Винтовые теплообменники для систем горячего водоснабжения (ГВС) и отопления

Сегодня рынок водо-водяных и пароводяных теплообменников (бойлеров) для нагрева воды в системах горячего водоснабжения (ГВС) и отопления представлен достаточно широким ассортиментом разнообразных аппаратов – емкостными (СТД, ВТУ, …), кожухотрубными (типа ПП, ПВ, ПСВ, …), пластинчатыми (Альфа Лаваль, …). У каждого типа свои достоинства и свои недостатки.

Например, кожухотрубные теплообменники, получившие наибольшее распространение (из-за сравнительно невысоких требований к водоподготовке), обладают следующими недостатками:

- отсутствие надежного дистанцирования теплообменных труб, что приводит к их провисанию, снижению теплопроизводительности и долговечности;

- низкий коэффициент теплопередачи, который составляет 1200-1500 Вт/(м²К), следовательно, большие габариты, высокая металлоемкость, необходимость больших площадей для установки;

- отложение содержащихся в воде солей жесткости на теплообменных поверхностях, что приводит к снижению коэффициента теплопередачи;

- образование воздушных мешков в межтрубном пространстве аппарата, приводящее к снижению интенсивности его работы;

- «проскоки» пара и высокая температура на выходе из аппарата.

Разборные пластинчатые теплообменники впервые стали применяться в пищевой промышленности. Их достоинствами являются: высокая интенсивность теплопередачи (К=4500÷5000 Вт/(м²К)) и компактность. Но при этом они обладают очень существенным недостатком – интенсивным отложением загрязнений на теплопередающих поверхностях, что значительно снижает их эффективность. Бороться с этим недостатком можно либо применением сложных дорогих систем водоподготовки (стоимость которых может в несколько раз превышать стоимость самого бойлера), либо периодической чисткой (через 10-20 дней). Именно этот недостаток не позволил им занять главенствующие позиции на рынке.

Альтернативой может стать российская разработка – винтовые теплообменники. Эти аппараты разработаны ФГУП «УНИХИМ с ОЗ», а поставляются ООО «Техник С».

Винтовые теплообменники состоят из корпуса, трубного пучка, трубных досок, а также, поперечных и винтовых перегородок, благодаря которым движение воды (водо-водяные теплообменники) или пароконденсатной смеси (пароводяные теплообменники) в межтрубном пространстве осуществляется по винтовой траектории.

Оригинальная конструкция обеспечивает: интенсивность теплопередачи К=4000÷5000 Вт/м²К (что соответствует уровню лучших зарубежных образцов пластинчатых теплообменников); надежность (аппараты работают годами без выхода из строя в системах с возможными гидроударами и изменяющимися в десятки раз нагрузками по воде или пару); полную конденсацию пара (пароводяные подогреватели), глубокое охлаждение кондесата (до 70-85°С) в одном аппарате; устойчивую работу на загрязненной воде (без отложений или с минимальными отложениями окислов железа и солей жесткости на теплообменных поверхностях труб) в течение нескольких лет.

Исключение или сокращение скорости роста отложений на теплообменной поверхности, позволяющее эксплуатировать подогреватели до 2-3 лет (падение теплопроизводительности при этом не превышает 15%), является основным достоинством аппаратов данного типа. Поэтому они могут использоваться для подогрева воды с различным содержанием включений, начиная от воды соответствующей ГОСТ 4151-72 «Вода питьевая», где содержание Fe2O3 не превышает 0,3 мг/дм³ (Свердловская ТЭЦ, г. Екатеринбург) до воды с содержанием Fe₂O₃ – 3,0-49 мг/дм³ (Ханты-Мансийский АО, г. Советский).

Отложение оксидов железа, кремния, солей жесткости Fe₂O₃, SiO₂, CaO+MgO, P₂O₅ и пр. на теплообменных поверхностях при нагреве воды создают массу трудностей эксплуатационным службам – для восстановления теплотехнических показателей стандартного оборудования аппараты через 2-3 месяца приходится останавливать на чистку и ремонт, что часто связано с демонтажом многотонных теплообменников в ограниченных пространствах. В условиях активного отложения включений на ряде предприятий приходится иметь до 300% запаса поверхности традиционных подогревателей, что резко увеличивает и без того высокие затраты на содержание теплообменного оборудования.

Устойчивая работа винтовых теплообменников на воде низкого качества объясняется реализацией в конструкции винтового теплообменника наиболее простого и дешевого способа водоподготовки, позволяющего добиваться сокращения или исключения отложений на теплообменной поверхности. Способ заключается а создании автоматического пульсационно-вихревого режима движения теплообменивающихся потоков как в межтрубном, так и в трубном пространстве подогревателей. Благодаря высокой интенсивности теплоотдачи в межтрубном пространстве ПВВВ (водо-водяных подогревателей) и ППВВ (пароводяных подогревателей) как при кондесации пара, так и при движении греющей воды по винтовой траектории в корпусе подогревателей, возникает возможность компоновки трубного пучка из тонкостенных нержавеющих труб большого диаметра (25-38 мм) длиной 2-4 м, при скорости движения нагреваемой воды в трубах 1,5-3 м/с с общим коэффициентом теплопередачи
К=4000÷5000 Вт/м²К, обеспечивающим регламентные температурные перепады в системах горячего водоснабжения (ГВС) и отопления жилых или промышленных объектов. В свою очередь, при указанных режимах движения водных потоков в винтовых теплообменниках достигаются гидродинамические условия, при которых отложения минимальны или отсутствуют весь срок многолетней эксплуатации. Например, при замене подогревателя сетевой воды ПСВ-200-7-15 (кожухотрубный) поверхностью 200 м² с производительностью по охлаждаемой деаэрированной воде 300 м³/ч на подогреватель с винтовым движением деаэрированной воды в межтрубном пространстве 800 ПВВВ-6-М11/25-2-4 поверхностью 100 м², производительностью 450 м³/ч при разности цены в 2 раза в пользу последнего аппарат проработал 2,5 года без чистки труб, потерял 15% теплопроизводительности, после чего был выведен на чистку труб 0 25×1,2, которая была осуществлена волосяным ершиком, после чего был запущен в работу с первоначальными теплотехническими характеристиками. Необходимо отметить, что ПСВ с латунными трубками 0 19*1, приходилось чистить через 2-3 месяца с демонтажом многотонной трубчатки и пробиванием забившихся труб.

Опыт внедрения подогревателей с винтовым движением воды, пара или пароконденсатной смеси в межтрубном пространстве (ПВВВ и ППВВ) на многих предприятиях Урало-Сибирского региона в системах ГВС и отопления показал, что можно рассчитывать скорость отложения окислов железа и солей жесткости из водных потоков на теплообменных поверхностях, создавая условия пульсационно-вихревого движения водных потоков, при которых отложения отсутствуют или минимальны, что позволяет эксплуатировать винтовые бойлеры без постоянных остановок аппаратов на чистку.

Повышение интенсивности и надежности винтовых подогревателей позволяет сократить установочные теплообменные поверхности, тем самым резко сократить капитальные и эксплуатационные затраты (до 2 раз по сравнению с традиционными теплообменниками).

Спиральные теплообменники

Спиральные теплообменники используются в спиртовой, пищевой, фармацевтической, нефтяной, химической, ЖКХ и других отраслях промышленности, где требуется высокоэффективный теплообмен. На спиртовых предприятиях использование спиральных теплообменников позволяет резко снизить объемы потребляемой воды. Можно использовать жидкости, которые содержат до 20% твердых примесей (осахаренное сусло, бражка), а также встречные потоки газ-жидкость и газ-газ.

Таблица 11.1

Сравнительная таблица бойлеров в системах подогрева горячей воды
(ГВС) от 5-15ºС до 60ºС при максимальной температуре
греющей воды летом 70ºС

№ п/п	Тип бойлера	Теплопро-изводи-тельность, Гкал/ч	Поверхность теплообмена с учетом загрязнений, м2	Количество секций, шт.	Цена, тыс. руб.
	Теплообменник кожухотрубный ГОСТ 27590-88 Длина труб – 4000 мм Диаметр корпуса – 57 мм	0,055	6,0		40,0
Теплообменник винтовой (ПВВВ) Длина труб – 2000 мм Диаметр корпуса – 57 мм	0,76		30,2
Теплообменник пластинчатый (Alfa Laval)	0,90	1-2	50,3
	Теплообменник кожухотрубный ГОСТ 27590-88. Длина труб – 4000 мм Диаметр корпуса – 89 мм	0,165-0,22	15,7		64,0
Теплообменник винтовой (ПВВВ) Длина труб – 2000 мм Диаметр корпуса – 114 мм	3,0		50,5
Теплообменник пластинчатый (Alfa Laval)	3,5	1-2	75,0
Теплообменник кожухотрубный ГОСТ 27590-88 Длина труб – 4000 мм Диаметр корпуса – 114 мм	24,8		86,6
	Теплообменник винтовой (ПВВВ) Длина труб – 2000 мм Диаметр корпуса – 159 мм	0,275-0,385	4,6		65,2
Теплообменник пластинчатый (Alfa Laval)	5,3	1-2
Теплообменник кожухотрубный ГОСТ 27590-88 Длина труб – 4000 мм Диаметр корпуса – 114 мм	28,3		99,0

Окончание табл. 11.1

№ п/п	Тип бойлера	Теплопро-изводи-тельность, Гкал/ч	Поверхность теплообмена с учетом загрязнений, м2	Количество секций, шт.	Цена, тыс. руб.
	Теплообменник винтовой (ПВВВ) Длина труб – 2000 мм Диаметр корпуса – 219 мм	0,44-0,5	7,6		84,6
Теплообменник пластинчатый (Alfa Laval)	8,8	1-2	116,0
Теплообменник кожухотрубный ГОСТ 27590-88 Длина труб – 4000 мм Диаметр корпуса – 219 мм	84,0		196,0
	Теплообменник винтовой (ПВВВ) Длина труб – 2000 мм Диаметр корпуса – 273 мм	0,18-0,25	10,3		175,0
Теплообменник пластинчатый (Alfa Laval)	12,0	1-2	230,3
Теплообменник кожухотрубный ГОСТ 27590-88 Длина труб – 4000 мм Диаметр корпуса – 219 мм	96,0		224,0
	Теплообменник винтовой (ПВВВ) Длина труб – 2000 мм Диаметр корпуса – 325 мм	0,65	16,4		198,0
Теплообменник пластинчатый (Alfa Laval)	19,0	1-2	320,0
Теплообменник кожухотрубный ГОСТ 27590-88 Длина труб – 4000 мм Диаметр корпуса – 273 мм	162,4		385,0

Горизонтальные спиральные теплообменники применяют для теплообмена между двумя жидкостями. Для теплообмена между конденсирующимся паром и жидкостью используют вертикальные спиральные теплообменники; такие теплообменники применяют в качестве конденсаторов и паровых подогревателей для жидкости.

Достоинства спиральных теплообменников:

- высокий коэффициент теплообмена, достигающий 3820 Вт/м²·ч·°С, что в 2-3 раза выше, чем у трубчатых теплообменников;

- надежная конструкция; благодаря герметизации каждого из двух проходов встречные потоки не смешиваются;

- спиральные теплообменники (СТ) занимают гораздо меньшую площадь по сравнению с трубчатыми теплообменниками;

- спиральные теплообменники отличаются компактностью, малыми гидравлическими сопротивлениями и значительной интенсивностью теплообмена при повышенных скоростях теплоносителей;

- возможность самоочистки, их легко обслуживать.

Принцип устройства. В спиральных теплообменниках поверхность нагрева образуется двумя тонкими металлическими листами, приваренными к разделительной перегородке (керну), и свернутыми в виде спиралей. Для придания листам жесткости и прочности, а также для фиксирования расстояния между спиралями, к листам с обеих сторон приварены дистанционные бобышки. Спиральные каналы прямоугольного сечения ограничиваются торцевыми крышками. Спиральные теплообменники выполняются горизонтальными и вертикальными; часто их устанавливают блоками по два, четыре и восемь аппаратов. Теплообменники выполнены полностью из нержавеющей стали высокого качества, защищены кожухом.

Таблица 11.2

Техническая информация

Модель теплообмен-ника	S, м2	Ши-ри-на, мм	Высота канала b, мм	Диа-метр, D, мм	Производитель-ность, qv м3/год при скорости потока	Диа-метр флан-ца, DN1 мм	Диа-метр флан-ца, DN2 мм	Вес, кг
1.0 m/s	1.5 m/s
KLSO.6-20-610-10/10			10/10		21.2	31.9	65/65	65/65
KLSO.6-20-750-10/10			10/10		26.3	39.4	65/65	65/65
KLSO.6-20-610-14/14			14/14		29.3	44.0	65/65	80/80
KLSO.6-20-750-12/12			12/12		31.4	47.1	65/65	80/80
KLSO.6-40-750-14/14			14/14		36.4	54.6	65/65	80/80
KLSO.6-40-1220-16/16			16/16		68.4	102.6	100/100	125/125
KLSO.6-50-750-16/16			16/16		41.4	62.0	80/80	100/100

Рис. 11.1