МАШИНОСТРОЕНИЕ

ПЕРИОДИЧЕСКИ ДЕЙСТВУЮЩИЕ РЕГЕНЕРАТИВНЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ

Поверхность насадки периодически дей­ствующих регенеративных теплообменников попеременно омывается то первичным (горя­чим), то вторичным (холодным) теплоносите­лем, т. е. попеременно является тепловоспри- нимающей и теплоотдающей. Время, за кото­рое происходит нагревание насадки и охлаж­дение первичного теплоносителя Tj, называет­ся периодом нагрева, а время, за которое про­исходит охлаждение насадки и нагревание вторичного теплоносителя І2, - периодом охлаждения. Время, в течении которого проис­ходят нагрев и охлаждение насадки, называют

Полным циклом, или ПерИОДОМ тпер = т| +і2-

Периоды нагревания и охлаждения насадки продолжаются от нескольких минут до не­скольких часов.

В отличие от рекуператоров регенерато­ры работают в условиях нестационарного теп­лового процесса, т. е. происходит изменение во времени как температуры стенки в период на­гревания и охлаждения, так и температуры теплоносителей.

Основные конструкции регенератив­ных теплообменников периодического дей­ствия. Эффективность работы регенератора определяет его насадка. В регенераторах воз - духоразделительных установок и холодильно - газовых машинах применяют в основном на­садки следующих типов: диски из алюминие­вой гофрированной ленты (рис. 4.2.2, а)\ насып­ную из базальта или кварцита в виде гранул диаметром 4... 14 мм; сетчатую (рис. 4.2.2, б) из материала высокой теплопроводности (меди, латуни, бронзы).

При намотке дисков используют две алюминиевые ленты, которые складываются так, чтобы гофры были направлены под углом друг к другу, образуя извилистые каналы, ин­тенсифицирующие процесс теплообмена. Не­достаток таких насадок - повышенное гидрав­лическое сопротивление.

Меньшее сопротивление создает насадка, состоящая из параллельно размещенных пла­
стин 5 с равномерно расположенными канала­ми в виде усеченных пирамид 6 (рис. 4.2.2, в), или насадка, выполненная в виде пористых элементов (гранул), поры которых заполнены инертным газом (рис. 4.2.2, г). Гранулы выпол­няют из металла, например свинца, размером примерно 100. ..250 мкм. Диаметр пор, запол­ненных инертным газом, находящимся в твер­дой фазе, составляет 1...10 мкм. Заполнение пористой металлической основы теплоемким инертным газом (гелием или неоном) обеспе­чивает высокую теплоаккумулирующую спо­собность насадки, необходимую для эффек­тивной работы низкотемпературной холодиль­ной машины (при температуре 20 К и ниже). Компактность насадки воздухоразделительных установок характеризуется отношением пло­щади поверхности насадки к занимаемому объему и составляет 1000...2000 m2/mj. У реге­нераторов холодильно-газовых машин ком­пактность может достигать 104... 105 м2/м3 [3].

Широко распространены и перспективны процессы теплообмена газов и жидкостей с твердыми зернистыми материалами в состоя­нии псевдоожиженного (кипящего) слоя. Пре­имуществами таких регенеративных воздухо­подогревателей являются: высокая интенсив­ность теплообмена; возможность высокотем­пературного нагрева воздуха (до 1000 °С) и относительная простота устройства.

Насадку для аппарата с неподвижным псевдоожиженным или падающим слоем вы­полняют из колец Рашига (рис. 4.2.2, е), из крошки или шариков размером 6... 12 мм, вы­полненных из каолина, оксидов алюминия, магния, циркония и др. Материал такой насад­ки должен обладать высокой удельной тепло­емкостью, быть жаро - и химически стойким, не трескаться при резких изменениях температу­ры, не испаряться, не истираться и выдержи­вать ударную нагрузку.

Для повышения теплоемкости такую на­садку изготовляют в виде гранул с плавящимся ядром (рис. 4.2.2, ж). В режиме кипящего слоя с горячим потоком происходит нагревание покрытия 10 и ядро 11 гранул начинает пла­виться. При этом от газового горячего потока отбирается дополнительное количество тепло­ты, равное скрытой теплоте плавления мате­риала ядра. После перемещения гранул в дру­гую полость, в которой они контактируют с холодным потоком газа, последний нагревает­ся, а гранулы охлаждаются. При этом происхо­дит затвердевание ядра с выделением скрытой теплоты плавления материала ядра. Таким об­разом, теплоаккумулирующая способность насадки складывается из теплоемкостей ядра, покрытия, а также из скрытой теплоты плавле­ния материала ядра.

В области высоких температур (800... 1000 °С), например в металлургической и стеклоплавильной промышленности, приме­няют регенераторы с неподвижной насадкой из огнеупорных кирпичей различной формы, ко­торые выкладываются таким образом, чтобы образовались сплошные каналы для прохода газа. Толщина кирпичей составляет 40...50 мм. На рис. 4.2.2, и показана насадка из огнеупор­ных кирпичей с выступами, которые вызывают турбулизацию газообразных потоков и, тем самым, интенсифицируют процесс.

Важную роль в аппаратах с псевдоожи­женным слоем зернистого материала играет конструкция опорно-распределительной ре­шетки, к которой предъявляют ряд требований: по равномерности распределения потока газа (жидкости) по сечению аппарата и исключению застойных зон в слое; по предотвращению про­вала твердых частиц при внезапном уменьше­нии скорости потока; по минимальности гид­равлического сопротивления; по простоте кон­струкции и удобству в эксплуатации.

Конструктивно наиболее простыми явля­ются плоские или полусотовые решетки с круглыми или продолговатыми отверстиями, которые не исключают, однако, образования застойных зон на участках между отверстиями для прохода газа (жидкости). Этот недостаток отсутствует у сотовых решеток (рис. 4.2.3, б), но они сложны в изготовлении. На рис. 4.2.3, в, г показаны схемы двух беспро­вальных решеток: первая изготовлена из пер­форированных плоских металлических листов, вторая сварена из уголков.

В аппаратах небольших размеров оправ­дало себя газораспределительное устройство в виде конусного распределения - диффузора с боковым тангенциальным вводом потока теп­лоносителя (рис. 4.2.3, д).

На практике доля живого сечения решет­ки обычно составляет 1... 10 % ее площади.

Регенеративные теплообменные аппараты в криогенной технике используются в основ­ном в воздухоразделительных установках и в холодильных газовых машинах. В регенера­тивных аппаратах воздухоразделительных ус­
тановок наряду с охлаждением прямого потока воздуха происходит его очистка от влаги и диоксида углерода путем вымораживания на насадке. В зависимости от доли получения сухих и чистых продуктов из общего количест­ва перерабатываемого воздуха применяют ре­генераторы с дисковой алюминиевой насадкой, с засыпной каменной насадкой со встроенным змеевиком либо комбинированные.

Корпус 1 аппарата с дисковой алюминие­вой насадкой выполнен из стали 12Х18Н10Т и имеет эллиптические днища (рис. 4.2.4). На­садку 2 изготовляют из гофрированной ленты высотой 50, толщиной 0,5 мм с углом наклона рифления 75° из сплава АД1М. Ленты попарно сворачивают в диски, которые укладывают на нижнюю опорную решетку и сверху поджима­ют нажимными шпильками. Для уменьшения осевой теплопроводности и улучшения эффек­тивности теплообмена в ленте делают сквоз­ные прорези длиной 89 ± 5 мм. Расстояние межд> прорезями 10 ± 1 мм. В нижней части устанавливают насадку с меньшим диаметром, а в верхней части регенератора - насадку с большим диаметром для уменьшения гидрав­лического сопротивления (так как теплый газ в верхней части регенератора имеет больший удельный объем).

Установка состоит из двух аппаратов, обеспечивающих непрерывность процесса ох­лаждения. Сжатый воздух давлением до 0,6 МПа нагревает насадку одного аппарата и охлаждается до температуры, близкой к темпе­ратуре насыщения. В это же время поток хо­лодного газа (азота) проходит через насадку другого аппарата, охлаждает ее до определен­ной температуры. Через определенный проме­жуток времени происходит переключение кла­панов. и потоки воздуха и азота будут посту­пать в другие аппараты.

В воздухоразделительных установках в качестве насалки применяют насыпную насад­ку в виде гранул и диски из алюминиевой гоф­рированной ленты 2. Ниже приведена характе­ристика насадок из гофрированной алюминие­вой ленты [6].

Методика и пример теплогидравлическо - го расчета регенераторов воздухоразделитель­ных установок изложены в [15].

В воздухоразделительных установках применяют также насыпную каменную насадку из базальта или кварцита с гранулами разме­ром 4...14 мм, основные свойства которых приведены в [6]. Регенеративный теплообмен - ный аппарат с насыпной каменной насадкой имеет корпус I (рис. 4.2.5), внутрь которого вмонтирован змеевик 2 для получения части продуктов разделения, не загрязненных приме­сями. Гранулы насадки 7 находятся сверху и снизу змеевика. Объем засыпки насадки в верх­ней части ограничен дырчатой обечайкой 11, а в нижней - конусом 6, обтянутым сеткой из коррозионно-стойкой стали. Вследствие боль­шой массы насадки заметно удлиняется время прохождения прямого и обратного потоков через аппарат, уменьшается число срабатыва­ний клапанов и упрощаются условия регулиро­вания температурных режимов. Базальт и кварцит обладают высокой прочностью, малой истираемостью и большой теплоемкостью.

Однако аппараты с насыпной насадкой менее эффективны, чем с металлической из гофриро­ванной ленты.

В регенеративных теплообменных аппа­ратах с насыпной насадкой площадь сечения для прохода газа приблизительно в 1,5 раза меньше, чем в аппаратах с металлической на­садкой из гофрированной ленты, поэтому для получения приемлемого гидравлического со­противления скорость газа, определенная в пол­ном сечении аппарата, принимается 1... 1,2 м/с. Перепад температур за период работы аппарата по прямой и обратной схемам составляет 35...45 К.

Для аппаратов холодильных машин боль­ше всего подходит насадка из тонкой проволо­ки ватообразной структуры или мелкой сетки из меди, латуни, бронзы или другого материала высокой теплопроводности. Коэффициент компактности такой насадки достигает 105 m2/mj. На рис. 4.2.6 приведены конструкции регенера­торов газовых холодильных машин.

В [6] приведены характеристики насадок, изготовленных из свободно уложенных, прес­сованных или спеченных сеток различных ти­поразмеров, выполненных из латуни и бронзы.

В газовых холодильных машинах фирмы Филипс (Голландия) насадкой теплообменного аппарата является тонкая скрученная медная проволока. Иногда в низкотемпературных хо­лодильных машинах применяют насадку теп­лообменного аппарата, выполненную в виде пористых элементов (гранул) шаровидной формы из свинца размером 100...250 мкм. По­ристая металлическая основа заполняется инертным газом в твердой фазе, который обес­печивает высокую теплоаккумулирующую способность насадки. Рассмотренные выше типы насадок не охватывают всего их разнооб­разия.

Тепловой расчет периодически дейст­вующих регенеративных теплообменников.

Одна из трудностей создания теории тепловых расчетов периодически действующих регене­
раторов заключается в том, что они работают в нестационарных условиях. Расчет регенера­тивных теплообменников с неподвижной на­садкой из керамических или огнеупорных ма­териалов, отличающихся низкой теплопровод­ностью и большой тепловой инерционностью, является наиболее сложным. Характер измене­ния температуры такой насадки показан на рис. 4.2.7. Наиболее точные расчеты таких теплообменников численными методами с применением ЭВМ или аналитически (в более упрощенной постановке) получают на основе совместного решения дифференциальных уравнений переноса в потоках теплоносителей и теплопроводности насадки с граничными условиями третьего рода на ее поверхности. Для многих практических случаев можно вос­пользоваться более простыми, хотя и менее точными, интегральными методами.

Конечной целью расчета регенератора является определение площади поверхности нагрева и объема насадки.

В реальных регенераторах характер из­менения температурных полей газовых пото­ков и насадки по высоте и во времени значи­тельно сложнее. Он определяется отношением полных теплоемкостей газовых потоков и теп- лофизическими свойствами насадки.

Уравнение теплового баланса (для наибо­лее распространенной противоточной схемы):

Где t{' И t'2 - средние во времени температу­ры соответственно греющего и нагреваемого теплоносителей на выходе из регенератора;

Где /]' и t'2 - температуры соответственно греющего и нагреваемого теплоносителей на входе в регенератор; W\ и W2 - полная тепло­емкость массового расхода; W = Gcp; ср - удельная теплоемкость, G - массовый

Расход теплоносителя; Г| - коэффициент акку­муляции насадки, которым учитывают сниже­ние аккумулирующей способности насадки из-за поперечного изменения температуры насадки;

,6 ,м

1н 2н .

T6-tM сті ст2

Приближенно

Л = 1 +

4я(т1+т2)'

8 - толщина кирпича, омываемого с обеих сто­рон; я - температуропроводность материала насадки; Tj - время нагрева насадки; І2 - время охлаждения насадки.

Уравнение теплопередачи

Формулы для расчета а і, а2 и R приводятся в [6, 7, 15,28, 35,47].

Для регенеративных теплообменников с металлической насадкой, элементы которой имеют малую толщину и высокую теплопро­водность, R->0 и из уравнения (4.2.2) получа­ется выражение для определения коэффициен­та теплопередачи в так называемых «идеаль­ных регенераторах»:

1 1

--- +------

A, Tj сс2т2

Q = kAtF ,

Где Q - количество теплоты, передаваемой в

Аппарате за цикл; к - средний коэффициент теплопередачи; F - площадь поверхности теп­лопередачи; At - средний температурный на­пор за цикл;

At = ---------------------- '—У-=------ (4.2.2)

T['-t'2

Понятия теплопередачи как явления пе­реноса теплоты от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку и ко­эффициента теплопередачи как меры интен­сивности этого процесса применительно к ре­генеративному теплообменному аппарату не имеют физического смысла, но их используют в моделях аппаратов с сосредоточенными па­раметрами.

Методы расчета коэффициента к осно­ваны на использовании теории рекуперативных теплообменных аппаратов для расчета регене­раторов. Средний коэффициент теплопередачи регенеративного теплообменного аппарата

-1

1

(4.2.3)

ОЦІ! сс2т2

Где aj и a2 - коэффициенты теплоотдачи соответственно для греющего и нагреваемого теплоносителей; R - термическое сопротивле­ние насадки.

При расчете ОС] следует учитывать кроме конвективного также и радиационный перенос теплоты от газов к насадке ctj =otiK+aip-

Идеальным называется такой регенератор, в котором средняя температура поверхности насадки в период нагрева и в период охлажде­ния (/^ и t™2 на Рис - 4.2.7) остается постоян­ной. Таким образом, о совершенстве регенера­тора можно судить по отличию коэффициента теплопередачи от идеального.

Приведенная методика расчета является приближенной, более точные методики пове­рочного и проектного расчетов рассмотренных теплообменников даются в [6].