Теплообмен в регенераторах

В регенераторе поверхность насадки попеременно воспринимает и отдает теплоту. В течение периода нагревания или охлаждения изменяются температуры насадки, как по толщине, так и по пути следования, причем после реверсирования регенератора или соответствующего перемещения подвижной насадки направление теплового потока в насадке изменяет знак.

Строгое физико-математическое описание и решение задачи нестационарных процессов теплообмена в регенеративных аппаратах представляют большие трудности и точных методов расчета регенераторов пока не существует. Поэтому здесь эти процессы рассматриваются с упрощающими условиями.

На рис. 4.5а изображен график изменении усредненных по времени температур поверхности насадки и теплоносителей с одинаковыми полными теплоемкостями в так называемом идеальном регенераторе, в котором средняя температура насадки за периоды нагревания и охлаждения принимается одинаковой. В этом случае график изменения средних температур теплоносителей в регенераторе ничем не отличается от графика изменений температур в рекуператоре.

Рис. 4.5 Изменение температур газов, воздуха и насадки:

а – в идеальном регенераторе, б – в действительном регенераторе.

На рис. 4.5, б показаны изменения температур газов, воздуха и насадки в действительном регенераторе по пути следования теплоносителей при условии равенства их водяных эквивалентов. Температура газов в начале периода нагревания насадки изображается кривой 3, в конце периода – кривой 1 и средняя за период нагревания – кривой 2. Температура поверхности насадки в конце периода нагревания и начале периода охлаждения представляется кривой 4, вначале периода нагревания и конце периода охлаждения – кривой 7, средняя за период нагревания – кривой 5, средняя за период охлаждения – кривой 6. Температура воздуха в начале периода охлаждения насадки изображается кривой 8,в конце периода – кривой 10и средняя за период охлаждения – кривой 9. В действительных условиях полные теплоемкости теплоносителей могут быть различными, что вызывает криволинейность графика изменения температур теплоносителем по длине насадки. Кроме того, в действительных условиях температура в любой точке поверхности насадки за период нагревания изменяется по выпуклой кривой, а за период охлаждения – по вогнутой, вследствие чего средняя температура насадки за период нагревания выше, чем за период охлаждения ее. Криволинейно изменяются и температуры теплоносителей (рис. 4.6) у рассматриваемой точки Аповерхности насадки на рис. 4.5б.

Рис. 4.6 Изменение в течение цикла локальных температур поверхностей насадки, газов и воздуха над точкой А поверхности насадки.

В периоды нагрева и охлаждения насадки температура внутренних слоев ее из-за конечной небольшой температуропроводности материала изменяется меньше, чем на поверхности. Это запаздывание проявляется в тем большей степени, чем больше толщина материала и ниже коэффициент температуропроводности. Поэтому в кирпичной насадке оно проявляется сильнее, чем в металлической.

К началу периода охлаждения насадки температура поверхности элемента выше, чем в середине его. Проходящий воздух быстро снижает температуру поверхностных слоев элемента, и температура кирпича на некоторой глубине его оказывается более высокой, чем в середине и на поверхности, т. е. отдача тепла в этот момент в разных сечениях элемента идет в разных направлениях. Через некоторое время температура в середине элемента оказывается более высокой, чем в других сечениях, и тепловом поток направляется от середины кирпича наружу.

Отношение количества теплоты, воспринятого элементом насадки, к теплоте, которая могла бы быть им аккумулировано, если бы температура всей массы элемента была одинаковой, называется коэффициентом аккумуляции или использования теплоты насадкой. В действующих кирпичных регенераторах этот коэффициент равен 0,5-0,7; для металлических насадок он близок к единице. Теоретические исследования, произведенные Гребером, показывают, что зависит от критерия Фурье

,

где -коэффициент температуропроводности для насадки, м²/с; - период нагревания, сек; R – половина толщины кирпича (при двустороннем прогреве), м.

В табл. 4.1 приводится зависимость от .

Таблица 4.1. Значения коэффициента аккумуляции тепла в зависимости от критерия .

	0,2	0,4	0,6	0,8	1,0	1,5	2,0	3,0	4,0	5,0
Коэффициент	0,18	0,25	0,31	0,37	0,42	0,54	0,64	0,78	0,86	0,9

Дата добавления: 2014-01-20