Если в теплообменном аппарате есть кожух и трубки то для заказчиков из нефтяной и газовой промышленности он будет называться кожухотрубчатым теплообменником. Для подавляющего большинства заказчиков из других отраслей это будет кожухотрубным теплообменником. Будем и мы его так называть.
Исходя из условий применения и особенностей, связанных с технологий производственных процессов, предъявляемые заказчиками к теплообменным аппаратам требования могут быть самыми разнообразными. Именно поэтому существует такое многообразие конструкций и исполнений теплообменников.
Тем не менее, будет справедливо отметить, что в этом многообразии существует отдельная группа, к которой относятся вертикальные кожухотрубные теплообменники (ВКТ), рис. 1, применяемые в составе паровых тепловых пунктов для нагрева воды.
Рис. 1. Вертикальный кожухотрубный теплообменник производства Гексоник
Конструкция таких теплообменников простая.
Теплообменник не имеет разборных частей. Изготовлен полностью из нержавеющей стали. Внутри прочного корпуса расположен виток трубок диаметром 8 или 10 мм. Трубки могут быть гладкими или рифлеными. Присоединение может быть фланцевое, резьбовое либо под приварку.
Рабочие давления и температура 16 бар при 200 °С.
Пар поступает сверху в трубный пучок, из которого внизу отводится конденсат. Вода поступает в корпус через нижний патрубок и выходит через верхний. Допускается регулирование по пару и по конденсату. Скорость пара в патрубках 10-15 м/с. В патрубки варены трубные доски. С учетом разницы площади, скорость пара на входе в трубках выше и составляет 25-35 м/с. Средняя скорость воды в корпусе составляет 1-2 м/с при гидравлическом сопротивлении 0,2-0,5 бар. Режим течения воды – развитый турбулентный.
Пучок трубок свит вокруг неподвижного сердечника. Температурные расширения трубок компенсируются за счет их витой формы. Температура на поверхности изоляции соответствует требованиям правил по безопасности. Конструкция изоляции легкосъемная, состоит из двух полукорпусов. Изоляционный материал – каменная вата, сохраняет теплоизоляционные свойства на протяжении всего срока службы теплообменника.
Перечислим основные требования, которые обычно предъявляются к теплообменникам:
- Компактность, простота конструкции.
- Длительный срок службы.
- Допустимые гидравлические потери.
- Низкие затраты на обслуживание.
- Наличие фланцевых соединений, значительно упрощающих монтаж подогревателей.
- Безопасность в работе.
- Надежность.
Обобщая все перечисленные требования можно сказать, что заказчик ожидает от теплообменника предсказуемости при его эксплуатации. Рассмотрим более подробно, из чего она складывается.
Начнем с надежности. Она является комплексным свойством. Суть надежности становится хорошо понятна на примере сравнения опыта эксплуатации теплообменников двух разных производителей. Наглядно это позволяют сделать графики на рис. 2.
Рис. 2. Распределение отказов сравниваемых теплообменников по времени
При эксплуатации большого числа теплообменников на крупном предприятии была собрана статистика по числу критических отказов. Теплообменники эксплуатировались в одинаковых условиях в составе тепловых пунктов. По окончании каждого отопительного сезона подсчитывалось число отказов по месяцам. По полученным данным построены графики числа отказов. Максимальная частота отказов пришлось на 5 лет и 15 лет. Этот показатель характеризует долговечность. Разброс отказов, или дисперсия, составил 9 лет и 4 года соответственно. Этот показатель характеризует безотказность. Долговечность и безотказность – это два основных слагаемых надежности.
По показателям надежности нержавеющие вертикальные кожухотрубные теплообменники с витыми трубками намного превосходят требования, установленные ГОСТ 28679-90. Для справки приведем эти требования:
- полный назначенный срок службы — не менее 15 лет;
- средний срок службы между капитальными ремонтами — не менее 5 лет;
- средний ресурс между капитальными ремонтами — не менее 40000 ч;
- наработка до отказа — не менее 8000 ч.
Следующий показатель – безопасность. Для обеспечения безопасности формально достаточно соответствия оборудования требованиям технического регламента 32. Если посмотреть шире, то кроме способности выдерживать давление при высокой температуре и наличия тепловой изоляции, нужно отметить один важный момент. Вероятность возникновения опасного состояния на объекте в целом напрямую связана с частотой выполнения различных операций по обслуживанию и ремонту оборудования. В этом смысле применение ВКТ вносит существенный вклад в повышение безопасности. Ведь в нем нет частей, которые нужно периодически заменять, его не нужно разбирать-собирать. При правильной эксплуатации он вообще не доставляет хлопот.
Можно ли ожидать, что ВКТ вообще не нуждается в техническом обслуживании? Этот показатель особенно важен с точки зрения расходов на запасные части и ремонты. Если представить себе идеальную ситуацию, при которой обслуживание ВКТ не требуется, то получится такая картина. В трубный пучок подается пар, в котором нет никаких примесей – солей в капельках влаги, неконденсируемых газов, твердых посторонних частиц. Через корпус протекает чистейшая обессоленная сетевая вода, в которой нет ржавчины, песка и кислорода. Представили? Нет.
ВКТ нуждается в техническом обслуживании. Оно состоит в определении степени загрязнения и выполнению промывки. Ничего разбирать и заменять при этом не требуется. Для выполнения промывки целесообразно привлекать специализированную организацию. Она должна иметь утвержденную методику технологии промывки с использованием различных моющих составов. При этом реагенты должны быть комбинированного действия, одинаково эффективно отмывающие карбонатную накипь и оксиды железа. Промывочный раствор также должен содержать ингибиторы, предохраняющие металлические поверхности нагрева теплообменников (нержавеющая сталь AISI 316) и подводящие патрубки от коррозионного износа при промывках.
Для возможности подключения промывочной установки в схеме тепловых пунктов в обвязке каждого теплообменника должны быть предусмотрены соответствующие патрубки с увеличенной толщиной стенки и отключающая арматура.
Периодичность выполнения промывки может составлять 1 раз в три года. На основании опыта эксплуатации в конкретных условиях должен быть определен нормативный срок эксплуатации между промывками. Это необходимо для обоснованного планирования расходов на промывку и заблаговременного включения их в план бюджета. Они не могут быть низкими. Ведь подрядчику необходимо оплачивать труд квалифицированного персонала, закупать разнообразные реагенты для промывки, нейтрализации и пассивации. Утилизировать отработанные растворы. Но в результате будет достигнуто высокое качество очистки даже при плотных отложениях. Работы будут выполнены на месте, без демонтажа и вывоза оборудования, хотя в некоторых случаях это возможно и предпочтительно. В результате, после выполнения промывки гидравлические потери и производительность ВКТ будут как у новенького. И все затраты окупятся.
Гидравлические потери неизбежны. Но их можно выбирать на этапе проектирования. Например взять ВКТ с гладкими трубками, если необходимо иметь низкие потери. Если допустимы бОльшие потери, предпочтение следует отдать ВКТ с рифлеными трубками. В чем преимущество рифленых трубок? Пленка конденсата в трубках переменной толщины. Более интенсивный процесс теплообмена. Меньше размер теплообменника. Выше турбулентность потока воды. Ниже скорость образования слоя загрязнений с водяной стороны.
Повышение гидравлического сопротивления по водяной стороне отражается на величине расходов на оплату электрической энергии. Она идет на привод более мощных насосов. Выполненные оценки показывают, что при перепаде давления на теплообменнике выше 0,5 бар расходы на электроэнергию в большинстве случаев становятся неоправданно большими.
По паровой стороне на этапе проектирования необходимо выбрать подходящий способ регулирования работы ВКТ. Как уже было отмечено выше, такие теплообменники одинаково хорошо подходят и для регулирования по пару, так и для регулирования по конденсату.
Чтобы качество регулирования соответствовало установленным требования необходимо правильно выбрать тип привода. Влияние типа привода на переходные процессы наглядно иллюстрируют графики на рис. 3 и 4.
Рис. 3 Переходный процесс с пневмоприводом.
Рис. 4. Переходный процесс с электроприводом.
ВКТ одинаково хорошо подходят и для нагрева воды в системе отопления и для нагрева воды ГВС.
Но, с учетом разницы в скорости изменения нагрузки отопления и ГВС, при применении ВКТ для ГВС рекомендуется использовать клапаны с пневмоприводом. Клапаны с электроприводом хорошо подходят для систем отопления. При этом клапан может располагаться на конденсатной линии и поддерживать нужный уровень конденсата в трубках. За счет регулирования по конденсату в мощных теплопунктах можно заметно сэкономить на стоимости регулирующего клапана, который будет меньше и по размеру и по стоимости, по сравнению с клапаном на паровой линии.
Говоря о преимуществах регулирования по конденсату не следует упускать из виду один важный момент. При наличии уровня конденсата в трубках закрывается проход вниз для воздуха и неконденсируемых газов. Они больше не смогут попадать в конденсатоотводчик и удалятся через встроенный в него воздухоотводчик. В результате в паровом патрубке начнет собираться воздух. Но конструкция ВКТ позволяет легко справиться с отводом воздуха, установив воздухоотводчик в нужном месте.
В заключении можно отметить, что на выбор теплообменника могут влиять самые разные причины. Но если среди прочих причин предсказуемость при эксплуатации является осознанной ценностью, то вертикальный кожухотрубный теплообменник точно вас не разочарует.