ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ НАГРЕВА ВОДЫ
В системах централизованного теплоснабжения для нагрева воды, идущей на горячее водоснабжение, применяют поверхностные водоводяные водонагреватели Теплоносителем является вода из системы теплоснабжения (сетевая вода). Теплоноситель и нагреваемая вода двигаются по изолированным контурам. Теплопередача осуществляется через стенку, разделяющую оба контура.
По форме поверхности нагрева водонагреватели подразделяют па трубчатые и кожуховые, которые могут быть по выполнению корпуса — однокорпусными и секционными, по расположению поверхности нагрева — вертикальными и горизонтальными.
Наиболее распространенные трубчатые водонагреватели (рис. 3.1) состоят из стального цилиндрического корпуса с патрубками, через которые проходит теплоноситель, трубного пучка и камеры-крышки с патрубками для входа и выхода теплоносителя из трубного пучка. Трубный пучок вставлен в корпус водонагревателя и состоит из трубок малого диаметра, развальцованных в трубных решетках.
В водонагревателях систем горячего водоснабжения нагреваемая вода движется по трубкам, теплоноситель— по межтрубному пространству. Это обусловлено тем, что при нагреве воды выпадает накипь, которую легче удалять из трубок, чем из межтрубного пространства. Такая система движения теплоносителей позволяет также отказаться от устройства специальных компенсаторов для выравнивания линейных расширений металла трубок и корпуса при нагревании.
Для снижения коррозии поверхность теплообмена водонагревателей обычно выполняют из латунных трубок с внутренним диаметром 14 мм, наружным 16 мм. Трубки ввальцовывают в трубные решетки, что значительно облегчает замену трубок при ремонте и обеспечивает хорошую плотность соединений.
В горизонтальных водонагревателях для устранения прогиба трубок устанавливают поддерживающие опорные перегородки с таким расчетом, чтобы пролет трубок между точками опор не превышал длину, равную 100— 120 наружных диаметров трубок. Поддерживающие перегородки изготовляют из полосовой стали, привариваемой к кольцу, имеющему наружный диаметр меньше внутреннего диаметра корпуса. Для трубных решеток используют стальные листы толщиной 10—12 мм. Решетки жестко крепят во фланцах присоединительных патрубков корпуса водонагревателя или приваривают непосредственно к корпусу, если нет необходимости в очистке труб от грязи, накипи и коррозионных отложений со стороны межтрубного пространства.
Для увеличения интенсивности теплообмена в водонагревателях оба теплоносителя должны иметь достаточно большие встречные скорости движения (противоток). Это наиболее легко достигается в секционных водонагревателях, состоящих из секций с пучком мелких трубок (рис. 3.2), или из секций типа труба в трубе (рис. 3.3), выполненных из стальных труб. Водонагреватели второго типа просты в изготовлении, но обладают большой металлоемкостью. Широкое распространение получили секционные трубчатые водонагреватели конструкции ВТИ-Мосэнерго (ОСТ 34-588—68). Они имеют 11 типоразмеров в соответствии с диаметрами стальных труб, монтируемых в корпусах секций (табл. 1 прил. 4). В настоящеевремя изготовляют секции с условном диаметром до 309 мм включительно. Водонагреватели рассчитаны на рабочее давление 10 ат-м и должны подвергаться гидравлическим испытаниям давлением 12,5 атм. В этих водонагревателях для уменьшения кольцевого зазора применено жесткое сварное крепление трубных решеток к корпусу. В результате трубная решетка одновременно является присоединительным фланцем. Внутренние продольные перегородки в таких конструкциях не нужны, так как секции выполнены одноходовыми. Камерами секций являются калачи, соединяющие эти секции, а также входной и выходной патрубки. Патрубок для выхода нагреваемой воды имеет штуцер для ввертывания термореле. Межтрубные пространства секций соединены между собой вваренными в корпус патрубками с фланцами. Длина секции принята двух размеров — 2 и 4 м. В двухметровой секции опорные перегородки не ставят, в четырехметровой секции предусматривают две перегородки на расстоянии 1,6 м от трубной решетки, причем каждая перегородка поддерживает трубки, расположенные через один ряд. Очень важно, чтобы опорные перегородки были установлены правильно. Если перегородки не поддерживают трубки, они провисают, слипаются, и теплоноситель не поступает между ними, а омывает пучок только снаружи, что в 2—3 раза снижает теплопроизводительность водонагревателей. При монтаже водонагревательной установки, секции которой поступают на монтажную площадку россыпью, присоединительные патрубки корпусов нужно располагать вертикально, тогда полки опорных перегородок будут находиться в горизонтальной плоскости и поддерживать ряды трубок. Однако в последнее время сборку секций водонагревателей выполняют на заводах в единый пакет.
При этом с целью экономии места и металла присоединительные патрубки делают не только в вертикальной плоскости, но и под углом — для соединения двух секций, расположенных горизонтально. В таких случаях секции зачастую поворачиваются на 90°, и опорные перегородки не поддерживают трубки, из-за чего они провисают. Наличие дефекта легко обнаружить по размещению рядов трубок (рис. 3.4) при чистке водонагревателей после демонтажа калачей. Число подобных секций в установке достигало 50—60 %, а иногда и 80 %. При эксплуатации установок из-за этого происходил недогрев горячей воды. В настоящее время для устранения этого недостатка секции перед сборкой на заводе маркируют по присоединению.
Так же требует совершенствования конструкция опорной перегородки. Из-за наличия гальванопары — сталь опорной перегородки и латунь лежащей на ней трубки — опорные перегородки быстро корродируют и через 5—7 лет разрушаются. Водонагреватель с такими перегородками приходится заменять новым, хотя срок службы остальных его частей значительно больше. Имеются предложения по устройству опорных перегородок в »иде сегментов или секторов от трубных решеток. При использовании этих перегородок наряду с повышением долговечности достигается большая интенсификация теплообмена в водонагревателях за счет турбулизации потока воды в межтрубном пространстве.
Примером такого решения является конструкция опор, разработанная объединением «Мосспецпромпроект» совместно с МНИИТЭПом и заводом «Сантехоборудоваиие». Также была предложена новая конструкция калача, облегчающая выполнение ремонтных работ. Этот водонагреватель представлен на рис. 3.5. Основное его отличие от применяемых водонагревателей состоит в еле дующем:
вместо стальных опорных колец с перемычками, на» долговечных в работе и не фиксирующих четкое расположение трубок в пучке, применен блок опорных пере» городок;
переходной калач между секциями, соединенный с корпусом шарнирно, имеет внутреннее сечение, равное трубному пространству, что снижает его металлоемкость примерно на 40—30 % и снижает трудоемкость монтаж» пых и ремонтных работ.
Блок опорных перегородок (рис. 3.5) состоит из десяти двухсекторных опор, каждая из которых представляет собой как бы часть трубной решетки, установленных со смещением относительно друг друга на 60 °. Число опор выбрано из расчета достижения минимального прогиба трубок и удобства набивки трубного пучка в, корпусе подогревателя. При этом каждая периферийная трубка имеет, как минимум, три промежуточные точки; опоры и максимальный пролет 1100 мм. Внутренние: трубки имеют большее число опор. Такая конструкция опорных перегородок облегчила набивку трубок и их за», мену в условиях эксплуатации, так как отверстия опорных перегородок расположены соосно с отверстиями трубных решеток.
При существующей конструкции из-за сильного прогиба трубок и отсутствия их фиксации замена трубок практически невозможна. На практике при выходе из. строя одной из них она не заменялась, а забивалась Ci двух сторон пробками. Благодаря меньшему прогибу, трубок усовершенствованной конструкции будет продлен и срок службы водонагревателя, так как при применяв» мом в настоящее время способе очистки трубок ершом, а, в худшем случае металлическим прутом, из-за большого1 прогиба трубок наблюдается их повышенный износ, ца»! рапины, а иногда и сквозное повреждение.
Очень важным преимуществом водонагревателя с блоком опорных перегородок является увеличение теплосъема с I м2 поверхности. Из-за смещения последовательно расположенных опорных перегородок относительно друг друга повышается турбулизация потока теплоносителя, проходящего по межтрубному пространству (движение осуществляется как бы по винтовой линии), и более равномерное обтекание труб, в том числе и в поперечном направлении. Вследствие этого повышается коэффициент теплоотдачи от теплоносителя, проходящего по межтрубному пространству, к стенке трубок, а соответственно в возрастает коэффициент теплопередачи водонагревателя.
Для установления количественной оценки этого, явления были проведены стендовые теплотехнические и гидравлические испытания водонагревателей со старой и новой конструкцией опор, которые показали, что независимо от типоразмеров водонагревателей и скоростей потоков греющей и нагреваемой воды теплосъем с 1 м2 поверхности водонагревателя при переходе на разработанную конструкцию опорных перегородок возрастает на 34—39 %. Повышение турбулизации потока, естественно, привело к увеличению гидравлического сопротивления водонагревателя по межтрубному пространству в 2—2,5 раза по сравнению с существующей конструкцией. Однако следует отметить, что из-за роста теплосъема с водонагревателя для получения одной и той же теплопроизводительности потребуется меньшее число секций, а соответственно потери давления по межтрубному пространству всей установки практически изменяется незначительно. С другой стороны, из-за меньшей длины водонагревательной установки сократятся потери давления по трубному пространству, что имеет важное значение для бесперебойного горячего водоснабжения верхних этажей зданий в период максимального водоразбора.
Водонагреватели с двухсекторными перегородками впервые были смонтированы на десяти объектах в 1980— 1981 гг. За прошедший период эксплуатации водонагреватели не изменили своих первоначальных теплотехнических показателей. Визуальный осмотр разрезанной секции и осмотр под микроскопом мест соприкосновения трубки с опорной решеткой показали, что истирание трубок отсутствует. Следовательно можно сделать выводы, что срок службы трубок водонагревателя соизмерим со- сроком службы корпуса — 20—25 лет.
На основании проведенных испытаний было предложено при применении водонагревателей с блоком двухсекторных опорных перегородок при определении коэффициента теплопередачи вводить экспериментальный множитель (см. п. 2 этой главы). На практике, учитывая, что для московских условий этот множитель принимался при подборе водонагревателей горячего водоснабжения равным 0,7 и устанавливалось 10 секций (7—в I ступени и 3 — во II ступени), теперь потребуется устанавливать 6 секций (4 — в I ступени и 2 — во II). Если ранее при подборе водонагревателей отопления множитель-принимается равным 0,8, и устанавливалось при расчетных параметрах теплоносителя, циркулирующего в квартальных сетях отопления 120—70 °С, 8 секций, то теперь потребуется 5—6 секций.
Еще большая интенсификация теплообмена достигается при применении трубок с накатными канавками. По данным Киевского НИИ сантехники это значительно гурбулизирует пограничный слой течения жидкостей и обеспечивает коэффициент теплопередачи в 1,6 раза больший, чем в гладкотрубных конструкциях. Однако в таких водонагревателях возрастает сопротивление проходу воды по трубкам. Вероятно, в дальнейшем имеет смысл в целях снижения габаритов установки отказаться от традиционной многосекционной конструкции и создавать однокорпусные многоходовые водонагреватели.
Наряду с кожухотрубными водонагревателями в последнее время для целей нагрева горячей воды стали применяться пластинчатые теплообменники, используемые ранее в химической и пищевой промышленности. Они имеют преимущество по сравнению с кожухотрубными в том, что занимают меньше места, снижается трудоемкость очистки, и при этом имеется доступ к поверхностям, омываемым обеими теплообменивающимися средами, а в кожухотрубных водонагревателях практически отсутствует возможность очистки межтрубного пространства. Устраняется также вероятность перетекания сетевой воды в водопроводную и наоборот при нарушении плотности вальцовки трубок и их механических повреждениях, наблюдаемых в кожухотрубных водонагревателях. Однако широкое применение пластинчатых теплообменников сдерживается их большой стоимостью, поскольку выпускаемые отечественной промышленностью пластины изготавливаются из нержавеющей стали. Так, стоимость 1 м2 поверхности нагрева кожухотрубного водонагревателя составляет 22 руб., а пластинчатого — 88 руб., т. е. в 4 раза больше.
Основным элементом пластинчатых теплообменников являются гофрированные тонкостенные (толщиной 1мм) штампованные металлические пластины с уплотняющими прокладками из термостойкой резины (рис. 3.6). Пластины собираются и стягиваются монтажными болтами на специальной раме. Каждая пластина омывается с одной стороны греющей водой, а с другой — нагреваемой. Отверстия в углах пластин и расположенные между пластинами прокладки образуют коллекторы, распределяющие теплоносители по каналам между пластинами (рис. 3.7). В гофрированных каналах потоки теплоносителей подвергаются искусственной турбулизации, что интенсифицирует процесс теплообмена при определенном увеличении гидравлического сопротивления.
Опыт эксплуатации пластинчатых водонагревателей показывает, что присоединение трубопроводов к установке следует осуществлять с помощью гибких вставок. Это позволяет при необходимости легко производить дополнительную затяжку секций водонагревателя и устранять напряжения, возникающие вследствие температурных деформаций трубопроводов и приводящие к перекосу пластин и подтеканию воды. При появлении течи надо проводить дополнительную затяжку болтов. Вскрытие теплообменников показало, что имеющаяся незначительная накипь равномерно покрывает всю поверхность пластины, повторяя ее форму. Слой накипи легко отделяется от пластин теплообменника постукиванием киянкой или промыванием водой очистка и сборка установки водонагревателя выполняется бригадой из двух человек за один рабочий день. Отмечена деформация отдельных резиновых прокладок, что привело к необходимости их замены при сборке водонагревателей.
Наиболее перспективны для использования в качестве водонагревателей горячего водоснабжения разборные теплообменники с пластинами поверхностью нагрева 0,3 и 0,6 м2, выпускаемые Павлоградским заводом химического машиностроения. Основные характеристики этих теплообменников приведены в табл. 2 прил. 4. Изменение поверхности нагрева водонагревателей достигается как за счет применения пластин с различной площадью поверхности, так и за счет числа пластин. Пластинчатые теплообменники допускают изменение скорости движения теплоносителя или нагреваемой жидкости путем изменения числа ходов. Различная компоновка пластин позволяет организовать течение теплоносителя через определенное число параллельно включенных пластин (пакет) с оптимальной скоростью и последовательное соединение пакетов для получения требуемой поверхности нагрева.
Разработана конструкция усовершенствованного водонагревателя для квартирных систем горячего водоснабжения, присоединенных к централизованному теплоснабжению. Водонагреватель (рис. 3.8) состоит из вертикально расположенного цилиндрического корпуса — емкости, в которой размещены две ступени нагрева. Обе ступени выполнены из последовательно соединенных секций, состоящих из периферийных труб, в которых соосно установлены центральные трубы. В межтрубном пространстве, образованном периферийными и центральными трубами, циркулирует теплоноситель. Холодная вода поступает в центральные трубы I ступени и нагревается водой из системы отопления. Из I ступени нагреваемая вода отводится в нижнюю часть емкости. В емкости, поднимаясь вверх, вода нагревается теплоносителем через стенки периферийных труб. Из верхней части емкости вода поступает во II ступень центральных труб, где она догревается до нужной температуры. Корпус водонагревателя изготовляют из стальной трубы диаметром 300 мм. Водонагреватель имеет высоту 1100 мм, устанавливается в ванной комнате и одновременно служит для ее отопления. Наличие емкости позволяет снизить коэффициент часовой неравномерности потребления теплоты на горячее водоснабжение.
Для систем горячего водоснабжения с естественной циркуляцией воды или для систем, в которых потребление горячей воды имеет ярко выраженный пиковый характер, возможно использование емких водонагревателей (рис. 3.9). В этих конструкциях подогреватели совмещены с аккумулятором горячей воды. Греющий элемент представляет собой змеевик, выполненный из Г-образных трубок или пучков прямых трубок, собранных при помощи концевых коллекторов. Сопротивление по нагреваемой воде таких теплообменников очень незначительное, но из-за малой скорости ее движения теплопередача осуществляется за счет конвективного теплообмена, что снижает интенсивность теплообмена емких водонагревателей по сравнению со скоростными. Последнее обстоятельство ограничивает распространение таких теплообменников.
Для систем горячего водоснабжения начинают применять отличающиеся компактностью спиральные водонагреватели (рис. 3.10).
