Водоводяные теплообменники

Теплообменники типа «вода-вода» Это оборудование представляет собой теплообменные аппараты, в которых два независимых контура «вода-вода» обмениваются теплом: горячий теплоноситель из центральной теплосети отдаёт энергию вторичному контуру, обеспечивая отопление и горячее водоснабжение зданий. В Казахстане применяются три основных типа конструкций: разборные пластинчатые теплообменники (ПТО) от производителей РИДАН, ЭТРА, Alfa Laval, Funke, Kelvion — для современных индивидуальных тепловых пунктов (ИТП) и центральных тепловых пунктов (ЦТП) с нагрузкой от 0,1 до 20 МВт; кожухотрубные секционные аппараты ВВП и ВВПИ, изготовляемые по ГОСТ 27590 и СТ РК, — для типовых тепловых пунктов в зданиях старой застройки и при реконструкции; а также компактные паяные ПТО мощностью 5–250 кВт для котельных частных домов и небольших коммерческих объектов. В данном обзоре мы рассмотрим различия между разборными ПТО и кожухотрубными секциями, объясним, как расшифровывать маркировку ВВП и правильно подбирать аппарат под требуемую нагрузку, какие материалы пластин и уплотнений лучше подходят для жёсткой сетевой воды, и почему современный ИТП с пластинчатым теплообменником занимает меньше места и работает эффективнее, чем устаревший кожухотрубный узел аналогичной мощности.

Водоводяной теплообменник: что это и где применяется

Водоводяной теплообменник относится к поверхностным аппаратам: два водных потока в нём разделены металлической стенкой, тепло передаётся без смешивания сред. В роли греющей среды выступает высокотемпературная сетевая вода из городской теплосети (Т1 95–150 °C, давление 6–16 бар). Нагреваемая сторона — вода вторичного контура; она подаётся либо в отопительную систему здания по схеме «вход 70 / выход 95 °C», либо в контур ГВС, где холодная водопроводная вода доводится до санитарной нормы 60–65 °C. Разделяющая поверхность выполнена либо в виде пакета тонких гофрированных пластин в разборном ПТО, либо как пучок латунных трубок в кожухотрубной секции ВВП.

С точки зрения компоновки это всегда элемент теплового пункта здания — ИТП (индивидуальный тепловой пункт в подвале одного дома) или ЦТП (центральный тепловой пункт микрорайона). Упрощённая принципиальная схема выглядит так: вход Т1 → бак-фильтр → регулирующий клапан с электроприводом → первичный контур теплообменника → выход Т2 в обратную линию теплосети. Параллельно работает вторая ветвь: вход подпитки или холодной воды → насос вторичного контура → вторичный контур теплообменника → выход к потребителю. На современных объектах применяют две независимые «нитки» — отдельный аппарат на отопление и отдельный на ГВС, либо общий теплообменник с термостатическим распределением мощности.

Для чего требуется разделение контуров

Подключение здания напрямую к теплосети — схема устаревшая и чреватая проблемами: давление и качество сетевой воды далеко не всегда отвечают требованиям внутренних систем, а высокая температура представляет опасность для радиаторов и трубопроводов в квартирах. Водоводяной теплообменник закрывает сразу три вопроса. Первый — гидравлическое разделение: давление во вторичном контуре создаётся собственным циркуляционным насосом и редуктором и не зависит от перепада в магистрали. Второй — температурное разделение: вторичный контур прогревается до температуры, требуемой графиком отопления, а не до агрессивных 130–150 °C первичной стороны. Третий — качество воды: внутренний контур заполняют подготовленной деаэрированной водой, и он работает с минимумом шлама, тогда как «грязная» сетевая вода остаётся в первичной части аппарата.

Детально о принципах работы и конструкции — в наших публикациях: обзоре теплообменников и принципах функционирования теплообменника. В этом же разделе остановимся на наиболее популярной разновидности — аппаратах вода-вода для ИТП и ЦТП.

Виды исполнения водоводяных теплообменников

По тому, как теплопередающая поверхность соединяется с корпусом, все промышленные аппараты вода-вода делят на три больших класса. Разборные пластинчатые (РПТО) представляют собой пакет гофрированных нержавеющих пластин, который через резиновые уплотнения зажимается между рамой и нажимной плитой; такую конструкцию можно полностью разобрать для механической очистки. Паяные пластинчатые (ППТО, BPHE) — те же пластины, но спаянные медью или никелем в неразборный блок; их обслуживают только химической промывкой. Кожухотрубные секционные ВВП и ВВПИ — это несколько пучков латунных трубок D 14–16 мм, размещённых в стальном корпусе D 76–530 мм, с типовыми длинами 2 и 4 метра.

Сопоставление типов по основным параметрам

Каталог пластинчатых аппаратов охватывает все три класса и предполагает подбор под расчётную мощность объекта. Для типовых проектов, где меняют советские секции, предусмотрена линейка кожухотрубных аппаратов в исполнениях ВВП по ГОСТ 27590 и СТ РК.

Разборные пластинчатые ПТО — основной элемент ИТП

Для современных ИТП жилых и коммерческих зданий разборный пластинчатый теплообменник стал стандартным решением. Его конструкция максимально технологична: пакет тонких (0,4–0,6 мм) гофрированных пластин из нержавейки AISI 304, AISI 316 либо титана сжимается между неподвижной рамой и подвижной нажимной плитой. Для формирования чередующихся каналов под два теплоносителя между пластинами ставят резиновые уплотнения EPDM, NBR или HNBR. Расчётное усилие стяжных шпилек составляет обычно 350–800 кН для бытовых и коммерческих аппаратов и доходит до 2 МН у крупных промышленных.

Ключевое достоинство — модульность. Если в процессе эксплуатации нагрузка возросла (появилась мансарда, присоединили соседнее здание, увеличили зону ГВС), в имеющийся аппарат достаточно добавить пластин: рама и плита дают возможность увеличить пакет в 1,5–2 раза, не меняя всю установку. Обратная операция — уменьшение пакета — выполняется столь же легко. Такой гибкости нет ни у паяных ПТО, ни у кожухотрубных аппаратов. Подробно конструкция рассматривалась в материалах о разборных ПТО и пластинчатых теплообменниках.

Стандартная схема ИТП с разборным ПТО

Современный тепловой пункт, как правило, оснащается двумя независимыми аппаратами: первый обслуживает отопительный контур (первичная греющая сторона — сетевая вода 130/70 °C; вторичная нагреваемая — вода радиаторов 95/70 °C), второй работает на ГВС (первичная — та же сетевая; вторичная — холодная водопроводная вода, которая нагревается до 60–65 °C). Реже применяют схему с одним общим теплообменником и термостатическим распределением мощности — она экономит место, но усложняет регулирование и уменьшает надёжность. Параллельно с теплообменниками в обвязку ставят грязевики, регулирующие клапаны с электроприводом, управляемые контроллером, циркуляционные насосы вторичного контура и предохранительные клапаны с расширительными баками.

Паяные ПТО для котельных и компактных объектов

Паяные пластинчатые теплообменники (Brazed Plate Heat Exchangers, BPHE) — компактный неразборный аппарат, в котором пластины спаяны между собой медью (типичные модели Alfa Laval CB, Funke FP, Kelvion GBH) или никелем (для агрессивных сред — пищёвка, фармацевтика, аммиак). Уплотнения отсутствуют: герметичность обеспечивает пайка. Это даёт две сильные стороны и одну слабую. Сильные: рабочее давление до 30–45 бар (на разборных — 16–25), компактность в 1,5–2 раза выше разборных аналогов на ту же мощность, отсутствие резины снимает ограничение по температуре до 200 °C и выше. Слабая: пакет нельзя разобрать для механической чистки — только химическая безразборная промывка.

Обычно паяные теплообменники задействуют в котельных частных домов и малых коммерческих зданий с мощностью 5–250 кВт: контур котла первичный → паяный ПТО → вторичный контур радиаторов либо ГВС. Такие устройства отличаются особой компактностью: для дома площадью 200 кв.м и котлом 24 кВт стандартный ПТО сопоставим по размеру с книжным томом. В коттеджной системе ГВС паяный аппарат мощностью 50 кВт занимает меньше места, чем смеситель в санузле. В коммерции паяные ПТО применяют для офисов, магазинов, фитнес-клубов — там, где важна компактность и не требуется разборная очистка.

В каких случаях предпочесть паяный вариант разборному

• Если мощность не превышает 250–300 кВт; свыше этого порога выбираем разборные
• Подготовленная чистая вода в обоих контурах — отсутствуют жёсткая накипь и шлам
• Стеснённые условия монтажа — котельная котла, узел учёта внутри шкафа
• Рабочее давление высокое (15–30 бар) в обоих контурах
• При значительном загрязнении проще заменить аппарат полностью, а не разбирать его

В каталоге паяных теплообменников доступны линейки Alfa Laval CB, Funke FP, Kelvion GBH, SWEP B, а также аналоги, поставляемые в Казахстан, с типоразмерами от 5 до 500 кВт. Подбор и расчёт выполняются по тем же данным, что для разборных моделей: температуры и расходы первичного и вторичного контуров, а также нужная мощность.

ВВП и ВВПИ кожухотрубного типа — стандартный вариант при реконструкции

Водоводяные подогреватели кожухотрубного исполнения ВВП (водо-водяной подогреватель) и ВВПИ (водо-водяной подогреватель индивидуальный) — классическая советская конструкция, соответствующая ГОСТ 27590 «Подогреватели водоводяные секционные» и применимым СТ РК. Вплоть до 2000-х она оставалась единственной массовой платформой для тепловых пунктов в Казахстане, и в значительном фонде зданий старой застройки такие аппараты эксплуатируются до сих пор. Устройство максимально простое: наружный стальной кожух-корпус из трубы D 76–530 мм, а внутри — пучок латунных трубок D 16 мм. Греющий теплоноситель проходит по межтрубному пространству, нагреваемый — по трубкам (либо наоборот, в зависимости от задачи).

Обозначение ВВП читается по стандартной логике: к примеру, ВВП 11×2-1,0-РГ, где 11 — номер типоразмера (диаметр корпуса 273 мм по ГОСТ), ×2 — длина секции 2 метра (×4 — для четырёхметровой), 1,0 — рабочее давление в МПа (1,0 МПа = 10 бар), РГ — расширенное гнутое исполнение трубного пучка. Аппарат набирают из нескольких секций длиной 2 или 4 метра, которые соединяют последовательно через калачи — поэтому он и называется «секционный подогреватель». Номинальная мощность одной секции D 273 длиной 4 метра — 200–300 кВт при типовом температурном графике 150/70 °C для отопления.

Достоинства и недостатки ВВП

К достоинствам относят: срок службы корпуса до 30 лет на подготовленной воде; устойчивость к гидроударам и сетевой воде низкого качества со шламом и взвесями; ремонтопригодность — можно поменять отдельную секцию или отдельные трубки пучка; удобство диагностики — резьбовые люки на торцах дают доступ для чистки ершом. К недостаткам: габариты в 2–3 раза крупнее пластинчатых аналогов той же мощности; КПД 70–82 % против 92–96 % у разборных ПТО, то есть на ту же тепловую нагрузку расход сетевой воды выше; ограниченная гибкость по мощности (только изменением числа секций); замедленное регулирование из-за значительной тепловой инерции.

Варианты подключения водоводяных теплообменников в ИТП

То, как водоводяной теплообменник включается в тепловой пункт, зависит от вида нагрузки (отопление, ГВС или обе одновременно) и температурного графика сети. В казахстанской практике используют четыре основные схемы. Зависимая прямая — теплообменник отсутствует, сетевая вода сразу поступает в радиаторы; схема устаревшая и в новых проектах не применяется. Зависимая со смешением (элеваторный узел) — обратка подмешивается в подачу через элеватор для снижения температуры; промежуточный вариант, встречается ограниченно при реконструкции. Независимая для отопления — теплообменник разделяет сетевую и внутреннюю воду; современный стандарт. Двухступенчатая независимая для ГВС — два аппарата последовательно для предварительного и окончательного нагрева, экономит сетевую воду на 8–12 %.

Двухступенчатый подогрев ГВС

Для крупных потребителей с высоким расходом горячей воды (общежития, гостиницы, бизнес-центры) применяют двухступенчатый подогрев ГВС. Холодная вода из водопровода сначала идёт через теплообменник первой ступени, где получает тепло от обратки системы отопления (у неё ещё 50–60 °C, и перед возвратом в теплосеть её нужно охладить). Нагретая предварительно до 35–45 °C вода поступает во вторую ступень, где догревается прямой сетевой водой до санитарных 60–65 °C. Выгода двойная: утилизируется тепло отопительной обратки и одновременно снижается нагрузка на вторую ступень. Экономия сетевой воды — 8–12 % по сравнению с одноступенчатой схемой.

Схемы параллельного и смешанного типа

Если нагрузки на отопление и ГВС сопоставимы, применяют параллельную схему — один общий теплообменник либо два независимых с общими коллекторами. Когда нагрузка ГВС заметно выше отопительной (как в общежитиях летом), используют смешанную схему — два аппарата ГВС параллельно и один на отопление; в летний период отопление отключают, и весь первичный теплоноситель направляется на ГВС. Схему выбирают на стадии ТЗ для проектной организации, и зависит это от характера потребления горячей воды на объекте.

Выбор водоводяного теплообменника исходя из нагрузки

Выбор аппарата вода-вода для теплового пункта начинают с вычисления тепловых нагрузок здания. Отопление рассчитывают по укрупнённой формуле q × V × (tвн − tнар), где q — удельная отопительная характеристика здания (Вт/м³·°C), V — отапливаемый объём в м³, tвн — расчётная внутренняя температура (как правило, +20 °C), tнар — расчётная наружная температура для региона по СН РК У типового кирпичного дома удельная характеристика 0,4–0,5 Вт/м³·°C; у современного утеплённого панельного — 0,2–0,3; у административного офиса — 0,35–0,45. Нагрузку ГВС определяют по числу водоразборных точек и расчётному расходу согласно СН РК 4.01-02-2013.

Данные, необходимые для расчёта ПТО

Затем расчёт передаётся в фирменное ПО производителя (CAS200 у Alfa Laval, PHEx у Funke, аналоги у РИДАН и ЭТРА): вводятся исходные температуры, расходы, гидравлическое сопротивление, после чего программа выбирает оптимальный типоразмер пластин (к примеру, M6, M10, NT50, S62) и их количество в пакете. Одновременно проверяется запас на загрязнение (так называемый Rfouling) — как правило, 0,00009 м²·°C/Вт для чистой воды и до 0,00018 для жёсткой и загрязнённой. Готовые расчёты для типовых ИТП с шагом мощности 50–100 кВт включены в каталог ПТО для ИТП.

Методика подбора и расчётные формулы подробно изложены в материалах о расчёте и подборе теплообменника, а также о подборе теплообменника. В большинстве проектов заказчик направляет нам ТЗ, после чего инженерный отдел выполняет расчёт и предоставляет типоразмер с гарантией параметров.

Материалы для пластин, уплотнений и трубок

Выбор материала, контактирующего с теплоносителем, во многом определяет долговечность водоводяного теплообменника. Для разборных ПТО базовым вариантом пластин считается нержавейка AISI 304 (Cr 18 / Ni 8): её применяют на подготовленной сетевой воде с pH 7–9, хлоридами не выше 200 мг/л и низким содержанием кислорода. Если среда агрессивнее — открытый водозабор, артезианская вода с высокой минерализацией, приморские зоны с морской подпиткой — берут AISI 316 (с молибденом) либо титан. Титановые пластины выбирают при опасности питтинга и стресс-коррозии от хлоридов: бассейны, котельные у моря, рыбхозы.

Прокладки: подбор резины

У разборных ПТО срок службы во многом зависит от уплотнений, не меньше, чем от пластин. Для отопительного контура обычно применяют EPDM (этилен-пропилен-диеновый каучук): диапазон −40…+150 °C, ресурс 5–10 лет на сетевой воде, стойкость к воде и большинству реагентов. В ГВС с хлорированием тоже ставят EPDM, но в усиленном варианте HT EPDM (high temperature). Для технологических линий с маслами или агрессивной средой подходят NBR (нитрильный каучук) либо HNBR (гидрированный нитрильный). Каждый изготовитель — Alfa Laval, Funke, Kelvion, РИДАН, ЭТРА — выпускает собственные уплотнения; при замене лучше использовать оригинальные, чтобы не потерять гарантию аппарата.

Трубки кожухотрубных ВВП

Для кожухотрубных теплообменников по ГОСТ 27590 и СТ РК трубки обычно делают из латуни Л63 или ЛО70-1: высокая теплопроводность (109–120 Вт/м·К), устойчивость к водяной коррозии, достаточная пластичность для развальцовки в трубных решётках. Если вода агрессивная или нужна повышенная коррозионная стойкость, трубки меняют на нержавеющую сталь — но теплопередача падает на 8–12 %, поэтому требуется пересчитать число секций. Корпус ВВП изготавливают из углеродистой стали 09Г2С или Ст20 с внутренним лакокрасочным покрытием либо цинковой защитой. Уплотнения торцевых крышек — паронит или резина MBS при рабочем давлении до 1,6 МПа.

Все запасные части — пластины, прокладки, латунные трубки и фитинги — представлены в каталогах пластин для теплообменников и уплотнений. Детальный разбор материалов приведён в обзоре уплотнений для ПТО.

Технические параметры водоводяных теплообменников

Рабочие параметры аппарата вода-вода определяются ограничениями по давлению, температуре и расходу с обеих сторон. У разборных ПТО максимальное рабочее давление по нормативу составляет 16, 20 или 25 бар — зависит от типоразмера рамы и диаметра штуцеров. Верхняя рабочая температура зависит от уплотнений: EPDM — 150 °C, HT EPDM — 180 °C, специальные термостойкие — до 200 °C. Минимальная температура обычно −10…−20 °C для незамерзающих теплоносителей в технологических контурах. Расход определяется типоразмером пластин: к примеру, M6 на 25 м³/ч, M10 на 50 м³/ч, NT50 на 80 м³/ч, S62 на 150 м³/ч.

Стандартные параметры ИТП с ПТО

Конкретные значения зависят от изготовителя и поколения серии. К примеру, серии NT (Funke) и MEX (РИДАН) поколения 2020+ дают на 8–12 % более высокую теплопередачу, чем предыдущие, за счёт оптимизированной гофрировки пластин. Серии Alfa Laval M и Kelvion VT широко используются в странах СНГ и обеспечены сервисной сетью. Гарантия производителя на корпус разборного ПТО обычно 5 лет, на уплотнения — 18–24 месяца.

Установка и обвязка теплообменника вода-вода

Монтаж аппарата вода-вода в составе ИТП — комплексная задача, требующая согласованной работы проектировщиков, монтажников и пусконаладчиков. Последовательность обычно такая: подготовка основания под аппарат и пусковое оборудование (опорная рама, виброопоры, фундаментная плита под крупный агрегат), врезка штуцеров первичного контура в магистраль теплосети с запорной арматурой и фильтром-грязевиком, врезка штуцеров вторичного контура с подключением к коллектору отопления или ГВС, установка циркуляционного насоса вторичного контура и регулирующего клапана с электроприводом, монтаж КИП — манометров на входе и выходе обоих контуров, термометров, расходомеров, датчиков давления для контроллера ИТП.

Семь этапов пусконаладки

При стандартной компоновке ИТП с разборным ПТО мощностью 1–3 МВт монтаж от поставки оборудования до ввода в эксплуатацию занимает 7–15 рабочих дней. Подробности обвязки — в статье об обвязке пластинчатых теплообменников.

Эксплуатация и техобслуживание

Правила эксплуатации водоводяного теплообменника задаются инструкцией изготовителя и зависят от типа аппарата, качества теплоносителя и режима работы. Базовые операции для разборного ПТО на ИТП: ежемесячный осмотр на предмет протечек по периметру пакета, контроль манометров на входе и выходе обоих контуров (плановый рост перепада — повод для чистки), ежеквартальная проверка предохранительных клапанов и расширительных баков, ежегодная разборка и механическая очистка пластин по окончании отопительного сезона (для жёсткой сетевой воды — 2 раза в год), химическая безразборная промывка как промежуточная операция между разборными чистками.

Когда требуется чистка

• Перепад давления на теплообменнике вырос более чем до 130 % от паспортного
• Температура вторичного теплоносителя на выходе упала на 5–10 °C ниже расчётной
• Температура обратного первичного теплоносителя поднялась выше графика на 5–8 °C
• Появились шум и кавитация на циркуляционном насосе вторичного контура
• Пользователи жалуются на падение температуры в квартирах или ГВС

Очистка разборного теплообменника

Порядок разборки такой: сначала сбросить давление и слить теплоносители, затем крест-накрест отвернуть стяжные шпильки, отвести нажимную плиту по направляющей раме, высвободить пакет и по одной извлечь пластины, помечая их место в пакете. Каждую пластину нужно отмыть в ванне с 5–10 % раствором лимонной или сульфаминовой кислоты при 50–60 °C в течение 30–60 минут, после чего выполнить механическую чистку щёткой. Уплотнения проверяют на трещины и утрату эластичности — если нужно, ставят новые. Сборка производится в обратной последовательности, при этом усилие затяжки шпилек контролируют моментометром либо по паспортной длине пакета.

Детально методы очистки и промывки описаны в материалах «способы очистки пластинчатого теплообменника», о промывке ПТО и обзоре техники для промывки.

Основные изготовители водоводяных теплообменников

На казахстанском рынке аппаратов вода-вода можно выделить три крупные группы изготовителей. Европейские импортные бренды первого эшелона — Alfa Laval (Швеция), Funke (Германия), Kelvion (Германия, бывший GEA), SWEP (Швеция); их доля в сегменте крупных ИТП и ЦТП традиционно велика, в Казахстане они работают через дистрибьюторов и располагают собственными сервисными центрами. Российские производители — РИДАН (ранее СП Danfoss-РИДАН, Нижний Новгород), ЭТРА (Тверь), ТТАИ (Москва), Машимпэкс — предлагают полный ряд от компактных до крупных установок и выигрывают по доступности запчастей и срокам поставки. Третья группа — азиатские изготовители (Sondex, Hisaka, Tranter), которые занимают промежуточные ценовые ниши.

Сравнение по сегментам

Детальные обзоры производителей — в материалах об изготовителях теплообменного оборудования, обзорах РИДАН и ЭТРА. В каталоге пластинчатых теплообменных аппаратов собраны все основные серии — РИДАН НН14, НН21, НН42, Funke FP, Alfa Laval M3-M30, Kelvion VT, ЭТРА.