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 приведена на рис. 2.15. Переключение производится поворотом клапанов 1 и 2. Направление движения теплоносителей показано стрел­ками. Обычно переключение регенераторов производится авто­матически через определенные промежутки времени.

Рис. 2.15. Схема регенератора с неподвижной насадкой:

I – холодный теплоноситель; II – горячий теплоноси­тель

На рис. 2.16 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 ре­генератор 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.

Рис. 2.16. Схема теплообменника с движущимся твердым промежуточным теплоносителем:

1, 2 – камеры соответственно охлаждаемого и на­греваемого газов; 3 – вращающийся диск, регули­рующий подачу твердых частиц; 4 –электродвига­тель с редуктором; 5 – ковшовый элеватор; 6, 7 – коллекторы соответственно охлажденного и нагре­того газа; 8 – окна коллектора; I – холодный газ; II – нагретый газ; III – горячий газ; IV – охлаж­денный газ

Некоторые типы регенераторов приведены на рис. 2.17. На рис. 2.17, а приведена схема работы регенератора мартенов­ской печи, работающей на мазутном топливе.

Рис. 2.17. Некоторые типы регенераторов:

а – схема мартеновской печи с регенераторами; б –регенеративная насадка из огнеупорного кирпича; в – регенератор с неподвижной насадкой;г –элемент гофрированной насадкииз алюминия; д – вращающийся регенератор системы Юнгстрема; е – комбинированный вентилятор-дымосос; 1 – перекидной шибер;2 – форсунки; 3 – насадка; 5 – ротор

При положении перекидного шибера, показанном на рис. 2.17, а, воздух нагрева­ется до требуемой температуры в левой камере, при этом на­садка в ней охлаждается. 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. 2.17, 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, при этом форма кирпичей может быть обычной и специальной.

Недостатками регенераторов с неподвижной кирпичной на­садкой являются 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. 2.17, в показан регенератор с неподвижной насад­кой из алюминиевой гофрированной ленты (рис. 2.17, 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 объема насадки можно разместить алюминиевую гофрированную ленту с по­верхностью теплообмена 2000 м² , при этом разность темпера­тур насадки и теплоносителя может почти по всей длине на­садки составлять только 1–2 °С. Недостатком этого аппарата по сравнению с предыдущим является большое гидравлическое сопротивление.

На рис. 2.17, д приведен регенератор системы Юнгстрема с вращающейся металлической насадкой, получивший примене­ние на электростанциях в качестве воздухоподогревателя для использования тепла отходящих газов котельных агрегатов. Вращающаяся 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. 2.17, е показана схема еще 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.

В последнее время в нефтеперерабатывающей, нефтехимиче­ской и других отраслях промышленности, а также в энергети­ческих установках с высокотемпературными процессами, когда даже высоколегированные стали недостаточно жаро­стойки, получили применение теплообменные аппараты с непо­движным, кипящим или падающим слоем твердого жаростой­кого промежуточного теплоносителя. В этих теплообменниках нагревают воздух, газы и пары органических жидкостей до температур 1600–2000 °С, а также перегревают водяной пар.

В качестве промежуточных теплоносителей применяют твер­дые частицы и шарики из окиси алюминия, циркония, магния, из каолина, муллита и т.п. размером 8–12 мм. Материал та­кого теплоносителя должен быть жаростойким (не размягчаться и не плавиться при высокой температуре), обладать химической стойкостью (не окисляться), не трескаться и не расслаиваться при резких изменениях температуры, не истираться и выдержи­вать ударную нагрузку, обладать высокой теплоемкостью, чтобы иметь небольшой массовый расход при большой тепло­вой нагрузке и низкую стоимость.