Централизованное ГВС

Горячее водоснабжение (ГВС) промышленного объекта, как и любого другого, может быть централизованным или децентрализованным (местным) в зависимости от объемов потребности горячей воды и удаленности от централизованного места выработки тепла (например, ТЭЦ). Соответственно избранному способу производства горячей воды будет применяться и разное оборудование.

В большинстве случаев децентрализованные схемы теплоснабжения, включающие отопление и ГВС, применяются на индивидуальных жилых объектах (коттеджах, загородных домах) или на удаленных промышленных предприятиях, объектах социального назначения. Отдельно можно говорить о поквартирном теплоснабжении многоквартирных домов, когда в каждой квартире устанавливается бытовой двухконтурный котел или одноконтурный, оснащенный бойлером. В жилом фонде сохранилось также еще централизованное отопление в сочетании с местным ГВС от индивидуальных газовых колонок.

Все же в России, в коммунальном секторе и на промышленных предприятиях исторически наибольшее распространение получило централизованное снабжение горячей водой.

Главные принципы

- в центральных тепловых пунктах (ЦТП), с нагревом в водоводяных подогревателях водой, поступающей из квартальной (районной) котельной или от ТЭЦ;


- аналогично, но в индивидуальных тепловых пунктах (ИТП) здания;

- в домовых или групповых котельных, где вода нагревается непосредственно в водогрейных котлах или в пароводяных подогревателях, присоединенных к паровым котлам;

- на ТЭЦ или в котлах квартальных (районных) котельных с непосредственным разбором воды из присоединенной к ним тепловой сети.

Кроме теплогенератора и водоподогревателя (за исключением случая непосредственного разбора воды из тепловой сети, когда водоподогреватель отсутствует) система централизованного теплоснабжения включает также: трубопроводы теплоносителя, соединяющие генератор тепла с водоподогревателем; трубопроводы, разводящие горячую воду потребителям; сетевые устройства (компенсаторы линейных удлинений, воздухоотводчики); арматуру (водоразборную, предохранительную, запорную); аккумуляторы (баки); циркуляционные насосы, а при необходимости – и насосные установки повышения давления; контрольно-регулирующие устройства (регуляторы расхода, температуры), приборы учета потребления воды и тепла.

Поступающая к потребителям в жилых и общественных зданиях горячая вода должна быть питьевого качества.

Варианты от целесообразности

На ЦТП холодная вода из наружной сети через ввод, водомерный узел и установку повышения давления подается в водонагреватель, где нагревается до нужной температуры, забирая энергию теплоносителя, поступающего из первичного контура сети теплоснабжения. Далее нагретая вода доставляется по распределительной сети ГВС непосредственно к потребителю. Остывшая вода из системы ГВС также возвращается в водонагреватель для подогрева.

Обязательные профилактические работы на ЦТП диктуются необходимостью устранения последствий коррозии и образования накипи в подогревателях и трубопроводах. Профилактика проводится по окончании отопительного сезона, как правило, летом, однако на все это время потребитель лишается горячей воды. Если в закрытой системе теплоснабжения передача тепла с первичного теплоносителя происходит не в ЦТП, а на ИТП, то длительных перебоев в обеспечении ГВС удается избежать.

В отличие от ЦТП, обслуживающих от двух зданий и более, к ИТП присоединяются системы отопления, вентиляции, ГВС и технологических теплоиспользующих установок только одного здания или даже его части. Для передачи тепла с первичной сети ИТП, как правило, комплектуются разборными или паяными пластинчатыми теплообменниками, которые компактнее, эффективнее, а также менее, чем кожухотрубные, подвержены коррозии и формированию отложений. Процесс чистки пластинчатых теплообменников ИТП занимает во много раз меньше времени (несколько часов в год), чем профилактические работы на ЦТП (до 30 суток в год), и, как следствие, не происходит перебоев в обеспечении ГВС потребителя.

Системы с ИТП обходятся дешевле за счет снижения капитальных затрат на строительство ЦТП, требующих отдельного строения. Для современных малогабаритных ИТП не обязательно даже иметь специально оборудованное помещение. Снижаются капитальные затраты и за счет замены четырехтрубной (для ЦТП) на двухтрубную подводку к зданию, так как ГВС готовится на ИТП, размещенном непосредственно в самом здании. По той же причине исключаются теплопотери в наружных сетях ГВС. Появляются дополнительные удобства для потребителя. Организация системы теплоснабжения здания с ИТП, оснащенного современной погодозависимой автоматикой, позволяет отапливаться в более гибком и экономичном режиме. Практически полностью исключаются так называемые «недотопы» и «перетопы». ИТП могут применяться не только при организации систем теплоснабжения вновь возводимых объектов, но и при реконструкции зданий.

Основные положения по проектированию и строительству ЦТП и ИТП собраны в «Своде правил по проектированию и строительству. Проектирование тепловых пунктов» (СП-41-101-95).

Схему с подогревом воды в пароводяных подогревателях используют соответственно там, где для производства тепла применяется паровой котел – часто в промышленности, на предприятиях, требующих производства пара или горячей воды с высокими значениями температуры.

Водоподогреватели в системах ГВС

Ранее в России широкое распространение в составе ЦТП получили водоводяные и пароводяные водоподогреватели в кожухотрубном исполнении.

Традиционный кожухотрубный теплообменник (КТО) не допускает прямого контакта теплоносителя с подогреваемой водой. Теплообмен между средами осуществляется через стенки трубок при встречном движении несмешивающихся сред.

Съем тепла в КТО осуществляется через стенки металлических трубок. Трубки делаются из устойчивых к коррозии металлов, таких как латунь или нержавеющая сталь. Используются как гладкие, так и профилированные трубки. Эффективность профилированных трубок выше, но они несколько сложнее в производстве.

В системах отопления теплоноситель, как правило, движется внутри трубок КТО, в то время как нагреваемая вода – по межтрубному пространству. В системе ГВС нагреваемая вода движется по трубкам, а нагревающий ее теплоноситель (пар или вода) по межтрубному пространству.

Водоводяной подогреватель на основе КТО состоит из секций необходимого размера, наиболее распространены двух- и четырехметровые. Между собой секции соединяются «калачами», по которым между секциями передается вода из трубного пространства, и патрубками, по которым движется вода межтрубного пространства. Диаметр секций может составлять от 57 до 377 мм, что позволяет подобрать оптимальную мощность системы. В среднем, срок службы такого водоводяного подогревателя составляет около 25 лет.

Водоводяные КТО рассчитаны на эксплуатацию при температуре теплоносителя до 150 о C и относительном давлении до 1 МПа для секций с латунными трубками и до 1,6 МПа для секций со стальными трубками. Для того чтобы избежать прогиба трубок, используются блоки опорных перегородок. При этом перегородки смещаются друг относительно друга, благодаря чему достигается поперечно-винтовое омывание трубок водой из межтрубного пространства.

КТО нуждаются в регулярном техническом обслуживании. Чистка трубок от накипи, которая снижает эффективность теплообмена, должна осуществляться не реже одного раза в 2 года. Если КТО эксплуатируется в тяжелых условиях, техническое обслуживание рекомендуется производить чаще.

Пароводяные КТО используются для подогрева воды систем теплоснабжения, отопления и ГВС, могут применяться в системах, работающих по наиболее распространенным графикам температурного регулирования 70–150 ?C, 70–130 ?C, 70–95 ?C, 5–60 ?C. Первичный теплоноситель в пароводяных подогревателях – пар давлением 0,7 МПа для подогрева воды до 130 и 150 ?С и давлением 0,2 МПа для подогрева воды до 95 и 60 ?С. Давление воды не должно быть выше 1,6 МПа. Для температурного режима 70–150 ?C используются четырехходовые подогреватели, для остальных режимов – двухходовые. Во избежание вскипания воды ее давление в подогревателях должно быть не менее чем на 0,1 МПа выше давления пара.

Кожухотрубные теплообменники, получившие широкое распространение в качестве водоводяных и пароводяных подогревателей в XX в. просты в конструкции. Однако простота конструкции не всегда исключает недостатки. В КТО сложно обнаружить внутренние протечки, следствием которых является нежелательное смешивание сред. При простоте конструкции КТО сложны в изготовлении и ремонте. Они требуют много места при установке, что не всегда удобно при монтаже тепловых пунктов. Наконец, КПД КТО относительно невысок.

Сегодня в роли водоподогревателей – все чаще в составе ЦТП и почти исключительно в составе ИТП – применяются пластинчатые теплообменники (ПТО), лишенные ряда недостатков, присущих КТО и обладающие дополнительными преимуществами.

В пластинчатых теплообменных аппаратах потоки теплоносителя движутся между стальными пластинами, которые имеют рельефную поверхность, создающую турбулентность потока для более эффективного теплообмена между несмешивающимися средами. КПД пластинчатых теплообменников может достигать 99 %.

Высокая эффективность теплообмена создает предпосылки для использования на тепловых пунктах современных систем автоматики с погодной компенсацией, что позволяет перейти на качественное регулирование теплоносителя в системе отопления в переходный период (при температуре наружного воздуха от 1 до 8 о С). Кроме того, турбулентность потока снижает вероятность образования отложений на поверхностях теплообмена. Как следствие, пластины ПТО меньше подвергаются коррозии, чем рабочие поверхности КТО, пластинчатые аппараты реже нуждаются в очистке и служат дольше. Сам ремонт ПТО сводится к замене пластины или прокладки.

Герметичность пластинчатого теплообменника обеспечивается резиновыми прокладками, располагающимися между пластинами. Пластины стягиваются в пакет, и число их может меняться в соответствии с нуждами заказчика. Эта же особенность конструкции ПТО позволяет легко наращивать рабочую мощность аппарата за счет добавления новых пластин.

Высокий КПД и большая площадь теплообменных поверхностей, находящихся в контакте с теплоносителем, определяют компактность пластинчатых аппаратов. ПТО с габаритными размерами 3?2?1 м может иметь площадь теплообменных поверхностей от 200 м 2 и более. В сравнении с КТО той же производительности ПТО компактнее в 4–6 раз.

По способу сборки ПТО разделяются на две основные группы: разборные и паяные. В разборных герметизация достигается за счет уплотнений, а в паяных – посредством пайки в вакуумной печи. Различаются эти группы и по способности теплообменника выдерживать ту или иную температуру теплообменных сред. Для разборных ПТО максимальная рабочая температура составляет 150–180 о С, где 150 о С – температурный предел для уплотнений из резины EPDM, а 180 о С – для уплотнений из резины Vitol или эксклюзивных материалов. Для паяных теплообменников рабочая температура достигает 220–250 о С.

Комментарий специалиста

Рекомендации по выбору теплообменного оборудования от специалистов компании «Ридан».

Выбор теплообменного оборудования

ПТО сегодня – наиболее рациональный вариант подключения систем ГВС зданий к тепловым сетям. Однако выбор оптимального теплообменного оборудования для решения конкретной задачи требует профессионального подхода, поэтому разумнее всего предоставить этот выбор производителям, которым доверяет заказчик.

При самостоятельном расчете ПТО (на расчетных программах производителей) следует учитывать следующее.

Теплообменник должен одинаково хорошо справляться со своей функцией на всех режимах работы, поэтому основной (конструкторский) расчет необходимо выполнять на самый напряженный режим. В большинстве случаев таким является переходный режим работы, который рассчитывается на точку излома температурного графика. Целесообразно проверить с помощью функции поверочного расчета работу выбранного оборудования и на других характерных режимах. Следует помнить, что при отсутствии баков аккумуляторов расчет ведется на максимальное потребление расхода горячей воды.

При расчете надо предусмотреть запас теплообменной поверхности (запас по коэффициенту теплопередачи). Он нужен для сохранения необходимых рабочих параметров оборудования при загрязнении поверхности теплообмена в процессе работы. Согласно СП41-101-95 для систем ГВС рекомендуется запас поверхности теплообмена – 15–30 %. Окончательный выбор запаса теплообменной поверхности производится заказчиком с учетом баланса надежности оборудования и его цены. Граница разумной экономии не должна превышать пороговых значений: запас для разборных ПТО не должен быть меньше 7 %, для паяных – не меньше 20 %.

Во избежание преждевременного выхода из строя ПТО, а также повышенного шума во время его работы нельзя допускать высоких скоростей сред в теплообменнике. Максимальные скорости жидкости лучше ограничить 4,5 м/с. ПТО – эффективное оборудование, но чрезмерная эффективность может привести к чрезмерной чувствительности к загрязнению, поэтому коэффициент теплопередачи желательно ограничить значениями 4500–5000 ккал/(м2•ч•?С).

Рекомендации по выбору материалов для ПТО систем ГВС

Стандартное материальное исполнение теплообменного оборудования большинства производителей предусматривает: пластины – сталь AISI 316, прокладки – EPDM, порты теплообменника – углеродистая сталь. В большинстве случаев этот комплект оптимален по соотношению «цена-качество». Однако в случаях, когда вода холодного водоснабжения (ХВС) подвергается регулярному гиперхлорированию (например, в период снеготаяния), или берется из скважины (или водоема) и не соответствует по качеству нормативам ХВС (прежде всего по концентрации хлорид-ионов, в совокупности с достаточным содержанием солей жесткости), существенно повышается риск возникновения на пластинах местных видов коррозии (питтинг, коррозионное растрескивание). В этом случае необходимо предусмотреть применение пластин из более коррозионностойкого материала (SMO254, Titan). В любом случае для систем ГВС нельзя использовать в качестве материала пластин стали с меньшей коррозионной стойкостью, чем AISI 316 (например, AISI 304 и др.). Порты теплообменника, выполненные из углеродистой стали, могут являться дополнительным источником оксидов железа в системе ГВС. Для предотвращения контакта воды системы ГВС с углеродистой сталью можно предусмотреть выполнение портов теплообменника по нагреваемой стороне из нержавеющей стали, или наличие особых вставок в порты (обычно стальные или резиновые).

Трубопроводы ГВС

Для устройства трубопроводов внутренних систем горячего водоснабжения используется большой набор труб из различных материалов. Доминируют по-прежнему стальные трубы, но все больше применяются трубопроводы из пластиковых материалов (сшитого полиэтилена, полипропилена, полибутена, дополнительно хлорированного поливинилхлорида и др.) и металлопластиковых. Применяются также медные трубы российских производителей, а также поставляемых из-за рубежа. Термостойкость – один из важнейших факторов, влияющих на выбор труб для системы горячего водоснабжения.

Комментарий специалиста

Константин Воскресенский, технический представитель компании Viega в России

Особенности «горячего» трубопровода

При выборе типа трубопроводной системы для горячего водоснабжения на первый план выходит термостойкость труб. У металлических труб эта характеристика лучше, чем у полимерных (при долговременном воздействии высокой температуры они со временем выходят из строя). Альтернативой пластиковым трубам могут служить металлополимерные.

Не менее важно учитывать также коэффициент линейного теплового расширения (КЛТР), характеризующий степень удлинения трубы при нагревании. По этому показателю металлические трубы также предпочтительнее полимерных, так как КЛТР для разного вида металлов составляет от 0,012 до 0,015 мм•м•К. Коэффициент теплового расширения полимерных трубопроводов гораздо выше – от 0,15 до 0,18 мм•м•К. Поэтому полимерные трубы начинают выгибаться и провисать даже при незначительном нагреве, вследствие чего возникает внутреннее напряжение в стенках труб и фитингов, что может привести не только к деформации, но и к разрушению уязвимых участков системы, например, мест соединений.

Несмотря на то, что металлические трубопроводы гораздо меньше подвержены линейному тепловому расширению, полностью игнорировать КЛТР и в их случае нельзя. При проектировании металлических трубопроводов горячего водоснабжения необходимо на их длинных участках ставить компенсаторы линейного удлинения, чтобы в точках подсоединения арматуры и оборудования из-за теплового расширения не возникали сильные механические напряжения. Например, следует формировать специальные участки-компенсаторы, имеющие форму букв Z, T и U. Там, где невозможно создать такой участок, используют сильфонные компенсаторы – конструкции, своим видом напоминающие гармошку. Они примут на себя многоцикличные деформации сжатия, растяжения, изгиба и их комбинаций под воздействием внутреннего или внешнего давления, температуры и механических напряжений и компенсируют напряжения в трубопроводе без нарушения его герметичности.

И, конечно же, при выборе системы для горячего водоснабжения необходимо учитывать химический состав воды, поскольку при высокой температуре химическое воздействие на трубы усиливается. Даже безвредная по своему составу для человека вода может стать разрушительной для труб. Для металлических систем важно значение рН (кислотность), а также наличие растворенного кислорода, хлора и его соединений. Большие концентрации хлора также опасны и для многих видов полимерных труб.

Наилучшим образом ведут себя трубы из нержавеющей стали – они нейтральны по своей природе, не вступают в реакцию с примесями в воде и не изменяют качества воды. На втором месте – трубы из меди. Они также обладают рядом преимуществ (коррозионная стойкость, бактерицидность), но для них важны исходные параметры воды – рН, скорость потока, наличие органических примесей и т.д.

Наконец, последний показатель, с которым нельзя не считаться – газопроницаемость. Стенки некоторых видов полимерных труб, подходящих для применения в системах теплоснабжения, проницаемы для кислорода. Кислород не опасен для самих труб, но вызывает коррозию стальных приборов, а также образует воздушные пробки, вызывающие неполадки в работе системы. Поэтому в системах теплоснабжения должны использоваться полимерные трубы с защитным антидиффузионным слоем.

Циркуляционные насосы в системах ГВС

Сети трубопроводов систем централизованного горячего водоснабжения состоят из подающих и циркуляционных трубопроводов. Циркуляционные трубопроводы устраивают для естественной или искусственной циркуляции воды в сети через водоподогреватель, чтобы при недостаточном водоразборе или его отстутствии вода не остывала и вне зависимости от условий разбора имела одинаковую температуру на выходе. Искусственная циркуляция воды в циркуляционных трубопроводах обеспечивается работой циркуляционных насосов.

В системах ГВС, как правило, находят применение насосы меньшей мощности, чем в системах отопления, поэтому в большинстве случаев даже в промышленных системах устанавливаются насосы с мокрым ротором – более удобные в монтаже и обслуживании, более надежные, но характеризующиеся меньшим КПД, чем циркуляционные насосы с сухим ротором. Лишь там, где протяженность, а как следствие, и гидравлическое сопротивление в контуре ГВС требует применения агрегатов большой мощности, значение которой выходит за мощностной диапазон существующих линеек мокрых циркуляционников, устанавливаются насосы с сухим ротором (так называемые насосы in line).

Отличие насосов с сухим и мокрым ротором заключается в том, что у первых рабочая камера агрегата, через которую прокачивается рабочая среда, герметично изолирована от ротора двигателя, а в агрегатах с мокрым ротором рабочая жидкость вместе с рабочим колесом омывает ротор, выполняя одновременно функции смазывания подшипников и охлаждения электромотора. Части мотора насоса с мокрым ротором, которые находятся под напряжением, герметично защищает от соприкосновения с жидкой рабочей средой разделительный стакан, выполненный из нержавеющей немагнитной стали. Вал ротора часто изготавливают из керамики, а подшипники из графита.

В целом мокрые насосы проще сухих по конструкции, дешевле, но обладают меньшей мощностью и КПД. Если для насосов с сухим ротором КПД колеблется в пределах 40–80 %, то для большинства «мокрых циркуляционников» этот показатель составляет 10–60 %.

К достоинствам именно мокрых циркуляционных насосов необходимо отнести и такие качества, как надежность и простота в эксплуатации – они могут работать годами без технического обслуживания. Монтаж, ремонт и замена этих насосов не требуют трудоемких операций. Для облегчения ремонта и профилактики многие современные мокрые циркуляционики собраны по блочному принципу и легко разбираются на пять блочных модулей: корпус насоса, рабочее колесо, вал с подшипниками и ротором – единым блоком в картуше, корпус мотора со статором, клеммная коробка.

Работают мокрые циркуляционники практически бесшумно.

На российский рынок циркуляционные насосы с мокрым ротором поставляет ряд мировых лидеров производства насосного оборудования: DAB, Grundfos, Nocchi (Pentair Water Italy), Smedegaard, Wilo, Wirbel и др.

Комментарий специалиста

Дмитрий Денисенко, региональный руководитель по Москве и МО, компания ООО «Вило Рус»

Надежность насосов с мокрым ротором в системах ГВС

Отличия циркуляционных насосов для ГВС от их аналогов, применяемых в системах отопления, прежде всего определяются свойствами рабочей среды. Вода в системах ГВС не подвергается той водоподготовке, которая проводится для теплоносителя систем отопления, поэтому, как правило, характеризуется большей концентрацией кислорода и солей жесткости. Контактирующие с водой детали циркуляционных насосов для ГВС изготавливаются из материалов, устойчивых к действию кислородной коррозии. Материалом исполнения корпуса таких насосов обычно служит чугун с нанесенным на него катафорезным покрытием, бронза, латунь или легированная сталь с добавками, определяющими указанные свойства. Из легированной стали изготавливают и вал мокрых циркуляционных насосов для ГВС, а материалом для подшипников служит графит, пропитанный синтетической смолой.

В циркуляционных насосах для ГВС с сухим ротором применяется в основном рабочее колесо, изготовленное из бронзы, а также специальные торцевые уплотнения вала, предназначенные для контакта с питьевой водой.

При этом конструкция моделей насосов с сухим ротором, предназначенных для эксплуатации в системах горячего водоснабжения, не отличается от аналогов для систем отопления, а у мокрых циркуляционников должны быть специфические отличия, как, например, в серии Wilo Top-Z. Это касается устройства рабочей камеры данных насосов, частично изолированной от контура ГВС.

В насосе с мокрым ротором, который не имеет в своей конструкции крыльчатки вентилятора, той, что в составе конструкции насоса с сухим ротором охлаждает потоком воздуха мотор, охлаждение мотора происходит следующим образом: перекачиваемая вода поступает из зоны повышенного давления за рабочим колесом в отсек с ротором, омывая изнутри стенку стакана роторной камеры, с другой стороны которой расположены обмотки статора. Сняв таким образом тепло со стенки стакана роторной камеры, вода поступает в отверстие, расположенное на задней части вала и по каналу внутри вала возвращается в зону пониженного давления, перед рабочим колесом. Рабочая камера насоса и камера ротора при этом не изолированы друг от друга, вода постоянно движется из одной в другую.

Рабочая камера насосов Wilo Top-Z разбита на два изолированных отсека – отсек рабочего колеса и отсек ротора. При первичном заполнении системы ГВС водой отсек с рабочим колесом заполняется теплоносителем – водой, которая далее по каналу внутри вала поступает через обратный клапан, расположенный в этом канале, в отсек с ротором. Там она, как и для всех других моделей мокрых циркуляционников, выполняет функцию охлаждения мотора «изнутри», однако несколько иным способом. Поступившая в моторный отсек вода запирается с помощью торцевого уплотнения вала повышенным давлением за рабочим колесом, выйти же обратно через канал внутри вала ей мешает обратный клапан, расположенный там. Запертая в роторном отсеке вода начинает выполнять роль теплопроводника. Теплообмен между водой роторного отсека и водой в системе ГВС осуществляется через запирающую металлическую пластину – этого, а также теплообмена от кожуха мотора в окружающий воздух оказывается достаточно, чтобы не дать мотору перегреться при работе насоса. Если же вода в камере ротора нагревается сверх предусмотренного значения температуры, возросшим от температуры давлением в отсеке ротора отжимается запирающее уплотнение и часть воды сбрасывается в отсек рабочего колеса и далее в трубопровод ГВС. При последующем охлаждении (когда насос не работает) объем рабочего тела воды в роторном отсеке уменьшается, давление там падает и через обратный клапан внутри канала вала необходимая для уравновешивания давлений порция воды поступает из отсека рабочего колеса.

Таким образом, дополнительные элементы в конструкции насосов WILO, предназначенных для систем ГВС (по отношению к конструкции насоса для системы отопления) – торцевое уплотнение вала, обратный клапан внутри вала. Эти элементы служат для запирания воды внутри камеры ротора. Такой принцип охлаждения мотора циркуляционного насоса с мокрым ротором, сохраняя его преимущества, позволяет избежать интенсивного протока воды через роторный отсек и, как следствие, выпадения солей жесткости в пространстве между ротором и стенкой стакана роторной камеры, а также в щели между валом и подшипником скольжения. Именно там это чаще всего происходит в насосах обычной конструкции (для систем отопления), которые пытаются применить в системах ГВС, и служит главным фактором заклинивания вала, перегрева и сгорания мотора.

А. Кочин

Журнал «Промышленные и отопительные котельные и мини-ТЭЦ» №4 (9), 2011

По материалам сайта: http://aqua-therm.ru