Регенеративный теплообменник , или, чаще, регенератор , — это тип теплообменника , в котором тепло от горячей жидкости периодически хранится в теплоаккумулирующей среде, прежде чем оно будет передано холодной жидкости. Для этого горячая жидкость вступает в контакт с теплоаккумулирующей средой, затем жидкость вытесняется холодной жидкостью, которая поглощает тепло. [1]
В регенеративных теплообменниках жидкость по обе стороны теплообменника может быть одной и той же жидкостью. Жидкость может пройти внешнюю стадию обработки, а затем она течет обратно через теплообменник в противоположном направлении для дальнейшей обработки. Обычно приложение будет использовать этот процесс циклически или повторно.
Регенеративный нагрев был одной из важнейших технологий, разработанных во время промышленной революции , когда он использовался в процессе горячего дутья в доменных печах . [2] Позднее он использовался в стеклоплавильных печах и сталелитейном производстве, для повышения эффективности мартеновских печей , а также в котлах высокого давления, химических и других применениях, где он продолжает играть важную роль и сегодня.
.jpg/1280px-Carrie_Furnace_No._7,_U.S._Steel_Homestead_Works,_Blast_Furnace_Plant,_Along_Monongahela_River,_Homestead_(Allegheny_County,_Pennsylvania).jpg)
Первый регенератор был изобретен преподобным Робертом Стирлингом в 1816 году, а также встречается как компонент некоторых образцов его двигателя Стирлинга . Простейшие двигатели Стирлинга, включая большинство моделей, используют стенки цилиндра и вытеснитель в качестве элементарного регенератора, который проще и дешевле в изготовлении, но гораздо менее эффективен.
_Illustrationsseite_245a.jpg/1280px-Die_Bauten_von_Dresden_(1878)_Illustrationsseite_245a.jpg)
Более поздние применения включали доменный процесс, известный как горячее дутье , и мартеновскую печь, также называемую регенеративной печью Сименса (которая использовалась для производства стекла), где горячие отходящие газы от сгорания проходят через регенеративные камеры из огнеупорного кирпича, которые таким образом нагреваются. Затем поток реверсируется, так что нагретые кирпичи предварительно нагревают топливо.
Эдвард Альфред Каупер применил принцип регенерации к доменным печам, создав «печь Каупера», запатентованную в 1857 году. [3] Она почти неизменно используется в доменных печах и по сей день.
Регенераторы обмениваются теплом от одной технологической жидкости к промежуточному твердому теплоаккумулирующему носителю, затем этот носитель обменивается теплом со вторым потоком технологической жидкости. Два потока либо разделены во времени, поочередно циркулируя через теплоаккумулирующую среду, либо разделены в пространстве, и теплоаккумулирующая среда перемещается между двумя потоками.
В роторных регенераторах , или тепловых колесах , «матрица» хранения тепла в форме колеса или барабана, которая непрерывно вращается через два встречных потока жидкости. Таким образом, два потока в основном разделены. Только один поток протекает через каждую секцию матрицы за раз; однако в ходе вращения оба потока в конечном итоге последовательно протекают через все секции матрицы. Средой хранения тепла может быть относительно мелкозернистый набор металлических пластин или проволочной сетки, изготовленный из какого-либо стойкого сплава или покрытого для сопротивления химическому воздействию технологических жидкостей, или изготовленного из керамики в высокотемпературных применениях. Большая площадь теплопередачи может быть обеспечена в каждой единице объема роторного регенератора по сравнению с кожухотрубчатым теплообменником - до 1000 квадратных футов поверхности может содержаться в каждом кубическом футе матрицы регенератора по сравнению с примерно 30 квадратными футами в каждом кубическом футе кожухотрубчатого теплообменника. [4]
Каждая часть матрицы будет почти изотермической , поскольку вращение перпендикулярно как градиенту температуры, так и направлению потока, а не через них. Два потока жидкости текут противотоком. Температуры жидкости меняются по всей площади потока; однако локальные температуры потока не являются функцией времени. Уплотнения между двумя потоками не идеальны, поэтому будет происходить некоторое перекрестное загрязнение. Допустимый уровень давления роторного регенератора относительно низок по сравнению с теплообменниками.
В регенераторе с фиксированной матрицей один поток жидкости имеет циклический, обратимый поток; говорят, что он течет «противотоком». Этот регенератор может быть частью системы без клапанов , такой как двигатель Стирлинга . В другой конфигурации жидкость подается через клапаны в разные матрицы в чередующиеся рабочие периоды, что приводит к выходным температурам, которые меняются со временем. Например, доменная печь может иметь несколько «печей» или «шашек», заполненных огнеупорным кирпичом. Горячий газ из печи подается через кирпичную кладку в течение некоторого интервала, скажем, одного часа, пока кирпич не достигнет высокой температуры. Затем срабатывают клапаны и переключают холодный всасываемый воздух через кирпич, восстанавливая тепло для использования в печи. Практические установки будут иметь несколько печей и расположение клапанов для постепенного переноса потока между «горячей» печью и соседней «холодной» печью, так что изменения в температуре выходного воздуха уменьшаются. [5]
Другой тип регенератора называется микромасштабным регенеративным теплообменником . Он имеет многослойную решетчатую структуру, в которой каждый слой смещен относительно соседнего слоя на половину ячейки, которая имеет отверстие вдоль обеих осей, перпендикулярных оси потока. Каждый слой представляет собой составную структуру из двух подслоев, один из материала с высокой теплопроводностью, а другой из материала с низкой теплопроводностью. Когда горячая жидкость протекает через ячейку, тепло от жидкости передается стенкам ячейки и сохраняется там. Когда поток жидкости меняет направление, тепло передается от стенок ячейки обратно к жидкости.
Третий тип регенератора называется регенератором " Rothemühle ". Этот тип имеет фиксированную матрицу в форме диска, а потоки жидкости направляются через вращающиеся колпаки. Регенератор Rothemühle используется в качестве предварительного подогревателя воздуха на электростанциях. Тепловая конструкция этого регенератора такая же, как и у других типов регенераторов. [ необходима цитата ]
Нос и горло работают как регенеративные теплообменники во время дыхания. Более холодный входящий воздух нагревается, так что он достигает легких как теплый воздух. На обратном пути этот нагретый воздух отдает большую часть своего тепла обратно на стенки носовых ходов, так что эти ходы затем готовы согреть следующую порцию входящего воздуха. У некоторых животных, включая людей, внутри носа есть закрученные пластины кости, называемые носовыми раковинами, для увеличения площади поверхности для теплообмена. [ необходима цитата ]
Регенеративные теплообменники изготавливаются из материалов с высокой объемной теплоемкостью и низкой теплопроводностью в продольном (потоковом) направлении. При криогенных (очень низких) температурах около 20 К удельная теплоемкость металлов низкая, поэтому регенератор должен быть больше для данной тепловой нагрузки. [ необходима цитата ]
Преимущества регенератора перед рекуперирующим (противотточным) теплообменником заключаются в том, что он имеет гораздо большую площадь поверхности для заданного объема, что обеспечивает уменьшенный объем теплообменника для заданной плотности энергии, эффективности и перепада давления. Это делает регенератор более экономичным с точки зрения материалов и производства по сравнению с эквивалентным рекуператором. [ необходима цитата ]
Конструкция входных и выходных коллекторов, используемых для распределения горячих и холодных жидкостей в матрице, намного проще в противоточных регенераторах, чем в рекуператорах. Причина этого в том, что оба потока протекают в разных секциях для роторного регенератора, а одна жидкость входит и выходит из одной матрицы за раз в регенераторе с фиксированной матрицей. Кроме того, секторы потока для горячих и холодных жидкостей в роторных регенераторах могут быть спроектированы для оптимизации падения давления в жидкостях. Поверхности матриц регенераторов также обладают самоочищающимися характеристиками, что снижает загрязнение и коррозию со стороны жидкости. Наконец, такие свойства, как малая поверхностная плотность и противоточное расположение регенераторов, делают его идеальным для приложений теплообмена газ-газ, требующих эффективности, превышающей 85%. Коэффициент теплопередачи для газов намного ниже, чем для жидкостей, поэтому огромная площадь поверхности в регенераторе значительно увеличивает теплопередачу. [ необходима цитата ]
Основным недостатком роторных и неподвижных матричных регенераторов является то, что всегда происходит некоторое смешивание потоков жидкости, и они не могут быть полностью разделены. Существует неизбежный перенос небольшой фракции одного потока жидкости в другой. В роторном регенераторе переносимая жидкость удерживается внутри радиального уплотнения и в матрице, а в неподвижном матричном регенераторе переносимая жидкость — это жидкость, которая остается в пустотном объеме матрицы. Эта небольшая фракция смешается с другим потоком в следующем полуцикле. Поэтому роторные и неподвижные матричные регенераторы используются только тогда, когда приемлемо смешивать два потока жидкости. Смешанный поток является обычным явлением для приложений передачи тепла и/или энергии от газа к газу и менее распространен в жидких или изменяющих фазу жидкостях, поскольку загрязнение жидкости часто запрещено потоками жидкости. [ необходима цитата ]
Постоянное чередование нагрева и охлаждения, происходящее в регенеративных теплообменниках, создает большую нагрузку на компоненты теплообменника, что может привести к растрескиванию или разрушению материалов. [ необходима цитата ]