Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Утилизация вторичных энергоресурсов в системах ТГВ. Расчет рекуперативных теплообменных аппаратов. Учебно-методическое пособие.pdf
кожух. В трубах проходит нагреваемый поступающий воздух, а в пространстве
между трубами удаляемый, отдающий тепло воздух. В нижней части корпуса
рекуператора устанавливается штуцер для отвода конденсата, который
появляется при охлаждении удаляемого воздуха ниже точки росы. В воздухожидкостных рекуператорах, для увеличения площади соприкосновения
воздуха, устанавливается оребрение со стороны прохождения воздушного
потока.
Рекуперативные теплообменники используются в системах
теплоутилизации как воздухонагреватели, воздухоохладители,
воздуховоздушные теплоутилизаторы, конденсаторы, испарители.
По относительному движению теплоносителей рекуперативные
теплообменники разделяют на прямоточные, противоточные, перекрёстноточные и со смешанным направлением движения теплоносителей.
Если в теплообменном аппарате первичный (горячий) и вторичный
(холодный) теплоносители движутся параллельно в одном направлении, то
такая схема движения называется прямоточной (рисунок 1.2 а). Если
теплоносители протекают параллельно, но в противоположных направлениях,
то такая схема движения называется противоточной (рисунок 1.2 б). Если
жидкости движутся во взаимно перпендикулярных направлениях, то такая
схема называется перекрёстно-точной (рисунок 1.2 в). Помимо таких простых
схем движения осуществляются и более сложные, например, многократно
перекрёстно-точные (рисунок 1.2 г).
Схемы движения рабочих жидкостей в теплообменниках приведены на
рисунке 1.3.
21
а – прямоток; б – противоток;
в – перекрёстный ток; г – многократный перекрёстный ток
Рисунок 1.2 - Схемы движения теплоносителей в теплообменниках
Рисунок 1.3 - Схемы движения рабочих жидкостей в теплообменниках
На рисунке 1.4 представлены графики изменения температур
теплоносителей для различных схем движения теплоносителей.
22
а – при прямоточной схеме движения теплоносителей;
б – при противоточной;
в – при прямоточной схеме движения теплоносителей с одним
конденсирующимся теплоносителем
Рисунок 1.4 - Графики изменения температур теплоносителей по длине
теплообменника
23
1.4.1 Конструктивное исполнение рекуперативных теплообменников
Воздухонагревателями и воздухоохладителями являются оребренные
трубчатые со стороны воздуха теплообменники. В воздухонагревателях и
воздухоохладителях применяются стальные трубки и стальное или
алюминиевое оребрение. В холодильной технике при выполнении
воздухоохладителей с хладагентом хладоном нашли применение медные
трубки и латунное, медное или алюминиевое оребрение.
На рисунке 1.5 показаны трубчато-пластинчатые теплообменники, в
которых оребрение создается пластинами, насаженными на несколько трубок и
из пучка оребренных трубок.
а, б, в - трубчато-пластинчатые соответственно с коридорным,
смещенным и шахматным расположением трубок;
г, д, е - пучок оребренных трубок соответственно с коридорным,
смещенным и шахматным расположением трубок;
ж, з - оребренные соответственно круглая и плоскоовальная трубки
Рисунок 1.5 - Трубчатые теплообменники
24
Трубки в теплообменниках могут располагаться в шахматном порядке,
друг за другом (коридорное выполнение) или со смещением. Оребрение
отдельной трубки создается путем навивки на нее стальной ленты «с натягом»
(спирально навивное оребрение), путем выдавливания ребер на алюминиевом
«чулке» - трубке, которая предварительно насаживается на внутреннюю
стальную трубку (накатное биметаллическое оребрение), путем насадки
отдельных шайб на трубку. Трубки обычно подвергаются горячей оцинковке. В
воздухонагревателях и воздухоохладителях наиболее часто используются
круглые и плоскоовальные трубки.
В качестве воздувоздушных теплоутилизаторов применяются
пластинчатые и кожухотрубные теплообменники.
Пластинчатые теплообменники могут собираться из гладких пластин,
образующих плоские каналы в соответствии с рисунком 1.6. Для увеличения
площади теплообменной поверхности между гладкими пластинами
устанавливаются изогнутые пластины треугольного, U- или Побразного профиля. Гофрированные пластины, будучи собранные в один пакет
и имеющие уплотнители, образуют узкие каналы, в которые через патрубки
направляются рабочие среды. При этом происходит их чередование: один канал
заполняется источником тепла, второй - его приемником и так далее.
Рисунок 1.6 - Пластинчатые теплообменники
25
Рабочим давлением в данных теплообменниках является величина 1,6
МПа, а температура жидкостей может меняться в диапазоне от -30 до +180° С.
Они находят применение при необходимости реализовать процесс теплообмена
между жидкостями и газами для подогрева, охлаждения или конденсирования
исходной среды.
В зависимости от конструкции и степени ремонтопригодности,
пластинчатые теплообменники можно условно разделить на: разборные,
полуразборные и неразборные. Наиболее распространенной является разборная
конструкция, которая позволяет с легкостью демонтировать отдельные секции,
произвести чистку, ремонт или модернизацию.
1.4.2 Рекуперативные кожухотрубные теплообменники ТКТ
Рекуперативный кожухотрубный теплообменник-утилизатор состоит из
кожуха, в котором расположен в шахматном порядке пучок труб.
Составными элементами конструкции кожухотрубного теплообменника
являются:
- пучок труб, который размещен в собственной камере и закрепленный на
трубной решётке;
- кожух, представляющий собой камеру с трубными решётками;
- входные и выходные отверстия в камеру;
- отвод для дренажа жидкости из межтрубного пространства;
- перегородки.
Схема кожухотрубного теплообменника показана на рисунке 1.7.
Вытяжной воздух перемещается в межтрубном пространстве.
Движение потоков - перекрестное.
Отвод конденсата осуществляется через конденсатоотводную трубку,
снабженную запорным вентилем.
С целью предотвращения возможного обледенения аппарата при низких
температурах, часть наружного воздуха стоит пропускать по байпасному
26
каналу. Теплообменники ТКТ-2,5; ТКТ-5; ТКТ-10; ТКТ-20; ТКТ-60
оборудованы встроенным байпасным каналом.
При удалении влажного теплого воздуха из помещений при
соответствующих условиях на внешних поверхностях ТКТ возможно
образование инея при температурах наружных поверхностей труб ниже 0
о
С и
протекать оно будет тем интенсивнее, чем ниже температура. Явление
оледенения приводит к ухудшению теплотехнических характеристик
теплообменника-утилизатора, а также к увеличению аэродинамического
сопротивления воздушного тракта удаляемого воздуха.
Рисунок 1.7 - Схема кожухотрубного теплообменника
Одним из методов борьбы с обледенением аппарата, является повышение
температуры теплообменных стенок трубок путем сокращения расхода
приточного воздуха, поступающего в аппарат, с помощью открытия байпасного
канала или прикрытия заслонки наружного воздуха.
Площадь кожухотрубного теплообменника рассчитывается по формуле
F=Q/(K∆tср), (1.9)
где F - площадь поверхности теплообмена,
27
tср - средняя разность температур между теплоносителями,
11 12
11 21
,
tt
tt
ε
−
=
−
К - коэффициент теплопередачи,
Q - количество теплоты.
Чтобы произвести тепловой расчет кожухотрубного теплообменника,
необходимо знать значения следующих параметров:
- максимальный расход греющей воды;
- физические характеристики теплоносителя: вязкость, плотность,
теплопроводность, конечная температура, теплоемкость воды при средней
температуре.
1.4.3 Рекуперативные пластинчатые теплообменники
Основная характеристика пластинчатого рекуператора — его
эффективность, показывающая, насколько хорошо идет процесс передачи тепла
от одного потока воздуха к другому. Эффективность рекуператора
по температуре можно рассчитать по формуле
(1.10)
где t11 - температура приточного воздуха перед рекуператором;
- температура приточного воздуха после рекуператора;
t
12
t
- температура вытяжного воздуха перед рекуператором.
21
Данный показатель не учитывает дополнительных затрат электроэнергии
вентиляторами для преодоления аэродинамического сопротивления при
прохождении потока воздуха между пластинами рекуператора. Поэтому
считать, что один рекуператор лучше другого только потому, что у него выше
эффективность, неверно. При одинаковой эффективности аэродинамическое
сопротивление рекуператоров может существенно отличаться. В некоторых
случаях выгода от дополнительной экономии энергии за счет более
28
эффективной рекуперации тепла может оказаться меньше, чем суммарное
увеличение энергопотребления.
Эффективность рекуператора существенно изменяется при изменении
температуры и влажности воздуха [14]. Кроме того, эффективность
пластинчатого рекуператора очень сильно зависит от расхода воздуха через
него.
В настоящее время можно встретить различные конструктивные
исполнения рекуперативных теплообменников поверхностного типа.
Традиционно в системах вентиляции используются перекрестно-точные
пластинчатые рекуператоры, в которых приточный и вытяжной потоки
движутся перпендикулярно друг другу по каналам, образованным
разделительными пластинами. Важным преимуществом всех типов
пластинчатых рекуператоров является то, что потоки воздуха не соприкасаются
друг с другом, а высокая герметичность конструкции обеспечивает отсутствие
перетоков. Такие рекуператоры можно использовать для утилизации тепла
загрязненного вытяжного воздуха из помещений санузлов, ванных комнат.
Однако для утилизации тепла вытяжного воздуха, содержащего химически
опасные вещества, пластинчатые рекуператоры применять нельзя, в этом
случае следует использовать системы с промежуточным теплоносителем.
Эффективность стандартных перекрестно-точных рекуператоров невелика
и составляет 50–60%. Помимо невысокой эффективности проблемой
пластинчатых рекуператоров является обмерзание поверхности теплообмена
при отрицательных температурах приточного наружного воздуха. Теплый
вытяжной воздух содержит значительное количество влаги, которая выпадает
на поверхности пластинчатого теплообменника в процессе охлаждения.
Дальнейшее охлаждение влаги приточным холодным воздухом приводит
к образованию инея в вытяжных каналах теплообменника, увеличению
сопротивления, снижению эффективности теплопередачи и постепенному
заполнению инеем всего сечения канала. Сама конструкция перекрестноточного рекуператора предполагает наличие неблагоприятного «холодного
29
угла» [15], в котором собирается наибольшее количество влаги при низкой
температуре воздуха и, соответственно, создаются благоприятные условия для
образования инея.
Чтобы повысить эффективность рекуперации в приточно-вытяжных
системах, некоторые производители используют несколько пластинчатых
рекуператоров, установленных последовательно друг за другом. В этом случае
удается повысить эффективность рекуперации до 60–75%. Кроме того,
по информации от производителей, использование нескольких рекуператоров
позволяет избежать обмерзания. В свою очередь, отмечено, что использование
нескольких пластинчатых рекуператоров значительно усложняет конструкцию
корпуса, обеспечивающего герметичность и предотвращающего перетоки
между вытяжным и приточным воздухом.
Следующим этапом развития пластинчатых рекуператоров стало
появление противоточных рекуперативных теплообменников. В таких
теплообменниках потоки воздуха движутся навстречу друг другу, что
обеспечивает максимальную эффективность передачи тепла и увеличивает
площадь поверхности теплообмена. По информации производителей, при
некоторых температурных и влажностных параметрах приточного и вытяжного
воздуха противоточные пластинчатые рекуператоры могут обеспечить
эффективность 90–94%, что является очень высоким показателем даже
по сравнению с роторными теплообменниками. Конструкция противоточного
рекуператора позволяет практически исключить проблему «холодного угла».
Такое устройство значительно меньше подвержено обмерзанию в процессе
эксплуатации при низких температурах.
Для изготовления пластинчатых теплообменников в основном
используется алюминиевая фольга, обладающая высоким коэффициентом
теплопередачи и позволяющая интенсифицировать теплообмен за счет
создания дополнительных канавок или иного рельефа поверхности.
В последние годы на рынке появились энтальпийные пластинчатые
рекуператоры, в которых приточный воздух забирает у вытяжного не только
30