Нержавеющие теплообменники: сочетание эффективности и коррозионной стойкости в новых водяных масло- и воздухоохладителях, журнал "Холодильный бизнес", №2, 2005.

В. Ельчинов, Н. Товарас, НПФ «Химхолодсервис», Москва

 Анализ последних достижений в области ап- паратостроения для холодильной техники по­зволяет сделать следующие выводы. Широкий класс охладителей капельных жидкостей и га­зов посредством оборотной воды (основного хо­лодного теплоносителя на всеххолодопотребля- ющих предприятиях), выпускаемых отечествен­ной и зарубежной промышленностью, имеет ряд существенных недостатков. Есть два требова­ния, которым априори должны удовлетворять эффективные и надежные в эксплуатации водо- масляные и водовоздушные теплообменники:

низкая интенсивность теплоотдачи масла и воздуха по сравнению с водой обусловливает необходимость расширения поверхности тепло­обмена аппарата со стороны этих теплоносите­лей. На практике это часто достигается оребре- нием или гофрированием (что увеличивает компактность). Предпочтительно, чтобы по­верхность теплообмена одновременно несла функцию интенсификатора теплоотдачи;

поверхность теплообмена со стороны воды, наоборот, должна быть разреженной для облег­чения доступа при чистке от отложений, что яв­ляется известной теплотехнической пробле­мой. При этом увеличивается и срок службы.

Традиционные и широко используемые в промышленностикожухотрубные теплообмен­ники с сегментными перегородкамине отвеча­ют этим требованиям и имеют низкую компакт­ность поверхности теплообмена [1]. Качество отечественных систем водоподготовки не по­зволяет применять в этих аппаратах трубы с внутренним диаметром менее 15 мм. Количест­во теплообменных труб, а следовательно, габа­риты таких аппаратов велики. Кроме того, они имеют ряд конструкционных недостатков. На­личие зазоров между трубами и перегородка­ми, перегородками и кожухом приводит к бай- пасным перетечкам теплоносителя, что ухудша­ет его теплоотдачу. Так, технологические зазо­ры в 1 мм между трубами и перегородками сни­жают интенсивность теплоотдачи в 1,5-1,7 ра­за по сравнению с теплоотдачей при «плотно посаженном» пучке труб. На практике же и та­кой зазор не выдерживается. Попытки решить эту проблему нетрадиционным способом, путем использования пластмассовых сегментных пе­регородок (для маслоохладителей), привели к массовым отказам - «оплавлению» перегоро­док и выходу аппаратов из строя. Несомненным преимуществом этих теплообменников являет­ся низкая цена, если они выполняются из деше­вых материалов (низколегированной углероди­стой стали, например Ст. 20 для России). Одна­ко из-закоррозии водяных полостей надеж­ность этих аппаратов неудовлетворительна, срок эксплуатации составляет пять и менее лет. Возможно увеличение срока эксплуатации (до 20 лет) за счет замены материала труб на кор- розионно-устойчивую высоколегированную не­ржавеющую сталь (например, 12Х18Н10Т) или медь, но при этом из-за большого количества труб в 5-6 раз повышается цена, и аппараты становятся недоступны заказчику.

Известной альтернативой кожухотрубным теплообменникам с сегментными перегородка­ми являютсяпластинчатые теплообменники [2]. Их широкое применение обусловлено более высокой тепловой эффективностью. Так, гоф­рирование поверхности приводит к увеличе­нию компактности (эквивалентный диаметр ка­налов d_3KB=10 мм и менее) и интенсификации теплообмена теплоносителей, а следовательно, малым габаритам и массе. Выполнение этих ап­паратов из высококачественных коррозионно- стойких сталей позволяет увеличить срок их эксплуатации.

Вместе с тем, эти аппаратыдороги. Кроме того, их разборка для механической чистки (хи­мический способ чистки без разборки в усло­виях российской водоподготовки явно недо­статочен) - довольно трудоемкое и кропотли­вое мероприятие: следует разобрать, а затем собратьвсе пластины (или пары пластин), а не только крышки теплообменника. Известны жа­лобы на «несобираемость» этих теплообменни­ков после чистки из-за выхода из строя резино­вых прокладок между пластинами. Закупка же новых уплотнителей требует постоянных затрат.

 Нами в этой работе освещена задача реализации создания водомасляных (водовоздушных) теплообменников, в которых бы соче­тались лучшие качества кожухотрубных и плас­тинчатых теплообменных аппаратов: коррози­онная стойкость и доступная цена, высокая теп­ловая эффективность в сочетании с надежнос­тью и удобством в эксплуатации.

 В табл. 1 представлены основные принци­пы, которые были приняты в качестве дирек­тивных при создании новой конструкциитруб- чато-пластинчатых теплообменников.

 По сравнению с традиционными кожухотруб- ными теплообменниками, в наших аппаратах большое количество труб, пронзающих сегмент­ные перегородки, заменено на порядок мень­шим количествомтрубчато-пластинчатыхтепло- обменных элементов (каналов). Это коаксиаль­ные трубы с расположенным между ними ореб- рением (коэффициент оребрения К_ор~12-13), одновременно являющимся эффективным (с точки зрения теплогидравлических характерис­тик) интенсификатором теплоотдачи(рис. 1, 2).

 В качестве оребрения используется ком­пактная (компактность (3 ~ 2000 м²/м³) поверх­ность теплообмена - специальная насадка с прерывистыми ребрами. Материал внутренних  труб, составляющих водяную полость - нержа­веющая сталь 12Х18Н10Т. Материал насадки - алюминиевый сплав Амц (маслоохладители) или медь МЗ (воздухоохладители). Насадка имеет с внутренними трубами плотный контакт, обеспеченный специальной технологией (для маслоохладителей), или припаяна к этим тру­бам (для воздухоохладителей).

Нарисунках 3, 4, 5 представлены соответ­ственно типовая конструкция, внешний вид и нержавеющая водяная полость трубчато- пластинчатого теплообменника. При сборке его использована предварительная валь­цовка труб и их сварка в трубной решетке неплавящимся электродом в защитной среде (аргоне).

 Для создания конструкции и расчета типо- размерного ряда маслоохладителей МОХ и воз­духоохладителей BOXнами в лабораторных ус­ловиях получены опытные данные по теплоот­даче и гидравлическому сопротивлению коль­цевых каналов с вышеназванным оребрением (см. рис.1) при движении капельной жидкости (минерального масла) и газа (воздуха). Они обобщены в виде критериальных зависимостей Nu= Nu (Re), StPr^2/3 = StPr^2/3(Re), £ = £ (Re). Оп­ределено влияние на теплоотдачу контактного термосопротивления соединения «труба-насад- ка», существенно зависящего от степени натяга для маслоохладителей, отработана технология пайки этого же соединения для воздухоохлади­телей.

 Маслоохладители МОХ прошли промышлен­ные испытания на аммиачных компрессорных агрегатах 21А410-7-3 на рыбокомбинате ЗАО «Меридиан» (Москва) и 21А280-7-3 - на хладо­комбинате №7 (Санкт-Петербург). С этой целью агрегаты были дооснащены необходимой изме­рительной аппаратурой (расходомерами, тер­мометрами и манометрами) [3]. Испытания проводились с интервалом в полгода, с тем, чтобы оценить влияние отложений водяного камня на теплообмен и гидравлическое сопро­тивление.

Результаты испытаний, приведенные в [3], показали, что, например, маслоохладитель МОХ 36-300-1,5 (рассчитан на 120 кВт) в «чис­том» виде обеспечивает минимальную расчет­ную тепловую нагрузку 185 кВт. После шестимесячной эксплуатации тепловая эффектив­ность аппарата уменьшилась на 30%. Гидравли­ческое сопротивление водяной полости вы­росло в 2,4 раза. Это явилось результатом дей­ствия отложений на поверхность теплообмена солей металлов, растворенных в воде. Но даже в загрязненном состоянии теплообменник обеспечивал расчетную нагрузку в 125 кВт, что подтвердило обоснованность заложенных при его проектировании запасов. Увеличение же гидравлического сопротивления масляной по­лости обнаружено не было, следовательно, на насадке не образуются твердые отложения.

В настоящее время «НПФ «Химхолодсервис» выпустила более двухсот маслоохладителей различных типоразмеров.

Интересно сравнение маслоохладителей МОХ с другими типами аппаратов, приведен­ное, например, для маслоохладителя тепловой мощностью 90 кВт(табл. 2). Как видно, оно под­тверждает высокую эффективность разрабо­танного трубчато-пластинчатого маслоохлади­теля МОХ.

Таким образом, в результате проведенных НИР и ОКР создан маслоохладитель,не уступа­ющий по массогабаритным показателям зару­бежным образцам (например, фирмы «Альфа- Лаваль») ипревосходящий по этим же парамет­рам отечественные кожухотрубные маслоохла­дители с сегментными перегородками. Кроме того, у маслоохладителя МОХ значительнониже маслоемкость и существеннопроще процесс механической чистки. По коррозионной стойко­сти МОХидентичен пластинчатым аппаратам. Цена же разработанных аппаратов невелика.

 На рис. 6 представлен общий вид одной из модификаций воздухоохладителей BOX(с сепа­ратором). В данном исполнении он выполнен по последовательно-параллельной схеме соедине­ния трубчато-пластинчатых элементов. Два та­ких воздухоохладителя в 2000 году были уста­новлены и испытаны на комбинате детского мо­лочного питания (Лианозово, г. Москва) в конту­рах подачи холодного технологического воздуха в тоннели для производства творога.

Воздухоохладители обеспечивают охлажде­ние воздуха после компрессоров вихревого типа ЭФ111 производительностью 240 нм³/ч и избыточным давлением 1,8 бар. Температу­ра воздуха на выходе из компрессора (на вхо­де в теплообменник) составляла 120°С. Тем­пература воды - 4°С. В процессе эксплуата­ции были измерены перепад давления (дан­ные близки к расчетным) и температура воз­духа на выходе, которая составила 8°С. Аппа­раты работают до настоящего времени в две смены по 16 часов в сутки. Каких-либо ухуд­шений их работы нет.

 Предлагаемый воздухоохладитель значи­тельно (в 2,7-3 раза) эффективнее, а следова­тельно, по габаритам и массе меньше традици­онных кожухотрубных теплообменников с сег ментными перегородками, имеет легко очищае­мую теплообменную поверхность по воде.

Возможности трубчато-пластинчатого воз­духоохладителя из паяных теплообменных эле­ментов хорошо иллюстрируются следующим расчетом. Задав режимные параметры:

давление воздуха на входе, абсолютное

Рвозд.= 6бар;

допускаемое падение давления по воздуху АРвозд = 0,05 бар;.

• температура воздуха на входе t_Во₃д.вх ⁼ 120°С;
• температура воздуха на выходе t_{возд ВЬ|Х}=30°С;
•  температура воды на входе t_{воды вх}= 20°С

 и используя экспериментально полученные обобщенные зависимости для расчета значе­ний теплоотдачи и сопротивления, мы имеем следующий результат расчета.Одна труба теп­лообменника длиной L=1,0 м обеспечивает приведенные выше параметры воздуха при расходе 70 нм³/ч. При этом тепловая нагрузка составляет 2500 Вт.

Таким образом, приведенные результаты свидетельствуют о том, что ООО «НПФ Химхо- лодсервис» удалось создать реальное импорто­замещающее оборудование - трубчато-плас- тинчатые нержавеющие теплообменные аппа­раты, применение которых в качестве охлади­телей масла и воздуха посредством воды имеет ряд неоспоримых преимуществ:

увеличена в несколько раз интенсивность процесса теплообмена, что позволило вдвое сни­зить габариты и массу и выйти на уровень анало­гичных параметров импортных полусварных пла­стинчатых теплообменников «Альфа Лаваль»;

уменьшено гидравлическое сопротивление по маслу и воде;

значительно (вчетыре раза) сокращен объ­ем полостей охлаждаемого теплоносителя, что очень важно для экономии заливаемого в мас­лоохладители масла;

повышена надежность (кроме вальцовки применена аргоно-дуговая сварка);

в несколько раз облегчена очистка от отло­жений за счет малого количества теплообмен- ных элементов.

Новые масло- и воздухоохладители качест­венно отличаются от известных кожухотрубных теплообменников, применяемых для этих же целей. Их поверхность теплообмена со стороны воды выполнена из высоколегированной кор- розионно-устойчивой нержавеющей стали 12Х18Н10Т, что позволяет в 3-4 раза увели­чить срок их эксплуатации (до 20 лет). При этом стоимость увеличивается незначительно ввиду малого количества самих теплообменных элементов.

Аппараты имеют сертификат соответствия и разрешение на применение.

Список литературы

1.     Овчаренко B.C., Шувалов А.И., Галенко

В.А. Новые эффективные маслоохладители для винтовых и поршневых холодильных компрес­соров. - Холодильная техника, № 9, 1998, с. 10-11.

2.    Сорокин С.С. Полусварные конденсаторы и маслоохладители «Альфа Лаваль». - Холо­дильная техника, №6, 2000, с. 24-26.

3.   Товарас Н.В., Ельчинов В.П., Шуяков А.Л.

Новые маслоохладители МОХ: Сочетание эф­фективности и технологичности. - Холодильная техника, №3, 2000, с. 19-22.