Тонкостенные кожухотрубные теплообменные аппараты

В. Г. Барон, канд. техн. наук, директор ООО "Теплообмен"

Теплообменные аппараты составляют исключительно многочисленную группу теплосилового оборудования, занимая значительные производственные площади и превышая зачастую 50% стоимости общей комплектации в теплоэнергетике, химической и нефтеперерабатывающей промышленности и ряде других отраслей. Поэтому правильный выбор теплообменников представляется исключительно важной задачей.

К настоящему времени среди используемого теплообменного оборудования можно выделить два наиболее распространенных типа аппаратов - кожухотрубные и пластинчатые.

Широко известные нашим специалистам традиционные кожухотрубные аппараты, обладая рядом преимуществ, вместе с тем имеют и очень существенные недостатки. В частности, известные среди специалистов, работающих в области коммунального хозяйства, аппараты по ГОСТ 27590-88 имеют исключительно неблагоприятные массогабаритные характеристики, обладают низкими показателями надежности, имеют достаточно высокую стоимость. Действительно, их массогабаритные характеристики таковы, что эти аппараты почти всегда требуют применения грузоподъемного оборудования, зачастую тяжелого, предполагают наличие значительных свободных площадей и далеко не всегда могут быть смонтированы, а тем более заменены при ремонте без демонтажа стеновых или крышных конструкций здания. Применение же в этих аппаратах латунных и, как правило, гладкостенных труб дополняет неприглядную техническую характеристику этих теплообменников. Ведь известно, что латунь при определенных условиях подвержена обесценкиванию даже в пресной воде. Не вдаваясь в описание этих условий, следует отметить, что они почти всегда создаются в теплообменниках, применяемых в отоплении и горячем водоснабжении, и тогда, во-первых, цинк попадает в воду горячего водоснабжения, а во-вторых, происходит разрушение стенок труб, что приводит к отказу по критерию "взаимопроникновение сред". Если же в некоторых случаях эти условия не создаются, то усиливается влияние другого отрицательного фактора - образование накипи и иных отложений на стенках труб, что, в свою очередь, приводит к потере работоспособности аппаратов, но уже по критерию "тепловая эффективность". Учитывая ранее отмеченную особенность этих аппаратов, состоящую в исключительно больших массогабаритных характеристиках, устранение указанных отказов является делом весьма трудоемким и требует дополнительных свободных площадей, прилегающих к обслуживаемым аппаратам. Если принять во внимание достаточно высокие цены на эти аппараты, объективно вызванные большим количеством использованного цветного металла, то станет понятно, почему специалисты были готовы положительно воспринять любые новые типы теплообменного оборудования, свободные от указанных недостатков.

Поэтому, когда в конце 80-х годов на рынке Советского Союза стали появляться пластинчатые теплообменники ведущих мировых производителей, они были встречены хоть и настороженно, но вполне доброжелательно. Тем более, что первые из этих аппаратов, будучи установленными в тепловые системы, показали свое несомненное преимущество перед теплообменниками по ГОСТ 27590-88. Дальнейшее развитие событий было предрешено. Активная рекламная кампания, сочетающаяся с индивидуальной разъяснительной работой, привела к тому, что к середине 90-х годов на территории СНГ в среде специалистов полностью и окончательно утвердилось мнение о безальтернативности выбора в пользу пластинчатых, особенно импортных, аппаратов. Однако пластинчатые теплообменники тоже не свободны от некоторых специфичных недостатков. В частности, если говорить о разборных аппаратах, то они все же достаточно громоздки и тяжелы, зачастую после разборки и очистки или замены пластин возникают проблемы с их качественной сборкой, особенно на больших типоразмерах, и, что немаловажно, эти изделия достаточно дороги. Существуют неразборные пластинчатые аппараты, имеющие во много раз меньшие массогабаритные характеристики и значительно меньшую цену, но эти аппараты имеют повышенные гидравлические сопротивления, и, что может быть главное, очень критичны к качеству прокачиваемых через них рабочих сред, т. к. каналы для протока сред имеют очень маленький гидравлический диаметр (порядка 2-3 мм), сложное пространственно-геометрическое построение и абсолютно недоступны для осмотра и очистки. Кроме того, любые пластинчатые теплообменные аппараты, даже имеющие весьма малые геометрические размеры, требуют для своего размещения определенного места на плане производственного помещения.

Вместе с тем, уже к началу 90-х годов нами был разработан кожухотрубный теплообменник, не только не уступающий, но зачастую превосходящий по комплексу потребительских свойств современные, в том числе импортные, пластинчатые аппараты. На этот теплообменник в 1993 году Госстандартом Украины были утверждены технические условия, и с тех пор, не претерпевая принципиальных изменений, но постоянно совершенствуясь, эти аппараты, получившие название ТТАИ (аббревиатура слов "тонкостенный теплообменный аппарат интенсифицированный"), достаточно успешно конкурируют с современными пластинчатыми теплообменниками. Однако, приходится с сожалением признать, что все эти годы мы оставались, по сути, одни в своем стремлении доказать, что есть альтернатива импортным пластинчатым аппаратам. Отечественные разработчики и производители теплообменной аппаратуры в течение 90-х годов практически не оказывали заметного противодействия этому процессу - в литературе трудно было встретить беспристрастный анализ особенностей пластинчатых аппаратов, не предлагалось конкурентоспособных кожухотрубных теплообменников, и лишь последние два года стали заметны попытки отечественных разработчиков доказать, что кожухотрубные аппараты тоже имеют право на жизнь. Для нас знакомство с этими разработками было особенно приятно, т. к. технические решения, которые предполагалось в них использовать, были частью решений, заложенных в наших теплообменниках еще в начале 90-х годов. Некоторые из принятых нами решений были в установленном порядке признаны изобретениями с выдачей и поддержанием в силе патентов, некоторые из решений, неочевидные при детальном ознакомлении с готовым изделием, но имеющие большое значение для достижения необходимых характеристик, сохраняются на уровне "ноу-хау". В итоге был получен по своей сути кожухотрубный аппарат, обладающий характерными преимуществами аппаратов этого типа с набором дополнительных положительных качеств. В частности, эти аппараты на сопоставимые параметры имеют массогабаритные характеристики почти в 10 раз лучшие, чем современные разборные пластинчатые аппараты. Имеется возможность их индивидуального, почти бесступенчатого подбора, аппараты в процессе эксплуатации по прямому назначению обладают эффектом самоочистки, легко и полностью разборны с обеспечением извлечения пучка из корпуса, термически разгружены в месте сопряжения корпуса с трубными решетками. Но кроме этого, они приобрели еще одно, в некоторых случаях весьма существенное свойство, не присущее ни одному из ранее рассмотренных типов аппаратов, - они не занимают места в плане помещения, а как бы распределены по ограждающим конструкциям и в итоге зачастую как разновидность оборудования вообще исчезают из производственного помещения. Просто в пучке трубопроводов появляется еще одна труба почти такого же диаметра. Все эти преимущества плюс относительно невысокие цены привели к тому, что на сегодня у различных заказчиков в разных регионах России и Украины по разнообразному назначению эксплуатируется около тысячи наших изделий.

Для обеспечения возможности самостоятельной оценки основных характеристик аппаратов типа ТТАИ ниже приведены фактические данные по трем наугад взятым типоразмерам из почти пяти тысяч возможных типоразмеров. При этом первые два из приведенных аппаратов - одноходовые по обеим полостям, а последний - двухходовой по трубной полости.

Теплообменники типа ТТАИ особенно хороши в тех случаях, когда приходится вести монтаж аппаратов в труднодоступных или затесненных помещениях, когда затруднена транспортировка теплообменников внутри помещения к месту их монтажа, когда необходимо разместить теплопередающее устройство в ранее непредусмотренных местах. Дело в том, что аппараты ТТАИ могут с успехом размещаться вдоль стен, как полотенцесушители в ванной, располагаться под подволоком и укладываться в каналах или располагаться просто как элемент трубопровода в пучке труб, не требуя для своего крепления иных опор, кроме предусмотренных штатных путевых креплений трубопроводов. В итоге, иногда возникают казусные ситуации, когда приемная комиссия не может сразу найти в помещении теплопункта теплообменник и задаются вопросы типа: "А когда будут устранены недоделки и установлен водонагреватель системы горячего водоснабжения?". Для пояснения ситуации приводится фотография, сделанная в теплопункте одного из банков. Из трех труб одинакового диаметра, идущих по стене, верхняя труба - это холодное водоснабжение, средняя - горячее водоснабжение, а нижняя - корпус теплообменника ТТАИ, реализующего функцию скоростного водоподогревателя. Реальные жизненные ситуации показывают, что грамотное использование перечисленных особенностей аппаратов типа ТТАИ позволяет заказчикам извлекать совершенно конкретную прагматическую выгоду. Например, в одном случае благодаря применению теплообменников ТТАИ на площадях существующего теплопункта удалось открыть кафе, перегородив помещение пополам и сохранив при этом установленную тепловую нагрузку, в другом случае, когда речь шла о замене теплообменников по ГОСТ 27590-88 и их не удавалось вынести из помещения теплопункта без разрушения стен, удалось разместить передающие необходимую тепловую мощность аппараты типа ТТАИ на незначительных площадях, остающихся свободными, без демонтажа старых аппаратов, выведенных из эксплуатации. Существует большое количество примеров, когда аппараты ТТАИ позволяли заметно увеличивать подключенную тепловую нагрузку теплопункта без увеличения необходимых площадей или наоборот, когда благодаря их применению появлялась возможность на высвободившихся площадях размещать бытовки, мастерские и пр.

Еще одним из преимуществ теплообменников ТТАИ является присущая им исключительно малая тепловая инерция, почти всегда находящаяся в пределах одной минуты. Это свойство имеет значение в той или иной мере для всех потребителей, но в ряде случае, например, в процессе тепловой обработки вина, оно приобретает особое значение, т. к. с этим связаны дальнейшие технологические процессы. Указанная низкая тепловая инерция обусловлена малой металлоемкостью аппарата, высокой скоростью движения рабочих сред и незначительным количеством этих сред в аппарате.

Добиться того, чтобы кожухотрубный теплообменный аппарат обладал комплексом вышеперечисленных особенностей и преимуществ, удалось, соединив воедино целый ряд издавна известных рекомендаций, но не реализуемых по технологическим причинам, а также ряд относительно новых, но общеизвестных, и некоторые из собственных рекомендаций. Необходимый результат был достигнут в ходе достаточно длительных работ, позволивших собрать в одном изделии эти рекомендации. Основными из них являются: плотно упакованные трубные пучки, как правило, с нерегулярной разбивкой, особотонкостенные трубки уменьшенного диаметра, имеющие специальный, в ряде случаев - с переменными параметрами, профиль, неметаллические трубные решетки, изготавливаемые по специально отработанной технологии. Корпус аппарата также характеризуется рядом особенностей, к числу которых можно отнести использование особотонкостенных труб, обеспечение термической разгруженности цепочки "корпус-трубный пучок" путем применения плавающих трубных решеток, благодаря чему обеспечивается разборность аппарата и снимаются ограничения по подаче холодной и горячей сред в любую полость, повышение надежности по показателю взаимопроникновения сред благодаря применению двойного уплотнения с сигнальными отверстиями, использование специальных направляющих перегородок. Как для теплопередающих трубок, так и для корпусов используются высоколегированные коррозионностойкие стали или титановые сплавы, что обеспечивает заданные показатели надежности при характерных для наших теплообменников повышенных скоростях движения сред.

Подавляющее большинство из этих технических решений были заложены уже в наших первых изделиях, выпущенных в начале 90-х годов. Некоторые были привнесены позднее в ходе постоянно идущих, не прекращающихся по сей день работ по улучшению свойств теплообменников. Анализ результатов эксплуатации выпущенных нами за истекшее десятилетие теплообменников, а также появившиеся в последние годы сведения о разработках других предприятий, подтверждают, что практически все примененные нами технические решения были выбраны правильно, и в результате оказалось, что на сегодня нами накоплен обширный опыт в проектировании и изготовлении таких теплообменников, позволяющий наиболее полно удовлетворять всем требованиям заказчика.

99011, Украина, Севастополь, ул. Л. Павличенко, 2

Тел.: (0692) 55-3588, 54-5438, 24-0507