Теплообменные аппараты

Введение
Конструкции современных теплообменников обеспечивают процессы переноса тепловой энергии с минимальными потерями между эксплуатационными средами. Обмен чаще всего происходит между горячей жидкостью и холодными металлическими поверхностями, стены которых, в свою очередь, передают теплоту другой циркулирующей среде. Постоянное перемещение обеспечивает эффект стабильного массообмена, применяемого и на промышленных предприятиях, и в бытовом обслуживании частных домов. Помимо энергетического обмена между холодными и горячими средами, теплообменники могут обеспечивать процессы выпаривания, сушки, плавления и конденсации с охлаждением. Вместо тепла как основной рабочей среды могут использоваться и холодные потоки, что особенно распространено в производственных процессах, где требуется периодическое охлаждение оборудования. Однако с конструкциями теплообменников скорее ассоциируются именно задачи обогрева. Например, высокотемпературное оборудование данного типа может наращивать тепловой режим до 400-700 °С.
Конструкции теплообменных аппаратов на базовом уровне разделяются на поверхностные и смесительные. В данном случае речь идет о представителе группы поверхностных аппаратов, которые характеризуются тем, что в рабочем процессе участвуют две активные среды (нагретые и холодные потоки) и металлическая стенка, которая передает энергию между циркулирующими массами. В регенеративном теплообменнике омывание разделяющей металлической пластины выполняется с определенной периодичностью, но не постоянно. Для сравнения, можно привести пример еще одного поверхностного теплообменника – рекуперативного. В таких аппаратах рабочий процесс предполагает постоянное омывание аналогичной стенки холодными или нагретыми потоками.
1. Принцип действия устройства
Основная функция теплообменника выполняется в момент соприкосновения активной рабочей среды с металлической пластинкой, разделяющей потоки. То есть ключевым принципом действия выступает аккумуляция энергии от жидкости, имеющей в данный момент иную температуру, чем стенка теплообменника. Грубо говоря, в первом цикле работы горячие потоки передают и тем самым сохраняют тепло в металлическом элементе, а во втором и заключительном – уже холодная среда воспринимает это тепло. Аккумулятивный принцип работы теплообменника с четким разделением на среды по температурному признаку имеет существенные плюсы. Во-первых, отсутствие потребности в смешивании рабочих сред улучшает качество состава потоков. Это важный фактор технико-эксплуатационного содержания коммуникаций. Во-вторых, повышается и эффективность теплопередачи как таковой. С другой стороны, эти преимущества неразрывно соседствуют с минусами конструкции. Принципиальное разделение потоков увеличивает габариты оборудования, иногда заставляя наращивать трубопроводные сегменты в старых коммуникационных сетях отопления. Кроме того, обеспечение циркуляционной функции требует увеличения энергетического потенциала, что выражается в необходимости подключения насосных станций высокой мощности.
2. Типы регенеративных теплообменных аппаратов
Различают две разновидности таких агрегатов. Это устройства с непрерывным и периодическим действием. Теплообменники непрерывного действия представляют собой установки с зернистым циркулирующим наполнителем. Система управления процессом перемещения рабочей среды допускает полную остановку движения, при которой теплоноситель сохранит контакт с омываемой поверхностью. К слову, функцию естественного автоматического регулятора могут выполнять специальные термоаккумулирующие насадки. В конструкции регенеративного теплообменника с неподвижными насадками возможности контроля потоков ограничены и полностью зависят от настроек, выставленных оператором. Что же касается моделей с периодическим действием, то они обладают усложненной структурой распределения камер с теплоносителями. Такое устройство повышает эффективность работы аппарата, но также требует более ответственной функции силового обеспечения со стороны циркуляционного насоса.
Одна из наиболее совершенных на данный момент версий теплообменного регенератора, насадка которого формируется пластинными средней толщиной 20 мм. В данной системе и находится плавящееся ядро – устройство с жидким металлом внутри, которое в периоды плавления или кристаллизации выделяет тепловую энергию. Скрытая теплота в регенеративных теплообменниках с подвижной насадкой повышает теплоемкость контура в десятки раз по сравнению с обычными агрегатами, создающими благоприятные условия для процессов аккумуляции тепла. Производительность высокотемпературного теплообменника такого типа будет определяться удельной поверхностью насадки и ее способностью к тепловой аккумуляции.
Регенеративные модели теплообменников универсальны с точки зрения возможностей обслуживания разных рабочих сред. Как и в случае с другими аппаратами для теплового обмена, наиболее распространенной активной средой является жидкость – вода или антифриз. Более разнообразны теплоносители, применяемые в технологических операциях на производствах. Для обогрева и охлаждения используются водяные пары, газовые смеси, дым и топочные продукты сгорания. Однако это вовсе не значит, что один и тот же регенеративный теплообменник может поддерживать работу с разными теплоносителями. В принципе конструкция допускает такую теоретическую возможность, но каждый экземпляр должен изначально рассчитываться на эксплуатацию в контакте с определенной агрессивной средой, поскольку и высокие температуры, и жидкость как таковая негативно влияют на металлическую структуру.
3. Область применения оборудования
Теплообменные агрегаты широко используются в различных системах отопительного оборудования с бойлерными установками, водонагревателями, накопителями, котлами и т. д. Это касается преимущественно частного сегмента, но наиболее высокие технико-эксплуатационные показатели данного устройства раскрываются в сфере промышленности. Например, целевые области применения теплообменника регенеративного периодического действия формируются металлургическими и стеклоплавильными предприятиями, где требуется работа с очень высокими температурами. К примеру, подключаемые воздухонагреватели в таких условиях работы рассчитываются на режимы до 1300 °С. И опять же, речь может идти не только о жидкостных средах, но и о газовых смесях, что повышает требования к безопасности при эксплуатации таких агрегатов.
4.Схемы регенеративных теплообменных аппаратов
К регенераторам относится большая группа теплообменных аппаратов, в которых передача теплоты от одного теплоносителя к другому происходит посредством неподвижной или перемещающейся насадки. В качестве насадки применяют огнеупорный кирпич, металлические листы, пластины, шары, алюминиевую фольгу и т.п.
В течение первого периода (период нагревания насадки) через аппарат пропускают горячий теплоноситель, при этом отдаваемая им теплота расходуется на нагревание насадки и в ней аккумулируется. В течение второго периода (период охлаждения насадки) через аппарат пропускают холодный теплоноситель, который нагревается за счет теплоты, аккумулированной насадкой. Периоды нагревания и охлаждения насадки продолжаются от нескольких минут до нескольких часов.
Для осуществления непрерывной теплопередачи между теплоносителями необходимы два регенератора: в то время как в одном из них происходит охлаждение горячего теплоносителя, в другом нагревается холодный теплоноситель. Затем аппараты переключаются, после чего в каждом из них процесс теплопередачи протекает в обратном направлении. Схема соединения и переключения пары регенераторов приведены на рис. 1, 2.

Рисунок 1 – Схема регенератор с неподвижной насадкой

Рисунок 2 – Схема теплообменника с движущимся твердым промежуточным теплоносителем
Переключение производится поворотом клапанов 1 и 2. Направление движения теплоносителей показано стрелками. Обычно переключение регенераторов производится автоматически через определенные промежутки времени.
На рис. 2 показана принципиальная схема регенератора, движущаяся насадка в котором выполнена в виде металлических шаров.
Через регенератор 1 пропускается горячий теплоноситель, при этом насадка нагревается. Насадка непрерывно выгружается через регулирующий затвор 3 и поступает в генератор 2, через который пропускается холодный теплоноситель. Из регенератора 2 насадка поступает в ковшовый элеватор 5 и подается им снова в регенератор 1. Таким образом, отпадает необходимость переключения регенераторов, и теплота передается от горячего теплоносителя к холодному при помощи насадки, непрерывно циркулирующей через оба регенератора.
Некоторые типы регенераторов приведены на рис. 2, а приведена схема работы регенератора мартеновской печи, работающей на мазутном топливе. При положении перекидного шибера, показанном на рис. 2, а, воздух нагревается до требуемой температуры в левой камере; при этом насадки в ней охлаждаются. В это же время насадка левой камеры нагревается отходящими продуктами сгорания. Через определенное время перекидной шибер поворачивается, изменяет направление движения воздуха и горячих газов, и в последующий за этим период нагревается насадка левой камеры, а насадка правой камеры охлаждается, нагревая воздух. Одновременно с переключением шибера гасятся форсунки с левой стороны печи и зажигаются форсунки с правой ее стороны. В мартеновских печах, работающих на газе, подогревают не только воздух, но и горючий газ, и поэтому устраивают по две камеры с насадкой с каждой стороны.

Рисунок 3 – Некоторые типы регенераторов
На рис. 3, б приведена схема кирпичной насадки в которой огнеупорные кирпичи уложены в виде сплошных каналов; это наиболее распространенный на практике тип насадки, хотя, вообще говоря, типы кирпичных насадок весьма разнообразны. Толщина кирпичей, применяемых для регенеративных насадок составляет 40-50 мм; форма кирпичей может быть обычной и специальной.
Недостатками регенераторов с неподвижной кирпичной насадкой является громоздкость, усложнение эксплуатации, связанное с необходимостью периодических переключений регенераторов, и колебания температуры в рабочем пространстве печи или теплоиспользующего аппарата вследствие изменения температуры насадки в процессе теплообмена, поэтому они находят применение только при высоких температурах теплоносителей, не позволяющих использовать металлические рекуператоры.
На рис. 3, в показаны регенератор с неподвижной насадкой из алюминиевой гофрированной ленты (рис. 3, г), применяемой в холодильных установках для глубокого охлаждения азота (до –185˚С). достоинством металлической насадки по сравнению с кирпичной является большая поверхность теплообмена в небольшом объеме. Например, в 1 м3 объёма насадки можно разместить алюминиевую гофрированную ленту с поверхностью теплообмена 2000м2; при этом разность температур насадки и теплоносителя может почти по всей длине насадки составлять только 1-2˚С. недостатком этого аппарата является большое гидравлическое сопротивление.
На рис. 3, д приведен регенератор системы Юнгстрема с вращающейся металлической насадкой, получивший применение на электростанциях в качестве воздухоподогревателя для использования тепла отходящих газов котельных агрегатов. Врашающаяся насадка аппарата состоит из профильных металлических листов, которые, двигаясь по кругу, пересекают поочередно каналы с горячими газами, где они нагреваются и передают теплоту воздуху. Скорость вращения ротора с насадкой невелика и обычно не превышает 3-6 об/мин.
По сравнению с регенераторами с неподвижной насадкой достоинством регенератора Юнгстрема является практически постоянная средняя температура воздуха на выходе из аппарата, зависящая только от температуры поступающих в аппарат горячих газов. Компактность воздухоподогревателя Юнгстрема является также одним из его достоинств по сравнению с рекуперативными воздушными подогревателями. Недостатками регенератора Юнгстрема являются сложность конструкции и загрязнение воздуха газами.
На рис. 3, е показана схема ещё одной конструкции регенератора с вращающейся поверхностью нагрева. Комбинированный агрегат вентилятор-дымосос имеет поверхность нагрева в виде ротора, выполненного из полых герметичных оребренных лопаток, наполовину заполненных водой. Агрегат разделен по высоте на две части. Через нижнюю часть аппарата проходят дымовые газы и выпаривают воду, находящуюся в нижней части оребренных лопаток. Через верхнюю часть аппарата проходит холодный воздух и нагревается от стенок верхней части лопаток, заполненных паром: при этом пар в них конденсируется и стекает обратно в нижнюю часть лопаток.
Комбинированные агрегаты с вращающейся поверхностью нагрева имеют пока более низкий к.п.д., чем обычные вентиляторы и дымососы, и поэтому широкого применения не получили.
5. Преимущества и недостатки
Тепловые процессы, происходящие в теплообменных аппаратах, могут быть самыми разными: нагрев, охлаждение, испарение, кипение, конденсация, плавление, затвердевание и более сложные процессы.В процессе теплообмена может участвовать несколько теплоносителей: тепло от одного из них может передаваться нескольким и от нескольких другу. Существует несколько классификаций теплообменных аппаратов:
1) по назначению:
- Подогреватели
- Конденсаторы
- Охладители
- Испарители.
2) по принципу действия:
- Регенераторы
- Рекуператоры
- Смесительные аппараты.
В регенеративных аппаратах горячий теплоноситель отдает свою теплоту устройства, аккумулирующего ее, а затем, в свою очередь, отдает теплоту холодному теплоносителю, т.е. одна и тоже и сама поверхность омывается то горячим, то холодным теплоносителем. Большинство регенеративных теплообменников работает по принципу периодического действия. Теплообменники, в которых периодически меняются подача и отвод теплоносителей, называются теплообменниками периодического действия. Различные теплоносители поступают в них в разные периоды времени.
В регенераторных теплообменниках в качестве промежуточного теплоносителя используют твердый достаточно прочный материал - листы металла, кирпича, различные засыпки. Регенеративные теплообменники используются для высокотемпературного (выше 1000 С) подогрева газов, потому что жаростойкость металлов ограничена, а насадка из огнеупорных кирпичей может работать при очень высоких температурах.
Регенераторы могут работать и непрерывно. В этом случае насадка или стенка, вращающейся попеременно сталкивается с потоками различных теплоносителей и непрерывно переносит тепло из одного потока в другой.Регенеративные теплообменники применяются на металлургических, коксовых и других заводах, где по характеру технологического процесса необходимо подогретый воздух и в то же время есть большое количество отходящих газов с высокой температурой.
Мировое потребление энергии и топлива растет очень быстрыми темпами. Основная часть топлива идет на производство электроэнергии, на нужды промышленности и централизованного теплоснабжения. Проблема рационального и эффективного использования топливно-энергетических ресурсов является одной из важнейших.
На производстве основная часть тепловой энергии трансформируется в различных теплообменных аппаратах. Даже незначительным повышением энергетической эффективности теплоэнергетических установок, можно получить значительную экономию топлива, снижение себестоимости продукции. Стремление экономить энергию и материалы, учет экономических обстоятельств, стимулируют создание более эффективного теплообменного оборудования. Повышение энергетической эффективности и компактности теплообменников тесно связано с интенсификацией процесса теплообмена. Вместе с тем как интенсивность процесса теплопередачи, так и эффективность теплообменного аппарата в значительной степени зависят от особенностей обтекания и гидравлического сопротивления теплообменных поверхностей.
Решение вопросов интенсификации процессов теплообмена и повышение энергетической эффективности особенно актуально для газовых теплообменников, для которых характерны низкие тепловые потоки.
Выделяются два направления интенсификации. Одно из них связано с увеличением теплового потока без учета дополнительных потерь энергии.
Второе направление связано с увеличением теплового потока при заданной величине энергии, затрачиваемой на перекачку теплоносителя, т. е. с увеличением эффективности теплоотдачи. Оно становится особенно важным для стационарно работающих теплообменных аппаратов большой мощности, к числу которых относятся регенеративные воздухонагреватели.
Применение регенеративных теплообменных аппаратов для высокотемпературного нагрева газов обусловлено сложностью, высокой стоимостью, а в ряде случаев и невозможность нагрева их значительных объемов до высоких температур в рекуперативных установках. Снижение экономических затрат, повышение температур нагрева газа предъявляет высокие требования к надежности и экономичности работы этих устройств, выдвигает задачи разработки новых, более эффективных конструкций отдельных элементов, совершенствование режимных параметров. Повышение эффективности работы регенеративных теплообменников во многом связано с усовершенствованием теплогидравлических характеристик аппаратов, в связи с чем возникает необходимость в методах предварительного определения этих характеристик.
Теплообменники регенеративного типа имеют следующие недостатки:
- не обеспечивают постоянную температуру подогреваемого теплоносителя(воздуха);
- на время переключения клапанов прекращается питание агрегата теплом; потери тепла через дымовую трубу;
- смешение теплоносителей из-за неплотностей; большие размеры и масса регенераторов.
Однако, несмотря на недостатки регенеративные теплообменники широко используются на высокотемпературных агрегатах, так как они могут работать при высокой температуре дымовых газов (1300 - 1500°С). При такой высокой температуре рекуператоры не могут работать устойчиво.
Регенеративные теплообменники применяются в нагревательных печах. Они представляют собой цилиндрические камеры, заполненные кирпичной многорядной насадкой, выложенные из огнеупорного кирпича. Сначала через регенератор пропускают дымовые газы, а затем в обратном направлении нагретая добела насадка отдает аккумулированное тепло теплоносителю. Переключение осуществляется при помощи клапанов.
Особые требования предъявляют к насадкам регенератора. Они должны обеспечивать эксплуатационные качества, экономичность, минимальное гидравлическое сопротивление, высокую интенсивность теплообмена, строительную устойчивость.
Материал насадки должен обладать огнеупорностью, термостойкостью, сопротивлением к деформациям под нагрузкой при повышенных температурах. Регенеративные теплообменные аппараты в криогенной технике используются в основном в воздухоразделительных установках и в холодильных газовых машинах. В регенеративных аппаратах воздухоразделительных установок наряду с охлаждением прямого потока воздуха происходит его очистка от влаги и диоксида углерода путем вымораживания на насадке.
Заключения
Регенеративная модификация теплообменника была разработана с целью оптимизации ряда теплотехнических процессов. В итоге на тех же промышленных объектах сегодня удается выполнять технологические процессы с минимальным расходом топлива, поддерживая при этом высокую температуру горения. Но это вовсе не означает, что принцип работы теплообменника с аккумулятивной функцией полностью лишен недостатков. К слабым местам данного оборудования относят ограниченные возможности автоматизации теплотехнического процесса, крупные размеры и массу аппарата, а также сложность подключения конструкции к основным производственным коммуникациям. Другое дело, что конструкционное устройство регенератора постоянно совершенствуется, о чем говорит и появление более развитых моделей теплообменников с плавким ядром.
Список литературы
1.Теплотехника. / Под ред. А.П. Баскакова. 2-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 224 с.;
2. Лариков Н.Н. Теплотехника. - М.: Стройиздат, 1985. - 432 с.;
3. Сидельников Л.Н., Юренов В.Н. Котельные установки промышленных предприятий. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 528 с.;
4. Бэр Г.Д. Техническая термодинамика. - М.: Мир, 1977. - 518 с.;
5. Радченко И.В. Молекулярная физика. - М.: Наука, 1965. - 480 с.;
6. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1987. - 622 с.;
7. Панкратов Г.П. Теплотехника. - М.: Высшая школа, 1986. - 248 с.