Учебное пособие 800409
.pdfских печах, работающих на газе, подогревают не только воздух, но и горючий газ, и поэтому устраивают по две камеры с насадкой с каждой стороны.
Рис. 22. Схема работы регенеративного ТОА
снеподвижной насадкой
Вкачестве насадок используют каналы, выложенные из огнеупорных фасонных деталей, располагаемых в специальном порядке для обеспечения равномерности омывания всех элементов и турбулизации потоков теплоносителей.
Недостатками регенераторов с неподвижной кирпичной насадкой являет-
ся:
- значительные геометрические размеры; - сложность эксплуатации;
- значительные колебания температуры в рабочем пространстве ТОА. Насадки из металла применяются в низкотемпературной технике, в част-
ности на станциях разделения воздуха и газовых холодильных установках. Это может быть алюминиевая лента, засыпка из базальта или кварцита, сетки из меди или латуни. Такую насадку можно компактно разместить в небольшом объеме, при этом неравномерность температуры по ходу движения ТН будет составлять не более 1-2 . Основной недостаток такой конструкции – повышенное гидравлическое сопротивление.
Существуют насадки, преставляющие собой засыпной слой, переходящий
впроцессе работы в состояние псевдоожижения (о псевдоожиженном или «кипящем» слое в гл. 5). Слой состоит из измельченных твердых частиц,
81
металлических либо неметаллических. Требования к частицам – устойчивость к истиранию и растрескиванию от перепадов температур. В настоящее время перспективными являются частицы с твердой металлической поверхностью, заполненные внутри веществом, в рабочем диапазоне температур изменяющем свое агрегатное состояние. Чаще всего плавление и кристаллизация.
Для средних температур ТН удачной оказалась конструкция с подвижной насадкой (рис. 23).
Рис. 23. Конструкция регенеративного ТОА с подвижной насадкой («Юнгстрем»)
Насадка представляет собой обечайку, разделенную внутренними непроницаемыми перегородками на секторы. Каждый сектор заполнен теплоаккумулирующей массой: металлическая лента, листы металла, сетка, прессованная стружка и т.п. При этом сверху и снизу обечайка сделана проницаемой. Вся эта конструкция помещена в цилиндрический корпус и имеет возможность вращаться вокруг своей оси. Для этого используется привод от электродвигателя.
82
В корпусе в противоположных сторонах проделаны каналы для подвода и отвода теплоносителя. Скорость вращения насадки обычно не превышает 3-6 об/мин. При этом противоположные секторы омываются соответственно горячим и холодным теплоносителем.
Достоинствами регенератора Юнгстрема являются:
-практически постоянная средняя температура воздуха на выходе из аппарата, зависящая только от температуры поступающих газов;
-компактность.
Недостатки:
-сложность конструкции;
-частичное смешение потоков газов через разделительные перегородки. В настоящее время в энергетических установках с высокотемпературны-
ми процессами получили применение теплообменники с движущимся («падающим») слоем твердого жаростойкого промежуточного теплоносителя
(рис. 24).
Рис. 24. Регенеративный ТОА с промежуточным движущимся теплоносителем
83
На рис. 24 представлена схема теплообменника с ковшовым элеватором, предложенная А.Д. Алифановым и П. Д. Лебедевым. Загрузочные и разгрузочные каналы для подачи и отвода шариков заполнены ими постоянно и служат своеобразным гидравлическим затвором, исключающим перетекание газа из камеры охлаждения в камеру нагрева и наоборот.
Вподобных ТОА перегревают водяной пар, нагревают воздух, газы и пары органических жидкостей до температур 1600 – 2000 0С. В качестве промежуточных теплоносителей применяют твердые частицы и шарики из каолина, муллита, оксида алюминия, магния, циркония и т.п. размером 8-12 мм. Материалы для изготовления промежуточного теплоносителя обладают высокой жаростойкостью, химической инертностью, способностью выдерживать колебания температур, прочностью и высокой теплоемкостью. Принцип работы подобных устройств ничем не отличается от регенераторов с неподвижной насадкой. В установках непрерывного действия твердый ТН все время перемещается при помощи механических ковшовых элеваторов, виброподъемников или пневматических устройств.
4.2.Особенности теплообмена в регенеративных ТОА
Внастоящее время точных методов описания картины теплообмена в регенераторах не существует. Это объясняется сложностью описания нестационарных процессов теплообмена. Для инженерных расчетов применяется картина с упрощающими условиями.
Врегенеративных ТОА происходит чередование циклов нагрева и охлаждения насадки. Для большинства аппаратов продолжительность периода нагрева H равна продолжительности периода охлаждения O . Элементы
насадки нагреваются и охлаждаются при постоянном тепловом потоке на поверхности элемента – граничные условия второго рода.
На рис. 25 изображен график изменений усредненных по времени температур поверхности насадки и ТН в так называемом идеальном регенеративном ТОА. Идеализация заключается в предположении равенства расходных теплоемкостей ТН. Вследствие приятых допущений средняя по времени температура поверхности насадки за период нагревания и охлаждения является одинаковой. Картина становится похожей на изменение температур ТН в рекуперативных ТОА.
В реальных условиях полные расходные теплоемкости ТН могут различными, что вызывает крнволинейность графика изменения температур ТН по 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.
84
Рис. 25. Изменение температур теплоносителей и поверхности насадки в идеальном регенеративном ТОА
На рис. 26 показаны изменения температур газов, воздуха и насадки в действительном регенераторе по пути следования теплоносителей при условии равенства их полных расходных теплоемкостей. Температура горячего ТН в начале периода нагревании насадки изображается кривой 3, в конце периода - кривой 1 и средняя за период нагревания - кривой 2. Температура поверхности насадки в конце периода нагревания и начале периода охлаждения представляется кривой 4, в начале периода нагревания и конце периода охлаждения — кривой 7, средняя за период нагревания кривой 5, средняя за период охлаждения - кривой 6. Температура холодного ТН в начале периода охлаждения насадки изображается кривой 8, в конце периода — кривой 10 и средняя за период охлаждения — кривой 9
85
Рис. 26. Изменение температур теплоносителей и поверхности насадки в реальном регенеративном ТОА
В реальных условиях полные расходные теплоемкости ТН различны. Если рассмотреть изменение температуры поверхности насадки в любой
точке А (рис. 26) и ТН над ней за время цикла нагрева и охлаждения, то получится следующая картина: температура поверхности насадки за период нагревании изменяется по выпуклой кривой, а за период охлаждения — по вогнутой (рис. 27). Криволинейно изменяются и температуры теплоносителей.
Следствием этого является то, что средняя температура насадки за период нагревания выше, чем за период ее охлаждения. Разность этих температур называется температурный гистерезис насадки
86
.
Рис. 27. Изменение температур поверхности насадки в точке А и теплоносителей над ней за время нагрева и охлаждения
Каждый элемент насадки реального регенератора всегда аккумулирует меньшее количество тепла, чем теоретически возможно. Это объясняется наличием внутреннего теплового сопротивления: коэффициенты теплопроводности и температуропроводности имеют конечные значения. Температура поверхности насадки изменяется быстрее температуры средней части элемента насадки. На рис. 28 представлено распределение температур внутри элемента при двустороннем нагреве. Площадь заштрихованной части 1-5-2-3-6-4 геометрически отображает количество принятого тепла, площадь же всего прямоугольника 1- 2-3-4 максимально возможное количество тепла.
87
Рис. 28. Распределение температур внутри элемента насадки при двустороннем нагреве
Отношение количества тепла, воспринятое элементом насадки, к теплу, которое могло бы быть им аккумулировано, если бы температура всей массы элемента была бы одинаковой, называется коэффициентом аккумуляции тепла или коэффициентом использования тепла насадкой :
|
QФАКТ |
|
F1 5 2 3 6 4 |
. |
(122) |
QМАКС |
|
||||
|
|
F1 2 3 4 |
|
Эту величину можно определить из соотношения [3, 10]:
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
, |
(123) |
|
|
|
|
|
|
|
|
1,33 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
FoЦ |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где Fo |
Ц |
|
a Ц |
- критерий Фурье насадки; |
|
|||||||
R2 |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Ц Н О - время цикла; |
|
|
|
|
|
|||||||
a |
|
|
- коэффициент температуропроводности, м2/с; |
|
||||||||
|
|
|
||||||||||
|
|
|
c |
|
|
|
|
|
|
|
R - половина толщины насадки (при двустороннем прогреве), м.
88
Изменение температур поверхности tП и средней части tСР насадки в сечении произвольно выбранной точки А и изменение температур теплоносителей tГ , tX над этой точкой в зависимости от времени при нагреве Q и охлаждении Q представлены на рис. 29.
Рис. 29. Изменение температур при нагреве и охлаждении насадки
Анализ формулы (123) и исследования режимов работы реальных регенеративных ТОА показывают, что при 13 температура центра насадки практически не изменяется.
Соответственно, форму, материал и геометрические размеры насадки выбирают таким образом, чтобы FoЦ 0,66.
4.3. Тепловой расчет регенеративных ТОА
Целью теплового расчета регенеративных ТОА является определение поверхности нагрева и массы насадки.
89
Методика теплового расчета регенераторов, аналогично рекуперативным ТОА, основывается на уравнениях теплового баланса и теплообмена. При этом предполагается расчет средней разности температур.
Для расчета вводится фиктивная величина - коэффициент теплопередачи за время цикла kЦ , учитывающая нестационарный теплообмен при распростра-
нении и аккумулировании тепла в насадке.
Тепло, воспринимаемое насадкой в период ее нагревания:
QH kH |
tГ |
|
t |
НАС.Н F H |
(124) |
tГ, tНАС.Н - усредненные по объему камеры и по времени температуры горячего теплоносителя и насадки;
kH - средний коэффициент теплопередачи в период нагревания:
1 |
|
1 |
|
R |
, |
(125) |
|
|
|
kH H
H - коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучением; первое слагаемое характеризует внешнее тепловое сопротивление, второе – внутреннее.
Следовательно
QH |
|
|
t |
Г |
|
t |
НАС.Н |
F H |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
(126) |
|||||
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Аналогично для периода охлаждения: |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
НАС.O |
|
F H |
|
|
|||||||||||
QО |
|
t |
tO |
(127) |
||||||||||||||||
|
|
1 |
|
|
|
|
R |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
гдеtНАС.O - средняя температура насадки за период охлаждения.
Из принципа работы регенератора следует, что количество переданного тепла QПЕР от горячего к холодному ТН - QH QO QПЕР .
90