Регенеративный теплообменник

, Регенеративный теплообменник или, чаще, регенератор , представляет собой тип теплообменника , в котором тепло от горячей жидкости периодически сохраняется в теплоаккумулирующей среде, прежде чем оно передается холодной жидкости. Для этого горячая жидкость приводится в контакт с теплоносителем, затем жидкость вытесняется холодной жидкостью, которая поглощает тепло. ^[1]

В регенеративных теплообменниках жидкость на обеих сторонах теплообменника может быть одной и той же жидкостью. Жидкость может пройти этап внешней обработки, а затем протекать обратно через теплообменник в противоположном направлении для дальнейшей обработки. Обычно приложение использует этот процесс циклически или повторно.

Регенеративный нагрев был одной из наиболее важных технологий, разработанных во время промышленной революции , когда он использовался в процессе горячего дутья в доменных печах . ^[2] Позже он использовался в печах для плавления стекла и стали, для повышения эффективности мартеновских печей , а также в котлах высокого давления, а также в химических и других приложениях, где он продолжает оставаться важным и сегодня.

История

Первый регенератор был изобретен преподобным Робертом Стирлингом в 1816 году и также встречается в некоторых экземплярах его двигателя Стирлинга . В самых простых 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 применения включали доменный процесс, известный как горячее дутье , и мартеновскую печь, также называемую регенеративной печью Сименса (которая использовалась для изготовления стекла), где горячие выхлопные газы сгорания проходят через регенеративные камеры из огнеупорного кирпича, которые таким образом нагреваются. Затем поток меняют направление, так что нагретые кирпичи предварительно нагревают топливо.

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

Пять регенеративных теплообменников Каупера

Виды регенераторов

Регенераторы передают тепло от одной технологической жидкости к промежуточному твердому теплоаккумулирующему агенту, затем эта среда обменивается теплом со вторым потоком технологической жидкости. Два потока либо разделены во времени, поочередно циркулируя через теплоноситель, либо разделены в пространстве, и теплоноситель перемещается между двумя потоками.

В ротационных регенераторах , или термических колесах , теплоаккумулирующая «матрица» имеет форму колеса или барабана, который непрерывно вращается за счет двух встречных потоков жидкости. Таким образом, два потока в основном разделены. Через каждую секцию матрицы одновременно протекает только один поток; однако в ходе вращения оба потока в конечном итоге последовательно проходят через все секции матрицы. Теплоаккумулирующая среда может представлять собой относительно мелкозернистый набор металлических пластин или проволочной сетки, изготовленный из какого-либо стойкого сплава или имеющий покрытие для защиты от химического воздействия технологических жидкостей, или изготовленный из керамики при высоких температурах. В каждой единице объема ротационного регенератора может быть обеспечена большая площадь теплопередачи по сравнению с кожухотрубным теплообменником - в каждом кубическом футе матрицы регенератора может содержаться до 1000 квадратных футов поверхности по сравнению с около 30 квадратных футов на каждый кубический фут кожухотрубного теплообменника. ^[4]

Каждая часть матрицы будет практически изотермической , поскольку вращение происходит перпендикулярно градиенту температуры и направлению потока, а не сквозь них. Два потока жидкости текут встречно. Температуры жидкости варьируются в зависимости от сечения потока; однако температура местного потока не является функцией времени. Уплотнения между двумя потоками не идеальны, поэтому может произойти перекрестное загрязнение. Допустимый уровень давления ротационного регенератора относительно низкий по сравнению с теплообменниками.

В регенераторе с фиксированной матрицей один поток жидкости имеет циклический обратимый поток; Говорят, что он течет «противотоком». Этот регенератор может быть частью бесклапанной системы, например двигателя Стирлинга . В другой конфигурации жидкость подается через клапаны к различным матрицам в чередующиеся периоды работы, в результате чего температура на выходе меняется со временем. Например, доменная печь может иметь несколько «печей» или «шашек», наполненных огнеупорным огнеупорным кирпичом. Горячий газ из печи пропускается через кирпичную кладку в течение некоторого времени, скажем, одного часа, пока кирпич не достигнет высокой температуры. Затем срабатывают клапаны и пропускают холодный всасываемый воздух через кирпич, восстанавливая тепло для использования в печи. Практические установки будут иметь несколько печей и устройства клапанов для постепенного перемещения потока между «горячей» печью и соседней «холодной» печью, чтобы уменьшить колебания температуры выходящего воздуха. ^[5]

Другой тип регенератора называется микрорегенеративным теплообменником . Он имеет многослойную решетчатую структуру, в которой каждый слой смещен относительно соседнего слоя на половину ячейки, имеющей отверстия по обеим осям, перпендикулярным оси потока. Каждый слой представляет собой композиционную 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 жидкости передается стенкам клетки и сохраняется там. Когда поток жидкости меняет направление, тепло передается от стенок клеток обратно жидкости.

Третий тип регенератора называется регенератором « Ротемюле ». Этот тип имеет фиксированную матрицу в форме диска, а потоки жидкости пропускаются через вращающиеся колпаки. Регенератор Ротемюле используется в качестве подогревателя воздуха на электростанциях. Тепловая схема этого регенератора такая же, как и у других типов регенераторов. ^{[ нужна ссылка ]}

Биология

Нос и горло работают как регенеративные теплообменники во время дыхания. Холодный поступающий воздух нагревается и достигает легких в виде теплого воздуха. На обратном пути этот нагретый воздух отдает большую часть своего тепла обратно по бокам носовых ходов, так что эти проходы затем готовы согреть следующую порцию поступающего воздуха. кость внутри носа, называемая носовыми раковинами , увеличивает площадь поверхности теплообмена. ^{[ нужна ссылка ]}

Криогеника

Регенеративные теплообменники изготавливаются из материалов с высокой объемной теплоемкостью и низкой теплопроводностью в продольном (поточном) направлении. При криогенных (очень низких) температурах около 20 К теплоемкость металлов мала, поэтому для данной тепловой нагрузки регенератор должен быть больше. ^{[ нужна ссылка ]}

Преимущества регенераторов

Преимущества регенератора перед рекуперативным (противоточным) теплообменником заключаются в том, что он имеет гораздо большую площадь поверхности при данном объеме, что обеспечивает уменьшенный объем теплообменника при заданной плотности энергии, эффективности и перепаде давления. Это делает регенератор более экономичным с точки зрения материалов и изготовления по сравнению с эквивалентным рекуператором. ^{[ нужна ссылка ]}

Конструкция входных и выходных коллекторов для распределения горячих и холодных жидкостей в матрице в противоточных регенераторах значительно проще, чем в рекуператорах. Причина этого заключается в том, что в ротационном регенераторе оба потока текут в разных секциях, а в регенераторе с фиксированной матрицей одна жидкость входит и выходит из одной матрицы за раз. Кроме того, сектора потока для горячих и холодных жидкостей во вращающихся регенераторах могут быть спроектированы так, чтобы оптимизировать перепад давления в жидкостях. Поверхности матрицы регенераторов также обладают характеристиками самоочистки, что снижает загрязнение и коррозию со стороны жидкости. Наконец, такие свойства, как малая поверхностная плотность и противоточное расположение регенераторов, делают его идеальным для применений в области теплообмена газ-газ, требующих эффективности, превышающей 85%. Коэффициент теплопередачи у газов намного ниже, чем у жидкостей, поэтому огромная площадь поверхности регенератора значительно увеличивает теплопередачу. ^{[ нужна ссылка ]}

Недостатки регенераторов

Основным недостатком ротационных регенераторов и регенераторов с фиксированной матрицей является то, что потоки жидкости всегда перемешиваются и их невозможно полностью разделить. Происходит неизбежный перенос небольшой доли одного потока жидкости в другой. В ротационном регенераторе выносная жидкость улавливается внутри радиального уплотнения и в матрице, а в регенераторе с фиксированной матрицей выносная жидкость представляет собой жидкость, которая остается в пустом объеме матрицы. Эта небольшая фракция смешается с другим потоком в следующем полупериоде. Поэтому роторные регенераторы и регенераторы с фиксированной матрицей используются только тогда, когда допустимо смешивание двух потоков жидкости. Смешанный поток является обычным явлением для применений передачи тепла и/или энергии газ-газ и менее распространен в жидкостях или жидкостях с фазовым изменением, поскольку загрязнение жидкости часто запрещено потоками жидкости. ^{[ нужна ссылка ]}

Постоянное чередование нагрева и охлаждения, происходящее в регенеративных теплообменниках, оказывает большую нагрузку на компоненты теплообменника, что может вызвать растрескивание или разрушение материалов. ^{[ нужна ссылка ]}

См. также

Противоточный обмен
экономайзер
Теплообменник
Горячий взрыв
Восстановитель
опреснение - на некоторых установках термического опреснения используются регенеративные теплообменники.
Тепловое колесо — регенеративный теплообменник, в котором нагретая среда непрерывно вращается между двумя потоками газа.

Ссылки

^ Регенеративные теплообменники
^ Ландес, Дэвид С. (1969). Освобожденный Прометей: технологические изменения и промышленное развитие в Западной Европе с 1750 года по настоящее время . Кембридж, Нью-Йорк: Пресс-синдикат Кембриджского университета. п. 92. ИСБН 0-521-09418-6 .
^ Хронологический и описательный указатель поданных и выданных патентов, содержащий сокращения предварительных и полных технических условий . 1858.
^ Джон Дж. МакКетта-младший (редактор), Методы проектирования теплопередачи , CRC Press, 1991, ISBN 0849306655 , страницы 101–103.
^ Рамеш К. Шах, Душан П. Секулич Основы проектирования теплообменников , John Wiley & Sons, 2003 ISBN 0471321710 , стр. 55

Библиография

Бутц, Дж. С. младший (июль 1962 г.). «Экономика двигателя за счет регенерации» . Летающий . Том. 71, нет. 1. С. 44–45, 89–91 . ISSN 0015-4806 .
Исследовательский центр Джона Х. Гленна (август 2006 г.). «Микромасштабный регенеративный теплообменник» . Технические обзоры НАСА . Том. 30, нет. 8. ISSN 1049-3522 . OCLC 102235244 .
https://books.google.com/books?id=beSXNAZblWQC&pg=PA8&dq=fluid+heat+exchangers&sig=v3NF11puSFyQiUfPV2VbWjOEHik#PPA51,M1

[1] Регенеративные теплообменники

[2] Ландес, Дэвид С. (1969). Освобожденный Прометей: технологические изменения и промышленное развитие в Западной Европе с 1750 года по настоящее время . Кембридж, Нью-Йорк: Пресс-синдикат Кембриджского университета. п. 92. ИСБН 0-521-09418-6 .

[3] Хронологический и описательный указатель поданных и выданных патентов, содержащий сокращения предварительных и полных технических условий . 1858.

[JMJ91-4] Джон Дж. МакКетта-младший (редактор), Методы проектирования теплопередачи , CRC Press, 1991, ISBN 0849306655 , страницы 101–103.

[SS13-5] Рамеш К. Шах, Душан П. Секулич Основы проектирования теплообменников , John Wiley & Sons, 2003 ISBN 0471321710 , стр. 55

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]