Теплообменники. Инжиниринговая компания ЛОТОС
Снижение энергозатрат производств и значительное уменьшение выбросов
тепла в атмосферу на фоне качественного улучшения жизни людей на Земле…
Статья
с внешнего источника

Контактные водонагреватели

История контактных водонагревателей (KB) насчитывает без малого полвека. С самого начала их появления они обрели множество как горячих сторонников, так и бескомпромиссных врагов.

Это неудивительно, ибо KB резко отличаются от обычных водонагревательных котлов, как по конструкции, так и по принципу действия.

Схема промышленного KB показана на рис. 1. Основными теплообменными элементами в нем является контактная камера 1, в которой вода нагревается путем непосредственного соприкосновения с продуктами сгорания природного газа, и догреватель в виде жаротрубной кольцевой рубашки. Контактная камера заполнена насадкой из керамических колец размером 25x25 мм, которые насыпаны навалом на опорную решетку. Передача тепла воде в контактной камере осуществляется без затрат металла, т.е. отсутствует металлическая поверхность нагрева. В то же время поверхность нагрева, создаваемая кольцами, достигает 200 м2 на 1 м3 объема камеры. Благодаря этому в контактной камере достигается охлаждение газов до температуры, превышающей температуру поступающей воды на 5—15 ОС (в обычных водогрейных котлах разность составляет 50—70 ОС).

При температуре поступающей воды ниже 50 ОС помимо глубокого охлаждения газов конденсируются водяные пары, что обеспечивает дополнительное повышение КПД. На рис. 2 показана зависимость потерь тепла с уходящими газами и соответствующие значения КПД от температуры поступающей (питательной) воды tпв. При низких tпв в KB может конденсироваться до 90% тепла, содержащегося в водяных парах, на долю которых приходится в среднем 12% тепла, выделяющегося при сгорании природного газа. В результате при питании KB холодной водой его КПД достигает значений 95—96% по высшей теплоте сгорания, что на 15% выше, чем у типовых водогрейных котлов. Таким образом, KB свойственны высокие теплотехнические показатели.

Вдобавок к этому, KB неприхотливы в эксплуатации и безопасны в работе. Последнее обстоятельство объясняется тем, что водяные потоки как в контактной камере, так и в топке находятся в среде с давлением практически равным атмосферному, благодаря чему KB работает без внутреннего давления. Ввиду малого внутреннего объема аппараты взрывобезопасны, а при том, что температура отработанных газов всегда ниже 100 ОС, их удаление из аппарата производится обычным вентилятором низкого давления. Наконец, KB дают меньший выход оксидов азота NOх ввиду того, что продукты сгорания промываются водой в контактной камере.

Получается, что KB — это идеальный водонагреватель без недостатков? Конечно, это не так. Наряду с достоинством KB свойственны и специфические особенности и связанные с ними недостатки. К числу их относится то, что в контактной камере можно нагреть воду до температуры не выше 85 ОС, что недостаточно для целей теплоснабжения. Поэтому в KB воду после контактной камеры догревают через поверхность нагрева топки.

Другой особенностью KB является то, что при контакте воды с газами в контактной камере она может поглощать определенное количество углекислоты СО2 и кислорода О2. Раствор в воде углекислого газа образует слабую угольную кислоту СО2+Н2О=Н2СО3, обладающую коррозийными свойствами. В меньшей степени, но также коррозионную активность добавляет растворенный кислород. Способность воды поглощать коррозионно-активные газы зависит от ее температуры: с повышением температуры содержание СО2 и О2 в воде уменьшается, а полное освобождение от растворенных газов (деаэрация) достигается при достижении водой температуры кипения. Поэтому с целью деаэрации воду в контактной камере обычно нагревают до 96-98 ОС, благодаря чему остаточное содержание растворенных газов в нагретой воде сводится к минимуму.

Однако не во всех случаях следует стремиться к полной деаэрации воды. Так, если КВ нагревает жесткую воду, с повышенным содержанием накипеобразующих кальциевых и магниевых солей временной жесткости (СаСО3 и MgCO3), которые с повышением температуры воды выделяются из нее, образуя накипь на поверхностях нагрева, то целесообразно снижать температуру нагрева. Тогда оставшийся в воде СО2 связывает Са и Mg и предотвращает выпадение накипи.

С учетом экспериментальной зависимости КПД КВ от температуры питательной воды (рис. 2), наиболее эффективно использование KB для горячего водоснабжения (рис. 3, а). В этом случае контактная вода циркулирует по замкнутому внутреннему контуру, нагревая водопроводную воду в водяном теплообменнике.

При подключении систем отопления и горячего водоснабжения (ГВС) возможно применение схем 3, б и 3, в. В схеме 3, б для обслуживания нагрузок отопления и ГВС выделяются отдельные аппараты, причем схема циркуляции воды в отопительных аппаратах такая же, как и для ГВС.

Более экономичной является схема 3, в, в которой обратная вода системы отопления до поступления в KB охлаждается в теплообменнике 1-ой ступени ГВС, что повышает КПД водонагревателя. В периоды сниженных температур обратной воды производится догрев воды ГВС из подающей трубы системы отопления во второй ступени теплообменника ГВС.

В настоящее время выпускаются KB производительностью 0,5, 1,25 и 2 Гкал/ч, которые эксплуатируются в котельных различных районов РФ. Срок окупаемости KB в системе горячего водоснабжения составляет 4—5 месяцев, в системе отопления — в пределах одного года.

Литература

1.   Соснин Ю. П., Бухаркин Е. Н. «Опыт эксплуатации котельных с контактными водонагревателями» // Промышленная энергетика, 1980, № 2.

2.   Соснин Ю. П., Бухаркин Е. Н. «Выбор схемы котельных с контактными водонагревателями» // Промышленная энергетика, 1980, № 5, с. 38-40.

3.   Соснин Ю. П., Бухаркин Е. Н. «Высокоэффективные газовые контактные водонагреватели», М., Стройиздат, 1988, с. 376.

Д. т. н. Е. Н. Бухаркин, Московский государственный открытый университет

Журнал «Новости теплоснабжения» №10, 2004 г.

Тепло- и массообмен в поверхностных теплообменниках

Увеличение стоимости газообразного топлива и лимитирование газоснабжающими организациями объемов его потребления делает выгодным более глубокое охлаждение продуктов сгорания в отопительных и энергетических котлах.

Конденсация водяных паров, содержащихся в уходящих газах, на охлаждающих поверхностях интенсифицирует теплообмен, увеличивает теплосъем с поверхностей нагрева и при определенных параметрах охлаждающей среды позволяет осушить продукты сгорания, исключив выпадение росы на внутренних поверхностях газоходов и дымовой трубы.

В настоящее время газы выбрасываются из котлов с температурой 120200 ОС (в некоторых случаях и выше), что приводит к повышенным ненормативным расходам топлива на выработку тепловой энергии. Между тем, при сжигании природного газа экономически целесообразно и технически возможно снижение температуры уходящих газов до 5090 ОС в зависимости от конкретных условий. 

Читать целиком