Рекомендации по подбору ПТО при проектировании объектов теплоснабжения

В настоящее время все фирмы-поставщики ПТО при их продаже предлагают заказчикам услуги по подбору теплообменников, в зависимости от исходных данных и специфических требований заказчика.

При этом обе стороны заинтересованы в положительном эффекте в результате внедрения ПТО. Сами заказчики, как правило, не могут квалифицированно подобрать ПТО, поскольку методики их теплового и гидравлического расчета являются коммерческой тайной. В качестве исходных данных для выбора ПТО запрашиваются:

Нюанс заключается в том, что при одних и тех же заданных значениях теплового потока и температур теплоносителей могут быть подобраны ПТО разного типоразмера с существенно разным расчетным коэффициентом теплопередачи, количеством пластин и т.д. (Расчетный коэффициент теплопередачи k₀, как правило, напрямую зависит от назначенных величин допустимого перепада давления). Очевидно, например, что теплообменник с k₀=4500 Вт/(м²*°С) будет иметь в 1, 7 раза меньшую поверхность, чем теплообменник с k₀ = 7500 Вт/(м²*°С). При этом второй ПТО примерно в 1, 5 раза дешевле.

Многие заказчики, не искушенные в проблемах подбора ПТО, и, к тому же, ограниченные в финансовых средствах подтверждают выбор ПТО с более высоким коэффициентом теплопередачи. При этом они обрекают себя на полный комплекс вышеописанных в предыдущих разделах проблем, связанных с потерей тепловой эффективности ПТО при загрязнении.

Как же быть в такой ситуации? Ответ на этот вопрос неоднозначен.

Во-первых, следует рекомендовать эксплуатационникам при выдаче технического задания на подбор ПТО в обязательном порядке учитывать перспективу их возможного загрязнения на основе имеющихся данных химико-аналитического контроля теплообменивающихся сред с учетом сезонных изменений.

Во-вторых, не следует устанавливать ПТО со слишком высоким значением k₀. На наш взгляд оптимальный диапазон k₀ для ПТО составляет 4500-6000 Вт/(м²*°С).

Здесь необходимо заметить, что проблема устранилась бы сама собой, если бы фирмы-изготовители ПТО в своих расчетных программах учитывали возможность подбора ПТО при наличии заданной степени загрязненности (толщины слоя накипи). Однако такая услуга не предоставляется. В чем причина? Не умеют считать или в водопроводных и тепловых сетях западных стран течет дистиллят?

Приходится искать обходные пути. Некоторые ошибочно полагают, что решить проблему можно путем введения запаса поверхности нагрева, т.е. рассчитать ПТО без учета загрязнения, а затем добавить некоторое количество пластин (например 20%) и дело, как говорится, «в шляпе». Однако это неправильный подход, поскольку при тех же расходах теплоносителей уменьшается скорость их течения по каналам, что ведет к снижению коэффициента теплопередачи примерно в той же пропорции. (Этот вывод следует так же из формулы (2), поскольку параметр «Ф» водоподогревателя при добавлении пластин остается постоянным). Тепловой поток же

Q=K×F×Δt

при этом практически не изменяется.

Правда, вышесказанное справедливо только для чистого ПТО. В случае с загрязненным ПТО возникает интересный эффект, выражающийся в том, что вследствие снижения абсолютного значения коэффициента теплопередачи теплообменника, обусловленного добавлением пластин, его относительная величина (k/k₀) при том же слое отложений становится больше. В результате рост поверхности нагрева не компенсируется снижением коэффициента теплопередачи и тепловой поток (при прочих равных условиях) несколько увеличивается. Расчеты показывают, что для теплообменника с расчетным коэффициентом теплопередачи 5000 Вт/(м².°С) и расчетным параметром Ф₀=2, 22, при толщине слоя накипи 0, 2 мм увеличение количества пластин на 20% обеспечивает прирост теплового потока только на 4, 08%.

Таким образом, прирост поверхности нагрева ПТО (путем добавления пластин) не обеспечивает эквивалентного прироста теплового потока.

Добавление пластин экономически оправдано только в двух случаях:

- при необходимости увеличения тепловой нагрузки ПТО, т.е. расходов теплоносителей по обоим потокам;

- при необходимости уменьшения гидравлического сопротивления ПТО при неизменных расходах теплоносителей и тепловой нагрузке.

Правильная методика подбора ПТО с учетом прогнозируемого загрязнения следует из вышеприведенной теоретической модели и заключается в следующем:

1. Исходя из требований технологического процесса определяются расчетные температуры теплоносителей (при загрязненном состоянии ПТО), например:

2. Определяется соответствующий этим температурам параметр теплообменника Ф = 2, 22.

3. Назначается желаемый коэффициент теплопередачи ПТО, например 5000 Вт/(м²*°С). По графику рис.1 при заданной толщине слоя накипи (например 0, 2 мм) определяется относительный коэффициент теплопередачи (k/k₀=0, 545).

4. Вычисляется параметр Ф₀ при чистой поверхности нагрева: Ф₀=Ф/(k/k₀)=4, 07.

5. При известных отношении расходов (Gнагр/Gгр=(110-80)/(95-70)=1, 2) и входных температурах теплоносителей, выходные температуры найдутся из системы уравнений:

В итоге получим четыре расчетные температуры для выбора ПТО при проектировании.

Именно эти температуры должны быть включены в техническое задание, передаваемое фирме-изготовителю для подбора ПТО.

Вопрос: а что же все-таки делать в ситуации, когда установленные на объекте ПТО не обеспечивают подогрев воды до нужной температуры?

В первую очередь необходимо провести анализ, в ходе которого определить:

Для повышения теплопроизводительности ПТО можно рекомендовать следующие мероприятия:

Последнее мероприятие было нами апробировано на котельной № 87 г. Сергач. На указанной котельной по проекту были установлены два ПТО отопления марки FPS-43-163-1E фирмы «FUNKE» тепловой мощностью 8, 0 МВт каждый. В процессе эксплуатации обнаружилось, что имеет место быстрое зарастание поверхностей нагрева ПТО накипными отложениями, вследствие чего котельная оказалась «заперта» - не удавалось нагреть сетевую воду выше 65-70 °С (при графике 95/70 °С).

Обследование показало - при расчетном коэффициенте теплопередачи ПТО 6600 Вт/(м²*°С), фактическое его значение составляло всего лишь 1736-2343 Вт/(м2*оС), что соответствует относительному параметру (Ф/Ф₀)= 0, 26-0, 36. При разборке ПТО на поверхности нагрева были обнаружены накипные отложения толщиной 0, 2-0, 3 мм следующего состава: 78% солей кальция, 22% оксидов железа.

Для нормализации теплоснабжения от котельной в первую очередь нами были предприняты меры по увеличению расхода (примерно на 30%) и температуры котловой воды до максимальной - от 110 до 115 ОС, а также корректировке реагентного водно-химического режима. Хотя все эти мероприятия дали ограниченный эффект (удалось повысить температуру сетевой воды на 5-7 °С), в сочетании с регулярными химпромывками это позволило не допустить срыва теплоснабжения жилого района.

Радикально проблема была решена только в летний период 2003 г., когда в сотрудничестве с известной фирмой-производителем пластинчатых теплообменников «Ридан» нами была проведена реконструкция ПТО с переводом на двухходовую схему движения теплоносителей и увеличением количества пластин со 163 до 250 шт.

В результате реконструкции удалось полностью нормализовать теплоснабжение от котельной.

К отрицательным последствиям реконструкции ПТО следует отнести следующие:

Выводы

1. Поверхности нагрева ПТО подвержены загрязнению отложениями накипи, окислов железа и других механических примесей, содержащихся в сетевой воде. Интенсивность и характер загрязнения определяется качеством воды (жесткостью, концентрацией примесей) и ее температурой.

2. Загрязнение ПТО с высоким расчетным коэффициентом теплопередачи сопровождается значительным снижением тепловой эффективности аппарата.

3. Химическая промывка ПТО (в особенности загрязненных окислами железа) является сложной технологической операцией, требует профессионального подхода к выбору реагентов и технологий промывки.

4. С целью уменьшения загрязнения ПТО продуктами коррозии железа и другими механическими примесями, содержащимися в сетевой воде, следует применять осветлительные фильтры, инерционно-гравитационные грязевики типа ГИГ и др. устройства очистки.

5. Для предотвращения накипеобразования на поверхностях нагрева ПТО, подогревающих сетевую воду с высокой жесткостью, и снижения скорости коррозии тепловых сетей рекомендуется применять реагентный (комплексонный) водно-химический режим тепловых сетей.

6. Предложена эффективная методика диагностики загрязненности теплообменных аппаратов, разработано приборное и программное обеспечение для создания системы мониторинга степени загрязнения с оценкой остаточного ресурса работы до промывки (очистки).

7. При проектировании и выборе ПТО в обязательном порядке необходимо учитывать возможное загрязнение поверхности нагрева. Предложена методика подбора ПТО с учетом загрязнения.