Главная Минимаркер Железнодорожный транспорт Минимаркер Транспортная энергетика (хладотранспорт) Минимаркер Регенеративные теплообменники

Регенеративные теплообменники

Страница 15 из 22
Содержание лекции:
Теплообменные аппараты (теплообменники)

Регенеративные аппараты относятся к теплообменникам периодического действия с продолжительностью периода от нескольких минут до 2–3 часов. Процесс передачи теплоты от одного теплоносителя к другому в таких аппаратах осуществляется через поверхность попеременно нагреваемой и охлаждаемой насадки. Как правило, обе среды газообразные. В одних случаях регенераторы используют для подогрева воздуха или одновременно (но в разных регенераторах) воздуха и газообразного топлива как компонентов горения. В других случаях применяют в системах криогенной техники при разделении воздуха на составляющие компоненты, а также в некоторых технологических процессах химической промышленности. По принципу действия регенераторы делятся на аппараты с подвижной и неподвижной насадкой. Каждая из этих групп имеет свои достоинства и недостатки.

В регенераторах с подвижной насадкой в качестве насадки, образующей поверхность теплообмена, используются штампованные по разному профилю стальные (или из другого металла) листы, чугунные и стальные шары, сыпучая насадка в виде дроби, прочные керамические зерна размером от 1 до 8 мм. Из регенеративных аппаратов этой группы нашли наиболее широкое применение вращающиеся воздухонагреватели с насадкой из штампованных (гофрированных) стальных листов толщиной 0,6–1,2 мм с вертикальным и горизонтальным расположением водоохлаждаемого вала ротора. На (рис. 3.4) показан вертикальный тип аппарата, который используется в качестве воздухонагревателя для парогенератора. Цилиндрический ротор состоит из 24 секторов: через 13 секторов пропускают поток газов, через девять – поток воздуха и два сектора находятся под радиальными уплотнительными плитами. По высоте ротор генератора делится на два яруса. Пакеты холодного яруса, расположенные со стороны входа холодного воздуха и выхода газов, собирают из дистанционирующих (профильных) и гладких пластин (4) толщиной ~ 1,2 мм примерно на одной трети общей высоты ротора. Пакеты горячего яруса (со стороны выхода нагретого воздуха и входа газов) собирают из дистанционирующих и гофрированных пластин (3) толщиной ~ 0,6 мм. Вся насадка размещается между нижней и верхней решетками. Частота вращения ротора от 2 до 6 об/мин. Применяемая форма компоновки листов и каналов обеспечивает высокую степень турбулизации газового и воздушного потоков. Поверхность теплообмена в 1 м3 насадки составляет 400–500 м2, скорость газов 7–8 м/с, скорость воздуха 7–9 м/с, температура нагретого воздуха 300–350 °С.

Схема регенератора с подвижной насадкой

Рис. 3.4 – Схема регенератора с подвижной насадкой из штампованных металлических листов: 1 – корпус регенератора; 2 – вращающийся ротор; 3 – элемент насадки с горячей стороны; 4 – элемент насадки с холодной стороны

Цилиндрический корпус регенератора с двумя кромками, патрубками для присоединения газоходов и воздухопроводов и уплотнительными приспособлениями выполняют из стали.

Преимуществами регенератора с подвижной насадкой из профильных листов по сравнению с рекуперативным трубчатым подогревателем являются большая компактность, меньшая вероятность охлаждения насадки до температуры точки росы, а следовательно, она меньше подвергается коррозии со стороны входа холодного воздуха. Однако исключить полностью явление коррозии в регенераторах не представляется возможным, поэтому изыскиваются методы защиты «холодного яруса» от коррозии путем эмалирования, покрытия специальными составами, применения материалов, не подвергающихся коррозии. Надежным способом борьбы с коррозией является повышение минимальной температуры стенки регенератора со стороны входа воздуха и выхода газов на 10–15 градусов по отношению к температуре точки росы в этой зоне теплообменника.

Минимальную локальную температуру стенки приближенно можно рассчитать по формуле

190314_f28

где t1, α″1 – температура газов и коэффициент теплоотдачи с газовой стороны на выходе из регенератора; t2, α′2 – то же со стороны воздуха при входе в регенератор.

В случае, когда температура холодного воздуха не удовлетворяет этим условиям, необходимо повысить температуру на входе в регенератор, применяя рециркуляцию горячего воздуха или предварительный подогрев в калориферах перед регенератором.

Задаваясь температурой воздуха на входе в регенератор t2см после смешения двух потоков из условия t2см = tс, min + (10 – 12) град, долю нагретого воздуха п, отобранного на рециркуляцию, можно определить из уравнения смешения

схв·tхв + п·с2·t2 = (1 + пс2см·t2см, (3.29)

где схв, tхв – теплоемкость и температура холодного воздуха;

с2, t2 – теплоемкость и температура горячего воздуха, поступающего на смешение;

с2см, t2см – теплоемкость и температура смеси, поступающей в регенератор.

Следует отметить, что при работе воздухоподогревателя наблюдается большой переток воздуха из воздушной зоны в газовую (от 12 до 15%), что вызывает необходимость выбирать дутьевые вентиляторы и дымососы с завышенной производительностью. В регенераторах подобного типа наблюдается небольшое изменение температур насадки в направлении вращения ротора, насадка имеет достаточно большой коэффициент аккумуляции, близкий к единице (физическая сущность коэффициента будет рассмотрена ниже). Учитывая эти соображения, для вращающихся регенераторов можно применить такой же метод расчета, как и для рекуперативных теплообменников. Некоторое отличие вследствие нестационарности процесса по окружности ротора рекомендуется учитывать общим коэффициентом использования поверхности теплообмена.

С учетом долей поверхности теплообмена, обтекаемых дымовыми газами Fг и воздухом Fв,

190314_f29

где х1 = Fг/F – относительная доля площади поверхности с газовой стороны;

х2 = Fв/F – то же со стороны воздуха;

F – полная площадь поверхности теплообмена, принятая равной двусторонней площади поверхности пластин (насадки);

φ – опытный коэффициент использования поверхности.

Коэффициент теплоотдачи конвекцией α1 ≈ α 2 для вращающихся регенеративных воздухонагревателей с насадкой типа, изображенного на (рис. 3.4), определяют по формулам:

при Re ≤ 5200

190314_f30

при Re > 5200

190314_f31

где λ, v, Pr, w – рассчитывают по средней температуре теплоносителя;

dэ – эквивалентный диаметр, м; dэ = 4f/П ≈ 2b; f – площадь сечения канала, м2; b – ширина щели между листами, м.

Уравнения теплопередачи и теплового баланса записывают обычным способом, как и для рекуперативных теплообменников (формулы 2.10 и 2.8, смотрите в предыдущих лекциях), но с учетом присоса в зону газового потока воздуха через неплотности.

К регенеративным аппаратам с подвижной насадкой относятся и теплообменники с насыпным движущимся слоем. Широкий диапазон конечных температур нагреваемой среды позволяет использовать такие регенераторы для подогрева воздуха в системах МГД генераторов, промышленных печей, парогенераторов. Результаты многих исследований свидетельствуют о высокой тепловой эффективности аппаратов, особенно с поперечно продуваемым слоем, благодаря достаточно равномерному распределению газов и воздуха по сечению движущегося слоя.

На (рис. 3,5, а) приводится схема высокотемпературного воздухонагревателя, предложенного Институтом «Тепломассообмена» АН БССР, при противоточно-комбинированном движении газа и воздуха и многократном перекрестном токе газа (воздуха) и насадки в каждой камере, разделенной вертикальными перегородками на секции. При поперечной продувке регенератор обеспечивает равномерное распределение газа и воздуха по сечению движущегося слоя. Многоходовое движение теплоносителей повышает эффективность аппарата, позволяет организовать глубокое охлаждение газов и подогрев воздуха до высоких температур. Передвигается насадка раздельно по каждой секции. Для предотвращения уноса мелкой насадки на выходе газов и воздуха устанавливают механические пылеуловители.

Схемы регенераторов с зернистой насадкой

Рис. 3.5 – Схемы регенераторов с зернистой насадкой: а – с кольцевым поперечно продуваемым слоем; б – дробепоточного: 1 – камера охлаждения газов; 2 – перепускной канал с уплотнительным слоем; 3 – камера нагрева воздуха; 4 – жалюзийная решетка; 5 – отвод транспортирующего воздуха; 6 – бункер сбора насадки; 7 – распределительные перегородки

Предлагаются к внедрению регенераторы с движущейся насадкой в виде металлической дроби или шаров, а также вращающиеся воздухонагреватели с шаровым слоем. На (рис. 3.5, б) дана схема дробепоточного регенеративного воздухонагревателя. В качестве насадки используется чугунная дробь диаметром 3–5 мм. Толщина слоя 30–50 мм. Скорость движения дроби примерно 0,05–0,08 м/с. Газы и воздух проходят сквозь движущийся слой. Подача дроби из нижней части теплообменника в верхний бункер производится элеватором. Воздух подогревается до 300–320 °С. Поверхность теплообмена в 1 м3 насадки составляет 486 м2, гидравлическое сопротивление по газовой стороне 400–420, по воздушной – 380 Па.

Регенераторы с неподвижной насадкой применяют как при низких температурах теплоносителей, например в криогенной технике, при разделении воздуха, так и при очень высоких температурах, а именно для подогрева компонентов горения в доменных процессах, мартеновских, стекловаренных и нагревательных печах, а также в системах МГД генераторов. Основным элементом регенератора является насадка. Для каждой нагреваемой или охлаждаемой среды должны быть установлены два или более регенератора. В условиях эксплуатации один из аппаратов находится в стадии нагрева насадки, а другой – в стадии ее охлаждения.

В качестве примера рассмотрим регенераторы, устанавливаемые за мартеновскими, стекловаренными и крупными нагревательными печами. Греющей средой в таких аппаратах являются отходящие из печи высокотемпературные продукты сгорания топлива, а нагреваемой – воздух или газообразное топливо с низкой и средней теплотой сгорания. Периоды нагрева и охлаждения насадки для этих печей (кроме доменных и МГД генераторов) равны: τн = τохл = τ. Через определенные интервалы времени необходимо производить изменение направления движения греющей и нагреваемой среды (перекидку клапанов). При этом насадка, находящаяся в стадии нагрева в интервале ∆τ1, будет охлаждаться в интервале ∆τ2, а насадка, находящаяся в стадии охлаждения в интервале ∆τ1, будет нагреваться в интервале ∆τ2. Изменение направления движения воздуха и газа приводит к перемещению фронта горения с одной стороны рабочей камеры печи на другую (рис. 3.6). Следовательно, на некоторое время прекращается подача топлива, снижается температурный уровень в печи, уменьшается тепловой поток на металл, поэтому, казалось бы, необходимо поддерживать максимально возможную продолжительность полуцикла, чтобы сократить количество перекидок. Но в то же время увеличение продолжительности полуцикла приводит к возрастанию температуры и энтальпии отходящих газов за нагреваемой насадкой, к увеличению потерь тепла с отходящими газами. Одновременно при длительном охлаждении насадки на другой стороне печи понижается температура и энтальпия воздуха, поступающего в печь, что, естественно, вызывает снижение температурного уровня в рабочей камере и уменьшение теплового потока на металл. Необходимо также отметить, что при одновременном нагревании в двух парах регенераторов воздуха и газообразного топлива при каждой перекидке клапанов часть газообразного топлива и нагретого воздуха, находящегося в насадке и соединительных боровах, выбрасывается в дымовую трубу.

Схема регенератора с неподвижной насадкой

Рис. 3.6 – Схема регенератора с неподвижной насадкой для высокотемпературной печи: 1 – камера печи; 2 – регенератор с неподвижной насадкой для воздуха; 3 – регенератор для газообразного топлива; 4 – шибер; 5 – клапан; 6 – лебедка; 7 – дутьевой вентилятор; 8, 9 – варианты кирпичной насадки

Определяя наивыгоднейшую продолжительность полуцикла, необходимо учитывать и возможное загрязнение насадки в условиях эксплуатации. Известно, что загрязнение поверхности теплообмена отложениями с низкой теплопроводностью приводит к уменьшению аккумуляционной способности насадки, а следовательно, и к снижению температуры воздуха, поступающего в печь.

Рассматривая одновременно все условия работы насадки для каждого конкретного случая, можно определить оптимальную продолжительность между перекидками клапанов τопт. Для упомянутого типа печей это время колеблется примерно от 6 до 30 минут.

Регенеративная насадка в регенераторах такого типа выполнена из динасовых, форстеритовых и шамотных огнеупоров, ее можно длительно эксплуатировать при высокой температуре, достигающей 1350 °С. Для получения необходимой поверхности теплообмена простой или фасонный кирпич укладывают в виде решетки. Причем для некоторых регенераторов профиль и живое сечение решетки могут изменяться по высоте регенератора.

В рассматриваемых теплообменниках воздух нагревается до 1000–1250 °С, а газообразное топливо – до 400–600 °С. Высокотемпературный подогрев компонентов горения является определяющим фактором при применении регенераторов с кирпичной насадкой в огнетехнических процессах.

Тепловой расчет регенератора с неподвижной насадкой

Тепловым расчетом регенератора с неподвижной кирпичной насадкой определяют необходимую поверхность теплообмена, массу и габаритные размеры выбранного типа насадки. С точки зрения теплопередачи работа регенератора представляется периодическим, регулярно повторяющимся двусторонним нагревом и охлаждением кирпича толщиною δ = 2r при режиме с постоянным тепловым потоком qп = const. Характер изменения температур при длительной работе регенератора, то есть когда qпτ1 = qвτ2, где τ – время полуцикла, показан на рисунке 3.7, б. Насадка в центре регенератора нагревается медленнее, чем на поверхности. Это объясняется тепловой инерцией, вызванной тепловым сопротивлением кирпича r/λ. Изменение температур за полуцикл τ в центре насадки меньше, чем на поверхности.

На (рис. 3.7, а) дано распределение температур в насадке в конце периода нагрева и охлаждения. Эти кривые являются предельными. Изотермы для любого другого момента времени будут занимать промежуточное положение.

График изменения во времени температур в кирпичной насадке

Рис. 3.7 – График изменения во времени температур в кирпичной насадке регенератора при qп = const

При постоянной температуре греющей среды на входе в насадку tг = const в период нагрева τ1 температура ее на выходе будет возрастать t1 (τ) вместе с увеличением температуры поверхности кирпича tп (τ), а при охлаждении насадки температура нагреваемой среды воздуха на выходе из регенератора понижается с уменьшением температуры поверхности. Рассмотрим метод расчета парного регенератора, в котором период нагрева и охлаждения насадки равны τ1 = τ2 = τ, а общая продолжительность цикла будет τц = 2τ. Исходными соотношениями для вывода уравнения теплопередачи являются уравнения:

теплообмена продуктов сгорания топлива с поверхностью насадки

dQ = α1·(t1t1пdFdτ; (3.33)

характеризующее аккумуляционные свойства насадки

dQ = rρcdFdt; (3.34)

теплообмена поверхности насадки с воздухом

dQ = α2·(t2пt2dFdτ. (3.35)

После интегрирования при осредненных по поверхности F и во времени τ физических параметров теплоносителей и массы насадки, пренебрегая потерей теплоты в окружающую среду, получим:

190314_f32

В формулах (3.34) – (3.38):

α1 – суммарный коэффициент теплоотдачи от греющей среды (продуктов сгорания топлива) к стенке насадки на поверхности dF в интервале dτ, учитывающий конвективный и лучистый теплообмен; α1 = αк + αл;

1 – то же, осредненный по всей поверхности F в интервале τ;

α2 – коэффициент теплоотдачи конвекцией от поверхности теплообмена к воздуху, отнесенный к dF в интервале dτ;

2 – то же, осредненный по всей поверхности в интервале τ;

r – линейный размер – половина толщины плоской насадки с двусторонним обогревом;

ρ, с – плотность и теплоемкость насадки;

t1, t1п, t2п, t2 – соответственно температура греющей среды (газа), поверхности насадки в период нагрева, поверхности насадки в период охлаждения, нагреваемой среды (воздуха);

190314_f33 – средние температуры всей массы насадки в конце периода нагрева и в конце периода охлаждения или в начале периода нагрева 190314_f44;

ηа – коэффициент аккумуляции.

Коэффициентом аккумуляции ηа называется отношение изменения энтальпии насадки между периодами нагрева и охлаждения в реальных условиях к максимально возможному изменению энтальпии при условии, что температура всей массы насадки в конце периода нагрева и охлаждения будет равна температуре на поверхности, соответствующей каждому периоду:

190314_f34

Коэффициент аккумуляции зависит от числа Fo; ηа (Fo). При Fo = 0,2· ηа = 0,18; при Fo = 5· ηа = 0,9. Для кирпичной насадки ηа ≈ 0,5 ÷ 0,7.

Сгруппировав в уравнениях (3.36)–(3.38) разности температур в одной части равенства, а все остальные величины – в другой части, сложив их почленно и сделав несложные преобразования, получим:

190314_f35

Температурный напор для такого регенератора, отнесенный к циклу, рассчитывается как среднелогарифмическая величина:

190314_f36

Коэффициент теплоотдачи за цикл χ, Дж/(м2·К·период),

190314_f37

Значение χ можно также рассчитать, воспользовавшись следующей формулой (при этом достаточно ограничиться двумя-тремя членами ряда):

190314_f38

Если τ > r2/2а, то

190314_f39

Расчетные соотношения для коэффициента теплоотдачи конвекцией берут из справочной литературы по теплопередаче. В специальной литературе для расчета αк иногда рекомендуются эмпирические соотношения: для насадки коридорного типа, например,

190314_f40

где w0 – скорость газа или воздуха при нормальных условиях, м/с;

dэ – эквивалентный диаметр ячейки, м;

φt – коэффициент, учитывающий поправку на изменение физических параметров теплоносителей;

190314_f41

В высокотемпературных регенераторах коэффициент теплоотдачи χ рассчитывают отдельно для верхней и нижней части насадки с последующим осреднением тем или иным способом, но чаще всего берут среднеарифметическую величину.

Для определения габаритных размеров регенератора к уравнению теплопередачи (3.40) необходимо добавить уравнения изменения энергии теплоносителей:

190314_f42

где Vг и Vв – объем газа и воздуха соответственно.

Следует отметить, что tг и tв – переменные во времени величины, поэтому в равенства (3.47) и (3.48) необходимо подставлять средние их значения аналогично температурам теплоносителей в рекуператорах периодического действия. В результате решения этих уравнений находят поверхность теплообмена F и высоту насадки h при заданном или принятом поперечном сечении насадки f. Затем уточняют стройность насадки 190314_f43 для регенераторов нагревательных и мартеновских печей kр ≈ 1÷1,2.


© 2013 - 2017 Учебно-образовательный портал "Все лекции"
Материалы, представленные на страницах нашего сайта, созданы авторами сайта, присланы пользователями, взяты из открытых источников и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Все авторские права на материалы принадлежат их законным авторам.
Разработка сайта - Скобелев Алексей





Яндекс.Метрика