Регенеративные теплообменные аппараты

Регенеративные теплообменники1 (или регенераторы) — это устройства, в которых одна и та же поверхность используется для передачи тепла между теплоносителями. Основной особенностью этих аппаратов является попеременное омывание этой поверхности то горячим, то холодным потоком. Такой процесс позволяет эффективно сохранять и передавать тепловую энергию. 

Регенераторы находят применение в условиях, требующих высокой температуры и больших объемов теплоносителей. Они оптимальны для промышленного использования, например, в металлургии или теплоэнергетике.

Принцип работы

Горячий теплоноситель, проходя по каналам теплообменного аппарата, нагревает стенки — накапливается тепло. Затем, когда через устройство начинает двигаться холодный поток, поверхность передает ему накопленную энергию, охлаждаясь и подогревая рабочую среду. Этот цикличный попеременный процесс обеспечивает высокую степень теплопередачи с минимальными тепловыми потерями.

Важный элемент, влияющий на эффективность процесса — насадка. Насадки могут быть двух типов — неподвижные и подвижные — и от их характеристик во многом зависит, как будет работать теплообменник.

Неподвижные насадки

Неподвижные насадки (чаще всего это трубы или сварные пластины) встречаются в большинстве регенеративных теплообменных аппаратов. Для эффективной работы таких систем требуются две или больше камер. Это позволяет поддерживать непрерывную работу системы, обеспечивая равномерное распределение тепла и его эффективное использование.

Подвижные насадки

Подвижные насадки обеспечивают гарантированное поступление тепла на теплоподающий прибор. Это могут быть трубы, кольца из металла, чугунные или стальные шары — съемные и/или вращающиеся.

Вариантов внутреннего устройства теплообменников много. В одних моделях используются роторные системы, в других — отдельные камеры или лебедки с вентиляторами. Выбор наиболее эффективной схемы зависит от целей и условий использования теплообменника, требований в отношении технического обслуживания и так далее.

Принцип работы теплообменных аппаратов с подвижными насадками можно объяснить, разделив весь процесс на два этапа.

1. На первом этапе происходит нагрев насадки. Горячий теплоноситель проходит через теплообменник, и насадка аккумулирует тепловую энергию от него.
2. На втором этапе через ту же камеру проходит холодный поток. В процессе она получает тепло, аккумулированное насадкой и нагревается.

Виды регенеративных теплообменников

Регенеративные теплообменники могут быть классифицированы по нескольким признакам2.

В зависимости от характера работы

1. Теплообменники с периодическим переключением теплоносителей. В таких системах поочередно переключаются потоки горячего и холодного теплоносителя. Это классическая схема.
2. Регенераторы с непрерывным переключением теплоносителей. В такой схеме возможны два варианта. В одном теплопередающая поверхность остается неподвижной, а роторы непрерывно вращаются для приведения в действие холодного и горячего теплоносителей. В другом варианте движется сама теплообменная поверхность. Она поочередно входит то в «холодную», то в «горячую» зону, где омывается теплопринимающей и теплоотдающей средами соответственно.

По типу используемого теплоносителя

1. Теплообменники, работающие со средой типа «жидкость—жидкость» — например, системы горячего водоснабжения. В системе может использоваться масло, вода, жидкий газ, а также антифриз. У антифриза больший коэффициент теплоотдачи, чем у воды, но выше цена. Кроме того, антифриз агрессивен при контакте с металлом.
2. Комбинированные аппараты — в системе функционируют газообразная и жидкая среды. В конструкции таких агрегатов предусмотрен деаэратор парового котла. Его задача — обеспечить эффективный теплообмен.
3. Теплообменные аппараты, работающие в паре «газ—газ» — особенно актуальны в комплексах с высокими температурами и требованиями к стерилизации, например, в медицинских и фармацевтических установках. Роль теплоносителя может выполнять воздух, дым, пар.

ООО «Термо Северный поток» производит высокоэффективное оборудование типов газ-жидкость, газ-газ и газ-воздух. Оно компактное и при этом высокопроизводительное; может эксплуатироваться в высокотемпературных условиях. Мы разрабатываем и изготавливаем регенеративные теплообменники под конкретные требования проектов заказчиков, выполняем их монтаж и обслуживание.

По направлению движения теплоносителей

1. Противоточные. Горячий и холодный потоки движутся навстречу друг другу. На протяжении всего «пути» температура теплоносителей значительно различается, что повышает теплопередачу. Противоточная схема считается наиболее эффективной.
2. Прямоточные. Теплоносители движутся в одном направлении, часто называемом параллельным потоком. Эти системы проще в конструкции, но менее эффективны, чем противоточные, так как температурная разница между потоками уменьшается по мере их прохождения через теплообменник.
3. Перекрестноточные. Теплоносители движутся по перпендикулярным траекториям. Такие аппараты оптимальны для специфичных конструкций, когда необходимо обеспечить эффективную передачу тепла, например, в ограниченном пространстве.

Где используются регенеративные теплообменники

Регенеративные теплообменники применяются в тех отраслях промышленности, где требуется высокая эффективность теплопередачи и поддержание высоких температур. Они оптимальны для систем с большими объемами сред.

Основные отрасли:

1. Теплоэнергетика. В крупных котельных на электростанциях используются роторные теплообменники для утилизации тепла дымовых газов, что снижает энергопотребление и повышает общий КПД системы.
2. Химическая промышленность. В производственных линиях, где необходимо поддерживать точную тепловую стабильность, регенераторы могут эффективно работать с различными теплоносителями — от воды и пара до дымовых газов и химически агрессивных сред.

Теплообменники важны для минимизация тепловых потерь и рационального потребления энергии. Модульная конструкция обеспечивает гибкость3 — аппараты можно применять при практически любых расходах и типах сред, температурах. Вместе с тем стоит понимать, что это достаточно громоздкие и сложные агрегаты (в сравнении с рекуперативными), что накладывает ограничения на их использование.

У наших теплообменных аппаратов высокая тепловая эффективность. Они позволяют экономить до 40% энергоносителей за счет повторного использования тепловой энергии. Перед заказом вы можете проконсультироваться с нашими менеджерами и найти тот вариант оборудования, который будет оптимальным для вашего проекта. Они выполнят бесплатную предпроектную проработку аппаратов, предоставят их технические характеристики, расчет экономического эффекта и ожидаемые сроки окупаемости инвестиций.

Источники:

1. Хван В. С., Пиронко С. А. Теплообменник // Строительство и техногенная безопасность. 2016. №5 (57). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/teploobmennik 
2. Васильев В. А., Гаврилов А. И., Каменецкий К. К., Соболь Е. В. Параметрическое исследование регенеративного теплообменника // Вестник МАХ. 2010. №1. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/parametricheskoe-issledovanie-regenerativnogo-teploobmennika 
3. Шевцов А. П., Кузнецов В. В. Модульные регенераторы для газотурбинных установок // ВЕЖПТ. 2010. №3 (45). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/modulnye-regeneratory-dlya-gazoturbinnyh-ustanovok