ЗИМНЯЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ ВОДЯНЫХ НАГРЕВАТЕЛЕЙ ВОЗДУХА В СИСТЕМАХ ВЕНТИЛЯЦИИ
Разрушение калорифера льдом и водой
Разрушение элементов калорифера может происходить двумя способами: первый и самый очевидный - прямой разрыв трубок, коллекторов или коллекторных крышек льдом при замерзании воды, второй способ менее очевидный - это разрушение элементов калорифера давлением воды, вытесняемой льдом из уже замерзших участков калорифера. Разрушение калорифера во втором случае происходит не сразу, а после достижения определенного давления воды, вытесненной льдом. В результате могут происходить удивительные вещи – «прихватило» только нижнюю часть калорифера, а разрывы калачей видны вверху: просто там они оказались тоньше. Как говорится, где тонко - там и рвется.
Давление воды при разрушении составляет 50-200 Атм, причем меньшее давление для стали, а большее - для медных трубок. В стандартах на медные трубки для климатического оборудования CUPROCLIMA давление разрушения трубок, даже для самых тонких трубок 0,35-0,4 мм, составляет не менее 80-100 Атм. Для трубок 12,0 мм со стенкой 0,5 мм давление разрушения уже более 150 Атм. Разрушения калачей (показаны на фото) вызваны именно таким способом.
Второй способ «разморозки» намного безопаснее первого, так как сами трубки сохраняются, а разорванные калачи легко доступны и подлежат ремонту.
Важно отметить, что разные типы калориферов склонны размораживаться преимущественно по одному из указанных способов, хотя есть случаи, когда реализуются одновременно оба способа.
Калориферы со стальными и медными трубками
В вентиляционном оборудовании используются две принципиально отличные конструкции калориферов, известные еще со времен бывшего СССР: - КсК - со стальными ВНВ-113, реже - с нержавеющими ВНВ-123, совсем редко - с ВНВ-143 с медными трубками;
- наиболее современные и популярные в наше время медно-алюминиевые ВНВ-243 импортного и отечественного производства.
В калориферах ВНВ-243 всегда используются медные трубки и имеется возможность свободного выбора шага оребрения +/-0,1 мм. В старых нагревателях ВНВ-113, наоборот, не имеется возможности свободно определять шаг оребрения из-за конструкции трубок с накатным оребрением.
Индексация ВНВ-XYZ установлена ГОСТом и не привязана к какой-то конкретной фирме-производителю, параметр Х - тип конструкции (1 - спирально оребренные трубы, 2 - пакет пластин на пучке труб), параметры Y и Z - материалы трубок и пластин, Y = 4 – медь, Z = 3 - алюминий.
Различия между старой конструкцией ВНВ-113 и новой ВНВ-243 имеются в тепловой инертности, способе распределения теплоносителя и вариантности набора конструктивных решений, обеспечивающего минимальный запас поверхности нагрева. Конструкции ВНВ-243 склонны размораживаться по второму способу, ВНВ-113 - преимущественно по первому. Причина такой склонности связана с меньшими относительными объемами и большей упругостью трубок у ВНВ-243.
Тепловая инерционность
Конструкция всех калориферов основана на стальных или медных трубках с толщиной стенок от 0,25 до 2,0 мм и алюминиевом оребрении толщиной от 0,1 до 0,5 мм. Даже без учета разной плотности стали и меди получается, что при равной тепловой отдаче масса калорифера может отличаться в 4-8 раз. Данный параметр никогда не учитывается при разработке систем управления и защиты, однако именно высокая тепловая инертность старых КсК типа 113 и 123 позволяет безболезненно применять очень грубые способы регулирования теплоносителя типа «дядя Ваня подкрутит вручную» или с помощью клапана прямого действия по температуре воздуха или жидкости на выходе системы прямого действия. Указанные способы применяются на сверхинертных системах типа обычного водяного отопления, но категорически не применимы для прямоточной вентиляции, особенно построенной на изделиях типа ВНВ-243.
Для обеспечения надежности необходима дополнительная тепловая инерция, которую при желании можно увеличить в несколько раз. Как? Выбором сечения и длины трубопроводов циркуляционного кольца принудительного подмеса, которые определяют массу дополнительного инертного аккумулятора тепла. Более протяженный контур с переразмеренным сечением трубы дает дополнительный выигрыш +30-300%.
Пример: калорифер массой 17 кг и объемом 4,0 литра ВНВ243-078-050-02-2,5-04 рассчитан для нагрева воздуха с производительностью 5000 м3/час. Время остывания от +90 до 0oС при температуре потока воздуха –30оС составляет 60-80 секунд. Однако емкость контура обвязки сечением Ду=32 мм (0,8 литра/метр) составляет примерно 8 литров, масса трубопровода вместе с арматурой и насосом - не менее 50 кг. Итого: увеличение времени остывания составит 2,5-3 раза. Для системы управления данный выигрыш времени означает спокойный выход в стояночный режим или возможность корректировки параметров теплоносителя. Быстродействие большинства исполнительных устройств сервоприводов - это 10-100 секунд (не ракетой же они управляют), вот почему важно учитывать тепловую инерционность
Точность подбора
Данный фактор влияет на «разморозку» сильнее всего. Калориферы в принципе достаточно «жесткие» объекты управления и плохо поддаются значительному изменению характеристик для решения конкретной задачи. При наличии узкого выбора конструкций приходится, наоборот, «подгонять» задачу под калорифер, то есть уменьшать или увеличивать расход или температуру воздуха в системе. Главное заблуждение здесь состоит в допустимости выбора калорифера с запасом производительности 10-20%. Данное правило использовалось в СССР только от безысходности: не было ничего, кроме 20 вариантов на весь диапазон производительности от 1000 до 30 000 м3/час и на все виды тепловых режимов. С приходом технологии ВНВ-243 стандартный подбор идет с шагом до 5%, а при необходимости - до 2%. Главная опасность выбора с большим запасом состоит в неустойчивом регулировании калорифера при малых нагрузках –5-1oС. Происходящий перегрев воздуха заставляет понижать температуру теплоносителя в обратке практически до +0oС со всеми вытекающими последствиями.
Запас мощности, столь желаемый проектантами, может быть реализован не в квадратных метрах поверхности, а в большей пропускной способности гидравлики с одновременной линейной зависимостью тепловой отдачи от расхода. Не секрет, что увеличение в 2 раза расхода теплоносителя на обычной батарее отопления не ведет к увеличению в 2 раза тепловой отдачи, но для калориферов такой подбор возможен. Благодаря такому запасу при равной поверхности меняется коэффициент теплопередачи за счет роста скорости жидкости, то есть увеличения расхода. Данный способ проектирования возможен только при моделировании задачи в стандартной программе расчета. К сожалению, для использования подобных методов конструкции ВНВ-113 не приспособлены в отличие от ВНВ-243.
Способ управления
Основные способы управления хорошо известны, но аргументы при их выборе не всегда разумны с точки зрения «разморозки».
2-ходовый клапан для незначительной регулировки расхода - самый дешевый и самый ненадежный способ управления. Главный недостаток - риск полной остановки теплоносителя в трубках, после чего только чудо и тепловая инерционность спасают калорифер.
3-ходовый клапан уже лучше, так как применяется обычно только в замкнутых системах с очень четким регулированием, однако риск полной остановки теплоносителя сохраняется. При использовании данного способа нужно четко понимать, что контроль обратной температуры теплоносителя уже невозможен, и при остановке необходимо принудительно открывать клапан.
Комбинации 2- и 3-ходовых клапанов с насосами подмеса - практически идеальные схемы, наиболее полно защищающие калорифер. В идеале насосы должны быть со ступенчатыми или плавными регуляторами скорости. Переход на более высокую скорость позволяет поднять незначительно мощность калорифера при одинаковой температуре теплоносителя.
Управление с обводным каналом - самая редкая и самая простая схема. Полное отсутствие насоса и клапана для воды резко снижают риск выхода их из строя и удешевляют саму обвязку. Регулирование за счет изменения протока воздуха через калорифер имеет достаточную точность. Недостаток также есть - это возможный перегрев воздуха при недостаточном сечении обводного клапана и невозможность применения в условиях строгого графика обратной воды.
Сливаемость
О том, что означает это слово, обычно узнают уже после «разморозки», а смысл прост - вода должна без проблем и ухищрений сливаться из калорифера за малое время, например 60 секунд при открытии сливного крана и «воздушника». Наличие самих кранов для слива и спуска не обсуждается, но этого мало: конструкция может иметь мертвые петли, в которых теплоноситель остается как в ловушке. Вариант «перевернуть и потрясти» невозможен. Продувка сжатым воздухом, заливка незамерзающих жидкостей на время остановки, особенно для охладителей, - вот на что приходится идти. Решение здесь только одно – строгое требование к поставщику и проверка при получении полной сливаемости конструкции. Важно, что большинство калориферов стандартно рассчитаны для работы в вертикальном положении и не сливаемы в горизонтальном положении. Для горизонтальной ориентации калориферы изготавливаются абсолютно в другом виде.
Неравномерная скорость воздуха по фронту
Данная проблема скорее исключение из правил, но, к сожалению, очень трудно исправляется. Простейший пример: вентилятор дует в калорифер, есть «пятно» с высокой тепловой нагрузкой и края, где нет потока, - такой нагреватель «не жилец». Другой пример – наоборот, сильное загрязнение фильтров в одной части и свободный проход воздуха в другой части фронта фильтрсекции. Аналогичная проблема характерна для смесительных секций, где смешиваются потоки уличного и рециркуляционного воздуха: полного смешения на протяжении 50-100 см достичь невозможно. Для устранения данного фактора необходимо, чтобы поток воздуха по всему фронту калорифера был равномерный как по скорости, так и по температуре. Очень простой и удобный способ диагностики данной проблемы, как и закупорки трубок - использование ИК-пирометра, мгновенно показывающего температуру воздушного фронта калорифера на действующей установке. Однако тут тоже есть проблема: как «заглянуть» внутрь действующей установки?
Закупорка прохода трубок
Кроме механического фильтра, улавливающего частицы загрязнений в теплоносителе, обычно ничего другого не используют, а напрасно. Во-первых, сами фильтры бывают разные - грубые и тонкие, во-вторых, их зачастую ставят уже после калорифера, защищая только клапан и насос. Первая проблема - коррозия поверхности трубок с зарастанием сечения, для калориферов 113 - это просто бич, поэтому ресурс у них только 3 года, у медных трубок качества М1 коррозии нет даже через 20 лет. Вторая проблема - ил, который не отфильтровывает ни один механический фильтр, он за 2-3 года собирается в нижней части любого крупного калорифера как в отстойнике. В данном случае решение только одно - регулярная промывка, можно гидравлическим ударом. Третья проблема - малое сечение самих трубок, которое составляет от 10 до 20 мм. Логично предположить, что риск застревания кусочка окалины в трубке диаметром 10 мм много выше, чем в трубе диаметром 15 мм, однако при заказе оборудования это никогда не учитывается. Последний и самый главный фактор - для самоочистки чем скорость теплоносителя выше, тем лучше: у ВНВ-113 скорость только 0,3-0,5 м/сек, а у ВНВ-243 - это 0,8-2,0 м/сек.
Стояночный режим
Основная доля «разморозок» происходит во время остановки системы. Полной герметичности воздушных клапанов уличного воздуха обычно не бывает, исключение составляют только специальные клапаны. Остывание внутреннего объема установки вместе с калорифером, особенно при низких ночных температурах, происходит в течение 1-2 часов. Обязательным условием при остывании калорифера во время стоянки становится его постоянный или периодический прогрев. При наличии требований к ограничению температуры обратного теплоносителя, а также при расположении чувствительных к высокой температуре элементов приточной установки близко к калориферу постоянная непрерывная подача теплоносителя невозможна. Решений проблемы несколько, в том числе электронагрев нижней зоны калорифера, принудительное открытие секций перед нагревателем для прогрева воздухом из помещения и использование периодического прогрева. Схема управления прогревом проста: необходимо открывать подачу теплоносителя автоматически до повышения температуры обратного теплоносителя или воздуха рядом с калорифером до заданного значения, после чего подача прекращается.
Человеческий фактор
Список перечисленных выше факторов не является полным. Любая из указанных проблем может быть снята на стадии монтажа и обслуживания при условии высокой квалификации персонала. К большому сожалению, просчеты, забывчивость и недостаточная квалификация способны привести изначально работоспособную систему в полную негодность. Элементарные понятия о факторах, влияющих на «разморозку», должны быть известны персоналу как азбука.
Абсолютное решение
После прочтения вышеприведенных тезисов может сложиться мнение, что с вероятностью 100% «разморозка» может случиться в любой системе. Необходимо соответственно на 100% надежное решение. Такие решения в принципе известны: прямой электронагрев воздуха ТЭНами - небезопасный вариант по пожаро- и взрывоопасности, также ТЭНы имеют низкий ресурс. Резерв по подводимой мощности электроэнергии обычно сильно ограничен и не может быть принципиально увеличен из-за лимита на нагрузки, также существует определенный запрет на использование электроэнергии на нужды отопления. Использование незамерзающего теплоносителя типа этиленгликоль или менее ядовитого пропилен-гликоля, также является таким абсолютным решением, однако с очень высокой стоимостью и постоянным риском утечки самого теплоносителя, иногда из-за человеческого фактора. Также применяется принудительное повышение температуры воздуха до +0оС за счет его рециркуляции до 50%, однако данное решение ведет к увеличению расхода вентилятора и не применимо для больших установок и для систем, смонтированных на улице.
АБСОЛЮТНО новое решение для проблемы «разморозки» реализовано на заводе «Веза» и после испытаний в течение 2 лет в специальной лаборатории запатентовано в Роспатенте как изделие НТО-243 по заявке 2004115321/06(016625).
Неразмораживаемый ТеплоОбменник НТО-243 - это модификация стандартного ВНВ-243, в которой реализован механизм ликвидации второго способа «разморозки». Аналогично стандартным калориферам, НТО-243 может быть «прихвачен» морозом и даже полностью превратиться в кусок льда, однако без разрыва трубок. Все избыточное давление воды, возникающее при появлении льда, отводится специальной системой в основную магистраль, к которой присоединен калорифер. Объем воды, который должен быть удален из калорифера, спокойно переходит во внешнюю гидравлическую систему. Аналогичное решение используется в испарителях холодильных машин «Альфа-Лаваль», где есть риск взрыва теплообменника. После оттаивания НТО-243 восстанавливает свои характеристики и продолжает работать как будто ничего и не было. Ограничения по числу циклов заморозки - оттаивания нет, но злоупотреблять специально не стоит. Серийное производство НТО-243 невозможно из-за сложности конструкции, однако до 100 заказов в месяц завод «Веза» выполнить может. В данное время поставка НТО-243 заказчикам предусмотрена для комплектации «северных кондиционеров» КЦКП-С.
Главная 
