Утилизация тепловой энергии с помощью рекуперативных теплообменников

Рекуперацией называется процесс конвективной передачи тепла через сухую разделяющую стенку. Если процесс происходит без выпадения конденсата, то он назы­вается "сухой" (в теплый период). JТермодинамическая эффективность такого процесса оценивается температурным коэффициентом эффектив­ности Е_t. Если процесс сопровождается выпадением конденсата, то он от­носится к случаю тепломассообмена. Термодинамическая эффективность такого процесса оценивается энтальпийным коэффициентом эффективности E_J. В случаях охлаждения конденсата до отрицательных температур воз­можно замерзание конденсата.

По виду обменивающихся сред наибольшее распространение в теплоутилизаторах получили воздухо-жидкостные, воздухо-воздушные, паровоздушные и парожидкостные теплообменники. По конструкции теплообменной поверхности все рекуператив­ные теплообменники делятся на 2 вида: 1)трубчатые; 2)пластинчатые. В зависимости от направления движения потоков различают: 1)прямоточные; 2)противоточные; 3)перекрестно-точные; 4)комбинированные схемы движения.

Трубчатые теплообменники Такой теплообменник представляет собой пучок трубок, оребренных с наружной стороны. Внутри трубок проходит один поток, а наружная поверхность трубки омывается другим потоком. Примерами таких тепло­обменников являются: калориферы систем вентиляции, теплообменники кондиционеров и холодильных машин. По расположению трубок различают коридорные и шахматные схе­мы. Оребрение трубок может выполняться на каждой трубке отдельно, либо насаживаться на полный пучок труб цельными пластинами, такие теплообменники называются трубчато-тастинчатые.

Схема теплоутилизационной установки на базе трубчатого теплообменника:

1 - трубчатый теплообменник; 2 - насос; 3-бойлер; 4 - помещение; 5 - вентилятор

Достоинства трубчатых утилизаторов: 1)удобство компоновки с другим оборудованием; 2)простота конструкции и широкие возможности заводского изго­товления; 3)возможность замены отдельных элементов и использование ти­пового оборудования; 4)набольшая стоимость. Недостатки: 1) большое аэродинамическое сопротивление (до 350 Па); 2)большая металлоёмкость; 3)довольно низкая эффективность (Е=50-55%); 5)крупные габариты оборудования; 6)необходимость отвода конденсата от теплообменника.

Разновидностью трубчатых; теплообменников являются кожухотрубные теплообменники (теплообменник типа "труба в трубе"). Та­кой теплообменник представляет собой пучок гладких труб, оребрен­ных с внутренней стороны, который заключается в общий кожух кругло­го или прямоугольного сечения.

Пластинчатые теплообменники Пластинчатые теплообменники собираются из гладких пластин таким образом, чтобы поочередно образовались плоские каналы для про­хода каждого потока воздуха. С целью увеличения площади теплообменной поверхности меж­ду гладкими пластинами часто устанавливают ребра, либо изогнутые пластины: треугольного, U-образного и П-образного профиля. Такие теплообменники используются только как воздухо-воздушные в системах вентиляции и кондиционирования воздуха. Основные преимущества: 1) высокая эффективность утилизации теплоты Е=60-70% (до 85%);2) технологичность изготовления; 3)небольшое сопротивление для прохода воздуха (50-70 Па); 4)высокая степень компактности; 5)отсутствие вращающихся и механических деталей, что увели­чивает срок службы и надежность теплообменника; 6)невысокая эксплуатационная стоимость и расход электро­энергии.

Недостатки: 1) основной недостаток: возможность выпадения конденсата в каналах теплого удаляемого воздуха. В зимнее время при низких отри­цательных температурах конденсат превращается в иней, что умень­шает коэффициент теплопередачи и увеличивает аэродинамическое со­противление теплообменника, поэтому в теплоутилизационной установке на базе пластинчатых теплообменников обязательно предусматривают меры для борьбы с обмерзанием теплообменника. Это снижает эффек­тивность работы и увеличивает срок окупаемости установки; 2)необходимость специальной компоновки воздуховодов венти­ляционных систем.

Схема компоновки пластинчатого теплообменника в системах вентиляции

По направлению потоков в теплообменнике самой эффективной является противоточная схема (Е=80-85%). Однако такой теплообменник очень сложно разместить в системе вентиляции, поэтому наибольшее распространение получили теплообменники с перекрёстной схемой движения потоков. Перекрёстная схема: прямая; диагональная

Принципиальная схема утилизации теплоты вентиляционного воздуха с помощью пластинчатого перекрестноточного теплообменника:

1 - помещение с механической приточно-вытяжной вентиляцией;

2 - пластинчатый теплообменник; 3 - вентилятор; 4 - фильтр; 5 - обводная линия

В качестве материалов для изготовления пластин применяют: сталь; алюминий; полимеры; стекло; бумага; картон. Наиболее простые в изготовлении - металлические гладкие Пла­стины, однако такие утилизаторы занимают большие габаритные размеры, поэтому стали применять утилизаторы из профилированных или гофрированных стальных листов. Однако металлические теплообменники не могут использоваться для потоков воздуха, содержащих агрессивные примеси или влагу. Для этой цели используются теплообменники из стекла и поли­меров. Основные достоинства стекла: стойкость к агрессивной среде и атмосферной коррозии, большой срок службы, простота очистки рабочей поверхности. Основной недостаток: хрупкость и большие габаритные размеры. Полимеры обладают теми же достоинствами, что стекло, но ли­шены хрупкости, кроме того, пластмасса имеет меньшую, плотность и сравнительно низкую себестоимость. Процесс вакуум-формования тер­мопласта проще и энергетически выгоднее процесса штамповки или про­ката металла, поэтому полимерные теплообменники менее материалоем-кие и более дешевые, чем металлические. По виду применяемых полиме­ров различают 2 типа пластин: 1) пластины с использованием тонкой гибкой пленки, натянутой на жесткий каркас (пленочные теплообменники); 2) пластины из жестких листов различных пластиков: ПВХ, мипласт, оркстекло. Основной недостаток полимеров - легкоплавкость и горючесть, как следствие этого, ограниченная температура применения. Температу­ра потоков и окружающей среды на должна превышать 45 °С.

Основные меры борьбы с обмерзанием теплообменников в зимнее время: 1) предварительный подогрев приточного воздуха до температуры около 0°С;2)периодическое отключение теплообменника для разморозки инея;3)уменьшение количества удаляемого воздуха, проходящего через теплообменник (байпасирование);4)специальные, не обмерзающие теплообменники, в частности те­плообменник с пластинами из гигроскопичных материалов (бумага, картон со специальной пропиткой).

Дата добавления: 2015-11-26