К.т.н. С.Е. Исаев, зам. директора ООО «Жилстрой-НН», к.т.н. О.Г. Сорокин, гл. инженер ЗАО «ГОТХ», д.т.н. П.И. Бажан, научный консультант АО «ЦЭЭВТ», А.Н. Назин, директор АО «ЦЭЭВТ», к.т.н. А.Ф. Чернов, зам. начальника отдела ОКБМ, г. Нижний Новгород

В настоящей статье рассматриваются достоинства и недостатки теплообменных аппаратов (ТА) для тепловых пунктов средней и малой мощности (подогреватели систем отопления и ГВС) и для систем отопления коттеджей, другими словами для «коммунального хозяйства». Представленный в статье материал позволит читателям оценить достоинства и недостатки аппаратов для коммунального хозяйства различного типа.

Введение

В коммунальном хозяйстве, в основном, применяются пластинчатые и кожухотрубные ТА. В рекламных материалах пластинчатых ТА подчеркивают следующие их преимущества по сравнению с кожухотрубными ТА:

  • более высокий коэффициент теплопередачи, что, естественно, должно предопределять меньшие массогабаритные характеристики аппаратов;
  • простоту эксплуатации и обслуживания;
  • более высокую надежность аппаратов.

Достижение значений коэффициентов теплопередачи в рассматриваемых пластинчатых аппаратах до 20000 Вт/(м2×К) вполне возможно. Это обусловлено особенностями их (аппаратов) конструкцией, в частности – малыми размерами каналов (1,5-3,0 мм), а также их особым профилированием (выштамповкой турбулизаторов), что в совокупности предопределяет высокую степень возмущения потоков обеих сред.

Однако, гидравлические потери в трактах пластинчатых ТА со столь большими коэффициентами теплопередачи существенно (в разы) выше, чем у аналогичных кожухотрубных аппаратов. Поэтому реальные значения коэффициентов теплопередачи k новых (незагрязненных) пластинчатых ТА составляют 5000-7000 Вт/(м2×К), а при низком качестве очистки водопроводной воды k через непродолжительное время снижается в 2-2,5 раза (на ряде объектов в городах и поселках РФ разборку и чистку аппаратов приходилось осуществлять через каждые 12-14 часов работы).

Для химической промывки (очистки) пластинчатых аппаратов нужны дорогие промывочные растворы и специальные промывочные устройства.

Разборка, ремонт и сборка разборных пластинчатых ТА является очень трудоемким и дорогостоящим процессом, все проблемы которого достаточно полно описаны в литературе [1, 2, 3, 4]. Авторам статьи известен отрицательный опыт эксплуатации примерно 30 разборных пластинчатых аппаратов (в основном в системах ГВС на территории России), когда после непродолжительного периода их использования (не более 1-2 лет), аппараты были демонтированы и заменены на кожухотрубные; имеются данные об отрицательном опыте применения разборных пластинчатых ТА и за рубежом [3].

Надежность разборных пластинчатых ТА в эксплуатации существенно ниже, чем у кожухотрубных ТА. В ряде крупных европейских городов, например, в г. Хельсинки со второй половины 1980-х гг. не разрешается установка разборных пластинчатых аппаратов (за исключением особых случаев) из-за их низкой надежности [3].

Авторами статьи выполнено сопоставление характеристик различных кожухотрубных и пластинчатых ТА и на основе проведенного анализа сформулированы требования к кожухотрубным ТА, которые могли бы составить конкуренцию пластинчатым аппаратам, если не принимать во внимание ценовой аспект – цена зарубежных пластинчатых ТА примерно в 1,5 раза выше цены отечественных кожухотрубных аппаратов.

Требования, предъявляемые к кожухотрубным ТА

  1. Конкурентоспособный кожухотрубный ТА для коммунального хозяйства должен быть оснащен трубами, профилированными таким образом, чтобы рост гидравлического сопротивления ненамного превышал рост теплоотдачи вследствие применения турбулизаторов потока. Это достигается накаткой на внешней поверхности трубы кольцевых или винтообразных канавок, вследствие образования которых на внутренней поверхности трубы образуются плавно очерченные выступы небольшой высоты, интенсифицирующие теплоотдачу в трубах. Накатка кольцевых турбулизаторов с точки зрения теплоотдачи более эффективна, чем накатка винтообразных канавок, т.к. коэффициент теплоотдачи в трубах может быть увеличен в 2,1-2,5 раза против 1,4-1,9 раз при росте гидравлического сопротивления трубного пучка в 5-7 раза против 4-6 раз по сравнению с гладкой трубой (если в случае применения гладких труб вклад трубного пучка в потери давления трубного тракта составляет около 70%, то в случае применения труб с кольцевой накаткой он увеличивается до 95%). Для сравнения укажем, что применение вставок, закручивающих поток в трубах, приводит к росту теплоотдачи на 30-40% при увеличении потерь давления в 3,5-5,5 раз.
  2. Немаловажным является вопрос о диаметре и материале теплообменных труб. Все ТА для нужд отопления и ГВС ориентированы на латунную трубку с наружным диаметром 16 мм и внутренним диаметром 14 мм. Латунь слабо корродирует в среде котловой и сетевой воды, а большой внутренний диаметр трубки увеличивает жесткость трубы и облегчает механическую очистку трубного пространства. Последнее обстоятельство в недалеком прошлом было важнее соображений конкурентоспособности и достижения высоких массогабаритных показателей ТА. Известно, что чем меньше диаметр труб и толщина их стенки, тем выше коэффициенты использования массы и объема ТА. Известны ТА с наружным диаметром труб 6,3 или 8 мм, но в этих аппаратах очистка трубного пространства механическим способом затруднена. По мнению авторов статьи, конструкция кожухотрубного ТА должна позволять выполнять очистку трубного пространства от загрязняющих отложений как химическим, так и механическим способами, трубы при этом должны быть достаточно жесткими во избежание их существенного прогиба после нескольких лет эксплуатации. Таким требованиям отвечают трубы с наружным диаметром 12 мм, толщиной стенки 1 мм и длиной не более 2 м. Накопленный опыт эксплуатации ТА с такой трубой позволил нам перейти впоследствии на толщину стенки 0,8 мм.Выполненный нашими специалистами мониторинг рынка производителей труб позволил выбрать в качестве заменителя латуни нержавеющую сталь аустенитного класса 08…12Х18Н10Т, которая за исключением особых случаев практически не корродирует в сетевой и котельной воде, в том числе при организации щелочных режимов водоподготовки, и обладает низкой адгезией к взвешенным частицам и кристаллам накипи. Стремление избавиться в конструкции ТА от коррозионных пар повлекло за собой выбор для трубных решеток, фланцев, перегородок, корпусов и патрубков ТА сталь 12Х18Н10Т и способ закрепления труб в трубных решетках – сваркой в среде аргона. Такой же способ, обеспечивающий высокую прочность и герметичность, целесообразно использовать и для других постоянных соединений ТА.
  3. Кожухотрубный ТА для коммунального хозяйства целесообразно выпускать не в секционном исполнении, а как обособленный ТА в своем корпусе и с необходимыми патрубками. При недостающей площади поверхности теплообмена для реализации больших тепловых потоков или при больших потерях давления отдельные ТА могут быть объединены в блоки с параллельным или последовательно-параллельным соединением их трактов. При этом блоки должны иметь минимум обвязки.

Конструктивные особенности и опыт эксплуатации кожухотрубных ТА типа ВВПИ

На основе использования изложенных выше принципов 15 лет назад нами был разработан такой ТА, а более 13 лет назад – ТА типа ВВПИ (в разработку конструкции и технологии изготовления аппарата большой вклад внес С.Н. Валиулин [4]). В результате анализа известных решений по конструкции межтрубного пространства, было принято решение отказаться от интенсифицирующих теплоотдачу схем течения теплоносителя: поперечного омывания труб с помощью сегментных перегородок; закрутки потока в межтрубном пространстве с помощью системы особым образом выполненных поперечных перегородок или с помощью перегородки в межтрубном пространстве в виде закрученной ленты и др. Поэтому рассматриваемые ТА имеют простую так называемую реверсивную схему тока теплоносителей, в межтрубном пространстве нет поперечных перегородок, устанавливается только одна продольная перегородка. Кроме этого пересмотрены решения по толщинам стенок труб, корпусов, фланцев, трубных решеток, крышек без снижения их прочности. Накопленный к настоящему времени опыт эксплуатации ТА данного типа показал, что рассматриваемые аппараты в отличие от пластинчатых ТА мало чувствительны к резким скачкам температуры и давления. Их трубные пучки легко и без последствий выдерживают гидроудары, вибрацию, тряску.

Патрубки подвода и отвода сред располагаются в районе головки теплообменника (рисунок), что обеспечивает удобство обвязки подогревателей и уменьшение температурных деформаций.

При номинальных значениях расходов ТА типа ВВПИ имеют умеренное гидравлическое сопротивление 20-50 кПа, что позволяет в случае необходимости получения больших тепловых потоков при малых температурных напорах соединять подогреватели в блоки параллельно или последовательно по обеим средам или комбинировать схемы их соединения в блоке.

Очистка полостей данных ТА может быть произведена любым известным способом: химическим (1,5% водным раствором азотной кислоты), кавитационно-ударным методом, стальными проволочными ежиками и т.п.
Разработанные ТА по энергетическим и массогабаритным характеристикам уступают лишь кожухотрубным аппаратам типа ТТАИ, но превосходят последние по показателям надежности вследствие большей жесткости теплообменных труб — трубы ТА типа ВВПИ не провисают и не трутся друг о друга — и более надежного закрепления труб в трубных решетках сваркой, а не герметиком, как в аппаратах типа ТТАИ.

Основным недостатком подогревателей ВВПИ, как и других кожухотрубных ТА, является невозможность достижения высоких значений коэффициентов теплоотдачи при низких скоростях течения теплоносителей (достоинство пластинчатых аппаратов), вследствие чего они не всегда могут конкурировать с пластинчатыми ТА ведущих мировых производителей в тех случаях, когда требуется передавать большие тепловые потоки при малых температурных напорах.

Преимущество пластинчатых ТА по высоким значениям k, однако, сводится на нет в случае загрязнения этих теплообменников. Как показано в [5], пластинчатый ТА с расчетным коэффициентом теплопередачи (без загрязнения теплообменной поверхности) 7000 Вт/(м2×К) в случае нарастания на теплообменной поверхности слоя накипи толщиной 0,3 мм (для пластинчатых аппаратов рядовой случай) имеет коэффициент теплопередачи 2545 Вт/(м2×К), что в 2,75 раза меньше расчетного значения.

Более чем 13-летняя эксплуатация разработанных подогревателей в системах теплоснабжения показывает, что большая загрязняемость для данных аппаратов в силу эффекта самоочистки внутренней поверхности труб (наиболее загрязняемой сетевой водой), направленными в пограничный слой турбулентными вихрями, возникающими при обтекании плавноочерченных турбулизаторов определенной высоты, расположенных на оптимальном расстоянии друг от друга, и разрушающими отложения на той стадии, когда они представляют собой маловязкие структуры, нехарактерна.

Значения коэффициента теплопередачи с учетом загрязнений подогревателей типа ВВПИ при изменении расходов теплоносителей находятся в диапазоне от 1150 до 3300 Вт/(м2×К) при температуре греющей среды (воды) 110 °С и температуре нагреваемой среды (воды) 70 °С. Например, в подогревателе ВВПИ-350 число труб составляет 97 шт., а значения k с учетом загрязнений составляют 1150-3200 Вт/(м2×К). При этом максимальные значения k ограничены максимальными допускаемыми потерями давления 50 кПа (5 м. вод. ст.); минимальные значения коэффициентов теплопередачи относятся к режимам работы ТА с малым теплосъемом.

Анализ параметров рассматриваемых аппаратов показывает, что они в загрязненном состоянии характеризуются коэффициентами теплопередачи, которые ничуть не хуже коэффициентов теплопередачи загрязненных пластинчатых ТА.

Представляет интерес сопоставление показателей современных пластинчатых ТА для коммунального хозяйства и представленных кожухотрубных ТА. Проведем такое сопоставление на основе данных В.Г. Барона [6].

Пример 1. Для нагрева морской воды с расходом 9,4 т/ч от 4 до 27 °С используется пресная вода с расходом 10,4 т/ч и температурой 70 °С. Сухая масса подобранного пластинчатого ТА составила 120 кг при k=5854 Вт/(м2×К). Расчет, выполненный авторами статьи, показал, что заданные условия обеспечивает аппарат ВВПИ с массой 47 кг и коэффициентом теплоотдачи при заданных исходных данных 6748 Вт/(м2×К). Из приведенных данных видно, что последний ТА по массе и значению коэффициента теплопередачи имеет преимущество перед пластинчатым аппаратом.

Пример 2. Требуется осуществить 2-х ступенчатый нагрев воды ГВС, при этом расход нагреваемой воды составляет 8,4 т/ч, температуры нагреваемой воды (последовательно по ступеням) – 5, 43 и 55 °С. По греющей среде были заданы следующие параметры: расход через 2-ю и 1-ю ступени соответственно 5,6 и 15,2 т/ч; температуры греющей среды на входе во 2-ю и 1-ю ступени соответственно 70 и 52 °С.

Для решения поставленной задачи был предложен пластинчатый теплообменник одной из западноевропейских фирм, имеющий габаритный объем, равный 0,19 м3. Проведенный расчет показал, что заданные условия обеспечат по второй ступени нагрева воды ГВС теплообменник ВВПИ с габаритным объемом 0,124 м3, а по первой ступени – двухкорпусной ВВПИ с габаритным объемом 0,416 м3. Суммарный объем ТА последнего типа составил 0,54 м3, что больше, чем объем пластинчатого ТА. Пластинчатый ТА имеет в заданных условиях лучшие габариты, чем существующие конструкции предлагаемого ТА.

Авторами статьи разработана конструкция трубчатого ТА, имеющего корпус не в виде кожуха (трубы), а в виде параллелепипеда, то есть похожим на корпус пластинчатого аппарата. Остальные конструктивные признаки практически не отличаются от разработанных ранее авторами ТА. В случае применения труб с наружным диаметром 12 мм и шагом 13,2 мм (клеевое закрепление в трубных решетках) габаритный объем псевдопластинчатого ТА для примера 2 составит 0,133 м3, а в случае применения стандартной разбивки труб ВВПИ с закреплением труб сваркой – 0,158 м3, что меньше чем у сопоставляемого пластинчатого аппарата (0,19 м3). Таким образом, для трубчатых ТА достигнута компактность, превышающая этот показатель для пластинчатых конкурентов, что ставит точку в споре конструктивных типов ТА для коммунального хозяйства – при надлежащем подходе к компоновке трубных пучков кожухотрубные ТА превосходят пластинчатые ТА по всем показателям.

Выпускаемые ТА успешно заменили ТА типа ПП (ПВ) в МУП ЖКХ г. Коврова, г. Павлово, р.п. Тумботино и др. ТА типа ВВПИ и ПВПИ без рекламаций эксплуатируются в коммунальном хозяйстве г. Н. Новгорода, городах и поселках Нижегородской, Владимирской, Тверской, Томской, Пермской областей, Республик Марий Эл, Карелия и других регионов России.

Отзывы

Отзыв начальника Инженерного отдела ЗАО «ПИ «Карелпроект» Луйкина Э.П. содержит следующее: «Инженерный отдел института «Карелпроект» при проектировании объектов, начиная с 2004 г., там, где встречается и необходимо теплообменное оборудование (котельные, тепловые пункты (ЦТП, ИТП)) всегда закладывает в проекты установку водоводяных подогревателей серии ВВПИ. Нас полностью удовлетворяет качество и надежность данной продукции. От эксплуатационных организаций нареканий по данному виду продукции не поступало».

Из отзыва директора МУП «Теплосервис» Вязниковского р-на Пятова Б.Г.: « Продукцию Вашего предприятия, а именно водоводяные подогреватели типа ВВПИ применяем 2 года. Основными преимуществами водоподогревателей являются их габаритные размеры, позволяющие произвести установку в помещениях малой площади. Нас полностью удовлетворяет работа и качество Вашей продукции. Надёжная и качественная работа водоводяных подогревателей позволяет рекомендовать их использование другим потенциальным заказчикам». Получено более 10 аналогичных отзывов о продукции ЦЭЭВТ.

Литература

  • Бродов Ю. М. О применении пластинчатых теплообменных аппаратов в схемах паротурбинных установок//Исследовано в России/Бродов Ю. М., Пермяков В. А.. 2005, 2357–2365
  • Лыгин П. А. Новая конструкция кожухотрубных водоводяных теплообменников // Новости теплоснабжения. 2004. №11. С. 50-53.
  • Вальянов И. В. Паяный или разборный? // Новости теплоснабжения. 2000. № 4. С 41-43
  • Валиулин С.Н., Бурдастов Н.Н., Хуртин В.В., Пыжов О.В. Новые теплообменные аппараты с пониженной загрязняемостью // Новости теплоснабжения. 2004. № 5. С. 47-49.
  • Жаднов О.В. Пластинчатые теплообменники – дело тонкое // Новости теплоснабжения. 2005. № 3. С. 39-53.
  • Барон В.Г. Легенды и мифы современной теплотехники или пластинчатые и кожухотрубные теплообменные аппараты // Новости теплоснабжения. 2004. № 8. С. 38-42.
Эскиз конструкции кожухотрубного теплообменника типа ВВПИ Эскиз конструкции кожухотрубного теплообменника типа ВВПИ
Рисунок. Эскиз конструкции кожухотрубного теплообменника типа ВВПИ.