Разработка и производство
теплообменного оборудования
  • Главная
  • Статьи
  • К вопросу сравнения пластинчатого разборного и кожухотрубного теплообменного оборудования

К вопросу сравнения пластинчатого разборного и кожухотрубного теплообменного оборудования

2010.04.07

Валиулин С.Н.
ООО «Гидротермаль» г. Нижний Новгород

В российской теплотехнике к настоящему времени сложилась необычная ситуация, связанная с пластинчатыми разборными теплообменными аппаратами (ПРТА).

Характеризуется она с одной стороны, беспрецедентной рекламной компанией дилеров зарубежных фирм  в отношении подогревателей данного класса, шумихой вокруг реальных и мнимых достоинств этих аппаратов с одновременной абструкцией остальной теплообменной техники, а с другой, отсутствием какого-либо особого интереса к аппаратам данного типа в среде учёных теплогидравликов, занимающихся поиском наиболее эффективных теплообменных систем. (См., например, Труды Российской Национальной конференции по Теплообмену)

Целесообразно разобраться, какие все-таки свойства ПРТА, в действительности, подвигают их производителей прикладывать гигантские усилия для внедрения данной техники на российский рынок.

Производители в числе непревзойденных положительных качеств ПРТА, в первую очередь, называют:
-малые габариты и массу,
-высокий коэффициент теплоотдачи,
-коррозионную стойкость, высокий ресурс и надежность,
-удобство монтажа и обслуживания.

Отметим, что в литературе / 1,2 / неоднократно доказывалась слабая обоснованность претензий поставщиков ПРТА на монополизацию этих действительно важных качеств.

Сделаем лишь некоторые замечания, основанные на личном практическом опыте разработки и эксплуатации интенсифицированных теплообменных систем.

Известно / 3,4 /, что массогабаритные характеристики теплообменных аппаратов в основном определяются двумя факторами: плотностью компоновки теплообменной поверхности и степенью интенсификации теплообмена. Условный определяющий размер каналов ПРТА (диаметр гидравлический) весьма мал и составляет 5…8 мм, что позволяет в 1 м3 активной зоны ПРТА сосредоточить 120…200 м кв. теплообменной поверхности.

Однако те же значения плотности компоновки характерны для трубных ТА с диаметром трубок 5..8 мм, используемых, например, в транспортных охладителях. Причем гидравлический диаметр 5…8 мм вовсе не является пределом.

Так в авиации используются аппараты с трубками 1,5…2 мм и плотностью компоновки 500…700 м2/м3, а для охлаждения радиоэлектронных  и других теплонапряженных узлов применяются трубчатые микроохладители с плотностью компоновки более 5000 м2/м3 / 5 /.

Что касается теплообменников систем теплоснабжения, в качестве сравнительного примера приведем данные об объеме пластинчатых с пластинами Sondex и современных аппаратов ПМКИ (производитель ООО “Гидротермаль”) Рис. 1.

Видно, что сравниваемые аппараты имеют практически одинаковые удельные объемы. Некоторый разброс точек обусловлен различными видами конструктивного исполнения. Примечательно, что данный результат получен для аппаратов ПМКИ с трубками, имеющими гидравлический диаметр 10 мм, что в 1,6 раза больше гидравлического диаметра пластинчатых теплообменников.

Высокие значения коэффициентов теплоотдачи в ПРТА (15000…25000 Вт/(м2 К)) обусловлены высокой степенью объемной турбулизации потока в каналах сложной формы. Но и здесь приходится констатировать: с теми же значениями коэффициентов теплоотдачи работают современные трубчатые теплообменники / 3,4 / интенсифицированные методами пристенной турбулизации.

При этом, однако, для теплообменников важно не только само значение коэффициента теплоотдачи, но и то, ценой каких гидравлических потерь оно достигнуто. А в этом отношении трубчатые интенсифицированные теплообменники ощутимо эффективней ПРТА.

Для примера воспользуемся данными / 6 / Рис. 2, где приведены графические зависимости коэффициентов теплоотдачи различных теплообменных поверхностей  в функции удельной энергии гидравлических потерь  , где   — объемный расход теплоносителя через канал,   — гидравлическое сопротивление канала,   — рабочая поверхность канала. Видно, что пластинчатые поверхности по комплексному показателю теплогидравлической эффективности значительно опережают гладкие трубы.
Однако если на это поле нанести данные современных теплообменных труб с кольцевой накаткой при dr=8,5…10 мм картина меняется на противоположную: при равной теплоотдаче пластины имеют примерно в двое худшее сопротивление.

Что касается массовых характеристик, то если ПРТА не сравнивать с аппаратами полувековой давности (например, ГОСТ 27590), то они выглядят скромно.

На рис.3 приведены сравнительные данные трубчатых теплообменников ПМКИ и ПРТА с пластинами Sondex. Видно, что почти во всем диапазоне типоразмеров пластинчатые аппараты уступают трубчатым. И это при том, что толщина стенок трубок ПМКИ составляет 1,0 мм, что в 2 раза превышает толщину сравниваемых пластин Sondex.

Если же сравнивать ПРТА с тонкостенными аппаратами, например серии ТТАИ (производитель ООО «Теплообмен»), то проигрыш ПРТА по данному параметру увеличивается на порядок / 2 /.

Декларируемая производителями высокая коррозионная стойкость и ресурс ПРТА при эксплуатации в составе теплосетей, к сожалению не подтверждается. Хотя на первый взгляд, подбор материалов пластин и прокладок должен обеспечить нормальную эксплуатацию ПРТА в течение 10…12 лет.

Наиболее опасным врагом ПРТА являются растворенные и взвешенные вещества, в изобилии присутствующие в наших теплосетях. В первую очередь это соли жёсткости и гидроокись железа. После первой же очистки адгезия отложений возрастает примерно в 2 раза. После второй очистки — дальнейшее ухудшение противонакипных свойств, связанное с ростом шероховатости пластин. Подогреватели пятого-шестого года эксплуатации на многих объектах требуют очистки раз в 4…8 недель.

Отметим, что обещанная производителями легкость сборки-разборки и очистки остается в теории. На практике, химическая очистка, чаще всего, не даёт полного избавления от отложений. Промывочные растворы в системе параллельных каналов ПРТА, как правило, пробивают наиболее легкую дорожку, очищают ее до блеска, оставляя практически не тронутой грязь в застойных, плохо промываемых зонах и узкостях. Проконтролировать степень очистки ПРТА без разборки практически невозможно, а внешние признаки хода реакции очистки — пена и видимая грязь в растворе могут отсутствовать.

Разборка загрязненного ПРТА — отдельная проблема, чреватая порчей как пластин, так и прокладок. Опыт эксплуатации показывает, что при разборке ПРТА загрязненных твердой накипью на основе солей карбонатной жескости выходит из строя до 5% пластин. Прокладки выдерживают 4..5 разборок.

Но самая большая опасность кроется не в самих не смытых частицах отложений, а в остатках кислых моющих растворов, которые сохраняются после мойки и нейтрализации в порах накипи, под ней и в микрозазорах под прокладками.

При эксплуатации с температурами 70…115 °С активность ионов моющих растворов  резко повышается и инициирует питтинговую электоркоррозию, которая и является основной причиной выхода из строя пластин ПРТА. Осмотр испорченных пластин ПРТА выявляет наибольшее количество сквозных питтингов по периметру в районе установки прокладок.

Современные трубчатые интенсифицированные теплообменники значительно меньше подвержены пагубному влиянию отложений.

Во-первых, гидравлический диаметр каналов аппаратов, работающих  в составе теплосетей, в 1,5…3,0 раза превышает размеры каналов ПРТА, в связи с чем практически все взвешенные частицы свободно проходят через теплообменник не создавая условий для образования пробок.

Во-вторых, симметрия каналов труб и линейность их осей способствуют симметричному равномерному течению, в котором затруднено формирование зародышей накипеобразования.

В-третьих, гидравлически эффективные пристенные турбулизаторы позволяют эксплуатировать кожухотрубные теплообменники при  повышенных скоростях течения (1.5…2,5 м/с), что способствует формированию вихрей с высокой энергией, обеспечивающих смещение баланса накопления и уноса отложений в сторону уноса.

В-четвертых, прямые каналы трубчатых аппаратов легко контролируются на предмет отложений визуально и в случае необходимости, могут быть очищены механически.
В связи с отмеченным, скорость загрязнения трубчатых интенсифицированных теплообменников по результатам эксплуатации в 2,5…3 раза ниже, чем пластинчатых.

Кожухотрубные теплообменники не требовательны к качеству воды и не нуждаются в обязательной установке перед ними сетчатых и иных фильтров.

Последствия загрязнения в кожухотрубных аппаратах проявляются менее остро, чем в пластинчатых.

Высокий ресурс теплообменных аппаратов не может быть обеспечен без решения вопроса о прочности их элементов на всех эксплуатационных режимах.

Расчет прочности теплообменников выполняется согласно следующим нормативным документам: 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».

Перечисленные документы содержат надежные апробированные методики, соответствующие требованиям Госгортехнадзора, обеспечивающие высокие запасы прочности: по элементам корпуса и фланцам — 350…400%, по трубкам 1000-1500% по отношению к номинальным допускаемым напряжениям. Следствием этого являются очень высокие показатели прочности кожухотрубных ТА. Практически отсутствуют случаи разрывов элементов корпуса и труб как на всех эксплуатационных режимах, так и при их нарушении. Кожухотрубные ТА выдерживают термоудары, гидроудары, механическое воздействие со стороны присоединенных трубопроводов.

Нормативных методик расчета прочности ПРТА аналогичного уровня пока не существует. Зарубежные производители вообще не раскрывают, какими методиками они пользуются. Сопроводительная документация ПРТА содержит лишь сведения о рабочем и допустимом давлении в полостях. Все производители обязательно указывают ограничение по допустимой скорости прогрева – охлаждения ПРТА, а так же ограничения по допустимой скорости изменения давления в полостях. Это говорит о высокой чувствительности ПРТА к нарушению режимов эксплуатации и существенно меньших запасах прочности их элементов.

Благодаря компактности и форме приближенной к параллелепипеду ПРТА хорошо компонуются в составе котельных и теплопунктов, в том числе там, где ограничены площади. При этом ПРТА имеют значительные преимущества перед старыми конструкциями, например, по ГОСТ 27590.

Однако, если сравнивать современные ПРТА и новые кожухотрубные аппараты (ПМКИ, ТТАИ и др.) ни о каком преимуществе по компоновке говорить не приходится: производители предлагают компактные аппараты любых конфигураций с удобным размещением патрубков и элементов крепления, которые удовлетворяют любым самым жестким требованиям по компоновке.

На рис. 4 приведена фотография котельной (пос. Б. Мурашкино, Нижегородской обл.) с двумя установленными подогреват. марки ПМКИ-26,2/44 с номинальным тепловым потоком 1,5 МВт каждый, которыми на шестой год эксплуатации были заменены два вышедших из строя пластинчатых подогревателя одной из ведущих зарубежных фирм. Подогреватели ПМКИ установлены на штатных местах и присоединены к штатным фланцам трубопроводов системы котельной. По данным владельца котельной, после установки подогревателей ПМКИ прекратились случаи отключения котлов из-за перегрева котельного контура, увеличилась подача теплоносителя в сеть, котельная вышла на полную мощность.

Выполненный краткий сравнительный анализ не выявляет какого-либо преимущества ПРТА в эксплуатации.

Значит, источник энергии дилеров ПРТА лежит не в области достоинств, которыми воспользуется потребитель продукции, а в области достоинств, которыми воспользуется производитель и продавец.

Действительно, ПРТА – выгодный продукт для внедрения на российский рынок. Свойства ПРТА соответствуют требованиям популярной экономической стратегии: производитель получает прибыль не столько от продажи техники, сколько от ее обслуживания.

Пластинчатые подогреватели, нормально отработав гарантийный срок, неминуемо загрязняются, последующие сборки-разборки и очистки требуют дорогого промывочного раствора, фирменных промывочных устройств, дорогих оригинальных прокладок, заменяемых и дополнительных пластин, сопутствующих расходных материалов и др. Все эти элементы стандартизированы только в пределах предприятия-изготовителя, всвязи с чем эксплуатационник может обратиться за запчастями и расходными материалами только к производителю или его дилерам.

Производители кожухотрубных теплообменников придерживаются традиционной российской стратегии: техника рассчитана на максимально возможный срок работы, эксплуатационные затраты потребителя минимальны. Этим во многом объясняется то, что тенденция к минимизации габаритов и массы трубчатых аппаратов не сопровождается снижением запасов прочности, уменьшением надежности или ухудшением других характеристик.

Совершенствование параметров трубчатых аппаратов идет, главным образом, благодаря внедрению новейших достижений теории теплообмена, применению оптимальных схем движения теплоносителей, использования новых технологических приемов и конструктивных решений.

Так продолжает совершенствоваться прекрасно зарекомендовавшая себя технология интенсификации теплоотдачи труб с применением кольцевой и винтовой накатки./ 4 / Одновременно идут перспективные разработки по применению технологии луночной интенсификации теплоотдачи. / 7 /
Новые эффективные конструктивные решения получены с применением современных технологий аргонно-дуговой и электронно-лучевой сварки, MIG-пайки, применения высокопрочных клеевых составов и др.

Литература:
1. Пермяков В. А. И др. К вопросу выбора типа водо-водяных подогревателей для систем теплоснабжения // Промышленная энергетика, 2000. №4, с. 37-44.
2. Барон В. Г. Тонкостенные теплообменные интенсифицированные аппараты – альтернатива пластинчатым теплообменникам. // Теплоэнергоэффективные технологии, 2003. №4 с. 52 55.
3. Будов В. М., Дмитриев С. М. Форсированные теплообменники ЯЭУ. – М.: Энергоатомиздат, 1989, — 176 с.
4. Калинин Э. К., Дрейцер Г. А., Копп И. З., Мякочин А. С. Эффективные поверхности теплообмена. – М.: Энергоатомиздат, 1998, — 408 с.
5. Дилевская Е. В. Криогенные микрохолодильники. М.: Машиностроение, 1978. – 165 с.
6. Барановский Н. В., Коваленко Л. М., Ястребенецкий А. Р. Пластинчатые и спиральные теплообменники. М.: Машиностроение, 1973. – 288 с.
7. Мунябин К.Л. Теплоотдача и гидродинамическое сопротивление при обтекании поверхностей формованных сферическими углублениями. Труды III Российской Национальной Конференции по Теплообмену в 8 томах. Т. 6. Интенсификация теплообмена. Радиационный и сложный теплообмен. М.: изд. МЭИ, 2002 г. с 155-158

Рис 1

Зависимость габаритного объема теплообменников разных типов от площади теплообменной поверхности.

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, с кольцевой накаткой dотн= 0,948, tотн=0,5; 14 – труба диаметром 10?0,8 мм, профилированная, с кольцевой накаткой dотн= 0,95, tотн=0,595

Зависимость коэффициента теплоотдачи от удельной мощности, затраченной на перемещение среды, для пластин различных профилей и труб.

Рис 3

Зависимость массы теплообменников разных типов от площади теплообменной поверхности.

Рис 4