К вопросу организации импульсной циркуляции в системе горячего водоснабжения с кожухотрубчатым теплообменником

КУРДЮКОВ С. Ю., МАКЕЕВ А. Н.

К ВОПРОСУ ОРГАНИЗАЦИИ ИМПУЛЬСНОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ В СИСТЕМЕ ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ С КОЖУХОТРУБЧАТЫМ ТЕПЛООБМЕННИКОМ Аннотация. В статье представлен краткий анализ состояния систем горячего водоснабжения и обозначены основные проблемы снижения их энергетической эффективности. Предложен вариант интенсификации теплообмена и самоочищения теплопередающих поверхностей кожухотрубчатого теплообменника на основе перехода к импульсной циркуляции теплоносителя в нагреваемом контуре.

Ключевые слова: система горячего водоснабжения, кожухотрубчатый теплообменник, импульсная циркуляция теплоносителя, интенсификация теплопередачи, самоочищение теплопередающих поверхностей, повышение эффективности теплообменника.

KURDYUKOV S. YU., MAKEEV A. N.

ON PULSE CIRCULATION IN THE HOT WATER SYSTEM WITH SHELL-AND-TUBE HEAT EXCHANGER Abstract. The article presents a brief analysis of hot water systems and reasons of their energy efficiency reducing. To solve the problem, the authors suggest intensifying of heat and self-cleaning heat transfer surfaces of the shell-and-tube heat exchanger based on the transition to the pulse circulation of the heated coolant circuit.

Keywords: hot water system, shell-and-tube heat exchangers, pulse coolant circulation, heat transfer intensification, self-cleaning of heat transfer surfaces, increasing of heat exchanger efficiency.

На сегодняшний день горячее водоснабжение - это не просто элемент комфорта, но и насущная необходимость для обеспечения полноценной деятельности любого предприятия или жилого помещения. Оно предназначено для удовлетворения гигиенических (умывание, купание) и бытовых (стирка, мойка посуды и т. п.) нужд населения в воде с повышенной температурой, а также коммунальных и промышленных предприятий - для бытовых и производственных нужд.

Вода, подаваемая системами горячего водоснабжения в жилые и общественные здания и на хозяйственно-бытовые нужды промышленных предприятий, должна быть питьевого качества и удовлетворять требованиям ГОСТа. К качеству воды, идущей на технологические цели, предъявляют требования в зависимости от характера производства.

Максимальная температура воды в системах горячего водоснабжения 75 °С, минимальная (в точках водоразбора) - 60 °С [1].

Системы горячего водоснабжения разделяют на централизованные и местные (децентрализованные). В централизованных системах выработка тепла производится на ТЭЦ и в различных котельных. При этом тепло передается к потребителям по трубопроводам теплосети. В местных системах для нагревания воды используются источники тепла, присутствующие на месте ее потребления, например, в центральных тепловых пунктах (ЦТП) или же непосредственно в домах.

Горячее водоснабжение может осуществляться:

- по закрытой схеме, когда водопроводная вода нагревается теплоносителем (водой или паром) из тепловых сетей в водонагревателях, устанавливаемых в центральных тепловых пунктах или непосредственно в домах;

- по открытой схеме, когда вода «разбирается» потребителями непосредственно из тепловой сети, подключенной к источнику тепла. При этом отпадает необходимость установки водонагревателей в домах или на ЦТП и уменьшается возможность коррозии местных трубопроводов. Однако для «подпитки» таких систем требуется большое количество воды, прошедшей предварительную обработку во избежание накипи и коррозии в трубопроводах и оборудовании теплоснабжающих устройств.

Существенным недостатком теплообменников ГВС (как пластинчатых, так и трубчатых) является их склонность к зашламлению. Причем, изначально установившаяся тенденция смены теплообменников кожухотрубчатой конструкции на пластинчатые, с целью снижения эксплуатационных затрат, в настоящее время обратилась в пользу обратного перехода к кожухотрубчатым теплообменникам. Это связано с тем, что в пластинчатых теплообменниках скорость движения теплоносителя существенно ниже, чем в кожухотрубчатых, а потому они более склонны к зашламлению и образованиям отложений. Вместе с тем, обозначился актуальный вопрос снижения эксплуатационных затрат кожухотрубчатых теплообменников и повышения их энергетической эффективности.

Что касается повышения энергетической эффективности, то в настоящее время интенсификация теплообмена в тепловых энергетических установках идет по пути увеличения турбулизации потока. Для этого применяют турбулизаторы потока, закрутку потока в трубах с помощью винтовых вставок, каналы сложной формы, лопаточные завихрители и т.д. Однако указанные способы интенсификации теплопередачи обладают значительно малым потенциалом, величина которого может достигать всего лишь 15% эффективности от первоначальной величины.

Одним из кардинальных способов повышения теплопередачи, снижения капитальных затрат, расходов на эксплуатацию и обслуживание является перевод циркуляции теплоносителя в теплоприготовительном оборудовании систем ГВС из стационарного режима в импульсный [2]. При этом можно использовать несколько эффектов. Увеличивается коэффициент теплоотдачи движущегося потока, в зависимости от частоты и амплитуды пульсаций скорости его истечения [3]; реализуется эффект самоочищения теплопередающих поверхностей оборудования; обеспечивается возможность трансформации части располагаемого напора греющего теплоносителя в напор нагреваемого теплоносителя - в случае независимого присоединения отопительных установок, или для циркуляции воды в системе ГВС.

При обозначенных преимуществах, в случае перехода к импульсной циркуляции теплоносителя, коэффициент теплоотдачи, теоретически, может быть интенсифицирован до 40% и более относительно значения коэффициента теплопередачи при стационарном режиме, а также реализован механизм самоочищения кожухотрубчатых теплообменников от отложений [4].

Одна из возможных схем организации импульсной циркуляции теплоносителя в кожухотрубчатом теплообменнике системы ГВС приведена на рисунке 1.

В тепловую сеть Т2

Рис. 1 Принципиальная схема контура с импульсной циркуляцией для системы горячего водоснабжения кожухотрубчатым теплообменником.

Данный контур состоит из следующих основных элементов: 1, 6, 7, 10 - запорные краны; 2 - расходомер; 3 и 9 - датчики температуры ТХК; 4 и 5 - соответственно 1-я и 11-я ступени кожухотрубчатого теплообменника; 8 - ударный узел оппозитного типа. Секции 4 и 5 кожухотрубчатого теплообменника последовательно включены на греющий теплоноситель из тепловой сети и соединены параллельно по нагреваемому теплоносителю.

Схема работает следующим образом. При открытии запорных кранов 1, 6, 7, 10 холодная вода проходит через расходомер 2, где ведется ее учет, и направляется в параллельно включенные секции 4 и 5 кожухотрубчатого теплообменника. После нагрева воды, она попадает в ударный узел 8 оппозитного типа, где происходит генерация импульсов количества движения нагретой, к тому времени, воды. Генерация импульсов обеспечивается тем, что ударные клапаны ударного узла 8 (на рисунке 1 не показаны) приходят в попеременное движение на закрытие проходного сечения за счет гидравлических сил, стремящиеся вывести их из положения равновесия и закрыть один из них. При попеременном закрытии одного из ударных клапанов происходит гидравлический удар -волновой процесс кратковременного повышения давления над ударным клапаном, положительная волна гидравлического удара, которая, затем, сменяется отрицательной. В период отрицательной волны гидравлического удара происходит понижение давления в области над закрытым ударным клапаном. Так же в ударном узле 8 происходит смешивание нагретой воды, поступающей в него из секций 4 и 5 кожухотрубчатого теплообменника. После прохождения ударного узла 8 нагретая, к тому времени, вода поступает в систему ГВС, а ее температура фиксируется преобразователем температуры ТХК 9. С помощью датчика температуры ТХК 3 измеряется температура исходной воды.

Применение данной схемы приготовления горячей воды с импульсной циркуляцией в нагреваемом контуре позволит наиболее полно использовать топливно-энергетические ресурсы за счет увеличения коэффициента теплопередачи в кожухотрубчатом теплообменнике от принудительной турбулизации потока теплоносителя и колебаний трубной решетки при реализации условий для самоочищения теплопередающих поверхностей в теплообменнике.

ЛИТЕРАТУРА

1. Правила технической эксплуатации тепловых энергоустановок: утв. Приказом

Минэнерго Рос. Федерации от 24 марта 2003 г. N 115; ввод в действие с 01.10.03.

2. Макеев А. Н. Импульсные системы теплоснабжения общественных зданий / А. Н.

Макеев, А. П. Левцев // Региональная архитектура и строительство. - Пенза, 2010. - № 2

(9). - С. 45-51.

3. Галицейский Б. М. Тепловые и гидродинамические процессы в колеблющихся потоках

/ Б. М. Галицейский, Ю. А. Рыжов, Е. В. Якуш. - М.: Машиностроение, 1977. - 256 с.

4. Пат. РФ № 2423650, МПК F24D 3/00. Способ теплоснабжения / А. Н. Макеев,

А. П. Левцев. - № 2010112729/03; заявлено 01.04.2010; опубл. 10.07.2011, Бюл. № 19.