ВВЕДЕНИЕ
В 1948 г. американский изобретатель Эви Льюис Миллер на базе гранта правительства США приступил к разработке принципиально новой конструкции котлов, впоследствии названными гидронными котлами.
Основным требованием к разработке гидронных или высокоскоростных малоемкостных котлов явилось создание «прощающей» конструкции котла, делающим его наиболее надежным источником тепла, особенно в системах коммунального теплоснабжения.
«Forgiveness» – «прощающая конструкция» – технический термин, пришедший в начале ХХ века из авиационных конструкторских бюро и обозначающий конструкцию самолета, которая сама исправляет ошибки пилота, приспосабливается к изменению метеоусловий, механическим неполадкам.
До появления гидронных котлов на североамериканском рынке доминировали три типа котлов: с Чугунным Секционным Теплообменником (ЧСТ), Горизонтальные Водотрубные (ГВТ), Горизонтальные жаротрубные (ГЖТ). Сотни тысяч таких котлов используются до сих пор, но их производительность, надежность и срок службы гарантированы только в том случае, если все условия, при которых они работают, являются удовлетворительными. В течение 50 лет эти три конструкции постепенно вытеснили вертикальные жаротрубные котлы, которые одно вре-мя были принятой типовой конструкцией. Вертикальные жаротрубные котлы, в свою очередь, заменили самые первые котлы, сконструированные по принципу чайника, в которых поток выходил через «носик» (Рис.1).
К сожалению, условия, в которых работают котлы, не всегда идеальны или даже удовлетворительны. Это подтверждается существованием широкой и процветающей сферы ремонта котлов. В связи с доходностью этого бизнеса, очевидно, что современные котлы «совершенной конструкции» надежны и защищены от неумелого обращения не на все 100%. Если сам по себе котёл хорошего качества, возникновение неполадок возможно из-за неблагоприятных условий эксплуатации.
Обеспечить работу котла в неблагоприятных условиях, т.е. создать «прощающую конструкцию» – было основной целью Э.Л.Миллера, и в результате пятилетней работы был создан котел с теплообменником из цельнотянутых медных оребренных труб, подвергавшихся различным испытаниям, в том числе водой с различной жесткостью и высокой агрессивностью, и с 1953 года, началось серийное производство гидронных котлов – котлов, которые могут надежно работать в экстремальных условиях.
В этой брошюре мы попытаемся подробно объяснить, каким образом термин “прощающая” был введен в конструкцию модели гидронного котла.
Остановимся на трех возможных причинах неполадок котлов:
- Подача подпиточной воды в отопительную систему;
- Резкие колебания температуры воды в котле;
- Эксплуатация котла при низких температурах воды.
ПРОБЛЕМА «ОТКРЫТИЯ» ЗАКРЫТОЙ СИСТЕМЫ.
Эта проблема обычно вызвана (а) одной или несколькими утечками воды из системы или (б) накоплением слишком большого объема воды в расширительном баке, что приводит к ее выбросам через предохранительный клапан ка-ждый раз, когда температура воды в системе повышается. В полностью закрытой системе количество образующихся отложений или накипи должно быть невелико, и большинство котлов выдерживают ее накопление без затруднений в течение многих лет. Однако, если подпиточная вода, даже в небольшом объеме, попадает в систему, ситуация полностью изменяется. Природа трудностей, возникающих от поступающей в систему воды, зависит от ее качества.
Если подпиточная вода характеризуется повышенной мягкостью, металлические поверхности теплообменников котлов, трубопроводов и радиаторов системы подвергаются воздействию коррозии. Образованные в результате этой коррозии твердые частицы всегда оседают в местах с наименьшей скоростью потока теплоносителя.
Существует два общепринятых метода предотвращения образования накипи:
- Установка смягчителя воды или устройства для удаления гидрокарбонатов кальция и магния из воды до ее нагревания.
- Механическая очистка поверхностей с целью предотвращения образования или удаления отложений накипи. В случае с водонагревателями емкостного типа, единственным путем предотвращения образования отложений является применения умягчителей воды. Однако в случаях больших объемов горячего водопотребления или в случаях, когда эксплуатация водоумягчительного хозяйства является проблемой для пользователя, даже умягчение воды не является выходом из положения (рестораны, как правило, «славятся» неудовлетворительным отношением к эксплуатации указанного хозяйства – у них есть более важные заботы, чем эксплуата-6 ция механического оборудования). Мы приходим к тому, что имеем дело с водонагревателями «ОДНОРАЗОВОГО использования».
Гидронные котлы имеют конструкцию, при которой все нагреваемые поверхности автоматически подвергаются механической очистке, предотвращающей возникновение отложений. Конструкция основана на довольно простой посылке:
Поддержание определенной скорости прохождения воды через нагреваемые поверхности, при которой отложения не образуются (см. рис.3).
Как только отложение появится на поверхности, оно немедленно размывается потоком воды. Однако, для достижения такого эффекта требуется довольно точный расчет (и поддержание) скоростей потока воды.
Если скорость слишком мала для объема формирующихся отложений, слой накипи будет увеличиваться. Поэтому, чем больше жесткость воды, тем больше должна быть скорость потока.
Вода, применяемая для работы гидронных котлов по жесткости делится на следующие три категории:
0 ÷ 2,6 мг экв. (0÷130 мг экв Са+2+Mg+2) – мягкая
2,6 ÷ 5,8 (130 ÷ 300) – нормальная
более 5,8 (более 300) – жесткая.
Производительность насосов для гидронных котлов определяется в зависимости от жесткости воды в конкретной системе по рекомендациям, изложенным в Инструкциях к котлам.
Напрашиваются следующие выводы из «прощающей» конструкции гидронных котлов по отношению к подпиточной воде:
- В теплообменниках нет выпадения осадка ввиду того, что скорость теплоносителя выше, чем даже в трубах отопительной системы и потоком взвесь удаляется и разносится по всей системе.
- Накипь в теплообменниках образуется гораздо медленнее в связи с её вымыванием из-за той же высокой скорости теплоносителя. И даже если возникли проблемы с накипью, то не составит большого труда и затрат времени, как видно на рис. 4, прочистка и ревизия теплообменника.
На фотографиях представлена последовательность процесса ревизии и очистки гидронных котлов. Теплообменник легко вынимается из котла (фото вверху слева), визуальная инспекция внутренних поверхностей труб теплообменника (фото вверху справа), при необходимости очистка труб при помощи металлического ерша (фото внизу).
ПРОБЛЕМА РЕЗКИХ КОЛЕБАНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ
Резкие изменения температуры могут иногда возникать в объединенной системе нагревания и охлаждения (кондиционирования). Каждый согласится, что хорошо спроектированная система должна включать в себя средства для предотвращения поступления охлажденной воды в котел и недопущению быстрой смены циклов работы системы на нагревание и на охлаждение. Однако неопровержимым фактом является то, что многие котлы подвержены таким режимам эксплуатации. Это возникает в связи с ошибками проектирования системы, неправильной установкой и подключениями в электроцепи управления, вмешательствами в систему управления после установки и т.д.
Быстрое охлаждение обычных котлов может быть пагубным по двум причинам. В котле с чугунным секционным теплообменником, этот процесс создает огромные механические напряжения, возникающие из-за разницы в величине расширений верхней части секций, остающихся холодными, и нижней части, подвергающейся тепловому воздействию. Это приводит к образованию трещин в секциях. В котлах с водными и огневыми трубами, расширению труб, подвергающихся интенсивному тепловому воздействию, противодействуют более охлажденные трубы, что ведет к разрывам или поперечному сужению труб.
В процессе работы котла, в который поступает охлажденная вода, также образуется конденсат на холодных поверхностях, подверженных воздействию горячих дымовых газов. Это воздействие особенно разрушительно для стальных труб. Часто можно увидеть на котлах, работающих в таких режимах, проржавевшие насквозь стальные трубы, обращенные в сторону потока дымовых газов.
В то время как мы рассматриваем практику резкого охлаждения водонагревательных котлов как негативную, конструкция гидронных котлов предусматривает возможность такого режима работы. Напряжения, вызываемые неравномерными расширениями устраняются благодаря тому, что вся водяная часть «плавает» в каркасе котла. Теплообменник может свободно расширяться и сжиматься, не испытывая никаких противодействий. Более того, все трубы теплообменника, изготовленные из меди, имеющей высокую коррозионную стойкость, работают в одном температурном режиме. В результате того, что в гидронные котлы заложен принцип «прощающей» конструкции, ни один из них не выходил из строя по причине напряжений, возникающих от расширения или сжатия, ни один не выходил из строя из-за коррозийного воздействия конденсата, образующегося на нагреваемой стороне медных труб.
ОБ ОБЪЕМАХ ВОДЫ В КОТЛАХ
В период разработки котла фирмы LAARS вопросу его водяного объема было уделено много внимания. Тщательный анализ всех достоинств и недостатков большого и малого объемов привел к неизбежному выводу, что в большинстве случаев преимущества были на стороне конструкций, отличающихся малым водяным объемом. Среди четырех конструкций котлов, описанных выше, конструкция фирмы LAARS отличается наименьшим водяным объемом. (См. Таблицу 1).
| Чугунный секционный теплообменник | Горизонтальная водяная труба | Горизонтальная огневая труба | Котлы Teledyne LAARS | Трубопроводы отопительной системы | |
| Скорость | 0,0102 м/сек. | 0,044 м/сек. | 0,026 м/сек. | 2,134 м/сек. | 1,22 м/сек. |
| Объем воды в котле | 530 литров | 160 литров | 1000 литров | 9,5 литров |
Таблица 1. Таблица скорости движения воды через теплообменники различных типов котлов в сравнении с нормальной скоростью потока в трубопроводах Мы уже подчеркивали как важно, чтобы скорость дви-жения воды в котле была высока. Нецелесообразно пытаться перемещать воду с большой скоростью через котел, имеющий значительный водяной объем по двум причинам. Во-первых, такая масса перемещаемой воды требует установки невероятно большого и дорогостоящего насоса, и, во-вторых, затраты на электроэнергию, необходимые для работы такого насоса были бы недопустимо велики.
Из соображений безопасности требуется, чтобы объем воды в котле был невелик.
Согласно статистическим данным, хотя современные котлы отличаются высокой степенью безопасности, факт остается фактом, что время от времени котлы действительно выходят из-под контроля и взрываются. Правда, это возможно в том случае, если, по крайней мере, два или три устройства безопасности одновременно выходят из строя. В этом случае, объем происходящих разрушений находится в прямой пропорции к количеству воды, находящемуся в котле в момент его взрыва. Катастрофические взрывы, вызванные нагревателями объемом 75 и 115 литров воды с очень низкой тепловой нагрузкой, свидетельствуют о том, что реальная опасность скрыта в энергии воды, а не в тепловой нагрузке котла. В таблице 2 сравнивается энергия разрушения, заключенная в котлах конструкции трех типов. Может возникнуть закономерный вопрос: “Какие из вышеперечисленных котлов 11 должны быть установлены в школе, больнице, гостинице и других общественных местах?”
| Чугунный секционный теплообменник | Горизонтальная водяная труба | Горизонтальная огневая труба | |
| ОБЪЕМ воды в котле | 530 литров | 160 литров | 1000 литров |
| ЭНЕРГИЯ ВОДЫ при 3,4 МПа и 21·С нар. | 140 кВт | 42 кВт | 272 кВт |
| ЭКВИВАЛЕНТ ДИНАМИТА (1), кг | 14,5 | 4,5 | 28,6 |
Таблица 2. Сравнение энергии разрушения, заключенной в котлах трех типов. Данные основаны на том, что тепловая нагрузка котла – 300 кВт (принимая, что величина критического давления взрыва составляет 3,4 МПа).
(1) Переход энергии из тепловой в механическую составляет 10%.
Гидронные котлы взрывобезопасны. Во-первых, их водный объем очень мал (Таблица 2). Кроме того, медные трубы действуют как “плавкие перемычки” при выходе в аварийный режим. Прежде, чем температура воды поднимется до опасного уровня, медные трубы плавятся и безопасно сбрасывают возникшее избыточное давление. Повреждение котла будет минимальным, его можно быстро отремонтировать и сразу же вернуть в эксплуатацию.
Наличие большого объема воды делает котел «вяло» реагирующим на потребность системы в тепле. Характерное для таких котлов длительное время нагрева приводит на практике к необходимости поддерживать высокую температуру большой массы воды в течение больших периодов времени в ожидании потребности системы в тепле (горячий резерв). Стоимость топлива, идущего на поддержание горячего резерва, может достигать значительной величины.
Единственным преимуществом котлов с большим водным объемом может являться то, что ввиду низкой скорости нагрева, температуру воды в таких котлах гораздо легче регулировать. Это считалось преимуществом много лет назад, когда имевшиеся термостаты работали намного медленнее и были менее надежны, по сравнению с современными. Однако современные термостатические блоки управления, обладающие высоким быстродействием, позволяют разрабатывать современные котлы с малым водным объемом, которые безопасны, быстро реагируют на потребности системы, обладают способностью самоочищения, высокой теплоотдачей, и все это не идет в ущерб их устойчивой работе.
ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В КОТЛЕ
Процесс передачи тепла в котле от горячего газа к воде сталкивается с двумя препятствиями: (а) газовая пленка с наружной стороны нагрева, (б) пленка жидкости с внутренней стороны, соприкасающейся с водой.
Рис. 6 Иллюстрация передачи тепла горячего газа через стенку трубы к жидкости (воде).
С внутренней стороны трубы вода имеет тенденцию образовывать устойчивую жидкую пленку, которая плотно «прилипает» к поверхности металла. Она действует как теплоизоляция и значительно затрудняет передачу тепла от металла к воде. Если вода течет с достаточно высокой скоростью, эта устойчивая пленка «смывается» потоком, а процесс передачи тепла воде значительно ускоряется.
Расчеты показывают, что скорость теплопередачи в котле с “принудительной конвекцией” (гидронном) может быть в 10 раз выше, чем в котле со “свободной конвекцией” (как в котлах с Чугунным секционным теплообменником, с 13 Горизонтальными водяными или Горизонтальными огневыми трубами). Проще говоря, из-за высокой скорости потока воды через гидронный котел, каждый квадратный сантиметр поверхности его теплообменника принимает в 4 – 10 раз больше тепла, чем квадратный сантиметр поверхности теплообменника котла, разработанного по принципу “свободной конвекции”.
ПРИНЦИПЫ ОБВЯЗКИ ГИДРОННЫХ КОТЛОВ
Котлы компании Teledyne Laars с ребристыми медными трубами и концепция двухконтурных систем родилась в США сразу после второй Мировой войны. Обе идеи были порождены необходимостью практического решения задач проектирования отопительных систем. На протяжении многих лет использования такие системы доказали свои неоспоримые преимущества. Применение этих двух концепций одновременно дают возможность специалистам предлагать своим заказчикам надежные и современные решения их проблем.
Применение двухконтурной системы позволяет:
- Достичь максимального соответствия тепловых нагрузок теплопотерям в целях повышения комфорта в зданиях
- Повысить эффективность работы системы отопления
- Избежать прохождения воды через неработающие котлы (что снижает эффективность работы системы)
- Быстро и просто выполнять работы по обслуживанию и ремонту элементов системы.
ОСНОВНОЙ ПРИНЦИП
В основе двухконтурной системы нет никаких инженерных сложностей. Вы сможете легко применить такую систему, ощутив при этом, как повышается эффективность системы. Рассмотрим три схемы обвязки.
14
Это – однокольцевая система с циркуляционным насосом. Очевидно, если включить насос, вся вода, выходящая из котла, будет циркулировать по этому кольцу. В закрытой системе вес воды, поднимающейся вверх, уравновешивается весом воды, движущейся вниз: нет подъема воды на высоту, только циркуляция по замкнутому контуру.
Присоединим второе кольцо к основному.
При этом мы не будем устанавливать всасывающие тройники, а установим обычные тройники и вентиль на участке трубы между тройниками.
Будет ли вода циркулировать по второму кольцу? Это зависит от того, открыт ли вентиль полностью, закрыт ли он, или находится в промежуточном положении. Вентиль играет роль ворот, которые направляют воду в ту или иную сторону. Вентиль определяет разность падений давления участка трубы между тройниками и второго кольца. Увеличивая или уменьшая величину сопротивления при помощи вентиля, мы определяем величину потока воды по второму кольцу. Можно получить тот же эффект применением всасывающих тройников. Они, собственно и представляют собой такой же вентиль, имеющий только одно, фиксированное положение. Этот же эффект достигается применением трубы меньшего диаметра на участке между тройниками. Это происходит потому, что при одном и том же расходе воды труба меньшего диаметра имеет большее гидравлическое сопротивление, чем труба большего диаметра.
Итак, все, о чем мы говорим, связано с падением давления. Но ни один из этих методов не позволяет нам простым способом начать, прекратить или изменить объем циркуляции воды через второе кольцо.
Рассмотрим третью схему.
Первичный насос работает постоянно. Когда вторичный насос отключен, циркуляции воды через вторичное кольцо не будет, т.к. падение давления вдоль вторичного кольца больше, чем падение давления на участке трубы между двумя тройниками. Но когда мы включим вторичный насос, по второму кольцу пойдет столько воды, сколько нам нужно, обеспечивая циркуляцию, т.к. работа вторичного насоса изменяет соотношение падений давления.
В двухконтурной системе вторичный насос всасывает воду из подающего трубопровода так, как если бы трубопро-16 вод был котлом. В этом смысле подающий трубопровод становится как бы продолжением котла, из которого можно отбирать тепло, когда бы и куда бы это было необходимо. Теплопотери по подающему трубопроводу минимальны, потому что он не проходит через зоны теплообмена. Через эти зоны проходят только вторичные кольца. Как первичное, так и вторичные кольца работают совершенно независимо друг от друга.
ПОДБОР ГИДРОННЫХ КОТЛОВ И НАСОСОВ
ДВУХКОНТУРНОЙ СИСТЕМЫ
Подбор котлов по мощности. Подбор котлов осуществляется по суммарной тепловой нагрузке системы, которая складывается из нагрузки на отопление (определяется расчетом теплопотерь здания) и нагрузки на горячее водоснабжение (определяется расчетом максимального водоразбора системы ГВС).
Для оценочного расчета нагрузки на отопление в климатическом поясе Центрального региона исходят из величины 100 Ватт на кв.м. площади здания.
Широкий типоразмерный ряд гидронных котлов позволяет выбрать максимально соответствующее расчетной тепло-17 вой нагрузке оборудование, чем достигается наиболее рациональный и экономичный режим потребления тепловой энергии.
Подбор котловых насосов по скорости. Гидронные котлы требуют определенной скорости потока воды через теплообменник (в среднем 2,1 м/сек). Это достигается путем подбора котлового насоса по параметрам котла (расход воды через теплообменник и гидравлическое сопротивление котла), которые приведены в паспорте к каждому котлу.
Строгое соблюдение скоростного режима котла определяется: во-первых, малоемкостной конструкцией теплообменника, при которой важно обеспечить требуемый темп отбора тепла от котла в систему; во-вторых, необходимостью обеспечения эффекта «самоочищения» труб теплообменника, т.е. предотвращения процесса образования накипи и механических отложений на внутренних поверхностях теплообмена.
Подбор насосов вторичного контура производится на основе гидравлического расчета системы. При этом, как отмечалось выше, оба контура (первичный и вторичный) работают независимо друг от друга.
ДЕСЯТЬ БАЗОВЫХ ПРИНЦИПОВ
ГИДРОННЫХ КОТЛОВ
1. Высокая скорость прохождения теплоносителя (2,1 м/сек.), что делает возможным:
– обеспечить вынос твердых частиц, содержащихся в теплоносителе за пределы котла (отсутствие механических отложений в теплообменнике);
18
– свести к минимуму образование накипи и, как следствие, обеспечить практически постоянный кпд котла на протяжении длительного периода эксплуатации. – использовать котлы с теплоносителем, имеющим повышенную жесткость или мягкость, электропроводность, щелочность, высокое содержание кислорода;
– свести к минимуму затраты на химводоподготовку.
2. Применение меди, имеющей гораздо более низкий, чем сталь и чугун электрический потенциал, в качестве материала теплообменника, делает его весьма устойчивым к электролитической коррозии и действию конденсата дымовых газов.
3. Высокая сервисо- и ремонтопригодность, являющиеся следствием конструкции котла и теплообменника.
4. Теплообменник полностью противостоит тепловому удару. Благодаря “плавающей” установке в каркасе котла, в теплообменнике исключены механические напряжения, вызванные сжатиями и растяжениями от неравномерного нагрева, приводящие к быстрому старению металла теплообменника, образованию трещин и разрывов.
5. Теплообменник обладает весьма малой емкостью (объем теплообменника котла производительностью 1,0 Гкал – 37 литров), что практически исключает потери в горячем резерве.
6. Малоемкостная конструкция теплообменника делает его полностью взрывобезопасным.
7. Применение двухконтурных систем отопления исключает воздействие изменений гидравлических параметров на котловой контур. В отличие от традиционных котлов отсутствуют потери в результате тепловой инерции.
8. Низкие шумовые характеристики и отсутствие вибрации при работе котла, вследствие применения горелок атмосферного типа, позволяет применять данное оборудование при любом проектном решении в крышных котельных и прочих автономных источниках.
9. Атмосферная горелка обеспечивает устойчивую работу котла при падении давления газа до 6-8 мбар.
10. Малый вес и габариты позволяют монтировать котлы на существующих перекрытиях и в подвалах при реконструкции котельных.