Регенеративные теплообменные аппараты

Регенераторы предназначены для охлаждения сжатого воздуха до температуры насыщения и одновременной его осушки и очистки от двуокиси углерода и других примесей, вымерзающих из воздуха. Одновременно с вымораживанием примесей протекает процесс их адсорбции на поверхности насадки и на поверхностях твердых осадков. В результате в регенераторах задерживается значительная доля взрывоопасных примесей углеводородов и даже до 10 % содержащихся в воздухе криптона и ксенона. Регенераторы работают в режиме полной самоочистки: обратный поток газа во время «холодного дутья» полностью сублимирует, десорбирует и выносит из регенератора все примеси, сконденсированные в жидкую и твердую фазу на поверхности насадки во время «теплого дутья». Режим самоочистки при периодическом переключении потоков (обычно через 3—9 мин) может поддерживаться (благодаря уменьшению разности температур прямого и обратного потоков) при давлениях сжатого воздуха до 1,4 МПа. При более высоких давлениях обратный поток не может сублимировать и выносить все примеси с поверхности насадки pereнератоpa — неизбежно наступает так называемая «забивка» или "замерзание" регенераторов.

Регенераторы применяют в ВРУ, начиная с 30-х годов. Рабочий процесс в них достаточно хорошо изучен, разработаны надежные методы теплового расчета и расчета на незабиваемость, которые осуществляются на ЭВМ. В отечественных ВРУ наряду с регенераторами с алюминиевой гофрированной насадкой широко применяют регенераторы с дробленой каменной (базальтовой) насадкой и встроенными змеевиками, позволяющими получать часть сухих и чистых продуктов (20—40 % от перерабатываемого воздуха). Объемная доля сухих и чистых продуктов должна быть обусловлена техническим заданием. При максимальной доле сухих продуктов все регенераторы ВРУ должны иметь встроенные змеевики. В небольших установках используют также насадки из коротких пружинок, свитых из алюминиевой проволоки диаметром около 1,5 мм. Отечественной промышленностью разработан типовой ряд регенераторов для установок с расходом перерабатываемого воздуха (20—360) 10³ м³/ч.

По сравнению с переключающимися пластинчато-ребристыми теплообменниками регенераторы имеют меньший (в 3—10 раз) период переключения и большие гидравлические сопротивления, поэтому удельный расход энергии и энергетическая составляющая затрат в ВРУ с регенераторами на 5—8 % больше, чем в ВРУ с пластинчато-ребристыми теплообменниками. Важнейшие практические преимущества регенераторов — технологическая и конструктивная простота, большой ресурс работы, высокая надежность, особенно в условиях сильно загрязненного воздуха. Регенераторы дешевле теплообменников, поэтому суммарные приведенные удельные затраты на единицу продукта в ВРУ с регенераторами только на 2,5—3 % больше чем в установках с пластинчато-ребристыми теплообменниками. При увеличении стоимости электроэнергии особое значение приобретает проблема уменьшения потерь сжатого воздуха и гидравлического сопротивления регенераторов. В некоторых случаях возможна замена их пластинчато-ребристыми теплообменниками.

В регенераторах с дисками из алюминиевой гофрированной ленты установлено 96 дисков (галет) высотой 50 мм (ширина ленты b = 50 мм). В верхней теплой зоне регенератора установлены диски (до 23 % общего их числа) с большим относительным свободным объемом (e_cв = 0,745). В средней зоне размещено около 32 % общего числа дисков с несколько меньшим относительным свободным объемом (e_св = 0,695); в нижней, самой холодной, зоне — наибольшее число дисков с наименьшим относительным свободным объемом (e_св = 0,58). Относительный свободный объем дисковой насадки определяется глубиной и шагом рифления и толщиной ленты (рис. 4.1)

e_св = 1 – 0.5 Fуд d.

Здесь d — толщина ленты, м; Fуд — удельная площадь поверхности гофрированной насадки, м²/м³; Fуд  = 3,32 (h–d)/ ht sin{arctg[2(h—d) / t]}

где h - высота гофра, м, t - шаг рифления, м, h-d – глубина рифления, м.

Рис. 4.1. Диск насадки («галета»), свернутый из двух алюминиевых гофрированных лент с прорезями

 

В регенераторах используют ленту толщиной d » 0,5 мм. Обычно у насадки верхней зоны шаг рифления 4,71 мм и высота гофра 2 мм; в средней зоне шаг соответственно 3,92 и 1,5—1,66 мм; нижней зоне—3,14 и 1,0—1,2 мм. Диск навивают из двух сложенных вместе гофрированных лент, имеющих противоположное направление наклона гофр. Угол наклона гофра к плоскости диска 60° (в ранних конструкциях 45°). Гофрированная лента (шириной 50 мм и толщиной 0,5 мм) имеет два ряда продольных прорезей-просечек для интенсификации теплообмена путем уменьшения толщины пограничного слоя и осевой теплопроводности. Просечки длиной 60 мм выполняют вдоль ленты с интервалом 15—30 мм.

Оптимальное расстояние между рядами прорезей составляет 8—10 мм. Последние исследования показали целесообразность применения дисковых насадок с углом наклона гофр 75° и числом рядов прорезей до 6. В частности, коэффициент теплоотдачи при увеличении угла наклона гофр от 60 до 75° уменьшается примерно в 1,3 раза для насадок с шагом рифления 3.14—4,71 мм. В то же время гидравлическое сопротивление уменьшается в существенно большей степени: в 1,9 раза для насадки с шагом рифления 3,14 мм; в 1,5 раза для насадки с шагом 3,92 мм; в 1.4 раза для насадки с шагом рифления 4,71 мм. Таким образом, при применении таких дисков (даже при необходимости увеличить их число на 25 —30%) абсолютное значение гидравлического сопротивления регенератора увеличивается примерно на 25 %. Эффективность дисковых насадок высотой 50 мм можно повысить просечкой не двух, а 6 рядов прорезей. Экспериментально установлено, что коэффициент теплоотдачи увеличивается при этом в 1.4—1,6 раза. Наконец, существенное (в 2—4 раза) уменьшение гидравлического сопротивления (по сравнению с сопротивлением дисков из двух гофрированных лент) обеспечивает применение дисков из гладкой и гофрированной лент с прямыми гофрами j = 90°. Уменьшение коэффициента теплоотдачи в таких дисках в 1,5—2 раза можно частично компенсировать, увеличив число продольных прорезей. В итоге, гидравлические потери в регенераторах уменьшаются в 1,5 – 2 раза. Таким образом, регенераторы с дисковой насадкой по гидравлическим характеристикам могут не уступать пластинчато-ребристым теплообменникам.

Резервов повышения эффективности у регенераторов с каменной дробленой насадкой меньше. Большую недорекуперацию потоков, идущих по змеевикам, можно уменьшить только конструктивно: увеличив число трубок (что нежелательно, nocкольку уменьшается объем насадки) или существенно усложнив конструкцию всего аппарата. В регенераторах с насыпной каменной насадкой и змеевиками применяют дробленый базальт с размером зерен 8—12 мм (в расчетах принимают 10 мм). Такая насадка имеет практически одинаковую удельную площадь поверхности во всех температурных зонах регенератора, равную 470 м²/м³, и одинаковый свободный объем 0,42 м³/м³ (насыпная масса 1780 кг/м³). В сердечник регенератора насыпают более мелкий базальт со средним размером зерен 4 мм.

⇐ Предыдущая6789101112131415Следующая ⇒

Поделиться: