Теплообменники с тепловыми трубами

Теплообменник, применяемый для утилизации теплоты из газов, представляет собой пучок ребристых труб, собранных в виде обычного охлаждаемого воздухом теплообменника.

Тепловая труба [7.11 представляет собой герметичный контейнер с фитилем. Фитиль содержит рабочую жидкость, которая служит тепло

Рис. 7.1. Работа тепловой трубы:

1 — стенка сосуда

передающей средой. Если теплота подается к одному концу тепловой трубы, то жидкость в фитиле на этом конце испаряется, пар поступает к более холодным зонам тепловой трубы, в которых происходит конденсация, и скрытая теплота конденсации отводится (рис. 7.1).

Работа тепловой трубы завысит от наклона ее к горизонтальной линии, размера пор фитиля и поверхностного натяжения рабочей жидкости. Количество передаваемой теплоты определяется также скрытой теплотой рабочей жидкости, которая должна быть как можно выше.

Общее описание установки. В газовом теплообменнике, как показано на рис. 7.2, испарители тепловых труб перекрывают канал, по которому поступает

ИЗ

горячий газ, а конденсаторы расположены в канале, в котором теплота от горячего газа передается холодному поступающему воздуху. Для максимальной эффективности теплообмена предпочтительно, чтобы воздух поступал через теплообменник противотоком.

Обычно тепловые трубы монтируются в горизонтальном положении, а два канала соприкасаются в том месте, где расположен теплообменник. Одна американская фирма, производящая теплообменники, запатентовала систему регулирования, в которой изменение показателей работы тепловой трубы в зависимости от наклона к горизонту может быть использовано для регулирования переноса теплоты. При наклоне всей установки так, чтобы испарители были выше конденсаторов, передача теплоты может быть постепенно сведена к нулю.

Рис. 7.2. Расположение в печи теплообменника с тепловыми трубами для утилизации теплоты:

/ — теплообменник с тепловыми трубами {TRU-300); 2—печь

лы и рабочие жидкости, применяемые для теплообменников с тепловыми тр.ба- ми, в большей степени зависят от пределов рабочих температур. Что касается наружной поверхности трубок и ребер, то выбор металла зависит от среды, в которой должна работать эта 'установка. Рабочими жидкостями в системах кондиционирования возд ха и в других случаях, когда рабочая температура не превышает 40° С, являются фреон и ацетон. При * величении температур наилучшей жидкостью является вода. Для очень горячих отработанных газов в печах могут применяться высокотемпературные органические жидкости.

В большинстве случаев трубы выполняют из меди или алюминия. Если газ содержит кислотные примеси или если требуется более высокая температура, то применяется более надежный материал; для этих целей обычно выбирают нержавеющую сталь.

П'.чок груб может быть изготовлен из имеющихся готовых спирально намотанных оребренных груб или может быть выполнен а виде холодильного змеевика, при этом трубки вытянуты в виде пластин, образующих прямоугольное «ребро», on шенное а глу бь теплообменника. Последний вариант предпочтителен в отношении стоимости.

Размер теплообменника принимается в зависимости от производительности, скорость газов обычно допускается в пределах 2—4 м/с. Небольшие теплообменники имеют 0,3 м в высоту и 0,6 м в длину, а более кру пные — соответственно 1,5 144

Рис, 7.3. Показатели работы теплообменника с тепловыми трубами

и 5 м.

Эффективность. Теплообменники с тепловыми трубами обладают меньшим КПД, поскольку тепловая труба по существу создает дополнительное терми

ческое сопротивление по сравнению с другими типами теплообменников, в которых одна стенка разделяет холодный и горячий потоки теплоносителя.

КПД или коэффициент утилизации теплообменников с тепловыми трубами зависит от количества ребер в тепловых трубах, количества рядов трубок, скорости и плотности газа и соотношения расходов массы двух потоков газов. На рис. 7.3 представлены коэффициенты утилизации для теплообменника с шестью рядами оребренных трубок для ряда значений М, представляющих собой соотношение масс потоков. В большинстве случаев площади поверхности теплообменника одинаковые, при этом в центре расположена перегородка, разделяющая два потока газа. Однако в тех случаях, когда значение М велико, площадь поверхности испарителя и конденсатора может быть отрегулирована передвижением разделительной перегородки, так что скорость и, следовательно, падение давления в канале, по которому поступает максимальная масса потока, снижается.

В настоящее время теплообменники с тепловой трубой могут работать при температуре отходящего газа до 350 С, однако имеются специальные дорогостоящие теплообменники, в которых температура может быть даже выше. Применение таких теплообменников в системах, в которых максимальная температура может превышать 400 °С, приводит к необходимости использования жидкого металла в качестве рабочей жидкости в тепловой трубе, что ведет к значительному повышению стоимости.

Применение. Теплообменники с тепловыми трубами находят широкое применение в промышленности, в системах отопления и вентиляции административных зданий. На основании информации, представленной фирмой Q = Dot Corporation, они используются в настоящее время для регенерации теплоты в отбеливающих печах, печах для обжига кирпича, цепных сушильных печах непрерывного действия, промышленных устройствах сварки, гавальнизации и твердой пайки, устройствах для напыления красителей, устройствах получения фармацевтических препаратов, установках фосфатирования, устройствах контроля за загрязнением окружающей среды, в печах для регенера- цин растворителя, в устройствах для дубления, в печах восстановления текстиля и в устройствах для утилизации теплоты отработанного пара.

Низкая разница температур отработанного и поступающего в здание воздуха не помешала применению теплообменников этого типа для утилизации теплоты в системах кондиционирования.

В США в связи с более резкими перепадами температур окружающего воздуха, чем в Великобритании, применение этой установки возможно и летом для охлаждения приточного воздуха. В результате, в США вполне возможно утилизировать сбросную теплоту с высоким КПД в течение 8 мес в году. Однако в Великобритании единственным способом их применения является, по-видимому, нагрев приточного воздуха, и по количеству используемой для этих целей теплоты можно сказать, что на многих установках период окупаемости составит, более 2—3 лет (пример приведен ниже).

Возможно, что в Великобритании эти теплообменники будут применяться в основном в промышленных процессах. Расчеты показывают, что в ряде случаев период окупаемости составит один год. Этому способствуют температурный уровень утилизируемой теплоты и работа практически в течение всего года.

Подводя итоги, можно утверждать, что тремя основными областями применения теплообменников с тепловыми трубами являются утилизация теплоты для нагрева воздуха или газа, используемого в самом процессе; и утилизация сбросной теплоты процесса для целей отопления или других нужд вне технологического процесса [72, 73].

В некоторых случаях применение теплообменников с тепловыми трубами может потребовать реконструкции, а также удлинения трубопроводов. Это ограничение может быть устранено путем применения пучка вертикально расположенных тепловых труб и расположения испарителей под конденсаторами.

Во многих случаях эти ограничения перекрываются тем преимуществом, что в процессе теплообмена не происходит переноса загрязненных частиц из одного потока в другой. Благодаря разделительной пёрегородке два потока газа могут иметь различное давление, что невозможно, например, в случае вращающегося регенератора.

Стоимость. Теплообменники утилизации теплоты с тепловыми трубами выпускаются в США в течение нескольких лет.

^              „ пенс

Материал

Алюминий: большой              агрегат              ,              .              .

небольшой агрегат              .              .

Медь:

большой              агрегат              .              .              .

небольшой агрегат              .              .

Нержавеющая сталь: большой              агрегат              .              .              .

небольшой агрегат              .              .

Стоимость*,

М3/ч

12 16

15 21

24 32

* Без учет» монтажа.

По данным фирмы Q-Dot Corporation период окупаемости для промышленных процессов, в которых происходит глубокая утилизация теплоты и имеет место высокая разница температур, 1—3 года. При кондиционировании воздуха и отоплении период окупаемости выше — в ряде случаев более 5 лет.

На рие. 7.4 показано применение теплообменника а тепловыми трубами, выпускаемого американской фирмой Isothermics.

Количество отработанного воздуха при температуре 220 °С из сушильной печи, работающей на жидком топливе, составляет 64 м®/мин. Мощность печи 500 кВт. При этом необходимо осуществлять нагрев приточного воздуха до 20°Сзимой и технологического воздухадо90°С летом. Печь работает в течение 21 ч в сутки. Допустимое падение давления 0,3 кПа.

Теплообменник имеет поверхность 1,Ох 1,3 м с четырьмя рядами трубок. Наружный диаметр трубок 19 мм, высота ребра 9,5 мм. Теплообменник выполнен из меди с защитным покрытием из никеля, теплоносителями являются метанол и вода; масса 300 кг, общая стоимость 10 тыс. долл.

Ежегодная экономия топлива эквивалентна 8 тыс. долл.

Дальнейшее усовершенствование этих теплообменников для расширения областей их применения идет в направлении изменения предела

Рис.

I — воздуходувка; І — эаслолка; 3 — хеалсюйииашш с ішлишми ірgt;6амь. 4 — сушильная мчь              -

Рис. 7.5. Тепловая труба с буферным газом для регулирования температуры:

I — фитиль; 2 — резервуар

Рис. 7.6. Использование теплообменника с тепловыми трубами в процессе получения метана:

1 — резервуары для і аза; 2 — тепловые грубы

рабочих температур и регулирования переноса теплоты [7.4]. Как было упомянуто ранее, верхний предел рабочей температуры в существующих системах — около 350 °С. Применение теплообменников с жидким металлом в качестве теплоносителя возможно в будущем при условии и соответственного снижения стои-

их массового производства мости. (В настоящее время ту же самую функцию с более высоким температурным пределом могут выполнять керамические вращающиеся регенераторы).

В существующих системах регулирование переноса теплоты от горячего потока газа к холодному осуществляют путем наклона всего теплообменника, что в целом ряде случаев может оказаться неприемлемым. Гораздо более точного регулирования можно достичь в результате применения тепловой трубы с буферным газом, что лишь незначительно увеличит капитальные затраты. Это дало бы возможность применять эти агрегаты в процессах, для которых температура поступающего воздуха строго фиксирована, а также в системах кондиционирования воздуха, для которых в течение суток она должна изменяться в значительных пределах. В тепловой трубе с буферным газом в отделении конденсации имеется инертный газ. По мере повышения температуры в испарителе упругость паров в тепловой труба возрастает, что приводит к уменьшению занимаемого газом объема, и соответственно площадь поверхности теплообмена увеличивается. И наоборот, уменьшение теплового потока в испаритель снижает упругость паров, уменьшая поверхность теплообменника, как показано на рис. 7.5.

В процессе получения метана тепловые трубы могут применяться [7.5] для поддержания температуры процесса с одновременным использованием утилизированной теплоты для генерирования пара, как показано на рис. 7.6. В этом процессе теплота выделяется в результате экзотермической реакции между водородом и оксидом углерода в 148

присутствии никеля в качестве катализатора. Благодаря системе с тепловой трубой устраняется необходимость в сложных системах регулирования.

В США проводятся исследования [7.6] по более глубокому изучению условий, влияющих на эффективность работы этих теплообменников, и разработке менее дорогих конструкций. В этих целях была осуществлена оптимизация конструкции теплообменника с помощью расчетов на ЭВМ [7.71 и сравнение расчетных и фактических результатов, полученных на промышленных теплообменниках 17.8].