Регенеративные ТОА и их конструкция

Для повышения эффективности теплотехнологических систем, рабо­тающих в широком (до нескольких сотен Кельвинов) интервале пере­падов температуры между теплоносителями, часто оказывается целе­сообразным применение регенеративных теплообменных аппаратов.

Регенеративным теплообменным аппаратом называют устройство, в котором передача теплоты от одного теплоносителя к другому проис­ходит с помощью теплоаккумулирующей массы, называемой насадкой. Насадка периодически омывается потоками горячего и холодного тепло­носителей. В течение первого периода (периода нагревания насадки) через аппарат пропускают горячий теплоноситель, при этом отдаваемая им теплота расходуется на нагревание насадки. В течение второго периода (периода охлаждения насадки) через аппарат пропускают холодный теплоноситель, который нагревается за счет теплоты, аккумулированной насадкой. Периоды нагревания и охлаждения насадки продолжаются от несколь­ких минут до нескольких часов.

Для осуществления непрерывного процесса теп­лопередачи от одного теплоносителя к другому не­обходимы два регенератора: в то время как водном из них происходит охлаждение горячего теплоносителя, в другом нагревается холодный теплоноси­тель. Затем аппараты переключаются, после чего в каждом из них процесс теплопередачи протекает в обратном направлении. Схема соединения и пере­ключения пары регенераторов приведена на рис. 3.1. Переключение производится поворотом клапанов (шиберов) 1 и 2. Направление движения теплоно­сителей показано стрелками. Обычно переключение регенераторов производится автоматически через определенные промежутки времени. Главным элементом регенераторов, определяющим в основном эф­фективность их работы, является насадка.

Теплообмен в слое

В зависимости от поведения частиц, выделяют кипящий и плотный слой. В плотном слое частицы находятся м\у собой в контакте и происходит касание частиц. Параметром, определяющим состояние слоя, является порозность ε. Это отношение объема пустой к объему слоя. Для плотного слоя ε =0,35-0,55. Если > 0.55-0,6, то слой кипящий. Если >0,6, то частицы уносятся.
Особенности теплообмена в кипящем слое:
1. Температура на поверхности насадки определяется не только внешним топло-обменом(конвекция), но и переносом теплоты внутри элементарной насадки.
2. Внешний теплообмен от одного элемента к другому осуществляется теплопров-ю, излучением, конвекцией.
3. Внутренний теплоперенос определяется размера-ми и формой элементарной насадки, ее теплопроводно-стью и теплообменом на поверхности.
Если Bi<=0.25, то элемент насадки рассматривается как термически тонкое тело и в тепловых расчетах влияние внутренних термич. сопротивлений можно не учитывать.
Bi=αδ/λ, где δ - характерный линейный размер,
δ/λ ≈0. Не учиты-вает внутренние термич. сопротивления. Температуры по δ почти одинаковы.

Рассмотрим неподвижный слой.
Полное изменение энтальпии газов определяется изменением ее по пути потока и по времени. Поперечное сечение =1м2, а порозность - ε: d²Q = c_гρ_тw_г *(∂T/∂y)*dydτ
c_гρ_т*(∂T/∂τ)*dydτ*ε
1-е слагаемое – изменение температуры газа по пути потока.
2-е слагаемое – изменение по времени.
Кол-во теплоты получаемое газом за счет охлажде-ния насадки слоя: d²Q = α_v *(t-T)*dydτ
α_v– коэф-т теплоотдачи, отнесенный к 1м3 слоя.
T,t – температуры газа и насадки.
Приравняв правую и левую части после сокращения получим: α_v*(t-T) = c_гρ_т*(w_г* ∂T/∂y ∂y/∂τ *ε)

Если полагать, что измене-ние энтальпии материала происходит лишь во време-ни(по высоте – нет): α_v*(t-T) = - c_мρнас*(∂t/∂τ)
См – удельн. массовая теплоемкость материала.
ρнас – насыпная плотность слоя, состоящего из материала с плотностью ρм.
ρнас= ρм(1- ε)
Этими уравнениям описывается теплообмен в неподвижном слое.
Величиной, определяющей эффект-ть теплообмена в слое является объемный коэф-т теплоотдачи αv. Связь αv с обычным коэф-м теплоотдачи устанавливается ч\з поверхность F слоя частиц в 1м3 слоя:
αv*1м3 = αF*F= (αг*Ф*(1- ε))/d,
где αF – отнесен к повер-ти,занимающей 1м3 частиц неподвижного слоя
Ф – коэф-т формы насадки
Ф=60 – для частиц сферической формы
αг – коэф-т теплоотдачи газа
d – диаметр частицы
Значения коэф-та теплоотдачи получают экспериментально для неподвижн. и подвижн. плотных слоев. Наибольшее распространение получили формулы Тимофеева:
Nuсл = 0.106*Reсл --
при Re<200
Nuсл = 0.61*(Reсл)^0,67 --
при Re>200
Особенности расчета Nu и Re(для слоя) состоят в том, что в качестве линейного размера используют диаметр частиц, а скорость газа определяется в свободном сечении слоя
Nuсл = αг*d/ λг
Reсл = wг*d/ ν_t
Теплопроводность и коэф-т кинематической вязкости определяют по средней температуре.