Отечественные теплообменные аппараты нового поколения
Дата: 24/12/2014
Тема: Машиностроение


Вызовы-2014: Импортозамещения в стационарной и транспортной энергетике



В.Г.Барон, к.т.н., директор ООО «Теплообмен», г. Севастополь


Ю.Н.Мясников, д. т. н., проф., ФГУП «Крыловский ГНЦ», Санкт-Петербург
Одной из фундаментальных проблем человечества остаётся энергетическая проблема. Энергия и сырьё - локомотивы современного государства. На фоне медленного, но верного исчерпания ресурсов основных энергоносителей решающее значение приобретает рациональное генерирование и использование энергии с параллельным поиском альтернативных источников тепла, способных заместить традиционные нефть, газ,уголь.


Современный способ превращения тепловой энергии энергоносителя в механическую работу, позволяющую получить электрическую энергию, на основе которой реализуются все технические решения человека,основан на сжигании углеводородных энергоносителей. Действие химических источников тока и преобразование волн солнечного света в процессе фотоэффекта в электрический поток также основаны на превращении теплового излучения в механическое перемещение на уровне микромира. Тепло возникает и при радиоактивном распаде ядер атомов.

Для генерирования энергии (тепловой, механической, электрической) в настоящее время применяются три основных типа энергетических систем: дизельные, паротурбинные, газотурбинные. Основными функционально-самостоятельными  элементами в этих системах являются теплообменные аппараты (ТОА), роторные и поршневые механизмы. Эти элементы определяют эффективность сжигания энергоносителя, которая характеризуется коэффициентом полезного действия (КПД).

Вековой опыт совершенствования термодинамического процесса с целью повышения КПД идёт по двум направлениям:

 - повышение термического КПД цикла, другими словами, температуры сгорания топлива;

 - регенерация и утилизация тепла, уходящего с выпускными газами и охлаждающей средой.

Достигнутый уровень КПД энергетических систем характеризуется следующими цифрами:

 - стационарные паротурбинные установки - 34 ~ 38%;

 - корабельные паротурбинные установки  – 25~ 28%;

 - газотурбинные установки – 23 ~ 24% при начальной температуре газа 800 0С и 32~ 34%   при начальной температуре газа 1200 0С;

 - дизельные энергетические установки – около 50%.

По данным Института «чёрного золота» (США), 45% добываемых нефтепродуктов сжигают автомобили при КПД 12-15%. За счёт «джипомании», когда 300-400-сильный двигатель везёт одного человека, ситуация не улучшается, а ухудшается.

По прогнозам этого института, 95% доступных источников чёрного золота в мире будут исчерпаны в ближайшие 40-50 лет. Рациональное использование углеводородных энергоносителей позволяет высвободить средства на поиск альтернативных источников энергии.


Совершенствование теплообменной аппаратуры                       

Если принять во внимание, что способы повышения термического КПД цикла сгорания топлива исчерпаны, а применение керамики в элементах механизмов малоперспективно, на передний план выходит совершенствование методов и средств эффективного использования тепла, в первую очередь, уходящего с выпускными газами и охлаждающей средой. Другими словами, определяющее значение при решении проблем энергосбережения приобретает совершенствование теплообменной аппаратуры.

Теплообменная аппаратура (ТОА) – неотъемлемая часть всех типов энергетических систем (ЭС), зачастую превышает 50% стоимости комплектации ЭС, занимая при этом наибольшие площади по сравнению с другим оборудованием. Это имеет особое значение в случае ТОА в составе корабельных (судовых) энергетических установок. Для таких установок важным является требование минимизации массогабаритных характеристик при сохранении высокого коэффициента теплопередачи и показателей надёжности.

Для решения задач теплообмена в корабельных технических системах в 1967 г. в Севастополе было организовано Центральное конструкторское бюро (ЦКБ) «Таврия» -  базовое предприятие Минсудпрома по проектированию теплообменного оборудования и средств водоподготовки для нужд Военно-морского флота СССР. Задачей инженерного корпуса ЦКБ являлось создание высококачественных аппаратов,которые бы превосходили зарубежные аналоги по техническим характеристикам и надёжности. И эта задача успешно выполнялась.

Распад СССР, резкое сокращение объёмов работ по судостроению, переход под юрисдикцию Украины заставили предприятие перейти на другие направления работы.

Группа молодых конструкторов во главе с автором, получившая знания и опыт по созданию ТОА для нужд советского ВМФ, покинула ЦКБ «Таврия» и организовала собственное предприятие ООО «Теплообмен» (г. Севастополь) с целью продолжения работ и создания ТОА нового поколения, положив в основу энергосбережение и импортозамещение в стационарной и транспортной энергетике.

Это была не простая задача, так как последние четверть века отечественное руководство было ориентировано на Европу и США, не только по технико-экономическим соображениям. Поддержку в конкурентной борьбе западноевропейские производители получают благодаря личной заинтересованности отечественных  чиновников, принимающих решения об импорте оборудования. При этом в качестве объективной аргументации используется сравнение характеристик современных пластинчатых аппаратов с коммунальными кожухотрубными аппаратами вековой давности.


Отечественный аппарат ТТАИ

К середине 1990-х гг. ООО «Теплообмен» создало отечественный кожухотрубный аппарат ТТАИ(тонкостенный теплообменный аппарат интенсифицированный), в разы превосходящий по технико-экономическим характеристикам и надёжности западноевроевропейские аналоги. Конструкция аппаратов ТТАИ, как и технология их изготовления, в течение последующих лет непрерывно совершенствовались путём внедрения новых идей, получивших проверку в ходе стендовых и натурных испытаний. К настоящему времени создан разборный (с возможностью выема трубного пучка из корпуса) кожухотрубный теплообменник, который по сопоставимым характеристикам превосходит все известные западноевропейские разборные пластинчатые теплообменники. ТТАИ более чем в десять раз легче, имеет в 5-7 раз меньший габаритный объём, удобнее компонуется на объекте, проще в монтаже и обслуживании, надёжен в эксплуатации и дешевле при производстве. В его конструкцию заложен блок научно-технических решений, признанных по проверочной системе изобретениями. Часть решений, не очевидная даже после детального ознакомления с аппаратом, сохраняется ООО «Теплообмен» на уровне «ноу-хау». Среди названных решений можно отметить следующие:

- термодинамически целесообразное профилирование теплопередающих поверхностей (с разработкой оригинальной математической модели,адаптированной в ходе натурных испытаний к особенностям созданного типа аппаратов);

- нерегулярная разбивка трубного пучка;

- специальная конструкция дистанцирующих перегородок;

- неметаллические трубные решётки;

- чистый противоток рабочих сред;

- микроизменения направления движения среды в межтрубном пространстве;

- использование принципа « плавающих трубных решёток»,причём обеих;

- применение псевдофланцевых разъёмных соединений собственной конструкции.

Интенсификация теплообмена в аппаратах ТТАИ достигается комплексом технических приёмов, в том числе:

- использование тонкостенных теплообменных трубок небольшого диаметра со специальным профилем из нержавеющей стали, обеспечивающем турбулизацию пристенного слоя потока жидкости и эффект самоочистки поверхности;

- использование специальной технологии создания трубных решёток, позволяющей конструировать особо плотный и нерегулярный трубный пучок,который подвижно располагается в корпусе ТОА.

Конструкция разборных теплообменников ТТАИ позволяет извлечь пучок теплообменных трубок из корпуса,выполненного из нержавеющей стали. Теплообменники могут конструироваться на любое заданное гидравлическое сопротивление каждой из обменивающихся теплом жидкостей. Теплообмен характеризуется высокими значениями коэффициента теплопередачи. По специальной компьютерной программе специалисты «Теплообмена» в режиме реального времени могут рассчитать этот коэффициент по исходной информации заказчика. Математическая модель позволяет рассчитывать аппараты ТТАИ индивидуально для каждого потребителя с учётом его требований в диапазоне температур сред от -400С до+2500С и рабочих давлениях до1,6 МПа. Диаметр корпуса изменяется от 25 мм до 250 мм. Длина трубного пучка - от 200 до 4200 мм. Вес аппаратов - от1кг до150 кг.

Несмотря на то, что в течение полутора десятков лет аппараты ТТАИ демонстрируют бесспорные технические и экономические преимущества перед импортными пластинчатыми теплообменниками на тысяче объектов бывшего СССР, большинство потребителей остаются приверженцами европейских производителей. Одной из причин такого выбора является недостаток объективной информации об аппаратах ТТАИ.

Сегодняшняя политическая ситуация в мире открывает новые возможности для отечественных производителей. Созданный севастопольцами и  поставленный на серийное производство отечественный теплообменник способен не только обеспечить импортозамещение, но и превзойти импортные аналоги по основным показателям.


Планшетные теплопункты

На базе особенностей ТТАИ специалистами «Теплообмена» впервые в мире была сформулирована концепция создания «планшетных» теплопунктов (ПТ). ПТ не только имеют существенно лучшие характеристики, чем импортные западноевропейские теплопункты, но и требуют для своего размещения в разы меньшие производственные площади. Высокие потребительские качества аппаратов ТТАИ - эффективность,надёжность, компактность, подтверждены предприятиями, использующими продукцию «Теплообмена».

На базе ТТАИ реализована идеология децентрализованных рекуператоров тепла вентиляционного воздуха, которые по основным потребительским свойствам превосходят импортные аналоги.

Наличие компактного и высокоэффективного теплообменника ТТАИ позволило   сформулировать новый принцип обеспечения горячего водоснабжения объектов с явно выраженной неравномерностью водоснабжения. Разработанные «Теплообменом» емкостные подогреватели с выносным греющим элементом проявляют одновременно свойство как традиционного емкостного, так и скоростного водоподогревателей, то есть имеют запас воды для покрытия пикового водозабора и способны обеспечивать достаточно большую непрерывную тепловую мощность. Это даёт возможность снизить мощность источника тепла (котла и т.п.) при сохранении заданного уровня комфортности горячего водоснабжения. Важным преимуществом является возможность оптимальной комплектации для конкретного объекта.Математическая модель позволяет учесть особенности графика водопотребления и характеристики оборудования, входящего в установку. Очевидным преимуществом является больший по сравнению с зарубежными аналогами период непрерывной работы между очистками от накипи. Это преимущество обусловлено эффектом самоочистки,присущим  ТТАИ, входящим в состав емкостного подогревателя в качестве выносного греющего элемента. Изготовление емкости и выносного греющего элемента из высоколегированной нержавеющей стали позволило обеспечить надёжность, существенно превосходящую известные аналоги, и соответствие самым жестким санитарно-гигиеническим нормам.

         

Заключение

Аппараты ТТАИ и сопутствующие им элементы регенерационныхустройств имеют обширную сферу применения благодаря заложенным в их конструкции техническим решениям, опирающимся на высокие технологии, свойственные лучшим образцам современной техники.

Сегодня,когда изделиям отечественного производителя даётся зелёный свет, отечественная теплообменная аппаратура в рамках программ импортозамещения и энергосбережения должна занять свою нишу в транспортной и стационарной энергетике, коммунальном хозяйстве (теплопункты), пищевой промышленности и т.п.


Библиография
1. Барон В.Г. «Теплообменный аппарат». Патент№2009429
2. Барон В.Г. Патенты на частные решения в области теплообменной  аппаратуры №№51715;  2197693; 2013734; 2038890; 2013735; 2011503.
3. Барон В.Г.      «Утилизация тепла охлаждающих жидкостей - важнейший аспект энергосбережения»,  Ж.«Теплоэнергоэффективные технологии» №3-4, СПБ, 2007 г.
4. Барон В.Г.     «Возможность проведения реновации теплосетей, не требующей поиска денежных средств или ещё раз о планшетных теплопунктах» Ж. «Новости теплоснабжения» №7, Москва, 2012 г.
5. Мясников Ю.Н. «Базовые вызовы и ориентиры в сфере развития энергетики».  Ж. «Атомная стратегия ХХI века» №80, 2013 г.
6.«Рекомендации по применению теплообменников ТТАИ в тепловых  пунктах  жилых и общественных зданий». Изд. ГосКом Украины по строительству и архитектуре  (НИИЭП по гражданскому строительству КиевЗНИИЭП), 2005 г.






Это статья PRoAtom
http://www.proatom.ru

URL этой статьи:
http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=5752