Регенеративные теплообменники

Лекция №5

Регенеративным теплообменником называется аппарат, в котором теплота передается путем попеременного контактирования двух или более теплоносителей с одной и той же поверхностью теплообмена (насадкой).

Регенеративные теплообменники с неподвижной и подвижной насадками

Главным элементов регенераторов, определяющим в основном эффективность их работы, является насадка. Теплоаккумулирующая насадка этих аппаратов может быть подвижной и неподвижной. В последнем случае для получения непрерывного процесса теплообмена от одного теплоносителя к другому необходимы два аппарата (рис. 4.1).

В течение первого периода (период нагревания насадки) через аппарат пропускают горячий теплоноситель, при этом отдаваемая им теплота расходуется на нагревание насадки и в ней аккумулируется. В течение второго периода (период охлаждения насадки) через аппарат пропускают холодный теплоноситель, который нагревается за счет теплоты, аккумулированной насадкой. Периоды нагревания и охлаждения насадки про­должаются от нескольких минут до нескольких часов.

Рис. 4.1. Схема регенератора с неподвижной насадкой:

I – холодный теплоноситель; II – горячий теплоноситель.

Для осуществления непрерывной теплопередачи между теп­лоносителями необходимы два регенератора: в то время как в одном из них происходит охлаждение горячего теплоносителя, в другом нагревается горячий теплоноситель. Затем аппараты переключаются, после чего в каждом из них процесс теплопередачи протекает в обратном направлении. Схема соединения и переключения пары регенераторов приведена на рис. 4.1. Переключение производиться переключением клапанов 1 и 2. Направление движения теплоносителей показано стрелками. Обычно переключение регенераторов производится автоматически через определенные промежутки времени.

Кирпичная насадка укладывается либо в коридорном порядке, образуя ряд прямых параллельных каналов, либо в шахматном порядке, создающем каналы более сложной формы (газ, пройдя между двумя кирпичами, каждый раз встречает на своем пути другой кирпич). Шахматная укладка, турбулизируя газовый поток, интенсифицирует конвективную теплоотдачу, но вызывает рост гидравлического сопротивления. Металлическая насадка представляет собой круглые пакеты (диски), получаемые путем навивки тонких металлических лент с косым рифлением, причем у каждых двух соседних лент направление рифления противоположное (рис. 4.2, б).

Недостаток таких насадок – повышенное гидравлическое сопротивление. Для уменьшения сопротивления применяют насадку (рис. 4.2, г)которая состоит из параллельно размещенных пластин 1с равномерно расположенными каналами, в виде усеченных пирамид 2, или насадку, выполненную в виде пористых элементов (гранул), поры которых заполнены инертным газом. Гранулы выполнены из металла, например свинца, и имеют характерный размер примерно 100 – 250 мкм, а диаметр пор, заполненных инертным газом, находящимся в твердой фазе, составляет 1 – 10 мкм (рис. 4.2, д). Заполнение пористой металлической основы теплоемким инертным газом (гелием или неоном) обеспечивает высокую теплоаккумулирующую способность насадки, необходимую для эффективной работы низкотемпературной холодильной машины (20 К и ниже).

Рис. 4.2. Некоторые типы насадок:

а – кирпичная насадка; б – диски из алюминиевой гофрированной ленты; в – кирпичная насадка с выступами; г - насадка из пластин с сужающе-расширяющимися каналами; д – шаровые насадки; е – гранула; 1 – металлическая пластина; 2 – усеченная пирамида; 3 – металлические шары; 4 – поры, заполненные инертным газом; 5 – металлическое покрытие; 6 – ядро.

При подвижной насадке процесс теплообмена происходит в одном аппарате.

Область применения и температурный уровень теплоносителей предопределяет конструкцию регенеративного ТА и тип его насадки. В связи с этим выделяют аппараты, работающие в областях высоких, средних и очень низких температур.

В области высоких температур (800¸1000 °С) после различных печей применяют аппараты с неподвижной насадкой из огнеупорного кирпича, который выкладывают таким образом, чтобы образовались сплошные каналы для прохода газа. Для интенсификации теплообмена кирпичная кладка насадки имеет выступы. Преимуществами аппаратов с кирпичной насадкой являются простота и возможность достижения высоких температур подогрева воздуха, а недостатками - громоздкость, сложность эксплуатации ввиду необходимости переключения, аппарата, изменение температуры нагреваемого воздуха в течение цикла.

Для высокотемпературного подогрева воздуха могут быть использованы вращающиеся аппараты, роторы которых заполнены чугунной дробью или другой термостойкой насадкой.

В области средних температур (250¸400 °С) для подогрева воздуха используются вращающиеся регенеративные ТА, роторы, которых имеют металлическую насадку, или аппараты с «падающим слоем».

К регенеративным ТА относятся воздухонагреватели с шариковой насадкой – «падающий слой» или «падающая сыпучая насадка», работающие при средних значениях температуры подогрева.

В нефтеперерабатывающей, нефтехимической и других отраслях промышленности, а также в энергетических установках с высокотемпературными уровнями процессов, когда даже высоколегированные стали недостаточно жаростойки получили применение теплообменные аппараты с неподвижным кипящим или падающим слоем твердого жаростойкого промежуточного теплоносителя. В этих теплообменниках нагревают воздух, газы и пары органических жидкостей до температур 1600¸2000° С, перегревают водяной пар.

В качестве промежуточных теплоносителей применяют твердые частицы и шарики из окиси алюминия, циркония, магния, из каолина, муллита и т. п. размером 8¸12 мм. Материал такого теплоносителя должен быть жаростойким (не размягчаться и не плавиться при высокой температуре), обладать химической стойкостью (не окисляться), не трескаться и не расслаиваться при резких изменениях температуры, не истираться и выдерживать ударную нагрузку, обладать высокой теплоемкостью, чтобы иметь небольшой массовый расход при большой тепловой нагрузке и низкую стоимость. На рис. 4.2, е показана насадка в виде гранул, при нагреве покрытия 5 ядро гранул 6 начинает плавиться.

При этом от газового горячего потока отбирается дополнительное количество теплоты, равное скрытой теплоте плавления материала ядра. После перемещения гранул в другую полость, в которой они контактируют с холодным потоком газа, последний нагревается, а гранулы охлаждаются. При этом происходит затвердевание их ядра, что ведет к выделению скрытой теплоты плавления материала ядра. Таким образом, теплоаккумулирующая способность насадки складывается из теплоемкости ядра, теплоемкости покрытия, а также из скрытой теплоты плавления материала ядра.

Аппараты с насадкой из жаропрочного твердого сыпучего материала могут быть использованы и для высокотемпературного нагрева воздуха. Шариковая насадка равномерно распределяется по сечению аппарата и свободно падает вниз навстречу греющим газам, поступающим снизу со скоростью, меньшей скорости псевдоожижения зернистого материала. Нагретая наездка через уплотняющую камеру переходит вниз в воздушную камеру, распределяется равномерно по сечению и падает навстречу воздуху, нагревая его. Из воздушной камеры насадка подается в газовую камеру элеватором и процесс повторяется. Для увеличения времени пребывания сыпучей насадки в камере в ней под разными углами делают полки.

Рис. 4.3 Схема теплообменника с движущимся твердым промежуточным теплоносителем:

1 и 2 — камеры соответственно охлаждаемого и на­греваемого газов; 3— вращающийся диск, регули­рующий подачу твердых частиц; 4— электродвига­тель с редуктором; 5 — ковшовый элеватор; 6и 7 — коллекторы соответственно охлажденного и нагре­того газа; 8— окна коллектора; I — холодный газ;II— нагретый газ; III— горячий газ; IV — охлаж­денный газ.

На рис. 4.3 показана принципиальная схема регенератора, движущаяся насадка в котором выполнена в виде металлических шаров. Через регенератор 1 пропускается горячий теплоноситель, при этом насадка нагревается. Насадка непрерывновыгружается через регулирующий затвор 3и поступает в регенератор 2, через который пропускается холодный теплоноситель. Из регенератора 2насадка поступает в ковшовый элеватор 5и подается им снова в регенератор 1. Таким образом, отпадает необходимость переключения регенераторов, и теплота передается от горячего теплоносителя к холодному при помощи насадки, непрерывно циркулирующей через оба регенератора.

На рис. 4.4 представлен регенератор с падающим (плотным слоем зернистого материала),состоящий из двух последовательно расположенных камер. Проходя через верхнюю камеру, слой нагревается потоком горячих газов, а при проходе через нижнюю камеру отдает аккумулированное тепло потоку холодных газов. Охлажденная насадка непрерывно транспортируется из нижнего сборника в верхний бункер, откуда дозирующим аппаратом вновь подается в верхнюю камеру регенератора.

Рис. 4.4 Регенератор с падающим слоем зернистого материала:

1 – камера нагревания насадки; 2 – переток насадки; 3 – камера охлаждения насадки; 4 – сборник охлаждения насадки; 5 – транспорт насадки; 6 – вход и выход греющего газа; 7 – бункер охлажденной насадки.

Кроме рассмотренных применяют регенеративные ТА с «кипящим слоем». В этих аппаратах частицы зернистой насадки под воздействием потока воздуха или газа переходят в псевдоожиженное состояние и образуют взвешенный подвижной слой. Скорость потока, при которой происходит переход слоя насадки в псевдоожиженное состояние, зависит от плотности, размеров и формы частиц, а также вязкости и плотности газа. Равномерность псевдоожижения определяется не только размерами, формой твердых частиц и скоростью потока, но и конструкцией нижней распределительной решетки, площадью ее живого сечения и способом подвода газа. В аппаратах с «кипящим слоем» иногда используют гранулы, заполненные легкоплавящимся веществом. При соприкосновении гранул с горячими газами происходит нагрев металлического покрытия, и ядро гранул начинает плавиться, отнимая теплоту от горячего теплоносителя, равную теплоте плавления материала ядра. При соприкосновении с холодным потоком газа гранулы охлаждаются, материал ядра затвердевает, отдавая теплоту плавления холодному теплоносителю. Теплоаккумулирующая способность рассмотренной насадки включает в себя удельную теплоту нагрева металлического покрытия гранул и ядра в цикле нагрев-охлаждение и удельную теплоту плавления материала ядра.

Преимуществами регенеративных воздухоподогревателей с «кипящим слоем» являются: высокая интенсивность теплообмена; возможность высокотемпературного нагрева воздуха (до 1000 °С) и относительная простота устройства. К недостаткам следует отнести: возможность изменения свойств насадки (растрескивание, истирание и т.д.); абразивное изнашивание внутренних поверхностей аппарата, запыленность воздуха и газа, повышенное гидравлическое сопротивление.

Дата добавления: 2014-01-20