2.11. Регенеративные теплообменные аппараты

Регенеративными называются такие теплообменные аппараты, в которых процесс передачи от горячего теплоносителя к холодному во времени разделяется на два периода. В течение первого периода через аппарат протекает горячий теплоноситель, теплота которого передается стенкам и аккумулируется в них. При этом теплоноситель охлаждается, а стенки аппарата нагреваются - это так называемый период нагревания. В течение второго периода через аппарат протекает холодный теплоноситель, который отнимает аккумулированную в стенках теплоту. При этом теплоноситель нагревается, а стенки охлаждаются - это период охлаждения.

Таким образом, в регенеративных аппаратах горячий и холодный теплоносители протекают в одном и том же канале и попеременно омывают одну и ту же поверхность нагрева. В регенераторах процесс передачи тепла нестационарен. По мере нагревания и охлаждения температура стенки меняется. Вместе с изменением температуры стенки изменяется во времени и температура теплоносителя (за исключением температуры его на входе в аппарат). Кроме изменения во времени все температуры в регенераторах изменяются также и вдоль поверхности нагрева (рис. ). При таком сложном распределении температур в изменении температурного напора во времени и пространстве точный тепловой расчет регенеративных аппаратов очень затруднителен. Однако если пользоваться средними температурами за цикл, то тепловой расчет регенеративных аппаратов можно свести к расчету рекуперативных, основы которого рассмотрены выше.

Рис. . Характер изменения температуры поверхности насадки регенератора (температурное кольцо) за период нагревания стенки и период охлаждения ее

При этом в качестве расчетного интервала времени берется длительность цикла и уравнение теплопередачи примет вид:

,

где - коэффициент теплопередачи цикла, значение которого определяется выражением:

,

где - суммарный коэффициент теплоотдачи за период нагревания (с учетом излучения газов);

- суммарный коэффициент теплоотдачи за период охлаждения;

и - периоды нагревания и охлаждения;

- поправочный коэффициент, учитывающий то обстоятельство, что средние температуры поверхности за период нагревания и период охлаждения не равны между собой, , обычное значение .

Регенераторы, для которых , называются идеальными.

Дальнейший расчет регенераторов может быть произведен по формулам, приведенным выше для рекуперативных теплообменных аппаратов. Регенеративные аппараты применяются главным образом в таких отраслях промышленности, где температура уходящих газов высока и требуется высокий подогрев воздуха (например, доменное, мартеновское, коксовальное, стеклоплавильное и другие производства). В качестве аккумулирующей насадки обычно берется шамотный или силикатный кирпич, который укладывается или в виде сплошных каналов, или с промежутками в коридорном порядке, или с промежутками в шахматном порядке, кроме того, в качестве насадки применяются металлические листы, алюминиевая фольга и др. Работа регенератора зависит от многих факторов, в частности, от толщины насадки, ее теплопроводности и аккумулирующей способности, от длительности периодов, температуры теплоносителей, степени засорения и др. Длительность периодов бывает различной - от нескольких минут до нескольких часов. Наиболее часто ч . Для выбора толщины насадки также имеются широкие возможности, но для каждого аппарата имеется своя наивыгоднейшая толщина, для обыкновенных силикатных регенераторов с получасовым переключением наиболее выгодной является толщина кладки 40-50 мм.

В практических расчетах коэффициент теплопередачи цикла иногда определяется из соотношения

, Вт/м²Кцикл,

где и - коэффициенты теплоотдачи за периоды нагревания и охлаждения, Вт/м²×К;

и - периоды нагревания и охлаждения, с;

- истинная теплоемкость насадочного материала (кирпич);

- эквивалентная толщина насадки (табл.);

- плотность насадки, кг/м²;

-коэффициент аккумуляции тепла, учитывающий изменение температуры насадки в полном цикле;

- температурный коэффициент.

В этом случае:

,

где - количество тепла за цикл, Дж/цикл;

- среднелогарифмическая разность температур;

- коэффициент теплопередачи, Вт/м²×К×цикл.

Коэффициенты теплоотдачи определяются по формуле вида

.

Коэффициент теплоотдачи соприкосновением для дымовых газов и воздуха при движении их в коридорной насадке может быть определен по формуле:

,

где - скорость газа или воздуха при нормальных условиях (0 ⁰С и Па), м/с;

- эквивалентный диаметр канала, м.

В случае шахматного размещения насадки коэффициент теплоотдачи на 16 % выше, чем по формуле (108). Для суммарного коэффициента теплоотдачи необходимо еще определить значение коэффициента теплоотдачи излучением.

Для теплообменника на рис.

,

где ;

, м/с;

- плотность вещества насадки;

- плотность газа;

- эквивалентный диаметр частиц.

.

Теплообмен газ-стенка:

, Вт/м²×К,

- приведенный коэффициент теплового излучения стенки (приведенный коэффициент чернот);

- коэффициенты излучения стенки и газа;

- излучательная способность черного тела (5,67 Вт/м²×К);

- излучательная способность стенки.