Comprensione del recupero energetico negli scambiatori di calore rotanti

Elementi tecnici chiave che influenzano l'efficienza energetica

Comprensione del recupero energetico negli scambiatori di calore rotanti: elementi tecnici chiave che influenzano l'efficienza energetica

I sistemi di recupero del calore possono essere suddivisi in due categorie in base ai parametri termici del sistema: Sistemi per il recupero e la conversione dell'energia dal calore di scarto con parametri termici elevati (superiori a 70^oC) e sistemi per il recupero e la conversione energetica del calore di scarto con bassi parametri termici (inferiori a 70^oC).

Sistemi di recupero del calore e di conversione dell'energia superiori a 70^oIl C viene utilizzato nei processi tecnologici che si svolgono nei settori energetico, alimentare, chimico e in altri settori industriali di processo, dove vengono rilasciate grandi quantità di calore di scarto. Questo calore di scarto con elevati parametri termici può essere utilizzato per migliorare l'efficienza energetica ed economica delle aziende riscaldando direttamente l'aria nei sistemi di ventilazione o potenziando i processi tecnologici che richiedono temperature più elevate (ad esempio, come fonte di calore per le pompe di calore utilizzate per la pastorizzazione nell'industria alimentare, o per la produzione di elettricità nei sistemi a ciclo organico Rankine o a ciclo Kalina). Il calore di scarto con parametri termici così elevati può essere utilizzato anche per i processi di refrigerazione e condizionamento dell'aria (ad esempio, convertendo l'energia termica in acqua refrigerata utilizzando refrigeratori ad assorbimento o adsorbimento).

Sistemi di recupero del calore e di conversione dell'energia inferiori a 70^oC sono più spesso utilizzati per scopi di riscaldamento in edifici residenziali (ad esempio riscaldamento a pavimento con l'uso di pompe di calore) o edifici commerciali (ad esempio in unità di trattamento aria (UTA) per riscaldare l'aria "fresca" o "esterna" recuperando il calore dall'aria "usata" o "di scarico"). Questo articolo si concentrerà sulle applicazioni negli edifici commerciali.

I sistemi di recupero del calore nelle unità di trattamento aria si basano su due sistemi che, a seconda del tipo di soluzione adottata nella progettazione dell'unità, consumano energia elettrica (sistemi attivi) o meno (sistemi passivi). I sistemi di recupero del calore attivi nelle unità di trattamento aria includono, ad esempio, sistemi basati su scambiatori di calore rotativi o pompe di calore reversibili. I sistemi di recupero del calore passivi includono scambiatori di calore a croce ed esagonali. Caratteristica del recupero del calore nei sistemi di ventilazione è che il calore viene recuperato con piccole differenze di temperatura tra il flusso d'aria a temperatura più elevata e quello a temperatura più bassa, con l'aria a temperatura più elevata che raramente supera i 30°C.^oC (negli edifici commerciali il recupero del calore avviene anche a temperature dell'aria più basse).

Il recupero di calore nelle unità di ventilazione e condizionamento dell'aria avviene più spesso tramite scambiatori di calore rotativi o a flussi incrociati (esagonali), meno frequentemente tramite pompe di calore. Gli scambiatori di calore rotativi vengono utilizzati nelle UTA dove è consentito lo scambio di massa tra aria in ingresso e in uscita (solitamente si tratta di edifici pubblici). Gli scambiatori di calore a flussi incrociati ed esagonali vengono utilizzati nelle unità di trattamento aria dove non è consentito lo scambio di massa tra aria fresca e aria esausta (ad esempio, ospedali). Le pompe di calore reversibili vengono utilizzate quando è richiesta aria di mandata ad alta temperatura per il riscaldamento.

Bilancio di massa ed energia negli scambiatori di calore utilizzati nelle unità di trattamento aria

Nel calcolo delle prestazioni di uno scambiatore di calore rotativo per il recupero di calore nelle unità di trattamento aria, oltre al bilancio energetico, è necessario un adeguato bilancio di massa. Di seguito sono riportate le equazioni di bilancio di energia e massa per condizioni di flusso stazionario con la seguente ipotesi. Le variazioni periodiche dei parametri derivanti dal movimento rotatorio dello scambiatore vengono mediate nel bilancio energetico e di umidità complessivo, ovvero le variazioni locali periodiche di temperatura e umidità sulla superficie della ruota rotante sono insignificanti e quindi omesse nei calcoli.

a) Bilancio di massa, concentrazione ed energia per scambiatori di calore rotanti: