Назначение теплообменников

Для чего нужен теплообменник Теплообменный аппарат служит для переноса тепловой энергии между двумя средами, при этом их контакт и смешивание исключены. На этой инженерной основе работают отопление, горячее водоснабжение, кондиционирование, а также технологические циклы в пищевой промышленности, нефтепереработке, химической отрасли и энергетике. В многоквартирном доме такой аппарат обеспечивает приготовление горячей воды, получая тепло из городской сети, и разграничивает внутридомовой отопительный контур с магистральным. На пивоваренном производстве он подогревает сусло, а перед розливом охлаждает готовый напиток. В вентиляционной системе утилизирует теплоту удаляемого воздуха. В технологической линии поддерживает нужную температуру реактора. Один и тот же вид оборудования может использоваться во всех перечисленных случаях, однако выбор пластин, материала, мощности и гидравлической схемы каждый раз будет совершенно иным. Ниже рассмотрены десять основных направлений, где применяются теплообменники: описано, какие задачи решаются в каждом из них, и показано, чем различаются пластинчатые, кожухотрубные, паяные и сварные модели по своему назначению.

Какие задачи решает теплообменник как тип оборудования

Если в инженерной либо технологической системе требуется перенести теплоту из одного потока в другой, не допуская их смешивания, там задействуют теплообменный аппарат. Такое устройство имеет два раздельных канала, между которыми находится металлическая стенка: среда горячего контура передаёт энергию через эту стенку среде холодного контура, а сами потоки между собой не соприкасаются. Подобная схема необходима при несовместимости потоков по химическому составу (сетевая вода и вода из внутренней разводки дома), по давлению (магистраль 16 бар и домовой контур 6 бар), по степени чистоты (технологическая среда и хладагент) или по регламенту, запрещающему смешение по санитарным нормам.

Заменить теплообменник нечем именно из-за физической особенности задачи: соединить два потока в один проще и дешевле, однако такой вариант допустим лишь в единичных случаях. Как правило — начиная с ИТП жилого здания и заканчивая нефтехимической колонной — среды обязаны двигаться раздельно, а тепловая энергия переходит от одной к другой сквозь стенку аппарата. Именно поэтому теплообменники присутствуют в любой котельной, на любом производстве, в каждой вентиляционной системе с рекуперацией и ещё во множестве мест, о которых рядовой пользователь даже не догадывается.

Три основные задачи

• Нагрев — получение теплоты от горячего теплоносителя и её отдача холодной среде. Типичный случай — подогрев водопроводной воды для ГВС за счёт сетевой воды теплосети
• Охлаждение — снятие теплоты с технологической среды или продукта. Используется в холодильном оборудовании, на предприятиях пищепрома, в контурах охлаждения двигателей и компрессоров
• Рекуперация — возвращение части теплоты в систему. Перенос энергии от вытяжного воздуха к приточному в вентиляции, от дымовых газов к свежему воздуху в котельной

Для этих трёх задач используют аппараты разных конструкций: разборные и паяные пластинчатые — при умеренных давлении и температуре, кожухотрубные — для пара и высоких параметров, сварные — для агрессивных химических сред, спиральные — для шламов и вязких продуктов. Выбор ведут не по «марке производителя», а по совокупности характеристик среды, давления, температуры и назначения системы.

Коммунальное хозяйство и индивидуальные тепловые пункты

Наиболее распространённая сфера применения теплообменника в Казахстане — индивидуальный тепловой пункт жилого либо коммерческого здания. В любом современном многоэтажном доме имеется ИТП, в котором городская теплосеть разграничена с внутридомовой отопительной системой и контуром ГВС посредством двух пластинчатых аппаратов. Это типичная «независимая схема»: магистраль с жёсткой водой, высоким давлением и переменным графиком не соприкасается с домовой разводкой, по которой идёт подготовленный теплоноситель с ингибитором коррозии.

В ИТП устанавливают аппараты для отопления и аппараты для ГВС — как правило, разборные пластинчатые, на 20–80 пластин, с уплотнениями EPDM, рассчитанные на 16 бар и 150 °C. Для казахстанских теплосетей это рабочий минимум с учётом аварийных режимов и кратковременных скачков давления. Ведущие поставщики в данном сегменте — Alfa Laval, Funke, Kelvion, Sondex, а среди локальных — РИДАН и ЭТРА, на которые приходится основной объём заказов для ЖКХ и муниципальной энергетики.

Стандартная схема ИТП на пластинчатых теплообменниках

• Отопительный теплообменник — мощность 100–800 кВт для здания 5–25 этажей, доводит теплоноситель домового контура до 70–90 °C согласно графику регулирования
• Теплообменник ГВС — мощность 50–300 кВт, из городской сетевой воды готовит для жильцов горячую воду 55–65 °C
• Узел учёта теплоты со стороны магистрали, циркуляционные насосы, регуляторы давления, автоматика по погоде
• Резервные перемычки и байпасные линии — чтобы можно было аварийно разобрать один из аппаратов для промывки

Работа ИТП означает непрерывный режим 24/7 с плановой промывкой каждые 1–2 года и сменой уплотнений каждые 5–7 лет. Остановка этого узла сразу превращается в обращения жильцов: отсутствие горячей воды или остывшие батареи в подъездах — это расходы управляющей компании и удар по репутации управляющего. Поэтому выбору и обслуживанию аппаратов ИТП уделяют особое внимание: резерв мощности 15–20 %, разборные конструкции, пригодные к ремонту, локальные или европейские бренды с сервисом в регионе.

Горячее водоснабжение — самостоятельная задача с санитарными нормами

ГВС представляет собой подогрев холодной питьевой воды через теплообменник до санитарной температуры 55–65 °C, после чего она подаётся потребителям. Хотя контур ГВС находится рядом с отопительным, это отдельная задача со своим перечнем условий. Вода должна соответствовать СанПиН, а контактирующие с ней уплотнения и материал пластин — быть пищевыми; температура в линии после аппарата — не ниже 60 °C по санитарным нормам, чтобы подавлять легионеллу; нагрузка переменная — от почти нулевой ночью до утренних пиков разбора.

Теплообменник ГВС, как правило, контактирует с более «кислой» водой, чем отопительный, и потому быстрее покрывается накипью. На жёсткой воде алматинского и карагандинского водозаборов скорость зарастания такова: слой накипи в миллиметр образуется за 8–14 месяцев, а теплоотдача падает на 15–20 %. Поэтому промывку ГВС выполняют обязательно раз в 1–2 года, а иногда и ежегодно. Подробности о методике и оборудовании — в материалах про промывку теплообменников и оборудование для промывки.

Нюансы выбора для ГВС

• Резерв мощности 25–30 % к расчётному значению — чтобы покрывать утренние и вечерние пики водоразбора
• Пищевые уплотнения EPDM — есть сертификат на контакт с питьевой водой
• Пластины из AISI 316 либо титановое покрытие для зон с хлорированной водой
• Разборное исполнение с возможностью добавить пластины при увеличении потребления
• Патрубки сверху — так удобнее разбирать и не нужно опорожнять линию

Отопление — независимая схема и теплообменник на стыке сетей

В отопительной системе здания теплообменник работает как «гидравлический разделитель» магистрального теплоснабжения и внутреннего домового контура. Сторона магистрали функционирует по графику 110–150 °C при давлении 6–16 бар; домовая — при 70–90 °C и 4–6 бар. Если бы аппарата не было, потребовалось бы либо монтировать дополнительные узлы снижения давления, либо подмешивать сетевую воду в домовую. Технически это выполнимо, но в Казахстане для многоквартирных домов обычно выбирают независимую схему с ПТО.

Аппарат отопления подбирают исходя из тепловой нагрузки здания: для стандартной пятиэтажки — 150–250 кВт, для 17-этажного дома — 600–900 кВт, для коттеджа — 25–60 кВт. В частном секторе востребован отдельный класс оборудования для отопления частного дома — малогабаритные паяные ПТО на 10–30 пластин либо разборные минимального типоразмера, с фланцевыми или резьбовыми подключениями. В этом сегменте чаще встречаются паяные Funke, Alfa Laval CB, Sondex SL, Swep и ТТАИ.

Специфика контура отопления

• В отопительный сезон теплоноситель циркулирует непрерывно, 24/7, без продолжительных остановок
• Температура и давление держатся стабильно, резких скачков нет — аппарат работает в щадящем режиме
• Вода домового контура проходит подготовку (мягкая или умягчённая, с ингибитором коррозии), поэтому накипь откладывается медленно
• Промывку делают реже, чем в ГВС, — для стандартного ИТП раз в 2–4 года

Вентиляция, кондиционирование и возврат тепла воздуха

В вентиляционных системах теплообменник задействован в двух режимах. Первый — подогрев приточного воздуха теплоносителем из отопительной сети через калорифер (фактически водо-воздушный теплообменник). Второй — рекуперация: аппарат отдаёт энергию от тёплого вытяжного воздуха холодному приточному, что зимой снижает затраты на нагрев воздуха до 60–80 %. Оба режима типичны для центральной приточно-вытяжной вентиляции жилых, офисных и производственных зданий.

Для вентиляционных установок выпускают специальные пластинчатые рекуператоры с пластинами из алюминия или нержавейки, рассчитанные на воздушные потоки 1000–50 000 м³/ч. Калориферы представляют собой водо-воздушные секции, обычно медно-алюминиевые оребрённые, по которым прокачивают горячую воду или этиленгликоль. И калориферы, и рекуператоры — самостоятельный класс оборудования, поставляемый в составе установок Daikin, Systemair, Komfovent, «Веза», «Ремак».

Задачи в HVAC

• Подогрев приточного воздуха до 18–22 °C из наружного воздуха зимой (от −25 до 0 °C)
• Охлаждение приточного воздуха в летний период — холодной водой чиллера либо фреоном холодильной машины
• Рекуперация теплоты вытяжного воздуха — капвложения окупаются за 2–4 отопительных сезона
• Возврат тепла технологических вытяжных выбросов — экономия на обогреве промышленных цехов

Вентиляционные теплообменники отличаются низкой удельной плотностью теплопередачи воздуха по сравнению с жидкостью, поэтому площадь теплообмена у них в разы больше, чем у жидкостных ПТО аналогичной мощности. Для приточной установки на 5000 м³/ч калорифер занимает 0,3–0,5 м², а пластинчатый рекуператор — большой шкаф 1,2×1,5 м. Это учитывают в проекте уже при планировке венткамеры.

Бассейны: обогрев чаши и удержание температуры

Бассейн — это тёплый объём воды от 30–40 м³ для частного спа до 500–2000 м³ для общественного. Нагрев воды в чаше до 26–30 °C и удержание этой температуры при непрерывной циркуляции — задача, для которой применяется специальный аппарат для бассейна. Со стороны чаши он контактирует с хлорированной или озонированной водой, а она агрессивна к нержавейке AISI 304. Поэтому штатное исполнение бассейнового теплообменника — титановые пластины или AISI 316 с пищевыми уплотнениями.

Мощность аппарата определяют по объёму чаши и температурной разнице: чтобы нагреть 40 м³ с 15 до 28 °C за 24 часа, нужно примерно 25–30 кВт; для поддержания температуры зимой в подогреваемом бассейне — 8–12 кВт постоянной нагрузки. Источник тепла — котёл, тепловой насос, гелиосистема или общедомовая сеть. В частных бассейнах чаще ставят паяные теплообменники Alfa Laval CB, Funke TPL, ТИЖ, КС, рассчитанные на 16 бар и работу с хлорированной водой.

Устройство бассейнового теплообменника

• Титановые пластины — обязательны для морской воды и бассейнов с сильным хлорированием
• Пластины AISI 316L — подходят для пресных бассейнов с умеренным хлорированием, если концентрация хлора не выше 1 мг/л
• Пищевые уплотнения EPDM либо FKM, когда нужна повышенная химическая стойкость
• Патрубки со стороны чаши — с антикоррозионным покрытием или фланцы из нержавейки

При корректном подборе и регулярной промывке бассейновый теплообменник служит 10–15 лет. Ошибка с материалом пластин (поставить AISI 304 на хлорированную воду) вызывает точечную коррозию уже за 2–3 сезона и протечки. Ремонтировать такие аппараты бессмысленно: пробитую пластину не заменить, проще поставить новый аппарат правильного исполнения.

Пищевая промышленность: пастеризация, охлаждение, регенерация

В пищевой отрасли теплообменник — главный аппарат термообработки продукта. Молоко пастеризуют при 72–85 °C и охлаждают до 4 °C перед розливом; пиво нагревают до температуры брожения, затем стерилизуют и охлаждают; соки и кетчупы проходят горячий розлив и быстрое охлаждение, чтобы сохранить цвет и витамины; кондитерскую глазурь темперируют на узких температурных режимах. Все эти процессы выполняются на теплообменниках, и от их надёжности зависят качество продукта и санитарная безопасность.

В пищёвке используют разборные пластинчатые аппараты с пищевыми уплотнениями EPDM, FKM или Viton, пластинами AISI 316L и подтверждёнными сертификатами контакта с продуктом. Отдельное требование — конструкция, которая разбирается без специнструмента, чтобы санитарная мойка не отнимала время. Лидеры сегмента: Alfa Laval (серии M, T, FrontLine), Tetra Pak, GEA, Sondex, РИДАН и ЭТРА для молочных и пивоваренных заводов.

Стандартные секции молочной линии

• Регенерация первой ступени — холодное молоко нагревается теплом уже пастеризованного, экономия энергии до 70 %
• Пастеризация — подогрев паром либо горячей водой до 72–78 °C
• Выдержка — выдержка при заданной температуре 15–20 секунд
• Регенерация второй ступени — пастеризованное молоко охлаждается холодным сырым
• Охлаждение — окончательное охлаждение до 4 °C ледяной водой или фреоном

После каждой смены линия моется по протоколу CIP: сначала циркулирует щелочной раствор при 75–85 °C, затем кислота, после — чистая вода. Это обязательная часть санитарного регламента, гарантирующая отсутствие бактериального загрязнения. Аппараты для пищёвки рассчитаны на 2–3 цикла CIP в сутки и 10–15 лет работы без замены пластин.

Химическая и нефтехимическая отрасль: агрессивные среды и высокие давления

На предприятиях химии и нефтехимии теплообменное оборудование контактирует с реакционными смесями, растворителями, кислотами и щелочами. Диапазон температур — от −40 до +400 °C, давление — до 16–25 МПа. Здесь применяют не разборные пластинчатые аппараты с резиновыми прокладками, а сварные либо кожухотрубные конструкции. Материал исполнения — нержавеющая сталь, титан, никель, монель, хастеллой; выбор зависит от того, какой реагент и при какой температуре должен выдерживать аппарат. Цена такого изделия на порядок превышает стоимость пластинчатого ПТО для ЖКХ, а изготовление ведётся по индивидуальному технологическому регламенту.

На НПЗ теплообменные аппараты включены в работу каждой колонны: подогревают сырьё перед ректификацией, отводят тепло от дистиллятов, возвращают теплоту в системе перекрёстного обмена. В химическом производстве их задача — удерживать температуру в реакторах синтеза, охлаждать катализаторы, превращать пары в конденсат. Если оценивать крупное химическое производство в целом, на теплообменное оборудование приходится 30–40 % стоимости и металлоёмкости.

Конструкции для химической отрасли

• Кожухотрубные — базовое решение для нефтехимии; давление в работе — до 16 МПа, температура — до 500 °C. Внутри цилиндрического корпуса размещён трубный пучок, для ремонта пучок извлекают.
• Сварные пластинчатые (полностью сварные, полусварные) — применяются в агрессивных химических средах и при температурах до 350 °C; резиновые уплотнения отсутствуют, поэтому нет уязвимых зон.
• Спиральные — используются там, где есть шламы, суспензии и вязкие среды с твёрдыми частицами, а пластинчатые аппараты быстро забиваются.
• Блочные графитовые — рассчитаны на концентрированные кислоты (соляную, серную, плавиковую), в которых сталь разрушается коррозией за считаные месяцы.

Энергетический сектор: ТЭЦ, котельные, атомные станции

На энергетических объектах теплообменное оборудование задействовано на всех этапах цикла. Оно нагревает питательную воду в системе регенерации турбины, разделяет первый и второй контуры на АЭС, подогревает сетевую воду в бойлерах теплосети, обеспечивает конденсацию пара после турбины. Такие аппараты отличаются большой мощностью (от единиц до сотен МВт), высоким давлением (до 35 МПа в первом контуре АЭС) и крупными габаритами: длина кожухотрубника на ТЭЦ достигает 8–12 метров, масса — десятки тонн.

Энергетическое теплообменное оборудование — обособленный рыночный сегмент, где заняты профильные машиностроительные предприятия. Среди производителей — ОАО «Подольский машиностроительный завод», «Зио-Подольск», «Силовые машины»; из зарубежных поставщиков — General Electric, Siemens, MHI. Применяются стандарты стандарты ГОСТ и СТ РК, ОСТ 24-300, а также ТУ, разработанные под конкретный энергоблок. Здесь речь идёт не о покупке готового изделия, а о проектировании и согласовании в рамках проекта станции.

Роль в тепловой схеме электростанции

• Подогреватели высокого и низкого давления — питательная вода нагревается паром из отборов турбины, за счёт чего КПД станции повышается на 8–12 %
• Сетевые подогреватели в составе бойлерных — обеспечивают нагрев сетевой воды для городского теплоснабжения
• Турбинные конденсаторы — отработанный пар превращается в конденсат с помощью охлаждающей воды из пруда либо градирни
• Парогенераторные установки АЭС — кожухотрубные конструкции, где трубная система состоит из тысяч трубок; тепло передаётся от радиоактивного первого контура к нерадиоактивному второму

Судостроение, транспорт и нефтегазовый сектор

В судовых системах охлаждения главных двигателей используются теплообменники: пресная вода двигательного контура отдаёт тепло забортной морской воде через ПТО с титановыми пластинами. Морская вода обладает высокой агрессивностью, а AISI 304 выдерживает её лишь считаные месяцы. Именно поэтому для морских условий стандартом стали титан или особые сплавы, например хастеллой C-276. Те же требования предъявляют к платформам для добычи нефти и газа на шельфе.

Железнодорожный транспорт применяет масляные и водяные радиаторы дизелей локомотивов, а также рекуператоры тепла. В легковых и грузовых автомобилях стоят радиаторы охлаждения двигателя, интеркулеры наддувочного воздуха, маслорадиаторы коробки передач. Авиация использует топливомасляные теплообменники и системы кондиционирования салона. Для каждой сферы формируются свои нормативы: в морской отрасли — DNV, ABS; в авиации — AS9100; в нефтегазе — API 660 и API 662 на кожухотрубные ПТО.

Особые требования

• Морская вода как среда — применяют титановые пластины либо сплавы Inconel, монель; AISI 304 не используют
• Стойкость к вибрациям — важно для судов и транспорта; трубные пучки выполняют в антивибрационном исполнении
• Компактные габариты — на транспорте этот параметр критичен, поскольку масса и размеры ограничены жёстко
• Наличие сертификатов — морской регистр, авиационные нормы, стандарты API для конкретного применения

Соответствие назначения и типа теплообменника

Если определено назначение — отопление, ГВС, бассейн, пастеризация молока, нефтепереработка, — можно сразу ограничить класс аппарата и выбрать материал. Теплообменника, подходящего абсолютно для всех задач, не существует, поэтому подбор стартует с назначения. Далее приведена матрица, связывающая типовое применение с подходящей конструкцией ПТО.

Чек-лист подбора по назначению

1. Определить назначение: что и чем нагревается (первичная среда / вторичная среда)
2. Указать мощность в кВт либо расход теплоносителя в м³/ч вместе с температурным графиком
3. Назвать рабочее давление и пиковые скачки с обеих сторон контура
4. Описать химический состав среды: жёсткость воды, присутствие хлоридов, реагентов, твёрдых включений
5. Уточнить место монтажа (помещение, температурный режим, ограничения по габаритам)
6. Согласовать способ присоединения: фланцы, резьба, приварные патрубки
7. Запросить запас мощности 15–30 % на рост нагрузки или аварийные режимы

Вопросы и ответы о назначении теплообменников

Все ответы по эксплуатации теплообменного оборудования собраны в разделе частых вопросов. Кроме того, пригодятся обзоры по видам и типам теплообменников, а также практическое руководство по выбору теплообменника.