Układy odzysku ciepła

Układ grzewczy kabiny odpowiada za dostarczenie odpowiedniej ilości ciepła. Energia cieplna może być pozyskana na przykład ze spalania oleju opałowego lub gazu.

W najprostszych układach grzewczych, w trybie lakierowania, ciepłe powietrze po wykorzystaniu go w kabinie jest wydalane na zewnątrz. Powietrze to zawiera zanieczyszczenia, które uniemożliwiają jego powtórne użycie w kabinie lakierniczej. Zimne powietrze zasysane z zewnątrz musi być ogrzane do pełnej temperatury roboczej. Układ taki, choć najprostszy i najtańszy w zakupie jest zarazem najdroższy w eksploatacji.

Rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie układu odzysku ciepła - rekuperatora. Działanie rekuperatora polega na odebraniu ciepła z powietrza wyrzucanego na zewnątrz i wykorzystania go do ogrzania powietrza zasysanego. Cały proces odbywa się w taki sposób, że te dwa strumienie powietrza nie mieszają się ze sobą.

Rekuperator jest zbudowany z cienkich (0,2mm) płyt aluminiowych. Płyty są połączone w taki sposób, że każda z nich jest z jednej strony omywana ciepłym powietrzem wyrzucanym z kabiny, a z drugiej zimnym powietrzem z zewnątrz. Dzięki temu że aluminium jest bardzo dobrym przewodnikiem ciepła, ciepłe powietrze ogrzewa zimne nie powodując ich wymieszania.

Zasadę działania rekuperatora jednostopniowego przedstawia poniższy rysunek.

Układy odzysku ciepła z rekuperatorem jednostopniowym stosowane w naszych urządzeniach umożliwiają odzysk około 50% ciepła. Istnieje możliwość uzyskania znacznie większego odzysku ciepła w układzie jednostopniowym, jednak ze względów technicznych i ekonomicznych takie rozwiązanie jest nieopłacalne. Zamiast tego stosuje się układ z rekuperatorem dwustopniowym. Polega on na szeregowym połączeniu dwóch rekuperatorów tak jak to pokazano na poniższym rysunku.

Takie układy odzysku ciepła umożliwiają odzysk na poziomie przekraczającym 90%.

Jakie oszczędności daje rekuperator w praktyce?

Znając wydajność układu wentylacyjnego można obliczyć moc cieplną układu grzewczego potrzebną do ogrzania powietrza do temperatury pracy. Znając minimalną temperaturę zasysanego powietrza oraz maksymalną temperaturę roboczą można określić tak zwany skok termiczny wyrażony jako:

DT = Tr - Tz

gdzie:
DT - skok termiczny wyrażony w stopniach Celsjusza
Tr - Maksymalna temperatura robocza wyrażona w stopniach Celsjusza
Tr - Minimalna temperatura zasysanego powietrza wyrażona w stopniach Celsjusza

Moc układu grzewczego określona jest w uproszczeniu wzorem:

P = (A / 3600) x Rp x Cp x DT

gdzie:
P - moc układu grzewczego wyrażona w W
A - wydajność układu wentylacyjnego wyrażona w m3/h
Rp - gęstość powietrza w warunkach normalnych wyrażona w kg/m3
Cp - ciepło właściwe powietrza w warunkach normalnych wyrażone w J/(kg x C)
DT - skok termiczny wyrażony w stopniach Celsjusza

w uproszczeniu przyjmuje się:

P = (A / 3600) x 1,23 x DT [kW]

Na przykład:

Kabina lakiernicza o wymiarach 7 x 3,8 x 2,5m

D = 7 - 0,5 = 6,5m
S = 3,8 - 0,5 = 3,3m

A = (D x S) x 0,3 x 3600 = (6,5 x 3,3) x 0,3 x 3600 = 23166 m3/h
Przyjmujemy z zapasem 24000 m3/h

Chcemy aby zimą, przy temperaturze zasysanego powietrza -10 stopni Celsjusza, można było nagrzać kabinę do temperatury +20 stopni Celsjusza. Otrzymujemy:
Tr = 20 st. C
Tz = -10 st. C

Skok termiczny:
DT = Tr - Tz = 20 - (-10) = 30 st. C

Potrzebna moc układu grzewczego to:

P = (A / 3600) x 1,23 x DT = (24000 / 3600) x 1,23 x 30 = 246 kW

Stosując do powyższego przykładu rekuperator jednostopniowy możemy odzyskać 50,4% energii cieplnej, co daje 121,4 kW mocy. Musimy więc dostarczyć 124,6 kW mocy z palnika.

Stosując w tym samym układzie rekuperator dwustopniowy możemy odzyskać 91,8% energii cieplnej, czyli 221,3 kW mocy. Musimy więc dostarczyć zaledwie 24,7 kW mocy z palnika. Jest to moc porównywalna z domowym kotłem do podgrzewania ciepłej wody użytkowej.

Przy założeniu że palnik olejowy zużywa około 1 litra paliwa na każde 10 kW mocy, układ bez rekuperatora zużyje w ciągu godziny pracy z maksymalną mocą około 25 litrów paliwa. Układ grzewczy z rekuperatorem jednostopniowym zużyje w takich samych warunkach niecałe 13 litrów paliwa, a układ z rekuperatorem dwustopniowym zaledwie 2,5 litra!

Praca rekuperatora w trybie suszenia

W dotychczasowych rozważaniach przyjmowaliśmy że kabina pracuje w trybie lakierowania, kiedy to całe powietrze musi być wymieniane. Trochę inną sytuację mamy w trybie suszenia, kiedy nie jest potrzebna pełna wymiana powietrza w kabinie, natomiast jest wymagany znacznie większy skok termiczny.

Załóżmy że w trybie suszenia kabina pobiera tylko 20% czystego powietrza, czyli:

Kabina lakiernicza o wymiarach 7 x 3,8 x 2,5m
z przepływem nominalnym 24000 m3/h

W trybie suszenia:

A = 24000 x 20% = 4800 m3/h
Chcemy aby zimą, przy temperaturze zasysanego powietrza -10 stopni Celsjusza, można było nagrzać kabinę do temperatury +60 stopni Celsjusza.
Otrzymujemy:
Tr = 60 st. C
Tz = -10 st. C

Skok termiczny:
DT = Tr - Tz = 60 - (-10) = 70 st. C

Potrzebna moc układu grzewczego to:

P = (A / 3600) x 1,23 x DT = (4800 / 3600) x 1,23 x 70 = 114,8 kW

W układzie z pojedynczym rekuperatorem, którego sprawność w trybie lakierowania wynosiła 50,4%, uzyskujemy w trybie suszenia sprawność 63,4%, co daje 30,6 kW mocy. Z palnika musimy więc dostarczyć 84,2 kW

W układzie z dwustopniowym rekuperatorem, którego sprawność w trybie lakierowania wynosiła 91,8%, uzyskujemy w trybie suszenia sprawność 99%, co daje 112,5 kW mocy. Z palnika musimy więc dostarczyć zaledwie 2,3 kW!

Recyrkulacja czy rekuperacja?

Te dwa pojęcia są bardzo często mylone, a dotyczą dwóch różnych układów.

Recyrkulacja jest stosowana w trybie suszenia i polega na zawróceniu większej części powietrza z powrotem przed główny wymiennik ciepła. Stosuje się dwa rozwiązania recyrkulacji - w jednym powietrze jest zawracane bezpośrednio wewnątrz agregatu grzewczego, a w drugim z kanałów wylotowych kabiny. W obydwu wypadkach chodzi o zmniejszenie ilości czystego powietrza pobieranego z zewnątrz. Od niedawna stosuje się trzecie rozwiązanie polegające na spowolnieniu pracy wentylatorów przy użyciu falowników, jednak rozwiązania tego nie nazywa się już recyrkulacją.

Rekuperacja polega na odzyskaniu ciepła z powietrza już wyrzuconego i może być stosowana niezależnie od użycia układu recyrkulacji. Rekuperator może więc pracować zarówno w trybie lakierowania jak i suszenia - zależy to tylko od konstrukcji układu grzewczo-wentylacyjnego.

A może gazowy palnik szczelinowy i grzanie bezpośrednie?

Palnik szczelinowy jest również elementem kabiny, który może pomóc w zaoszczędzeniu pewnej ilości energii. Jego działanie polega na tym, że gaz jest spalany w kanale doprowadzającym powietrze bezpośrednio do kabiny. Jest to tak zwany układ grzania bezpośredniego. Pomija się przy tym główny wymiennik ciepła - zazwyczaj stosowany w kabinach lakierniczych. Układ z wymiennikiem ciepła traci część energii z powodu strat w samym wymienniku. Pominięcie tego elementu daje podniesienie sprawności o kilka procent (przeważnie 8 do 12% - zależnie od konstrukcji) kosztem zanieczyszczenia powietrza w kabinie produktami spalania gazu. Jednak do ogrzania powietrza trzeba w dalszym ciągu dostarczyć odpowiednią ilość energii.