Рекуператоры и регенераторы

Наибольшее применение в промышленности находят рекуперативные теплообменники, которые по взаимному направлению движения теплоносителей разделяют на прямоточные, противоточные, с перекрестным и смешанным током. По принципу взаимодействия теплоносителей различают системы: жидкость - жидкость, пар - жидкость, газ - жидкость, пар - пар и газ - газ. По конструктивным признакам рекуперативные теплообменники подразделяются на змеевиковые, трубчатые, "труба в трубе", кожухотрубные, спиральные, пластинчатые и специальные.

Змеевиковые теплообменники (рис. 1) чаще всего применяют в виде элементов реакционной аппаратуры, ректификационных колонн, дефлегматоров, резервуаров и подогревателей сырья. Змеевики изготавливают из труб черных и цветных металлов и располагают в сосудах. Область применения весьма широка, так как они могут работать под значительным давлением.

Наиболее простым является металлический радиационный трубчатый рекуператор (рис. 2). Внутренняя труба проводит горячие отходящие газы, а в наружной трубе подогревается холодный атмосферный воздух, который затем подается в технологический процесс.

Следующим типом широко применяемых рекуператоров являются конвективные воздухотрубные рекуператоры (рис. 3). Они представляют собой пучок труб, присоединенных к коллекторам. Их применение, благодаря поперечному обтеканию труб греющей средой, энергетически более выгодно, чем продольное. Они могут изготовляться из прямых и – U-образных труб (рис. 3 а, б).

Керамические рекуператоры (рис. 4) применяются при температурах отходящих газов выше 1100 °С. Однако они имеют низкий коэффициент теплопередачи и громоздки.

Для повышения эффективности теплопередачи используются различные комбинации рекуператоров радиационного и конвективного типов, причем рекуператор конвективного типа всегда следует за высокотемпературным рекуператором радиационного типа.

Простыми по устройству являются рекуператоры типа "труба в трубе" (рис. 5). В наружную трубу 2 вставлена внутренняя труба 1 меньшего диаметра. Теплообмен осуществляется через стенку внутренней трубы от жидкости (или пара, или газа), протекающей внутри этой трубы, к жидкости, омывающей наружную ее поверхность и протекающей, как правило, в противоположном направлении внутри внешней трубы 2. Такой теплообменник может быть изготовлен и в секционном исполнении. Секции можно включать последовательно (рис. 5) и па­раллельно.

При большом количестве отходящего тепла необходимо использовать кожухотрубные рекуператоры. Они применяются для теплообмена между паром и водой, газом и жидкостью, жидкостью и жидкостью. Кожухотрубный рекуператор (рис. 6) состоит из кожуха и пучка труб, закрепленных в решетках для создания двух поточных каналов. Первый канал находится в межтрубном пространстве и предназначен для нейтральных сред, а второй, полученный из проходного сечения труб, предназначен для растворов жидкостей, способных загрязнять внуренние поверхности труб. Кожухотрубные теплообменники имеют следующие типы: ТН - теплообменники с неподвижными решетками; ТК - с температурным компенсатором на кожухе и жестко закрепленными трубными решетками; ТП - с плавающей головкой, жестким кожухом и одной жестко закрепленной трубной решеткой; ТУ - с U-образными трубами, жестким кожухом и жестко закрепленной трубной решеткой; ТС - с сальником на плавающей головке, жестким кожухом и одной жестко закрепленной трубной решеткой. Теплообменники типов ТН и ТК могут быть собраны в блоки, состоящие из нескольких горизонтальных аппаратов.

Пластичные теплообменники блочные сварные предназначены для подогрева и охлаждения жидких и газообразных сред, в которых отсутствуют труднорастворимые соли. Они рас­считаны на рабочее давление до 2,5 МПа и температуру среды до 400 °С. Теплообменники состоят из сварных блоков, установленных на консольной, двухопорной или трехопорной раме между неподвижной и подвижной плитами.

Из регенераторов наибольшее применение имеют регенераторы с неподвижной и подвижной насадками. В регенераторах с неподвижной насадкой используют две (или больше) камеры, заполненных насадками из огнеупорных материалов, которые поглощают тепло из одной газообразной среды и передают его затем другой газообразной среде в результате чередования потоков отходящих газов и воздуха горения, проходящих через камеры (рис. 7). Насадки регенераторов, выполненные из огнеупорных материалов, работают в условиях высоких температур и агрессивной среды. Такие условия характерны для коксовых печей, доменных воздухо­нагревателей, стекловаренных печей, мартеновских печей и нагревательных колодцев.

Тепловое колесо представляет собой регенератор вращающегося типа. Эти аппараты начинают находить все более широкое применение. Тепловые колеса могут выполняться в виде вращающегося диска или вращающегося барабана (рис. 8). Их изготавливают из материала высокой пористости и с высокими значениями теплоемкости.

Рис. 7.8. Тепловые колеса: а - вращающийся диск, б - вращающийся барабан, ГВ - горячий воздух; ГГ - горячие газы

По мере того как диск (или барабан) медленно вращается, тепло передается ему горячими газами. При дальнейшем вращении диска (или барабана) он отдает свое тепло более холодному поступающему воздуху. Данные регенераторы обладают высоким КПД теплопередачи (до 80%). Тепловые колеса используют для обогрева помещений, утилизации тепла технологических процессов при низких и средних температурах окружающей среды, в печах для отвержения или сушки и воздухоподогревателях.