Регенераторы с подвижной насадкой
Регенераторы с подвижной насадкой можно разделить на две группы: вращающиеся воздухоподогреватели; подогреватели с подвижной зернистой насадкой.
Регенеративные вращающиеся воздухоподогреватели (РВП) широко применяются в отечественной и зарубежной энергетике. Они устанавливаются на котлах большой мощности. Впервые вращающийся воздухоподогреватель построен в Швеции братьями Юнгстрем в 1923 г. Разрабатываются такого типа воздухоподогреватели и для транспортных гавотурбинных установок. Основной элемент аппаратов типа регенератора системы Юнгстрема (рис. 7.8)— барабан-ротор, заполненный профильными металлическими листами толщиной 0,5—1,5 мм и установленный в неподвижном кожухе. Между листами образуются проходы, по которым параллельно оси ротора могут проходить горячие газы или воздух. Ротор разделен на сектора сплошными радиальными перегородками, с помощью которых поток газа отделяется от потока воздуха. Вращающаяся насадка аппарата пересекает поочередно каналы с горячими газами, где она нагревается, а затем передает тепло воздуху, который движется противотоком по отношению к греющим газам.
Для некоторых топлив температура насадки со стороны входа воздуха может быть ниже точки росы дымовых газов, а это
Рис. 7.8. Вращающийся регенеративный воэдухонагреоатель системы Юпгстрема: |
/ — верхняя несущая балка: * — обдувочно«1 устроЛстпо: Л — корпус; */ — рогор: ■> — лодъ» •гмноо устройство; *> — кнжняя па рппляющяя опора; 7 — промывочное устроПа по. Ь — алектрпдгигптель; — чн.'ШидричгскнА редуктор способствует интенсивной коррозии этой части поверхности («холодная» часть). Для увеличения срока службы «холодная* часть насадки иабпрается из более толстых листов (1,0—1.5 мм), чем «горячая» часть, толщина листов которой 0,5—0,8 мм. Необходимо иметь в виду, что разность температур между верхней іі ннжігеі'і частями ротора может достигать 300 °С. Поверхность нагрева одного кубического метра насадки 200—250 м2, диаметр ротора может достигать 7 м. Частота вращения ротора
Рис. 7.10. Схема дробелоточного регенеративного воздухонагревателя: / — ксрхмнП Оупкср; 2 —верхняя камера; 3 — уплотняющий слой: 4 —нижняя камера |
Невелика—1,5—10 об/мин. Мощность электродвигателей не превышает 10 кВт.
Масса больших аппаратов превышает 150 т, достигая 500 т, что значительно затрудняет изготовление опор. Вращающиеся воздухоподогреватели выпускаются двух типов: с вертикальным и горизонтальным расположением ротора.
Конструкция РВП с ротором барабанной формы для промышленных газотурбинных установок представлена на рлс. 7.9. Основную трудность в разработке таких РВП составляют конструкции уплотнений, которые работают в условиях большого перепада давления (0,2—1,2 МПа) и высоких температур (до 600 СС).
К перспективным РВП можно отнести воздухонагреватели с шариковыми насадками [60]. В специальные кассеты заключаются керамические, алюминиевые, чугунные пли стальные шарики диаметром 3—8 мм. Благодаря равномерному расположению шариков по объему цасадки и перекатыванию прп вра- щенин ротора обеспечивается их самоочистка, а для прохода газов образуются стабильные каналы. В каждый сектор ротора вставляются по две кассеты зигзагообразного профиля. В стенке обоймы выполнены сверления, которые составляют 50 % всей поверхности кассеты, причем диаметр отверстий выбирается равным 60—70% диаметра шарика. Ось ротора располагается горизонтально для обеспечения перекатывания шариков. Габаритные размеры воздухонагревателей с шариковой насадкой при одинаковых условиях работы меньше в пять раз, а масса — в три раза по сравнению с аппаратами системы Юнгстрсма. Кроме того, чугунные шарики в три раза дешевле, чем гофрированные пластины [60].
Л. А. Щукиным разработан ряд воздухонагревателей для высокотемпературного подогрева с прутковой стержневой насадкой. Стержневая и шариковая насадки обладают большим аэродинамическим сопротивлением из-за малого живого сечения для прохода теплоносителей. Для таких насадок отношение живого сечения ко всему сечению (без насадки) значительно меньше, чем для листовых, и поэтому одинаковый уровень гидравлического сопротивления обеспечивается при малых скоростях теплоносителей.
На работающих воздухоподогревателях наблюдаются высокий переток воздуха из воздушной зоны в газовую и загрязненне воздуха продуктами сгорания. Эти перетоки вызываются тем, что при вращении насадки часть воздуха увлекается в газовую зону, а газы — в воздушную. Например, потери воздуха, переносимого таким образом, составляют около 2 %• Между воздухом и газом наблюдается значительная разность давлений, что вызывает дополнительный переток воздуха (примерно 10 %). Таким образом, общий переток воздуха на газовую сторону достигает 12—14 % даже при качественном изготовлении и монтаже РВП. Повышенные присосы воздуха приводят к перегрузке тягодутьевых устройств и ухудшают тепловые показатели РВП.
Для разделения газовой и воздушной частей РВП на роторе и кожухе устанавливаются специальные радиальные и периферийные уплотнения. Надежность работы РВП определяется хорошей конструкцией уплотнительного устройства.
Широкое распространение РВП [53] обусловлено рядом их преимуществ по сравнению с трубчатыми воздухонагревателями: 1) более компактная поверхность теплообмена — меньше затраты металла; 2) меньшая высота; 3) стоимость единицы поверхности, как правило, намного ниже; 4) возможность использования неметаллических материалов без ухудшения теплообмена; 5) простота организации промывки и обдувки поверхности нагрева воздухонагревателя (поверхность теплообмена самоочищается).
К недостаткам РВП можно отнести сложность конструкции и загрязнение воздуха газами, протекающими через раздели
тельные перегородки, наличие системы водяного охлаждения вала ротора, подшипников и т. д., ограничение температуры нагрева воздуха до 400°С.
Регенераторы с подвижной зернистой насадкой используются в нефтехимической, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности. В качестве движущейся насадки (промежуточного теплоносителя) применяют твердые частицы и шарики диаметром 5—12 мм из кварца, каолина, муллита, окиси алюминия и т. п. Зернистые материалы обладают очень большой удельной поверхностью — до 500—10 000 м2/м3 в зависимости от размеров частиц. Благодаря этому в сравнительно небольших аппаратах размещаются значительные теплообменные поверхности.
Рассмотрим одну из характерных схем конструкций аппарата. На рис. 7.10 показан воздухоподогреватель, рассчитанный на подогрев воздуха до 1000 °С и выше. Он состоит из двух камер, расположенных одна над другой и загруженных зернистым материалом (обычно в форме шаров или дроби диаметром 5—7 мм). Слой промежуточного теплоносителя продувается в верхней камере горячими газами, а в иижней — воздухом. Нагретая дробь из верхней камеры через специальное устройство поступает в нижнюю камеру, а оттуда уже охлажденная подается в верхнюю камеру специальным подъемником. Движение газа и материала противоточное.
Связь между поверхностью нагрева сыпучей насадки и ее объемом V,, представим формулой
Где п — количество шариков, п = Мн ~^pd3— эквивалентный
Диаметр частицы, м (для шариков d, = d, для других частиц ds = 0,75d), М„ — масса насадки; р — плотность частиц, кг/м3; е — порозность насыпного слоя, т. е. относительный свободный объем, заполненный газами, для идеальных шариков е = 0,5.
Определим массу насадки (g„ кг), находящейся в аппарате, считая, что для передачи необходимого количества тепла за время нагрева или охлаждения частиц (т с) требуется поверхность F (m2)j
Fi, f |
БОО/^р
Регенеративные воздухонагреватели с подвижной зернистой насадкой характеризуются интенсивным теплообменом, высокими температурами нагрева воздуха (до 800 °С и более).