Рис. 1. Пластиночный рекуперативный теплообменник с перекрестным током
1) Канал (дымовые газы);
2) холодный канал (воздух);
3) холодная переборка;
4) горячая переборка;
5) теплообменная пластина
К недостаткам указанных рекуператоров можно отнести необходимость применения исключительно тонкостенных ребер малой высоты, что связано с необходимостью сохранения работоспособности ребер по всей высоте и необходимостью недопущения "выхолаживания" ребра, которая проявляется в снижении эффективности при высоте ребер более 4 мм [13].
В настоящее время в рекуперативных теплообменниках, сконструированных по этой аэродинамической схеме, активно применяются фасонные профили для теплообменных поверхностей
К рекуператорам традиционных конструкций также можно отнести рекуператоры для больших металлургических печей, обычно применяемые для подогрева воздуха до 500-700°С. В нем нагреваемый воздух движется в трубах большого диаметра и длины, рекуператор обеспечивает многозаходность циркуляции нагреваемого воздуха. К недостаткам этого рекуператора можно отнести сложность и металлоемкость конструкции.
Рис. 2. Противоточный рекуперативный теплообмінник: 1) теплообменник; 2) барабан (корпус); 3, 4) переборки (ламель); 5, 6) подвод и отвод потока
энергоэффективность теплообменник аэродинамический турбулентный
Нагреваемые металлические трубы за счет прогорания от переизлучения из предрекуператорного пространства требуют установки дополнительной сложной системы противовесов-рычагов для предотвращения их провисания, а также установки перед входом в рекуператор дополнительных защитных, обычно радиационных, рекуператоров, подобных конструкции, описанной в [8].
Рекуператоры на основе технологи импактных струй. Активное использование принципа рекуперации тепла от нагретой стенки теплообменника за счет формирования системы натекающих на нее импактных (ударных) струй завоевало популярность в СССР в конце 1970-х годов и успешно применяется до настоящего времени. Зарубежные источники показывают широкое использование технологии струй, в том числе импактных совместно с применением сложных фасонных профилей, в системах охлаждения и рекуперации тепла: в высокоэффективных компактных теплообменниках [15], в системах вентиляции и кондиционирования [16], в турбинной технике, авиации и пр. [17].
Теоретическое описание процессов истечения струй из перфорированного воздуховода (вставки) и расчет его коэффициента сопротивления приводятся в работах по аэродинамике [18], в теории турбулентных струй [19] рассматриваются теоретический расчет коэффициента сопротивления при движении потока в зазоре коаксиальных цилиндров и его верификация данными эксперимента, накоплен значительный практический опыт расчетов истечения струй из отверстия в стенке и их траекторий в сносящем потоке внутри горелочных устройств [20], а также для неизотермических струй, влияние рассекателей и завихрителей различной формы исследовались, в том числе в работах, проведенных Институтом газа НАН Украины в рамках исследований по программам УНТЦ [21], влияние воздушных решеток, лопаток турбин рассматривается в теории авиационных лопаточных машин [22].
Схема рекуператора "обдув перфорированной пластины"
Во многих случаях при конструировании рекуператоров и в настоящее время применяется аэродинамическая схема обдува перфорированной пластины-рассекателя с отверстиями разных диаметров и формы [23] (рис. 3), либо приведенная ранее система [7], которая представляет собой пакет перфорированных пластин или пучков труб без перфорации, куда нагретый и охлаждающий воздух подаются на разных уровнях либо попеременно, подобно регенераторной системе мартеновских печей.
Рис. 3. Схема способа рекуперативногоподогрева воздуха
1) теплообменная поверхность; 2) стенка; 3) газоход; 4) воздушный короб; 5) перегородка; 6) раздающий воздушный отсек; 7) собирающий воздушный отсек; 8) воздухоподающий патрубок; 9) воздухоподводящая труба; 10) воздухоотводящая труба; 11) расплав синтетического шлака
Это объясняется простотой расчета аэродинамики движения газа и учета местных сопротивлений в таком теплообменнике [18], поскольку схема истечения струй из отверстий (сопел) в цилиндрической стенке не позволяет обеспечить их натекание под оптимальными (в диапазоне 45-90° [19]) углами и, следовательно, такая аэродинамическая схема затрудняет управление эффективностью рекуперации теплоты.
Рассмотренная выше аэродинамическая схема натекания охлаждающего воздуха на перфорированную пластину положена в основу струйного рекуператора конструкции Института газа НАН Украины [24]. При работе рекуператора формируется хорошо управляемая и аэродинамически достаточно просто рассчитываемая система истекающих (под углами, близкими к 90°) импактных струй, которая обеспечивает максимальную эффективность теплопередачи в точке контакта (удара). Популярность применения указанных конструктивных решений обусловлена и тем, что аэродинамический расчет данной схемы базируется на теоретических зависимостях, полученных благодаря аналитическому решению уравнения Навье-Стокса для случая обтекания воздухом бесконечной пластины при различных режимах потока [19].
Промышленные образцы рекуператора [24] при температурах дымовых газов (рекуператор РМС 1000) в рабочей камере tnc = 700-1065°С и теплообменной поверхности tTn до 750°С позволили получить температуру подогрева воздуха на выходе tB до 330°С, для рекуператора РМС 500 tnc = 870-990°С, tTn = 230390 °С, tB до 280°С. Данный рекуператор относится к теплообменникам радиационного типа и предназначен для работы при температурах продуктов сгорания до 800°С [25].
Несмотря на простоту конструкции рекуператора и эффективность рекуперации тепла на воздушной стороне для приведенной аэродинамической схемы такой рекуператор при установке в рабочем пространстве печного агрегата будет на дымовой стороне недостаточно участвовать в конвективном теплообмене с печной атмосферой, отходящими дымовыми газами, разогреваясь лишь за счет лучистого теплообмена и переизлучения от кладки. Следовательно, для обеспечения эффективности нагрева его рабочей поверхности может потребоваться его установка в предтопках, либо непосредственно в рабочем пространстве печи (ретортные методические печи).
Схема рекуператора "истечение струй из цилиндрической стенки"
Учитывая указанные выше ограничения для рекуператоров, построенных по аэродинамической схеме обдува перфорированной пластины [23] (рис. 3), применение технологии струй в рекуператорах параллельно развивалось по схеме истечения струй из отверстий в цилиндрической стенке. Конструктивно это выражалось в попытках установки различных вставок (в том числе перфорированных или так называемых активных) в трубчатые металлические рекуператоры и рекуператоры других конструкций [25]. Так, известен трубчатый рекуператор двойной циркуляции [8] (рис. 4, а).
а б
Рис. 4. Трубчатый рекуператор двойной циркуляции (а) [8], рекуператор Didieder- Werke AG (Вайсбаден) (б) [28]: 1) рекуператор; 2) наружная труба; 3) внутренняя труба, 4) осевой зазор; 5) отводящий патрубок
Рекуператор включает прямоугольный корпус с установленной в верхней части трубной доской (плитой) и смонтированными в ней в гнездах трубными вставками, а также трубной доской в нижней части, куда смонтированы нижние концы трубных вставок. Трубные вставки расположены в шахматном порядке. На нижнем конце вставки соединены с системой подвода нагретых дымовых газов из печи, на верхнем конце - с системой отвода дымовых газов. Посредине в верхней части корпуса перпендикулярно стенке установлен патрубок для подвода холодного воздуха во внутреннюю полость рекуператора, посредине в нижней части корпуса перпендикулярно стенке установлен патрубок отвода нагретого в рекуператоре воздуха.
Рис. 5. Струйный рекуператор: 1) корпус; 2) патрубок подачи холодного воздуха; 3) выходной патрубок нагретого воздуха; 4) полая вставка; 5) входной проем; 6) газовыпускное отверстие с патрубком
Для нивелирования сносящего потока, который формируется при аэродинамической схеме истечения струй из отверстий в цилиндрической стенке, применялись струеобразователи в форме патрубков, расположенных перпендикулярно активной перфорированной вставке [26] (рис. 5), перфорация выполняласьпод углом 45° (сопла располагались в шахматном порядке либо были выполнены равномерно по длине вставки [27].
Рекуператоры на основе вихревой технологии
Создание универсального рекуперативного теплообменника невозможно, поэтому технология струй в совокупности со вставками и оребрением различной формы применялась и для модернизации традиционных конструкций рекуператоров: U-образных, термоблоков и др., что позволило повысить эффективность рекуперации тепла при их неизменных габаритах. Прообразом активных вставок можно считать рекуператор двойной циркуляции [8] и его более поздняя зарубежная реализация фирмой Didieder-Werke AG [28] (рис. 4, б).
Например, известен U-образный теплообменник, в котором внутри воздушных U-образных труб для повышения эффективности теплоотдачи на воздушной стороне установлены закрученные ленточные вставки с различным шагом закрутки [29] (рис. 6).
Рис. 6. Рекуператор
1) U-образная труба; 2) закрученная вставка; 3) воздушный короб; 4) короб нагретого воздуха; 5) крышка; 6) подводящий патрубок; 7) отводящий патрубок; 8, 9, 10, 11) боковые стенки; 12) разделительная стенка; 13) отверстия; 14) П-образная раздаточная труба; 15) распределительная пластина; 16, 17) впускное и выпускное отверстие; 18) многозаходные спиральные выступы
С 1990-х годов до настоящего времени состояние дел в промышленности Украины характеризовалось резким падением количества патентуемых государственными НИИ конструктивных решений по рекуперативным теплообменникам. В основном патентная защита оформлялась на модернизированные теплообменники старых конструкций советского производства, которые реально показали свою эффективность в рамках того или иного предприятия. При этом рекуператоры, сочетающие в своей конструкции комбинации перечисленных выше подходов к интенсификации теплообмена и техническому исполнению, предлагались хозяйствующими субъектами с акционерной формой капитала, общественными фондами, либо индивидуальными изобретателями.
Известен радиационно-конвективный спиральный теплообменник, имеющий конусообразную, спирально-ступенчатую форму с патрубками подвода и отвода греющей и нагреваемой сред, в стенке которого имеется канал L-образного (уголкового) сечения в виде конической спирали. В теплообменнике противотоком движутся вихри нагреваемого воздуха и высокотемпературных дымовых газов [30] (рис. 7). При этом множественная циркуляция достигается установкой внутри конусообразного корпуса фасонного патрубка с внутренним и наружным спиральным оребрением, которое согласуется по направлению винтовой линии со спиральными поверхностями внутреннего профиля конусообразного корпуса [31].
Рис. 7. Радиационно-конвективный теплообменник спирального типа
1) корпус; 2) L-образное сечение в корпусе;
3) патрубок подвода нагреваемой среды;
4) патрубок отвода нагреваемой среды;
5) подвод греющей среды;
6) отвод греющей среды
Также известен противоточный цилиндрический рекуператор для систем цеховой вентиляции и отопления, который представляет собой оребренную поверхность, выполненную в виде винтовых спиральных ребер [32]. Теплообменник включает внешнюю и внутреннюю трубные вставки с оребренными поверхностями, которые выполнены в форме винтовых продольных спиральных ребер, представляющих продольные спиральные завихрители. Эти спиральные завихрители на поверхности внешней и внутренней трубных вставок расположены коаксиально и с обоих концов теплообменника образуют кольцевой распределитель с входным и выходным каналами для впуска цехового и выпуска холодного воздуха одновременно (рис. 8).
Рис. 8. Противоточный цилиндрический рекуперативный теплообменник
1) рекуперативный теплообменник, 2) наружная труба, 3) внутренняя труба, 4) продольная ось, 5) поверхность теплообмена, 6) внешняя винтовая линия, 7) входной канал, 8) выходной канал, 9) подвод воздуха, 10) отвод воздуха, 11) распределитель, 12) внешняя распределительная зона, 13) внутренняя распределительная зона, 14) корпус, 15) внешняя защитная труба, 16) нагнетатель, 17) фильтр, 18) выхлопная решетка, 19) крышка, 20) решетка всасывания, 21) наружная трубная вставка
Струйно-вихревые рекуператоры
Однако существует объективный предел повышения эффективности рекуперации на стороне дымовых газов за счет наращивания площади теплообменной поверхности, а также очевидны недостатки истечения струй из отверстий в перфорированной цилиндрической вставке. И если для компактных металлических теплообменников целесообразна модернизация на основе технологии струй, установки вставок и оребрения, то для крупных рекуператоров (длиной 5 м и более) основное влияние будет оказывать фактор масштаба, сложность инженерного расчета и изготовления теплообменника больших размеров, что по-прежнему вынуждает применять в таких случаях традиционные подходы при их конструировании, а именно: многократность циркуляции нагретого воздуха (многозаходный рекуператор), увеличение диаметров и длины труб, либо их изгиб [34].
Таким образом, задача повышения эффективности рекуперации тепла в настоящее время решается на основе комбинирования режимов (прямоток, противоток, комбинированный противоток) взаимного перемещения нагретых дымовых газов и охлаждающего воздуха в рабочем пространстве рекуператора. При этом очевидно достижение эффекта синергии за счет совместного действии различных факторов интенсификации теплообмена таких, как установка оребрений, применение в рекуператоре труб фасонного сечения, применение технологии импатных (ударных) струй [24], формирование многозаходного потока газов и воздуха и прочие решения, которые объединяют в одной конструкции металлического теплообменника сразу несколько из рассмотренных выше подходов.