Теплообменные устройства

Теплообменные устройства 

         Для лучшего  использования топлива  в печах  необходимо прежде   всего   лучше организовать   теплообменные   процессы и снизить температуру уходящих из рабочего пространства газов. В туннельных печах это достигается устройством достаточной длины зоны подогрева,  что дает увеличение поверхности теплообмен. Кроме того, для увеличения теплоотдачи от дымовых газов к нагреваемым   изделиям  предусматривают устройства для перемешивания газов, которые, наряду с улучшением теплообмена, и выравнивают температуры по сечению печи.

       Более полного использования топлива можно достичь также за счет устранения потерь тепла от химической и механической неполноты горения, например за счет применения наиболее эффективных топливо сжигающих устройств, позволяющих с незначительным избытком воздуха получить полное сгорание  топлива в рабочем пространстве печи.

        Если одновременно с уменьшением коэффициента избытка V воздуха при горении топлива уменьшить подсосы воздуха через неплотности при движении газов вдоль печного пространства, то при одной и той же температуре отходящих газов объем их будет меньше и уменьшатся потери тепла с уходящими из печи газами.

        Большое значение для сушки изделий имеет использование тепла горячего воздуха, отбираемого из зоны охлаждения печей, и уходящих дымовых газов. В этом отношении наиболее целесообразно   совмещение   туннельной  печи с сушилом  в  один агрегат таким образом, чтобы сушило было продолжением печи, т. е. отдельной зоной сушки. При этих условиях будет наиболее полное использование тепла отходящих газов и горячего воздуха, отбираемого   из зоны   охлаждения,   непосредственно в самой печи. Тепловую работу печи можно улучшить также подогревом воздуха, идущего для горения. В туннельных печах это достигается за счет зоны охлаждения, в которой воздух без дополнительного устройства теплообменных аппаратов нагревается за счет охлаждения материала.

          Весьма трудно снизить потери тепла с отходящими газами в однокамерных печах, работающих периодически. В этих печах отходящие газы могут иметь довольно высокую температуру, особенно при высокотемпературном обжиге Поэтому использование тепла отходящих газов для подогрева воздуха приобретает важное значение, тем более что в период работы печи воздух, идущий для горения, нельзя подогреть за счет обожженного материала этой печи.

         Для использования тепла отходящих из печи газов на пути движения дымовых газов вне печи устанавливают специальные теплообменные аппараты, называемые регенераторами и рекуператорами.

      По принципу действия теплообменники подразделяют на три вида:

• рекуперативные;
• регенеративные;
• смесительные.

        В рекуперативных теплообменниках теплоносители омывают стенку с двух сторон и обмениваются при этом теплотой. Процесс теплообмена протекает непрерывно и имеет обычно стационарный характер. Стенка, которая омывается с обеих сторон теплоносителями, называется рабочей поверхностью теплообменника.

        Рекуперативные теплообменники подразделяют в зависимости от направления движения теплоносителей. Если теплоносители движутся параллельно в одинаковом направлении, теплообменник называют прямоточным, а при противоположном направлении движения – противоточным. В теплообменнике с перекрестным током теплоносители движутся во взаимно перпендикулярных направлениях, при этом возможен однократный и многократный перекрестный ток. Встречаются и более сложные схемы движения теплоносителей.

        Рекуперативные теплообменники, предназначенные для утилизации теплоты в газотурбинных установках, называют регенераторами; теплообменники для рассеивания теплоты горячей воды в окружающее пространство называют радиаторами.

       В регенеративном теплообменнике одна и та же поверхность поочередно омывается то горячим, то холодным теплоносителем. При соприкосновении с горячим теплоносителем стенка аккумулирует теплоту, а затем отдает ее холодному теплоносителю. Для удовлетворительной работы теплообменника его рабочие стенки должны обладать значительной теплоемкостью.

       Характерная особенность регенеративного теплообменника – нестационарный режим теплообмена. Чтобы процесс теплообмена протекал непрерывно при одинаковой продолжительности периода нагрева и охлаждения, такой теплообменник должен иметь две параллельно работающие секции.

      Внутренняя полость теплообменника заполняется насадкой, которая делается из кирпича, металла или другого материала.

       В смесительных теплообменниках процесс теплообмена сопровождается перемешиванием теплоносителей, т.е. они непосредственно соприкасаются друг с другом. Поэтому смесительные теплообменники называются также контактными. Процесс теплообмена в таком аппарате имеет стационарный характер и сопровождается испарением жидкости.

      Смесительный теплообменник целесообразно использовать для таких теплоносителей, которые легко разделить после теплообменного аппарата. Например, такой парой теплоносителей является вода и воздух.

        Из трех рассмотренных выше видов теплообменников наиболее широкое и разностороннее применение находят рекуперативные теплообменники.

       По конструкции теплообменник может быть:

• объемным;
• пластинчатым;
• скоростным (также называют кожухотрубным);
• спиральным.

       В объемном теплообменнике одна среда сосредоточена в баке большого объема, вторая – протекает через змеевик.

      В кожухотрубных теплообменниках среды движутся с достаточно большой скоростью для увеличения коэффициента теплоотдачи. Сам теплообменник представляет собой один большой кожух (трубу), в котором находится много мелких трубочек. Одна среда в нем двигается в межтрубном пространстве, другая – внутри трубочек. Обычно в трубочках находится более "грязная" среда, так как их легче чистить.

Кожухотрубный теплообменник

         Современные пластинчатые теплообменники состоят из набора пластин. Среды в них движутся между пластинами. Такие теплообменники просты в изготовлении (штампованные пластины с прокладками между ними складываются в пакет пластин), легко модифицируются, характеризуются хорошей эффективностью.

Пластинчатый  теплообменник

        Для нагревания и охлаждения высоковязких жидкостей чаще используют спиральные теплообменники – два спиральных канала, навитых из рулонного материала вокруг центральной разделительной перегородки (керна), по которым движутся среды.

Регенераторы

        Как устройства для подогрева воздуха отходящими горячими газами были известны давно, с середины XIX в., и применялись в сименс-мартеновском процессе выплавки стали. Идея их была очень проста: через кладку огнеупорных кирпичей, уложенных так, что через нее могли проходить газы, поочередно пропускались противотоком поступающий в печь воздух и отходящие горячие дымовые газы. Здесь использован тот же принцип, что и в холодном генераторе. Эти газы нагревали кирпичи (насадку), а сами охлаждались; затем через горячую насадку в противоположном направлении пропускался воздух, который, нагреваясь, охлаждал насадку. Так, последовательно переключая потоки, можно было нагревать воздух за счет охлаждения отбросных газов. 

          Молодой инженер М. Френкль предложил использовать е процессах низкотемпературного разделения воздуха такого рода регенераторы вместо теплообменников для охлаждения поступающего сжатого воздуха выходящими кислородом и азотом. Поначалу эта идея вызвала у профессионалов-эрудитов даже не отрицание, а просто снисходительно-ироническое отношение. Применить эти грубые громоздкие кирпичные сооружения, в которых разности температур между потоками составляют десятки градусов, к тонкой технике разделения воздуха? Ведь здесь каждый градус и каждая калория ценятся на вес золота!

       Тем не менее Френкль не отступал. Кирпичи были заменены тонкой гофрированной алюминиевой лентой (насадкой), каменный короб - стальным цилиндром. Получились компактные аппараты, в которых на 1 м³ объема приходилось несколько тысяч квадратных метров площади поверхности теплообмена (вместо нескольких сотен в трубчатых теплообменниках). Этот успех был относительно быстро достигнут благодаря дальновидности фирмы Линде, которая приобрела патент Френкля и провела дорогостоящие работы по доведению его идеи до инженерного решения. 
 
 

Рекуператоры

         Рекуперация (от лат. recuperatio — «обратное получение») — возвращение части материалов или энергии для повторного использования в том же технологическом процессе. Что с удорожанием энергоресурсов становится все актуальнее. Забирая в холодное время года с наружи свежий воздух, для притока системы вентиляции его необходимо обязательно подогревать. Подготовленный воздух попадает в помещения и затем забирается оттуда вытяжными системами, т.е. нагретый, теплый воздух в прямом смысле улетает в трубу, как и средства на его нагрев. В случае с воздухом, рекуператор устройство в котором происходит теплообмен, в случае холодного периода года, то передается тепло от вытяжного воздуха - приточному, а в теплый период года теплый наоборот.

Затраты энергии на нагрев или охлаждение наружного воздуха, Вт:

Q = 0,335* L *(t_кон - t_нач), где:

L - расход  воздуха, м³/ч;

 t_нач - температура начальная, ⁰С

t_кон - температура конечная, ⁰С 

Необходимо 3м³/ч на 1 м² площади или на одного человека 60м³/ч наружного воздуха (большее из значений с учетом работы вытяжных систем).

         Что например, при расчетной наружной температуре -22⁰С (согласно справочника Климатологии для Киевской обл.), составит на одного человека: Q = 0,335 х 60м³/ч х (+22⁰С - -22⁰С) = 844Вт.

          Для удобства в расчетах и принимая в учет работу вытяжных систем на полную мощность для "добротного" коттеджа, в размере 1000м³/ч наружного воздуха для компенсации вытяжного, мы получим затраты необходимые на его нагрев без рекуператора: Q = 0,335 *1000м³/ч х (+22⁰С - -22⁰С) = 14738Вт = 14,7кВт.

          1000м³/ч обоснованная цифра в наших рекомендациях - расход воздуха выше, это уже другой тип оборудования, значительно дороже повсеместно. К тому же имеет смысл использовать вентилятор на средних оборотах в обычном режиме эксплуатации, а при пиковой нагрузке включать на полную производительность, при этом шум конечно возрастет.

Типы  рекуператоров

       В зависимости от конструктива и возможности применения рекуператоры делятся на:

• Пластинчатые 1 секция (классический тип) 2 секции 4-8 секций.
• Трубные Теплообменный аппарат ТТАИ.
• Роторные бытовые компактные промышленные.
• С промежуточным теплоносителем фреон-фреон - тепловые насосы вода-вода водяные калориферы где энергоноситель вода с добавками на базе этилегликоля.
• Тепловые трубы.
• Системы возврата тепла для дымоходов (рекуператор дымохода).

 

Пластинчатые  рекуператоры односекционные

       Воздушные потоки разделены пластинами через которые происходит теплообмен. Принцип теплообмена (рекуперации) происходит без физического смешивания встречных потоков воздуха. Тепло удаляемого из помещения воздуха передаётся приточному воздуху посредством целлюлозных пластин теплообменных кассет. Движение воздушных потоков в кассетах перекрёстное. В таких секциях приточных установок нет подвижных частей, что продлевает срок их эксплуатации и делает относительно дешевыми.

         В пластинчатых рекуператорах полностью исключен подмес удаляемого воздуха в приточный. В конструкции отсутствуют движущиеся детали.

       Имеют КПД от 0% при неправильном расчете и монтаже до 95% при нескольких комбинации секций (многосекцилнные) и использованию влагопроницаемого материала пластин рекуператора.