2. Регенеративные аппараты. Процесс теплообмена. Основы теплового расчета.

Регенераторный теплообменник – устройство в котором подача теплоты от 1 теплоносителя к другому происходит с помощью теплоаккумулирующей массы называемой насадкой.

Насадка периодически омывается потоками горячего и холодного теплоносителей. В течение первого периода (нагрева)через аппарат пропускают горячий теплоноситель и при этом отдаваемая им теплота нагревание насадки. В течение 2 периода (охлаждения) через аппарат пропускают холодный теплоноситель который нагревается за счет теплоты насадки.

Периоды нагрева и охлаждения продолжаются от нескольких минут до нескольких часов. Для осуществления непрерывного процесса теплопередачи от одного теплоносителя к другому необходимо иметь 2 регенератора.

В качестве насадки Применяют огнеупорный кирпич, металлические листы, пластины, шары, фольгу и т.п

В металлургических и стеклоплавильных печах большое распрост­ранение получили регенераторы с неподвижной насадкой из огнеупорных кирпичей. Для создания в рабочем пространстве таких печей; вы­соких температур (до 2500°С) требуется предварительный высокий по­догрев воздуха и горючего газа (до 800— 1000"С), который трудно осу­ществить и металлических рекуператорах, из-за их недостаточной жаростойкости.

Теплообмен в регенераторах. В регенераторе поверхность насадки попеременно воспринимает и отдает тепло. В течение периода нагревания или охлаждения изменяются температуры насадки как по толщине, так и по пути следования, причем после реверсиро­вания регенератора или соответствующего перемещения подвижной насадки направление теплового потока в насадке изменяет знак.

Точное математическое описание и решение задачи нестационарных процессов теплообмена в регенераторе пока не существует, поэтому расчет производят упрощенно.

В действитель­ных условиях полные теплоемкости тепло­носителей могут быть различными, что вы­зывает криволинейность графика измене­ния температур теплоносителей по длине 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, вследствие чего средняя температура насадки за период нагревания выше, чем за период охлаждения ее.

tн – t поверхности насадки,

tг – t горячего теплоносителя

tх – t холодного теплоносителя,

tсп – изменение t среднего слоя насадки,

При нагревание насадки прогревается каждый ее элемент , причем она аккумулирует теплоту (+Q). При охлаждении насадки аккумулированная теплота передается воздуху(-Q). Для ускорения этих процессов элементы нагревают и охлаждают симметрично с обеих поверхностей. Изменение температуры движущихся через насадку газовых сред согласуется с изменением температуры поверхности кирпича. Различие между этими элементами обусловлено условиями внешнего по отношение к элементам теплообмена.

Температура средней плоскости кирпича tсп отстает от температуры поверхности tв. Это явление наступает не сразу после начала периода нагревания или охлаждения и определяется прежде всего теплофизическими свойствами материала элемента и его размерами.

К началу периода охлаждения насадки температура поверхности элемента выше, чем в середине его. Проходящий воздух быстро снижает температуру поверхностных слоев элемента, и температура кирпича на некоторой глубине его оказывается более высокой, чем в середине и на поверх­ности, т, е. отдача тепла в этот момент в разных сечениях элемента идет в разных направлениях. Через некоторое время температура в середине элемента оказывается более высокой, чем в других сечениях, и тепловой поток направляется от середины кирпича наружу.

Тепловой расчет регенераторов. Задачей теплового расчета регенератора является определение поверхности нагрева и ве­са насадки,

Тепло, воспринимаемое поверхностью насадки регенератора за пе­риод нагрева, равняется: Q=α_1cp((t_1cp —t_н^н)Fτ₁„ кДж/период,

где α₁ —коэффициент теплоотдачи от греющих газов (конвекцией и лу­чеиспусканием) к насадке, кДж/м²ч⁰С; t_1cp и t_н^н —средние тем­пературы греющего газа и поверхности насадки за период нагрева­ния, °С; τ₁ -период нагрева, ч.

Это количество тепла Q воспринимается насадкой и повышает температуру ее поверхности на величину Δt_н т, е- Q =F(δ/2)ρcη_a Δt_н , кДж/период,

где δ —толщина стенки кирпича (вследствие обогрева насадки с двух сторон в данной форме учитывается половина толщины стенки, обозна­чаемая через R), м; ρ —плотность насадки, кг/м³; с—теплоемкость на­садки, кДж/(кг-°С); Δt_н - изменение температуры поверхности насад­ки за период нагрева, "С; η_a —коэффициент аккумуляции тепла, опре­деляемый (по табл.)

Для определения изменения температуры поверхности насадки пользуются следующей эмпирической зависимостью: Δt_н =φ(t_н^н - t_н⁰)

где t_н⁰—средняя температура поверхности насадки за период ее охла­ждения (рис.); φ —коэффициент, равный 2,2—3,5 принимается в зависимости от материала насадки и режима работы аппарата..

В период охлаждения тепло, аккумулированное насадкой, пере­дается нагреваемому воздуху: Q=α₂((t_н⁰ —t_2cp)Fτ₂„ кДж/период,

где α₂ - коэффициент теплоотдачи от поверхности насадки к нагревае­мому .воздуху, кДж/м²ч⁰С ; t_2cp —средняя температура воздуха за период охлаждения, °С; τ₂ — период охлаждения, ч.

Таким образом, получается следующих трех уравнение: Q ц = к_ц F (t_1cp - t_2cp ) кДж/цикл,

Где к_ц —коэффициент теплопередачи регенератора:

к_ц = 1/((1/ α₁ τ₁ +1/Rρcη_aφ + 1/ α₂ τ₂ ))