Регенеративный теплообменник с испарительным охлаждением
REGENERATIVE HEAT EXCHANGER WITH EVAPORATION COOLING

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано для повышения экономичности котлов и систем вентиляции путем глубокой регенерации тепла за счет испарительного охлаждения влажных выбросов: уходящих дымовых газов котлов или вентиляционных выбросов из помещений.
Известен котел, содержащий конденсационный теплообменник, установленный в цилиндрической части коаксиального дымохода, обеспечивающий глубокое охлаждение дымовых газов холодным теплоносителем с восприятием теплоты конденсации паров влаги и повышением КПД котла (патент РФ №2449224, МПК F24H 1/00).
Недостатками данного конденсационного теплообменника является высокая стоимость изготовления и низкая эффективность, так как для поглощения теплоты конденсации водяных паров необходим холодный теплоноситель с температурой ниже 40-50°С, а температура обратной воды типично составляет 60-70°С.
Наиболее близким, принятым за прототип, является регенеративный теплообменник, содержащий два двухходовых клапана для противоточной, периодически сменяемой подачи потоков, и два установленных вертикально регенератора, заполненных легко проницаемой для потоков теплоаккумулирующей насадкой. При работе за счет синхронного переключения двухходовых клапанов в один регенератор подают теплый, а во второй - холодный потоки, например, влажные выбросы и воздух. После переключения двухходовых клапанов первый регенератор охлаждается, передавая тепло холодному потоку, а второй нагревается (Промышленные тепломассообменые процессы и установки. Под ред. Бакластова A.M. - М.: Энергоатомиздат, 1986. С. 83, рис. 3.1.).
Недостатком этого регенеративного теплообменника является его неприспособленность для глубокой регенерации тепла с конденсацией паров влаги из влажных выбросов из-за отсутствия в нем организованного испарительного охлаждения потоком входящего воздуха.
В основе предлагаемого изобретения лежит задача обеспечения глубокой регенерации тепла с конденсацией паров влаги из потока влажных выбросов за счет организации в регенераторах энергоемкого испарительного охлаждения влажных выбросов потоком воздуха.
Поставленная задача решается за счет того, что в регенеративном теплообменнике с испарительным охлаждением (РТИ), имеющем два двухходовых клапана для противоточной, периодически сменяемой подачи потоков в два регенератора, предлагается регенераторы заполнить удерживающей воду проницаемой структурой (ВС), в которой установлены каналы подогрева воздуха (КПВ), при этом тракт подачи влажных выбросов подключен к регенераторам сверху, а тракт подачи воздуха снизу, причем он подсоединен к воздухозаборному устройству через каналы подогрева воздуха, расположенные в регенераторах.
Применение ВС обеспечивает встречно-чередующееся свободное прохождение и теплообмен потоков, а также удержание влаги и насыщение ею поверхности теплопередачи по высоте за счет свободного слива вниз навстречу потоку воздуха избытка конденсата, выделяющегося при охлаждении влажных выбросов. С учетом того, что подогрев воздуха существенно усиливает интенсивность испарения влаги, предлагаемый предварительный подогрев воздуха в КПВ создает мощный теплосъем, начиная снизу ВС, от сечения ввода воздуха в регенератор, обеспечивая постепенное интенсивное испарительное охлаждение снизу вверх всего регенератора. После завершения процесса охлаждения двухходовые клапаны отключают этот регенератор от потока воздуха и сверху в него подают влажные выбросы. Влажные выбросы, контактируя с холодными поверхностями, интенсивно охлаждаются с выделением конденсата и тепла конденсации, постепенно прогревая ВС и воздух, движущийся в КПВ в период прогрева регенератора, до его последующего подключения к потоку воздуха.
В итоге предлагаемое применение ВС, КПВ, подогрева воздуха и подключение тракта подачи влажных выбросов к регенераторам сверху, а тракта подачи воздуха снизу обеспечивают заявляемое энергоемкое испарительное охлаждение потоком воздуха влажных выбросов с глубокой регенерацией тепла, включая конденсацию из них паров влаги.
Дополнительно в РТИ оба регенератора предлагается объединить в блок, который выполнен в виде общих для обоих регенераторов чередующихся плоских прямоугольных КПВ и слоев ВС, разделенных вертикальной перегородкой пополам. При этом КПВ предлагается выполнить с верхним выходом подогретого воздуха U-образными или по меньшей мере двухходовыми и расположить в каналах направляющие ребра.
Эти дополнительно предлагаемые технические решения позволяют создать единую компактную и эффективную конструкцию блока регенераторов из чередующихся КПВ и слоев ВС, в том числе за счет того, что в КПВ установлены направляющие ребра, которые оптимально распределяют поток воздуха, увеличивают прочность и жесткость КПВ. Верхний выход подогретого воздуха, особенно через регенератор влажных выбросов, позволяет еще значительнее усилить прогрев воздуха и испарительное охлаждение.
Дополнительно также предлагается стенки, которые образуют каналы, выполнить из гофрированных металлических листов, причем гофры на чередующихся листах расположить встречно наклонно (подобно конструкции наиболее эффективных теплообменников пластинчатого типа). Дополнительно предлагается ВС выполнить в виде:
- засыпки частиц из капиллярно-пористого материала;
- в виде гофрированных металлических сеток с засыпанными в гофры частицами из капиллярно-пористого материала.
Эти дополнительно предлагаемые технические решения позволят оптимизировать структуру ВС и повысить интенсивность ее испарительного охлаждения.
Кроме того, над регенераторами могут быть установлены форсунки для подачи воды. Эти технические решения позволят дополнительно повысить интенсивность испарительного охлаждения за счет периодической промывки от грязи и восстановления ВС регенераторов.
Поднять температуру прогрева воздуха еще выше позволяет размещение воздухоподогревателя в тракте подачи влажных выбросов с подключением его по воздуху с одной стороны к выходу КПВ, а с другой - к входу воздуха в регенератор.
Для пояснения описываемого РТИ на чертежах, фиг. 1 и фиг. 2, показаны принципиальные схемы подключения его элементов и варианты конструкции КПВ и ВС.
РТИ 1 имеет левый регенератор 2 и правый регенератор 3. Повороты заслонки 4 в верхнем двухходовом клапане 5 обеспечивают периодическое поочередное переключение регенераторов 2 и 3 сверху к тракту 7 подачи влажных выбросов, к тракту 8 влажного воздуха, фиг. 1, и наоборот, фиг. 2. Соответственно, повороты заслонки 4 в нижнем двухходовом клапане 6 синхронно подключают регенераторы 2 и 3 снизу к выхлопу 9 выбросов (к дымовой трубе 9), фиг. 1, к тракту 10 подачи воздуха и наоборот, фиг. 2.
Регенераторы 2 и 3 заполнены ВС, в которой расположены КПВ. При этом оба регенератора объединены в блок 11 регенераторов, который выполнен в виде общих для обоих регенераторов чередующихся плоских прямоугольных КПВ и зажатых между ними слоев ВС, разделенных вертикальной перегородкой 12 пополам, соответственно относящихся к левому регенератору 2 и правому регенератору 3.
Конкретно КПВ за счет перегородок 13 предлагается выполнять многоходовыми 14 каналами КПВ, на фиг. 1 четыре хода, или U-образными 15 каналами КПВ, фиг. 2, подключаемыми противоточно через дополнительный двухходовой клапан 16. При этом выход 17 воздуха расположен вверху, на входе влажных выбросов, а каналы КПВ 14 и 15 разделены направляющими ребрами 18, что обеспечивает наилучшее по теплообмену, близкое к противоточному или противоточное равномерное течение потока и максимальный подогрев воздуха. Для дополнительного подогрева воздуха в тракте 7 подачи влажных выбросов установлен подогреватель 19 воздуха.
Слои ВС также могут иметь различную конструкцию и выполняться, как показано на вырывах фиг. 1 в виде:
- засыпки из капиллярно-пористых 20 частиц, например, керамзита;
- металлических сеток и листов 21 с гигроскопическим покрытием и вертикально и/или встречно наклонно расположенными гофрами;
- металлических сеток 22 с горизонтальными гофрами, в которых засыпаны капиллярно-пористые частицы.
РТИ может иметь вспомогательные системы и дополнительные элементы. Например, это дренажи 23 и отстойник 24 конденсата, установленные над регенераторами 2 и 3, форсунки 25 с насосом 26 и водопроводом 27 для подачи в них воды, вентилятор 28 с воздухозаборным устройством 29. РТИ 1 трактом 8 влажного воздуха и трактом 7 подачи влажных выбросов подключается к вентилируемому помещению 30 или к газовому котлу 31.
Работа РТИ осуществляется следующим образом. РТИ 1 может работать с уравновешенной тягой или под наддувом с нагнетанием воздуха по тракту 10 подачи воздуха из воздухозаборного устройства 29 вентилятором 28 с предварительным подогревом его в каналах КПВ, образованных перегородками 13 и направляющими ребрами 18 по двум вариантам. Во-первых, воздух может подогреваться в многоходовых каналах 14 КПВ при его постоянной подаче, фиг. 1, с проходом через выход 17, тракт 10 подачи воздуха и, возможно, подогреватель 19 воздуха с дополнительным подогревом в нем. Подогревать воздух предлагается также в U-образных каналах 15 КПВ, фиг. 2, с периодическим переключением направления подачи воздуха с помощью дополнительного двухходового клапана 16 синхронно с переключением верхнего и нижнего двухходовых клапанов 5 и 6, обеспечивая противоточное течение потоков в блоке 11 регенераторов. Далее воздух, подогретый теплом влажных выбросов, охлаждающихся с конденсацией пара в регенераторах: левом 2 или правом 3, ВС которых разделена вертикальной перегородкой 12, поступает на испарительное охлаждение и также в регенераторы, но уже в правый 3 или левый 2 в соответствии с положением заслонок 4 двухходовых клапанов 5 и 6.
После РТИ 1 по трактам 8 влажного воздуха влажный воздух поступает на горение в газовый котел 31 или в вентилируемое помещение 30 и оттуда возвращаются влажные выбросы по тракту 7 подачи влажных выбросов.
г
в
г
в
г
в
г
в
г
г
в
в
p
p
м
м
м
м
м
м
м
м
Рассматриваемые процессы теплопередачи сопряжены с теплотой фазовых переходов, массообменом и зависят не только от температур потоков, но и от их влагосодержания, которое выражается в граммах на килограмм сухих газовых выбросов d или сухого воздуха d. Состояние этих влажных потоков также характеризуется температурой точки росы t, t и температурами мокрого t, t термометра. Температуры t достигаются на влажной поверхности ВС, которая может быть составлена из капиллярно-пористых частиц 20, гофрированных металлических сеток и листов 21 или их комбинации 22, обеспечивая их нагрев или охлаждение до температуры t с передачей тепла. При этом в потоке влажных выбросов температура t больше, чем в увлажняемом воздухе t, причем t снижается из-за уменьшения d по мере конденсации пара по ходу потока в регенераторе вниз, а в потоке увлажняемого воздуха наоборот, по ходу потока в регенераторе противоточно вверх эти параметры d и t повышаются, обеспечивая наибольший температурный напор.
м
в
В этих процессах существенную роль играет поток подогреваемого воздуха, движущийся в КПВ между ВС слоями. При перекрестном течении, фиг. 1, он многократно переносит тепло из нагреваемого регенератора на испарение в охлаждаемый регенератор и охлаждает нагреваемый, усиливая как конденсацию, так и испарительное охлаждение. Периодически переключаемая противоточная схема подачи потока подогреваемого воздуха, фиг. 2, дает такой же эффект. Далее в обеих схемах воздух выходит через выход 17, максимально нагреваясь от наиболее горячих входящих влажных выбросов, и поэтому затем при входе в регенератор каждый килограмм этого воздуха, охлаждаясь до температуры t, испарит наибольшее количество влаги с максимальным эффектом испарительного охлаждения. В итоге КПВ, их расположение между ВС слоями и их варианты исполнения важны для работы РТИ.
После глубокого охлаждения с конденсацией пара и утилизацией тепла влажные выбросы сбрасываются через дымовую трубу 9, а избытки выделяющегося конденсата стекают через дренажи 23 в отстойник 24 для сбора конденсата. Этот конденсат используется для периодических промывок от грязи ВС путем его подачи через форсунки 25 по водопроводу 27 насосом 26.
В итоге применение предлагаемого изобретения обеспечивает заявляемую глубокую утилизацию тепла с конденсацией паров влаги из потока влажных выбросов за счет организации в регенераторах энергоемкого испарительного охлаждения влажных выбросов, например котлов, потоком воздуха, который идет на горение, причем без использования холодного теплоносителя.