teplo_2012
.pdf
их сборки. По коллектору холодная среда доходит до пластины 6, имеющей глухой угол (без отверстия), и распределяется по нечётным межпластинным каналам, которые сообщаются (через один) с угловым коллектором благодаря соответствующему расположению больших 13 и малых 5 резиновых прокладок. При движении вверх по межпластинному каналу среда обтекает гофрированную поверхность пластин, обогреваемых с обратной стороны горячей средой. Затем подогретая среда проходит в продольный коллектор, образованный нижними угловыми отверстиями 14, и выходит из аппарата через штуцер 11. Горячая рабочая среда движется в аппарате навстречу холодной. Она поступает в штуцер 12, проходит через нижний коллектор, распределяется по четным каналам и движется по ним вверх. Через верхний коллектор и штуцер 2 охлаждённая горячая среда выходит из теплообменника. Сами теплообменные аппараты по конструктивному оформлению весьма разнообразны.
На рис. 1.24 в качестве примера приведена конструкция в сборе односекционного теплообменника на двухопорной раме без дополнительных стяжек.
Рис. 1.24. Пластинчатый односекционный теплообменник: 1 – пластины; 2, 3,
– горизонтальные штанги; 4, 5 – плиты; 6, 7 – патрубки
51
Пластины пластинчатых односекционных теплообменников могут быть изготовлены из различных металлов, включая нержавеющую сталь, титан, никель и т.д. В качестве прокладок применяется нитроловая, бутиловая, силиконовая и фторуглеродная резина. Кроме того, определенные пластины могут быть снабжены прокладками из спрессованного волокнистого асбеста.
1.10. Регенеративные теплообменные аппараты
Регенеративные ТА нашли применение в основном в высокотемпературных технологических установках, ГТУ, низкотемпературных установках разделения газов и газовых холодильных машинах. Теплоаккумулирующая насадка этих аппаратов может быть подвижной и неподвижной. В последнем случае для получения непрерывного процесса теплообмена от одного теплоносителя к другому необходимы два аппарата (см. рис. 1.1, б). При подвижной насадке процесс теплообмена происходит в одном аппарате (см. рис. 1.1,
в).
Область применения и температурный уровень теплоносителей предопределяют конструкцию регенеративного ТА и тип его насадки. В связи с этим выделяют аппараты, работающие в областях высоких, средних и очень низких температур.
В области высоких температур (800…1000 ºС) после различных печей применяют аппараты с неподвижной насадкой из огнеупорного кирпича, который выкладывают таким образом, чтобы образовались сплошные каналы для прохода газа. Для интенсификации теплообмена кирпичная кладка насадки имеет выступы. Преимуществами аппаратов с кирпичной насадкой являются простота и возможность достижения высоких температур подогрева воздуха, а недостатками – громоздкость, сложность эксплуатации ввиду необходимости переключения аппарата, изменения температуры нагреваемого воздуха в течение цикла.
52
Для высокотемпературного подогрева воздуха могут быть использованы вращающиеся аппараты, роторы которых заполнены чугунной дробью или другой термостойкой насадкой.
В области средних температур (250…400 ºС) для подогрева воздуха используются вращающиеся регенеративные ТА, роторы которых имеют металлическую насадку, или аппараты с «падающим слоем».
Горизонтальные и вертикальные вращающиеся регенеративные ТА относятся к аппаратам непрерывного действия, они более компактны и характеризуются более интенсивным теплообменом. Ротор 4 регенеративного подогревателя воздуха в мощных ГТУ с насадкой 3 в виде набора сеток из кор- розионно-стойкой проволоки диаметром 0,3…0,4 мм вращается в статоре 5 (рис. 1.25). С помощью радиальных перегородок ротор разделен на секторы, чем достигается отделение потоков газа и воздуха. Схема движения воздуха и газа противоточная, хотя каждая среда имеет сначала осевое направление, затем радиальное и, проходя через насадку ротора, или нагревает ее, или воспринимает теплоту. Благодаря такому удлинению пути потоков увеличивается скорость в каналах насадки, коэффициент теплоотдачи достигает значений 300…400 Вт/(м2·К) при частоте вращения ротора 20…30 об/мин. Следует отметить, что в регенеративных воздухоподогревателях котлов с частотой вращения ротора 2…10 об/мин, имеющих насадку из гофрированных металлических листов с каналами треугольного и квадратного сечений, значения коэффициентов теплопередачи составляют лишь 9…14 Вт/(м2·К). Во избежании перетечек воздуха и газа в конструкции предусмотрены внутренние 1 и наружные 2 уплотнения.
53
Рис. 1.25. Схема вращающегося регенеративного подогревателя воздуха ГТУ
В транспортных ГТУ мощностью до 1 МВт был использован регенеративный ТА с дисковым ротором карманного типа (рис. 1.26). Несущая и теплопередающая функции ротора разделены. Каркас диска образован массивными боковыми полотнами 2, связанными поперечными каркасными рамками. В полотнах прорезаны отверстия, в которые вставлены стаканы 3, образующие сквозные цилиндрические окна – карманы. В каждый карман помещен рабочий элемент 8 насадки, представляющий собой усеченный корпус из многослойной плетеной сетки из коррозионно-стойкой стали. Поскольку рабочие элементы имеют очень небольшую площадь контакта с металлическими конструкциями ротора, то эти конструкции оказываются мало подверженными действию резко изменяющихся температур. Температура опорных поверхностей уплотнения 5 в рабочем режиме превышает 400 ºС, что позволяет изготовлять их из графита.
54
Рис. 1.26. Схема вращающегося регенеративного ТА с дисковым ротором карманного (сотового) типа: В – воздух; Г – газ
Вследствие небольших температурных деформаций диска 6 зазоры раскрываются незначительно, что повышает работоспособность уплотнений и приводит к снижению утечек воздуха. Уплотнения 5 установлены на опорных рамках и прижаты к боковым полотнам диска с двух сторон. Опорная рамка имеет периферийную часть и поперечную балку, разделяющую полотно диска на газовый Г и воздушный В секторы. Диск 6 насажен на центральный вал 4, закрепленный в подшипниках с помощью сферического шарнира 9. На периферии ротора выполнен кольцевой фланец 7, на обоих сторонах которого установлены антифрикционные кольцевые накладки 1, взаимодействующие с опорной кольцевой дорожкой 10 в корпусе. Кольцевой фланец с антифрикционными накладками уменьшает термическую деформацию ротора, устраняет перекос уплотняемых поверхностей и препятствует раскрытию зазоров уплотнений. Компактность насадки составляет 4.000…5.000 м2/м3.
Следует отметить, что при создании вращающихся регенеративных аппаратов для ГТУ главной проблемой остается повышение надежности работы уплотнений с целью снижения утечек теплоносителей. При давлении воздуха перед ТА 0,3…0,5 МПа утечки составляют примерно 3…5 % расхода воздуха на входе, что эквивалентно снижению мощности двигателя на 3…5 % и увеличению расхода топлива на 6…15 %.
55
Врегенеративных ТА воздухоразделительных установок (ВРУ) наряду
сохлаждением прямого потока воздуха происходит его очистка от влаги и двуокиси углерода посредством вымораживания на насадке. Установка состоит из двух аппаратов, обеспечивающих непрерывность процесса охлаждения (рис. 1.27). Установка работает следующим образом. Сжатый воздух давлением до 0,6 МПа нагревает насадку аппарата 1 и охлаждается до температуры, близкой к температуре насыщения. В это же время поток холодного газа (азота) проходит в насадку 2 аппарата, охлаждает ее до определенной температуры. Через определенный промежуток времени происходит переключение клапанов и поток воздуха будет поступать в аппарат 2, а азот в аппарат 1. В ВРУ в качестве насадки применяют насыщенную насадку в виде гранул и диски алюминиевой гофрированной ленты 3.
Рис. 1.27. Переключающая воздухоразделительная установка: В – воздух; А - азот
Корпус выполняется сварным из листовой хромоникелевой стали толщиной 10…12 мм; между решетками укладывают диски из гофрированной ленты и всю конструкцию стягивают болтами.
В газовых холодильных установках регенеративные ТА компонуют в блоке с холодильной машиной, поэтому ТА должен быть очень компактным. Для ТА холодильных машин больше всего подходит насадка из тонкой проволоки ватообразной структуры или мелкой сетки из меди, латуни, бронзы
56
или другого материала высокой теплопроводности. Коэффициент компактности такой насадки достигает 105 м2/м3.
1.11. Теплоносители
Выбор теплоносителей определяется назначениями ТА, условиями его эксплуатации, а также теплофизическими свойствами теплоносителей, их доступностью, стабильностью в процессе длительной эксплуатации и др.
В однофазной области теплоносители разделяют на упругие (газы) и капельные жидкости. С точки зрения теплового и гидравлического расчета ТА принципиального различия между ними нет.
Из теплофизических свойств теплоносителей наиболее важными являются те, которые определяют интенсивность теплоотдачи в каналах ТА.
Плотность и теплоемкость являются весьма важными показателями. Теплоносители более высокой плотности и теплоемкости позволяют при небольших перепадах температур между стенкой и жидкостью отвести или подвести большие тепловые потоки. С этой точки зрения вода имеет значительные преимущества по сравнению с теплоносителями меньшей плотности, например, с воздухом и газами.
Теплопроводность существенно влияет на интенсивность теплоотдачи. Чем больше теплопроводность при прочих равных условиях, тем выше коэффициент теплоотдачи в каналах ТА. Жидкие металлы, обладающие высокой теплопроводностью, имеют преимущества по сравнению с водой и газовыми теплоносителями, у которых теплопроводность невелика.
Вязкость зависит от химической природы теплоносителя, давления и температуры. Она существенно влияет на теплообмен и гидравлическое сопротивление. При высокой вязкости при прочих равных условиях задерживается переход от ламинарного к турбулентному режиму течения жидкости. Вязкость сильно зависит от температуры и с ее увеличением повышается.
57
Число Прандтля Рr=ν/а характеризует теплофизические свойства теплоносителей и является одной из важнейших их характеристик.
Для воздуха и газов число Рr ≤ 1. Для воды число Рr = 13,67 ÷ 1 в зависимости от температур (от 0 до 180 ºС). У жидких топлив, масел, кремнийорганических соединений и других веществ Рr = 10 ÷ 65.000, у жидких металлов Рr << 1. С увеличением температуры число Рr уменьшается.
Температура кипения теплоносителя должна быть сравнительно вы-
сокой. В этом случае для поддержания теплоносителя в жидком состоянии не требуется заметного повышения давления.
Теплоносители должны отвечать следующим требованиям:
•быть химически стабильными, не вступать во взаимодействие с материалом теплообменника, т.е. не оказывать коррозионного и эрозионного воздействия, не должны образовывать взрывоопасных смесей при смешении
сдругими теплоносителями;
•обеспечивать достаточно интенсивный теплообмен в ТА, обладая высокой теплоемкостью и малой вязкостью;
•иметь хорошую термостойкость;
•быть достаточно доступными и иметь невысокую стоимость;
•отличаться малой химической токсичностью;
•иметь высокие температуры кипения и воспламенения;
•быть удобными в транспортировании, хранении и заправке;
•быть безопасными в эксплуатации.
Применяемые в технике теплоносители всем требованиям одновременно не отвечают.
58
1.12. Показатели эффективности теплообменных аппаратов
Наиболее распространены следующие частные показатели эффективности ТА.
Общая мощность, затрачиваемая на прокачку теплоносителей:
δр=δр1 +δр2 ;
где δр1 = GV1 p1 ; δр2 = GV2 p2 .
Коэффициент удержания теплоты:
εq =Q2 / Q1 =1− Q / Q1 ,
где Q – потери количества теплоты во внешнюю среду при передаче от греющего теплоносителя (Q1) к нагреваемому (Q2).
Эксергетический кпд:
ηЕ = 1 − Е / Евх ,
где Ε – потери эксергии вследствие неравновесного теплообмена с окружающей средой, продольного теплообмена и гидравлических сопротивлений ТА для обоих теплоносителей; Евх – сумма эксергий обоих теплоносителей на входе в ТА.
Показатель энергетической эффективности:
ЕF = Q / (δp1 + δp2 ).
Критерий Кирпичева:
ЕК = Q / AП ,
где АП – работа на прокачку теплоносителей.
Критерий Глазера (коэффициент мощности):
ЕГ = Q / δp1 |
, |
или Е |
Г = Q / δp2 |
|
|
|
Приведенный коэффициент мощности:
ηпр = ЕГ / tср .
Коэффициенты:
59
теплопередачи, Вт/(м2·К),
k = Q / (F tср );
использования массы, Вт/(кг·К),
k m = Q / (mТЭ tср );
использования объема, Вт/(м3·К),
k y = Q / (VТЭ t ср );
компактности, м2/м3,
k FV = F / VТЭ .
Наряду с перечисленными показателями эффективности ТА используются следующие экономические показатели: капитальные вложения к; цена Цта; себестоимость КЭТА; эксплуатационные затраты Э; приведенные затраты З; себестоимость передачи теплоты КПТ; газовый экономический эффект ЭГ; коэффициент экономической эффективности Эк; народно–хозяйственный доход Днх.
Контрольные вопросы
1.Какие основные функциональные и конструктивные признаки положены в основу классификации теплообменных аппаратов?
2.Назовите основные способы компенсации возникающих в ТА термических напряжений.
3.Какие схемы тока теплоносителей в ТА существуют?
4.Каковы устройство и основные характеристики кожухотрубных
ТА?
5.Какие основные способы интенсификации теплообмена в ТА?
6.Каковы устройство и основные характеристики пластинчаторебристых ТА?
7.Назовите типы и характеристики пластинчато-ребристых поверх-
ностей?
60