Тема 1.4. Регенеративные теплообменные аппараты
К регенераторам относится большая группа теплообменных аппаратов, в которых передача теплоты от одного теплоносителя к другому происходит посредством неподвижной или перемещающейся насадки. В качестве насадки применяют огнеупорный кирпич, металлические листы, пластины, шары, алюминиевую фольгу и т.п.
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.
Для осуществления непрерывной теплопередачи между теплоносителями необходимы два регенератора: в то время как в одном 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 приведены на рис.3-5.
Переключение производится поворотом клапанов 1 и 2. Направление движения теплоносителей показано стрелками. Обычно переключение регенераторов производится автоматически через определенные промежутки времени.
На рис. 3-6 показана принципиальная схема регенератора, движущаяся насадка в котором выполнена в виде металлических шаров.
Через регенератор 1 пропускается горячий теплоноситель, при этом насадка нагревается. Насадка непрерывно выгружается через регулирующий затвор 3 и поступает в генератор 2, через который пропускается холодный теплоноситель. Из регенератора 2 насадка поступает в ковшовый элеватор 5 и 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.
Некоторые типы регенераторов приведены на рис. 3-7, а приведена схема работы регенератора мартеновской печи, работающей на мазутном топливе. При положении перекидного шибера, показанном на рис. 3-7, а, воздух нагревается до требуемой температуры в левой камере; при этом насадки в ней охлаждаются. В это же время насадка левой камеры нагревается отходящими продуктами сгорания. Через определенное время перекидной шибер поворачивается, изменяет направление движения воздуха и горячих газов, и в последующий за этим период нагревается насадка левой камеры, а насадка правой камеры охлаждается, нагревая воздух. Одновременно с переключением шибера гасятся форсунки с левой стороны печи и зажигаются форсунки с правой ее стороны. В мартеновских печах, работающих на газе, подогревают не только воздух, но и горючий газ, и поэтому устраивают по две камеры с насадкой с каждой стороны.
На рис. 3-7, б приведена схема кирпичной насадки в которой огнеупорные кирпичи уложены в виде сплошных каналов; это наиболее распространенный на практике тип насадки, хотя, вообще говоря, типы кирпичных насадок весьма разнообразны. Толщина кирпичей, применяемых для регенеративных насадок составляет 40-50 мм; форма кирпичей может быть обычной и специальной.
Недостатками регенераторов с неподвижной кирпичной насадкой является громоздкость, усложнение эксплуатации, связанное с необходимостью периодических переключений регенераторов, и колебания температуры в рабочем пространстве печи или теплоиспользующего аппарата вследствие изменения температуры насадки в процессе теплообмена, поэтому они находят применение только при высоких температурах теплоносителей, не позволяющих использовать металлические рекуператоры.
На рис. 3-7, в показаны регенератор с неподвижной насадкой из алюминиевой гофрированной ленты (рис. 3-7, г), применяемой в холодильных установках для глубокого охлаждения азота (до –185˚С). достоинством металлической насадки по сравнению с кирпичной является большая поверхность теплообмена в небольшом объеме. Например, в 1 м3 объёма насадки можно разместить алюминиевую гофрированную ленту с поверхностью теплообмена 2000м2; при этом разность температур насадки и теплоносителя может почти по всей длине насадки составлять только 1-2˚С. недостатком этого аппарата является большое гидравлическое сопротивление.
На рис. 3-7, д приведен регенератор системы Юнгстрема с вращающейся металлической насадкой, получивший применение на электростанциях в качестве воздухоподогревателя для использования тепла отходящих газов котельных агрегатов. Врашающаяся насадка аппарата состоит из профильных металлических листов, которые, двигаясь по кругу, пересекают поочередно каналы с горячими газами, где они нагреваются и передают теплоту воздуху. Скорость вращения ротора с насадкой невелика и обычно не превышает 3-6 об/мин.
По сравнению с регенераторами с неподвижной насадкой достоинством регенератора Юнгстрема является практически постоянная средняя температура воздуха на выходе из аппарата, зависящая только от температуры поступающих в аппарат горячих газов. Компактность воздухоподогревателя Юнгстрема является также одним из его достоинств по сравнению с рекуперативными воздушными подогревателями. Недостатками регенератора Юнгстрема являются сложность конструкции и загрязнение воздуха газами.
На рис. 3-7, е показана схема ещё одной конструкции регенератора с вращающейся поверхностью нагрева. Комбинированный агрегат вентилятор-дымосос имеет поверхность нагрева в виде ротора, выполненного из полых герметичных оребренных лопаток, наполовину заполненных водой. Агрегат разделен по высоте на две части. Через нижнюю часть аппарата проходят дымовые газы и выпаривают воду, находящуюся в нижней части оребренных лопаток. Через верхнюю часть аппарата проходит холодный воздух и нагревается от стенок верхней части лопаток, заполненных паром: при этом пар в них конденсируется и стекает обратно в нижнюю часть лопаток.
Комбинированные агрегаты с вращающейся поверхностью нагрева имеют пока более низкий к.п.д., чем обычные вентиляторы и дымососы, и поэтому широкого применения не получили.