Разработка и производство
теплообменного оборудования
  • Главная
  • Статьи
  • Новое кожухотрубное теплообменное оборудование с улучшенными эксплуатационными характеристиками

Новое кожухотрубное теплообменное оборудование с улучшенными эксплуатационными характеристиками

2017.04.07

Валиулин С.Н., доцент, к.т.н.
Бурдастов Н.Н., к.т.н.
Хуртин В.В.
Пыжов О.В.

В технике в настоящее время используется огромное количество разнообразного по конструкции оборудования теплообменного. Но лишь два типа – кожухотрубное и пластинчатое – широко применяется в практике теплоснабжения.

Данный факт не говорит о наличии специфических отрицательных черт у оборудования остальных групп, а скорее свидетельствует о том, что при наличии своих положительных и отрицательных свойств у теплообменников каждой конструкции, сложному набору требований, характерному для условий теплосетей, на современном этапе развития технологии и теплогидравлики, в наибольшей степени удовлетворяют аппараты именно двух указанных типов.

Не занимаясь в данной работе подробным анализом достоинств и недостатков трубчатого и пластинчатого оборудования, отметим, что, по нашему мнению, у каждой из этих групп теплообменников есть свои эксплуатационные ниши, где их положительные свойства могут быть раскрыты в наибольшей степени.

Сами мы при этом являемся убежденными сторонниками трубчатых систем по следующим причинам:

• трубчатые поверхности технологичны, ремонтопригодны, дешевы;

• в трубчатых системах легко обеспечиваются условия прочности с запасами, соответствующими требованиям Госгортехнадзора;

• при использовании современных отечественных достижений теплогидравлики, трубам может придаваться нужный профиль поверхности для увеличения теплоотдачи в 2…3 раза по отношению к гладким поверхностям (что соответствует интенсификации на волнистых пластинах) при лучшем соотношении теплоотдачи и гидравлических потерь в сравнении с пластинчатыми;

• трубчатые системы допускают как химическую, так и все виды механической очистки, в т. ч. кавитационно-ударную, механическими щетками и т.п.

Отличительные качества трубчатых систем обеспечивают потенциальную возможность создания кожухотрубных аппаратов с массогабаритными и теплогидравлическими характеристиками, не уступающими теплообменникам никаких других типов.

При этом, однако, необходимо иметь ввиду, что теплообменное оборудование, работающее на городских и промышленных объектах теплоснабжения находится далеко не в идеальных условиях в отношении качества теплоносителей.

Совместная атака накипеобразующих элементов, коррозионно-активных ионов и выносимых из старых сетей взвесей на основе гидроокиси железа способна, при неблагоприятном стечении обстоятельств, за две недели похоронить надежды на хорошую работу изначально очень эффективного теплообменника.

В связи с этим, в числе важнейших требований к подогревателям систем теплоснабжения должны быть стабильность теплогидравлических характеристик и возможность быстрой, малотрудоемкой очистки.

Идея минимизации темпа роста загрязняющих отложений лежит в основе проекта аппаратов серии ПМКИ, выпускаемых в Нижнем Новгороде на предприятии «Гидротермаль». Учтены следующие подтвержденные практикой положения:

1. Темп роста загрязняющих отложений уменьшается с увеличением скорости и турбулентности потока.

2. Количество загрязняющих отложений уменьшается с уменьшением объема и количества застойных зон, связанных с разворотом потока, загромождением проточной части теплообменника и т. п.

3. Загрязняющие отложения менее интенсивно накапливаются на поверхностях, имеющих малую шероховатость и высокую коррозионную стойкость.

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 труб турбулизирующих кольцевых канавок и выступов обеспечивает интенсивную пристенную турбулизацию, увеличивающую теплоотдачу в 2.0…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. 1), 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.

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 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.

Новые Кожухотрубные Теплообменные Аппараты с Улучшенными Эксплуатационными Характеристиками Рис.1. Подогреватель ПМКИ исполнения 22
номинальной мощностью 200 кВт.
Новые Кожухотрубные Теплообменные Аппараты с Улучшенными Эксплуатационными Характеристиками Рис.2. Подогреватель ПМКИ исполнения 33
номинальной мощностью 2250 кВт.
Новые Кожухотрубные Теплообменные Аппараты с Улучшенными Эксплуатационными Характеристиками Рис.3. Подогреватель ПМКИ исполнения 21×2
номинальной мощностью 4500 кВт.

Ряд подогревателей ПМКИ включает 44 основных типоразмера на тепловые потоки от 60 до 6000 кВт. Мощности до 3000 кВт обеспечиваются работой однокорпусного подогревателя, а мощности до 6000 кВт работой блока из двух аппаратов (см. рис. 3).

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 и тепловой эффективности всех подогревателей.

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

Профиль турбулизаторов на трубах может быть подобран так, чтобы обеспечить заданные характеристики 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. 4 показана последовательная компоновка подогревателей исполнения 22, а на рис. 5 – подогревателей исполнение 33.

Новые Кожухотрубные Теплообменные Аппараты с Улучшенными Эксплуатационными Характеристиками Рис. 4. Подогреватели ПМКИ исполнения 22,
соединенные последовательно.
Новые Кожухотрубные Теплообменные Аппараты с Улучшенными Эксплуатационными Характеристиками Рис. 5. 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. 6 показан блок из четырех подогревателей ПМКИ-28,4/22 включенных последовательно-параллельно на суммарный тепловой поток 5,5…6 МВт.

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

Новые Кожухотрубные Теплообменные Аппараты с Улучшенными Эксплуатационными Характеристиками Рис. 6. Блок подогревателей ПМКИ-28,4/22,
включенных последовательно-паралелльно.
Новые Кожухотрубные Теплообменные Аппараты с Улучшенными Эксплуатационными Характеристиками Рис. 7. Блок подогревателей ПМКИ-40,6/33,
включенных последовательно-паралелльно.

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.

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 27590-88Е) 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.

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.

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.

Литература:

1.    Справочник по теплообменным аппаратам / П.И. Бажан, Г.Б. Каневец, В.М. Селиверстов. – М.: Машиностроение, 1989.
2.    Справочник по теплообменникам: в 2 т. / Пер. с англ., под ред. Б.П. Петухова, В.К. Шикова. – М.: Энергоатомиздат, 1987.
3.    Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Копп И.З., Мякочин А.С. Эффективные поверхности теплообмена. – М.: Энергоатомиздат, 1998.