М.А. Куркулов, А.Ф.Недугов, к.т.н. ООО "Прессмаш" г.Миасс Челябинская область. Как правило, система ГВС состоит из пароводяного теплообменника-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 теплообменника 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 60-75%.
Например, в работе[2] отмечается, что для обеспечения требуемого температурного режима горячего водоснабжения даже при умеренной жесткости водопроводной воды и ежемесячной промывке запас теплообменной поверхности должен быть не менее 60% по сравнению с её величиной при безнакипной работе. Сопутствующим фактором является также увеличение гидравлического сопротивления теплообменного оборудования вследствие увеличения шероховатости трубных поверхностей и сужения (заваривания накипью) проходных сечений каналов. Особенно чувствительны к качеству воды пластинчатые подогреватели, рассчитанные на работу с водой европейских стандартов качества, требования которых многократно превосходят существующие требования российских нормативов, например, исходная водопроводная вода для ГВС в европейских странах обязательно умягчается перед поступлением в пластинчатый теплообменник.
В основном, наличие нерастворимых примесей связано с низким качеством подпиточной воды, которое во многих случаях обусловлены характеристикой источника водоснабжения, а также изношенностью или маломощностью оборудования для водоподготовки. По современным представлениям интенсивность коррозионных процессов и процессов образования отложений определяется в основном концентрацией кислорода, углекислоты, солей жесткости, хлоридов, органических соединений, щелочностью и кислотностью. Обеспечить соответствие такого широкого спектра показателей воды нормативам в наших условиях практически невозможно, поскольку поддержание качества воды на современном этапе однозначно связано с огромными инвестициями и капвложениями. Использование же ингибиторов и антинакипинов в системах ГВС не всегда эффективно в связи с существованием предельно допустимых концентраций этих реагентов в воде ГВС.
Таким образом имеется реально существующий достаточно большой потенциал экономии затрат при производстве горячей воды.
Решением задачи повышения эффективности систем ГВС на современном этапе, на наш взгляд, могло бы быть широкое применение пароводяных смешивающих теплообменников, принцип действия которых исключает образование накипи, например пароводяных теплообменников модели УМПЭУ, разработанных в городе Миассе. Принцип работы теплообменников УМПЭУ достаточно хорошо описан в литературе [3-4] и знаком специалистам. Он состоит в том, что нагреваемый поток воды, поступающий в теплообменник, 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 с использованием генераторов вихрей и диспергированием воды. Полученная пароводяная смесь, имеющая вихревую структуру, затем подается в зону локального разрежения, где завершается процесс конденсации пара на турбулентной водяной струе. Данная гидродинамическая схема теплообменника УМПЭУ позволяет ввести пар в воду без гидроударов и вибраций и исключить накипеобразование при работе на жесткой воде, сохранив постоянную теплопередачу в процессе эксплуатации. Такая возможность обусловлена отсутствием в УМПЭУ теплообменных поверхностей, разделяющих греющий пар и нагреваемую воду и созданием вихревых потоков, не позволяющих взвешенным частицам осесть на поверхностях, вихри срывают их и уносят с потоком.
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, диаметрах трубопроводов от Ду40мм до Ду500 мм.
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, различных по диаметру проходных сечений, что позволяет нагреть одним аппаратом практически любой объем воды (таблица 1). При применении двух последовательно установленных теплообменников мощность удваивается (один УМПЭУ обеспечивает интервал подогрева 300С).
Модельный ряд выпускаемых теплообменников УМПЭУ.
Обозначение УМПЭУ |
Условный диаметр по воде, мм |
Расход максимальный нагреваемой воды, т/час |
Максимальная тепловая мощность одного УМПЭУ, (двух последовательно установленных УМПЭУ),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 |
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 в окружающую среду свободной конвекцией и тепловым 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 ηУМПЭУ =99,7% даже без теплоизоляции наружных поверхностей.
При применении теплообменника УМПЭУ пар поступивший на его вход, полностью преобразуется на выходе в конденсат, причем с температурой равной заданной температуре воды на выходе из УМПЭУ, что позволяет существенно снизить расход греющего пара по сравнению с теплообменниками поверхностного типа, а следовательно и расход топлива (газа, мазута).
Расчетная экономия пара при замене поверхностных теплообменников на смешивающие теплообменники УМПЭУ составляет:
ΔG=Q{1/[(I-ТkС) ηПТО]-1/[(I-TвыхС) ηУМПЭУ]},
где Q-тепловая мощность системы; ηПТО-КПД поверхностного теплообменника; ηУМПЭУ-КПД УМПЭУ; Тк-температура конденсата; Твых.-температура воды на выходе из УМПЭУ; С-теплоемкость воды; . I – энтальпия греющего пара.
По имеющимся данным экономия топлива при замене кожухотрубных аппаратов на теплообменники УМПЭУ составляет 5-20%, а окупаемость составляет 4-5 месяцев плюс экономия затрат на периодические чистки, ремонт и замену трубных пучков и прокладок.
Дополнительные затраты, которые появляются при замене бойлеров на УМПЭУ в системе ГВС связаны с возрастанием нагрузки на химводоочистку, 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. Следует отметить, что пар из основного контура ТЭЦ или ГРЭС, как правило, не может быть использован для подогрева воды в системе горячего водоснабжения, потому что питательная вода на ТЭС часто подвергается обработке химреактивами, вредными для здоровья, например гидразин – гидратом [5].
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 (обычно не более 40-50 м3/ч).
Схема применения УМПЭУ в системе ГВС взамен бойлера (вариант 1).
{mosimage}
При больших расходах горячей воды 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 с 2000 года. 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.
Схема применения УМПЭУ взамен бойлеров (вариант 2).
{mosimage}
Таким образом, применение смешивающих подогревателей воды УМПЭУ в системах горячего водоснабжения позволит:
- -обеспечить высокую и стабильную интенсивность теплообмена с полной конденсацией пара;
- -обеспечить высокую механическую надежность при возможных гидравлических ударах и вибрациях в системе;
- -исключить эксплуатационные затраты на периодическую чистку, 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. Рыженков В.А. О повышении эффективности эксплуатации отечественных систем теплоснабжения в современных условиях //Новости теплоснабжения. 2006.№9.
2. Купленов Н.И., Мотовицкий С.В. Определение запаса теплообменной поверхности и продолжительности межпромывочного периода пластинчатого водонагревателя для ГВС.
3. Недугов А.ф., Куркулов М.А. Водоструйный паровой эжектор с камерой предварительного смешения //Промышленная энергетика. 2007. №1.
4.Куркулов М.А., Недугов А.Ф. Применение смешивающих пароводяных подогревателей воды УМПЭУ //Энергетик, 2009, №4.
5. Белевич А.И., Крупцев А.В., Малафеев В.А. О применении паровых инжекторов в теплоснабжении //Энергетик.2001.№11.