20°. При этом, чем выше температура регенерации, тем больше становится угол «продувки» и наоборот.
7) Скорость вращения колеса, на что она влияет?
Важное отличие роторов-диссикантов от обычных тепловых (конденсационных) и энтальпийных колёс – это низкая скорость вращения. Если у тепловых колёс скорость может составлять от ~10-20 об/мин и выше, то у осушающих роторов она составляет порядка ~0,05-0,2 об/мин (или 3-12 об/час). Разница примерно в 400 раз!
Более высокие скорости вращения колеса обеспечивают большую передачу тепловой энергии и меньший массообмен. Более низкие скорости вращения колеса – наоборот.
Иными словами, чем быстрее вращается колесо, тем сложнее ему осуществлять массообмен водяного пара, но при этом быстрее идёт нагрев воздуха «процесса».
Из графика зависимости скорости вращения колеса от абсолютной влажности и температуры обрабатываемого воздуха [2] хорошо видно, как до определённых пределов идёт улучшение процессов тепломассообмена при увеличении скорости вращения.
Оптимальная точка с наилучшими параметрами, согласно исследованиям 1986 года, достигается при вращении в 40,6 об/ч [2] (далее воздух «процесса» также продолжает нагреваться, но абсолютная влажность на выходе наоборот, становится только больше). Соответственно далее увеличивать частоту вращения колеса бессмысленно. При этом нет существенной разницы в осушающей способности уже начиная с 16 об/ч.
Надо понимать, что из-за чрезмерной скорости вращения ротора и неправильного выбора толщины колеса, ротор диссикант толщиной 400мм при скорости 8 об/час имеет показатели по влагопоглощению хуже, чем ротор толщиной 200мм при таких же оборотах. Слишком большая скорость вращения не позволяет осуществлять эффективный массообмен между воздухом и средой силикагеля. Это можно увидеть из графика ниже. — Расход воздуха «процесса» = 1000 м3/ч, расход воздуха «регенерации» = 330 м3/ч;— диаметр роторного колеса 550мм при толщине ротора от 100 до 400мм;
— число оборотов от 3 до 12 об/ч;
Исходя из условий выше, используя программу расчёта сорбционных роторов [3] — был получен график зависимости между осушающей способностью ротора (MRC) и его скоростью вращения при различных толщинах.
По графику видно, как стремительно проигрывает ротор толщиной 400мм по мере увеличения скорости его вращения.
NB! Ещё один интересный факт, при устройстве продувочного сектора — направление вращение ротора (против или по часовой стрелке) также имеет значение. При вращении ротора против часовой стрелки – его осушающая способность (MRC) выше [10]
8) Особенности проектирования/эксплуатации, мировые бренды и ситуация на Российском рынке.
При проектировании, а именно компоновки приточно-вытяжной установки в составе которой планируется использовать ротор-диссикант, стоит обратить внимание на размещение вентагрегатов в системе, как для потока «регенерации», так и для «процесса».
Например, размещение вентагрегата с прямым приводом, с электродвигателем в потоке горячего воздуха после регенерации ротора – требует конструктивной защиты электродвигателя от перегрева.
Во многом, целесообразнее устанавливать его до нагревателя реактивации по ходу движения воздуха, во избежание исполнения двигателя в теплозащите. Однако, размещение его до реактивации – означает положительное давление перед ротором и перетоки воздуха через уплотнения на колесе в уже обработанный воздух «процесса». (Сухой воздух очень чувствителен к небольшим утечкам горячего регенерирующего воздуха)
Также, при жёстких требованиях к влажности приточного воздуха, рекомендуется устанавливать вентилятор воздуха «Процесса» — перед осушителем (по ходу движения воздуха), а не после него (как на рисунке ниже), чтобы при любых утечках сухой воздух «процесса» снова поступал в систему, а не наоборот. [9]
Хочется отметить также специальные силиконовые уплотнения, способные работать с высокой температурой реактивации. Обычные щёточные, которые часто используются для тепловых колёс – тут не подойдут.
При эксплуатации следует учитывать относительно длительное время отклика для достижения устойчивого режима переноса влаги на вращающемся колесе. Согласно данным исследований — [7] переходное время обычно составляет:
— 10-15 минут для достижения устойчивого состояния при увеличении или уменьшении скорости вращения колеса или расхода воздуха «процесса»;
— 20-22 минуты при повышении температуры воздуха для регенерации;
— 26-38 минут при снижении температуры воздуха для регенерации.
NB! Кстати, при конденсационной осушке время отклика до выхода на устойчивый режим также присутствует (до ~15 минут). Это происходит из-за задержки начала самого процесса конденсации, т.е. образования капель, которые стекают с поверхности охладителя и удаляют конденсат из воздуха в приточно-вытяжной установке. [14]
Ещё один эксплуатационный фактор – это деградация осушителя.
Как правило, снижение емкости осушителя происходит по двум причинам. Как и водяной пар, другие органические соединения в воздухе очень хорошо поглощаются ротором, которые при высокой температуре регенерации превращаются в полимеры, и закупоривают поры материала осушителя, что приводит к ухудшению его свойств. Также к закупорке пор осушителя приводят пылевые загрязнения.
Во избежание 2-го, рекомендуется оснащать фильтрами тонкой очистки, как воздух «процесса», так и «регенерации».
Конструкция ротора, сама по себе выполнена таким образом, чтобы свести к минимуму необходимость его замены. При правильном уходе, срок службы осушителя = сроку службы осушающего материала и может составлять до 100 000 часов или дольше [9], [13]
NB! Поглощение летучих органических соединений ротором в дополнении к водяному пару в ряде случаев используется, как его преимущество. Например — система концентрации ЛОС от Seibu Giken.
Основные бренды производящие адсорбционные роторы:
— Perusci (Китай), также делают OEM. Модели: PSS, PSS-S (Силикагель), PST (Цеолит)
— ProFlute (Италия), также делают OEM. Модели: PPS, PPX (Силикагель), PPP (Цеолит)
— Klingenburg (Швеция) Модели: SECO HYSG (Силикагель), Hugo (Цеолит)
— Recuperator S.p.A. (Италия). Модели: AR (Силикагель), AZ (Цеолит)
— Seibu Giken DST (Швеция). Модели: D-MAX (Силикагель), DLR (Цеолит)
На момент 2024 года в России производство таких роторов отсутствует, о прямом импорте из Европы говорить не приходиться, а закупка российскими производителями вентиляционного оборудования происходит в основном в Китае.
В заключении.
Охватить все аспекты теории и практики очень сложно, при этом я постарался сформировать основные особенности и тонкости такого типа осушения, опираясь на литературу приведённую ниже и личный опыт работы с такими системами.
Очень надеюсь, что данный материал оказался Вам полезен, и будет использоваться с целью дальнейшего изучения и развития компетенций инженеров направлений ОВиКВ.
По любым вопросам сотрудничества, а также: поблагодарить, покритиковать или задать вопрос — можно писать на почту (nikolaev.hvac@gmail.com) или в Телеграм @NHVAC
До встречи!
Список литературы:
[1] «ASHRAE Handbook 2024 HVAC Systems and Equipment SI» [2] Ahmad A. Pesaran, Terry R. Penney, Al W. Czanderna. «Dessicant cooling: State-of-the-Art Assessment. NREL 1992» [3] «ProCALC 5.0. Программа подбора сорбционных роторов ProFlute» [4] M. N. Golubovic, H. D. M. Hettiarachchi, and W. M. Worek, «Evaluation of rotary dehumidifier performance with and without heated purge» ICHMT journal., vol. 7, no. 34, pp. 785–795, 2007. [5] C. Munters, «Munters energy efficient technique» [6] «Inclusion of Purge Sector in Rotary Desiccant Wheel: A Review», IJERT, 2018 [7] Hung-Yi Tsai, Chung-Tai Wu, «Optimization of a rotary desiccant wheel for enthalpy recovery of air-conditioning in a humid hospitality environment», Heliyon 8, 2022 [8] A. Yadav, Vijay K. Bajpai «Mathematical Model for Design Parameter Analysis to Improve the Performance of a Desiccant Wheel», 2012 [9] Munters. «The Dehumidification Handbook. Third Edition», 2019 [10] L. Yadav and A. Yadav, «Mathematical investigation of purge sector angle for clockwise and anticlockwise rotation of desiccant wheel», 2016 [11] SEMCO. “Passive desiccant wheel,” Flakte Group [12] Ashutosh Kumar Verma, Laxmikant Yadav, Nikesh Kumar & Avadhesh Yadav «Mathematical investigation of different parameters of the passive desiccant wheel», Numerical Heat Transfer, 2023 [13] «ASHRAE Handbook 2005 HVAC Fundamentals, chapter 22, Sorbents and Desiccants» [14] «Technology review and availability of liquid desiccant systems», APRISES11, 2017