Теплообменные агрегаты (ТА) играют важнейшую роль в нефтеперерабатывающей, химической промышленности, энергетике и других отраслях народного хозяйства. Любое современное общественное здание оборудуется системами вентиляции и кондиционирования, а это значит, что без систем теплообмена и в них не обойтись.

Относительная доля теплообменного оборудования на предприятиях химической промышленности составляет 15-18%, в нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности – 50%. Это обусловлено тем, что практически все основные процессы химической технологии – проведение химических реакций, ректификация, конденсация, выпаривание, сушка и другие требуют подвода или отвода тепла.

ТА включены, как правило, в основные технологические цепочки предприятий. Их работа непосредственно влияет на эффективность и безопасность функционирования промышленных и других объектов.

Обоснованный выбор теплообменных агрегатов является важнейшей задачей, так как:

· затраты на проектирование, создание (или приобретение) ТА, на их монтаж и пуско-наладку составляют значительную часть в стоимости строительства предприятия;

· ТА оказывают критическое влияние на эффективность работы других технологических систем. Например, повышение температуры охлаждающей воды относительно проектного значения на входе в конденсаторы тепловой электростанции снижают её КПД на несколько %% относительно расчётного;

· надежность системы теплообмена напрямую влияет на надёжность предприятия в целом;

· аварии в системе теплообмена сами по себе и косвенно, через воздействие на сопряженные системы, могут привести к тяжелейшим катастрофам. Яркий пример – катастрофа на японской атомной электростанции Фукусима;

· выбор технологии теплообмена в рамках возможных вариантов во многом определяет экологический вред, наносимый предприятием окружающей среде;

· значительная доля энергии, потребляемой предприятием, уходит на поддержание процессов теплообмена, а значит, ТА напрямую влияют на стоимость продукции, выпускаемой предприятием;

· эксплуатационные затраты на ТА составляют существенную долю в общих затратах на эксплуатацию предприятия.

В настоящее время одним из наиболее признанных подходов к выбору облика, свойств, параметров, показателей создаваемого (реконструируемого) объекта является подход, основанный на минимизации совокупной стоимости владения, ССВ (английское Total Cost of Ownership, TCO), или, что практически то же самое, минимизации стоимости жизненного цикла.

ССВ - сумма целевых затрат владельца с момента, когда он решил вступить в состояние владения объектом до момента выхода из состояния владения, при условии, что за период владения он исполнил весь объём обязательств, обусловленных владением, и (или) получил запланированную выгоду от владения.

Если минимизация ССВ выбрана основным подходом к созданию (реконструкции) объекта, то можно утверждать, что задача выбора теплообменных аппаратов должна рассматриваться как задача выбора экономических, организационных, технологических, конструкторских, строительных и других решений, минимизирующих ССВ, т.е. стоимость жизненного цикла системы теплообмена предприятия.

Естественно, что минимизация ССВ ТА должна выполняться при соблюдении внешних требований к ним со стороны других систем предприятия, требований внешних регуляторов, других требований и «граничных условий».

Важно, что процессы выбора ТА, позволяющих минимизировать стоимость жизненного цикла системы теплообмена, сами являются частью жизненного цикла ТА. То есть выбор ТА и минимизация стоимости жизненного цикла системы теплообмена неразрывно связаны.

Рассматривая выбор ТА под таким углом зрения, перейдем к описанию их жизненного цикла.

Жизненный цикл теплообменного аппарата

Жизненный цикл теплообменного аппарата, состоит из следующих этапов:

· разработка технико-экономических требований к создаваемому (приобретаемому) ТА;

· проектирование;

· разработка и подготовка технологических процессов;

· производство (поставка);

· монтаж;

· ввод в действие;

· эксплуатация;

· техническое обслуживание и ремонт;

· проведение испытаний и обследований;

· снятие с эксплуатации;

· утилизация после завершения эксплуатации.

Рассмотрим жизненный цикл ТА с точки зрения потребителя. Это означает, что нас не слишком интересует, как появился теплообменный аппарат с требуемыми свойствами – был куплен готовым или был специально разработан под конкретные требования.

Интуитивно возникает предположение, что купить готовый ТА дешевле, быстрее и надёжнее, чем заказывать его разработку. Разработка под конкретный проект – исключительный случай, на неё можно пойти, имея на то очень серьезные основания, например, в случае, когда ТА станет частью изделия, создаваемого в интересах оборонного комплекса государства.

В то же время трудно рассчитывать, что найдется готовый аппарат, полностью удовлетворяющий нашим потребностям.

Промежуточный между изготовлением на заказ и покупкой готового изделия является случай, когда поставщик предлагает поставить ТА, собранный под конкретные потребности из типовых комплектующих. На практике потребитель сталкивается с таким вариантом чаще всего.

Для минимизации ССВ потребитель должен с особой тщательностью провести разработку технико-экономических требований к создаваемому ТА.

Затем, желательно - в рамках конкурсного отбора, выявляется поставщик, который предложит лучшие условия. Под лучшими условиями следует понимать не только цену за ТА, предложенную поставщиком, но и общую цену всех его услуг на последующих этапах жизненного цикла.

Даже покупая велосипед мы задаёмся вопросом, как его обслуживать и ремонтировать в ходе эксплуатации. ТА гораздо сложнее велосипеда. Приобретая «типовой», или собранный под заказ теплообменный аппарат, надо понимать, что этапы проектирования ТА, разработки и подготовки технологических процессов, производства (приобретения), монтажа и проч. всё равно остаются.

При этом, однажды выбрав поставщика, с ним придётся рука об руку «пройти» весь жизненный цикл ТА.

Отличие состоит в том, что в случае готового, или собранного под заказ ТА, этапы проектирования и производства ТА часто сокращаются (или элиминируются) по продолжительности и по цене.

Сказанное иллюстрирует блок-схема, приведённая на рисунке РВТА-1.

На блок-схеме с большей детализацией показан процесс приобретения готового (собранного под заказ) теплообменного аппарата, цепочка процессов 7 – 12, 17.

Разработка нового теплообменника (цепочка процессов 13 – 15) является специфическим случаем и требует отдельного рассмотрения.

Ещё раз подчеркнем, что залогом успешной минимизации ССВ является тщательный подход к работам этапа «Разработка технико-экономических требований к создаваемому (приобретаемому) ТА».

Предполагается, что на этом этапе разрабатываются требования на ТА, вытекающие из особенностей всех остальных этапов жизненного цикла.

Следует отметить, что ошибки и недочёты, допущенные на этом этапе, обойдутся потребителю наиболее дорого.

Рисунок РВТА-1. Жизненный цикл теплообменного аппарата в разрезе выбора поставщика (разработчика) ТА.

Технико-экономические требования

Технические требования к ТА определяются его функциональным назначением и позицией в составе производственной технологической цепочки. На основе этих факторов определяют:

· класс, подкласс, группу теплообменного аппарата, рисунок РВТА-2;

· группу теплоносителя - теплагента или хладагента: – отработанные и топочные газы, расплавленные металлы, пар, паровоздушная смесь, питательная, сетевая или циркуляционная вода, масло, твердые тела, фреоны, криоагенты и др., рисунки РВТА-3 и РВТА-4;

· оптимальную (на самом деле – квазиоптимальную) конструкцию теплообменника.

Рисунок РВТА-2. Классы теплообменных аппаратов.

Рисунок РВТА-3. Теплагенты, широко используемые в теплообменных аппаратах.

Рисунок РВТА-4. Хладагенты, широко используемые в теплообменных аппаратах.

Выбор оптимальной конструкции теплообменника является задачей, разрешаемой технико-экономическим сравнением нескольких типоразмеров аппаратов применительно к заданным условиям и на основании критериев оптимизации.

Следует отметить, что теплообменные аппараты, составляющие группу «градирни», имеют ряд специфических свойств. Подходы к выбору градирен подробно рассмотрены в разделе Выбор вида и конструкции градирен для систем водоснабжения.

Регенеративные теплообменники в народном хозяйстве используются гораздо реже рекуперативных и смесительных. При их создании чаще применяется подход «проектирование и изготовление под заказ», цепочка процессов 13, 14, 15, 16, 17, рисунок РВТА-1.

Если технологический процесс (например, производство чугуна) предполагает использование регенеративного теплообменника, то технико-экономическое обоснование его конструкции проводится с участием специализированной организации начиная с постановки задачи.

Он общие правила и подходы, изложенные в данном материале применимы к любым теплообменникам.

Изложенное ниже всё же в большей степени относится к рекуперативным теплообменникам, частота использования и конструктивные особенности которых в значительной мере облегчают решение задачи типизации их конструкций. Поэтому для рекуперативных теплообменников, как уже упоминалось, более характерны поставка под заказ готового изделия или сборка изделия под заказ из готовых элементов.

Правила выбора теплообменников

Для создания некоторой площади поверхности теплообмена требуются соответствующие капитальные затраты.

Стоимость эксплуатации, в свою очередь, зависит от недорекуперации теплоты. Чем меньше величина недорекуперации теплоты, т.е. чем меньше разность температур теплагента на входе и хладагента на выходе при противотоке, тем большая поверхность теплообмена требуется, тем выше стойкость аппарата, и тем меньше эксплуатационные расходы. Но для снижения эксплуатационных затрат требуются дополнительные капитальные затраты. Снижение эксплуатационных расходов зависит от первоначальных капитальных затрат нелинейно.

Искусство проектировщика заключается в выборе «квазиоптимального» соотношения между капитальными затратами и снижением будущих эксплуатационных расходов, достижимого за счёт этих затрат.

С увеличением числа и длины труб в трубном пучке и уменьшением их диаметра снижается относительная стоимость 1 м² поверхности кожухотрубчатого теплообменника, за счёт снижения общих затрат металла на аппарат в расчете на единицу поверхности теплообмена.

При этом с увеличением числа труб увеличивается вероятность нарушения герметичности стыков труб с трубной решеткой, засоряемость труб небольшого диаметра выше, а чистка сложнее.

В общем случае при выборе типа теплообменника можно руководствоваться следующим эмпирическими правилами:

1. При организации теплообмена между двумя жидкостями или двумя газами целесообразно выбрать секционные (элементные) теплообменники. Если большая площадь теплообмена приводит к громоздкой конструкции, то можно выбрать многоходовой кожухотрубчатый теплообменник.

2. При разогреве жидкости паром рациональным выбором будут многоходовые по трубному пространству кожухотрубчатые ТА с подачей пара в межтрубное пространство.

3. Для химически агрессивных сред при небольших тепловых нагрузках экономически предпочтительны рубашечные, оросительные и погружные теплообменники.

4. Если условия теплообмена по обе стороны теплопередающей поверхности резко различны (газ и жидкость), целесообразно рассмотреть трубчатые ребристые теплообменники.

5. Режим работы теплообменного аппарата и скорость движения теплоносителей следует выбирать таким образом, чтобы отложение загрязнений на стенках происходило возможно медленнее. Например, если охлаждающая вода отводится при температуре 45 – 50 ºС, то на стенках труб ТА интенсивно осаждаются растворенные в воде соли.

6. Для мобильных тепловых установок, авиадвигателей и криогенных систем, где при высоких тепловых потоках в тоже время требуются компактность и малая масса, широко используются пластинчатые ребристые ТА.

7. При выборе ТА следует учитывать, что в химических производствах до 70% ТА используются для теплообмена жидкость — жидкость и пар — жидкость при давлении до 1 МПа и температуре до 200 °С. Для этих условий разработаны и серийно производятся теплообменные аппараты общего назначения кожухотрубчатого и спирального типов. Преимуществом трубчатых ТА является простота конструкции.

В настоящее время широкое распространение получили пластинчатые теплообменные аппараты общего назначения.

Коэффициент унификации узлов и деталей размерного ряда трубчатых ТА, определяемый как отношение числа узлов и деталей с размерами, одинаковыми для всего ряда, к общему числу узлов и деталей данного размерного ряда, составляет ≈ 0,13. Этот коэффициент для пластинчатых теплообменных аппаратов составляет ≈ 0,9. Удельная металлоемкость кожухотрубчатых аппаратов в 2 -3 раза больше, чем у пластинчатых аппаратов с такими же характеристиками.

Сказанное означает, при выборе ТА в качестве обязательной альтернативы трубчатому теплообменнику следует рассмотреть пластинчатый ТА.

8. В любых случаях следует выбирать типовые, наиболее простые по конструкции и наиболее дешевые по материалам теплообменники. Более сложные аппараты (с плавающей камерой, с сильфонным компенсатором, спиральные), а также с трубами из цветных металлов и специальных материалов (медь, латунь, титан, графит и др.) следует использовать только в случаях обоснованной необходимости.

В Российской Федерации действует стандарт ГОСТ Р 52107-2003 «Ресурсосбережение», которым, в том числе, должны руководствоваться производители и потребители (пользователи) ТА. Ресурсосодержание - это совокупность показателей, определяющих свойства продукции, связанные с наличием и закреплением в ее составе материальных и (или) энергетических ресурсов. К числу основных показателей ресурсосбережения относят: ресурсоемкость; ресурсоэкономичность; утилизируемость. Показатели ресурсосодержания должны в обязательном порядке учитываться при выборе ТА. Они напрямую влияют на ССВ теплообменной системой.

9. Первым шагом в разработке конструкции нового теплообменника является задание входных и выходных температур для каждого из теплоносителей, характеристик их химических свойств, фазовых состояний и массовых расходов. Поскольку скорости жидких теплоносителей обычно поддерживаются в пределах 0,6—6,0 м/с, а газообразных — в пределах 10—50 м/с, по величине массовых расходов можно рассчитать проходные сечения каналов для потоков теплоносителей, которые, в свою очередь, определяют объем аппарата. Иногда необходимо ограничить скорости теплоносителя, чтобы избежать таких нежелательных явлений, как эрозия или вибрация трубок. Следует учитывать также возможность образования отложений на поверхности трубок, которые влияют на величину коэффициента теплопередачи и, следовательно, на величину поверхности теплообмена аппарата, габариты трубного пучка и всего аппарата в целом. Конструкция аппарата по возможности должна допускать проведение очистки поверхностей теплообмена.

Таблица ТВТА-1 содержит оценку по пятибалльной шкале основных характеристик (технологичность изготовления, эффективность получения благоприятных тепловых и гидравлических режимов, эксплуатационные качества, компактность, металлоемкость) для некоторых широко используемых типов рекуперативных ТА.

Таблица ТВТА-1. Характеристики рекуперативных теплообменных аппаратов.

	Возможность изготовления		Эффективность				Удобство обслуживания				Компактность и материало­ёмкость
Тип ТА	Из стали, металлов и пластмасс	Из чугуна и хрупких материалов	Высокие скорости в трубах и каналах	Высоки скорости снаружи труб	Возможность противотока	Многоходовость в межтрубном пространстве	Чистка внутри труб и каналов	Чистка снаружи труб и каналов	Замена поверхности теплообмена	Ремонт	Поверхность на единицу объёма	Масса на 1 м2 поверхности, кг/м2
Трубчатые:
- Погружные	5	5	5	2	1	1	3	5	2	5	4-12	90-120
- Оросительные	5	5	5	2	1	1	3	5	5	5	3-6	45-60
- Кожухотрубчатые	5	1	5	3	4	4	5	3	3	3	18-40	35-80
- Секционные	5	3	3	5	4	1	5	3	2	2	4-15	175-200
Пластинчатые:
- С гладкими листами	5	3	5	5	5	1	2	2	1	1	10-60	5-20
- Спиральные	5	3	5	5	5	1	2	2	1	3	34-72	30-50
- Штампованные	5	1	5	5	5	3	3	3	3	3	300-600	5-10
- Прокатно-сварные	5	1	5	3	5	3	1	5	1	1	-	2-2,7
Ребристые:
- Трубчатые с рёбрами	5	3	5	3	3	3	5	3	3	3	300-575	2-4
- Пластинчатые с рёбрами	5	3	5	3	3	3	3	3	1	1	600-1800	2-4

Цифры обозначают: 5 - полное соответствие требованиям; 4, 3, 2 – частичное соответствие требованиям; 1 – несоответствие требованиям.

Показатели качества

Показатели качества используются для оценки эксплуатационных качеств ТА. Основными показателями качества являются следующие:

Технический уровень

Различают абсолютный, относительный и перспективный технические уровни. Абсолютный технический уровень изделия характеризуется его эксплуатационными показателями. В оценке абсолютного уровня ограничиваются важнейшими из них - производительностью, к.п.д., непрерывностью процесса, степенью автоматизации.

Относительный технический уровень характеризует степень совершенства изделия при сравнении соответствующих показателей его абсолютного технического уровня с уровнем лучших мировых образцов и моделей аналогичного назначения.

Перспективный технический уровень конкретизирует намечаемые и планируемые тенденции в развитии данного вида продукции в виде совокупности перспективных показателей.

Надежность

Этот наиболее важный показатель качества.

Надежность – свойство готовности и влияющие на него свойства безотказности и ремонтопригодности, и поддержка технического обслуживания.

Основные термины и определения по надежности оборудования содержатся в стандарте Российской Федерации, ГОСТ Р 53480 – 2009 «Надежность в технике». Термины и определения.

Следование этому ГОСТ – необходимая практика при разработке разделов Технического Задания, определяющих требования по надежности, эксплуатации, ремонтопригодности, видам испытаний ТА.

Основным комплексным показателем надежности сложных систем является коэффициент технического использования, определяемый как «Доля времени нахождения изделия в работоспособном состоянии относительно общей продолжительности эксплуатации в заданном интервале времени, включая все виды технического обслуживания», параграф 173 указанного ГОСТ.

Техническое задание

При приобретении готового ТА, или ТА изготовляемого сборкой под заказ, тем более – для ТА, проектируемого под заказ, необходимо разработать ТЗ (или ТЗ и комплект частных технических заданий), в котором (которых) систематически изложены все исходные данные для проектирования (выбора) ТА, требования по ремонтопригодности, эксплуатации, к окружающей среде, квалификации эксплуатационного персонала и т.п. При написании ТЗ можно использовать в качестве нормативного документа ГОСТ 15.901-91 «Техническое задание и постановка изделия на производство»:

2. РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

2.1. Техническое задание является основным исходным документом для разработки продукции. Оно должно содержать технико-экономические требования к продукции, этапы разработки, перечень разрабатываемых документов, порядок сдачи и приемки результатов разработки, указания о необходимости изготовления опытных образцов и опытных партий. При необходимости в техническом задании устанавливают требования к подготовке и освоению производства, в том числе требования к технологическому оборудованию.

2.2. Техническое задание подготавливает разработчик на основе исходных требований заказчика, проведенных при необходимости научно-исследовательских, опытно-конструкторских и технологических работ, изучения спроса, условий применения, тенденций развития продукции. При этом необходимо руководствоваться документами, в которых установлены значения показателей, определяющих технический уровень продукции, требования безопасности, охраны здоровья и окружающей среды.

2.3. По согласованию с заказчиком допускается использовать в качестве технического задания другой документ (договор, протокол и т. д.), содержащий необходимые и достаточные для разработки продукции требования.

2.4. Техническое задание утверждает заказчик или, по его поручению, другая организация.

2.5. При согласии заказчика и разработчика в техническое задание или документ, его заменяющий, могут быть внесены изменения и дополнения.

2.6. Держателем подлинника утвержденного технического задания является разработчик.

Конец цитаты

В техническом задании задаются:

· вид и характеристики теплоносителей и их потоков;

· основные характеристики ТА — тепловая нагрузка, допустимые величины нагрева и недогрева, давления при штатном режиме эксплуатации;

· границы допустимых изменений основных характеристик;

· массогабаритные параметры ТА;

· диапазон энергопотребления и требования к параметрам источников энергии;

· условия эксплуатации и допустимые изменения параметров окружающей среды;

· требования надежности и безопасности;

· требования по эксплуатации и квалификации обслуживающего персонала;

· другие требования в соответствии с нормативными документами общего и специального назначения, детализирующие требования к данной группе теплообменных аппаратов.

Строительные требования

При выборе ТА необходимо учитывать требования СНиП к его размещению в строящемся (реконструируемом) объекте с точки зрения потребной площади, характеристик по кондиционированию и вентиляции и т.п.

В обязательном порядке проводятся прочностные расчёты.

Строительные требования могут привести к тому, что придется выбрать другую модель теплообменного аппарата, см. процесс 16 на рисунке РВТА-1.

Теплофизические, гидродинамические и другие расчёты ТА

При теплофизических и гидродинамических расчётах ТА используются сложные уравнения математической физики в частных производных и пр. Для их решения широко используются численные методы. Задача математического расчёта ТА чрезвычайно сложна и её следует поручить специализированной организации.

Большинство производителей ТА имеют мощные компьютерные системы для проведения всесторонних расчётов. Но даже для анализа результатов расчётов, предоставленных производителем, необходимо привлечь опытного специалиста. Возможно, что оценку результатов расчётов придется поручить специализированной независимой организации.

Необходимые расчёты и их экспериментальную проверку обязан выполнить производитель (поставщик) ТА. Для этого и он, в свою очередь, может привлекать специализированные организации. Но ответственность за результат целиком лежит на нём.

Строительные расчёты и разработку строительно-планировочных решений целесообразно также поручить специализированной организации.

Испытания

ТЗ на создание системы теплообмена должно предусматривать проведение исчерпывающих испытаний ТА, в ходе которых осуществляется проверка, что все требования, заданные в ТЗ, выполнены.

Для проведения проверок должны быть в обязательном порядке разработаны и согласованы соответствующие программы и методики испытаний.