Разделительные теплообменники систем теплоснабжения и ГВС, защищая ответственные элементы первого контура котельных от воздействия посторонних веществ, сами находятся в весьма сложных физико-химических, тепловых и гидродинамических условиях.

Перечень основных факторов, отрицательно влияющих на работу теплообменников выглядит устрашающе:
• накипеобразование,
• осаждение взвешенных частиц,
• механическая и гидродинамическая эрозия,
• электрокоррозия,
• термоудары,
• гидроудары,
• кавитация,
• кавитационная вибрация и др.

Создание надежных и эффективных теплообменников, способных работать в таких условиях – задача очевидно непростая.
В конце 90-х годов, с появлением на российском рынке новых зарубежных теплообменни¬ков, главным образом пластинчатых, чуть ли не во всех бедах, встречающихся при эксплуатации российской техники, был обвинен сам принцип кожухотрубных систем. Однако по прошествии ряда лет эксплуатации после начала массового внедрения пластинчатых теплообменников стало ясно, что они не панацея: при наличии ряда положительных свойств проявились крупные недостатки, в числе которых склонность к засорению взвешенными частицами, высокая зависимость теплогидравлических показателей от накипных отложений, пониженная надежность прокладочных элементов и др. В результате спад интереса к теплообменникам данного типа у большой части специалистов, формирование мнения о специфически присущих пластинчатым теплообменникам отрицательных свойствах.

В то же время, обращение к широкой практике показывает, что существует большое количество как трубчатых, так и пластинчатых теплообменных аппаратов, которые многие годы успешно эксплуатируются и полностью удовлетворяют своих владельцев.

Более подробный анализ показывает, что работоспособность теплообменного аппарата зависит не столько от его типа, сколько от того насколько его параметры и техпроцесс эксплуатации соответствует условиям, в которых он функционирует.

Иными словами, каждое новое техническое решение, привнесенное в конструкцию теплообменника, придает ему новые свойства. Эти свойства следует оценивать не как плохие или хорошие, а как соответствующие или не соответствующие условиям и требованиям эксплуатации.

Таким образом, в примере с пластинчатыми теплообменниками, если их конструктивные особенности обуславливают склонность к засорению и сильной зависимости характеристик от накипных отложений, необходимо позаботится, чтобы эти теплообменники устанавливались в системах, где обеспечена циркуляция осветленной воды с низким содержанием солей жесткости. В этом случае владельцы смогут в полной мере воспользоваться преимуществами аппаратов данного типа: компактностью и удобством монтажа.

С учетом данных общих соображений, можно считать, что подбирая или создавая теплообменник для работы в конкретной системе с целью обеспечения его максимально стабильной и эффективной работы необходимо учитывать, возможно, большее число параметров, определяющих его работоспособность. При этом целесообразно моделировать не только тепловые и гидравлические явления, но и процессы, влияющие на изменение теплогидравлических, прочностных и иных важных показателей в процессе эксплуатации.

Задача эта неизмеримо сложней стандартных теплогидравлических и прочностных проектных и поверочных расчетов. Однако предпосылки для ее постановки и решения на наш взгляд имеются. Это относится и к объему накопленного опытного материала и к развитию методов математического моделирования.

Указанная задача упрощается тем, что среди вышеупомянутых факторов, отрицательно влияющих на работу теплообменных аппаратов, определяющими были и остаются накипеобразующие, взвешенные и коррозионноактивные элементы в воде.

Попытка осуществления подобного подхода выполнена при разработке подогревателей, серии ПМКИ, специально предназначенных для эксплуатации в тяжелых условиях с пониженным качеством теплоносителей.

В числе основных требований к подогревателям серии ПМКИ:
• малая масса и габариты,
• высокая тепловая эффективность,
• пониженная загрязняемость и стабильность теплопередачи,
• коррозионная стойкость и высокий ресурс,
• удобство монтажа и обслуживания.

Важнейшим решением на ранних этапах проектирования является выбор типа теплообменной поверхности. В качестве нее для подогревателей ПМКИ выбрана трубная система. При этом принято во внимание, что:
• трубные поверхности технологичны, ремонтопригодны, дешевы;
• в трубных системах легко обеспечиваются условия прочности с запасами, соответст¬вующими требованиям Госгортехнадзора;
• при использовании современных отечественных достижений теплогидравлики, тепло¬обменным трубам может придаваться нужный профиль поверхности для увеличе¬ния теплоотдачи;
• трубные системы допускают как химическую, так и все виды механической очи¬стки, в т. ч. кавитационно-ударную, механическими щетками и т. п.

При определении геометрических характеристик теплообменных труб учтены следующие соображения.

Известно, что массогабаритные характеристики теплообменных аппаратов в основном оп¬ределяются двумя факторами: плотностью компоновки теплообменной поверхности и степенью интенсификации теплообмена.

Чем меньше гидравлический диаметр каналов теплообменника, тем выше плотность ком¬поновки. Ограничивающим фактором при этом является увеличение опасности засорения каналов твердыми частицами гидроокиси железа и других включений в воде. Кроме того, чем меньше поперечный размер каналов, тем сильнее проявляется отрицательное влияние отложений на их гидравлические характеристики. Для иллюстрации на рис. 1 приведены зависимости относительного сопротивления круглых каналов различного диаметра в функции толщины отложений &з. Видно, что при уменьшении гидравлического размера канала ниже 8 мм отрицательное влияние загрязнений резко увеличивается.

Опыт эксплуатации теплообменников на загрязненной воде, в частности судовых охладителей, подтверждает целесообразность применения в этих условиях теплообменных каналов с гидравлическим размером не ниже 8 мм.

С целью интенсификации теплообмена целесообразно применение методов профилировки каналов. При этом должны быть учтены технологичность, сохранение прочности, стабильность эффекта интенсификации при появлении загрязняющих отложений. Нами использован отлично зарекомендовавший себя метод интенсификации с помощью кольцевых турбулизаторов. Крайне важным явилось то, что при высокой степени интенсификации данный метод обеспечивает замечательные гидравлические показатели. Для примера воспользуемся данными [1] рис. 2, где приведены графические зависимости коэффициентов теплоотдачи различных теплообменных поверхностей в функции удельной энергии гидравлических потерь , где V1 - объемный расход теплоносителя через канал, AP1 - гидравлическое сопротивление канала, Fk - рабочая поверхность канала.

Рис. 1. Относительное сопротивление трубок различного гидравлического диаметра при загрязнении

Рис. 2. 1 – тип П-2 при dэ=0,0059 м; 2 – тип П-5; 3 – тип «Альборн-149»;
4 – тип «Парафлоу НХ» при dэ=0,004 м; 5 – тип в елку «1-05», Sн=14 мм;
6 – тип в елку «П-05М», Sн=18 мм; 7 – тип «Розенблад 3S»; 8 – тип
«Суперплейт-Е»; 9 – труба диаметром 25 мм; 10 – труба диаметром
38 мм; 11 – спиральный теплообменник при dэ=0,02 м; 12 – пластина
канальчатая «Астра»; 13 – труба диаметром 121 мм, профилированная
кольцевой накаткой dотн= 0,948, tотн=0,5; 14 – труба диаметром 100,8 мм,
профилированная кольцевой накаткой dотн= 0,95, tотн=0,595.

Видно, что по комплексному показателю теплогидравлической эффективности трубы профилированные кольцевыми турбулизаторами при гидравлическом диаметре 8…10 мм опережают все рассмотренные на рис. 2 поверхности, в том числе профилированные пластинчатые.

Интересной особенностью труб, профилированных кольцевыми турбулизаторами, по нашим наблюдениям, является то, что слой накипных отложений покрывает профилированную поверхность достаточно равномерно, что способствует сохранению действия турбулизаторов. Так при слое накипи толщиной 2,0 мм в трубке пароводяного подогревателя на поверхности накипных отложений прослеживались кольцевые буртики высота которых составляла 50…60% исходной высоты. Поэтому эффект интенсификации теплоотдачи сохраняется.

Таким образом, эффективные поверхности теплообмена компактных подогревателей могут быть образованы профилированными трубами с гидравлическим диаметром не ниже 8…10 мм.

Практика показывает, что подогреватели с такими трубами могут устанавливать в систему без фильтров, поскольку твердые загрязнения размером более 8 мм в воде теплосетей встречаются крайне редко, чему способствует работа насосов, измельчающих крупные частицы.

При проектировании подогревателей для тяжелых условий эксплуатации необходимо учитывать, что практически важным показателем их штатной работы является не начальная тепловая эффективность, а величина этого параметра в течение расчетного периода эксплуатации, которым целесообразно считать отопительный сезон.
Опыт эксплуатации интенсифицированных трубных поверхностей показывает, что при неблагоприятных показателях качества сетевой воды толщина отложений по грязной стороне в конце сезона может достигать 0,2 мм. В этих условиях при любых практически достижимых больших параметрах теплоотдачи может быть достигнуто значение коэффициента теплопередачи не более 4500 Вт/(м2·К). Ориентирование на данное максимальное значение коэффициента теплопередачи при проектировании или выборе подогревателей является предпосылкой стабильности тепловых показателей подогревателей в течение эксплуатационного периода.

Заметим, что пренебрежение этой рекомендацией часто влечет серьезные отрицательные последствия. Так в январе 2001 г. в г. Бор Нижегородской области была на несколько суток выведена из действия 10 МВт котельная с целью аварийной очистки двух пластинчатых подогревателей потерявших тепловую эффективность при весьма незначительном загрязнении (з=0,15…0,2 мм).

Прогнозирование скорости образования отложений на теплообменных поверхностях - наиболее трудная и наименее изученная проблема. Сложность ее связана с наличием большого количества взаимовлияющих факторов, определяющих процессы кристаллизации, осаждения, теплообмена и др. Даже при оценке одних и тех же факторов специалисты часто делают прямо противоположные выводы.

Тем не менее, ряд теоретических и экспериментальных работ [2, 3, 4] позволяют уже сейчас получать достаточно обоснованные и точные оценки процессов накипеобразования. Кроме того, в работе могут быть успешно использованы следующие, проверенные практикой положения:
• темп роста загрязняющих отложений уменьшается с увеличением скорости и турбулентности потока;
• количество накипи и других отложений увеличивается при наличии шероховатости или микронеровностей инициирующих микровихри не выходящие за пределы пограничного слоя;
• количество накипи и других отложений уменьшается при наличии макронеровностей или специальных турбулизаторов, инициирующих вихри, разрушающие пограничный слой;
• темп роста накипи уменьшается с уменьшением температурного напора и плотности теплового потока;
• загрязняющие отложения менее интенсивно накапливаются на поверхностях, имеющих высокую коррозионную стойкость;
• количество загрязняющих отложений уменьшается с уменьшением объема и количества застойных зон, связанных с разворотом потока, загромождением проточной части теплообменника и т. п.;
• на теплообменной поверхности должны отсутствовать условия, способствующие застреванию или осаждению взвешенных частиц-зародышей накипеобразования.

Конструктивная реализация отмеченных положений выполнена следующим образом. Высокие скорости течения (1,5...2,0 м/с) греющего и нагреваемого теплоносителей достигаются путем организации продольного реверсивного тока в трубном и межтрубном пространствах. Примерное равенство проходных сечений обоих пространств обеспечивается выбором предельно малого шага труб в трубных решетках (S=1,2..1,21). Продольный ток в межтрубном пространстве позволяет не только в 3 раза увеличить скорость течения, но и уменьшить объем застойных зон с 25...30 до 5%.

Нанесение на поверхность теплообменных труб турбулизирующих кольцевых канавок и выступов обеспечивает интенсивную пристенную турбулизацию, увеличивающую теплоотдачу в 1,5...2,5 раза и способствующую периодическому срыву загрязнений.

С целью уменьшения обводных течений в теплообменниках ПМКИ малой мощности (от 60 до 300 кВт) их корпуса в поперечном сечении имеют форму многогранников (см. рис. 3), при этом трубные пучки вписываются в них с минимальными зазорами. В теплообменниках повышенной мощности (до 6000 кВт) с указанной целью устанавливаются поперечные сегментные вытеснители между трубными пучками и корпусом.

Важным фактором, обеспечивающим достижение высокой тепловой эффективности является формирование системы тока в теплообменнике. Температурные режимы в контурах современных систем требуют достижения высоких значений тепловой эффективности: 0,66…0,8 для систем теплоснабжения и 0,7…0,9 для ГВС.

Получение значений тепловой эффективности 0,8…0,9 при экономически оправданных площадях теплообмена возможно только при использовании противоточных систем. Всвязи с этим в подогревателях ПМКИ рассчитанных на высокую тепловую эффективность используется исключительно противоток.

Анализ многочисленных эксплуатационных и экспериментальных данных показал, что одним из наиболее перспективных материалов для формирования теплообменной поверхности подогревателей является легированная сталь аустенитного класса 08...12Х18Н10Т. Она практически не корродирует в сетевой и котельной воде, в том числе при организации щелочных режимов водоподготовки, обладает низкой адгезией к взвешенным частицам и кристаллам накипи.

Сталь 12Х18Н10Т используется для изготовления теплообменных труб, трубных решеток, перегородок и корпуса подогревателей ПМКИ. Все элементы подогревателей крепятся методом сварки с присадочной проволокой в среде аргона. Это обеспечивает отсутствие коррозионных пар, высокую прочность и герметичность соединений. Рассматриваемые аппараты спроектированы с учетом требований по прочности ГОСТ 14249-89 «Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность», ГОСТ 25859-83 «Сосуды и аппараты стальные. Нормы и методы расчета на прочность при малоцикловых нагрузках», РД 26-14-88 «Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Элементы теплообменных аппаратов». То есть подогреватели ПМКИ, не подпадая под характеристику «сосуды, работающие под давлением», тем не менее, изготавливаются с учетом требований Госгортехнадзора к сосудам повышенной опасности. Запас прочности элементов корпуса по отношению к номинальным допускаемым напряжениям по ГОСТ 14249-89 – 350...400%. Запас прочности трубок – 1000...1500%.

В связи с этим подогреватели ПМКИ мало чувствительны к резким скачкам температуры и давления. Трубные пучки выдерживает гидроудары, вибрацию и т.п. В целом это обеспечивает высокую надежность подогревателей, в том числе, в условиях возможных нарушений режимов эксплуатации.

Ряд подогревателей ПМКИ включает 44 основных типоразмера на тепловые потоки от 60 до 6000 кВт. Мощности до 3500 кВт обеспечиваются работой однокорпусного подогревателя, а мощности до 6000 кВт работой блока из двух аппаратов (см. рис. 5). Все теплообменники ПМКИ имеют общие конструктивные черты:
в корпусе имеется одна, две и более продольных перегородок, герметично вваренных в корпус, что обеспечивает прочность корпуса и повышенные скорости теплоносителя в межтрубном пространстве;
подводящий и отводящий патрубки располагаются на коллекторах, обеспечивающих малое сопротивление входа-выхода, легкую очистку от крупных твердых загрязнений, минимум застойных зон;
на корпусе имеется кольцевой температурный компенсатор;
отводящие и подводящие патрубки располагаются в районе головки теплообменника, что обеспечивает удобство обвязки подогревателей и уменьшение температурных деформаций;
длина труб во всех подогревателях составляет 1100...2000 мм, что гарантирует примерное равенство сопротивления всех подогревателей.

Рис.3. Подогреватель ПМКИ исполнения 22
номинальной мощностью 200 кВт.

Рис.4. Подогреватель ПМКИ исполнения 33
номинальной мощностью 2250 кВт.

Рис.5. Подогреватель ПМКИ исполнения 21x2
номинальной мощностью 4500 кВт.

Подводящие и отводящие патрубки могут располагаться как в горизонтальной плоскости, так и под углом до 45x к ней, что упрощает обвязку подогревателей.

Профиль турбулизаторов на теплообменных трубах может быть подобран так, чтобы обеспечить заданные характеристики теплообменных аппаратов, отличные от номинальных значений. В связи с этим имеется возможность обеспечения на практике непрерывности мощностного ряда подогревателей ПМКИ.

При номинальных значениях расходов подогреватели ПМКИ имеют умеренное гидравлическое сопротивление 25…60 кПа, что позволяет, при необходимости достижения высоких значений тепловой эффективности (например, для случаев с низкой температурой греющего теплоносителя), соединять подогреватели последовательно.

На рис. 6 показана последовательная компоновка подогревателей исполнения 22, а на рис. 7 – подогревателей исполнение 33.

Рис. 6. Подогреватели ПМКИ исполнения 22,
соединенные последовательно.

Рис. 7. Подогреватели ПМКИ исполнения 33,
соединенные последовательно.

Подогреватели ПМКИ легко объединяются в компактные блоки из нескольких подогревателей, что требуется для увеличения мощности или повышения надежности систем теплообменников.

На рис. 8 показан блок из четырех подогревателей ПМКИ-28,4/22 включенных последовательно-параллельно на суммарный тепловой поток 5,5…6 МВт.

На рис. 9 изображен блок из четырех подогревателей ПМКИ-40,6/33 включенных аналогично на суммарный тепловой поток 7…8 МВт.

На рис. 10 показан приготовленный к отправке заказчику блок ГВС на тепловой поток – 2,5 МВт. На рис. 11 – проект блока на тепловой поток 3,5 МВт.

При соединении теплообменников указанным образом возможно их попарное отключение для проведения технического обслуживания. Очистка подогревателей может быть произведена любым известным способом: 1,5% раствором азотной кислоты, кавитационно-ударным методом, стальными проволочными ежиками, и т. п. При незначительном загрязнении подогревателей для проведения очистки внутритрубного пространства снимается лишь задняя крышка. В случае сильного загрязнения трубную поверхность можно чистить с двух сторон при снятых передней и задней крышках.

Межтрубное пространство, омываемое химподготовленной водой внутреннего котельного контура, загрязняется накипными и иными отложениями очень мало.
Однако в практике, после пуска вновь построенных котельных, были случаи попадания в зону межтрубного пространства твердых включений типа окалины, кусочков сварочного металла, гидроокиси железа и т.п. Твердые посторонние частички задерживаются во входном коллекторе на корпусе, откуда, благодаря достаточному размеру коллектора они легко удаляются руками после вскрытия фланца подводящего патрубка.

Рис. 8. Блок подогревателей ПМКИ-28,4/22,
включенных последовательно-паралелльно.

Рис. 9. Блок подогревателей ПМКИ-40,6/33,
включенных последовательно-паралелльно.

Рис. 10. Блок подогревателей ПМКИ-9,1/22 на тепловой поток – 2,5 МВт.

Рис. 11. Блок подогревателей ПМКИ-14,8/44 на тепловой поток – 3,5 МВт.
Габаритные размеры — 1600 1000 1400 мм.

Эксплуатация теплообменников серии ПМКИ в течение 8 лет подтвердила правильность использованных конструктивных решений. Так загрязняемость подогревателей ПМКИ оказалась в 2...3 раза ниже, чем у стандартных трубчатых аппаратов ПВ (ГОСТ 27590-88) при лучших в 3 раза массогабаритных характеристиках. Сравнительная эксплуатация в одинаковых условиях подогревателей ПМКИ-12,1/22 и пластинчатых теплообменников «Alfa Laval» выявила трехкратное преимущество аппаратов ПМКИ по показателю ресурса работы без очистки. При работе в городских теплосетях пропускная способность подогревателей ПМКИ сохраняется в течение всего отопительного сезона в допустимых пределах.

На рис. 12, 13 показаны котельные, где проведена замена пластинчатых теплообменников на подогреватели ПМКИ.

В заключение необходимо сказать, что на предприятии «Гидротермаль» непрерывно ведется работа по совершенствованию выпускаемой продукции и разработке новых, более эффективных ее образцов. Так в последнее время проведена модернизация выпускавшихся ранее подогревателей марки ВВПИ. За счет оптимизации протекания теплоносителей была увеличена мощность аппаратов и их тепловая эффективность. Кроме того, разработан новый типоразмерный ряд подогревателей ПМКИ (исполнение «44»). Аппараты этого ряда характеризуются высокой тепловой эффективностью и компактностью. Значение коэффициента теплопередачи в них достигает 7000 Вт/(м2К). По комплексному показателю совершенства, учитывающему теплогидравлические, прочностные, массогабаритные и экономические характеристики, подогреватели ПМКИ–44 превосходят все выпускаемые в настоящее время теплообменники аналогичного назначения, включая самые современные образцы импортной техники.

Рис. 12. Два подогревателя ПМКИ-26,2/44 в муниципальной котельной
пос. Б. Мурашкино Нижегородской обл. Теплопроизводительность 3 МВт.

Рис. 13. Подогреватель ПМКИ 5,1/44.

В целом можно констатировать, что отмеченные конструктивные особенности подогревателей ПМКИ, разработанных и выпускаемых ООО «Гидротермаль» обеспечивают достижение поставленных целей – увеличение стабильности теплового потока в период эксплуатации, улучшение массогабаритных показателей, увеличение надежности.

Источник: http://www.gidrotermal.ru/