3.1. Конструкции регенеративных теплообменных аппаратов и установок

Для повышения эффективности теплотехнологических систем, рабо­тающих в широком (до нескольких сотен Кельвинов) интервале пере­падов температуры между теплоносителями, часто оказывается целе­сообразным применение регенеративных теплообменных аппаратов.

Регенеративным теплообменным аппаратом называют устройство, в котором передача теплоты от одного теплоносителя к другому проис­ходит с помощью теплоаккумулирующей массы, называемой насадкой. Насадка периодически омывается потоками горячего и холодного тепло­носителей. В течение первого периода (периода нагревания насадки) через аппарат пропускают горячий теплоноситель, при этом отдаваемая им теплота расходуется на нагревание насадки. В течение второго периода (периода 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.3.1. Схема реге­нератора с неподвиж­ной насадкой:

I – холодный теплоноси­тель; II – горячий

Для осуществления непрерывного процесса теп­лопередачи от одного теплоносителя к другому не­обходимы два регенератора: в то время как водном из них происходит охлаждение горячего теплоносителя, в другом нагревается холодный 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. 3.1. Переключение производится поворотом клапанов (шиберов) 1 и 2. Направление движения теплоно­сителей показано стрелками. Обычно переключение регенераторов производится автоматически через определенные промежутки времени.

Главным элементом регенераторов, определяющим в основном эф­фективность их работы, является насадка. В регенераторах воздухоразделительных установок (ВРУ) и холодильно-газовых машинах (ХГМ) применяют в основном насадки следующих типов диски из алюминие­вой гофрированной ленты (рис. 3.2, а); насыпную, из базальта или квар­цита в виде гранул диаметром 4–14 мм; сетчатую (рис. 3.2,6) из ма­териалов с высокой теплопроводностью (медь, латунь, бронза).

Рис. 3.2. Некоторые типы насадок:

а – диски из алюминиевой гофрированной ленты; б – сетчатая насадка; в – насадка из пластин с сужающе-расширяющимися каналами; г – шаровая насадка; д – кирпичная насадка; е – коль­ца Рашига; ж –гранула; з – пакет пластин; и – кирпичная насадка с выступами; /–диск; 2 – лента; 3 – гофры; 4 – металлическая проволока; 5 – металлическая пластина; 6 –усеченная пи­рамида; 7 – металлические шары; 8 – поры, заполненные инертным газом; 9 – выступы; 10 – металлическое покрытие; // – ядро; 12 – пакет пластин; 13 – двусторонние выпуклости

При высоких температурах в качестве насадки применяют огнеупор­ные кирпичи различной формы. Толщина кирпичей составляет 40– 50 мм. На рис. 3.2, и показана насадка из огнеупорных кирпичей с вы­ступами, которые вызывают турбулизацию газообразных потоков и тем самым интенсифицируют теплообмен.

Насадку для аппарата с неподвижным, псевдокипящим («кипящим») или падающим слоем выполняют из колец Рашига (рис. 3.2,е), из крошки или шариков размером 6–12 мм, выполненных из каолина, оксидов алюминия, магния, циркония и т. п. Материал такой насадки должен обладать высокой удельной теплоемкостью, быть жаро- и хими­чески стойким, не трескаться при резких изменениях температуры, не испаряться, не истираться и выдерживать ударную нагрузку.

При контакте насадки (рис. 3.2,ж) в режиме кипящего слоя с горя­чим потоком происходит нагревание покрытия 10, а ядро 11 гранул 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.

На рис. 3.2, з изображена насадка, используемая в воздухоподогре­вателях системы «Юнгстрем». Она содержит пакет пластин с двусто­ронними выпуклостями в виде полусфер, расположенных в шахматном порядке по отношению к смежным пластинам.

Из применяемых в технике регенераторов можно выделить конст­рукции аппаратов, работающих в областях высоких, средних и очень низких температур. В металлургической и стеклоплавильной промыш­ленности применяют регенераторы с неподвижной насадкой из огне­упорных кирпичей. Воздухонагреватели доменных печей выделяются своими размерами. Два или несколько совместно работающих таких воздухонагревателей имеют высоту до 50 м и диаметр до 11 м, они могут назревать до 1300 °С примерно 500 000 м³/ч воздуха [102]. На рис. 3.3, а представлен продольный разрез воздухонагревателя до­менной печи с кирпичной насадкой. В камере сгорания сжигают горю­чие газы. Продукты сгорания поступают в воздухонагреватель сверху и, двигаясь вниз, нагревают насадку, а сами при этом охлаждаются и вы­ходят внизу. После переключения шибера воздух движется снизу вверх через насадку в обратном направлении и при этом нагревается. Другим примером высокотемпературного регенератора является воздухонагреватель сталеплавильной печи (рис 3.3,6). Газообразное (жидкое) то­пливо и воздух перед подачей в печь нагреваются за счет теплоты про­дуктов сгорания.

Теплообменники, работающие при высоких температурах, обычно изготовляют из огнеупорного кирпича. Недостатками регенераторов с неподвижной кирпичной насадкой являются громоздкость, усложне­ние эксплуатации, связанное с необходимостью периодических переклю­чений регенераторов, колебания температуры в рабочем пространстве печи, смещение теплоносителей во время переключения шибера.

Для среднетемпературных процессов в технике используют воздухонагреватели непрерывного действия с вращающимся ротором системы «Юнгстрем» (рис. 3.3, в). Регенеративные вращающиеся подогреватели (РВП) применяют на электростанциях в качестве воздухонагревателей для использования теплоты дымовых газов, выходящих из котлов. B ка­честве насадки в них используют плоские или гофрированные металли­ческие листы, прикрепленные к валу. Насадка в виде ротора вращается в вертикальной или горизонтальной плоскости с частотой 3–6 об/мин и попеременно омывается то горячими газами (при этом нагреваясь), то холодным воздухом (при этом охлаждаясь). Достоинствами РВП перед регенераторами с неподвижной насадкой являются: непрерывный режим работы, практически постоянная средняя температура- нагревае­мого воздуха, компактность, недостатками – дополнительный расход электроэнергии, сложность конструкции и невозможность герметичного отделения полости нагрева от полости охлаждения, поскольку через них проходит одна и та же вращающаяся насадка.

Рис.3. Некоторые типы регенераторов:

а–схема мартеновской печи с регенераторами: 1 – шибер; 2 – горелки; 3– насадка; б –возду­хоподогреватель доменной печи: 1 – теплоаккумулирующая насадка; 2 – камера сгорания; 3 – выход горячего дутья; 4 – вход воздуха в камеру сгорание; 5–вход горячего газа; 6 – вход холодного дутья; 7 –уходящие газы; в – регенеративный аппарат системы Юнгстрема; г –схема регенератора с падающей насадкой

В настоящее время в различных отраслях промышленности, когда термостойкость высоколегированных сталей недостаточна, получили применение теплообменники с неподвижным, кипящим или падающим слоем из жаростойкого твердого сыпучего теплоносителя. В таких те­плообменниках перегревают пары воды и органических жидкостей, на­гревают воздух и газы до 2000 °С.

В регенеративных теплообменниках непрерывного действия твердый теплоноситель перемещается при помощи механических ковшовых эле­ваторов, виброподъемников или пневматических устройств.

Рассмотрим работу РВП с падающим слоем твердого теплоносителя, применяемого иногда для глубокого охлаждения дымовых газов в кот­лах (рис. 3.3,г). Регенератор имеет камеры нагрева 1 и охлаждения 2 с установленными в них жалюзийными решетками 3, образующими вертикальный расширяющийся по ходу потока канал 4, подключенный к бункеру 5 подачи промежуточного сыпучего теплоносителя. Греющий газ, отдавая свою теплоту промежуточному теплоносителю, поступаю­щему из бункера 5, охлаждается до температуры выше точки росы, т. е. до корроззионнобезопасного уровня. Нагретый теплоноситель ссы­лается в камеру охлаждения, отдает теплоту воздуху и через подъем­ник 6 снова попадает в бункер. В теплообменнике загрузочный и раз­грузочный штуцера должны быть всегда заполнены сыпучим теплоноси­телем для исключения перетекания газа из камеры охлаждения в каме­ру нагрева и обратно.