Regenerační výměníky tepla: typy, princip činnosti, rozsah

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-17 10:22

Princip výměny tepla pomocí ohřátého cirkulačního média je považován za optimální pro zachování provozu otopných soustav. Správně organizovaný systém kanálů přenosu tepelné energie vyžaduje minimální náklady na údržbu, ale zároveň poskytuje dostatečný výkon. Optimalizovanou konstrukční možností pro takový systém je regenerativní výměník tepla, který poskytuje alternativní procesy vytápění a chlazení.

Co je to tepelný výměník?

Konstrukce moderních výměníků tepla zajišťují procesy pro přenos tepelné energie s minimálními ztrátami mezi provozními médii. K výměně nejčastěji dochází mezi horkou kapalinou a studenými kovovými povrchy, jejichž stěny jsou naopakotáčet, přenášet teplo do jiného cirkulujícího média. Neustálý pohyb poskytuje efekt stabilního přenosu hmoty, který se používá jak v průmyslových podnicích, tak v domácích službách soukromých domů. Kromě výměny energie mezi studeným a horkým médiem mohou tepelné výměníky zajišťovat procesy odpařování, sušení, tání a kondenzace s chlazením. Místo tepla jako hlavního pracovního média lze použít i studené proudy, což je běžné zejména ve výrobních procesech, kde je vyžadováno periodické chlazení zařízení. Úlohy vytápění jsou však pravděpodobněji spojeny s konstrukcemi výměníků tepla. Například vysokoteplotní zařízení tohoto typu mohou zvýšit tepelný režim až na 400-700 °C.

Funkce regeneračního výměníku tepla

Provedení výměníků tepla na základní úrovni se dělí na povrchové a směšovací. V tomto případě hovoříme o zástupci skupiny povrchových zařízení, která se vyznačují tím, že do pracovního procesu se zapojují dvě aktivní média (ohřívané a studené proudění) a kovová stěna, která přenáší energii mezi oběhovými masy. V regenerativním výměníku tepla se oddělovací kovová deska proplachuje v pravidelných intervalech, ale ne nepřetržitě. Pro srovnání můžeme uvést příklad jiného plošného výměníku tepla – rekuperačního. V takových zařízeních pracovní proces zahrnuje neustálé mytí podobné stěny studenou nebo vyhřívanouteče.

Princip činnosti zařízení

Hlavní funkce tepelného výměníku je vykonávána v okamžiku kontaktu aktivního pracovního média s kovovou deskou, která odděluje proudy. To znamená, že klíčovým principem činnosti je akumulace energie z kapaliny, která má aktuálně jinou teplotu než stěna výměníku tepla. Zhruba řečeno, v prvním cyklu provozu horké proudy předávají a tím zadržují teplo v kovovém prvku a ve druhém a posledním cyklu toto teplo vnímá již studené prostředí. Akumulační princip činnosti výměníku s jasnou separací na média podle teploty má značné výhody. Za prvé, absence potřeby míchání pracovních médií zlepšuje kvalitu složení proudů. To je důležitý faktor v technickém a provozním obsahu komunikace. Za druhé se také zvyšuje účinnost přenosu tepla jako takového. Na druhou stranu tyto výhody neodmyslitelně sousedí s nevýhodami konstrukce. Zásadní oddělení toků zvětšuje rozměry zařízení, někdy si vynucuje prodloužení potrubních segmentů ve starých komunikačních tepelných sítích. Zajištění cirkulační funkce navíc vyžaduje zvýšení energetického potenciálu, který se projevuje nutností připojení velkokapacitních čerpacích stanic.

Použitá chladicí kapalina

Modely rekuperačních výměníků tepla jsou všestranné z hlediska použitelnosti pro různé účelypracovní prostředí. Stejně jako u jiných výměníků tepla je nejběžnějším aktivním médiem kapalina – voda nebo nemrznoucí směs. Chladiva používaná v technologických operacích ve výrobě jsou rozmanitější. K vytápění a chlazení se používá vodní pára, směsi plynů, kouř a spaliny. To však vůbec neznamená, že stejný regenerační výměník může podporovat provoz s různými nosiči tepla. Konstrukce s takovou teoretickou možností v zásadě počítá, ale každá instance musí být zpočátku navržena pro provoz v kontaktu s určitým agresivním prostředím, protože jak vysoké teploty, tak kapalina jako taková negativně ovlivňují strukturu kovu.

Typy regeneračních výměníků tepla

Existují dva typy takových jednotek. Jedná se o zařízení s nepřetržitým a periodickým působením. Kontinuální výměníky tepla jsou jednotky s granulovanou cirkulační výplní. Řídicí systém procesu pohybu pracovního média umožňuje úplné zastavení pohybu, při kterém bude chladicí kapalina udržovat kontakt s mytým povrchem. Mimochodem, funkci přirozeného automatického regulátoru mohou plnit speciální termoakumulační trysky. Při konstrukci regenerativního výměníku tepla s pevnými tryskami jsou možnosti řízení průtoků omezené a zcela závislé na nastavení operátorem. Pokud jde o modely s periodickou akcí, jsoumají komplikovanou distribuční strukturu komor s nosiči tepla. Takové zařízení zvyšuje účinnost zařízení, ale také vyžaduje zodpovědnější funkci napájení z oběhového čerpadla.

Výměníky tepla s tavným jádrem

Jedna z nejpokročilejších verzí teplosměnného regenerátoru v současnosti, jehož výplň tvoří destičky o průměrné tloušťce 20 mm. V tomto systému je tavicí jádro - zařízení s tekutým kovem uvnitř, které uvolňuje tepelnou energii během období tání nebo krystalizace. Latentní teplo v regeneračních výměnících tepla s pohyblivou tryskou desetinásobně zvyšuje tepelnou kapacitu okruhu ve srovnání s běžnými jednotkami, které vytvářejí příznivé podmínky pro procesy akumulace tepla. Výkon tohoto typu vysokoteplotního výměníku tepla bude určen měrným povrchem obalu a jeho tepelnou akumulační kapacitou.

Rozsah vybavení

Výměníkové jednotky jsou široce používány v různých systémech topných zařízení s instalacemi kotlů, ohřívačů vody, zásobníků, bojlerů atd. Týká se to především soukromého segmentu, ale nejvyššími technickými a provozními ukazateli tohoto zařízení jsou zveřejněné v průmyslovém sektoru. Například cílové aplikace pro regenerativní vsádkový výměník tepla tvoří ocelárny a sklářské závody, kde je potřeba pracovat svelmi vysoké teploty. Například připojené ohřívače vzduchu v takových provozních podmínkách jsou počítány pro režimy do 1300 °C. A opět můžeme hovořit nejen o kapalných médiích, ale také o směsích plynů, což zvyšuje bezpečnostní požadavky na provoz takových jednotek.

Závěr

Regenerativní modifikace výměníku tepla byla vyvinuta za účelem optimalizace řady tepelných procesů. Díky tomu je dnes na stejných průmyslových zařízeních možné provádět technologické procesy s minimální spotřebou paliva při zachování vysoké teploty spalování. To však vůbec neznamená, že princip fungování tepelného výměníku s akumulační funkcí je zcela bez nevýhod. Mezi slabé stránky tohoto zařízení patří omezené možnosti automatizace procesu tepelného inženýrství, velké rozměry a hmotnost zařízení a také obtížnost připojení konstrukce k hlavním výrobním komunikacím. Další věcí je, že konstrukce regenerátoru se neustále zdokonaluje, o čemž svědčí vznik pokročilejších modelů výměníků tepla s tavným jádrem.