by

Осушение воздуха. Часть 2. Особенности устройства адсорбционного ротора.

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).

Сектор продувки адсорбционного ротора, стандартная схема. typical purge sector
Рис. 8 — Конфигурация ротора диссиканта с «продувкой» воздухом «процесса» со смешением до калорифера «регенерации. Стандартное исполнение.

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].

два сектора продувки. Munters Power Purge
Рис. 9 – Запатентованная технология «Munters PowerPurge» с двойным сектором продувки.

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.

Эффективный угол продувки для сорбционного ротора.Purge hight efficient adsorbsion angle
Рис. 10 – Распределение температуры и влажности после входа колеса в зону адсорбции в диапазоне углов от 0° до 180° [4]

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,

Характеристики осушающей способности роторов при различной комбинации разбивки колеса.Active wheel split recommendation MRC
Рис. 11 — Зависимость осушающей способности ротора от разбивки секторов «Процесса» и «Регенерации» при равной скорости потоков в сечениях секторов [7]
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.

Зависимость скорости вращения сорбционного ротора от температуры и влажности обрабатываемого воздуха. dessicant wheel speed research
Рис.10 — Зависимость скорости вращения колеса осушителя от влажности и температуры на выходе воздуха «процесса». [2]
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.

Расчёт ротора диссиканта в программе ProCalc. ProFlute rotor calculation 8 rph
Рис. 13 — Входные данные для расчёта зависимости толщины ротора от скорости вращения [3] I-D диаграмма воздуха «процесса» данного ротора была построена в 1-й части.
— 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.

Зависимость между скоростью вращения адсорбционного ротора и его производительностьюthe relationship between rotation speed and rotor MRC
Рис. 14 — Зависимость осушающей способности роторного колеса при его толщине от 100мм до 400мм при скоростях вращения от 3 до 12 об/ч.

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.

Защита двигателя от высокой температуры при регенерации ротораspecial FAN motor for regeneration air
Рис. 15 — Исполнение двигателя в кожухе с защитой от высокой температуры в установке Wolf Geisenfeld с адсорбционным ротором.

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]

Наихудшее из возможных размещение вентагрегатов, с точки зрения утечек в колесе. fan posision for dissicant rotor wich not required
Рис. 16 – Наихудшее из возможных размещение вентагрегатов, с точки зрения утечек в колесе.

Хочется отметить также специальные силиконовые уплотнения, способные работать с высокой температурой реактивации. Обычные щёточные, которые часто используются для тепловых колёс – тут не подойдут.

Силиконовые уплотнения адсорбционного ротора. dissicant rotor silicon seals
Рис. 17 – Силиконовые уплотнения колеса, способные выдерживать высокую температуру регенерации. (Мир Климата 2024. Роторы «ПАНОВА»)

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