Типы насадок

Главным элементом регенераторов, определяющим в основном эф­фективность их работы, является насадка. В регенераторах воздухораз-делительных установок (ВРУ) и холодильно-газовых машинах (ХГМ) применяют в основном насадки следующих типов: диски из алюминие­вой гофрированной ленты (рис. а); насыпную из базальта или квар­цита в виде гранул диаметром 4—14 мм; сетчатую (рис. б) из ма­териалов с высокой теплопроводностью (медь, латунь, бронза).

Рис. Некоторые типы насадок:

а — диски из алюминиевой гофрированной ленты; б — сетчатая насадка;в — насадка из пластин с сужающе-расширяющимися каналами;г — шаровая насадка;д — кирпичная насадка;е — коль­ца Рашига; ж —гранула; з — пакет пластин; и —кирпичная насадка с выступами; 1 —диск; 2 — лента;3— гофры;4— металлическая проволока;5 — металлическая пластина;6 — усеченная пи­рамида; 7 — металлические шары;8 — поры, заполненные инертным газом;9 — выступы;10 — металлическое покрытие; 11 — ядро;12 — пакет пластин;13 — двусторонние выпуклости

Как видно из рис. а, при намотке дисков используют две алюми­ниевые ленты, которые складываются так, чтобы гофры были направ­лены под углом друг к другу, образуя извилистые каналы, интенсифи­цирующие процесс теплообмена. Недостаток таких насадок — повышен­ное гидравлическое сопротивление. Для уменьшения сопротивления применяют насадку (рис.в), которая состоит из параллельно раз­мещенных пластин 5 с равномерно расположенными каналами, в виде усеченных пирамид 6, или насадку, выполненную в виде пористых эле­ментов (гранул), поры которых заполнены инертным газом. Гранулы выполнены из металла, например свинца, и имеют характерный размер примерно 100—250 мкм,а диаметр пор, заполненных инертным газом, находящимся в твердой фазе, составляет 1 —10 мкм (рис.г). Запол­нение пористой металлической основы теплоемким инертным газом (ге­лием или неоном) обеспечивает высокую теплоаккумулирующую спо­собность насадки, необходимую для эффективной работы низкотемпе­ратурной холодильной машины (20 К и ниже). Компактность насадки ВРУ характеризуется отношением площади поверхности насадки к за­нимаемому объему и составляет 1000—2000 м²/м³. У регенераторов ХГМ компактность может достигать 10⁴—10⁵ м²/м³ .

При высоких температурах в качестве насадки применяют огнеупор­ные кирпичи различной формы. Толщина кирпичей составляет 40— 50 мм. На рис. и показана насадка из огнеупорных кирпичей с вы­ступами, которые вызывают турбулузацию газообразных потоков и тем самым интенсифицируют теплообмен.

Насадку для аппарата с неподвижным, псевдокипящим («кипящим») или падающим слоем выполняют из колец Рашига (рис. е), из крошки или шариков размером 6—12 мм, выполненных из каолина, оксидов алюминия, магния, циркония и т. п. Материал такой насадки должен обладать высокой удельной теплоемкостью, быть жаро- и хими­чески стойким, не трескаться при резких изменениях температуры, не испаряться, не истираться и выдерживать ударную нагрузку.

При контакте насадки (рис. ж) в режиме кипящего слоя с горя­чим потоком происходит нагревание покрытия 10, а ядро 11 гранул начинает плавиться. При этом от газового горячего потока отбирается дополнительное количество теплоты, равное скрытой теплоте плавления материала ядра. После перемещения гранул в другую полость, в ко­торой они контактируют с холодным потоком газа, последний нагрева­ется, а гранулы охлаждаются. При этом происходит затвердевание их ядра, что ведет к выделению скрытой теплоты плавления материала ядра. Таким образом, теплоаккумулирующая способность насадки скла­дывается из теплоемкости ядра, теплоемкости покрытия, а также из скрытой теплоты плавления материала ядра.

На рис. з изображена насадка, используемая в воздухоподогре­вателях системы «Юнгстрем». Она содержит пакет пластин с двусто­ронними выпуклостями в виде полусфер, расположенных в шахматном порядке по отношению к смежным пластинам.

Рассмотренные насадки далеко не охватывают разнообразия суще­ствующих типов.

Из применяемых в технике регенераторов можно выделить конст­рукции аппаратов, работающих в областях высоких, средних и очень низких температур. В металлургической и стеклоплавильной промыш­ленности применяют регенераторы с неподвижной насадкой из огне­упорных кирпичей. Воздухонагреватели доменных печей выделяются своими размерами. Два или несколько совместно работающих таких воздухонагревателей имеют высоту до 50 м и диаметр до 11 м, они могут нагревать до 1300°С примерно 500 000 м³/ч воздуха. На рис. Ниже (а) представлен продольный разрез воздухонагревателя до­менной печи с кирпичной насадкой. В камере сгорания сжигают горю­чие газы. Продукты сгорания поступают в воздухонагреватель сверху и, двигаясь вниз, нагревают насадку, а сами при этом охлаждаются и вы­ходят вниз;/. После переключения шибера воздух движется снизу вверх через насадку в обратном направлении и при этом нагревается. Другим примером высокотемпературного регенератора является воздухонагре­ватель сталеплавильной печи (рис. б). Газообразное (жидкое) то­пливо и воздух перед подачей в печь нагреваются за счет теплоты про­дуктов сгорания.

Теплообменники, работающие при высоких температурах, обычно изготовляют из огнеупорного кирпича. Недостатками регенераторов с неподвижной кирпичной насадкой являются громоздкость, усложне­ние эксплуатации, связанное с необходимостью периодических переклю­чений регенераторов, колебания температуры в рабочем пространстве печи, смещение теплоносителей во время переключения шибера.

Для среднетемпературных процессов в технике используют воздухо­нагреватели непрерывного действия с вращающимся ротором системы«Юнгстрем» (рис. в). Регенеративные вращающиеся подогреватели (РВП) применяют на электростанциях в качестве воздухонагревателей для использования теплоты дымовых газов, выходящих из котлов. В ка­честве насадки в них используют плоские или гофрированные металли­ческие листы, прикрепленные к валу. Насадка в виде ротора вращается в вертикальной,-или горизонтальной плоскости с частотой 3—6 об/мин и попеременно омывается то горячими газами (при этом нагреваясь), то холодным воздухом (при этом охлаждаясь). Достоинствами РВП перед регенераторами с неподвижной насадкой являются: непрерывный режим работы, практически постоянная средняя температура нагревае­мого воздуха, компактность, недостатками — дополнительный расход электроэнергии, сложность конструкции и невозможность герметичного отделения полости нагрева от полости охлаждения, поскольку через них проходит одна и та же вращающаяся насадка.

В настоящее время в различных отраслях промышленности, когда термостойкость высоколегированных сталей недостаточна, получили применение теплообменники с неподвижным, кипящим или падающим слоем из жаростойкого твердого сыпучего теплоносителя. В таких те­плообменниках перегревают пары воды и органических жидкостей, на­гревают воздух и газы до 2000 °С.

Рис. Некоторые типы регенераторов:

а —схема мартеновской печи с регенераторами: 1 — шибер;2 — горелки;3 — насадка- б — возду­хоподогреватель доменной печи: 1 — теплоаккумулирующая насадка;2 — камера сгорания;3 — выход горячего дутья;4 — вход воздуха в камеру сгорания;5 — вход горячего газа;6 — вход холодного дутья; 7 — уходящие газы;в — регенеративный аппарат системы Юнгстрема;г — схема регенератора с падающей насадкой

В регенеративных теплообменниках непрерывного действия твердый теплоноситель перемещается при помощи механических ковшовых эле­ваторов, виброподъемников или пневматических устройств.

Рассмотрим работу РВП с падающим слоем твердого теплоносителя, применяемого иногда для глубокого охлаждения дымовых газов в кот­лах (рис. г). Регенератор имеет камеры нагрева 1 и охлаждения 2 с установленными в них жалюзийными решетками 3, образующими вертикальный расширяющийся по ходу потока канал 4, подключенный к бункеру 5 подачи промежуточного сыпучего теплоносителя. Греющий газ, отдавая свою теплоту промежуточному теплоносителю, поступаю­щему из бункера 5, охлаждается до температуры выше точки росы, т. е. до коррозионнобезопасного уровня. Нагретый теплоноситель ссы­пается в камеру охлаждения, отдает теплоту воздуху и через подъем­ник 6 снова попадает в бункер. В теплообменнике загрузочный и раз­грузочный штуцера должны быть всегда заполнены сыпучим теплоноси­телем для исключения перетекания газа из камеры охлаждения в каме­ру нагрева и обратно.

Заключение

Обобщить изученные вопросы. Подвести итоги лекции. Ответить на вопросы.

Выдать задание для самостоятельного изучения – изучить материал лекции по конспекту, рекомендуемую литературу.

Задание для самостоятельного обучения:

Тепломассообмен: Учебное пособие для вузов / Ф.Ф. Цветков, Б.А. Григорьев. - 3-е издание. М.: Издательский дом МЭИ, 2006.

Кандидат технических наук,

доцент Е.Е.Костылева