Топлообменници – рекуператори

ОВКСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 4, 2008

 

Пластинчати и тръбни топлообменници, топлинни тръби - конструктивни специфики и приложна област

Наред с разгледаните в миналия брой на списанието регенеративни топлообменници, за оползотворяване на отпадъчната топлина в отоплителни, вентилационни и климатични системи широко се използват рекуперативни топлообменници. За разлика от регенеративните модели, при рекуперативните топлообменници между двата въздушни потока се обменя само топлина, но не и влага. Двата въздушни потока - постъпващ и изхвърлян - обтичат различни повърхнини на топлообменника, а между тях има разделителни стени, които се изработват от материали като метал, стъкло или керамика. Използват се и изкуствени материали. Стените на топлообменника могат да бъдат плоски, профилирани или цилиндрични. Видът на топлообменника и материалът се избират с оглед осигуряване на висока надеждност при експлоатация, включително температуро- и корозионна устойчивост. Препоръчва се също да се избере топлообменник, който не се нуждае от постоянна поддръжка и обслужване. От различните видове рекуперативни топлообменници, сред най-често използваните в практиката са пластинчатите топлообменници. Използват се също топлинни тръби и системи с междинен топлоносител.

Пластинчати топлообменници

Сред най-широко използваните технически решения за оползотворяване на отпадъчната топлина са топлообменниците с неразглобяеми плочи (fixed-plate heat exchangers) или по-познати сред бранша като пластинчати топлообменници. В конструктивно отношение пластинчатите топлообменници са изградени от отделни редуващи се плочи, между които се формират процепи. Плочите са добре уплътнени, а изхвърляният и постъпващият въздушни потоци протичат във формиралите се от плочите свободни пространства. В повечето случаи, с цел постигане на по-добър топлообмен между потоците, отделните пластини се профилират. Разбира се, в случаите, при които през топлообменника преминават замърсени въздушни потоци, не се препоръчва използването на модел със силнорелефни повърхности.

Изискванията към материалите, които се използват за изработване на отделните пластини, са - висок коефициент на топлопроводимост, както и способност да пренасят топлосъдържанието (енталпията) между двата въздушни потока. Сред често използваните материали за изработването на топлообменници с неразглобяеми плочи е алуминият, който е устойчив срещу корозия и се отличава с добри топлообменни свойства. Пластинчатите топлообменници могат също така да бъдат произведени и от стомана. Обикновено, дебелината на една пластина е в порядъка от 0,1 до 5 mm, а разстоянието между пластините е от 5 до 10 mm. Изискванията към използваните уплътнения между отделните пластини са насочени към гарантирана независимост на потоците през целия експлоатационен живот на топлообменника.

Добри характеристики при високи температури

Сред спецификите на пластинчатите топлообменници е способността им да запазват добрите експлоатационни характеристики при температура на постъпващия горещ въздушен поток над 200 °С. Когато топлообменникът работи продължително време под температурата на оросяване, е препоръчително да се предвиди щуцер за отвеждане на кондензата. За системи с големи дебити въздух се използват няколко топлообменника, свързани успоредно.

Пластинчатите топлообменници се характеризират и с пълно отсъствие или наличие на много малки утечки между въздушните потоци.

Основен недостатък на този тип топлообменници е възможността им да регенерират единствено енталпията. В способностите им е да регенерират над 80 % от наличното отпадъчно топлосъдържание. Могат да се монтират в централи за обработка на въздух, както и в агрегати за вентилация с рекуперация, като топлообменникът се поставя с наклон от около 2 до 4 % по посока на изхвърляния въздух. При последователното и паралелно свързване на модулите се постига висока ефективност на утилизация. При монтиране на пластинчати топлообменници в инсталациите, наред с отделянето на кондензат съществува и опасност от замръзване и образуване на лед. В практиката се използват различни схеми за предпазване от замръзване. Сред често прилаганите са регулирано загряване на външния въздух чрез поддържане на температурата на изходящия въздух до границата на замръзване. Друго решение е намаляване на дебита на външния въздух чрез обиколна връзка. Трето - повишаване на температурата на постъпващия външен въздух чрез смесване с част от изхвърляния въздух и допълнително загряване на изхвърляния въздух преди рекуператора.

Тръбни топлообменници

Тръбните топлообменници представляват конструктивна разновидност на пластинчатите модели. Разликата е, че при тръбните топлообменници пластините са заменени с тръби, изработени от стъкло или изкуствени материали.

Счита се, че този вид топлообменници са изключително подходящи за работа в агресивни среди. Други техни предимства са отсъствието на подвижни части, както и възможността за лесно почистване и приложимостта им при високи температури на горещия въздушен поток.

Недостатъците им са свързани с трудното регулиране на топлинната мощност, необходимостта от съвместно подвеждане на изхвърляния и външния въздух, както и опасността от замръзване.

Топлинни тръби

Както е видно от наименованието на този тип рекуператор, топлообменникът функционира на базата на използвани в конструкцията му топлинни тръби. Всяка тръба представлява самостоятелна затворена система, в която при условия на вакуум циркулира работен агент. Топлинните тръби, в зависимост от принципа си на работа, се разделят на две основни групи - гравитационни и капилярни.

Гравитационните топлинни тръби работят само във вертикално положение. Условно, топлообменникът е разделен на три отделни зони - изпарителна, транспортна и кондензационна. Изхвърляният топъл въздух обтича долната част на тръбите, в резултат на което работният флуид се изпарява, достигайки до зоната на кондензация, където кондензира и под действието на гравитационните сили кондензатът се връща обратно в зоната на изпарение. Теоретично ефективността на работа на тръбите би могла да се контролира чрез техния наклон.

Вторият вид топлинни тръби - капилярните - от вътрешната страна са облицовани с материал с капилярна структура. Възможно е да се използва филц, нетъкани текстилни материали и други. При капилярните топлинни тръби кондензатът се транспортира за сметка на разликата в налягането между зоните на кондензация и изпарение. За разлика от гравитационните, тези топлинни тръби работят в хоризонтално положение. Едно от основните им предимства е възможността за реверсиране на посоката на преноса, което позволява да се реализират икономии на енергия, не само през зимата, но и през лятото, при използването им в климатични системи.

Няма пренос на вредни вещества между потоците

Топлообменниците с температурни тръби се избират и оразмеряват според каталожна информация от самите производители. Броят на тръбите в един пакет се определя в зависимост от търсената ефективност и въздушните дебити. В зависимост от вида на работния агент, топлинните тръби могат да работят при температури от -20 до 300

оС. Обикновено стъпката на оребряване е от 2,5 до 5 mm, а броят на редовете по посока на движение на въздуха е от 4 до 12. Използват се предимно в автономни въздухообработващи апарати за топловъздушно отопление и климатизация. Подходящи са и в случаи, при които се търси компактност на съоръженията.

Основните им предимства са високата степен на ефективност и надеждност при експлоатация. При тях няма пренос на вредни вещества към подавания въздух, а разходите за поддръжка са малки.

Недостатъците им са сложната производствена технология, трудното регулиране на ефективността и значителните разходи при необходимост от предварително филтриране на изхвърляния въздух.

Системи с междинен топлоносител

Оползотворяването на отпадъчната топлина чрез пренасянето й по контур е използваемо в случаите, при които изпусканият и подаваният въздушни потоци не са съседни, или в приложения, при които е недопустимо смесване на потоците поради съдържащи се в тях замърсявания. Пренасянето на топлина се реализира посредством използването на оребрени топлообменници тип въздух-течност, които се монтират във въздухопроводите с изхвърляния и постъпващия въздушни потоци. Топлообменниците са свързани в затвореноконтурна система, в която принудително циркулира работен флуид. Системата включва трипътен вентил за регулиране на топлинната мощност, помпа, която се монтира към топлообменника за изхвърляния въздух, и разширителен съд за поемане на термичните обемни изменения на топлоносителя.

Този вид системи пренасят предимно явна топлина. Ефективността на системата се повишава при понижаване на температурата на топлоносителя, което предизвиква кондензация на водни пари, вследствие на което започва пренасяне и на скрита топлина. Ако температурата на топлоносителя, обаче, падне под температурата на замръзване на водата, се наблюдава обледеняване на топлообменника и намаляване на ефективността му. Характерно за този тип системи е отсъствието на пренос на влага и възможността за реверсиране на топлопреносните процеси.

Двата топлообменника - от различен тип

Използваният в системата топлоносител трябва да отговаря на определени изисквания, като висок специфичен топлинен капацитет, нисък вискозитет, висок коефициент но топлопроводност, пожаро- и взривобезопасност, да не е агресивен към метали и да е безвреден за човека. Сред най-често използваните топлоносители е воден разтвор на етиленгликол. Когато системата е свързана към мрежата на отоплителната система, се работи с вода. Предотвратяването от замръзване се осигурява от източника на топлина. За ограничаване на топлинните загуби, тръбопроводите, по които се пренася топлоносителят, предварително се изолират, което предотвратява и кондензацията на водни пари по повърхността им.

Обикновено тези системи се изграждат от оребрени топлообменници, изработени от специално навити тръби или тръби с ламели. Не е задължително двата топлообменника да са от един и същ конструктивен тип. Самите топлообменници се разполагат във въздухообработваща централа или във въздухопроводната мрежа. В случаите на кондициониране на въздуха се работи в температурни граници, които налагат използването на многоредови топлообменници. Това води до повишаване на ефективността, но също така и до увеличаване на хидравличните загуби по въздух и топлоносител. В приложения, при които се рекуперира топлина от отпадъчни газове с агресивни свойства, се препоръчва използването на топлообменници от подходящи материали или със специална повърхностна обработка.

Използват се за техно-логични отпадни газове

При избора и оразмеряването на циркулационната помпа, разширителния съд и тръбопроводите се подхожда както при обикновените отоплителни инсталации с течностен топлоносител. Специалистите препоръчват използването на затворени разширителни съдове и тръбни помпи.

Системите с междинен топлоносител са подходящи за оползотворяване на топлината на технологични отпадни газове, независимо от химичния им състав, както и за отдалечени в пространството нагнетателни и смукателни инсталации за кондициониране на въздуха. Загубите на налягане в мрежата са сравнително малък процент от общия енергиен баланс на системата. Инсталациите с междинен топлоносител позволяват свързването на няколко смукателни и нагнетателни инсталации в обща система. Те могат да бъдат и с различни дебити и температури и да поддържат различен експлоатационен режим.

Появата на обледеняване се предотвратява чрез управление на топлинната мощност - посредством промяна на дебита на топлоносителя, който преминава в потока външен въздух, или чрез добавяне на топла вода от отоплителната инсталация.

Разстоянието между потоците - произволно голямо

Основно предимство на описаното техническо решение за оползотворяване на отпадъчната топлина е отпадането на изискването двата въздушни потока да са съседни и дори в непосредствена близост един до друг. Разстоянието между потоците се ограничава единствено от икономически съображения, свързани с разходите за изграждане на тръбопроводната и помпената системи. Друго предимство на системите с междинен топлоносител е отсъствието на смесване между въздушните потоци, което е от особена важност в редица заводски приложения. Съществува възможност за разпределяне на излишната топлина по различните инсталации или с цел използването й за технологични нужди. Също така, лесно се регулира топлинната мощност чрез изменение на дебита.

Като недостатъци на тази система могат да се посочат по-ниската й ефективност в сравнение с регенеративните топлообменници, което се дължи на необходимостта от достатъчно големи температурни разлики между топлоносителя и въздушните потоци. Необходимо е замърсените въздушни потоци предварително да се почистват, което съответно води и до по-високи експлоатационни разходи.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top