Современные технические решения в проточных системах ГВС
Опубликовано: 19 августа 2010 г.
1824
Ф. Триш
Автор статьи – директор инженерного бюро Thermo Integral GmbH & Co. KG (Лейпциг, Германия).
Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.
Типы и достоинства проточных схем ГВС
ГВС с использованием проточной схемы и пластинчатыми теплообменниками – наиболее эффективный и гигиенический способ приготовления горячей воды. По сравнению с аккумуляторными схемами он имеет существенные преимущества.
Для проточного ГВС применяются параллельная одноступенчатая схема, последовательная и смешанная двухступенчатые схемы.
Параллельная одноступенчатая схема с одним теплообменником, подключённым к подающему трубопроводу тепловой сети параллельно системе отопления (рис. 1), отличается простотой и дешевизной.
Двухступенчатая схема ГВС применяется с целью уменьшения температуры воды в обратном трубопроводе и суммарного расхода воды из тепловой сети. Для этого теплообменная поверхность теплообменника ГВС разделяется на два участка, называемых ступенями. В первой ступени холодная водопроводная вода нагревается водой, выходящей из системы отопления. Затем подогретая в первой ступени теплообменника вода догревается вместе с водой рециркуляции до требуемой температуры (55–60 °C) сетевой водой из подающего трубопровода теплосети.
При последовательной схеме ГВС вторая ступень подключена перед системой отопления к подающему трубопроводу (рис. 2). Сначала горячая сетевая вода проходит вторую ступень ГВС, затем поступает в систему отопления. Таким образом, может оказаться, что температура теплоносителя будет недостаточной для покрытия тепловых потерь здания. Тогда во время отбора большого количества горячей воды в часы пик подключённое к ИТП здание может недостаточно нагреваться. Из-за аккумулирующей способности строительной конструкции это не отражается на комфортности в помещениях, если период недостаточной подачи тепла не превышает примерно 20 мин. Для летнего неотопительного периода имеется отключаемый байпас, по которому сетевая вода после второй ступени поступает в первую ступень ГВС, минуя систему отопления.
Смешанная двухступенчатая схема ГВС отличается тем, что её вторая ступень подключена к подающему трубопроводу тепловой сети параллельно к системе отопления, а первая ступень – последовательно (рис. 3). Сетевая вода, выходящая из второй ступени ГВС, подмешивается к обратной воде из системы отопления и также проходит первую ступень.
Таким образом, комфортность в помещениях здания со смешанной двухступенчатой схемой ГВС не снижается, однако расходуется больше сетевой воды, чем при последовательной схеме ГВС (рис. 4).
* По книге Н.М. Зингера и др. «Повышение эффективности работы тепловых пунктов». М., 1990.
Двухступенчатая схема находит наибольшее распространение в жилых зданиях со значительными по отношению к отоплению нагрузками на ГВС. В зданиях с очень низкими или высокими тепловыми нагрузками ГВС, по сравнению с отоплением (1 < QГВС/QО < 5), по действующим нормам, применяется параллельная одноступенчатая схема ГВС.
В западных странах в последнее время всё чаще задумываются о применении проточного способа ГВС, особенно после признания серьезной опасности заражения легионеллами – бактериями, размножающимися в непроточной тёплой воде. Строгие нормы, уже принятые в европейских странах, предусматривают регулярную термическую дезинфекцию аккумулирующих баков и подключённых к ним трубопроводов горячей воды, включая трубопроводы рециркуляции. Обеззараживание осуществляется подъемом температуры во всей системе на определённое время до 70 °C и выше. Необходимое для этого усложнение аккумуляторных схем особенно выявляет достоинства проточных систем ГВС с пластинчатыми теплообменниками. Они отличаются простотой и компактностью, требуют меньших инвестиций, обеспечивая при этом более низкие температуры обратной и меньшие расходы сетевой воды.
Более низкая температура воды в обратном трубопроводе тепловых сетей снижает тепловые потери и увеличивает КПД выработки электроэнергии на теплоэлектроцентрали. Меньшие расходы сетевой воды требуют меньших диаметров трубопроводов тепловых сетей и меньших расходов электроэнергии на её перекачку.
Варианты регулирования
В настоящее время многие фирмы усиленно работают над автоматическими регуляторами, которые обеспечивали бы комфортную температуру горячей воды с точностью до 1–2 °C и менее того. В аккумуляторных баках равномерность нагрева достигается естественным или искусственным перемешиванием поступающей воды с находящейся в баке.
Для этой цели в проточных системах ГВС, особенно с низким и резко изменяющимся расходом, при регулировании температуры горячей воды требуется учесть, кроме температуры, как вторую величину, расход. Ведущими фирмами-производителями разработаны регуляторы для небольшого – под одного потребителя – расхода, работающие без вспомогательной энергии. Эти регуляторы учитывают и расход, и температуру горячей воды. В отличие от обычных термостатических регуляторов, при отсутствии расхода горячей воды данные устройства вообще могут прекращать подачу греющего теплоносителя, что предохраняет теплообменник ГВС от образования известковых отложений.
В системах проточного ГВС с большим потреблением горячей воды колебания расхода, по сравнению с его общим значением, меньше, и удовлетворяющую точность регулирования температуры можно достичь применением как термостатических, так и электронных регуляторов. Однако в электронных регуляторах необходимо сглаживать кривую регулирования правильным выбором закона регулирования и характеристик самого регулирующего клапана – скорости хода привода регулятора, диаметра клапана Ду, его гидравлического сопротивления kVS – чтобы исключить явления колебания во всем диапазоне его работы. Постоянное открытие и закрытие регулятора с высокой частотой подвергает пластинчатый теплообменник ГВС большим термическим и гидравлическим нагрузкам, что приведёт к его преждевременному выходу из строя из-за возникновения наружных или внутренних неплотностей.
Для предупреждения колебаний при больших разностях расхода горячей воды или при значительных колебаниях температуры греющей воды, например 150–70 °C, целесообразно устанавливать два параллельных регулятора разных диаметров, которые – сами по себе – оптимально обеспечивают определенный диапазон расхода сетевой воды (рис. 5).
Как отмечалось выше, при отсутствии разбора горячей воды, например в системах без рециркуляции или при регулярных отключениях подачи воды, необходимо защитить теплообменник от карбонатных отложений за счет прекращения подачи сетевой воды. При больших расходах этого можно достигать использованием комбинированных регуляторов с двумя датчиками температуры – нагреваемой и греющей воды – на выходах теплообменника (рис. 6). Второй датчик, настроенный, например, на 55 °C, прекращает подачу теплоносителя на теплообменник и в случае, когда датчик температуры горячей воды установлен далеко от теплообменника, и на него не оказывает влияние греющая среда в связи с отсутствием водоразбора. При температуре в теплообменнике 55 °C процесс отложения солей жесткости существенно замедляется.
Чем ближе датчики установлены к среде, параметры которой подвергаются регулированию, тем более качественного регулирования можно достичь. Поэтому датчики температуры желательно устанавливать, по возможности, глубже в соответствующие штуцеры теплообменника. Для этого можно использовать пластинчатые теплообменники со штуцерами с обеих сторон пакета пластин, где в один из штуцеров вставляется датчик температуры, а другой служит для отбора теплоносителя. Тогда датчик омывается теплоносителем еще перед его выходом из теплообменника, и при отсутствии циркуляции теплоносителя датчиком фиксируется температура среды под воздействием теплопроводности и естественной конвекции, что не имело бы места при его установке вне теплообменника.
Двухступенчатые схемы ГВС отличаются тем, что в первой ступени нагрева тепло отбирается от обратной воды системы отопления. В связи с несоответствием тепловых нагрузок отопления и ГВС в зимнем или ночном режиме может оказаться, что горячая вода нагревается выше требуемых 55–60 °C. Например, теплоносителем с температурой 70 °C (расчетная точка) вода ГВС ещё в первой ступени может нагреваться до 67–69 °C. Чтобы исключить при этих температурах перегрев и интенсивные отложения карбонатов, имеется возможность установки регулирующего трёхходового клапана на входе или выходе теплообменника (рис. 7). Его задача, в зависимости от температуры теплоносителя на выходе теплообменника, пропускать греющую воду через теплообменник или мимо него – по байпасу. Датчик трёхходового клапана установлен в обратном трубопроводе. Он одновременно с регулированием температуры греющего теплоносителя косвенно ограничивает температуру горячей воды. При этом отбор тепла из обратного трубопровода не ограничивается, а оптимизируется, повышая надёжность и комфортность ГВС.
В пользу паяного теплообменника
В западных странах в подавляющем большинстве (свыше 90 %) случаев для целей ГВС используют паяные пластинчатые теплообменники. Это связано с относительной дешевизной и удобством обслуживания данных аппаратов.
Как правило, российские и украинские заказчики, имеющие опыт эксплуатации скоростных кожухотрубных теплообменников, часто требующих чисток, предпочитают разборные пластинчатые теплообменники. Однако надо учесть, что эти аппараты оснащаются прокладками из полимерных (резиновых) материалов, которые подвержены старению – растрескиваются, становятся хрупкими. После пяти лет эксплуатации при ремонте разборного пластинчатого теплообменника часто уже невозможно обеспечить его удовлетворительную плотность. А приобретение нового комплекта уплотнений обходится по цене, иногда почти сравнимой с ценой нового теплообменника.
Если уплотнения крепятся к пластинам клеем, то их замена связана с такими работами, как разрушение имеющихся уплотнений в жидком азоте и приклеивание новых. Для их проведения необходимы специальные приспособления и высококвалифицированный персонал. Производители теплообменников предоставляют заказчикам соответствующие услуги, но теплообменник зачастую требуется отправить на специализированное предприятие. Всё это привело к широкому применению в западных странах паяных пластинчатых теплообменников и для целей ГВС.
Отметим: сомнения относительно возможности применения паяных теплообменников в странах постсоветского пространства, связанные с плохим качеством теплоносителя, не обоснованны – жесткая вода встречается во всем мире. Следует лишь правильно отрегулировать ГВС и ограничивать температуру стенок теплообменника, как это описано в предыдущем разделе.
Паяные пластинчатые теплообменники подвергаются химической промывке. Если замечается недостаточные нагрев горячей воды или охлаждение обратной, а химический состав воды отличается повышенным содержанием солей жесткости, необходимо регулярно промывать теплообменник специальными растворами, которые не разрушают ни стенки теплообменника, ни медный припой. Заказчик может провести промывку своими силами: работа эта несложная, промывочные установки и реагенты доступны по цене и быстро окупаются.
При сверхвысоких температурах греющей воды (например, если соблюдается температурный график 150/70 °C), когда не исключено превышение температуры стенки теплообменника выше температуры, при которой происходит интенсивное образование накипи, требуется предварительное снижение температуры теплоносителя перед теплообменником. Для этого имеются два способа – насосная схема впрыскивания или элеваторная схема. В первом случае требуется отдельный датчик для включения насоса, расходуется существенное количество электроэнергии; применяемое оборудование подвержено износу. Элеваторная схема предельно проста, при термостатическом приводе не зависит от электрической сети и более экономична при реализации и эксплуатации (рис. 8). Подключение всасывающего патрубка элеватора к обратному трубопроводу системы отопления дает дополнительный эффект снижения температуры в обратном трубопроводе тепловых сетей.
Точечное решение
Двухступенчатая схема ГВС требует наличия двух теплообменников – для первой и второй ступеней. Выбор теплообменников по мощности, то есть разбиение общей мощности по ступеням, – непростая задача, требующая нескольких итераций при расчетах (их проведение – обязанность поставщика). Отсутствием серийно выпускаемых блоков ГВС с двухступенчатой схемой обусловлены определенные сроки поставки.
Два паяных теплообменника требуется обвязать между собой трубопроводами. Обвязка занимает место и обусловливает существенную часть стоимости двухступенчатого модуля ГВС. Поэтому производители начали выпускать паяные теплообменники с промежуточной разделительной стенкой и шестью штуцерами.
Обвязка тепловых пунктов на их основе упрощается, но проблемы с расчетом и отсутствием серийного производства остаются.
Кроме того, при эксплуатации бывают периоды, когда первая или вторая ступени системы оказываются не загруженными вообще. Так, в летний период достаточно было бы второй ступени, а в расчетной точке отопления – первой.
Автором данной статьи разработано и запатентовано решение для смешанной двухступенчатой схемы ГВС, включающей один серийно выпускаемый паяный пластинчатый теплообменник (рис. 9). Его суть состоит в применении специального штуцера, вставляемого в один из серийных штуцеров. Через этот штуцер подается и обратная вода из системы отопления, и горячая сетевая вода из тепловой сети. Теплообменная поверхность в любом режиме задействована полностью.
Граница между ступенями – плавная. Вторая ступень занимает ровно столько площади, сколько требуется для догрева горячей воды. Остальная поверхность полностью задействована первой ступенью.
Имеющейся серией типоразмеров пластинчатых теплообменников задана градуировка мощности блоков ГВС. В табл. представлен типовой ряд блоков двухступенчатого проточного ГВС с одним паяным пластинчатым теплообменником типа Н55.
Тепловая мощность одной пластины (площадь – 0,14 м2) этого теплообменника составляет примерно 10 кВт в режиме 70/20 °C и 5/55 °C. Специальных расчётов для выбора теплообменников в данном случае не требуется. Такие блоки ГВС изготавливаются серийно, и самые ходовые размеры имеются на складе. Это существенно сокращает сроки поставки.
Статья напечатана в журнале «Аква-Терм» #5(39) 2007