Отличный теплообменник для отработанных газов

Когда речь заходит об утилизации тепла выхлопных газов, многие сразу думают о стандартных кожухотрубных конструкциях. Но на практике я сталкивался с десятками случаев, где такой подход приводил к закоксовыванию или коррозии уже через полгода эксплуатации. Особенно в печах с температурой отходящих газов выше 600°C.

Критерии выбора конструкции

В прошлом году мы тестировали три типа теплообменников для дизельной электростанции 2 МВт. Сравнивали спиральные, пластинчатые и ребристые. Последние показали себя интересно - при равной площади теплообмена давали на 15% меньше сопротивления по газу. Но вот с чисткой возникли нюансы...

Ключевой момент, который часто упускают - учет пульсаций давления. В системах с поршневыми компрессорами стандартные расчеты по среднестатистическим параметрам просто не работают. Приходится добавлять запас по толщине стенки, иначе усталостные трещины по сварным швам появляются уже через 3000 моточасов.

Особенно сложно с высокосернистыми газами. Помню проект для нефтеперерабатыющего завода, где пришлось полностью отказаться от углеродистой стали. Даже легированные марки 09Г2С не выдерживали - через 8 месяцев появились сквозные поражения в зоне конденсации. Пришлось переходить на AISI 316L с дополнительным ингибитором.

Особенности монтажа и эксплуатации

В 2022 году на одном из цементных заводов под Казанью наблюдал интересный случай. Смонтировали отличный теплообменник немецкого производства, но при первом же запуске пошли вибрации. Оказалось, проектное бюро не учло термическое расширение при креплении к несущим конструкциям - при нагреве до 450°C возникли напряжения, которые вывели из строя компенсаторы.

Частая ошибка - неправильный подбор уплотнений. Для температур свыше 300°C графитовые прокладки работают плохо, лучше спирально-навитые. Но и тут есть нюанс - при циклических нагрузках они теряют герметичность быстрее, чем указывает производитель. На практике меняем их каждые 2 года вместо заявленных 5 лет.

Сильно выручает установка дополнительных лючков для ревизии. В проекте для ООО Цзянсу СФЭИ Энергия Инжиниринг мы изначально заложили 4 дополнительных ревизионных hatch вместо стандартных двух. Впоследствии это позволило проводить механическую очистку без демонтажа всего узла - экономия 3-4 дня простоя каждый техобслуживание.

Материаловедческие аспекты

С алюминиевыми сплавами в теплообменниках для отработанных газов нужно быть крайне осторожным. При температурах выше 200°C начинается интенсивная ползучесть, особенно в присутствии паров воды. На химическом предприятии в Дзержинске был случай деформации алюминиевых пластин после 6 месяцев работы - пришлось полностью переделывать теплообменный блок.

Для агрессивных сред иногда рассматриваем титан, но его стоимость часто делает проекты нерентабельными. Компромиссный вариант - биметаллические трубы с внутренним слоем из коррозионностойкой стали. Правда, здесь возникает сложность с контролем качества сварных соединений - ультразвуковой контроль не всегда выявляет непровары в зоне перехода разнородных металлов.

Интересный опыт получили при работе с китайскими производителями. Компания ООО Цзянсу СФЭИ Энергия Инжиниринг предлагала вариант с оребренными трубами из стали 12Х18Н10Т - по паспорту все соответствовало, но при детальном анализе выяснилось, что ребра приваривались контактной сваркой с нарушением режимов. В результате термическая деформация при первом же теплосъеме.

Расчетные тонкости

Многие инженеры до сих пор используют упрощенные методики расчета теплообмена, не учитывающие реальный состав газов. Особенно критично содержание водяных паров - при конденсации резко меняется коэффициент теплопередачи. В одном из проектов для котельной это привело к недогреву питательной воды на 40°C относительно проектных значений.

Важный момент - учет загрязнений. Для печей, работающих на твердом топливе, коэффициент загрязнения нужно брать минимум 0.005 м2·К/Вт, а не стандартные 0.001 как часто делают. На практике видел, как из-за этого за полгода производительность теплообменника падала на 25-30%.

При проектировании отличного теплообменника для систем утилизации тепла дымовых газов всегда добавляем запас по площади 10-15%. Особенно для установок с переменным режимом работы - когда нагрузки меняются циклически, неизбежно образование отложений, которые сложно прогнозировать чисто теоретически.

Практические кейсы и решения

На металлургическом комбинате в Череповце столкнулись с интересной проблемой - теплообменник для отходящих газов мартеновской печи постоянно забивался металлической пылью. Стандартные вибрационные очистители не помогали. Решение нашли установкой системы импульсной продувки сжатым воздухом - но пришлось модернизировать конструкцию, усиливая крепления трубных решеток.

Для сушильных установок в целлюлозно-бумажной промышленности часто применяем теплообменники с фторопластовым покрытием. Хотя стоимость выше, но они практически не подвержены адгезии волокнистых материалов. Правда, есть ограничение по температуре - выше 200°C покрытие начинает деградировать.

В сотрудничестве с инженерами ООО Цзянсу СФЭИ Энергия Инжиниринг разрабатывали вариант компактного теплообменника для судовых двигателей. Основная сложность - ограничения по габаритам и необходимость работы при качке. Пришли к спирально-навитой конструкции с дополнительными перегородками - получилось уменьшить размеры на 30% compared со стандартными решениями.

Перспективные разработки

Сейчас тестируем теплообменники с добавлением наноструктурированных покрытий. Предварительные результаты обнадеживают - при тех же размерах удается увеличить теплосъем на 12-15%. Но пока не решен вопрос долговечности таких покрытий в условиях вибрации.

Интересное направление - комбинированные системы, где теплообменник для отработанных газов работает в паре с тепловым насосом. Это позволяет утилизировать низкопотенциальное тепло, которое обычно просто выбрасывается в атмосферу. На пивоваренном заводе в Подмосковье такая система окупилась за 14 месяцев.

Для особо сложных условий рассматриваем модульные конструкции. Когда отдельные секции можно заменять без остановки всего оборудования. В ООО Цзянсу СФЭИ Энергия Инжиниринг как раз разрабатывают такой вариант для химических производств - с быстросъемными соединениями и стандартизированными узлами. Если удастся решить вопросы с герметичностью стыков, это может стать прорывом для ремонтопригодности.