Устройство и принцип работы кожухотрубных водо-водяных подогревателей

Содержание

Кожухотрубные водо-водяные подогреватели (далее по тексту ВВП) используются в котельных и тепловых пунктах в качестве теплообменного оборудования (бойлеров) систем теплоснабжения и горячего водоснабжения.

Предназначение и область применения ВВП

ВВП предназначены для передачи тепла от горячего водяного теплоносителя греющего контура к нагреваемому водяному теплоносителю системы отопления или горячего водоснабжения (в названии «водо-водяной подогреватель» отражены оба типа теплоносителя). Горячий теплоноситель поступает в греющий контур от внешнего теплоисточника, которым может служить:

• центральная тепломагистраль;
• котел низкого давления автономной котельной.

ВВП также широко применяются в качестве теплообменников-утилизаторов в системах утилизации вторичного тепла газопоршневых и газотурбинных энергоустановок, широко используются при нагреве и охлаждении технологических сред.

Устройство кожухотрубных ВВП

Серийно выпускаемые промышленностью кожухотрубные подогреватели воды соответствуют требованиям ГОСТ 27590-2005 «Подогреватели кожухотрубные водо-водяные систем теплоснабжения. Общие технические условия». Стандартные кожухотрубные ВВП являются секционными конструкциями, собираемыми из следующих элементов:

• секций кожухотрубных, представляющих собой неразборные теплообменные блоки;
• соединительных калачей и конических переходов, необходимых для сборки двух и более секций в единый агрегат.

ГОСТ 27590-2005 требует, чтобы теплообменные блоки-секции, соединительные калачи и переходы соответствовали показателям, приведенным в р. 3 «Типы, основные размеры и размеры» — табл. 1 и 2, рис. 1-11.

Количество секций-модулей в водо-водяном подогревателе определяется в соответствии с требуемой теплопроизводительностью подогревателя.

На рис. ниже приведен чертеж конструкции двухсекционного подогревателя, поясняющий компоновку элементов при сборке ВВП:

• поз. 1 – секция разъемная типа РГ (с гладкими теплообменными трубками);
• поз. 2 – соединительный калач, соединяющий кожухи секций;
• поз. 3 – конический переход, используемый для монтажного присоединения корпуса ВВП к трубам, по которым подается горячий теплоноситель от внешнего теплоисточника;
• поз. 4 – крепежные детали для разъемных фланцевых соединений.

Особенности конструкции кожухотрубных секций для ВВП

Каждая секция является неразборным бойлером длиной 2 или 4 метра, состоящим из следующих основных частей (см. рис. ниже):

1. Стального корпуса, в обиходе называемого кожухом, внутри которого размещаются теплообменные трубки. ГОСТ допускает изготовление кожухов из бесшовных стальных труб диаметром от 57 до 530 мм. По согласованию с заказчиком кожух может изготавливаться с компенсатором теплового расширения либо без него.
2. Теплообменных трубок диаметром 16 х1,0 мм из латуни или нержавеющей стали, собираемых в трубную систему. Количество трубок может достигать 151-211 шт. Поверхность трубок может быть гладкой или профилированной. Для дистанционирования трубок в трубной системе используются перегородки (на рис. не показаны). Их располагают внутри кожуха равномерно по длине секции с угловым смещением относительно соседних перегородок на 60 градусов.
3. Трубных досок, в которые завальцовываются концы теплообменных трубок.
4. Штуцеров для входа и выхода теплоносителя. В зависимости от выбранного способа соединения секций между собой по межтрубному пространству штуцеры могут оснащаться фланцами (показаны на рис.) либо оставаться гладкими (под сварное соединение).

Принцип работы кожухотрубных ВВП

По принципу работы ВВП относятся к рекуперативным теплообменникам типа «труба в трубе», представляющих собой корпус-кожух, внутри которого размещены одна или несколько труб меньшего диаметра. Горячий и холодный теплоноситель движутся в межтрубном пространстве и в трубках без перемешивания. Теплообмен осуществляется через теплопроводящие стенки за счет разности температур.

На рис. ниже приведен чертеж четырехсекционного ВВП без компенсаторов на корпусе с фланцевым соединением патрубков входа/выхода воды из межтрубного пространства:

• поз. 1 – переходник;
• поз. 2 – секция;
• поз. 3 – калач;
• А – вход нагреваемой воды;
• Б – выход нагреваемой воды;
• В – вход греющей воды;
• Г – выход греющей воды.

Для кожухотрубных секций теплообмен «труба в трубе» технически реализуется следующим образом.

1. Через вход А подается поток ХОЛОДНОЙ нагреваемой воды, который перемещается по теплообменным трубкам.
2. Через вход В подается ГОРЯЧАЯ греющая вода, которая движется в межтрубном пространстве.
3. Греющая вода проходит по всей длине секции, омывая снаружи теплообменные трубки, внутри которых протекает холодная вода В ПРОТИВОПОЛОЖНОМ направлении.
4. Из секции в секцию греющий теплоноситель перетекает из межтрубного пространства по штуцерам входа/выхода греющей воды, а нагреваемый теплоноситель поступает в следующую секцию по соединительным калачам.
5. Через выход Б вода, перемещаемая по трубкам, уже в нагретом состоянии уходит пользователю в систему ГВС или отопления.
6. Через выход Г уже остывшая греющая вода удаляется из подогревателя в систему внешнего теплоисточника (ТЭЦ или котельная).

Особенности теплообмена в кожухотрубной секции

Теплообмен типа «труба в трубе» в кожухотрубной секции отличается следующими особенностями:

• потоки теплоносителей движутся в противоположных направлениях с одинаковыми скоростями в пределах 0,5-1,0 м/с, что позволяет добиваться максимальной эффективности теплообмена по всей длине секций;
• трубки, образующие трубную систему, расположены предельно близко друг к другу, что с определенной точностью компенсирует разницу общей суммы диаметров трубок и площади сечения межтрубного пространства и выравнивает скорости потоков теплоносителей;
• благодаря противоточному движению потоков отсутствуют тепловые деформации теплообменных элементов, поэтому нет необходимости предусматривать температурные компенсаторы компонентов конструкции.

1. При эксплуатации ВВП в системах ГВС нагреваемую воду запускают по теплообменным трубкам, а греющий водяной теплоноситель – в межтрубном пространстве кожуха.
2. Для работы ВВП в системах отопления греющий водяной теплоноситель пропускают по теплообменным трубкам, а нагреваемую воду – по межтрубному пространству.

Обозначения водо-водяных подогревателей в соответствии с ГОСТ 27590-2005

Практика эксплуатации водо-водяных подогревателей насчитывает несколько десятилетий. В обиходе теплообменники этой конструкции «обросли» многочисленными вариантами своего названия – ПВ, ПВВ, ВВП, кожухи, ВВ-подогреватели и т.п. Однако при оформлении документации или заказе водоподогревающего оборудования следует придерживаться обозначений, предписанных соответствующими стандартами. Для водо-водяных подогревателей руководящим документом является уже упомянутый выше ГОСТ 27590-2005 «Подогреватели кожухотрубные…»

Согласно п.3.4 структурная схема условного обозначения выглядит следующим образом:

При указании типа теплообменных труб используется буква «Г» — для гладких труб, а для трубок с профильной поверхностью – буква «П» (п.3.3).

Примеры условных обозначений (использованы из ГОСТа):

• ПВ1 219×4 — Г — 1,6 — 5 — УЗ ГОСТ 27590-2005 – для подогревателя, составленного пятью секциями типа ПВ1 (см. табл. 2) наружного диаметра кожуха 219 мм. Длина секции составляет 4 м, кожухи изготовлены без компенсаторов. Трубная система – из гладких трубок. Подогреватель рассчитан на условное давление 1,6 МПа, выполнен в климатическом исполнении У категории 3;
• если же подогреватель вышеуказанных данных оснащен профилированными трубками и компенсаторами на кожухе, рассчитан на давление 1,0 МПа, выполнен в климатическом исполнении ТС категории 4, то его обозначение выглядит следующим образом:

ПВ1К 219×4 — П — 1,0 — 5-ТС4 ГОСТ 27590-2005

Заключение

Кожухотрубные водо-водяные подогреватели широко используются на тепловых пунктах и зарекомендовали себя в качестве надежного теплообменного оборудования. Кожухотрубная конструкция способна адаптироваться к различным условиям эксплуатации и тепловых нагрузок, поэтому очень популярны в гражданском и частном домостроении.

© 2004-2021 ГК «СТИГМАШ» — изготовление, монтаж и
комплексная поставка промышленного оборудования

Схемы присоединения систем горячего водоснабжения к тепловым сетям

Системы горячего водоснабжения можно присоединять непо­средственно (в открытых системах теплоснабжения) или незави­симо через водонагреватели (в закрытых системах теплоснабже­ния). Вид системы теплоснабжения (открытая или закрытая) опре­деляется при проектировании, а выбор той или иной системы определяют технико-экономическими показателями.

Непосредственное присоединение к подающему и обратному тру­бопроводам (а). Горячая вода требуемой температуры под­готавливается смешением ее с помощью терморегулятора из подающего и обратного трубопроводов. В терморегуляторе давление воды, поступающей из подающего трубопровода, дросселируется до давления обратного трубопровода (а ее количество зависит от температуры воды в обратном трубопроводе). В соответствии со СНиП 41-02-2003 «Тепловые сети»температуру нагреваемой воды на выходе водоподогревателя в систему горячего водоснабжения следует принимать равной 60 о С. Поэтому при температуре в обрат­ном трубопроводе выше 60 о С вода полностью поступает из обрат­ного трубопровода, а при температуре воды в нем ниже 60 °С — из обратного и подающего; при температуре воды в подающем тру­бопроводе, равной 60 °С, — полностью из него.

При независимом присоединении системы отопления (6) утечки восполняются из системы горячего водоснабжения после узла смещения. При давлении в обратном трубопроводе тепловой сети, недостаточном для подачи воды в систему горячего водо­снабжения, устанавливают регулятор давления (подпора) при достаточном общем напоре или повысительный насос, который одновременно может являться циркуляционным. Циркуляция мо­жет осуществляться с помощью дроссельных шайб, устанавливаемых на обратном трубопроводе отопительной системы (зимний режим) и на циркуляционном трубопроводе (летний режим). При наличии регулятора давления (подпора) дроссельную шайбу для зимнего режима не устанавливают.

Непосредственное присоединение системы горячего водоснабжения (открытая схема)

а — к подающему и обратному; б — к подающему и обратному трубопроводам при независимом присоединении системы отопления;
в — к обратному трубопроводу; г — к подающему трубопроводу;
1 — грязевик; 2 — регулятор температуры смешан¬ной воды; 3 — датчик температуры регулятора; 4 — водоразборный стояк;
5 — циркуляционный трубопровод; 6 — элеватор системы отопления; 7 — повысительно- циркуляционный насос;
8 — трубопровод подпиточной воды; 9 — водонагреватель отопления; 10 — циркуляционный насос системы отопления;
11 — дроссельная шайба; 12 — водонагреватель горячего водоснабжения; РР — регулятор расхода; РД — регулятор давления

Непосредственное присоединение к обратному трубопроводу по­казано на рис в. При значительном расходе воды на горячее водоснабжение, р > 0,3 , систему горячего водоснабжения присоединяют только к обратному трубопроводу, а догрев воды до нормативной темпера­туры производят в водонагревателе. Такое присоединение позво­ляет снизить разрегулировку системы отопления, так как величи­на водоразбора не будет влиять на расход воды в отопительной системе.

Непосредственное присоединение к подающему трубопроводу показано на рис. г. При таком присоединении часть воды забирается из городского водопровода, подогревается в водона­гревателе, затем смешивается с помощью регулятора с водой, за­бираемой из подающего трубопровода сети. Назначение схемы — снизить расход воды на горячее водоснабжение на ТЭЦ. Однако при этом теряется основное преимущество системы с непосредст­венным водоразбором — защита системы от внутренней коррозии. Добавка водопроводной воды вызовет коррозию системы горяче­го водоснабжения зданий. По этой причине систему горячего водоснабжения нельзя для обеспечения циркуляции в ней при­соединить к обратному трубопроводу, так как это приведет к кор­розии трубопроводов тепловой сети.

Независимое присоединение с включением водонагревателя горя­чего водоснабжения по параллельной схеме. Греющий теп­лоноситель (сетевая вода) разветвляется на два параллельных потока: один поступает в водонагреватель, другой — в систему отоп­ления. Поэтому такое включение называют параллельным. Параллельная схема применяется при очень малых тепловых на­грузках горячего водоснабжения по отношению к отоплению (р_м 1,0).

Включение водонагревателя горячего водоснабжения по параллельной схеме

1 — грязевик; 2 — водонагреватель; 3 — регулятор температуры нагреваемой воды;
4 — циркуляционный насос; 5 — разводящий трубопровод; 6 — водоразборный стояк;
7 — циркуляционный стояк; 8 — циркуляционный трубопровод; 9 — система отопления;
10 — регулятор постоянства расхода; 11 — элеватор

При отсутствии баков-аккумуляторов вследствие неравномер­ности потребления горячей воды наблюдаются значительные ко­лебания расхода сетевой воды, что сказывается на параллельно присоединенной системе отопления. Поэтому для стабилизации расхода воды в системе отопления перед ней устанавливают регу­лятор постоянства расхода.

Независимое присоединение с включением водонагревателя горя­чего водоснабжения по смешанной схеме. Греющий теп­лоноситель (сетевая вода) разветвляется на два параллельных по­тока: один поступает в водонагреватель II ступени, другой — в сис­тему отопления. Из системы отопления сетевая вода поступает в водонагреватель I ступени. Нагреваемая водопроводная вода вна­чале поступает в I ступень, где она нагревается теплоносителем, поступившим из системы отопления и из водонагревателя II сту­пени, а затем во II ступень до нагрева до требуемой температуры.

Включение водонагревателя горячего водоснабжения по смешанной схеме

1 — грязевик; 2 — регулятор температуры; 3 — водонагреватель II ступени;
4 — регулятор расхода; 5 — разводящий трубопровод системы горячего водоснабжения;
6— циркуляционный трубопровод; 7 — циркуляционные насосы; 8 — система отоп¬ления;
9 — элеватор; 10 — водонагреватель I ступени

Поскольку один водонагреватель присоединен параллельно с системой отопления (II ступень), а другой последовательно, то такая схема называется смешанной. Смешанная схема применяется если р_м =>0,2—1, если отпуск теплоты производится по отопительному графику или если системы отопления оборудованы элевато­рами с регулируемым соплом. Смешанную схему также применя­ют при присоединении общественных зданий с вентиляционной нагрузкой, составляющей более 15% расхода теплоты на отопле­ние. Здесь, как и в параллельной схеме, наблюдаются колебания в расходе сетевой воды в связи с неравномерностью потребления горячей воды. Поэтому для стабилизации расхода воды в системе отопления (при отсутствии на ней регуляторов отпуска теплоты) устанавливают регуляторы расхода.

Независимое присоединение с включением водонагревателей горя­чего водоснабжения по последовательной схеме.

Последовательная схема применяется при значении р_м = 0,2 — 1 и отпуске теплоты по суммарной нагрузке отопления и горячего водоснабжения (повышенный график). Отличительной особен­ностью последовательной схемы является постоянный расход се­тевой воды в тепловом пункте, что дает возможность поддерживать стабильный гидравлический режим в тепловой сети. Заданный постоянный расход поддерживается регулятором расхода, который меняет расход сетевой воды на перемычке в зависимости от рас­хода на период горячего водоснабжения.

Включение водонагревателя горячего водоснабжение по последовательной схеме

1 — грязевик;,6 — регулятор температуры; 3 — водонагреватель II ступени; 4 — регулятор расхода;
5 — разводящий трубопровод системы горячего водоснабжения; 6 — циркуляционный трубопровод;
7 — система отопления; 8 — циркуляционные насосы; 9— элеватор; 10 — перемычки для летнего периода;
11 — водонагреватель I ступени