Учебное пособие 800409

ских печах, работающих на газе, подогревают не только воздух, но и горючий газ, и поэтому устраивают по две камеры с насадкой с каждой стороны.

Рис. 22. Схема работы регенеративного ТОА

снеподвижной насадкой

Вкачестве насадок используют каналы, выложенные из огнеупорных фасонных деталей, располагаемых в специальном порядке для обеспечения равномерности омывания всех элементов и турбулизации потоков теплоносителей.

Недостатками регенераторов с неподвижной кирпичной насадкой являет-

ся:

- значительные геометрические размеры; - сложность эксплуатации;

- значительные колебания температуры в рабочем пространстве ТОА. Насадки из металла применяются в низкотемпературной технике, в част-

ности на станциях разделения воздуха и газовых холодильных установках. Это может быть алюминиевая лента, засыпка из базальта или кварцита, сетки из меди или латуни. Такую насадку можно компактно разместить в небольшом объеме, при этом неравномерность температуры по ходу движения ТН будет составлять не более 1-2 . Основной недостаток такой конструкции – повышенное гидравлическое сопротивление.

Существуют насадки, преставляющие собой засыпной слой, переходящий

впроцессе работы в состояние псевдоожижения (о псевдоожиженном или «кипящем» слое в гл. 5). Слой состоит из измельченных твердых частиц,

81

металлических либо неметаллических. Требования к частицам – устойчивость к истиранию и растрескиванию от перепадов температур. В настоящее время перспективными являются частицы с твердой металлической поверхностью, заполненные внутри веществом, в рабочем диапазоне температур изменяющем свое агрегатное состояние. Чаще всего плавление и кристаллизация.

Для средних температур ТН удачной оказалась конструкция с подвижной насадкой (рис. 23).

Рис. 23. Конструкция регенеративного ТОА с подвижной насадкой («Юнгстрем»)

Насадка представляет собой обечайку, разделенную внутренними непроницаемыми перегородками на секторы. Каждый сектор заполнен теплоаккумулирующей массой: металлическая лента, листы металла, сетка, прессованная стружка и т.п. При этом сверху и снизу обечайка сделана проницаемой. Вся эта конструкция помещена в цилиндрический корпус и имеет возможность вращаться вокруг своей оси. Для этого используется привод от электродвигателя.

82

В корпусе в противоположных сторонах проделаны каналы для подвода и отвода теплоносителя. Скорость вращения насадки обычно не превышает 3-6 об/мин. При этом противоположные секторы омываются соответственно горячим и холодным теплоносителем.

Достоинствами регенератора Юнгстрема являются:

-практически постоянная средняя температура воздуха на выходе из аппарата, зависящая только от температуры поступающих газов;

-компактность.

Недостатки:

-сложность конструкции;

-частичное смешение потоков газов через разделительные перегородки. В настоящее время в энергетических установках с высокотемпературны-

ми процессами получили применение теплообменники с движущимся («падающим») слоем твердого жаростойкого промежуточного теплоносителя

(рис. 24).

Рис. 24. Регенеративный ТОА с промежуточным движущимся теплоносителем

83

На рис. 24 представлена схема теплообменника с ковшовым элеватором, предложенная А.Д. Алифановым и П. Д. Лебедевым. Загрузочные и разгрузочные каналы для подачи и отвода шариков заполнены ими постоянно и служат своеобразным гидравлическим затвором, исключающим перетекание газа из камеры охлаждения в камеру нагрева и наоборот.

Вподобных ТОА перегревают водяной пар, нагревают воздух, газы и пары органических жидкостей до температур 1600 – 2000 0С. В качестве промежуточных теплоносителей применяют твердые частицы и шарики из каолина, муллита, оксида алюминия, магния, циркония и т.п. размером 8-12 мм. Материалы для изготовления промежуточного теплоносителя обладают высокой жаростойкостью, химической инертностью, способностью выдерживать колебания температур, прочностью и высокой теплоемкостью. Принцип работы подобных устройств ничем не отличается от регенераторов с неподвижной насадкой. В установках непрерывного действия твердый ТН все время перемещается при помощи механических ковшовых элеваторов, виброподъемников или пневматических устройств.

4.2.Особенности теплообмена в регенеративных ТОА

Внастоящее время точных методов описания картины теплообмена в регенераторах не существует. Это объясняется сложностью описания нестационарных процессов теплообмена. Для инженерных расчетов применяется картина с упрощающими условиями.

Врегенеративных ТОА происходит чередование циклов нагрева и охлаждения насадки. Для большинства аппаратов продолжительность периода нагрева H равна продолжительности периода охлаждения O . Элементы

насадки нагреваются и охлаждаются при постоянном тепловом потоке на поверхности элемента – граничные условия второго рода.

На рис. 25 изображен график изменений усредненных по времени температур поверхности насадки и ТН в так называемом идеальном регенеративном ТОА. Идеализация заключается в предположении равенства расходных теплоемкостей ТН. Вследствие приятых допущений средняя по времени температура поверхности насадки за период нагревания и охлаждения является одинаковой. Картина становится похожей на изменение температур ТН в рекуперативных ТОА.

В реальных условиях полные расходные теплоемкости ТН могут различными, что вызывает крнволинейность графика изменения температур ТН по насадки. Кроме того, в действительных условиях температура в любой точке поверхности насадки за период нагревания изменяется по выпуклой кривой, а за период охлаждения – по вогнутой.

84

Рис. 25. Изменение температур теплоносителей и поверхности насадки в идеальном регенеративном ТОА

На рис. 26 показаны изменения температур газов, воздуха и насадки в действительном регенераторе по пути следования теплоносителей при условии равенства их полных расходных теплоемкостей. Температура горячего ТН в начале периода нагревании насадки изображается кривой 3, в конце периода - кривой 1 и средняя за период нагревания - кривой 2. Температура поверхности насадки в конце периода нагревания и начале периода охлаждения представляется кривой 4, в начале периода нагревания и конце периода охлаждения — кривой 7, средняя за период нагревания кривой 5, средняя за период охлаждения - кривой 6. Температура холодного ТН в начале периода охлаждения насадки изображается кривой 8, в конце периода — кривой 10 и средняя за период охлаждения — кривой 9

85

Рис. 26. Изменение температур теплоносителей и поверхности насадки в реальном регенеративном ТОА

В реальных условиях полные расходные теплоемкости ТН различны. Если рассмотреть изменение температуры поверхности насадки в любой

точке А (рис. 26) и ТН над ней за время цикла нагрева и охлаждения, то получится следующая картина: температура поверхности насадки за период нагревании изменяется по выпуклой кривой, а за период охлаждения — по вогнутой (рис. 27). Криволинейно изменяются и температуры теплоносителей.

Следствием этого является то, что средняя температура насадки за период нагревания выше, чем за период ее охлаждения. Разность этих температур называется температурный гистерезис насадки

86

.

Рис. 27. Изменение температур поверхности насадки в точке А и теплоносителей над ней за время нагрева и охлаждения

Каждый элемент насадки реального регенератора всегда аккумулирует меньшее количество тепла, чем теоретически возможно. Это объясняется наличием внутреннего теплового сопротивления: коэффициенты теплопроводности и температуропроводности имеют конечные значения. Температура поверхности насадки изменяется быстрее температуры средней части элемента насадки. На рис. 28 представлено распределение температур внутри элемента при двустороннем нагреве. Площадь заштрихованной части 1-5-2-3-6-4 геометрически отображает количество принятого тепла, площадь же всего прямоугольника 1- 2-3-4 максимально возможное количество тепла.

87

Рис. 28. Распределение температур внутри элемента насадки при двустороннем нагреве

Отношение количества тепла, воспринятое элементом насадки, к теплу, которое могло бы быть им аккумулировано, если бы температура всей массы элемента была бы одинаковой, называется коэффициентом аккумуляции тепла или коэффициентом использования тепла насадкой :

Эту величину можно определить из соотношения [3, 10]:

R - половина толщины насадки (при двустороннем прогреве), м.

88

Изменение температур поверхности tП и средней части tСР насадки в сечении произвольно выбранной точки А и изменение температур теплоносителей tГ , tX над этой точкой в зависимости от времени при нагреве Q и охлаждении Q представлены на рис. 29.

Рис. 29. Изменение температур при нагреве и охлаждении насадки

Анализ формулы (123) и исследования режимов работы реальных регенеративных ТОА показывают, что при 13 температура центра насадки практически не изменяется.

Соответственно, форму, материал и геометрические размеры насадки выбирают таким образом, чтобы FoЦ 0,66.

4.3. Тепловой расчет регенеративных ТОА

Целью теплового расчета регенеративных ТОА является определение поверхности нагрева и массы насадки.

89

Методика теплового расчета регенераторов, аналогично рекуперативным ТОА, основывается на уравнениях теплового баланса и теплообмена. При этом предполагается расчет средней разности температур.

Для расчета вводится фиктивная величина - коэффициент теплопередачи за время цикла kЦ , учитывающая нестационарный теплообмен при распростра-

нении и аккумулировании тепла в насадке.

Тепло, воспринимаемое насадкой в период ее нагревания:

tГ, tНАС.Н - усредненные по объему камеры и по времени температуры горячего теплоносителя и насадки;

kH - средний коэффициент теплопередачи в период нагревания:

kH H

H - коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучением; первое слагаемое характеризует внешнее тепловое сопротивление, второе – внутреннее.

Следовательно

гдеtНАС.O - средняя температура насадки за период охлаждения.

Из принципа работы регенератора следует, что количество переданного тепла QПЕР от горячего к холодному ТН - QH QO QПЕР .

90