Конструкція та види регенеративних та

Область застосування та температурний рівень теплоносіїв наперед визначає конструкцію регенеративного ТА і тип його насадки. У зв’язку з цим виділяють апарати, які працюють в областях високих, середніх і дуже низьких температур.

В області високих температур (800-1000⁰С) після різних печей застосовують апарати з нерухливою насадкою з вогнетривкої цегли, яку викладають таким чином, щоб утворювались суцільні канали для проходу газу. Для інтенсифікації теплообміну цегляна кладка має виступи. Превагами апаратів з цегляною насадкою є простота та можливість досягнення високих температур підігріву повітря, а недоліками – громіздкість експлуатації через необхідність переключення апарату, зміна температури повітря, що нагрівається протягом циклу.

Для високотемпературного перегріву повітря можуть бути використані апарати, що обертаються, ротори яких заповнені чавунною дріб’ю чи іншою термостійкою насадкою.

В області середніх температур (250-400⁰С) для підігріву повітря використовуються регенеративні ТА, які обертаються, ротори яких мають металічну насадку, або апарати з «падаючим шаром». Горизонтальні і вертикальні регенеративні ТА, що обертаються, відносяться до апаратів неперервної дії, вони більш компактні і характеризуються більш ефективним теплообміном. Ротор 4 регенеративного підігрівача повітря в потужних ГТУ (мал. 3) з насадкою 3 у вигляді набору сіток із корозійностійкої проволоки діаметром 0,3…0,4 мм обертається в статорі 5. З допомогою радіальних перегородок ротор розділений на сектори, чим досягається розділення потоків газу та повітря. Схема руху газу і повітря протиточна, хоча кожне середовище має спершу осьовий напрям, а потім радіальний і, проходячи через насадку ротора, або нагріває її, або сприймає теплоту, яка акумульована в ній. Завдяки такому подовженню шляху потоків збільшується швидкість у каналах насадки, коефіцієнт тепловіддачі досягає значень при частоті обертів ротора .

В транспортних ГТУ потужністю до може бути використаний регенеративний ТА, який обертається, з дисковим ротором кишенькового типу (мал. 4).

Несуча та теплопередаюча функції ротора розділені. Каркас диску утворюється масивними боковими полотнами 2, зв’язаними поперечними каркасними рамками. В полотнах прорізані отвори, в які вставлені стакани 3, що утворюють наскрізні циліндричні вікна – кишені. В кожній кишені розміщений робочий елемент 8 насадки, яка являє собою зрізаний конус із багатошарової плетеної сітки з корозійностійкої сталі. Оскільки робочі елементи мають дуже невелику площу контакту з металічними конструкціями ротора, то ці конструкції виявляються такими, що мало піддаються дії температур, які різко змінюються. Температура опорних поверхонь потовщень 5 у робочому режимі перевищує 400⁰С, що дозволяє виготовляти їх з графіту.

Внаслідок невеликих температурних деформацій диска 6 зазори відкриваються дуже мало, що підвищую працездатність ущільнень і призводить до зниження витоку повітря. Потовщення 5 встановлені на опорних рамках і притиснуті до бокових полотен диска з двох сторін. Опорна рамка має периферійну частину і поперечну балку, яка розділяє полотно диска на газовий Г і повітряний П сектори. Диск 6 насаджений на центральний вал 4, закріплений у підшипниках за допомогою сферичного шарніру 9. На периферії ротора виконаний кільцевий фланець 7, з двох сторін якого встановлені антифрикційні кільцеві накладки 1, які взаємодіють ся з опорною кільцевою доріжкою 10 в корпусі. Кільцевий фланець з антифрикційними накладками зменшує термічну деформацію ротора, усуває перекіс ущільнених поверхонь і запобігає розкриттю зазорів потовщень. Компактність насадки складає

Необхідно відмітити, .що при створенні регенеративних апаратів, що обертаються, для ГТУ головною проблемою лишається підвищення надійності роботи потовщень з ціллю зниження витоку теплоносіїв. При тиску повітря перед ТА вони складають приблизно розходу повітря на вході, що еквівалентно зниженню потужності двигуна на і збільшенню розходу горючого на .

До регенеративних ТА відносяться повітронагрівачі з кульковою насадкою – «падаючий шар» або «падаюча сипуча насадка», які працюють при середніх температурах підігріву.

У якості кулькової насадки можуть використовуватися чавунний дріб, оксиди магнію та інші матеріали, які мають велику теплоємність та витримують ударну нар гузку. Апарати з насадкою із вогнетривкого сипучого матеріалу можуть бути використані і для високотемпературного нагріву повітря. Кулькова насадка рівномірно розподіляється по перерізу апарату та вільно падає вниз назустріч гріючим газам, які поступають знизу зі швидкістю, меншою від швидкості псевдоожиження зернистого матеріалу. Нагріта насадка через ущільнюючу камеру переходить вниз в повітряну камеру, розподіляється рівномірно по перерізу і падає назустріч повітрю, нагріваючи його. З повітряної камери насадка подається в газову камеру елеватором і процес повторюється. Для збільшення часу перебування сипучої насадки в камері в ній під різними кутами роблять полиці.

Окрім розглянутих застосовують регенеративні ТА з «киплячим шаром». В цих апаратах частинки зернистої насадки під дією потоку повітря чи газу переходять в псевдоожижений стан і утворюють зважений рухомий шар. Швидкість потоку, при якій відбувається перехід шару насадки в псевдоожижений стан, залежить від густини, розмірів та форми частинок, а також в’язкості та густини газу. Рівномірність псевдоожиження визначається не лише розмірами, формою твердих частинок та швидкістю потоку, але і конструкцією нижньої розподільної решітки, площею її живого перерізу і способом підводу газу. У апаратах з «киплячим шаром» іноді використовують гранули, заповнені легкоплавкою речовиною. При дотиканні гранул з гарячим газом відбувається нагрів металічного покриття і ядро гранул починає плавитись, забираючи теплоту від гарячого теплоносія, рівну теплоті плавлення матеріалу ядра. При дотиканні з холодним потоком газу гранули охолоджуються, матеріал ядра твердне, віддаючи теплоту плавлення холодному теплоносію. Теплоакумулююча здатність розглянутої насадки включає в себе питому теплоту нагріву металічного покриття гранул і ядра в циклі наргів-охолодження і питому теплоту плавлення матеріалу ядра.

Перевагами регенеративних повітронагрівачів з «киплячим шаром» є:

• висока інтенсивність теплообміну;

• можливість високотемпературного нагріву повітря (до 1000⁰С);

• відносна простота пристрою.

До недоліків можна віднести:

• можливість зміни властивостей частинок насадки (тріщини, стирання і т.п.);

• абразивне зношування внутрішніх поверхонь апарату;

• запиленість повітря і газу;

• підвищений гідравлічний опір.

В регенеративних ТА повітророздільних установок (ПРУ) поруч з охолодженням прямого потоку повітря відбувається його очищення від вологи та двоокису вуглецю шляхом виморозки на насадці. Установка складається з двох апаратів, які забезпечують неперервність процесу охолодження (мал. 5).

Установка працює наступним чином. Стиснене повітря тиском до нагріває насадку апарату 1 і охолоджується до температури, близької до температури насичення. В той же час потік холодного газу (азоту) проходить через насадку апарата 2, охолоджує її до певної температури. Через певний проміок часу відбувається перемикання клапанів і потік повітря буде поступати до апарату 2, а азот – в апарат 1. У ПРУ в якості насадки застосовують насипну насадку у вигляді гранул та диски алюмінієвої гофрованої стрічки 3. Корпус виконують зварним із листової сталі товщиною ; між решітками вкладають диски гофрованої стрічки і всю конструкцію стягують болтами. Швидкість газу, визначену у повному перерізі апарату, складає

У ПРУ також застосовують насипну кам’яну насадку з базальту чи кварциту з гранулами розміром .

Регенеративний ТА з насипною кам’яною насадкою має корпус 1 (мал. 6), всередину якого вмонтовано змієвик 2 для отримання частини продуктів

р озділення, які не забруднені домішками. Гранули насадки 7 знаходяться зверху і знизу змієвика. Об’єм засипки насадки у верхній частині обмежений дырчатой обечайкой 11, а в нижньому – конусом 6, який обтягнутий сіткою із корозійностійкої сталі. Внаслідок великої маси насадки помітно подовжується час проходження прямого та зворотнього потоків через апарат, зменшується кількість спрацьовувань клапанів та спрощуються умови регулювання температурних режимів. Базальт і кварцит мають високу міцність, малу зношуваність та великий коефіцієнт теплоємності. Однак апарати з насипною насадкою менш ефективні, ніж з металевою із гофрованої стрічки.

В регенеративних ТА з насипною насадкою площа перерізу для проходження газу приблизно в 1,5 разів менша, ніж в апаратах з металевою насадкою з гофрованої стрічки, тому для отримання прийнятного гідравлічного опору швидкість газу, визначена в повному переріза Арарату, приймається Перепад температури за період роботи апарату по прямій та зворотній схемам складає

Кам’яна насадка застосовується у тих випадках, коли необхідно отримати чисті продукти розділення. З цією ціллю частина зворотного потоку виводиться з генератора через змієвик, засипаний гранулами.

У газових холодильних установках регенеративні ТА компонують в блоці з холодильною машиною, тому ТА повинен бути дуже компактним. Для ТА холодильних машин більше всього підходить насадка з тонкої проволоки ватоподібної структури чи дрібної сітки з міді, латуні, бронзи або іншого матеріалу високої теплопровідності. Коефіцієнт компактності такої насадки досягає

На мал. 7 показаний комбінований агрегат вентилятор-димосос з поверхнею нагріву, яка обертається, у вигляді ротора, що виконаний із порожнистих герметичних оребрених лопаток, наполовину заповнених водою. Агрегат розділений по висоті на дві частини. Через нижню частину проходять димові гази та випарюють воду, яка знаходиться в нижній частині оребрених лопаток. Через верхню частину агрегату проходить холодне повітря і нагрівається від стінок верхньої частини лопаток, заповнених паром; при цьому пар в них конденсується і стікає назад в нижню частину лопаток.

Потрібно сказати, що комбіновані агрегати з поверхнею нагріву, що обертається, поки що мають більш низький к.к.д., ніж звичайні вентилятори та димососи, а тому широкого застосування не набули.

На сьогоднішній день в нафтохімічній, нафтопереробній та інших галузях промисловості, а також в енергетичних установках с високотемпературними процесами, коли високолеговані сталі недостатньо стійкі, отримали застосування теплообмінники з нерухомим, киплячим або «падаючим шаром» твердого жаротривкого проміжного теплоносія. У цих теплообмінниках перегрівають водяний пар, нагрівають повітря, гази і пари органічних рідин до температур 1600…2000⁰С.

В установках неперервної дії твердий теплоносій весь час переміщується за допомогою механічних ковшових елеваторів, вібропдйомників чи пневматичних пристроїв. Принципова схема теплообмінника з ковшовим елеватором, запропонованого А. Д. Аліфановим та П. Д. Лєбєдєвим, показана на мал. 8. В цьому теплообміннику загрузочні а розгрузочні штуцера, через які подаються і відводяться кульки, мають бут завжди заповнені ними і служити гідравлічним затвором, який виключає перетікання газу з камери охолодження в камеру нагріву і навпаки.

П ри проектуванні установок с рухомими твердими теплоносіями високі вимоги ставляться до герметизації газів, які охолоджуються і нагріваються, а також з’являються великі конструктивні труднощі, обумовлені високою температурою частинок та потребою регулювання розходу. Експлуатація таких установок ускладнюється зношуванням частинок і швидким абразивним зносом всіх трактів їх руху. При пневматичному транспортуванні частин особливо швидко руйнуються труби зі звичайної салі та внутрішні стінки апарата, навіть облицьовані карборундом.

Для вловлювання відносу дрібних частинок із теплообмінника після вихідних патрубків необхідна установка знепилюючого пристрою.

Розглянуті регенератори далеко не охватують різноманіття існуючих типів та конструкцій таких апаратів.

В газових холодильних машинах фірми Філіпс (Голандія) насадкою ТА є тонка скручена мідна проволока. Іноді в низькотемпературних холодильних машинах застосовують насадку ТА, виконану у вигляді пористих елементів (гранул) кулеподібної форми із свинцю розміром пориста металічна основа заповнюється інертним газом в твердій фазі, який забезпечую високу теплоакукмуляційну здатність насадки.

На точність розрахунку гідравлічного опору цегляних, керамічних, кам’яних і кулястих насадок найбільший вплив надає шероховатість поверхні. На опір сітчастих насадок вагомий вплив складає щільність упаковки сіток. Експериментальні дані свідчать, що щільна упаковка сіток заспокоює потік, а їх розташування з певним інтервалом, як в сітчастих апаратах, призводить до турбулізації потоку газу зі всіма витікаючи ми звідси наслідками.