Автор: 
С. М. Вайцехович, А. Н. Лебедев, А. С. Кужель

В настоящее время в теплоэнергетике на рынке водо- и пароводяных подогревателей конкурируют два основных вида теплообменных аппаратов — пластинчатые и кожухотрубные. Пластинчатые изготавливаются из профилированных листов методом штамповки, имеют развитую теплообменную поверхность, компактны и прямоугольны по форме. Основные их недостатки обусловлены методами получения. Например, штамповка листовых материалов предполагает изгиб материала на 90°, при этом величина радиусов в местах сгиба незначительно превышает толщину листового материала. Вследствие существующей силы поверхностного натяжения жидкости в углах сгиба образуются пустоты, зоны разряжения, что является одной из причин отложений загрязнений и солей жёсткости на теплообменной поверхности, содержащихся в воде (рис. 1), и, как следствие, потери напора. Кроме того, для широкого использования пластинчатых аппаратов необходимы сложные и дорогие системы водоподготовки, включающие фильтрующие системы с последующей химической очисткой воды, например, методом многоступенчатого ионного обмена, и т. п.

Рис. 1. Образцы СПТ: трёх-, шести- и двенадцатизаходные с углами закрутки гофров 20°, 30° и 45°

 

Кожухотрубные аппараты представляют собой набор труб, размещённых в круглом кожухе, и являются аппаратами нового поколения, интенсифицирующими теплоотдачу путем накатки кольцевых плавно очерченных выступов на внутренней поверхности трубы. Основным их недостатком является невозможность достижения высоких значений коэффициентов теплоотдачи при низких скоростях течения теплоносителей из-за недостаточно развитой площади поверхности теплообмена. Поэтому они не могут конкурировать с пластинчатыми теплообменными аппаратами, когда требуется передавать большие тепловые потоки при малых температурных напорах.
Составить конкуренцию пластинчатым теплообменным аппаратам могут теплообменники, выполненные из спирально-профильных труб (СПТ), объединённых в сотовый пучок, с уникальными геометрическими параметрами. СПТ увеличивает пути прохождения теплоносителя и площадь поверхности теплообмена, что повышает мощность теплообменного аппарата без изменения габаритных размеров, а желобковая форма полых каналов (гофров), спиралеобразное движение теплоносителя внутри них приводит к разделению потока жидкости: один — центральный, перемещающийся аналогично первоначальному, и несколько периферийных потоков (по числу гофров), перемещающихся по спирали [1] (рис. 1).
Технологически СПТ исполняют методами прокатки-волочения с использованием наружных или внутренних оправок или без них. В первом случае СПТ получают с симметричным профилем по отношению к среднему диаметру поперечного сечения трубы СПТs, при безоправочном производстве — с несимметричным профилем — СПТn [2] (рис. 2).

а)                                                                 б)
Рис. 2. Геометрия поперечного сечения СПТ: а) наложение профилей для сравнительного анализа СПТn (1) и СПТs (2) при оправочном изготовлении; б) эллиптические поверхности с полуосями а и b для расчёта профиля СПТ

 

Разработка технологии изготовления спирально-профильных теплообменных труб симметричного профиля (СПТs) — интенсификаторов третьего поколения [3] — предполагает создание нового технологического подхода, а также специализированных устройств для создания высокого уровня соосности между зоной подачи трубной заготовки, зоной формообразования и зоной удаления профилированной трубы.
Оптимальный геометрический профиль СПТs для теплообменных труб и расчётная схема геометрии спирально-профильных труб представлены на рис. 3.

а) 

б)

Рис. 3. СПТ Ø 16 мм и толщиной стенки s = 0,5 мм, изготовленные оправочным методом: а) оптимальный геометрический профиль СПТs; б) расчётная схема геометрии двенадцатизаходной СПТs (s — толщина стенки трубы, rн — наружный радиус внешней стенки трубы, rв — внутренний радиус внешней стенки трубы, α — угол деления окружности на расчётные части, a — малая ось эллипса, b — большая ось эллипса) Длина гофрированного участка трубы является производной от выбранных соотношений диаметров исходной трубы Dис и внешнего диаметра оправки Dв.

Технология изготовления труб с винтовыми гофрами основана на формообразовании гофров на исходной гладкой трубе, установленной на жестко закрепленной оправке. Оно осуществляется посредством расположенных вокруг продольной оси трубы роликов, вдавленных в её наружную поверхность, и под действием прикладываемого вдоль трубы осевого усилия и крутящего момента, совпадающего с направлением вращения трубы. Крутящий момент прикладывают на расстоянии (1÷5) Dис от рабочей зоны, а осевое усилие на расстоянии, определяемом из условия обеспечения продольной устойчивости трубы по формуле:
                      L = 4,43 √ (E . J) /( n . P1),
где Е — модуль упругости, J — момент инерции сечения трубы, P1 — расчётная величина осевого усилия, n — коэффициент безопасности (для сырой стали n = 4÷5, а на закалённой n = 2÷3) [6].
На рис. 4 изображена принципиальная схема изготовления СПТ [4].

 

а)                                                                          б)
Рис. 4. Принципиальная схема профилирования СПТ: а) вид спереди, б) поперечное сечение по оси роликов (1 — трубная заготовка, 2 — цилиндрическая оправка, 3 — ролики, 4 — гофры, 5 — деформируемый участок трубы, 6 — недеформированный участок трубы, L — длина участка, приложение осевого усилия, Dис — исходный диаметр трубной заготовки, P — расчётная величина осевого усилия, P1 осевое усилие, прикладываемое к тубе (P1<P), P2 — осевое усилие, приложенное к участку трубы, удаляющемуся от роликов, α0 — угол подъёма винтовой линии)

Отработка технологии изготовления СПТ осуществлялась на опытно-экспериментальном прокатно-волочильном стане, состоящем из роликовой клети 7, расположенной между двумя станинами, одна из которых технологическая 8 (рис. 6), предназначенная для удержания и подачи трубной заготовки в рабочую зону роликовой клети 7, другая — силовая 9, осуществляющая протягивание трубной заготовки 1 через ролики 3, расположенные в роликовой клети 7.
На технологической станине 8 расположена каретка 10 (рис. 5), предназначенная для крепления и удержания внутренней цилиндрической оправки 2 (рис. 4) и устройство 11 для съёма с профилированной оправки 12 (рис. 6).

Рис. 5. Технологическая станина, вид со стороны входа в роликовую клеть трубной заготовки

        а)                              б)
Рис. 6. Схема расположения профильной оправки на технологической станине: а) вид на роликовую клеть со стороны технологической станины слева б) вид на роликовую клеть со стороны технологической станины справа

 

На силовой станине располагается гидроцилиндр, предназначенный для вытягивания трубной заготовки из роликовой клети, центратор, центрирующий ось профильной оправки с осью штока силового гидроцилиндра [5].
Для получения из тонкостенных труб (Dис /s =12,5÷40) по ГОСТ 8734–75 оправка 2 может быть гладкой и профильной, выполненной из нескольких участков. Дополнительно прикладываемое осевое усилие P2 к участку трубы, удаляющемуся от роликов 3, корректирует скорость перемещения трубы между роликами. Усилие P2 направлено в сторону перемещения трубы в случае формообразования глубоких гофр при большой степени деформации трубы или в противоположную перемещению трубы сторону в случае формообразования неглубоких гофр при малой степени деформации трубы.
Для получения СПТs симметричного профиля на толстостенных трубах (Dис /s = 6÷12,5) необходимо применение спирально-профильной внутренней оправки (рис. 7) [8]. Способ осуществляют следующим образом. На трубную заготовку 1 надевают внешнюю оправку 2 (рис. 7), имеющую сквозные каналы, через которые ролики контактируют с образующей цилиндрической поверхностью трубной заготовки 1. Оправка 2 может быть выполнена из нескольких участков, различающихся по внутреннему диаметру (d1, d2) в зависимости от выбранного диаметра исходной трубной заготовки 1 и требуемых параметров описанной окружности, профилированной СПТ, поз. 4 (рис. 7).

Рис. 7. Схема профилирования толстостенной СПТS

 

Оправка выполняет две функции: во‑первых, фиксирует и центрирует ось симметрии трубы относительно оси тягового устройства, во‑вторых, ограничивает «раздутие» гофров профильной части трубы.
Законцовки СПТ могут быть выполнены шестигранными [7] (рис. 8), что позволяет отказаться от традиционных трубных досок, и значительно снижает гидравлическое сопротивление системы и приводит к уменьшению мощности на прокачку.
Изменения конструкции теплообменного аппарата приведены на примере водо-водяного подогревателя ВВП на основе СПТ (рис. 8). Водоподогреватель состоит из корпуса (поз. 1), пучка СПТ (поз. 2) и двух переходников (поз. 3) [8].
Законцовки теплообменных труб спаяны между собой и играют роль трубной доски. Трубная доска СПТ впаяна во фланец для крепления с переходником. Идентифицировать СПТ из множества числа профильных труб предлагается по специфическим параметрам: геометрическим (количество гофров) и тепловым (площадь теплообменной поверхности, рис. 9).

            а)                                            б)
Рис. 8. Конструктивные особенности теплообменников на базе СПТ: а) — пучок СПТ в трубном кожухе; б) — внешний вид водо-водяного подогревателя

Рис. 9. Способ идентификации СПТ

Шестигранная сотовая конструкция (рис. 8) идеальна как по прочности, так и по гидродинамике проходящих через неё потоков. На входе и выходе потока она плавно переходит в спирально-профильную поверхность, образуя матрицу теплообмена. Благодаря этому внутритрубный поток закручивается, а межтрубный получает оребрение, что в совокупности обеспечивает высокую теплопередачу по сравнению с пластинчатыми и кожухотрубными аппаратами, включающими завихрители и турбулизаторы.
Продольная пружинность СПТ гасит вибрацию, гидроудары и теплоудары, что увеличивает усталостную прочность и дольше сохраняет правильную геометрию конструкции законцовок.
Радиальная жесткость сотового модуля СПТ позволяет исключить промежуточные поддерживающие перегородки. Модульная конструкция сотового трубного пучка способствует унификации его изготовления и упрощает разборку, осмотр, чистку и ремонт трубного пучка.
СПТ можно изготавливать практически из любого металла или сплава, обладающего удовлетворительными механическими и пластическими свойствами, и применять для всех вариантов сочетания теплоносителей внутри и межтрубного пространства: «газ–газ», «жидкость–жидкость», «газ–жидкость», «жидкость–газ».
Теплофизические показатели СПТ [1]:
— Шестизаходная симметричная труба Ø 16 мм (рис. 8) с углами закрутки 20…30° увеличивает теплоотдачу до 1,56 раза относительно сопоставимой по объёму круглой трубы, а с учётом дополнительного эффекта от закрутки потока суммарная теплоотдача может быть увеличена в 2,3 раза.
— Двенадцатизаходная и выше симметричная труба Ø16 мм (рис. 4) с углами закрутки 20…30° и глубиной гофров порядка 0,08…0,24 Rа повышает теплоотдачу до 2,1 раз относительно сопоставимой по объёму круглой трубы, при этом гидравлическое сопротивление практически не возрастает по сравнению с гладкой трубой такого же проходного сечения и числа Re. С учётом дополнительного эффекта от закрутки потока суммарная теплоотдача может быть увеличена до 3,2 раза.
— Двенадцатизаходная симметричная труба Ø14 мм с углами закрутки 20…30°, глубиной гофров порядка 0,1Ra повышает теплоотдачу в 2 раза.
Разделение сред различной плотности в движущемся потоке основано на эффекте центробежного силового поля. Влажный воздух, двухфазная система или загрязнённый газ в такой трубе движутся со скоростью по спирали. Центробежная составляющая инерционной силы вытесняет более тяжёлые частицы воды и примесей к поверхности трубы. В выходящем потоке очищенная срединная часть отделяется от периферийной, содержащей примеси и влагу, обеспечивая эффективность сепарации 98–99%.
При определенной геометрии СПТ и скорости потока достигается вихревой эффект шнурования, когда тяжелая фаза сосредотачивается в центральной части потока, что позволяет эффективно выделить и вывести её, не касаясь стенок канала.
Для производства теплообменных аппаратов с СПТ в первую очередь необходимо изготовить оборудование (волочильный стан) и применительно к нему разработать технологию получения СПТ из круглых гладкостенных труб-заготовок. Производительность оборудования может составлять не менее 300 000 погонных метров СПТ в год и в дальнейшем может быть увеличена.
С 2012 года на производственной площадке ООО «Энерготехника» создано экспериментальное производство, позволяющее вести научные исследования и выпускать теплообменные аппараты на спирально-профильных трубах в количестве 15 шт. в месяц. Были проведены ресурсные испытания на ИТП ГВС в Челябинске, показавшие хорошие результаты. Опытные образцы СПТ на теплофизическом стенде в ЦКТИ Санкт-Петербург и в ИМФ РНЦ КИ Москва подтвердили полученное положительное заключение. Пилотные проекты были реализованы в МОЭК (Москва), Теплоком-Уфа, Самаранефтегаз (Рос-нефть), КЭС (Ренова).

Заключение

Использование высокоэффективных теплообменных труб позволит увеличить теплоснабжение существующих и новых объектов без строительства дополнительных источников тепла.
Коммерческий эффект для потребителя энергосистемы:
— У конечного потребителя:

а) снижение платежей за потребляемое тепло, экономия энергозатрат на каждый 1 МВт установленной мощности ГВС до 3 млн руб./год;

б) снижение расходов на обслуживание и ремонт теплообменного оборудования; в) повышение качества потребляемых услуг, уменьшение остановов на обслуживание.
— Для энергосистемы:

а) экономия топлива до 15 % в год;

б) возможность подключения новых потребителей без увеличения нагрузки; в) обоснованное снижение расходов на эксплуатацию теплообменников.

С. М. Вайцехович, канд. техн. наук, ФГУП «НПО «Техномаш», Москва, Россия
А. Н. Лебедев, чл-корр РЭА, ООО «Энерготехника», МО, г. Химки, Россия
А. С. Кужель, ООО НПК «ТехПресс», Москва, Россия

Литература

  1. Боголюбов Е. Н. Результаты исследования и промышленного внедрения винтообразно-профильных труб / Е. Н. Боголюбов, М. Н. Лившиц, Г. В. Григорьев // Теплоэнергетика. 1981. № 7.
  2. Всесоюзная конференция «Закрутка потока для повышения эффективности теплообменниках». М.: Объединённый институт высоких температур РАН, 2002.
  3. Вайцехович С. М. Спирально-профильные трубы: преимущества и перспективы применения в теплообменных аппаратах / С. М. Вайцехович, Г. Г. Кривенко, В. А. Корнилов // Технология машиностроения. 2011, № 12. С. 31–37.
  4. Патент на изобретение № 2 225 766 РФ, МПК7 B21D 15/04 Способ изготовления труб с винтовыми гофрами / Мишулин А. А., Вайцехович С. М., опубл. 30.04.2004. Бюл. № 8.
  5. Патент на изобретение № 1 260 097 РФ, МПК B21J 13/03 Узел самоцентрирования пуансона относительно матрицы / Вайцехович С. М., Мишулин А. А., Михайлов В. Г., опубл. 30.09.1986. Бюл. № 36.
  6. Романовский В. П. Справочник по холодной штамповке. Л.: Машиностроение, 1971. С. 785.
  7. Патент на изобретение № 2 329 110 РФ, МПК B21D 15/04 Способ изготовления спирально-профильных труб / Лебедев А. Н., Вайцехович С. М., опубл. 20.07.2008. Бюл. № 20.
  8. Патент RU 2 386 096 С2, РФ, МПК (7) F28F 1/10. Сотовый теплообменник с закруткой потока / Вайцехович С. М., Лебедев А. Н., Лебедев С. А. 2008113822/06; заявка от 11.04.2008, опубл. 10.04.2010 Бюл. № 10.

Реклама наших партнеров