Введение
При эксплуатации пластинчатых теплообменников в котельных для подогрева воды систем горячего водоснабжения (ГВС) возникает характерная сложность. Из-за высоких коэффициентов теплопередачи пластинчатые аппараты существенно охлаждают котловую воду. Температура обратного потока котловой воды после теплообменного оборудования может опускаться до значений 50–30°С.
Однако большинство промышленных котлов имеют технологическое ограничение по минимально допустимой температуре воды, возвращаемой в котел. Поступление в котёл слишком холодной воды провоцирует конденсацию паров внутри агрегата, что ведёт к интенсивной коррозии и быстрому выходу котла из строя. Чтобы избежать этого, специалисты стремятся поддерживать температуру обратной котловой воды на уровне не ниже 60–80°С.
Из всего вышеизложенного следует, что подключение пластинчатого теплообменника к котлу «напрямую» является нежелательным.
Техническое решение
Для обеспечения температуры обратной котловой воды не ниже требуемых значений рекомендуется подключать пластинчатый теплообменник к котловому контуру через трёхходовой клапан (см. схему).
Рис. 1. Принципиальная схема применения пластинчатого теплообменника для подогрева горячей воды в составе котельной установки
Элементы схемы:
1 — Водогрейный котёл
2 — Циркуляционный насос
3 — Пластинчатый теплообменник ГВС
4 — Трёхходовой клапан
5 — Датчик температуры воды ГВС
6 — Компенсирующий насос
7 — Регулятор температуры обратной котловой воды
Обозначения потоков:
Т1 — температура в подающем трубопроводе котловой воды
Т2 — температура в обратном трубопроводе котловой воды
Т2то — температура обратной котловой воды после пластинчатого теплообменника
Т3 — температура в трубопроводе нагретой воды ГВС
В1 — температура в трубопроводе холодной воды
Gк — расход воды через котёл
Gгвс — расход воды ГВС
Gтг — общий расход греющей котловой воды на установку ГВС
Gто — расход греющей котловой воды непосредственно на пластинчатый теплообменник
Gб — байпассируемый расход греющей котловой воды
Gп — расход горячей котловой воды, необходимый для удержания требуемой температуры обратки
Эффекты от применения трёхходового клапана
Подключение пластинчатого теплообменника через трёхходовой клапан решает одновременно две задачи:
- предотвращает падение температуры обратной котловой воды ниже допустимого предела (до определённой границы);
- позволяет поддерживать заданную температуру горячей воды, при этом клапан управляется по сигналу термодатчика температуры воды ГВС.
Фактически решение первой задачи стало следствием решения второй: использование трёхходового клапана для автоматического поддержания температуры горячего водоснабжения привело к нормализации температуры обратной котловой воды.
Однако, для выполнения этого условия необходимо, чтобы автоматика поддержания температуры ГВС удерживала её не выше расчётного значения, либо чтобы максимальный разбор горячей воды не превышал расчётного.
Дополнительная защита котла
В качестве дополнительного устройства, защищающего котёл от занижения температуры обратной котловой воды, устанавливается компенсирующий насос с регулятором температуры обратки. Его функция — не допускать падения температуры обратной котловой воды при увеличении водоразбора ГВС выше номинального.
Пример расчёта режимов работы
Рассмотрим в качестве примера различные режимы функционирования котельной установки мощностью 1 Гкал/ч, питающей котловой водой только пластинчатый теплообменник модели НН№ 35ТС-10/1 с площадью теплообменной поверхности 6,65 м². Теплообменник подобран точно на полную нагрузку котла.
Тепловые параметры системы:
Т1/Т2 = 95/70°С, В1/Т3 = 5/60°С
Котёл работает в режиме поддержания постоянной температуры подающей котловой воды. Постоянство расхода Gтг обеспечивается работой нерегулируемого циркуляционного насоса котлового контура. Температура обратной котловой воды не должна опускаться ниже 70°С. Для предотвращения занижения температуры обратки установлены компенсирующий насос и регулятор температуры обратной воды, настроенный на поддержание 70°С.
Расчёты температур на выходах теплообменника выполнены на компьютерной программе расчёта пластинчатых теплообменников. Расчёт температуры смешанной воды Т2 проводился по следующей формуле (только для воды):
Т2 = (Gб × Т1 + Gто × Т2то + Gп × Т1) / Gк
Результаты сведены в таблицу ниже.
Таблица режимов работы
| Потребляемый расход горячей воды Gгвс, т/ч | 7,3 | 10,9 | 14,6 | 14,6 | 18,8 | 25,5 | 29,1 |
| № режима | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| Доля от Gном | 0,4 | 0,6 | 0,8 | 1,0 | 1,2 | 1,4 | 1,6 |
| В1, °С | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 |
| Потребляемый расход горячей воды Gгвс, т/ч | 7,3 | 10,9 | 14,6 | 14,6 | 18,8 | 25,5 | 29,1 |
| Т3, °С | 60 | 60 | 60 | 60 | 50,9 | 44,3 | 39,4 |
| Нагрузка, Гкал/ч | 0,4 | 0,6 | 0,6 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| Т1, °С | 95 | 95 | 95 | 95 | 95 | 95 | 95 |
| Gк, т/ч | 40 | 40 | 40 | 40 | 40 | 40 | 40 |
| Gтг, т/ч | 40 | 40 | 40 | 40 | 16,5 | 15,4 | 14,8 |
| Т2то, °С | 27,1 | 32,7 | 37,3 | 41,5 | 34,9 | 30,1 | 27,2 |
| Gто, т/ч | 5,9 | 9,6 | 13,9 | 18,7 | 16,5 | 15,4 | 14,8 |
| Gб, т/ч | 34,1 | 30,4 | 26,1 | 21,3 | 0 | 0 | 0 |
| Gп, т/ч | 0 | 0 | 0 | 0 | 5,2 | 5,2 | 5,2 |
| Т2, °С | 84,9 | 80,1 | 74,9 | 84 | 70 | 70 | 70 |
Анализ полученных данных
Режимы 1–3 — работа теплообменника на мощностях ниже номинальной. Автоматика поддерживает заданную температуру ГВС 60°С. Трёхходовой клапан перераспределяет потоки греющей воды в соответствии с потребляемой мощностью. Горелка котла работает периодически, поддерживая Т1 = 95°С. Температура обратной котловой воды выше 70°С. Клапан регулятора температуры обратки закрыт.
Режим 4 — работа на номинальной мощности. Автоматика пластинчатого теплообменника поддерживает Т3 = 60°С. Трёхходовой клапан перераспределяет потоки греющей котловой воды. Горелка котла работает постоянно, Т1 = 95°С. Температура обратки равна 70°С. Клапан регулятора закрыт.
Режимы 5–7 — режимы повышенного разбора горячей воды сверх номинального. Автоматика поддержания температуры ГВС направляет весь поток греющей котловой воды на пластинчатый теплообменник, полностью перекрывая байпас, стремясь удержать температуру горячей воды. Однако из-за ограниченной мощности котла это не удаётся, что ведёт к снижению температуры Т3. Горелка котла работает постоянно, Т1 = 95°С. Регулятор температуры обратной котловой воды поддерживает значение «обратки» 70°С путём подмеса горячей котловой воды (Т1) к охлаждённой (Т2то). Данные режимы являются нештатными для такой установки, однако единственная проблема — снижение температуры горячего водоснабжения, котёл же работает в штатном режиме.
Заключение
Обобщая всё вышеизложенное, можно сделать следующие выводы:
Применение пластинчатых теплообменников в составе котельных установок для получения горячей воды возможно без негативных последствий для котла при условии их подключения через трёхходовой клапан. На режимах от номинальной мощности по ГВС и ниже такое подключение обеспечивает нормальную температуру обратной котловой воды.
Для защиты котла рекомендуется использовать дополнительное устройство (компенсирующий насос с регулятором), которое при превышении номинального расхода воды горячего водоснабжения будет подмешивать горячую котловую воду к переохлаждённой обратной котловой воде.
