Регенеративные теплообменные аппараты

Регенеративные ТА нашли применение в основном в высокотемпера- турных технологических установках, ГТУ, низкотемпературных установках разделения газов и газовых холодильных машинах. Теплоаккумулирующая насадка этих аппаратов может быть подвижной и неподвижной. В последнем случае для получения непрерывного процесса теплообмена от одного тепло- носителя к другому необходимы два аппарата (см. рис. 1.1, б). При подвиж- ной насадке процесс теплообмена происходит в одном аппарате (см. рис. 1.1, в).

Область применения и температурный уровень теплоносителей предо- пределяют 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 ºС) после различных печей применяют аппараты с неподвижной насадкой из огнеупорного кирпича, ко- торый выкладывают таким образом, чтобы образовались сплошные каналы для прохода газа. Для интенсификации теплообмена кирпичная кладка на- садки имеет выступы. Преимуществами аппаратов с кирпичной насадкой яв- ляются простота и возможность достижения высоких температур подогрева воздуха, а недостатками – громоздкость, сложность эксплуатации ввиду не- обходимости переключения аппарата, изменения температуры нагреваемого воздуха в течение цикла.

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

В области средних температур (250…400 ºС) для подогрева воздуха используются вращающиеся регенеративные ТА, роторы которых имеют ме- таллическую насадку, или аппараты с «падающим слоем».

Горизонтальные и вертикальные вращающиеся регенеративные ТА от- носятся к аппаратам непрерывного действия, они более компактны и харак- теризуются более интенсивным теплообменом. Ротор 4 регенеративного по- догревателя воздуха в мощных ГТУ с насадкой 3 в виде набора сеток из кор- розионно-стойкой проволоки диаметром 0,3…0,4 мм вращается в статоре 5 (рис. 1.25). С помощью радиальных перегородок ротор разделен на секторы, чем достигается отделение потоков газа и воздуха. Схема движения воздуха и газа противоточная, хотя каждая среда имеет сначала осевое направление, затем радиальное и, проходя через насадку ротора, или нагревает ее, или вос- принимает теплоту. Благодаря такому удлинению пути потоков увеличивает- ся скорость в каналах насадки, коэффициент теплоотдачи достигает значений

300…400 Вт/(м2·К) при частоте вращения ротора 20…30 об/мин. Следует от-

метить, что в регенеративных воздухоподогревателях котлов с частотой вра- щения ротора 2…10 об/мин, имеющих насадку из гофрированных металли- ческих листов с каналами треугольного и квадратного сечений, значения ко- эффициентов теплопередачи составляют лишь 9…14 Вт/(м2·К). Во избежа- нии перетечек воздуха и газа в конструкции предусмотрены внутренние 1 и наружные 2 уплотнения.

Рис. 1.25. Схема вращающегося регенеративного подогревателя воздуха ГТУ

В транспортных ГТУ мощностью до 1 МВт был использован регенера- тивный ТА с дисковым ротором карманного типа (рис. 1.26). Несущая и теп- лопередающая функции ротора разделены. Каркас диска образован массив- ными боковыми полотнами 2, связанными поперечными каркасными рамка- ми. В полотнах прорезаны отверстия, в которые вставлены стаканы 3, обра- зующие сквозные цилиндрические окна – карманы. В каждый карман поме- щен рабочий элемент 8 насадки, представляющий собой усеченный корпус из многослойной плетеной сетки из коррозионно-стойкой стали. Поскольку рабочие элементы имеют очень небольшую площадь контакта с металличе- скими конструкциями ротора, то эти конструкции оказываются мало подвер- женными действию резко изменяющихся температур. Температура опорных поверхностей уплотнения 5 в рабочем режиме превышает 400 ºС, что позво- ляет изготовлять их из графита.

Рис. 1.26. Схема вращающегося регенеративного ТА с дисковым ротором карманного (сотового) типа: В – воздух; Г – газ

Вследствие небольших температурных деформаций диска 6 зазоры раскрываются незначительно, что повышает работоспособность уплотнений и приводит к снижению утечек воздуха. Уплотнения 5 установлены на опор- ных рамках и прижаты к боковым полотнам диска с двух сторон. Опорная рамка имеет периферийную часть и поперечную балку, разделяющую полот- но диска на газовый Г и воздушный В секторы. Диск 6 насажен на централь- ный вал 4, закрепленный в подшипниках с помощью сферического шарнира

9. На периферии ротора выполнен кольцевой фланец 7, на обоих сторонах которого установлены антифрикционные кольцевые накладки 1, взаимодей- ствующие с опорной кольцевой дорожкой 10 в корпусе. Кольцевой фланец с антифрикционными накладками уменьшает термическую деформацию рото- ра, устраняет перекос уплотняемых поверхностей и препятствует раскрытию зазоров уплотнений. Компактность насадки составляет 4.000…5.000 м2/м3.

Следует отметить, что при создании вращающихся регенеративных ап- паратов для ГТУ главной проблемой остается повышение надежности работы уплотнений с целью снижения утечек теплоносителей. При давлении воздуха перед ТА 0,3…0,5 МПа утечки составляют примерно 3…5 % расхода воздуха на входе, что эквивалентно снижению мощности двигателя на 3…5 % и уве- личению расхода топлива на 6…15 %.

В регенеративных ТА воздухоразделительных установок (ВРУ) наряду с охлаждением прямого потока воздуха происходит его очистка от влаги и двуокиси углерода посредством вымораживания на насадке. Установка со- стоит из двух аппаратов, обеспечивающих непрерывность процесса охлажде- ния (рис. 1.27). Установка работает следующим образом. Сжатый воздух давлением до 0,6 МПа нагревает насадку аппарата 1 и охлаждается до темпе- ратуры, близкой к температуре насыщения. В это же время поток холодного газа (азота) проходит в насадку 2 аппарата, охлаждает ее до определенной температуры. Через определенный промежуток времени происходит пере- ключение клапанов и поток воздуха будет поступать в аппарат 2, а азот в ап- парат 1. В ВРУ в качестве насадки применяют насыщенную насадку в виде гранул и диски алюминиевой гофрированной ленты 3.

Рис. 1.27. Переключающая воздухоразделительная установка: В – воздух; А - азот

Корпус выполняется сварным из листовой хромоникелевой стали тол- щиной 10…12 мм; между решетками укладывают диски из гофрированной ленты и всю конструкцию стягивают болтами.

В газовых холодильных установках регенеративные ТА компонуют в блоке с холодильной машиной, поэтому ТА должен быть очень компактным. Для ТА холодильных машин больше всего подходит насадка из тонкой про- волоки ватообразной структуры или мелкой сетки из меди, латуни, бронзы

или другого материала высокой теплопроводности. Коэффициент компакт- ности такой насадки достигает 105 м2/м3.

Теплоносители

Выбор теплоносителей определяется назначениями ТА, условиями его эксплуатации, а также теплофизическими свойствами теплоносителей, их доступностью, стабильностью в процессе длительной эксплуатации и др.

В однофазной области теплоносители разделяют на упругие (газы) и капельные жидкости. С точки зрения теплового и гидравлического расчета ТА принципиального различия между ними нет.

Из теплофизических свойств теплоносителей наиболее важными явля- ются те, которые определяют интенсивность теплоотдачи в каналах ТА.

Плотность и теплоемкость являются весьма важными показателями. Теплоносители более высокой плотности и теплоемкости позволяют при не- больших перепадах температур между стенкой и жидкостью отвести или подвести большие тепловые потоки. С этой точки зрения вода имеет значи- тельные преимущества по сравнению с теплоносителями меньшей плотно- сти, например, с воздухом и газами.

Теплопроводность существенно влияет на интенсивность теплоотдачи. Чем больше теплопроводность при прочих равных условиях, тем выше ко- эффициент теплоотдачи в каналах ТА. Жидкие металлы, обладающие высо- кой теплопроводностью, имеют преимущества по сравнению с водой и газо- выми теплоносителями, у которых теплопроводность невелика.

Вязкость зависит от химической природы теплоносителя, давления и температуры. Она существенно влияет на теплообмен и гидравлическое со- противление. При высокой вязкости при прочих равных условиях задержива- ется переход от ламинарного к турбулентному режиму течения жидкости. Вязкость сильно зависит от температуры и с ее увеличением повышается.

Число Прандтля Рr=ν/а характеризует теплофизические свойства теп- лоносителей и является одной из важнейших их характеристик.

Для воздуха и газов число Рr ≤ 1. Для воды число Рr = 13,67 ÷ 1 в зави- симости от температур (от 0 до 180 ºС). У жидких топлив, масел, кремнийор- ганических соединений и других веществ Рr = 10 ÷ 65.000, у жидких метал- лов Рr << 1. С увеличением температуры число Рr уменьшается.

Температура кипения теплоносителя должна быть сравнительно вы- сокой. В этом случае для поддержания теплоносителя в жидком состоянии не требуется заметного повышения давления.

Теплоносители должны отвечать следующим требованиям:

· быть химически стабильными, не вступать во взаимодействие с материалом теплообменника, т.е. не оказывать коррозионного и эрозионного воздействия, не должны образовывать взрывоопасных смесей при смешении с другими теплоносителями;

· обеспечивать достаточно интенсивный теплообмен в ТА, обладая высокой теплоемкостью и малой вязкостью;

· иметь хорошую термостойкость;

· быть достаточно доступными и иметь невысокую стоимость;

· отличаться малой химической токсичностью;

· иметь высокие температуры кипения и воспламенения;

· быть удобными в транспортировании, хранении и заправке;

· быть безопасными в эксплуатации.

Применяемые в технике теплоносители всем требованиям одновремен- но не отвечают.