Рекуперативный теплообменник - Regenerative heat exchanger

А регенеративный теплообменник, или чаще регенератор, это тип теплообменник где тепло от горячей текучей среды периодически накапливается в теплонакопительной среде перед передачей холодной текучей среде. Для этого горячая текучая среда приводится в контакт с теплоносителем, затем текучая среда вытесняется холодной текучей средой, которая поглощает тепло.[1]

В регенеративных теплообменниках жидкость по обе стороны от теплообменника может быть одной и той же. Жидкость может пройти этап внешней обработки, а затем она течет обратно через теплообменник в обратном направлении для дальнейшей обработки. Обычно приложение использует этот процесс циклически или повторно.

Регенеративное отопление было одной из важнейших технологий, разработанных во время Индустриальная революция когда он использовался в горячий взрыв процесс на доменные печи,[2] Позже он был использован в производстве стекла и стали, чтобы повысить эффективность мартеновские печи, а также в котлах высокого давления, в химической и других областях, где это продолжает оставаться важным сегодня.

История

Доменная печь (слева) и три Кауперные печи (справа) используется для предварительного нагрева воздуха, вдуваемого в печь

Первый регенератор был изобретен преп. Роберт Стирлинг в 1816 г., а также входит в состав некоторых примеров его двигатель Стирлинга. В простейших двигателях Стирлинга, включая большинство моделей, стенки цилиндра и вытеснитель используются в качестве элементарного регенератора, который проще и дешевле построить, но гораздо менее эффективен.

Более поздние приложения включали доменная печь процесс, известный как горячий взрыв и мартеновская печь также называемый Сименс регенеративная печь (который был использован для изготовления стекла), где горячие выхлопные газы от сжигания пропускают через огнеупоров регенераторов, которые, таким образом, нагретых. Затем поток меняется на противоположный, так что нагретые кирпичи предварительно нагревают топливо.[3]

Эдвард Альфред Каупер применил принцип регенерации к доменным печам в форме «печи Каупера», запатентованной в 1857 году.[4] Это почти всегда используется в доменных печах и по сей день.[3][5]

Пять последовательно включенных регенеративных теплообменников Купера.

Типы регенераторов

Регенераторы обменивают тепло от одной технологической жидкости к промежуточной твердой теплоноситель, затем эта среда обменивается теплом со вторым потоком технологической жидкости. Два потока либо разделены во времени, поочередно циркулируя через накопитель, либо разделены в пространстве, и теплоноситель перемещается между двумя потоками.

В роторные регенераторы, или же тепловые колеса «Матрица» аккумулирования тепла в форме колеса или барабана, которая непрерывно вращается через два встречных потока жидкости. Таким образом, два потока в основном разделены. Только один поток проходит через каждую секцию матрицы за раз; однако в ходе вращения оба потока в конечном итоге последовательно проходят через все секции матрицы. Теплоаккумулирующая среда может быть относительно мелкозернистым набором металлических пластин или проволочной сетки, сделанных из какого-либо стойкого сплава или покрытых для защиты от химического воздействия технологических жидкостей, или изготовленных из керамики в условиях высоких температур. В каждом единичном объеме роторного регенератора может быть обеспечена большая площадь теплообмена по сравнению с кожухотрубным теплообменником - до 1000 квадратных футов поверхности может содержаться в каждом кубическом футе матрицы регенератора по сравнению с около 30 квадратных футов на каждый кубический фут кожухотрубного теплообменника.[6]

Каждая часть матрицы будет почти изотермический, поскольку вращение перпендикулярно как градиенту температуры, так и направлению потока, а не через них. Два потока жидкости текут в противотоке. Температуры жидкости меняются по проходному сечению; однако температура местного потока не зависит от времени. Уплотнения между двумя потоками не идеальны, поэтому может возникнуть перекрестное загрязнение. Допустимый уровень давления роторного регенератора относительно низок по сравнению с теплообменниками.

Патентные чертежи роторного регенератора, иллюстрирующие барабанную матрицу и уплотнения, предотвращающие смешивание потоков.
LjungströmРоторный регенератор.

В регенератор с фиксированной матрицей, одиночный поток жидкости имеет циклический обратимый поток; говорят, что он течет «противотоком». Этот регенератор может быть частью бесклапанный система, такая как двигатель Стирлинга. В другой конфигурации текучая среда направляется через клапаны к разным матрицам в чередующиеся рабочие периоды, что приводит к изменению температуры на выходе со временем. Например, в доменной печи может быть несколько «печей» или «шашек», заполненных огнеупорным кирпичом. Горячий газ из печи проходит через кирпичную кладку в течение некоторого промежутка времени, скажем, одного часа, пока кирпич не нагреется до высокой температуры. Затем срабатывают клапаны и переключают поступающий холодный воздух через кирпич, возвращая тепло для использования в печи. Практические установки будут иметь несколько печей и расположение клапанов для постепенного переноса потока между «горячей» печью и соседней «холодной» печью, чтобы уменьшить колебания температуры выходящего воздуха.[7]

Другой тип регенератора называется регенеративный теплообменник. Он имеет многослойную решетчатую структуру, в которой каждый слой смещен от соседнего слоя на половину ячейки, которая имеет отверстие по обеим осям, перпендикулярным оси потока. Каждый слой представляет собой композитную структуру из двух подслоев, один из материала с высокой теплопроводностью, а другой из материала с низкой теплопроводностью. Когда горячая жидкость протекает через ячейку, тепло от текучей среды передается в лунки ячейки и сохраняется там. Когда поток жидкости меняет направление, тепло передается от стенок ячеек обратно к жидкости.

Третий тип регенератора называется "РотемюлеРегенератор. Этот тип имеет неподвижную матрицу в форме диска, а потоки жидкости проходят через вращающиеся колпаки. Ротемюле регенератор используется в качестве подогревателя воздуха на некоторых электростанциях. Тепловая конструкция этого регенератора такая же, как и у других типов регенераторов.[нужна цитата ]

Биология

Когда мы дышим, мы используем наш нос и горло как регенеративный теплообменник. Поступающий более прохладный воздух нагревается и достигает легких в виде теплого воздуха. На обратном пути этот нагретый воздух отдает большую часть своего тепла по сторонам носовых проходов, так что эти проходы затем готовы согреть следующую порцию поступающего воздуха. У некоторых животных, в том числе людей, есть скрученные листы кость внутри носа называется носовые раковины для увеличения площади поверхности для теплообмена.[нужна цитата ]

Криогеника

Рекуперативные теплообменники изготовлены из материалов с большим объемным теплоемкость и низкий теплопроводность в продольном (потокном) направлении. В криогенный (очень низкие) температуры около 20 K, удельная теплоемкость металлов мала, поэтому регенератор должен быть больше для данной тепловой нагрузки.[нужна цитата ]

Преимущества регенераторов

Преимущество регенератора перед рекуперативным (противоточным) теплообменником состоит в том, что он имеет гораздо большую площадь поверхности для данного объема, что обеспечивает уменьшенный объем теплообменника при заданной плотности энергии, эффективности и падении давления. Это делает регенератор более экономичным с точки зрения материалов и производства по сравнению с эквивалентным рекуператором.[нужна цитата ]

Конструкция входных и выходных коллекторов, используемых для распределения горячих и холодных жидкостей в матрице, намного проще в противоточных регенераторах, чем в рекуператорах. Причина этого заключается в том, что оба потока текут в разных секциях роторного регенератора, и одна жидкость входит и выходит из одной матрицы за раз в регенераторе с фиксированной матрицей. Кроме того, секторы потока для горячих и холодных жидкостей в роторных регенераторах могут быть спроектированы для оптимизации падения давления в жидкостях. Поверхности матрицы регенераторов также обладают самоочищающимися характеристиками, что снижает загрязнение и коррозию со стороны жидкости. Наконец, такие свойства, как небольшая поверхностная плотность и противоточное расположение регенераторов, делают его идеальным для применения в теплообменных системах газ-газ, требующих эффективности более 85%. Коэффициент теплопередачи для газов намного ниже, чем для жидкостей, поэтому огромная площадь поверхности регенератора значительно увеличивает теплопередачу.[нужна цитата ]

Недостатки регенераторов

Основным недостатком роторных регенераторов и регенераторов с фиксированной матрицей является то, что всегда происходит некоторое перемешивание потоков текучей среды, и они не могут быть полностью разделены. Происходит неизбежный перенос небольшой части одного потока жидкости в другой. Во роторном регенераторе уносимая жидкость улавливается внутри радиального уплотнения и в матрице, а в регенераторе с фиксированной матрицей уносимая жидкость - это жидкость, которая остается в пустотном объеме матрицы. Эта небольшая фракция будет смешиваться с другим потоком в следующем полупериоде. Следовательно, роторные регенераторы и регенераторы с фиксированной матрицей используются только тогда, когда допустимо смешивание двух потоков текучей среды. Смешанный поток является обычным для приложений передачи тепла и / или энергии из газа в газ и менее распространен в жидких или фазообменных текучих средах, поскольку загрязнение текучей среды часто запрещено потоками жидкости.[нужна цитата ]

Постоянный нагрев и охлаждение, происходящие в регенеративных теплообменниках, создают большую нагрузку на компоненты теплообменника, что может вызвать растрескивание или разрушение материалов.[нужна цитата ]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Рекуперативные теплообменники
  2. ^ Ландес, Дэвид С. (1969). Свободный Прометей: технологические изменения и промышленное развитие в Западной Европе с 1750 года по настоящее время. Кембридж, Нью-Йорк: Пресс-синдикат Кембриджского университета. п. 92. ISBN  0-521-09418-6.
  3. ^ а б В. К. В. Гейл, Британская металлургическая промышленность (Дэвид и Чарльз, Ньютон Эббот 1967), 98–100.
  4. ^ Беннет Вудкрофт, «Хронологический указатель поданных и выданных патентов за 1857 год», патент № 1404, 19 мая 1857 г. https://books.google.com/books?id=zXMyAQAAIAAJ&printsec=frontcover&dq=index+of+patents&hl=en&sa=X&ei=A6cpU7vGKM3xhQef5ICIAg&redir_esc=y#v=snippet20sealq=edward
  5. ^ К. К. Хайд, Технологические изменения и британская металлургия 1700–1870 гг. (Издательство Принстонского университета, 1977), 200–1.
  6. ^ Джон Дж. МакКетта-младший (редактор), Методы расчета теплопередачи, CRC Press, 1991, ISBN  0849306655, страницы 101-103
  7. ^ Рамеш К. Шах, Душан П. Секулич Основы проектирования теплообменников, Джон Уайли и сыновья, 2003 г. ISBN  0471321710, стр. 55