Рекуперация тепла с помощью рекуператоров и воздухоподогревателей
В том числе, тепло газа, нагретого в процессе того или иного производства, либо используется не эффективно, либо не используется вообще и нагретый газ выбрасывается в атмосферу. Это приводит к колоссальным энергетическим потерям в объемах предприятия, страны, мира, а также определяет различные проблемы экологического характера.
Особенно это характерно для высокотемпературных производств, (до 1000 °С и более) т. е. именно там, где энергетические потери наиболее велики, а также при использовании газов, содержащих большое количество примесей и агрессивных веществ. Такое положение объясняется низкой эффективностью и быстрым выходом из строя теплообменных аппаратов, при высоких температурах и аппаратов, работающих в сложных условиях эксплуатации, а также отсутствием подходящих для конкретного производства теплоутилизирующих устройств.
Целью представленной работы являлось создание нового типа высокоэффективных теплообменников, создания оборудования для их производства и последующее внедрение теплообменников в промышленность .
Существует несколько видов теплообменных аппаратов, каждый из которых имеет свою область оптимального применения. Их разделяют на регенеративные, смесительные и рекуперативные.
В регенеративных теплообменниках одна и та же поверхность, через которую осуществляется теплообмен, поочерёдно смывается то теплоносителем, то нагреваемой средой. Это очень эффективные устройства, которые целесообразно использовать в случаях больших объемов и высоких температур. Однако габариты, вес, технологические и конструктивные сложности делают их применение весьма ограниченным.
Смесительные теплообменники, это устройства в которых подогрев нагреваемой среды осуществляется за счет частичного смешивания с горячим газом теплоносителя. Эти устройства имеют очень ограниченное использование в отдельных технологических процессах.
В рекуперативных теплообменниках, теплота отходящих газов непрерывно передаётся к нагреваемой среде через стенку, разделяющую среды. Эти стенки конструктивно могут представлять собой листы или трубы, а теплообменники, соответственно, разделяют на трубчатые и пластинчатые рекуператоры.
Для решения задач газового теплообмена, такие конструкции получили наибольшее распространение, и речь далее идет преимущественно о рекуператорах тепла.
Рекуператор устанавливается на пути отходящих газов, например, из печи в дымовую трубу, а воздух в печь, подается через смежные полости рекуператора и нагревается, проходя вдоль нагретых, отходящим газом, стенок.
Рекуперация тепла, позволяет экономить до 30-40 % потребляемой энергии. Кроме того, для случая рекуперации тепла в цикле печного нагрева, использование подогретого воздуха вместо воздуха окружающей температуры, улучшает горение топлива в печи, снижает его химический и механический недожог.
В результате, при том же расходе топлива количество теплоты, получаемой в процессе горения, увеличивается на 10-15%
Однако, существующие сегодня конструкции рекуператоров, имеют весьма серьезные недостатки, которые часто определяют отсутствие этих устройств в технологических процессах.
Прежде всего это:
- Неудовлетворительные массогабаритные показатели
- Высокая стоимость и большой срок окупаемости
- Сложность или невозможность ремонта.
- Низкая термопластичность (т.е. склонность к появлению термических напряжений, короблению и разрушению)
- Высокое аэродинамическое сопротивление
- Склонность к зашлаковыванию (зарастанию рабочих зазоров продуктами горения)
Большая часть этих недостатков связана с размерами теплопередающих поверхностей: чем больше отношение площади этих поверхностей к объему и массе теплообменника, тем эффективнее устройство. У традиционных рекуператоров в силу разных причин этот показатель недостаточно высок.
Задача создания эффективных и не дорогих теплообменных аппаратов, в частности рекуператоров, актуальна в настоящее время во всем мире. Одним из путей ее решения является повышение интенсивности теплообмена устройств в основном за счет развития их теплопередающих поверхностей.
Так, например, для увеличения поверхностей теплообмена трубчатых теплообменников широко используют спирально оребренные трубы. Но даже при оребрении трубчатые рекуператоры имеют недостаточно высокую эффективность, значительные габариты, вес, стоимость.
В 30-е годы прошлого века широкое распространение получили пластинчатые теплообменники. В этих конструкциях используют насадку из набора тонкостенных плоских листов. Необходимая поверхность теплообмена обеспечивается за счет большого количества этих листов, при этом либо устройство должны иметь большой объем, либо зазоры между пластинами должны быть весьма малыми.
Пластинчатые типы рекуператоров до сих пор являются основными конструкциями низкотемпературных устройств теплообмена, в том числе потому, что обычно их эффективность достигается применением алюминиевых пластин, однако, именно поэтому их почти не применяют для высокотемпературных процессов.
Другим ограничением применения пластинчатых теплообменников является их значительное аэродинамическое сопротивление, которое является следствием стремления увеличить поверхности теплоотдачи за счет малых зазоров между большим количеством пластин.
Наличие значительных аэродинамических сопротивлений исключает возможность теплообмена больших объемов газов (если только не допускается весьма значительные габариты устройств, что возможно далеко не всегда). Продавливание через устройства с большими сопротивлениями значительных объемов газов с помощью мощных вентиляторов приводит к «схлопыванию» пластин и разрушению устройств.
Известны попытки развить поверхность таких изделий за счет создания на поверхности металлических листов гофров различной конфигурации. Это, однако, не приводит к существенному увеличению поверхностей, но еще более увеличивает аэродинамическое сопротивление устройств.
