О контактных теплообменных струйных аппаратах Коссет и КТСА

Струйные аппараты «Коссет» и «КТСА» относятся к классу пароводяных инжекторов. Рабочей средой в них является водяной пар, а инжектируемой — нагреваемая вода. Разработчики «Коссет» (ПО «Химсталькомплект» г. Озерск) рекламируют свой аппарат как дальнейшее совершенствование известных струйных трансзвуковых устройств «Фисоник», а создатели «КТСА» (выходцы из ПО «Химсталькомплект») утверждают, что их теплообменник — это усовершенствованный «Коссет». Рассмотрим схемы этих трех инжекторов.

Классический пароводяной инжектор

Состоит из парового сопла, входного конфузора, камеры смешения и диффузора. Подачу нагреваемой воды производят через щель между поверхностями сопла и конфузора. Пар разгоняется в сопле до сверхзвуковой скорости и распыляет нагреваемую воду. Полученная смесь, двигаясь в камере смешения, образует двухфазный скачок уплотнения, на котором происходит конденсация пара. В диффузоре происходит снижение скорости потока и повышение давления. При некоторых условиях давление нагретой воды может превышать давления пара и нагреваемой воды.

Недостатки таких пароводяных инжекторов, схема которых положена в основу многими изготовителями (аппараты «Фисоник», Трансссоник«, «Кварк», ПСА «Новые технологии», СФА и т.д.) хорошо известны.

Это шум и вибрации при их работе, ограничения по температуре нагреваемой воды (обычно 70-80⁰), невозможность работы с минимальным подогревом воды из-за прекращения распыла воды при снижении расхода пара, для эффективной работы требуется высокая степень сухости пара, давление пара должно быть выше давления воды. Максимальная производительность одного аппарата не более 300 т/ч, а для больших объемов нагреваемой воды необходимо применение нескольких параллельно установленных теплообменников с соответствующей системой управления. Для повышения ресурса аппаратов, изготовители вынуждены применять нержавеющие стали, и даже титан, так как проточный тракт испытывает кавитационно-эрозионный износ вследствие кавитации при схлопывании пузырьков пара плюс высокие (сверхзвуковые) скорости. В результате сопло из нержавейки может не хватить на один год. Стабильность работы аппаратов зависит от точности задания расчетных значений давлений, расходов, температур воды и пара. Колебания параметров сопровождаются низкочастотными пульсациями потока в связи с перемещением двухфазного скачка уплотнения вдоль камеры смешения. В идеале расчетное положение скачка — это камера смешения. При этом аппарат нормально работает, если геометрия его проточной части соответствует расчетной (точно изготовлена, не изношена). Текущее положение скачка в процессе работы будет определяться входными давлениями воды и пара, расходами воды и пара, величиной противодавления, степенью сухости пара. Например, если резко возрастает противодавление, то скачок будет перемещаться вверх по потоку в конфузор, возникнут дополнительные пульсации, а при дальнейшем перемещении срыв работы подогревателя. При снижении противодавления, скачок может оказаться в диффузоре, при этом нарушится нормальная конденсация пара и могут быть прорывы пара в теплосеть после аппарата.

Контактный струйный сетевой теплообменник Пароутилизатор-С «Коссет»

(ПО «Химсталькомплект» г. Озерск)

Имеет следующие отличия от классического пароводяного инжектора:

• теплообменник выполнен в виде пароструйного аппарата классической схемы, помещенного внутрь трубопровода нагреваемой воды. В результате нагреваемый поток воды разделяется на две части: одна часть воды через кольцевую щель поступает в конфузор струйного аппарата, а другая — обтекает его наружную поверхность;
• в кольцевой щели на входе в конфузор и после перфорированного диффузора установлены под углом к оси аппарата лопатки для закручивания потока воды (в описании лопатки названы авторами соответственно турбулизатором и диссипативной насадкой).

Схема контактного струйного сетевого теплообменника «Коссет»

Идея состоит в разделении нагреваемого потока воды внутрь струйного аппарата и в окружающее его пространство, пропорционально подаваемому количеству пара. По мнению авторов, это приведет к повышению устойчивости работы теплообменника за счет автоэжекции в диапазоне изменения параметров воды и пара от 0 до 100% по расходу и давлению (в других информационных материалах этот диапазон указывается от 20% до 100%?).

Однако, анализ схемы теплообменника «Коссет», показывает, что наличие дополнительного контура нагреваемой воды между поверхностями струйного аппарата и трубопровода нагреваемой воды может привести не к улучшению, а к ухудшению характеристик нагревателя, а именно к передаче возмущений на выходе из теплообменника вверх по потоку, в отличие от классического инжектора. Например, любые изменения противодавления, пульсации давления нагретой воды, движение несконденсировавшегося пара через перфорацию диффузора, проскоки пара будут передаваться по указанному контуру на вход в конфузор струйного аппарата и нарушать его работу.

Подтвердить или опровергнуть данные рассуждения может только практика и отзывы потребителей. Однако на официальном сайте изготовителя «Коссет» отзывы отсутствуют. Из доступной информации есть только обсуждение на форуме специалистов АВОК.

13 декабря 2018 году на форуме Диалог специалистов АВОК: http://forum.abok.ru/index.php?showtopic=41678

Контактный теплообменный струйный аппарат КТСА (ООО «Комплексное Нефтегазовое Снабжение» г.Озерск

Отличием теплообменника «КТСА» от «Коссета» является то, что струйный аппарат выполнен по бездиффузорной схеме. Другое отличие состоит в том, что вместо диффузора на выходе из камеры смешения установлена с кольцевым зазором труба, которая, по мнению авторов, выполняет функцию гидроэлеватора. В кольцевом зазоре установлены направляющие лопатки для закручивания потока воды, обтекающего наружную поверхность струйного аппарата. И в завершении, на выходе из теплообменника имеется винтовой завихритель в виде пластины, скрученной на 90⁰.

Как видно, КТСА получает все вышеперечисленные недостатки, присущие классическому пароводяному инжектору, плюс недостатки «Коссета». Дополнительный недостаток КТСА, на мой взгляд, заключается в применении винтового завихрителя на выходе из струйного аппарата. Струя нагретой воды, имеющая скорость порядка 5-10 м/с, ударяясь о завихритель приведет к образованию волны сжатия, распространяющуюся вверх по потоку, на вход в конфузор струйного аппарата (через контур между струйным аппаратом и трубопроводом нагретой воды), что может привести к возникновению автоколебаний и дополнительно ухудшит работу теплообменника.

Схема контактного теплообменного струйного аппарата КТСА

Следует отметить, что, судя по этой схеме, разработчики КТСА, как и «Коссета», по какой-то причине отрицают необходимость выполнения прямолинейного трубопровода после струйного аппарата для гашения скорости потока до приемлемых значений. И это в то время когда все изготовители пароводяных инжекторов в своих руководствах по эксплуатации прямо прописывают это требование. Более того, сравнивая свой теплообменник КТСА со струйным подогревателем воды УМПЭУ (ООО «Прессмаш» г. Миасс), разработчики КТСА в качестве недостатка отметили, что «для теплообменника УМПЭУ необходимо выполнять прямолинейный участок для гашения энергии струи». То есть отсутствие трубопровода после аппарата — это не описка, а мнение разработчиков КТСА или секрет, выходящий за рамки современных знаний.

Сравнение характеристик пароводяных инжекторов и струйных подогревателей воды

Представляет интерес сравнить технические свойства рассмотренных пароводяных инжекторов, в которых рабочей средой является пар, а инжектируемой — вода с другим классом аппаратов: со струйными подогревателями воды УМПЭУ, в которых рабочей средой является нагреваемая вода, а инжектируемой — водяной пар.

Принцип работы УМПЭУ состоит в конденсации пара на водяной струе, при этом греющий водяной пар предварительно смешивается с нагреваемой водой в камере предварительного смешения, а на выходе установлен запатентованный гаситель пульсаций давления. Поэтому для УМПЭУ отсутствуют ограничения по пару, присущие пароводяным инжекторам, а низкие скорости пара (30-60 м/с) и полная конденсация пара обеспечивают бесшумную работу, долговечность (пилотные образцы отработали 21 год) и возможность изготовления из углеродистых и низколегированных сталей.

Как следует из таблицы, технические характеристики Коссет и КТСА отличаются незначительно.

Схема струйного подогревателя воды УМПЭУ (ООО «Прессмаш» г. Миасс)

Подогреватель УМПЭУ имеет ряд преимуществ по техническим свойствам по сравнению с этими теплообменниками:

· по производительности и тепловой мощности одного теплообменника; модели диаметром 300, 400 и 500 мм не имеют мировых аналогов по достигаемым параметрам, выпущено свыше 10 УМПЭУ производительностью 1000 т/ч нагреваемой воды;

· по уровню шума;

· по требованиям к качеству и давлению пара;

· по возможности установки на трубопроводах пара и воды диаметрами от 40 до 500 мм;

· по температуре нагреваемой воды не имеет ограничений, причем эксплуатируются аппараты, греющие «перегретую воду» в автоклавных производствах.