39. Контактные водонагреватели для теплоснабжения и горячего водоснабжения бань

Контактные газовые водонагреватели являются новым прогрессивным оборудованием, которое можно использовать для отопления и горячего водоснабжения жилых домов, бань, душевых и банно-прачечных комбинатов. В настоящее время отечественной промышленностью серийно выпускается контактно-поверхностный водонагреватель типа ФНКВ-1М (рис. 126).

Рис. 126. Контактный водонагреватель типа ФНКВ-1М: 1- горелка; 2 - топка; 3 - водяная рубашка; 4 - горловина; 5 - надтопочный диск; 6 - наездка из стружки; 7 - контактная камера; 8 - корпус; 9 - водораспределитель; 10 - каплеуловитель; 11 - газоход; 12 - форсунка; 13 - гидрозатвор; 14 - взрывной клапан; 15 - засыпка из камней

Аппарат состоит из трех узлов: контактной камеры, водяной рубашки с диском и радиационной топки. Контактная камера представляет собой цилиндр диаметром 1,1 м, высотой 1,45 м. В основании цилиндра на одной горизонтали размещены распылительные форсунки с таким расчетом, чтобы при их работе водяные факелы равномерно заполняли нижний объем контактной камеры. На расстоянии 250 мм выше форсунок размещена решетка, на которой засыпана насадка (из керамических колец Рашига) высотой 350 мм. Внутри слоя насадки уложены водораспределительные коллекторы, орошающие водой контактную камеру. Над основной насадкой имеется дополнительный форсуночный коллектор, орошающий насадку сверху, В верхней зоне контактной камеры размещен влагоуловитель в виде слоя колец Рашига толщиной 100 мм. Сверху контактная камера закрыта съемной крышкой, снабженной взрывопредохранительным клапаном. Продукты сгорания выходят из контактной камеры через два симметрично расположенных окна, объединенных вытяжным патрубком, присоединенным к вытяжному вентилятору. В патрубке установлен шибер для регулирования тяги.

Для очистки и профилактического осмотра форсунок в контактной камере предусмотрены лючки, в откидных крышках которых имеются смотровые окна и рефлекторные лампы, с помощью которых можно наблюдать за работой форсунок при эксплуатации аппарата. Водяная рубашка (с расположенным по центру надтопочным диском) является переходным элементом от контактной камеры к топке. Она предохраняет от перегрева наружную поверхность аппарата, расположенную вокруг выходного отверстия топки. Рубашка снабжена патрубками для подвода и отвода воды. Топка состоит из двух цилиндров диаметром 1200 и 1700 мм. Внутренний цилиндр является жаровой трубой, внутри которой осуществляется сжигание газа. Через стенки жаровой трубы осуществляется передача теплоты, в результате чего вода нагревается до температуры 98 - 99°С. Кольцевое пространство между трубами заполнено нагреваемой водой.

На днище топки находится слой битого шамотного кирпича. Днище охлаждается водой, что позволяет выполнять фундамент без специальной изоляции. Для сжигания газа в водонагревателе предусмотрены 3 горелки среднего давления ИГК-60, каждая из которых установлена под углом к горизонтали. Корпуса горелок размещены в специальных кожухах, охлаждаемых водой. Для розжига аппарата и наблюдения за процессом горения в топке имеются патрубки, закрывающиеся лючками. Верхняя зона радиационной поверхности выполнена в виде усеченного конуса с горловиной, которая футерована огнеупорным кирпичом. Горловина расположена в центре съемного конуса. Съемный конус отделяет потоки воды, нагретые в контактной камере, от воды, нагретой через радиационную поверхность. Под съемным конусом смонтирован водосборник, служащий для равномерного отбора горячей воды в верхнем сечений топки. В топке напротив трех газовых горелок ИГК-60 предусмотрен взрывопредохранительный клапан, который открывается при взрыве газовоздушной смеси в топочном пространстве.

Для удаления из аппарата продуктов сгорания и для создания необходимого разрежения в топке применяется низконапорный вентилятор ЭВР-3, к всасывающему отверстию которого присоединяется дымовой патрубок от контактной камеры. Водонагреватель оборудован автоматикой безопасности, которая отключает подачу газа к горелкам при отклонении от нормы следующих параметров: давления газа, разрежения в топке, давления воды перед аппаратом, а также при погасании пламени в топке.

Сжигание газа в контактно-поверхностном водонагревателе ФНКВ-1М осуществляется на поверхности битого огнеупорного кирпича, положенного на подтопки. При работе горелок битый кирпич нагревается до ярко-красного цвета, при этом создаются благоприятные условия для выгорания всех компонентов газообразного топлива, а также для развитого лучистого теплообмена между реакционной зоной и радиационной поверхностью нагрева. Высокотемпературные продукты сгорания газа, отдав примерно 50 - 55% своей теплоты поверхности нагрева топки, поступают с температурой 950 - 1000°С в контактную камеру. В этой зоне в поток газов вбрызгиваются из форсунок мелкие капли воды. Продукты сгорания, охлажденные примерно до 300 - 350°С, входят в насадочную часть контактной камеры, где продолжают интенсивно охлаждаться, выделяя скрытую теплоту конденсации водяных паров. Пройдя влагоуловитель, который задерживает капельную влагу, продукты сгорания выбрасываются в атмосферу. Температура выходящих из контактной камеры дымовых газов зависит от режима работы водонагревателя, если он установлен в системе горячего водоснабжения, то эта температура будет равна 35 - 40°С, если в системе отопления - 45 - 73°С.

Вода в контактной камере нагревается до 65 - 80°С (колебание температуры зависит от режима работы водонагревателя), а затем сливается на надтопочный диск, из которого переливается на верхний съемный конус. Отсюда нагретая вода направляется по четырем внутренним каналам в верхнюю зону топки, где, соприкасаясь с цилиндрической радиационной поверхностью, нагревается до температуры 98 - 99°С, Из топки вода, проходя через гидрозатвор, сливается самотеком в сборный бак, откуда центробежным насосом подается к потребителю.

Контактные водонагреватели имеют ряд особенностей по сравнению с обычными водогрейными котлами.

Они используют скрытую теплоту конденсации водяных паров, содержащуюся в продуктах сгорания, так как при работе контактных водонагревателей уходящие газы охлаждаются ниже точки росы;

контактные водонагреватели не подлежат регистрации в местных органах Госгортехнадзора, так как внутри их не создается избыточное давление;

в контактных аппаратах происходит естественная деаэрация нагреваемой воды (сначала в контактной камере, а затем в топке, имеющей радиационную поверхность нагрева);

в них возможно нагревать жесткие и даже артезианские воды без предварительного умягчения;

они могут самоочищаться от накипи, при омывании радиационной поверхности топки (покрытой солями временной жесткости) водой, содержащей большое количество агрессивной углекислоты;

контактные аппараты взрывобезопасны при эксплуатации;

они имеют малую металлоемкость:

внутри их происходит разрыв гидравлического контура системы отопления или горячего водоснабжения;

газовые контактные водонагреватели широко применяются на практике: в текстильной, легкой, деревообрабатывающей промышленности; на предприятиях среднего машиностроения; в жилищно-коммунальном хозяйстве; в сельском хозяйстве и т. д.

В табл. 19 приведены результаты экспериментальных исследований промышленного контактного водонагревателя ФНКВ-1М.

Таблица 19. Результаты экспериментальных исследований контактного водонагревателя ФНКВ-1М

Испытания показали, что КПД аппарата практически не зависит от тепловой нагрузки, а главным образом определяется температурой питательной воды. Например, при ее величине равной 5 - 20°С (что соответствует работе аппарата в зимнем и летнем режимах горячего водоснабжения) КПД, подсчитанный по высшей теплоте сгорания топлива, достигает предельно высоких значений - 96 - 97% и держится стабильным в течение всего периода эксплуатации аппарата. Иное положение имеет место при использовании ФНКВ-1М в системах водяного отопления. Как известно, при работе отопительных систем температура воды на выходе отопительных приборов" поступающей в обратную трубу, изменяется в течение сезона. С ее изменением (как это видно из данных табл. 19) КПД контактного водонагревателя также меняется, причем с ее ростом КПД снижается. Например, при минимальной температуре питательной воды, равной 35°С, величина КПД составляет 92%, а при 70°С (в режиме максимальных нагрузок) - КПД снижается до 69%. В связи с такими особенностями работы отопительных систем возникает вопрос о том, какова величина среднегодового КПД контактного водонагревателя при использовании его только для целей отопления.

Величина среднегодового КПД контактного водонагревателя ФНКВ-Ш может быть определена по данным экспериментальных исследований, приведенных в табл. 19, с учетом определенной продолжительности нагрузок на систему отопления по следующей формуле:

где n₁, n_z,...., n_m - продолжительность отдельных нагрузок, ч; η₁, η₂,...., m - величины КПД аппарата при соответствующих нагрузках, %;

Используя климатологические данные (о продолжительности температур наружного воздуха) для средней полосы РСФСР, а также соответствующие значения КПД, получим

Таким образом, в зависимости от способа использования контактных аппаратов их среднегодовой КПД изменяется в пределах от 87 до 96%, считая по высшей теплоте сгорания. Эти значения на 15 - 20% выше, чем у лучших чугунных и стальных водогрейных котлов.

Наиболее существенной особенностью контактных аппаратов (по сравнению с обычными котлами) является то, что нагреваемая в них вода непосредственно контактирует с продуктами сгорания. В результате вода может либо поглощать или, наоборот, выделять некоторое количество газообразных компонентов в газовую среду и за счет этого изменять в известной степени свои физико-химические свойства. Характер этих изменений зависит от показателей качества используемой воды. Иными словами, при различном качестве исходной воды различным будет и эффект, достигаемый в результате контакта воды с продуктами сгорания.

Различные исследования и данные многолетних наблюдений за аппаратами ФНКВ-1М, эксплуатирующимися в 35 городах страны, позволили установить основные физико-химические показатели качества исходной воды, определяющие выбор той или иной схемы котельной с этими аппаратами.

Наиболее существенными показателями качества воды являются: жесткость (в основном карбонатная), величина индекса насыщения J=рН - pH_s, содержание хлоридов и сульфатов. Подробный анализ влияния этих факторов выходит за рамки настоящего издания, -поэтому ниже даются лишь краткие выводы из теоретического анализа.

1. Величина жесткости характеризует возможность образования накипи водой. Известно, что заметный распад солей временной (карбонатной) жесткости, содержащихся практически в любой природной воде, и их кристаллизация на поверхностях нагрева начинается при температурах 60 - 70°С и заметно интенсифицируется при дальнейшем повышении температуры. Учитывая, что вода в контактных аппаратах может нагреваться до температур, близких к 100°С, при значительной жесткости исходной воды из нее может выпадать заметное количество карбонатной накипи и откладываться на поверхностях нагрева, а также в коммуникациях водяного тракта.

2. Индекс насыщения J является показателем коррозионной активности воды. При рН>рН^*₈J>0 (положительный индекс насыщения) вода обычно не обладает коррозионными свойствами, при рН<рН^*₈, J<0 отрицательный индекс насыщения) вода приобретает кислотные свойства, что, как известно, благоприятствует развитию коррозионных процессов. Жесткие воды (с карбонатной жесткостью свыше 2,5 - 3 мг/л) обычно характеризуются положительным индексом насыщения и не имеют коррозионно-агрессивных свойств или обладают ими в небольшой степени. Мягкие воды часто имеют отрицательный индекс насыщения и обладают коррозионными свойствами.

3. Многочисленными исследованиями доказано, что на интенсивность коррозионных процессов существенное влияние оказывают содержащиеся в воде хлориды и сульфаты. Эти соединения обладают свойством устранять пассивирующую пленку окислов, образующихся на поверхности металла в результате коррозии, и тем самым способствуют процессу окисления. Поскольку действие хлоридов и сульфатов на окисные пленки одинаково, принято для характеристики качества вод использовать суммарное содержание хлоридов и сульфатов. Суммарное содержание в воде 50 мг/л хлоридов и сульфатов принято считать условной границей, отделяющей воды с небольшим (т. е. менее 50 мг/л) и повышенным (более 50 мг/л) их содержанием. Содержание в воде более 50 мг/л хлоридов и сульфатов свидетельствует о повышенных коррозионных свойствах воды.

Рассмотрим принципиальные схемы котельных с аппаратами ФНКВ-IM для горячего водоснабжения.

Имеющийся опыт многолетней эксплуатации более 150 котельных с аппаратами ФНКВ-1М показал, что наиболее простыми и эффективными являются открытые схемы горячего водоснабжения с непосредственным водоразбором нагретой в аппаратах воды. При этом в зависимости от качества исходной воды на практике целесообразно использовать две схемы (рис. 127).

Рис. 127. Схемы котельных с контактными водонагревателями ФНКВ - 1М для горячего водоснабжения: а - с использованием воды средней и повышенной жесткости: 1 - аппарат ФНКВ - 1М; 2 - сборный бак; 3 - бакаккумулятор; 4 - насосы; 5 - трубопровод для подачи сырой воды; б - с использованием мягкой воды: 1 - аппарат ФНКВ - 1М; 2 - сборный бак; 3 - бак-аккумулятор; 4 - насосы; 5 - трубопровод Подачи сырой воды; 6 - теплообменник

Для вод средней и повышенной жесткости с положительным индексом насыщения и суммарным содержанием хлоридов и сульфатов менее 50 мг/л целесообразно применять схему, показанную на рис. 127, а. Здесь холодная вода нагревается в аппарате ФНКВ-Ш до температуры 60 - 75°С, т. е. значительно ниже температуры кипения. При этом остающаяся в нагретой воде углекислота СО₂ связывает соли карбонатной жесткости. Количество остающейся в воде углекислоты зависит от температуры нагрева воды в аппарате, рекомендуемые значения которой (°С) в зависимости от карбонатной жесткости воды (мг/л) следующие:

При нагреве воды, направляемой в систему горячего водоснабжения, до этих рекомендуемых температур в трубопроводах не будет происходить ни выпадения накипи, ни процессов коррозии.

Для мягких вод, имеющих отрицательный индекс насыщения и содержание в них хлоридов и сульфатов менее 50 мг/л, следует применять схему, показанную на рис. 127, б. Здесь вода в аппарате нагревается до кипения, эффективно деаэрируется, благодаря чему предупреждается коррозия трубопроводов горячего водоснабжения.

Следует отметить, что указанные схемы успешно применяются для горячего водоснабжения многих бань.

Для мягких вод с отрицательным индексом насыщения и при содержании в них хлоридов и сульфатов более 50 мг/л следует использовать закрытую схему приготовления нагретой воды.

Обследование показало, что контактные аппараты ФНКВ-1М на практике используются одновременно и для горячего водоснабжения и для отопления помещений бань. Наиболее целесообразная схема котельной для этого случая приведена на рис. 128. Работа котельной по этой схеме осуществляется следующим образом: поток воды, поступающей из обратной трубы теплосети, внутри котельной раздваивается: одна часть его направляется по перемычке на всасывание циркуляционного насоса, а другая часть - в подогреватель 1-й ступени горячего водоснабжения и после охлаждения в нем подается - в оросительные коллекторы аппарата. Здесь вода при всех режимах нагревается до температуры 97 - 98°С, затем стекает в общий сборный бак, откуда насосом направляется в подающий трубопровод теплосети. Здесь за счет смешения горячей и обратной воды получают воду с определенной температурой (в соответствии с отопительным графиком).

Рис. 128. Схема котельной с аппаратом ФНКВ-1М для теплоснабжения сельских бань: 1 - водонагреватель ФНКВ - 1М; 2 - промежуточная емкость; 3 - система отопления; 4 - бак горячей воды

Часть горячей воды до поступления ее в отопительную теплосеть отделяется и направляется в подогреватель 2-й ступени горячего водоснабжения, где нагревает воду до 60 - 65°С. Затем охлажденная вода смешивается с обратной водой теплосети и общий поток следует в подогреватель 1-й ступени горячего водоснабжения. Здесь сетевая вода охлаждается за счет теплообмена в среднем до 35 - 40°С, после чего направляется для подогрева в аппарат ФНКВ. Холодная вода из водопровода прокачивается последовательно через 1-ю и 2-ю ступени подогревателя горячего водоснабжения, в которых нагревается до 60 - 65°С и сливается в бак-аккумулятор, из которого насосом системы горячего водоснабжения направляется в теплосеть. Для подпитки теплосети используется водопроводная вода, нагретая в теплообменниках горячего водоснабжения до температуры 60 - 65°С.

При работе в максимальном режиме отопления большая часть нагрузки горячего водоснабжения может быть обеспечена за счет отбора теплоты у обратной воды в 1-й ступени нагрева и обеспечения максимального расхода горячей воды на 2-ю ступень системы горячего водоснабжения.

В 1978 г. проводились обследования работы 50 действующих котельных с контактными водонагревателями ФНКВ-Ш. Почти все обследованные котельные работали на сырой воде без химводоочистки, котельные размещались в одноэтажных зданиях. Для большинства котельных характерна блочная компоновка основного и вспомогательного оборудования: каждый аппарат имеет отдельный бак для горячей воды и индивидуальный вытяжной вентилятор. При большом числе установленных аппаратов практиковалось групповое подключение аппаратов к одному баку горячей воды и одному вентилятору. Как правило, аппараты ФНКВ-Ш оснащаются автоматикой безопасности, выключающей горелки при отклонении от нормы давления газа перед горелками или величины разрежения в топке, а также в случае погасания пламени.

Для контроля параметров работы котельной в комплексе с аппаратами ФНКВ заводом поставляются щиты контрольно-измерительных приборов (КИП).

Данные обследования подтвердили, что наиболее значительное влияние на состояние эксплуатации оказывают физико-химический состав исходной воды и температура ее нагрева. При работе на жестких водах в проточной части аппаратов происходило выпадение солей жесткости (в виде рыхлого шлама) или неплотных отложений на радиационных поверхностях топки). Наибольшее количество солей выпадало в верхней зоне водяной рубашки топки, где максимальная температура воды, но шлам выпадал и в сборном баке. Для очистки от шлама аппараты ФНКВ-1М снабжены тремя лючками. В отдельных случаях при усиленном выпадении накипи применялась промывка водяной рубашки раствором соды или соляной кислоты: в нее заливали подогретый раствор и при работающей на слабом огне горелке выдерживали аппарат в течение 1 - 2 суток.

Во многих случаях ремонтные работы ограничивались указанными операциями. При капитальном ремонте снималась контактная камера, производилась ревизия надтопочного диска, конуса и других элементов. При работе аппаратов на системы отопления подпитка их сырой водой и отложения накипи в них были относительно невелики. При использовании мягких вод наблюдалась коррозия трубопроводов. Такие явления наблюдались в тех котельных, в которых температура нагрева воды в аппаратах неоправданно снижается, из-за чего содержание СО₂ и О₂ в сетевой воде увеличивается и вода приобретает коррозионные свойства. Для предупреждения таких явлений следует выдерживать необходимые температурные режимы нагрева воды в аппаратах.

В большинстве котельных отвод дымовых газов из аппаратов производился через индивидуальные металлические дымовые патрубки. В некоторых случаях газоходы от нескольких водонагревателей объединялись в общие дымовые трубы. Кирпичные трубы не применялись, так как при их увлажнении возможно вымывание связующего раствора к разрушение кладки.

В период с 1965 по 1979 гг. Елецким энергомеханическим заводом было изготовлено более 850 аппаратов ФНКВ-1М, причем за весь период их эксплуатации не поступило ни одной рекламации на неудовлетворительную работу. Реальная экономия затрат за отопительный сезон от внедрения одного аппарата ФНКВ-1М составила более 2300 р. Ежегодный экономический эффект от внедрения в эксплуатацию водонагревателей в настоящее время составляет 1,9 млн. р. С целью оказания научно-технической помощи проектным и эксплуатационным организациям Всесоюзным заочным политехническим институтом в настоящее время разработаны "Рекомендации по проектированию котельных с контактными водонагревателями".