Regeneračné výmenníky tepla: typy, princíp činnosti, rozsah

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-17 10:39

Princíp výmeny tepla pomocou ohrievaných cirkulačných médií sa považuje za optimálny pre udržanie prevádzky vykurovacích systémov. Správne organizovaný systém kanálov prenosu tepelnej energie vyžaduje minimálne náklady na údržbu, no zároveň poskytuje dostatočný výkon. Optimalizovanou konštrukčnou možnosťou pre takýto systém je regeneračný výmenník tepla, ktorý poskytuje alternatívne procesy vykurovania a chladenia.

Čo je to výmenník tepla?

Konštrukcie moderných výmenníkov tepla zabezpečujú procesy prenosu tepelnej energie s minimálnymi stratami medzi prevádzkovými médiami. K výmene najčastejšie dochádza medzi horúcou kvapalinou a studenými kovovými povrchmi, ktorých steny naopakotáčať, odovzdávať teplo inému cirkulačnému médiu. Neustály pohyb poskytuje efekt stabilného prenosu hmoty, ktorý sa používa tak v priemyselných podnikoch, ako aj v domácich službách súkromných domov. Okrem výmeny energie medzi studenými a horúcimi médiami môžu výmenníky tepla zabezpečovať procesy vyparovania, sušenia, topenia a kondenzácie s chladením. Namiesto tepla ako hlavného pracovného média možno použiť aj studené prúdy, čo je bežné najmä vo výrobných procesoch, kde je potrebné periodické chladenie zariadení. Úlohy vykurovania sú však pravdepodobnejšie spojené s návrhmi výmenníkov tepla. Napríklad vysokoteplotné zariadenia tohto typu môžu zvýšiť tepelný režim až na 400-700 °C.

Funkcie regeneračného výmenníka tepla

Návrhy výmenníkov tepla na základnej úrovni sa delia na povrchové a zmiešavacie. V tomto prípade hovoríme o zástupcovi skupiny plošných zariadení, ktoré sa vyznačujú tým, že do pracovného procesu sú zapojené dve aktívne médiá (ohrievané a studené prúdenie) a kovová stena, ktorá prenáša energiu medzi obehovými omši. V regeneratívnom výmenníku tepla sa oddeľovacia kovová doska preplachuje v pravidelných intervaloch, ale nie nepretržite. Pre porovnanie môžeme uviesť príklad iného plošného výmenníka tepla – rekuperačného. V takýchto zariadeniach pracovný proces zahŕňa neustále umývanie podobnej steny studenou alebo vyhrievanoutečie.

Princíp činnosti zariadenia

Hlavnú funkciu výmenníka tepla vykonáva v momente kontaktu aktívneho pracovného média s kovovou doskou, ktorá oddeľuje prúdy. To znamená, že kľúčovým princípom fungovania je akumulácia energie z kvapaliny, ktorá má momentálne inú teplotu ako stena výmenníka tepla. Zhruba povedané, v prvom cykle prevádzky horúce prúdy prenášajú a tým zadržiavajú teplo v kovovom prvku a v druhom a poslednom cykle toto teplo vníma už studené prostredie. Akumulačný princíp činnosti výmenníka tepla s jasným oddelením na médiá podľa teploty má značné výhody. Po prvé, absencia potreby miešania pracovných médií zlepšuje kvalitu zloženia prúdov. Ide o dôležitý faktor v technickom a prevádzkovom obsahu komunikácie. Po druhé, zvyšuje sa aj účinnosť prenosu tepla ako takého. Na druhej strane tieto výhody neoddeliteľne súvisia s nevýhodami konštrukcie. Zásadné oddelenie tokov zväčšuje rozmery zariadenia, čo si niekedy vynúti predĺženie segmentov potrubia v starých komunikačných vykurovacích sieťach. Okrem toho zabezpečenie cirkulačnej funkcie vyžaduje zvýšenie energetického potenciálu, čo sa prejavuje potrebou pripojenia veľkokapacitných čerpacích staníc.

Použité chladiace kvapaliny

Modely rekuperačných výmenníkov tepla sú všestranné z hľadiska použiteľnosti pre rôzne typypracovné prostredie. Rovnako ako u iných výmenníkov tepla je najbežnejším aktívnym médiom kvapalina – voda alebo nemrznúca zmes. Chladivá používané v technologických operáciách vo výrobe sú rôznorodejšie. Na vykurovanie a chladenie sa používa vodná para, plynné zmesi, dym a splodiny horenia. To však vôbec neznamená, že ten istý regeneračný výmenník tepla môže podporovať prevádzku s rôznymi nosičmi tepla. Konštrukcia v zásade takúto teoretickú možnosť umožňuje, ale každý prípad musí byť na začiatku navrhnutý pre prevádzku v kontakte s určitým agresívnym prostredím, keďže vysoké teploty aj kvapalina ako taká negatívne ovplyvňujú kovovú štruktúru.

Typy regeneračných výmenníkov tepla

Existujú dva typy takýchto jednotiek. Ide o zariadenia s nepretržitou a periodickou činnosťou. Kontinuálne výmenníky tepla sú jednotky s granulovanou cirkulačnou náplňou. Riadiaci systém pre proces pohybu pracovného média umožňuje úplné zastavenie pohybu, pri ktorom bude chladivo udržiavať kontakt s umývaným povrchom. Mimochodom, funkciu prirodzeného automatického regulátora môžu vykonávať špeciálne tepelné akumulačné dýzy. Pri konštrukcii regeneračného výmenníka tepla s pevnými dýzami sú možnosti riadenia prietokov obmedzené a úplne závislé od nastavení operátora. Pokiaľ ide o modely s periodickou činnosťou, súmajú komplikovanú distribučnú štruktúru komôr s nosičmi tepla. Takéto zariadenie zvyšuje účinnosť prístroja, ale vyžaduje aj zodpovednejšiu funkciu napájania z obehového čerpadla.

Výmenníky tepla s tavným jadrom

Jedna z momentálne najpokročilejších verzií teplovýmenného regenerátora, ktorého výplň tvoria doštičky s priemernou hrúbkou 20 mm. V tomto systéme je taviace jadro - zariadenie s tekutým kovom vo vnútri, ktoré uvoľňuje tepelnú energiu počas obdobia topenia alebo kryštalizácie. Latentné teplo v regeneračných výmenníkoch tepla s pohyblivou tryskou desaťnásobne zvyšuje tepelnú kapacitu okruhu v porovnaní s konvenčnými jednotkami, ktoré vytvárajú priaznivé podmienky pre procesy akumulácie tepla. Výkon tohto typu vysokoteplotného výmenníka tepla bude určený špecifickým povrchom obalu a jeho tepelnou akumulačnou kapacitou.

Rozsah vybavenia

Výmenníky tepla sú široko používané v rôznych systémoch vykurovacích zariadení s kotlami, ohrievačmi vody, zásobníkmi, bojlermi a pod. Týka sa to najmä súkromného segmentu, ale najvyššie technické a prevádzkové ukazovatele tohto zariadenia sú zverejnené v priemyselnom sektore. Napríklad cieľové aplikácie pre regeneračný vsádzkový výmenník tepla tvoria oceliarne a sklárne, kde je potrebné pracovať sveľmi vysoké teploty. Napríklad pripojené ohrievače vzduchu v takýchto prevádzkových podmienkach sú vypočítané pre režimy do 1300 °C. A opäť môžeme hovoriť nielen o kvapalných médiách, ale aj o zmesiach plynov, čo zvyšuje bezpečnostné požiadavky na prevádzku takýchto blokov.

Záver

Regeneratívna modifikácia výmenníka tepla bola vyvinutá s cieľom optimalizovať množstvo tepelných procesov. Výsledkom je, že na tých istých priemyselných zariadeniach je dnes možné vykonávať technologické procesy s minimálnou spotrebou paliva pri zachovaní vysokej teploty spaľovania. To však vôbec neznamená, že princíp činnosti výmenníka tepla s akumulačnou funkciou je úplne zbavený nevýhod. Medzi slabé stránky tohto zariadenia patria obmedzené možnosti automatizácie procesu tepelného inžinierstva, veľká veľkosť a hmotnosť zariadenia, ako aj ťažkosti s pripojením konštrukcie k hlavnej výrobnej komunikácii. Ďalšia vec je, že konštrukcia regenerátora sa neustále zdokonaľuje, čoho dôkazom je vznik pokročilejších modelov výmenníkov tepla s tavným jadrom.