Стефан Едер, директор бізнес-підрозділу кліматичних технологій, Hoval, детально розповідає про диференційний тиск в пластинчастому теплообміннику та важливість компонування вентиляторів.

Детально про диференційний тиск

Диференційний тиск в пластинчастому теплообміннику істотно залежить від компонування вентиляторів та встановлених елементів. Найкраще це можна пояснити на прикладі можливих варіантів типової системи вентиляції (Мал. 1). В якості теплообмінника обраний перехресно-потоковий теплообмінник (перепад тиску 140 Па), який є найскладнішим в аспекті диференційного тиску. Інші встановлені компоненти та їхні втрати тиску є "нормальними" на даний момент. Для вентилятора припливного повітря місцями можливого розташування є A або B, для вентилятора витяжного повітря – C або D (1 = витяжне повітря; 2 = припливного повітря).

Мал. 1: Варіанти вентиляційної системи

Тиски повітря для чотирьох можливих варіантів узагальнені в таблиці 1.

Табл. 1: Тиски в перехресно-потоковому теплообміннику

Перш ніж обговорювати результати, важливо усвідомити, що диференційний тиск в перехресно-потоковому каналі не є постійним; він змінюється разом з потоком через втрату тиску власне в теплообміннику. На малюнку 2 показано це як приклад варіанту а, який широко використовується зокрема в Німеччині:

Мал. 2: Локальний диференційний тиск

Важливі такі моменти:

• Диференційний тиск отримується шляхом віднімання тиску витяжного повітря p1 від тиску припливного повітря p2. Це також визначає градієнт тиску, який є важливим для будь-якого витоку:
• Негативний перепад тиску → Витік у припливне повітря → небажаний
• Позитивний перепад тиску → Витік у витяжне повітря → прийнятний

Увага: надлишковий та знижений тиск сумуються.

• Зазначені різниці тиску в кутових точках показують, наскільки чітко відрізняються значення залежно від положення. Питання в тому, яке значення використати для визначення. Розумним (і звичайним) є середнє значення, яке встановлюється в центрі обміну.
• Для екстремальних значень перевірте, який диференційний тиск виникає, коли вентилятор вимкнений (наприклад, у режимі запуску).
• Ці твердження для теплообмінника з перехресним потоком також є дійсними для теплообмінника з протипотоком.

Стосовно різних схем розташування вентиляторів у таблиці 1 слід зазначити наступне:

1. Таке розташування використовується в більшості випадків. Це економить простір і дозволяє працювати зі змішаним повітрям. А номінальна витрата повітря відповідає потужності вентилятора. Недоліком є перепад тиску в напрямку припливного повітря; у разі витоків витяжне повітря потрапляє у припливне. Таким чином, «щільний» пластинчастий теплообмінник є необхідною умовою для утримання будь-якого витоку на низькому рівні. Перепад тиску (p2M – p1M) є помірним (-330 Па).
2. У цьому варіанті диференційний тиск найвищий і становить 930 Па, але перепад тиску відбувається у напрямку витяжного повітря. Розташування вентиляторів – один над одним, як у варіанті a, і це економить простір.
3. Цей випадок досить незвичний. Оскільки обидва вентилятори штовхають повітря відносно теплообмінника, перепад тиску точно не визначений; він залежить від втрат тиску встановлених компонентів.
4. Таке розташування є найкращим рішенням з точки зору диференційного тиску, який становить лише 160 Па. Перепад тиску також сприятливий в напрямку витяжного повітря. Недоліком є потреба у великому об’ємі через розташування вентиляторів перед і після теплообмінника.

Як уже зазначалося кілька разів, диференційний тиск має вирішальний вплив на об’єм та напрямок витоку в разі якщо він станеться. Це також впливає на профілювання пластин, іншими словами, на відстань між пластинами, а отже, і на втрату тиску.

Деформація пластин через перепад тиску

Пластинчасті теплообмінники у вентиляційній техніці зазвичай виготовляються з тонких алюмінієвих пластин товщиною всього 0,05-0,15 мм. Спеціальне профілювання виробником цих пластин забезпечує певну стабільність, але воно не може запобігти деформації пластин при високому диференційному тиску (Мал. 3).

Мал. 3: Схематичне зображення деформації пластини

На мал. 3 показаний потік витяжного повітря 1 і припливного повітря 2 через пластинчастий теплообмінник. Існує диференційний тиск між припливним і витяжним повітрям, який стискає пластини між захисними трапецієподібними елементами на Δ h. Це зменшує перетин потоку витяжного повітря та збільшує втрати тиску. При цьому збільшується перетин припливного повітря; втрата тиску зменшується.

Дуже спрощено, вплив деформації Δ h на втрату тиску за незмінних умов (об’ємна витрата, температура тощо) можна представити таким чином:

Приклад показує, що загальна втрата тиску обох повітряних потоків дещо збільшується у випадку деформації пластин. Тому, з огляду на нормативи ЄС 1253-2014, слід перевірити значення SFP.

Малюнок 3 і формули показують, що зміна втрати тиску при заданому диференційному тиску залежить від відносної деформації Δ h/h, тобто в кінцевому підсумку – від відстані між пластинами. Чим менша відстань між пластинами, тим більше деформація впливає на втрату тиску, і навпаки. Ці висновки особливо важливі для високоефективних застосувань, де необхідні малі відстані між пластинами. Насамперед протипоточні теплообмінники повинні використовувати стійкі пластини.

У попередніх міркуваннях припускається, що пластини пружно деформуються, тобто зміна відстані між пластинами збільшується і зменшується у відповідності до диференційного тиску. Це можна порівняти з пружиною. В іншому випадку, за надмірного диференційного тиску, деформація стає занадто великою і відбуваються пластичні зміни. Тепер якщо диференційний тиск зменшується (або вентилятори вимикаються), деформація все ще залишається і  теплообмінник виходить з ладу – можна очікувати витоків і непередбачуваних технічних параметрів.

Для визначення припустимого диференційного тиску для певного теплообмінника, виробник повинен дотримуватися двох критеріїв:

• У межах припустимих значень не допускається виникнення пластичних деформацій; необхідний захисний інтервал. Еталонним значенням для цього критерію є максимальний диференційний тиск, а не середнє значення (як зазвичай)! (див. Мал. 2)
• Для пружної деформації необхідно оцінити або виміряти збільшення втрати тиску в результаті диференційного тиску. Після цього користувач з відповідною документацією (Графік 1) може самостійно прийняти рішення про застосування. Однак слід уникати збільшення перепаду тиску більше ніж на 40% в результаті дії диференційного тиску.

Графік 1: Залежність втрати тиску від відстані між пластинами

Висновки

Диференційні тиски між двома потоками повітря в пластинчастому рекуператорі тепла вентиляційної системи є неминучими. Однак їх можна утримувати в розумних межах, звернувши увагу на розташування вентиляторів. Для проектування та здійснення рекуперації тепла необхідна документація, що стосується ефекту диференційного тиску. Якщо врахувати, що значення в таблиці 1 є досить «високої якості», але можуть бути також значно вищими в деяких системах, припустимий диференційний тиск повинен бути принаймні 1500 Па, або ще краще 2000 Па. Це повинно забезпечити бажаний резерв для проектування та впровадження можливих змін.