Теплообменники УМПЭУ в системах ГВС.

О применении теплообменников УМПЭУ в системах горячего водоснабжения.
М.А. Куркулов заместитель директора, А.Ф.Недугов директор, к.т.н. ООО "Прессмаш" г. Миасс Челябинская область Как правило, система ГВС состоит из пароводяного подогревателя -бойлера (кожухотрубного или пластинчатого), подвода питьевой воды и отвода конденсата. В бойлере холодная вода получает тепловую энергию от греющего пара, находящегося в межтрубном пространстве, его трубки или пластины, особенно при жесткой воде достаточно быстро покрываются накипью, имеющей низкую теплопроводность. Тогда на выходе из подогревателя наблюдается конденсат, не охладившийся до температуры нагреваемой им воды, а иногда не до конца сконденсировавшийся пар. Поскольку тепло, отданное паром нагреваемой воде и окружающей среде, представляет собой разность энтальпий соответственно пара на входе и конденсата на выходе из бойлера, то эта разность существенно уменьшается при неполной конденсации. Коэффициент теплопередачи нового кожухотрубного подогревателя обычно 94-98%, а в условиях эксплуатации, в зависимости от межпромывочного интервала, химического состава и структуры накипи, коэффициент теплопередачи может снижаться до 60% и более, что приводит к соответствующему снижению эффективности систем горячего водоснабжения и повышению энергетических потерь.

Например, по данным работы [1] в процессе эксплуатации подогревателей поверхностного типа в системах горячего водоснабжения г. Москвы на поверхностях теплообмена со стороны нагреваемой воды образуются отложения, представленные карбонатом кальция и наносными отложениями продуктов коррозии стали. Со стороны теплоносителя отложения представлены наносными продуктами коррозии трубопроводов. В результате образования отложений снижение общего коэффициента теплопередачи подогревателей за один год эксплуатации составляет 5-7%, за два года-до 30%, за три года-50% и более. Кроме того, образование отложений в трубках подогревателей приводит к повышению их гидравлического сопротивления, которое достигает 0,2 МПа.

Наличие нерастворимых примесей связано с низким качеством подпиточной воды, которое во многих случаях обусловлены характеристикой источника водоснабжения, а также изношенностью оборудования для водоподготовки. По современным представлениям интенсивность коррозионных процессов и процессов образования отложений определяется концентрацией кислорода, углекислоты, органических соединений, карбонатным индексом Ик. Обеспечить соответствие такого широкого спектра показателей качества воды нормативам – сложная технологическая и экономическая задача. При этом, как показывает практика, даже в условиях качественной работы водно-химических установок с умягчением и дегазацией воды не всегда удается обеспечить работу теплообменного оборудования без снижения его экономичности, ввиду образования отложений накипи [2,3].

Многолетний опыт показал: решением задачи повышения эффективности систем горячего водоснабжения на современном этапе, на наш взгляд, могло бы быть применение пароводяных смешивающих теплообменников УМПЭУ, разработанных в городе Миассе [4,5] Принцип действия теплообменника УМПЭУ основан на смешении насыщенного греющего пара и нагреваемой холодной (водопроводной) воды. Процесс образования накипи в теплообменнике УМПЭУ исключается вследствие отсутствия центров накипеобразования и смещения карбонатного индекса Ик к величинам значительно ниже предельно допустимых.

Для обеспечения ввода греющего пара в нагреваемый поток воды без гидравлических ударов, вибраций и шума разработан специальный способ и новые гидродинамические схемы смешивающего теплообменника. Нагреваемый поток воды, поступающий в теплообменник УМПЭУ ( рис.1), разделяется на две части: одна часть направляется в водяное сопло и служит для создания зоны локального разрежения в потоке воды, а вторая часть (в объеме до 10%) смешивается с потоком греющего пара в специальной камере предварительного смешения (конденсационной колонне) с использованием генераторов вихрей и диспергированием воды. Полученная пароводяная смесь, имеющая вихревую структуру, затем поступает в зону локального разрежения, где завершается процесс конденсации пара на турбулентной водяной струе. Для исключения пульсаций давления нагретого потока служит специальный гаситель, устанавливаемый после УМПЭУ. Отсутствие в УМПЭУ теплообменных поверхностей, разделяющих греющий пар и нагреваемую воду, высокие скорости потоков воды и пара, создание вихревых потоков, не позволяют взвешенным частицам и шламу прилипнуть к поверхностям теплообменника.

Модельный ряд освоенных теплообменников УМПЭУ.

Таблица 1

Обозначение УМПЭУ	Условный диаметр по воде, мм	Расход максимальный нагреваемой воды, т/час	Максимальная тепловая мощность одного УМПЭУ, (двух последовательно установленных),Гкал/час
УМПЭУ 02. 00. 000	50	20	0,60 (1,2)
УМПЭУ 03. 00. 000	65	41	1.23 (2,26)
УМПЭУ 04.00. 000	80	45	1,35 (2,7)
УМПЭУ 05.00. 000	100	75	2,25 (4,5)
УМПЭУ 06.00. 000	125	110	3,30 (6,6)
УМПЭУ 07. 00. 000	150	170	5,10 (10,2)
УМПЭУ 00. 00. 000	200	250	7,50
УМПЭУ 08. 00. 000	250	450	13,50
УМПЭУ 09. 00. 000	300	700	21,0
УМПЭУ 10.00. 000	350	1020	30,6
УМПЭУ 11. 00. 000	400	1400	42,0
УМПЭУ 13. 00. 000	500	2160	64,0

Теплообменники УМПЭУ изготовляют из бесшовных труб и штампованных элементов трубопроводов, поэтому они долговечны, надежны, ремонтопригодны и не требуют затрат на чистку от накипи и ремонт. Ростехнадзором России выдано разрешение на применение теплообменников УМПЭУ на трубопроводах пара и горячей воды при давлении теплоносителей до 4,0 МПа (40,0кгс/см²) и температуре до 350⁰С.

Следует отметить отличие УМПЭУ от известных теплообменников смешивающего типа, принцип действия которых основан на физическом явлении повышенной сжимаемости сверхзвукового двухфазного потока по сравнению с сжимаемостью пара и воды в отдельности. Это хорошо известные «Фисоники», «Транссоники», СФА, ПСА (НПО «Новые технологии» г. Санкт-Петербург) и т.п. аппараты, выпускаемые под разными названиями, но имеющими одинаковый принцип действия: создание скачка уплотнения в двухфазном однородном потоке при разгоне его до сверхзвуковой скорости и последующего торможения с переходом звукового барьера.

Отличия в принципах действия пароструйных аппаратов и УМПЭУ приводят соответственно к отличиям в их технических свойствах. Так, например, создание УМПЭУ позволило:

-расширить диапазон расходов воды, нагреваемой одним пароводяным смешивающим теплообменником до 1700 т/час;

-расширить диапазон применяемых для смешивающих теплообменников диаметров трубопроводных систем до Ду500мм;

-убрать ограничение по температуре нагреваемой воды на входе в теплообменник (стало возможным обеспечить подогрев перегретой воды в замкнутом контуре с входной температурой воды 160-180⁰С);

-значительно снизить шум и вибрации при работе (например, не требуется отдельного помещения для шумоизоляции оборудования) и т.д.

Характеристики УМПЭУ и наиболее известных пароструйных аппаратов приведены в таблице 2.

Следует отметить, что смешивающие пароводяные теплообменники диаметрами свыше 300 мм (производительностью 700-1700 т/час нагреваемой воды) созданы впервые в мировой практике. На фотографии рис.2 для иллюстрации представлена УМПЭУ условным диаметром Ду500мм, работающая на подогрев воды расходом 1700 т/час на предприятии ООО «Балаковские минеральные удобрения».

Рис.2 Теплообменник УМПЭУ 13.00.000 (Ду500мм).Производительность 1700 т/ч.

Единичная мощность тепловых пунктов для разных городов России различна и находится в диапазоне от 0,1 Гкал/ч до 20 Гкал/ч. Для оптимального покрытия таких нагрузок имеется широкий типоразмерный ряд теплообменников УМПЭУ (табл.1), различных по диаметру проходных сечений, что позволяет нагреть одним аппаратом практически любой объем воды. При применении двух последовательно установленных теплообменников мощность удваивается (один УМПЭУ обеспечивает интервал подогрева текущего потока воды на 30⁰С).

Говоря об энергоэффективности пароводяных теплообменников УМПЭУ, мы имеем в виду то, что паровая фаза полностью конденсируется в таких теплообменниках в результате смешения пара с водой с выделением содержащейся в паре скрытой теплоты парообразования и получением на выходе горячей воды. Потери тепла в теплообменниках УМПЭУ, обуславливаемые рассеиванием тепловой энергии излучением наружной поверхности УМПЭУ, пренебрежимо малы. Например, для теплообменника УМПЭУ Ду125мм тепловой мощностью 2,1 Гкал/ч расчетные потери тепла составляют с оценкой сверху не более 3,7 кВт, а коэффициент полезного действия такого теплообменника составляет не менее η_УМПЭУ =99,7% даже без теплоизоляции наружных поверхностей.

Применение теплообменника УМПЭУ позволяет существенно снизить расход греющего пара по сравнению с теплообменниками поверхностного типа, а следовательно и расход топлива (газа, мазута).

Расчетная экономия пара составляет:

ΔG=Q{1/[(I-Т_kС) η_ПТО]-1/[(I-T_выхС) η_УМПЭУ]},

где Q-тепловая мощность системы; η_ПТО-КПД поверхностного теплообменника; η_УМПЭУ-КПД УМПЭУ; Тк-температура конденсата; Твых.-температура воды на выходе из УМПЭУ; С-теплоемкость воды; . I – энтальпия греющего пара.

Таблица 2. Характеристики смешивающих пароводяных теплообменников.

Показатель	ПСА НПО «Новые технологии» г. Санкт-Петербург	УМПЭУ г. Миасс	Трансзвуковой струйный насос-подогреватель ТСА «Фисоник»
Условный диаметр Ду, мм	25-150	50-500	25-100
Производительность максимальная одного аппарата, т/ч	150 (нерегулируемый) 300(с регулируемым соплом)	1700	100
Расход пара макс., т/ч	36.3	72.6	12.3
Тепловая мощность максимальная, Гкал/	24.0 (Для увеличения мощности необходимо увеличивать количество аппаратов, что ведет к росту стоимости обвязки).	51.0	8,0
Соотношение давлений пара и воды на входе	Давление пара должно быть больше давления воды в 1.7-2.0 раза	Давление пара может быть ниже (на 0.05 МПа), равно или выше давления воды.	Давление пара должно быть больше давления воды.
Максимальная температура воды на входе, ⁰С	70	180⁰С	Нет данных.
Величина подогрева воды, ⁰С	20-80⁰С	5-30⁰ 5-60⁰(УМПЭУ с двухступенчатым вводом пара)	Нет данных
Потери напора воды	Отсутствуют. Может наблюдаться насосный эффект (0,25-1,0 МПа)	Потери напора (обычно 0.07-0.12 МПа) зависят от соотношений давлений пара и воды и диапазона расхода воды.	Отсутствуют. Может наблюдаться насосный эффект.

По эксплуатационным данным экономия топлива при замене кожухотрубных аппаратов на теплообменники УМПЭУ составляет 5-20%, а окупаемость составляет 3-5 месяцев плюс экономия эксплуатационных затрат на периодические чистки, промывку, ремонт и замену трубных пучков и прокладок.

Дополнительные затраты, которые появляются при замене бойлеров на смешивающие теплообменники в системе ГВС, как известно, связаны с возрастанием нагрузки на химическую водоочистку, так как конденсат уходит вместе с нагретой водой к потребителю и не возвращается как это имеет место в бойлерах. Как следствие увеличивается расход поваренной соли на регенерацию Na- катионитовых фильтров. Практика показывает, что эти дополнительные затраты значительно ниже эффекта, получаемого при внедрении УМПЭУ и должны оцениваться для каждого объекта индивидуально поскольку цена химочищенной воды не регламентирована, а возврат конденсата не везде осуществляется. Положительный же момент замены бойлеров на УМПЭУ - отпадает необходимость в системе сбора и возврата конденсата, что немаловажно при создании новых систем водоснабжения.

Безусловно, что применение теплообменников смешивающего типа, к которым относятся УМПЭУ, возможно при условии, что используемый греющий пар по своим характеристикам соответствует требованиям санитарных норм и правил. Такой нагрев воды может иметь место на объектах, которые оснащены паровыми котельными, питающимися водой питьевого качества и имеющими Na- катионитовую химводоочистку.

На практике хорошо зарекомендовали себя две схемы ГВС с применением теплообменников УМПЭУ и баков-аккумуляторов. Первая выполнена на базе бака-аккумулятора, УМПЭУ и циркуляционного насоса с созданием рециркуляции нагреваемой воды, заполняющей бак (вариант 1). Подача горячей воды потребителям из бака производится отдельным насосом. Наличие бака-аккумулятора горячей воды позволяет обеспечить равномерную работу котельного оборудования в течение суток и сгладить пики и провалы в потреблении горячей воды. Такая локальная схема ГВС применяется зачастую на отдельных производствах (цехах) при относительно малых расходах горячей воды (3-20 м³/ч). Конструктивная реализация такой схемы представлена на фотографии рис.3 с использованием теплообменника модели УМПЭУ02.00.000 ( Ду50мм).

Слайд-Шоу: Стоп

При расходах горячей воды более 20 м³/ч применяется вторая схема ГВС (вариант 2), выполненная также с применением бака-аккумулятора, УМПЭУ и насоса, причем насос обеспечивает циркуляцию воды в системе и подачу ее потребителям. Такая схема включения УМПЭУ была применена в котельной Миасского инструментального завода, обеспечивающей горячей водой южную часть города Миасс. В процессе эксплуатации теплообменника модели УМПЭУ 04.00.000-01 (с двухступенчатым вводом пара в поток воды) была подтверждена высокая надежность и эффективность предлагаемых в статье решений. Указанный теплообменник с условным диаметром Ду80 мм обеспечивал подогрев питьевой воды 45-50 м³/ч с 5⁰С до 65-70⁰С в течение 9 лет. При этом было отмечено снижение жесткости горячей воды (что безусловно порадовало жителей), внутри теплообменника отсутствовала накипь, теплообменник не требовал какого-либо обслуживания или ремонта.

Регулирование температуры подогрева воды в УМПЭУ производится изменением расхода греющего пара с помощью регулирующего парового дросселя роль которого выполняет паровая задвижка (при ручном регулировании), либо регулирующий клапан с электрическим исполнительным механизмом (автоматическое регулирование). Выбор типоразмера регулирующего клапана для УМПЭУ имеет ту особенность, что при определении коэффициента пропускной способности регулирующего клапана (Kv) необходимо давление пара после клапана принимать равным давлению среды в локальной зоне разрежения УМПЭУ. Регулирование расхода пара может выполняться как изменением давления пара перед регулирующим дросселем, так и изменением критического сечения парового дросселя.

Таким образом, применение смешивающих подогревателей воды УМПЭУ в системах горячего водоснабжения позволит:

-обеспечить высокую надежность работы систем ГВС при работе на жесткой воде Жо>5мкг/л;

-исключить эксплуатационные затраты на периодическую чистку, промывку, ремонт и замену трубных пучков, на содержание систем сбора конденсата;

-снизить расход греющего пара и топлива котельных агрегатов;

что дает реальную возможность эффективно решить насущную задачу бесперебойного снабжения горячей водой промышленность и ЖКХ в современных условиях.

Литература

1.Кучеренко Д.И., Фролов В.П. Очистка водоподогревателей систем горячего водоснабжения и отопления //Новости теплоснабжения.-2004.-№02(42).

2.Белоконова А.Ф. Результаты внедрения новой технологии подготовки подпиточной воды для тепловых сетей с открытым водоразбором// Электрические станции.-1997.-№6.

3.Щелоков Я.М. О схемах подготовки воды для систем тепловодоснабжения//Промышленная энергетика.-1991.-№1.

4.Недугов А.ф., Куркулов М.А. Водоструйный паровой эжектор с камерой предварительного смешения //Промышленная энергетика. -2007. -№1.

5.Куркулов М.А., Недугов А.Ф. Применение смешивающих пароводяных подогревателей воды УМПЭУ //Энергетик. -2009.- №4.

ООО «ПРЕССМАШ» г. Миасс

(3513) 54-35-32

ГЛАВНАЯ

НОВОСТИ

ТЕПЛООБМЕННИКИ

О ПРЕССМАШ

КОНТАКТЫ

Оформить бесплатный заказ на расчет УМПЭУ

Register