Воздухоподогреватель

Воздухоподогреватель — это теплообменный аппарат, предназначенный для нагрева воздуха, подаваемого в топку котла, печи или другого теплового агрегата, за счёт тепла отходящих дымовых газов или другого теплоносителя. Основная функция воздухоподогревателя — повышение эффективности сжигания топлива и увеличение коэффициента полезного действия (КПД) энергетической установки. Нагрев воздуха позволяет улучшить условия воспламенения топлива, ускорить процесс горения и снизить потери тепла с уходящими газами.

История

Первые устройства для подогрева воздуха в металлургических и паровых котлах появились в XIX веке. Одним из пионеров в этой области был немецкий инженер Фридрих Сименс, который в 1856 году разработал регенеративный подогреватель для воздушного дутья в доменных печах. В начале XX века, с развитием паровой энергетики, воздухоподогреватели стали обязательным элементом крупных котельных установок. В 1920-х годах шведский инженер Фредрик Льюнгстрём создал первый регенеративный вращающийся воздухоподогреватель (типа РВП), который до сих пор широко применяется в тепловых электростанциях. В СССР массовое внедрение воздухоподогревателей началось в 1930-е годы в связи с индустриализацией и строительством крупных ТЭЦ.

Классификация

Воздухоподогреватели классифицируются по нескольким признакам: принципу действия, конструкции, типу теплоносителя и назначению.

По принципу действия

• Рекуперативные — тепло передаётся через разделительную стенку (трубу, пластину) от горячего газа к холодному воздуху непрерывно. Потоки движутся в разных каналах, не смешиваясь.
• Регенеративные — тепло аккумулируется в твёрдой насадке (металлической или керамической), которая попеременно омывается горячими дымовыми газами (нагрев) и холодным воздухом (отдача тепла). Процесс циклический.

По конструкции

• Трубчатые — состоят из пучка труб, внутри которых проходят дымовые газы, а снаружи — воздух (или наоборот). Наиболее распространённый тип в малой и средней энергетике.
• Пластинчатые — собраны из параллельных пластин, образующих чередующиеся каналы для газа и воздуха. Компактны, но менее надёжны из-за коррозии.
• Вращающиеся (регенеративные) — имеют ротор с насадкой, который медленно вращается, проходя через секции горячего газа и холодного воздуха. Обеспечивают высокую эффективность при больших объёмах газов.
• Калориферные — используют в качестве теплоносителя пар или горячую воду. Часто применяются в системах вентиляции и отопления, а не в котлах.

По типу теплоносителя

• Газовоздушные — нагрев воздуха осуществляется за счёт тепла дымовых газов.
• Паровоздушные — теплоносителем является водяной пар.
• Водяные — используется горячая вода.

Устройство и принцип работы

Трубчатый воздухоподогреватель

Трубчатый воздухоподогреватель (ТВП) представляет собой пакет труб, завальцованных в трубные доски. Дымовые газы движутся внутри труб, а воздух омывает их снаружи, проходя через межтрубное пространство. Для увеличения теплоотдачи трубы могут быть оребрёнными. Такая конструкция проста, надёжна и позволяет работать при высоких температурах (до 400–500 °C). Недостаток — склонность к заносу сажи и коррозии при низких температурах стенок.

Вращающийся регенеративный воздухоподогреватель (РВП)

РВП состоит из цилиндрического ротора, заполненного гофрированными металлическими листами (насадкой). Ротор медленно вращается (1–3 об/мин) вокруг вертикальной или горизонтальной оси. Газовый и воздушный тракты разделены неподвижными перегородками. Когда часть ротора проходит через газовый поток, насадка нагревается. Затем, перемещаясь в воздушный поток, она отдаёт тепло воздуху. Преимущества: высокая компактность, малый вес, низкое аэродинамическое сопротивление. Недостатки: сложность уплотнений, смешивание потоков (перетоки), износ подшипников.

Применение

Воздухоподогреватели используются в различных отраслях промышленности и энергетики:

• Тепловые электростанции (ТЭС) — установлены в котлах-утилизаторах и паровых котлах для предварительного нагрева воздуха, подаваемого в горелки. Это повышает КПД станции на 5–10 %.
• Промышленные котельные — нагрев воздуха для сжигания угля, мазута, газа в водогрейных и паровых котлах.
• Металлургия — в доменных печах (воздухонагреватели — кауперы) для нагрева дутья до 1000–1200 °C.
• Цементная промышленность — во вращающихся печах для обжига клинкера.
• Системы вентиляции и кондиционирования — рекуператоры для утилизации тепла вытяжного воздуха (паровоздушные и водяные калориферы).
• Авиация и ракетная техника — подогрев воздуха в кабинах и агрегатах.

Характеристики и эффективность

Основные технические характеристики воздухоподогревателя:

• Поверхность нагрева (площадь теплообмена) — от десятков до десятков тысяч квадратных метров.
• Температура нагрева воздуха — от 50 до 400 °C (в металлургии — до 1200 °C).
• Температура уходящих газов — снижается до 120–160 °C (для предотвращения коррозии).
• Коэффициент теплопередачи — зависит от конструкции и скорости потоков (обычно 20–60 Вт/(м²·К)).
• Аэродинамическое сопротивление — давление, которое необходимо преодолеть вентилятору или дымососу.

Эффективность воздухоподогревателя оценивается по степени рекуперации тепла. Чем ниже температура уходящих газов, тем меньше потери тепла. Однако снижение температуры ниже точки росы (около 60–70 °C для сернистых топлив) приводит к конденсации кислот и коррозии металла.

Проблемы и эксплуатация

Основные проблемы при эксплуатации воздухоподогревателей:

• Низкотемпературная коррозия — возникает при конденсации водяных паров и серной кислоты на холодных поверхностях. Для борьбы применяют подогрев воздуха перед входом в подогреватель (рециркуляция) или использование коррозионно-стойких материалов (легированная сталь, эмали, керамика).
• Занос сажей и золой — твёрдые частицы оседают на поверхностях, снижая теплопередачу. Требует регулярной очистки (обдувка паром, дробеочистка, вибрация).
• Перетоки газов (в РВП) — смешивание газового и воздушного потоков через зазоры уплотнений, что снижает КПД и увеличивает выбросы.
• Пожары — в РВП возможно возгорание отложений сажи при высокой температуре. Системы пожаротушения (паровые, водяные) обязательны.

Интересные факты

• В современных энергоблоках ТЭС мощностью 300–800 МВт устанавливаются вращающиеся воздухоподогреватели диаметром до 12–15 метров и массой до 300 тонн.
• В доменных печах воздух нагревается в кауперах до 1200 °C, что позволяет экономить до 30 % кокса.
• Первые рекуперативные воздухоподогреватели в России были установлены на электростанциях Санкт-Петербурга в начале XX века.
• В авиации используются компактные пластинчатые рекуператоры для подогрева воздуха в кабинах и противообледенительных системах.

Источники

1. Тепловые и атомные электрические станции: учебник / под ред. В. А. Григорьева, В. М. Зорина. — М.: Энергоатомиздат, 1989.
2. Рыжкин В. Я. Тепловые электрические станции. — М.: Энергия, 1976.
3. Справочник по теплообменным аппаратам / под ред. В. М. Бродянского. — М.: Машиностроение, 1986.
4. Котлы и котельные установки: учебное пособие / А. А. Александров, В. С. Белов. — М.: Издательство МЭИ, 2005.
5. Энергетическое машиностроение: энциклопедия / под ред. В. В. Клюева. — М.: Машиностроение, 1999.