Новая конструкция кожухотрубных водоводяных теплообменников

В последние 3-4 года назойливая и настойчивая реклама сделала свое дело - на российский рынок бурным потоком хлынуло зарубежное оборудование. Однако все более очевидным становится то, что оно в ближайшее время не сможет найти широкое применение в России и не только потому, что оно очень дорого, а потому что Россия - страна с огромной разветвленной системой теплоснабжения. А для того, чтобы перейти на западные технологии, необходимо перейти на зарубежные показатели водно-химического режима, обеспечить прокладку тепловых сетей изолированными трубами с герметичным покрывным материалом и автоматической системой обнаружения утечек, иметь персонал высокой квалификации, иметь эффективные системы авторегулирования тепловой нагрузки и т.д.

Этого ничего нет, если не считать нескольких демонстрационных объектов, находящихся в Москве, Санкт-Петербурге и нескольких крупных городах России. Однако надо признать и то, что наше машиностроение на сегодняшний день не может предоставить полного набора энергоэффективного оборудования. Но положительные сдвиги в этом направлении появились.

В качестве примера приведу теплообменное оборудование. В последние годы появились попытки широкого применения в типовых схемах теплоснабжения пластинчатых теплообменных аппаратов в качестве альтернативы кожухотрубным водоводянымтеплообменникам, изготавливаемым по ГОСТ 27590-88.

Необходимо отметить, что оборудование, изготавливаемое по упомянутому ГОСТу, спроектированно на основе конструкторских решений 50-летней давности, морально устарело и имеет ряд серьезных недостатков:

• невысокая тепловая эффективность;
• значительные дополнительные гидравлические и тепловые потери на калачах и переходах;
• низкая ремонтопригодность;
• невозможность ремонта и полной очистки наружных поверхностей теплообменных труб и межтрубного пространства;
• размещение такого оборудования требует больших объемов и площадей.

Негативное отношение к такому виду оборудования усугубляется еще и тем, что ряд производителей, с целью снижения трудоемкости, не ставят перегородки в трубных пучках, что снижает и без того низкий коэффициент теплопередачи, а также ведет к быстрому выходу из строя этого оборудования из-за вибрационного истирания теплообменных труб между собой. Удивляет то, что на данный факт заказчик почти не обращает внимание.

Мой более чем 20-летний стаж работы в должности главного конструктора, а затем и главного инженера завода, изготавливающего теплообменное оборудование, и возможность отслеживания ситуации по изготовлению, обслуживанию и ремонту этого вида оборудования, позволяют мне сформулировать основные требования, которые, по моему мнению, должны быть предъявлены к отечественному водоводяному оборудованию, применяемому в обычных системах теплоснабжения, и которое по своим показателям технической эффективности и надежности не уступает отечественным и зарубежным аналогам, включая и пластичные теплообменники. Они следующие:

• уровень тепловой эффективности должен определять коэффициент теплопередачи не ниже 3500 ккал/(м².ч.К) (- 4000 Вт/(м².К));
• возможность очистки внутренних и наружных поверхностей теплообменных труб, а также межтрубного пространства в корпусе;
• ремонтопригодность, т.е. ремонт оборудования должен проводиться силами собственного персонала с использованием стандартного инструмента и доступного материала;
• надежность в переменных режимах работы и при возможных нарушениях нормальных условий эксплуатации (гидравлические удары, повышение тепловой нагрузки, ухудшение качества воды и т.д.);
• компактность и простота конструкции;
• обеспечение устранения деформации в водоводяных теплообменниках при разности температурных удлинений корпуса и теплообменных труб;
• невысокая цена.

Для обеспечения выполнения этих требований теплообменный аппарат должен быть: кожухотрубным, разборным, желательно однокорпусным, и в нем должны быть использованы новые, но проверенные конструкторские решения, обеспечивающие высокую тепловую эффективность. Надо сказать, что в этом направлении уже много сделано.

Еще в конце 80-х годов прошлого столетия специалистами НПО ЦКТИ и Саратовского завода энергетического машиностроения были спроектированы и изготовлены головные образцы новых водоводяных теплообменных аппаратов, предназначенных для охлаждения конденсата греющего пара подогревателей низкого давления систем регенерации паротурбинных установок, подогревателей сетевой воды, установленных на ГРЭС, ТЭЦ и АЭС. Испытание головных образцов проводилось на ТЭЦ-3 Ленэнерго. Результаты подтвердили высокую тепловую эффективность и надежность в эксплуатации, возможность ремонта на месте, простоту очистки и осмотра, малые габариты.

Следует отметить, уже тогда в решении Межведомственной комиссии по запуску в производство было рекомендовано использовать конструкцию охладителей конденсата для создания новых водоводяных теплообменников для систем теплоснабжения и горячего водоснабжения взамен секционных, изготавливаемых по ГОСТ 27590-88.

Специалистами вновь созданного ООО «Волгопромэнерго» была разработана новая серия малогабаритных, разборных водоводяных теплообменных аппаратов, в основу которых положены основные конструкторские решения, использованные при разработке однокорпусных охладителей конденсата. Обозначение новым теплообменным аппаратам присвоено ПВВР.

ПВВР — подогреватель водоводяной разборный. Корпуса всего номенклатурного ряда выполнены из серийно изготавливаемых труб диаметрами от 114 до 630 мм, рабочее давление не более 1,0 МПа (10 кгс/см²). Все подогреватели имеют единую длину трубных систем равную 2000 мм. На рисунке показана принципиальная схема подогревателя.

Конструкция новых аппаратов представляет собой кожухотрубный теплообменникгоризонтального типа, основными узлами которого являются: 1,4 — съемные передняя и задняя водяные камеры; 2 — корпус; 3 — трубная система; 5 — съемная крышка корпуса.

Корпус подогревателя - либо вальцованные обечайки, либо стальная труба. Трубная система состоит из двух стальных трубных досок с завальцованными в них прямыми латунными трубками диаметром 16 мм и толщиной 1 мм. Аппарат по движению жидкости в трубном пространстве - двухходовый, что позволяет повысить скорость воды до 2 м/сек.

К особенностям конструкции трубной системы можно отнести применение поперечных сегментных перегородок совместно с продольной, что делает движение жидкости в межтрубном пространстве многоходовым и поперечно-продольным, при этом скорость воды достигает 1,2-1,5 м/сек. Еще одной отличительной особенностью конструкции трубной системы является применение как гладких латунных труб, так и труб с профильной накаткой.

Передняя и задняя водяные камеры выполнены разъемными. Передняя водяная камера выполняет роль распределительной, задняя -поворотная. Задняя камера - плавающая, чем обеспечивается надежная компенсация температурных удлинений трубной системы. Передняя водяная камера крепится к корпусу с помощью фланцевого разъема, задняя водяная камера крепится к трубной доске с помощью специальных зажимов.

Конструкция уплотнения трубной доски с задней водяной камеры, позволяющая вынимать трубную систему из корпуса подогревателя, запатентована (патент № 1502947 от 23.08.89). Съемная крышка корпуса предназначена для доступа к задней водяной камере. Донышки на водяных камерах и крышке применены плоские.

Оптимизация условий теплообмена за счет применения проверенных конструкторских решений, позволяет повысить коэффициент теплопередачи подогревателя типа ПВВР на 30-35% по сравнению с секционными, а использование труб с профильной накаткой и до 50%. Для покрытия требуемой тепловой мощности подогреватели могут собираться в блок из 2-х или 3-х теплообменных аппаратов. Применение соединительных калачей не требуется, т.к. аппараты соединяются собственными патрубками.

А теперь хотелось бы вернуться к тому, с чего я начал эту статью, - о возможности широкого применения зарубежного теплообменного оборудования в существующих системах тепло- и горячего водоснабжения России.

Остановимся на одном из основных элементов системы теплоснабжения обеспечивающих надежную работу энергетического оборудования, - качестве воды и, в частности, на отложении солей жесткости, которое обуславливается наличием в воде солей кальция и магния (карбонатная жесткость). Жесткость воды оценивается в миллиграммах - эквивалент суммы кальция и магния в 1 л воды (мгэкв./л). Согласно «Правил технической эксплуатации коммунальных отопительных котельных» для тепловых сетей России жесткость подпиточной воды должна быть 0,7 мг экв./л. Для примера приведу норму жесткости подпиточной воды Датской ассоциации теплоснабжения (Danske Fjernvarmevaerkers Forening), которая составляет менее 0,1 мгэкв./л.

Дания - страна, которая отдает предпочтение централизованному теплоснабжению, и, как известно, в теплофикации добилась многого. Тем не менее, в Европе с их жесткими нормами, накипь тоже образуется и поданным статистики является основной причиной снижения эффективности работы и выхода из строя нагревательных элементов.

При наших требованиях к качеству воды слой накипи толщиной в 1 см может вырасти менее чем за 1 год. Более всего это относится к небольшим локальным системам теплоснабжения, где, как правило, отсутствует водоподготовительное оборудование, т.к. внедрение водоподготовки требует значительных капитальных и эксплуатационных затрат, наличие квалифицированного персонала, лабораторного контроля и т.д. Можно также сравнивать и по потерям воды: для России установленные нормы потери воды должны быть не более 2% в день, а для Дании - 0,25%.

А теперь конкретно к пластинчатым теплообменным аппаратам. Я отношу это оборудование к высокоэффективному, и оно действительно эффективно при работе с чистыми средами, т.е. там, где требуется проведение только периодических, профилактических чисток. В системах теплоснабжения России чистка теплообменного оборудования, особенно в отопительный период, проводится почти каждый месяц. Ремонт пластинчатого теплообменного оборудования требует наличие квалифицированного персонала, специального инструмента, т.к. при разборке и сборке надо знать схему затяжки болтовых соединений, иметь специальные гайковерты с тарированными крутящими моментами, знать какое расстояние надо выдерживать между нажимными плитами, иметь «под рукой» комплект пластин и резиновых прокладок, потому что они в первую очередь выходят из строя и которые достать можно только через несколько месяцев в крупных городах (в основном, в Москве или Санкт-Петербурге).

Эксплуатация подобного оборудования требует высокой технологической культуры и дисциплины по обеспечению требуемого водного режима. В межотопительный период, когда не работает система теплоснабжения, во избежание возникновения парникового эффекта в замкнутых пространствах внутренних полостей пластинчатых теплообменников, приводящих к порче резиновых прокладок, требуется тщательная вентиляция и просушка всего внутреннего объема. Также широко разрекламированная способность пластин к самоочищению происходит только в ограниченном диапазоне расходов воды, а во всех остальных случаях отложения и особенно биологические можно удалить только механическим способом, после полной разборки аппарата.

Необходимо отметить также высокую стоимость импортных пластинчатых аппаратов по сравнению с аналогами отечественных кожухотрубных аппаратов.

Выводы

В системах теплоснабжения России должно применяться водоводяное теплообменное оборудование, которое имеет высокий уровень тепловой эффективности, надежно и устойчиво в работе (включая и переменные режимы работы), ремонтопригодно (т.е. возможен ремонт и очистка трубного и межтрубного пространства силами собственного персонала с применением доступных материалов и стандартного инструмента), имеющее простую конструкцию и низкую цену. Этим требованиям соответствует новая серия водоподогревателей типа ПВВР. Для небольших и локальных систем теплоснабжения и горячего водоснабжения, а также для систем, где отсутствует обработка воды, изношены тепловые сети, применение пластинчатых теплообменных аппаратов не может быть рекомендовано ни с технической, ни с экономической точки зрения, т.к. их стоимость значительно превышает стоимость кожухотрубных марки ПВВР и по основным наиболее важным показателям надежной эксплуатации они уступают кожухотрубным подогревателям.

П.А. Лыгин, директор, ООО «Волгопромэнерго», г. Саратов