Рекуперативные теплообменники

Рекуперативный теплообменник – устройство, в котором происходит обмен теплом между газом и жидкостью через перегородку. По сравнению, например, с регенеративными теплообменниками, в рекуператорах пути следования потоков-теплоносителей неизменны.

Рекуперативные теплообменники строятся по методу передачи тепла по поверхностной схеме. По схеме исполнения они бывают прямо- и противоточными, перекрёстными, по конструкции – с трубками, с пластинами, ребристые, ребристо-пластинчатые. Материал изготовления – пластик, металл, а также конструкция с применением мембран. По поставленной мастером задаче подогреватели производятся как газовые, воздушные и жидкостные, испарители, конденсирующие пары устройства и так далее.

Образцом для рассмотрения в данном случае послужит разбираемый агрегат с пластинами. Он является аппаратом, вытеснившим устройства предыдущих поколений. Также рассматриваются устройства с кожухом и трубками.

Пластиночный теплообменник обладает двумя главными пластинами – стационарной и подвижной прижимными платформами. В каждой из этих плит просверлено несколько отверстий.

Установка агрегата предусматривает подключение трубоотводящих элементов к втяжным и вытяжным отверстиям. Диаметр патрубков и шаг резьбы жёстко не заданы. Однако тип резьбы зависит от назначения и вида теплообменника.

Между прижимающими платформами у пластиночного устройства имеются десятки (больше сотни) пластин. Они выполнены из листовой стали или алюминия толщиной не более 0,6 мм. Изготавливают такие пластины из титансодержащих сплавов (если это сталь), используя производство методом холодного штампования; в ход идут также нержавеющие сплавы.

Слои пластин стыкованы между собой тонким полимерным уплотнителем, толерантным к значительным термонагрузкам. Благодаря этим уплотнительным слоям рабочие каналы остаются герметичными. В качестве полимера применяется, например, термостойкая резина.

Спрямлённые направляющие, расположенные с нижней и с верхней стороны, фиксируют группы пластин, а также обеспечивают относительную лёгкость сборки теплообменника. Сжатие пластин до нужных габаритов осуществляется посредством болтов (или шпилек) с гайками и шайбами.

Работа агрегата заключается в следующем. Передняя и задняя плиты обладают отверстиями, подключёнными к трубам. По ним принимающая и передающая тепло среды поступают в сам аппарат.

Расположенный рядом со стенкой слой с волнообразным исполнением (гофра), обладая потоком среды с повышенной скоростью, приобретает турбулентное свойство. По обе стороны от пластины каждая из сред движется встречно-параллельно относительно второй – это не позволяет им перемешаться. Пластины, расположившиеся параллельно, создают рабочие потоки. Передвигаясь по этим каналам, обе среды обмениваются теплом, при этом каждая из них покидает внутреннее пространство аппарата. Этот факт указывает на важность присутствия пластин в системе агрегата.

Поточные каналы проходят по одно- или многоходовому лабиринту – эта особенность строения теплообменника определяется поставленной перед устройством целью и способами её достижения. Теплообмен происходит с применением теплопроводности, перемешивания слоёв среды или путём лучевого переноса энергии.

Независимо от вида исполнения, теплообменники производятся на основании нормативов ГОСТ 15518-1987, которых в первую очередь придерживаются пластиночные устройства. Рекуператоры, как известно, эффективнее регенераторов. Классификация по исполнению подразумевает матричные, пластиночные, смесительные и спиральные агрегаты.

Матричные выполняют теплообмен между жидкостью и газом путём взаимодействия этих сред между собой. Пластиночная модель передаёт тепло через металлические или графитовые пластины. Смесительное устройство осуществляет теплообмен между средами, который происходит благодаря их соприкосновению и смешиванию.

По виду теплопереносчиков рекуператоры выпускаются как газовоздушные, газожидкостные и устройства, обеспечивающие обмен тепла только между жидкостями.

У прямоточных теплообменные среды движутся в одну сторону, у противоточных – навстречу друг другу, у перекрёстных – под углом в 90 градусов друг относительно друга.

По режиму работы теплообменники выпускаются как аппараты периодического (запускаются и останавливаются по расписанию) и непрерывного действия.

GEA Heat Exchangers выпускает агрегаты для химзаводов, котельных и ТЭЦ, в которых применяется катализ для сжигания энергоносителя. Основные элементы производятся из стали и чугуна, некоторые части сварены. Обмен теплом – через поверхности, с возможностью высокоэффективного возврата тепла. Работают с газообразными или дымовыми средами, влажность которых может достигать 100%. Расходы среды – до 2 млн куб. метров ежечасно. Способны работать с температурами до 550˚С. Давление – до 40 мегапаскалей, КПД достигает 97%.

«МашИмпэкс» – компания, выпускающая кассетные обогреватели сварного исполнения. Используются они в теплосетях. Теплоноситель – техническая вода или масло. Изготавливаются с применением точечной сварки. Прочищаются через канал протяжённостью до полуметра. Исполнены преимущественно из стали или никелесодержащих сплавов. Способны обогреть объект площадью до 600 м2. Работают со средой при температуре до 450˚С, давление допускается не более 3,5 МПа. Эффективность – до 95% тепла используется «по второму кругу». Ширина трубок – до 4 см.

Компания «Техноконсалтинг» производит воздушно-водяные теплообменники для котельных. Материалы – чугун и сталь. Агрегаты производятся сварными и сборными. Отличие от предыдущих образцов в том, что некоторые устройства требуют установки охлаждающих вентиляторов. Изделия работают с газообразными, парообразными и жидкостными теплоносителями. Рабочая температура может достигать 240 градусов, давление – не более 25 атмосфер, эффективность – до 98%, срок службы агрегатов – до 30 лет.

Проектно-расчётные решения опираются главным образом на гидравлические и тепловые просчёты. Обогрев жилых строений и многоэтажных домов производится за счёт систем, в которых работают воздух и вода. Но обе среды могут являться воздушными. Метод циркуляции сред – перекрёстно-проходной.

Трубопроводы используются с диаметром 12… 38 мм. Толщина стенок трубопроводов – 0,8… 2,5 мм. Расчётный перепад давления – не более 100 атмосфер между средами, участвующими в теплообмене.

Например, кожухотрубный рекуператор может иметь следующие исходные данные. Охлаждение газодымового теплоносителя – с 204 до 48 градусов. Расход – 357 куб. дм в час. Расход нагреваемой воды – 300 м3/ч. Теплоёмкость греющей среды – 1001 ДЖ/кг при нагреве на один градус. Теплоёмкость нагреваемой воды – 4,2 кДж/кг на один градус. Начальная температура воды составляет +8. Скорость водотока – 76 см/с.

Не вдаваясь в описании данного примера теплообменника в сами формулы, путём расчётов по ним же получают нагрев воды до +44 по Цельсию. Теплонагрузка равна 46 кВт. КПД – 95%, потребуется мощность по теплу порядка 48 кВт (три киловатта составляют потери). Теплоотдача дыма – 56 кВт. Коэффициенты теплопередачи – 13060 Вт/ (м2/К) и 11930 Вт/ (м2К). Термосопротиление стальных стенок трубопроводов и отложений на них равно 194.554 единиц. Удельная теплонагрузка – 9457 Вт/м2. Площадь поверхностей теплопередачи составила бы 5.895 м2, но реальный показатель на 12,5% больше вычисленного: 6,484 м2.

В качестве примера конструктивного расчёта – горизонтальная кожухотрубка. При диаметре труб в 2,3 см количество отрезков трубопроводов равно 30, шаг между ними – 3 см. Внутренняя площадь кожуха – 33,1 см, площадь внутренних стенок – порядка 6 м2. Расчёт показал, что пример такого устройства – работоспособный агрегат с КПД не ниже 95%.