Регенеративни топлообменни апарати

Pегенеративните топлообменни апарати (наричани още регенеративни топлообменници или регенератори) са устройства, използвани широко за утилизация на отпадна топлина и повишаване на енергийната ефективност в индустрията.

Работата им е базирана на принципа на топлообмен между две тела (или материални среди) с различна температура до изравняване на температурата, като основен двигател на процеса е температурната разлика. За осъществяване на процеса на топлообмен се използва топлоносител, който може да бъде вода, водна пара, масла, газове, течни метали и др.

Според механизма на пренасяне на топлина между двете материални среди регенеративните топлообменници спадат към повърхностните топлообменни апарати. При тях повърхността на едната материална среда с по-висока температура се обтича с топлоакумулираща маса, която поглъща топлината и я отдава на другата материална среда. Топлоакумулиращата маса играе ролята на контактна зона между двете среди. Този тип топлообменници се използва за различни приложения в енергетиката, свързани с регенерация на топлинна енергия.

Особености

Регенеративните топлообменници типично работят с два флуида с различна температура. Възможно е да се използва един и същи вид флуид (например вода, масло и др.), който в едната секция (камера) на топлообменника е с по-висока температура, тъй като е преминал предварително нагряване, а в другата - с по-ниска.

Топлоакумулиращата маса играе ролята на буферна зона, която съхранява за кратко абсорбираната от по-топлата среда енергия и я предава на по-студената. При използването на една и съща материална среда е възможно конструкцията на топлообменника да бъде изпълнена със затворен цикъл на флуида, който при отдаване на топлината си енергия сменя ролята си от топлопредаваща на топлоабсорбираща среда.

Регенеративният топлообмен е една от най-значимите за индустрията технологии, разработена първоначално за осъществяване на процеси в доменните пещи. В последствие методът се разпространява в производството на стъклени изделия и стомана, където се използва за подобряване на ефективността на отворените подови пещи. В съвремието ни масово технологията се използва при котелни системи под високо налягане, парни агрегати в топлоенергетиката, химическата промишленост и др.

Принцип на работа

При рекуперативните топлообменници (отново повърхностни топлообменни апарати по своята същност) топлообменът се извършва директно и незабавно между двете материални среди (флуиди), които циркулират едновременно в двете камери на устройството и са разделени от тънка стена, която възпрепятства смесването им. При регенеративните топлообменници процесът на отдаване и абсорбиране на топлина има и междинна фаза, при която топлинната енергия за кратко се съхранява в топлоакумулиращата маса.

Основна разлика между двата типа топлообменни апарати е, че при регенеративните двата флуида влизат в контакт с топлоакумулиращата маса последователно, като единият отдава, а другият в последствие абсорбира топлинната енергия. И двете материални среди влизат в контакт с една и съща повърхност на акумулиращата среда. При рекуперативните топлообменници флуидите преминават през близки, но различни зони на апарата.

Фази на топлообмена

При регенеративните топлообменници процесът на топлообмен протича в две последователни фази. В първата материалната среда (флуид) с по-висока температура преминава покрай топлоакумулиращата маса, като влиза в контакт с цялата й повърхност и отдава топлинната си енергия. Тази фаза се нарича “топъл период”. След това първият флуид се връща обратно по каналите на топлообменника, за да отстъпи място на втория, който е с ниска температура и в рамките на втората фаза на топлообмена поглъща топлинната енергия, съхранена в топлоакумулиращата маса.

Движението на студения флуид е с обратна посока, но по същите канали на апарата, като така изтласква от тях цялото останало количество от първата материална среда. Втората фаза условно е наречена “студен период”. В края му процесът започва отначало с нов топъл период и подаване на флуид с висока температура по каналите на топлообменника към повърхността на топлоакумулиращата среда.

След извършване на множество последователни цикли, при които топъл и студен период се редуват, топлинната ефективност на регенеративния топлообменник се уеднаквява за всеки цикъл. Когато това се случи, се приема, че апаратът е постигнал състояние на циклично равновесие или периодично стабилно състояние.

Ако на този етап бъде внесена промяна в работните параметри на апарата, например в дебита на потока флуид, във входната му температура за който и да е от двата периода или в продължителността на фазите, е необходимо регенеративният топлообменник да осъществи отново дълга поредица от последователни цикли, за да постигне пак циклично равновесие.

Видове потоци и флуиди при регенеративните топлообменници

Различаваме няколко вида регенеративни топлообменници в зависимост от посоката на двата флуидни потока: с насрещен поток, с кръстосан поток и с паралелен поток. При масовите регенеративни топлообменни апарати с насрещен поток посоката на двата флуида е противоположна. Те се отличават със сравнително висока ефективност.

Топлообменниците с паралелен поток се характеризират с протичане на двата флуида в една и съща посока, но при тях ефективността е по-ниска. При регенеративните топлообменници с кръстосан поток посоката на движение на студения флуид е перпендикулярна на посоката на движение на топлия в насрещно направление.

Различните видове регенеративни топлообменни апарати са подходящи за приложения в различни системи. В зависимост от особеностите на приложението се избира от най-подходящия работен флуид, който да осигури най-висока ефективност.

В зони с горещ климат например подходяща материална среда за регенеративните топлообменници е топлият атмосферен въздух през деня. Неговата топлинна енергия може да бъде съхранявана в топлоакумулиращата маса и използвана за загряване на по-студения нощен въздух, по този начин осигурявайки равномерна средноденонощна температура в дадено помещение.

Видове регенеративни топлообменни апарати

В зависимост от конструкцията на топлоакумулиращата матрица различаваме апарати с подвижна (най-често ротационна) и с неподвижна (стационарна) топлоакумулираща маса (матрица). При стационарните регенератори се използва един поток флуид с циклично действие, който последователно преминава в контакт с матрицата като топла материална среда, за да отдаде топлинната си енергия и се насочва към “студената” камера на топлообменника, а впоследствие сменя посоката си и отново влиза в контакт с топлоакумулиращата маса, движейки се към ”топлата” камера на апарата.

Конфигурацията на тази циклична система може да бъде изпълнена със или без насочващи спирателни и пускателни клапани в зависимост от това дали в системата са налице няколко матрици с топлоакумулираща маса, към които се насочват отделните потоци. Целта на подобно изпълнение е осигуряване на непрекъсната работа на системата и непрекъснат процес на топлообмен.

При ротационните топлообменници матрицата с топлоакумулираща маса типично е под формата на барабан, който се върти между два флуида с различна температура и насрещна посока. В един определен момент само един поток влиза в контакт с дадена секция на барабана. В процеса на неговото въртене последователно и двата потока влизат в контакт с топлоакумулиращата повърхност на въртящата се барабанна матрица.

Всяка секция на барабана е почти изотермична (с постоянна температура), тъй като посоката на въртене е перпендикулярна както на градиента на изменение на температурата, така и на посоката на флуидите. Посоката на потоците на двата флуида е насрещна. Температурата им може леко да варира в различните зони на хода на потока.

Регенеративни топлообменни апарати с неподвижна топлоакумулираща маса

Един от най-често срещаните похвати за осигуряване на непрекъсната работа на системите със стационарна топлоакумулираща маса е използването на два или повече регенератора с разминаващи се фази. Така когато единият апарат подава топъл флуид, другият съхранява топлинната му енергия.

Впоследствие се извършва обратната последователност. Лесен начин за практическото изпълнение на подобна система е свързването на регенеративните топлообменници чрез система от тръби и клапани, които да “включват” и “изключват” съответните регенератори, да насочват флуидните потоци и да осигуряват цикличната работа на системата.

Камерите и топлоакумулиращите матрици на регенераторите са статични, а работата им се осигурява от работата на вентилите, задвижващи потоците флуиди. При затварянето на даден вентил, прекъсващ движението на един от потоците, се отваря друг клапан, който задейства движението на втория поток. Действието на вентилите и посоката на флуидите е симетрична.

Ротационни регенератори

При ротационните регенеративни топлообменни апарати топлоакумулиращата матрица обикновено се върти около ос. Тя е със силно порьозна структура, което увеличава топлопоглъщащите й качества. В най-простата конфигурация матрицата е под формата на барабан, който условно е разделен на две секции - едната влиза в контакт с топлия, а другата - със студения флуид.

Потоците на флуидите са с насрещна помежду си посока, успоредна на оста на барабана. Докато барабанът се върти, той акумулира топлинна енергия от флуида с по-висока температура, като така се реализира фаза, подобна на топлия период при регенераторите със статична топлоакумулираща маса. Топлинната енергия се транспортира от топлия към студения флуид благодарение на движението на барабанната матрица. Веднъж отдадена на другия поток, топлината отново се регенерира и се предава на по-студената материална среда. Така се реализира студеният период на топлообмена.

Когато дадена секция на въртящата се матрица преминава от потока топъл флуид към потока студен флуид, част от първия флуид се пренася заедно с барабана в кухините на топлоакумулиращата матрица. Подобно на регенераторите с неподвижна маса, при които флуидът трябва да бъде изтласкан от каналите на топлоакумулиращата маса, и тук този флуид е необходимо да бъде изведен от кухините на барабана.

При дадени конфигурации с по-специфични материални среди е напълно недопустимо смесването на двата флуида, като се осигурява механизъм, който да осигурява това разделяне. Такава например е конструкция, при която отработеният флуид в края на топлия период се извежда през специален изход към зона, в която да бъде загрят отново, като така не се допуска смесването му с другия флуид.

Друга разновидност на ротационен регенератор е апарат, при който самата топлоакумулираща матрица е статична, като в двата й края има въртящи се лопатки, през които топлият и студеният флуид навлизат в отделни тръби.

Недостатъци на регенераторите

След най-често изтъкваните недостатъци на регенеративните топлообменници е непрекъснатото нагряване и охлаждане, което протича при процеса на топлообмен и подлага компонентите на апарата на термичен стрес. При по-некачествени материали, използвани за изработка, това би могло да доведе до тяхното повреждане. Тази особеност на регенераторите обаче е по-скоро конструктивна или технологична и не би трябвало да се счита за недостатък, тъй като би могла лесно да бъде отстранена посредством качествено материално изпълнение.

Друг недостатък при този тип апарати е рискът от недобро уплътняване на системата и смесване на флуидите. При конфигурации "газ-газ" или "вода-вода" това не би представлявало толкова сериозен проблем, макар че неизменно води до загуби на топлинна енергия и понижаване на ефективността, но при смесени конструкции с различни материални среди, например "въздух-масло", този риск трябва да бъде напълно елиминиран чрез различни технологични подобрения в конструкцията.

Предимства на регенеративните топлообменни апарати

По-голямата площ на повърхността на топлоакумулиращата маса за единица обем е основно предимство на регенеративните топлообменници в сравнение с рекуперативните (които също са от повърхностен тип). Това позволява по-компактна конструкция на топлообменника при същата енергийна плътност, ефективност и пад на налягането. Това прави регенераторите по-икономично решение по отношение на използвани материали и усилия за производство в сравнение с рекуператор с еквивалентна ефективност.

Конструкцията на системата, която подава флуидите към топлоакумулиращата маса, е значително по-проста при регенеративните топлообменни апарати в сравнение с рекуперативните. Причината за това е, че при ротационните апарати двата флуида постъпват в контакт с различни секции на топлоакумулиращата матрица, а при стационарните флуидите преминават по един и същи канал последователно.

Контактните секции за топлия и студения флуид при ротационните регенератори могат да бъдат проектирани така, че да оптимизират пада на налягането на флуидите. Повърхностите на топлоакумулиращите матрици при регенераторите се характеризират с възможности за самопочистване, което значително намалява предпоставките за корозия.

Ниската повърхностна плътност на матрицата и насрещният поток на флуидите на регенеративните топлообменни апарати ги правят идеални за конфигурации “газ-газ” с ефективност над 85%. Коефициентът на топлопренасяне е много по-нисък при газовете в сравнение с течностите. Така по-голямата повърхностна площ на топлоакумулиращата маса значително подобрява топлообмена.