10. Регенеративные та

Регенеративные ТА нашли применение в основном в высокотемпературных технологических установках, ГТУ, низкотемпературных установках разделения газов и газовых холодильных машинах. Теплоаккумулирующая насадка этих аппаратов может быть подвижной и неподвижной. В последнем случае для получения непрерывного процесса теплообмена от одного теплоносителя к другому необходимы два аппарата (см. рис. 1.1, б). При подвижной насадке процесс теплообмена происходит в одном аппарате (см. рис. 1.1, в).

Область применения и температурный уровень теплоносителей предопределяет конструкцию регенеративного ТА и тип его насадки. В связи с этим выделяют аппараты, работающие в областях высоких, средних и очень низких температур.

В области высоких температур (800…1000 ºС) после различных печей применяют аппараты с неподвижной насадкой из огнеупорного кирпича, который выкладывают таким образом, чтобы образовались сплошные каналы для прохода газа. Для интенсификации теплообмена кирпичная кладка насадки имеет выступы. Преимуществами аппаратов с кирпичной насадкой являются простота и возможность достижения высоких температур подогрева воздуха, а недостатками – громоздкость, сложность эксплуатации ввиду необходимости переключения аппарата, изменение температуры нагреваемого воздуха в течение цикла.

Для высокотемпературного подогрева воздуха могут быть использованы вращающиеся аппараты, роторы которых заполнены чугунной дробью или другой термостойкой насадкой.

В области средних температур (250…400 ºС) для подогрева воздуха используются вращающиеся регенеративные ТА, роторы которых имеют металлическую насадку, ала аппараты с «падающим слоем».

Горизонтальные и вертикальные вращающиеся регенеративные ТА относятся к аппаратам непрерывного действия, они более компактны и характеризуются более интенсивным теплообменом. Ротор 4 регенеративного подогревателя воздуха в мощных ГТУ (рис. 1.25) с насадкой 3 в виде набора сеток из коррозионно-стойкой проволоки диаметром 0,3…0,4 мм вращается в статоре 5. С помощью радиальных перегородок ротор разделен на секторы, чем достигается отделение потоков газа и воздуха. Схема движения воздуха и газа противоточная, хотя каждая среда имеет сначала осевое направление, затем радиальное и, проходя через насадку ротора, или нагревает ее, или воспринимает теплоту. Благодаря такому удлинению пути потоков увеличивается скорость в каналах насадки, коэффициент теплоотдачи достигает значений 300…400 Вт/(м²·К) при частоте вращения ротора 20…30 об/мин. Следует отметить, что в регенеративных воздухоподогревателях котлов с частотой вращения ротора 2…10 об/мин, имеющих насадку из гофрированных металлических листов с каналами треугольного и квадратного сечений, значения коэффициентов теплопередачи составляют лишь 9…14 Вт/(м²·К). Во избежании перетечек воздуха и газа в конструкции предусмотрены внутренние 1 и наружные 2 уплотнения.

Рис. 1.25. Схема вращающегося регенеративного подогревателя воздуха ГТУ

В транспортных ГТУ мощностью до 1 МВт быть использован регенеративный ТА с дисковым ротором карманного типа (рис. 1.26). Несущая и теплопередающая функции ротора разделены. Каркас диска образован массивными боковыми полотнами 2, связанными поперечными каркасными рамками. В полотнах прорезаны отверстия, в которые вставлены стаканы 3, образующие сквозные цилиндрические окна – карманы. В каждый карман помещен рабочий элемент 8 насадки, представляющий собой усеченный корпус из многослойной плетеной сетки из коррозионно-стойкой стали. Поскольку рабочие элементы имеют очень небольшую площадь контакте с металлическими конструкциями ротора, то эти конструкции оказываются мало подверженными действию резко изменяющихся температур. Температура опорных поверхностей уплотнения 5 в рабочем режиме превышает 400 ºС, что позволяет изготовлять их из графита.

Рис. 1.26. Схема вращающегося регенеративного ТА с дисковым ротором карманного (сотового) типа: В – воздух; Г – газ

Вследствие небольших температурных деформаций диска 6 зазоры раскрываются незначительно, что повышает работоспособность уплотнений и приводит к снижению утечек воздуха. Уплотнения 5 установлены на опорных рамках и прижаты к боковым полотнам диска с двух сторон. Опорная рамка имеет периферийную часть и поперечную балку, разделяющую полотно диска на газовый Г и воздушный В секторы. Диск 6 насажен на центральный вал 4, закрепленный в подшипниках с помощью сферического шарнира 9. На периферии ротора выполнен кольцевой фланец 7, на обоих сторонах которого установлены антифрикционные кольцевые накладки 1, взаимодействующие с опорной кольцевой дорожкой 10 в корпусе. Кольцевой фланец с антифрикционными накладками уменьшает термическую деформацию ротора, устраняет перекос уплотняемых поверхностей и препятствует раскрытию зазоров уплотнений. Компактность насадки составляет 4000…5000 м²/м³.

Следует отметить, что при создании вращающихся регенеративных аппаратов для ГТУ главной проблемой остается повышение надежности работы уплотнений с целью снижения утечек теплоносителей. При давлении воздуха перед ТА 0,3…0,5 МПа утечки составляют примерно 3…5 % расхода воздуха на входе, что эквивалентно снижению мощности двигателя на 3…5 % и увеличению расхода топлива на 6…15 %.

В регенеративных ТА воздухоразделительных установок (ВРУ) наряду с охлаждением прямого потока воздуха происходит его очистка от влаги и двуокиси углерода путем вымораживания на насадке. Установка состоит из двух аппаратов, обеспечивающих непрерывность процесса охлаждения (рис. 1.27). Установка работает следующим образом. Сжатый воздух давлением до 0,6 МПа нагревает насадку аппарата 1 и охлаждается до температуры, близкой к температуре насыщения. В это же время поток холодного газа (азота) проходит в насадку 2 аппарата, охлаждает ее до определенной температуры. Через определенный промежуток времени происходит переключение клапанов и поток воздуха будет поступать в аппарат 2, а азот в аппарат 1. В ВРУ в качестве насадки применяют насыщенную насадку в виде гранул и диски алюминиевой гофрированной ленты 3.

Рис. 1.27. Переключающая воздухоразделительная установка: В – воздух, А - азот

Корпус выполняется сварным из листовой хромоникелевой стали толщиной 10…12 мм; между решетками укладывают диски из гофрированной ленты и всю конструкцию стягивают болтами.

В газовых холодильных установках регенеративные ТА компонуют в блоке с холодильной машиной, поэтому ТА должен быть очень компактным. Для ТА холодильных машин больше всего подходит насадка из тонкой проволоки ватообразной структуры или мелкой сетки из меди, латуни, бронзы или другого материала высокой теплопроводности. Коэффициент компактности такой насадки достигает 10⁵ м²/м³.