Подогреватели ВВПИ — достоинства, методика правильного подбора

Достоинства подогревателей типа ВВПИ с исчерпывающей полнотой изложены в статье С. Н. Валиулина, Н. Н. Бурдастова и др. [3] — представителей ООО «Гидротермаль».

Со своей стороны добавим, что рассматриваемые теплообменные аппараты являются кожухотрубными аппаратами нового поколения (пересмотрены решения по схемам тока, толщинам стенок труб, корпусов, фланцев, трубных решеток, крышек без снижения их прочности и осуществлена интенсификация теплоотдачи путем накатки кольцевых плавноочерченных выступов на внутренней поверхности трубы) и в сравнении с теплообменными аппаратами, спроектированными на основе конструктивных решений 50-летней давности и выпускаемыми до сих пор, например, по ГОСТ 27590-88, выигрывают практически по всем показателям.

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

Преимущество пластинчатых теплообменных аппаратов по высоким значениям коэффициента теплопередачи, однако, сводится на нет в случае загрязнения этих теплообменников. Как показано в [2], пластинчатый теплообменный аппарат 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.

Укажем, что при расчете и оптимизации параметров подогревателей типа ВВПИ по заявкам потребителей специалисты ЦЭЭВТ практически всегда считают поверхность теплообмена покрытой слоем загрязнений с термическим сопротивлением 0,00012 м² К/ Вт, что эквивалентно сопротивлению слоя накипи толщиной 0,15–0,3 мм с теплопроводностью 1,2–3 Вт/(м К). Десятилетняя эксплуатация подогревателей типа ВВПИ в системах теплоснабжения показывает, что большая загрязняемость для подогревателей типа ВВПИ в силу эффекта самоочистки внутренней, наиболее загрязняемой сетевой водой, поверхности труб, 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.

Необходимые для применения дальнейших построений настоящей статьи параметры подогревателей типа ВВПИ АО «ЦЭЭВТ» приведены в табл. 1.

Для удобства заказчиков представляем в графической форме рекомендуемые для тех или иных подогревателей типа ВВПИ значения расходов греющей воды (рис. 1), нагреваемой воды (рис. 2) и диапазоны тепловых потоков, передаваемые подогревателями типа ВВПИ при рекомендуемых значениях расходов теплоносителей, указанных на рис. 1 и 2.

Таблица 1. Параметры подогревателей типа ВВПИ

Рис. 1.

Все графики получены расчетом при температуре греющей воды 110°С и температуре нагреваемой воды 70°С, при этом максимальные рекомендуемые значения расходов ограничены максимальными допускаемыми потерями давления 50 кПа (5 м. вод. ст.), а минимальные — значениями коэффициентов теплоотдачи около 3000 Вт/(м² К). Указанные в табл. 1 значения коэффициентов теплопередачи получены при рекомендованных минимальных и максимальных значениях расходов греющей и нагреваемой воды.

Анализ данных третьего столбца табл. 1 показывает, что подогреватели типа ВВПИ в загрязненном состоянии характеризуются коэффициентами теплопередачи, которые ничуть не хуже коэффициентов теплопередачи загрязненных пластинчатых теплообменных аппаратов. Отметим, что минимальные значения коэффициентов теплопередачи, приведенные в табл. 1, даны для частичных и нехарактерных в условиях эксплуатации режимов работы подогревателей.

Рис. 2

Рис. 3

Тем более эти расходы не задаются заказчиками в опросных листах, поэтому соответствующие им значения коэффициента теплопередачи даны как справочные. Минимальные, промежуточные и максимальные значения коэффициента теплопередачи, полученные в результате вычислительного эксперимента, проведенного по насыщенному трехуровневому плану, использовались нами для получения регрессионных уравнений для определения коэффициента теплопередачи того типа или иного типа подогревателя.

По результатам предварительных исследований была обоснована линейная форма нужного уравнения:
 (1)
где k — коэффициент теплопередачи, отнесенный к наружной поверхности труб, Вт/(м² К);
Q1 — расход греющей воды, м3/ч;
Q2 — расход нагреваемой воды, м3/ч;
— число трубных ходов, в подогревателях типа ВВПИ может быть один или два трубных хода. Далее будем считать = 1.
Значения коэффициентов b0, b1 и b2 приведены в табл. 1.

Мы полагаем, что заказчик, выбирая поставщика теплообменных аппаратов для отопления и горячего водоснабжения, должен оценить, устраивают ли его габариты и цена теплообменника. Оставляя вопрос цены за рамками настоящей статьи, специалисты ЦЭЭВТа разработали упрощенную методику подбора подогревателей типа ВВПИ, которая базируется на использовании рис. 1–3, табл. 1 и регрессионных зависимостей
 для ВВПИ 60, 100 и 200; (2)
 для остальных ВВПИ, (3)
где  — индекс обозначения подогревателя типа ВВПИ,  = 60, 100, 200,…, 2200.

Особенностью применения уравнений (2) и (3) является то, что для выполнения расчетных оценок с их помощью необходимо в первом приближении задаваться значением коэффициента теплоотдачи. Именно для этого в табл. 1 приведен третий столбец. Однако, как будет показано в расчетных примерах, к выбору значений коэффициента теплопередачи нужно подходить взвешенно, не стремясь выбирать обязательно максимальные значения из табл. 1, потому что, задавая большие значения коэффициента теплопередачи, можно получить заниженный по сравнению с нужным индекс подогревателя ВВПИ.

Разработанная нами методика включает в себя следующие шаги:

1. анализ и преобразование к удобному виду исходных данных;
2. предварительный выбор индекса (ов) ВВПИ с помощью графиков рис. 1–3;
3. задание коэффициента теплопередачи в первом приближении, если индекс не определен конкретным значением (подходят два или более типа ВВПИ), или расчет коэффициента теплопередачи с помощью уравнения (1) и данных табл. 1;
4. уточнение индекса ВВПИ с помощью уравнений (2) или (3) и, если нужно, коэффициента теплопередачи;
5. вычисление среднего логарифмического напора по заданному температурному графику:
    (4)
   где  — температура греющей воды на входе в подогреватель, °С;
    — температура греющей воды на выходе их подогревателя, °С;
    — температура нагреваемой воды на входе в подогреватель, °С;
    — температура нагреваемой воды на выходе из подогревателя, °С;
6. определение требуемой площади А поверхности теплопередачи:
    (5)
   где  — тепловой поток подогревателя, кВт;
7. вычисление требуемой длины труб подогревателя типа ВВПИ с индексом , определенном на шаге 4:
   , (6)
   где d — наружный диаметр трубы, м, в подогревателях типа ВВПИ используются трубы из нержавеющей стали с d = 0,012 м;
   n — число труб в подогревателе (см. второй столбец табл.1).

При этом необходимо учитывать, что подогреватели типа ВВПИ выпускаются с рабочей длиной труб 1,0; 1,25; 1,5; 1,75 и 2,0 м.

Покажем особенности разработанной методики на примерах.

Пример 1. Подобрать подогреватель типа ВВПИ для системы отопления мощностью 0,16 Гкал/ч. Температурный график 110/80°С (котловой контур), 95/70°С (сетевой контур).

1. Преобразуем исходные данные в удобный для расчетов вид.
   Тепловой поток подогревателя  = 0,16 103 1,163 = 186 кВт. Принимаем  = 110°С,  = 80°С,  = 70°С,  = 95°С,  – = 30°С,  –= 25°С.
   Расходы теплоносителей, м3/ч:
   греющего Q1 =  3600/ = 186 3600/(4,2 30 1000) = 186/(1,167 30) =5,31;
   нагреваемого  = 186/(1,167 25) = 6,37.
   Здесь сp1 и  — удельная теплоемкость греющей воды, кДж/(кг К), и плотность греющей воды, кг/м3. Без существенной погрешности можно принимать для греющей и нагреваемой воды сp = 4,2 кДж/(кг К),  = 1000 кг/м3.
2. Анализируем графики рис. 1–3.
   По тепловому потоку (см. рис. 3) подходят подогреватели ВВПИ-200 и ВВПИ-350.
   По расходу греющей воды (см. рис 1) подходят ВВПИ-60, ВВПИ-100 и ВВПИ-200.
   По расходу нагреваемой воды (см. рис. 2) подходят ВВПИ-60, ВВПИ-100, ВВПИ-200 и ВВПИ-350.
3. Определяем коэффициент теплопередачи в первом приближении. Возможно два пути. В первом случае задаемся коэффициентом теплопередачи, ориентируясь на данные столбца 3 табл. 1. Выберем для примера большое значение коэффициента теплопередачи k = 3000 Вт/(м² К). Во втором случае коэффициент теплопередачи нужно рассчитать. Поскольку по тепловому потоку подходят подогреватели ВВПИ-200 и ВВПИ-350, расчет выполняем для этих аппаратов, Вт/(м² К):
   k = 1279,278 + 77,1100 5,31 + 54,1840 6,37 = 2034 для ВВПИ-200;
   k = 719,9713 + 31,5515 5,31 + 38,9451 6,37 = 1135 для ВВПИ-350.
4. Уточняем индекс ВВПИ:
   для ВВПИ-200 с k = 3000 Вт/(м² К) (уравнение (2))
    = 226,65 +8,5429 5,31 + 7,9833 6,37 –
   0,0863 3000 = 64;
   для ВВПИ-200 с k = 2034 Вт/(м² К) (уравнение (2))
    = 226,65 +8,5429 5,31 + 7,9833 6,37 –
   0,0863 2034 = 147;
   для ВВПИ-350 с k = 1135 Вт/(м² К) (уравнение (3))
    = 1428,216 + 11,149 5,31 + 7,31 6,37 –
   0,569 1135 = 888.

Результаты, на первый взгляд, кажутся неожиданными. Попробуем разобраться. В случае использования k = 3000 Вт/(м² К) уравнение (2) указывает на подогреватель ВВПИ-60, в котором при заданных расходах сред может быть достигнуто указанное значение коэффициента теплопередачи. «Физика» теплообмена отражается правильно.
В случае использования k = 1135 Вт/(м² К) уравнение (3) указывает на подогреватель ВВПИ-800 (число 888 округляется до ближайшего нижнего значения), в котором при заданных расходах сред может быть достигнуто такое низкое значение коэффициента теплопередачи. И здесь «механизм» теплообмена работает правильно. Однако, если посмотреть с другой стороны, то с учетом графика рис. 3 полученный результат указывает, что k = 1135 Вт/(м² К) задавать не следует.

В случае использования k = 2034 Вт/(м² К) уравнение (2) указывает на подогреватель ВВПИ-100, в котором при заданных расходах сред может быть достигнуто указанное значение коэффициента теплопередачи. Однако, так как число 147 близко к числу 151, то округление числа 147 может быть и в большую сторону, то есть может быть применен подогреватель ВВПИ-200.

Забегая вперед, проверим полученные результаты с помощью программного обеспечения ЦЭЭВТа. Расчет ВВПИ-60 показывает, что коэффициент теплопередачи составляет 3214 Вт/(м² К), но требуемый тепловой поток этим аппаратом не обеспечивается, а потери давления достигают значения 53 кПа. Расчет ВВПИ-200 показывает, что коэффициент теплопередачи составляет 2248 Вт/(м² К), но требуемый тепловой поток однокорпусной конструкцией этого аппарата также не обеспечивается, а запас по потерям давления наличествует. Расчет ВВПИ-350 показывает, что коэффициент теплопередачи составляет 1364 Вт/(м² К), требуемый тепловой поток однокорпусной конструкцией этого аппарата не обеспечивается, запас по потерям давления наличествует.
Итак, ориентируемся на подогреватель ВВПИ-200.

1. Вычисляем средний логарифмический температурный напор с помощью уравнения (4), °С:
   .
   Следует учитывать, что действительный средний температурный напор меньше среднего логарифмического, и тем самым погрешность выполняемого оценочного расчета дополнительно увеличивается.
2. Определяем требуемую площадь поверхности теплопередачи с помощью уравнения (5), м²:
   А = 186 1000 / (2034 17,38) = 5,26.
3. Рассчитываем требуемую рабочую длину труб подогревателя ВВПИ-200 с помощью уравнения (6), м:
   L = 5,26 / ( 0,012 56) = 2,49.

Поскольку полученное значение больше 2 м, то для использования в рассматриваемой системе отопления нужно применить двухкорпусную конструкцию подогревателя ВВПИ-200. Не следует, однако, полагать, что для данного случая подойдет двухкорпусная конструкция ВВПИ-200 с длиной труб 1,25 м. Оценочная методика не учитывает действительных особенностей схемы тока и некоторые другие аспекты теории теплообменных аппаратов [3], поэтому действительность, как правило, требует большей теплообменной поверхности, чем получается при выполнении оценочных расчетов.

Точный расчет, выполненный с помощью программного обеспечения ЦЭЭВТа, показал, что заданные параметры практически обеспечивает двухкорпусной ВВПИ-200.00.20.00 ×2 с рабочей длиной труб в каждом корпусе 2 м или с гарантией двухкорпусной ВВПИ-350.00.20.00 ×2. Два ВВПИ-350.00.15.1 с длиной труб 1,5 м и двумя трубными ходами, включенные последовательно, обеспечивает такой же тепловой поток, что и ВВПИ-200.00.20.00 ×2 (178 кВт), который мы считаем приемлемым, поскольку в расчете учтено загрязнение подогревателя в эксплуатации.

Пример 2. Подобрать подогреватель типа ВВПИ для системы отопления мощностью 1,9 Гкал/ч. Температурный график 110/80°С (котловой контур), 95/70°С (сетевой контур).

1. 1) Преобразуем исходные данные в удобный для расчетов вид. Здесь и далее промежуточные выкладки опускаем.
   Тепловой поток подогревателя  = 1,9 103 1,163 = 2210 кВт. Принимаем  = 110°С,  = 80°С,  = 70°С,  = 95°С,  – = 30°С,  –= 25°С.
   Расходы теплоносителей, м3/ч:
   греющего Q1 = 2210/(1,167 30) =63,1;
   нагреваемого 2210/(1,167 25) = 75,76.
2. Анализируем графики рис. 1–3.
   По тепловому потоку (см. рис. 3) подходит только подогреватель ВВПИ-2200.
   По расходам греющей и нагреваемой воды (см. рис 1 и 2) подходят ВВПИ-800, ВВПИ-1000, ВВПИ-1250, ВВПИ-1500, ВВПИ-1750 и ВВПИ-2200.
3. Определяем (рассчитываем) коэффициент теплопередачи в первом приближении. Расчет выполняем для аппарата ВВПИ-2200, Вт/(м² К):
   k = 938,5257 + 7,1340 63,1 + 5,5265 75,76 = 1807.
4. Уточняем индекс ВВПИ:
   для ВВПИ-2200 с k = 1807 Вт/(м² К) (уравнение (3))
    = 1428,216 + 11,149 63,1 + 7,31 75,76 – 0,569 1807 = 1657.
   Полученный индекс указывает, что в данном случае могут быть применены аппараты ВВПИ-1750 и ВВПИ-2200. Учитывая недостаточно большое значение коэффициента теплопередачи, выбираем подогреватель ВВПИ-2200.
5. Значение среднего логарифмического температурного напора берем из примера 1:
   °С
6. Определяем требуемую площадь поверхности теплопередачи с помощью уравнения (5), м²:
   А = 2210 1000 / (1807 17,38) = 70,36.
7. Рассчитываем требуемую рабочую длину труб подогревателя ВВПИ-2200 с помощью уравнения (6), м:
   L = 70,36 / ( 0,012 500) = 3,73.

Поскольку полученное значение больше 2 м, то для использования в рассматриваемой системе отопления нужно применить как минимум двухкорпусную конструкцию подогревателя ВВПИ-2200.
Точный расчет, выполненный с помощью программного обеспечения ЦЭЭВТа, показал, что заданные параметры с гарантией обеспечивают три одноходовые по трубам ВВПИ-2200.00.17.00 с рабочей длиной труб в каждом корпусе 1,75 м, включенные последовательно, или три одноходовых по трубам ВВПИ-1750.00.17.00 с длиной труб 1,75 м, включенные последовательно, однако в последнем случае достигаются потери давления по котловой воде 56 кПа.

Пример 3. Подобрать подогреватель типа ВВПИ для системы горячего водоснабжения мощностью 1,1 Гкал/ч. Температурный график 90/70°С (котловой контур), 65/40°С (контур горячего водоснабжения).

1. Преобразуем исходные данные в удобный для расчетов вид. Тепловой поток подогревателя  = 1,1 103 1,163 = 1279 кВт. Принимаем  = 90°С,  = 70°С,  = 40°С,  = 65°С,  – = 25°С,  –= 30°С.
   Расходы теплоносителей, м3/ч:
   греющего Q1 = 1279/(1,167 20) = 54,83;
   нагреваемого 2210/(1,167 25) = 43,86.
2. Анализируем графики рис. 1–3.
   По тепловому потоку (см. рис. 3) подходят подогреватель ВВПИ-1000, ВВПИ-1250, ВВПИ-1500, ВВПИ-1750 и ВВПИ-2200.
   По расходам греющей и нагреваемой воды (см. рис 1 и 2) подходят ВВПИ-500, ВВПИ-800, ВВПИ-1000, ВВПИ-1250, ВВПИ-1500, ВВПИ-1750 и ВВПИ-2200.
3. Определяем (рассчитываем) коэффициент теплопередачи в первом приближении. Расчет выполняем для аппарата ВВПИ-1000, Вт/(м² К):
   k = 1403,973 + 9,251 54,83 + 11,705 43,86 = 2424.
4. Уточняем индекс ВВПИ:
   для ВВПИ-1000 с k = 2424 Вт/(м² К) (уравнение (3))
    = 1428,216 + 11,149 54,83 + 7,31 43,86 – 0,569 2424 = 981.
   Полученный индекс указывает, что в данном случае могут быть применены аппараты ВВПИ-1000 и с более высокими индексами. Выбираем подогреватель ВВПИ-1000.
5. Вычисляем средний логарифмический температурный напор с помощью уравнения (4), °С:
   °С
6. Определяем требуемую площадь поверхности теплопередачи с помощью уравнения (5), м²:
   А = 1279 1000 / (2424 26,807) = 19,1.
7. Рассчитываем требуемую рабочую длину труб подогревателя ВВПИ-1000 с помощью уравнения (6), м:
   L = 19,1 / ( 0,012 236) = 2,145.

Поскольку полученное значение больше 2 м, то для использования в рассматриваемой системе отопления нужно применить двухкорпусную конструкцию подогревателя ВВПИ-1100.
Точный расчет, выполненный с помощью программного обеспечения ЦЭЭВТа, показал, что заданные параметры с гарантией обеспечивает двухкорпусной ВВПИ-1000.00.12.00 ×2 с рабочей длиной труб в каждом корпусе 1,25 м.
Отметим, что во всех трех примерах пригодными оказались многокорпусные конструкции подогревателей типа ВВПИ. Это не более чем случайность, обусловленная выбором исходных данных и, прежде всего, низкими значениями среднего температурного напора. При значениях , превышающих 30–35°С, пригодны, в основном, однокорпусные конструкции.

Анализ результатов проверок разработанной методики позволяет сделать вывод о ее пригодности для выполнения предварительных оценок, необходимых для определения габаритных показателей подходящего для заданных условий эксплуатации подогревателя типа ВВПИ. После поступления опросных листов ЦЭЭВТа от заказчика специалисты нашей организации выполняют с помощью своего программного обеспечения серию расчетов подогревателей типа ВВПИ с различными индексами, оптимизируя тепловые и гидравлические характеристики потенциально пригодных для заданных заказчиком условий эксплуатации аппаратов.

Теплообменные аппараты ЦЭЭВТа непрерывно совершенствуются и по соотношению «цена–качество» занимают на рынке теплообменных аппаратов для теплоснабжения и коммунального хозяйства одну из лидирующих позиций. Надеемся, что представленная в настоящей статье методика предварительного подбора наших аппаратов поможет потенциальным заказчикам в большей степени, чем это было, оценить достоинства и недостатки подогревателей ЦЭЭВТа.

Литература

• Бажан П. И. и др. Справочник по теплообменным аппаратам / П. И. Бажан, Г. Е. Каневец, В. М. Селиверстов. –М.: Машиностроение, 1989. – 366 с.
• Жаднов О. В. Пластинчатые теплообменники — дело тонкое / Новости теплоснабжения, № 3, 2005, с. 39–53.
• Валиулин С. Н. и др. Новые теплообменные аппараты с пониженной загрязняемостью / С. Н.Валиулин, Н.Н. Бурдастов, В. В. Хуртин, О. В. Пыжов // Новости теплоснабжения, № 5, 2004, с. 47–49.