Condensazione e formazione di brina negli scambiatori di calore rotativi

Gli scambiatori di calore aria-aria utilizzati per il recupero energetico negli impianti di ventilazione devono talvolta operare a temperature esterne molto basse. Durante il funzionamento, le superfici dello scambiatore di calore vengono raffreddate dall'aria esterna e riscaldate dall'aria di estrazione. Ciò significa che lo scambiatore di calore ha sempre un lato freddo e un lato caldo, indipendentemente dal tipo di scambiatore. Tuttavia, la distribuzione della temperatura all'interno di uno scambiatore di calore rotativo è complessa, e prevedere la condensazione e la formazione di brina è difficile. Fortunatamente, William Lawrance, Senior Product Manager, ne parlerà più approfonditamente in questo post del blog.

Quando la temperatura esterna è sufficientemente bassa, l'aria di estrazione si raffredda sotto il punto di rugiada e l'umidità si deposita sulle superfici dello scambiatore di calore. Se ciò avviene a temperature inferiori al punto di congelamento, l'umidità può depositarsi sotto forma di brina o come uno strato sottile di ghiaccio. La brina o il ghiaccio nel rotore rappresentano un problema poiché limitano il flusso d'aria e aumentano significativamente la perdita di carico nello scambiatore di calore, il che porta a un maggiore consumo energetico dei ventilatori. Inoltre, il trasferimento di calore viene ridotto poiché una parte dello scambiatore è bloccata, compromettendo così le prestazioni del recupero di calore.

Negli scambiatori di calore fissi, come quelli a piastre, la formazione di brina inizia non appena l'aria esterna in entrata scende sotto il punto di congelamento. Tuttavia, negli scambiatori di calore rotativi, la formazione di brina inizia a temperature significativamente più basse. Questo avviene grazie alla rotazione della matrice del rotore tra i due flussi d'aria, che consente al condensato o alla brina formatosi sul lato di estrazione di evaporare quando raggiunge il lato di mandata. Con una temperatura dell'aria di estrazione di 21 °C e un'umidità relativa inferiore al 30%, il congelamento può iniziare a temperature esterne inferiori a -12 °C. Tuttavia, un accumulo continuo di condensato o brina si verifica solo se è presente un eccesso di acqua, cioè quando più acqua condensa o si congela sul lato di estrazione di quanto possa essere assorbito sul lato di mandata.

Rivestimento igroscopico o rotori a sorzione

Nella maggior parte degli edifici, l'umidità interna diminuisce in condizioni di freddo, e livelli di umidità interna del 10% non sono rari, a meno che non vi sia un sistema di umidificazione. Con un'umidità così bassa nell'aria di estrazione, generalmente non ci si aspetta di trovare un eccesso di acqua o brina su un rotore in alluminio non trattato. Tuttavia, livelli di umidità così bassi sono scomodi e malsani. I rotori con rivestimento igroscopico, noti anche come rotori a sorzione, sono vantaggiosi in questi climi, poiché il trattamento di sorzione assorbe l'umidità dall'aria di estrazione e la trasferisce all'aria di mandata, finché l'aria di estrazione contiene meno umidità rispetto all'aria esterna. Il trasferimento di umidità avviene prima che essa possa condensare sotto forma di acqua o brina. In altre parole, il punto di rugiada diminuisce continuamente man mano che la temperatura sul lato di estrazione scende. Il vantaggio è che la formazione di brina avviene solo a temperature esterne molto più basse.

Rispetto a un rotore in alluminio semplice, il trasferimento di umidità può avvenire solo quando l'aria di estrazione viene raffreddata sotto il punto di rugiada, permettendo la condensazione o il congelamento dell'umidità sulla superficie del rotore.

Lasciamo che sia il diagramma di Mollier a spiegare

Questo è un rotore non igroscopico, dove l'aria di estrazione viene raffreddata a umidità costante fino a una temperatura di circa 4 °C sopra il punto di rugiada. Una linea viene tracciata tra questo punto e le condizioni dell'aria esterna. Se questa linea interseca la linea di saturazione, si verifica la condensazione, come mostrato nella Figura 1. Questo metodo ha dimostrato di avere una buona correlazione con i test effettuati nei nostri laboratori. In questo diagramma, è mostrata la condizione media dell'aria di estrazione per un'efficienza termica dell'80%. Poiché la condensazione avviene a una temperatura nettamente inferiore al punto di congelamento, è prevista la formazione di brina nel rotore.

Per il rotore igroscopico, con un’efficienza di trasferimento dell’umidità simile all’efficienza termica, si forma acqua in eccesso nel rotore quando una linea tracciata tra le condizioni di ingresso dell’aria di estrazione e dell’aria di mandata interseca la linea di saturazione.

Questa tecnica del diagramma di Mollier può essere utilizzata per creare un diagramma con la temperatura limite per ogni livello di umidità dell'aria di estrazione, fissando gli altri parametri. I test nella nostra camera climatica hanno dimostrato che questo approccio è in linea con la realtà.

Con il metodo sopra descritto, è possibile creare un diagramma che mostri i limiti di acqua in eccesso e di formazione di brina. La temperatura dell’aria di estrazione generalmente non varia molto, quindi viene fissata a 21 °C. L’efficienza termica del rotore è del 80%, mentre l’efficienza di trasferimento dell’umidità del rotore igroscopico o a sorzione è anch'essa circa del 80%. L’umidità relativa dell’aria esterna è del 80%.

Il diagramma mostra che l'acqua in eccesso può formarsi nei rotori non igroscopici a partire da 0 °C e temperature inferiori in condizioni normali di aria ambiente, mentre in un rotore a sorzione questo avviene solo se l'umidità dell'aria interna è molto elevata. Il congelamento inizia a circa -8 °C se è presente acqua in eccesso. Il diagramma mostra anche che il rotore a sorzione può operare a temperature esterne significativamente più basse e con umidità interna più alta senza problemi di acqua in eccesso, rispetto a un rotore in semplice alluminio.

I fattori principali che influenzano la condensazione e il congelamento sono l'umidità dell'aria di estrazione e la temperatura dell'aria esterna, ma anche la temperatura dell'aria di estrazione e l'efficienza del rotore giocano un ruolo importante, rendendo complessa la determinazione del rischio di congelamento.

Sbrinamento

L'acqua in eccesso negli scambiatori di calore rotativi di solito non rappresenta un problema nella maggior parte delle applicazioni negli edifici, poiché la piccola quantità di acqua generata tende a evaporare quando le condizioni tornano al di sopra del limite critico. Inoltre, la formazione di ghiaccio e brina negli scambiatori di calore rotativi richiede diverse ore. Tuttavia, in periodi prolungati di freddo, ci sono due modi per affrontare il problema: riscaldare l'aria esterna o controllare l'efficienza del rotore per evitare la formazione di brina. Nel secondo caso, si può misurare la perdita di carico e avviare lo sbrinamento del rotore quando questa diventa troppo elevata, riducendo la velocità di rotazione. La temperatura dell'aria di estrazione aumenta, e la temperatura media del rotore supera il punto di congelamento.

In entrambi i casi è necessario aggiungere calore, ma i costi operativi sono sostanzialmente simili. È importante notare che, nel caso del preriscaldamento, l'aria esterna non dovrebbe essere riscaldata inutilmente, per evitare sprechi di energia.

L'efficienza termica in funzione della velocità di rotazione del rotore segue generalmente l'andamento mostrato nel diagramma a sinistra. Si osserva che le funzioni di controllo dello sbrinamento tendono a ridurre la velocità del rotore quando viene rilevato il ghiaccio. Quando il sistema di controllo rileva che il ghiaccio è scomparso, la velocità del rotore viene aumentata di nuovo. Tuttavia, è fondamentale che il rotore non si fermi completamente, altrimenti verrebbe sbrinata solo metà del rotore.

Progettazione AHU

Come discusso sopra, la presenza di umidità e formazione di brina dipende da diversi fattori, e non è facile stabilire esattamente i limiti per un determinato insieme di condizioni. Fortunatamente, il nostro programma di selezione per le unità GOLD, AHU Design, è dotato di un potente algoritmo basato sulle nostre ricerche e sui test effettuati. Calcola automaticamente i limiti e segnala eventuali rischi di umidità in eccesso o formazione di brina.

Un preriscaldatore può essere utilizzato con grande efficacia, soprattutto in condizioni estreme di basse temperature esterne combinate con aria di estrazione umida, quando il rotore può essere sommerso da acqua in eccesso. In questo caso, potrebbe essere difficile sbrinare solo regolando la velocità del rotore. Il preriscaldatore aumenta la temperatura media del rotore, ma riduce anche l'umidità relativa dell'aria di mandata, consentendole di assorbire più umidità. Questo significa che si evitano accumuli di acqua in eccesso e formazione di brina. Questo è illustrato nella Figura 5.

Dal diagramma di Mollier si evince che non è necessario riscaldare troppo l'aria per evitare l'accumulo di acqua e la formazione di brina. Ciò significa che è possibile utilizzare una fonte di calore a bassa temperatura, come una sonda geotermica, con il vantaggio che può essere utilizzata anche per il raffreddamento in estate. Naturalmente, è necessario proteggere il fluido dal congelamento!

Poiché il dispositivo di riscaldamento verrebbe utilizzato solo per poche ore all'anno, un riscaldatore elettrico potrebbe risultare una soluzione più conveniente, grazie ai minori costi di installazione. Ne parleremo più approfonditamente in seguito.