Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Рекуперативные и регенеративные теплообменные аппараты. Учебное пособие
.pdf
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
с неподвижной насадкой
В качестве насадок используют каналы, выложенные из огнеупорных фа-
сонных 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
в процессе 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 непро-
ницаемыми 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 ап-
парата, 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 («па-
дающим») 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,
H
O
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.
В подобных ТОА перегревают водяной пар, нагревают воздух, газы и па-
ры 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
В настоящее время точных методов описания картины теплообмена в ре-
генераторах не существует. Это объясняется сложностью описания нестационарных процессов теплообмена. Для инженерных расчетов применяется картина с упрощающими условиями.
В регенеративных ТОА происходит чередование циклов нагрева и охла-
ждения насадки. Для большинства аппаратов продолжительность периода
нагрева
равна продолжительности периода охлаждения
. 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 темпе-
ратур 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 различ-
ными, 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
.
Изменение температур поверхности насадки в точке А
Рис. 27.
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 12-3-4 максимально возможное количество тепла.
87
1 5 2 3 6 4
Ц
1,33
Fo
ЦЦ2
R
Ц Н О
c
R
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 :
. (122)
ФАКТ
Q F
МАКС 1 2 3 4
FQ
Эту величину можно определить из соотношения [3, 10]:
1
1
, (123)
a
где
Fo
- критерий Фурье насадки;
- время цикла;
a
- коэффициент температуропроводности, м2/с;
- половина толщины насадки (при двустороннем прогреве), м.
88
Изменение температур поверхности
П
t
СР
t
Г X
t , t
Q
Q
1 3
Fo 0,66
и средней части
насадки в се-
чении произвольно выбранной точки А и изменение температур теплоносителей
над этой точкой в зависимости от времени при нагреве
и
охлаждении
представлены на рис. 29.
Рис. 29. Изменение температур при нагреве и охлаждении
Анализ формулы (123) и исследования режимов работы реальных регене-
ративных ТОА показывают, что при
тически не изменяется.
Соответственно, форму, материал и геометрические размеры насадки вы-
бирают таким образом, чтобы
Ц
4.3. Тепловой расчет регенеративных ТОА
Целью теплового расчета регенеративных ТОА является определение по-
верхности нагрева и массы насадки.
насадки
температура центра насадки прак-
.
89
Методика теплового расчета регенераторов, аналогично рекуперативным
Ц
k
Г H
НАС.Н
H
k
1 1 R
H
Г H
O H
НАС.O
t
ПЕР
ПЕР
Q Q Q
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
, учитывающая нестационарный теплообмен при распростра-
нении и аккумулировании тепла в насадке.
Тепло, воспринимаемое насадкой в период ее нагревания:
где
Q k t t F
H H
t , t - усредненные по объему камеры и по времени температуры го-
Г
НАС.Н
(124)
рячего теплоносителя и насадки;
- средний коэффициент теплопередачи в период нагревания:
, (125)
k
H H
- коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучением; первое слагае-
мое характеризует внешнее тепловое сопротивление, второе – внутреннее.
Следовательно
Q
t t F
H
НАС.Н
. (126)
1 R
H
где
тепла
Аналогично для периода охлаждения:
t t F
НАС.O
Q
О
1 R
(127)
O
- средняя температура насадки за период охлаждения.
Из принципа работы регенератора следует, что количество переданного
Q от горячего к холодному ТН -
H O
.
90
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]