Теплообменники

Что такое теплообменник в системе отопления?

На рис. 1 можно увидеть, что находится внутри современного пароводяного теплообменника, предназначенного для использования в составе теплового пункта выпускаемого ООО «Паровые системы» по ТУ 25.30.12-011-85458723-2023. Он эффективный, надежный, компактный. Попытаемся разобраться, что, зачем и почему.

В трубки теплообменника подается греющий пар. В корпус теплообменника поступает вода, которая пройдя через систему отопления остыла до температуры 70 °С. Нагревшись в теплообменнике, на выходе из него она будет иметь температуру 95 °С. При движении в корпусе она испытывает сопротивление, и ее давление снижается, так как энергия потока расходуется на преодоление трения и образование и поддержание вихрей в просвете между труб, свитых в спиральный пучок.

Рис. 1. Внутри теплообменника

Дополнительное сопротивление вызывают спиральные канавки на поверхности трубок, усиливающие турбулентность. Степень турбулентности потока, Рис. 2, оценивают по числу Рейнольдса, при этом турбулентность и число Рейнольдса будет больше, если увеличивается скорости потока или если поток проходит через сужения между трубками.

Рис. 2 Поток воды при числе Рейнольдса более 10000

Необходимую энергию вода получает в циркуляционном насосе. Быстро оценить электрическую мощность насоса в кВт можно с помощью простого уравнения:

Требований к точности расчета по данной формуле не предъявляется, удовлетворительный результат получается для среднего участка рабочей характеристики насоса.

Образование вихрей в потоке - это фундаментальное свойство газов и жидкостей. В этом отношении любые жидкости и газы подобны независимо от их плотности и вязкости.

Вихри в технике могут играть положительную и отрицательную роль. Пример вредных вихрей - резонансные колебания конструкций в потоке. При этом, для решения такой проблемы в разных конструкциях могут применяться однотипные, подобные технические решения. На рисунке 2 изображены спирали на дымовой трубе и на антенне автомобиля, снижающие их колебания в потоке воздуха. Это происходит за счет разной частоты образования вихрей

.

– скорость;

Рис. 2. Спирали на антенне и на дымовой трубе

В теплообменниках вихри играют положительную роль, увеличивая эффективность передачи тепла при одновременном уменьшении размеров аппаратов. Рассмотрим этот вопрос более подробно для потока воды.

Наблюдения за движением мелких пузырьков в вихревом потоке приводят к следующим заключениям. Существуют фрактальные области жидкости, по размерам примерно в 100 раз меньше диаметра основного вихря, рис. 3, «путешествующие» между ядрами вихрей. Время жизни таких областей превышает время их пребывания в теплообменнике. Траекторию их движения возможно отследить. При движении через ядро вихря, при прохождении рядом с нагретой стенкой происходит повышение температуры таких областей. При переходе в другое ядро часть тепла передается по пути более холодным соседям, и температура несколько снижается. Так повторяется несколько раз.

Рис. 3. Фрактальная структура вихря

На выходе из теплообменника конечная температура такой области будет пропорциональна числу контактов n с нагретой стенкой. Записать выражение для числа контактов не сложно.

или с учетом формулы для частоты образования вихрей f

– длина пути, который поток проходит через теплообменник;

– скорость потока; отношение дает время прохождения через теплообменник;

d – характерный размер;

фрактальная размерность. Для прямолинейной траектории движения равна 1.

Важное замечание: хотя значения скорости потока нет в итоговой формуле, именно скорость определяет, будут вихри или нет. Назначение полученной формулы – с предельной ясностью отразить связь между геометрическими параметрами теплообменника и интенсивностью процесса передачи тепла. Для технических расчетов она не предназначена.

Для одноходового теплообменника длина пути потока L будет примерно равна длине корпуса, а характерный размер – просвету между трубками или пластинами. Очевидно, что теплообменник с плотноупакованными мелкими трубками с накаткой будет более эффективен.

Плохая новость в том, что при уменьшении расстояния между трубками в два раза потери давления могут вырасти в 16 раз. Это наглядно иллюстрирует пример расчета расхода воды через сопло.

Расход через сопло, м.куб/час	Диаметр сопла, мм	Давление перед соплом, бар
0,9	4	4
0,2	2	4
0,8	2	64

Для выбора теплопункта с оптимальным теплообменником из многих возможных вариантов существует простой способ, основанный на определении расхода электроэнергии и учете ее стоимости за определенный период эксплуатации оборудования.

Ориентируясь на срок службы до ремонта или замены 8 лет, сравним два варианта с учетом стоимости электроэнергии для жизненного цикла двух сочетаний насоса и теплообменника. Прием для простоты, что насос один, работает постоянно круглые сутки весь отопительный период. Продолжительность отопительного периода - половина года. Исходные данные такие. Первый вариант: тепловая нагрузка 200 кВт, расход воды 7 ку.м/час, давление за насосом 1,7 бар, мощность насоса по формуле 0,6 кВт, по паспорту 0,5 кВт, стоимость насоса 40 тыс. руб. Теплообменник имеет по воде потери давления 0,6 бар, его стоимость 110000 рублей. Затраты на электроэнергию 131400 руб.

Второй вариант: тепловая нагрузка 200 кВт, расход воды 7 ку.м/час, давление за насосом 1,2 бар, мощность насоса по формуле 0,4 кВт, по паспорту 0,35, стоимость насоса 30 тыс. рублей. Теплообменник стоит 150 000 рублей, потери давления по воде 0,2 бар. Затраты на электроэнергию 91980 руб.

Расчет затрат на электроэнергию выполнен при тарифе 7,5 руб. за кВт час.

Для удобства сравнения данные сведены в таблицу.

Параметр	Вариант 1	Вариант 2
тепловая нагрузка	200 кВт	200 кВт
расход воды	7 ку.м/час	7 ку.м/час
давление за насосом	1,6 бар	1,2 бар
мощность насоса	0,5 кВт	0,35 кВт
стоимость насоса	40 тыс. руб.	30 тыс. руб.
стоимость теплообменника	110 тыс. руб.	150 тыс. руб.
наработка за 8 лет	35000 часов	35000 часов
стоимость электроэнергии	131 тыс. руб.	92 тыс. руб.
суммарные затраты	281 тыс. руб.	272 тыс. руб.

Из приведенного примера становится очевидным, почему применять теплообменники, у которых потери по водяной стороне превышают 0,5 бар обычно не выгодно. Расходы на электроэнергию становятся неоправданно большими.

Далее подробно рассмотрим, что происходит внутри трубок при их вертикальном расположении. При конденсации пара на их поверхности образуется жидкая пленка. Гравитационные силы вызывают ее стекание. Характер течения меняется от ламинарного к турбулентному, при этом увеличивается толщина пленки и ее сопротивление теплопередаче. График температуры приведен на рис. 4

Рис. 4. Температурная кривая у стенки трубки

Снижение температуры пара вблизи пленки конденсата вызвано следующим. При неудовлетворительной работе деаэратора в котел с питательной водой поступают растворенные газы. В барабане котла они удаляются из водяного объема и вместе с паром попадают в паропровод, а затем в теплообменник. Так как они не конденсируются, то у поверхности жидкой пленки их концентрация в смеси с паром растет, а температура пара снижается. Эффективность теплообмена падает.

Задачей конструирования теплообменных аппаратов является улучшение их основных параметров, таких как:

• теплоотдача на внутритрубных и межтрубных поверхностях;
• снижение степени загрязненности и отложений накипи на поверхностях;
• снижение гидросопротивления;
• возможность выбора оптимального по коэффициенту теплопередачи соотношения между общими площадями сечения внутритрубного и межтрубного потоков;
• увеличение компактности и единичной мощности;
• снижение материалоемкости, трудоемкости и в целом себестоимости в расчете на единицу теплопроизводительности аппаратов;
• улучшение ремонтопригодности;

Не простым вопросом при конструировании является выбор диаметра трубок. От их диаметра зависят важнейшие параметры. Один из них – отношение площади теплопередающий поверхности к объему, занимаемому паром. Таблица ниже показывает, как меняется этот показатель при площади поверхности теплопередающей поверхности 5 кв. метров.

Диаметр трубок, мм	Отношение поверхности к объему	Коэффициент теплопередачи Вт/м.кв К
16	250	2500
10	400	3500
8	500	4500

Почему бы для увеличения коэффициента теплопередачи не использовать трубки еще меньшего диаметра? При диаметре 6 мм происходит замыкание конденсационной пленки и пар не может попасть дальше в трубку, рис. 5

Рис. 5. Запирание трубки конденсатом

Следующий важный вопрос – как плотно можно скомпоновать трубки.

Плотность упаковки размещения – это доля объема, занятого трубками. Упаковка высшей плотности – это сотовая упаковка, при которой центры трубок располагаются на шестиугольной решетке, а каждая трубка окружена другими шестью трубками. Плотность такой упаковки приблизительно равна 0,9. Но цилиндрический корпус невозможно целиком заполнить таким способом. Например, 19 трубок можно вписать в корпус с радиусом в 4,86 раза более радиуса трубок но при этот плотность упаковки будет 0,8.

Рис. 6 Оптимальная упаковка для 19 трубок.

После выбора диаметра трубок и способа упаковки необходимо определить, сколько их необходимо, чтобы получить достаточную площадь теплопередачи. Она в свою очередь для пароводяного темлообменника будет зависеть от давления и температуры пара. Рекомендуется в этом случае выполнить анализ воды и определить карбонатный индекс, который зависит от ее жесткости. Карбонатный индекс Ик сетевой воды не должен быть выше значений, приведенных в таблице.

Нормативные значения Ик при нагреве сетевой воды в зависимости от pH воды

Температура нагрева сетевой воды, °С	Ик (мг-экв/дм3)2 при значениях pH
	не выше 8,5	8,51 - 8,8	8,81 - 9,2	выше 9,2
70 - 100	4,0	2,6	2,0	1,6
101 - 120	3,0	2,1	1,6	1,4
121 - 140	2,5	1,9	1,4	1,2
141 - 150	2,0	1,5	1,2	0,9
151 - 200	1,0	0,8	0,6	0,4

Выбрав с учетом наших рекомендаций современный кожухотрубный теплообменники со спиральным пучком накатанных трубок – вы убедитесь, что это наилучший вариант для тепловых пунктов в паровых системах теплоснабжения. Они эффективны, долговечны, безотказны. Им не надо менять прокладки уплотнения. Существует ли способ заставить их работать еще лучше? Да такой способ есть. Для этого нужно применить циркуляцию пара, используя паровой эжектор. Что тогда будет происходить в теплообменнике – показано на рис. 7. А подробности вы всегда сможете узнать, обратившись к нашим специалистам.

Рис.7. Интенсивный теплообмен при циркуляции пара