Почему пар конденсируется в межтрубном пространстве, а не в трубках?

Конденсация пара в межтрубном пространстве предпочтительна по нескольким причинам: 1) Конденсат стекает по наружной поверхности трубок вниз под действием гравитации — не блокирует паровое пространство. 2) Объёмный расход пара огромен (1 кг пара при 1 бар занимает 1,67 м³ против 0,001 м³ для воды) — большое сечение межтрубного пространства снижает скорость пара и гидравлическое сопротивление. 3) Вода под высоким давлением находится в трубках — требует толстостенных трубок, а не толстостенного кожуха. 4) Неконденсируемые газы (воздух) скапливаются в верхней точке межтрубного пространства, откуда их легко отвести через воздушник.

Как рассчитывается LMTD при конденсации пара?

При конденсации насыщенного пара температура пара постоянна (T_нас = const) вдоль всего аппарата. Это упрощает расчёт LMTD: ΔT1 = T_нас — T_вых_воды, ΔT2 = T_нас — T_вх_воды. Пример: пар при 1,0 МПа (T_нас = 180 °C), вода 70 → 120 °C. ΔT1 = 180 — 120 = 60 °C, ΔT2 = 180 — 70 = 110 °C. LMTD = (110 — 60) / ln(110/60) = 50 / 0,606 = 82,5 °C. Высокий LMTD и большой K = 1500–3000 Вт/м²·К (при конденсации) обеспечивают компактный теплообменник с небольшой площадью.

Почему коэффициент теплопередачи K при конденсации пара высокий?

K при конденсации пара на поверхности трубки составляет 1500–3000 Вт/м²·К, что в 1,5–2 раза выше, чем для водоводяных теплообменников. Причина: коэффициент теплоотдачи при конденсации плёнки пара α_конд = 5000–15000 Вт/м²·К. Конденсат образует тонкую плёнку на трубках, которая непрерывно стекает, обнажая металл для новой конденсации. Лимитирующее сопротивление — сторона воды в трубках (α = 3000–8000 Вт/м²·К) и стенка трубки. Перегретый пар (зона десуперхиттинга) имеет ниже α_конд и снижает общий K в этой зоне.

Что такое неконденсируемые газы (NCG) и почему они опасны?

Неконденсируемые газы (NCG) — воздух, CO₂, N₂ — не конденсируются в теплообменнике и скапливаются в зонах с наименьшей скоростью пара. NCG создают газовую «шубу» на поверхности трубок, через которую пар не может достичь металла. Даже 1% воздуха по объёму снижает коэффициент теплопередачи K на 30–50%, 5% — на 70–80%. Источники NCG: подсос воздуха через неплотности (при работе в вакууме), деаэрация воды в трубках, растворённые газы в паре. Решение: воздушник (вентиль) в верхней точке межтрубного пространства для периодического или непрерывного отвода NCG.

Чем отличаются зоны десуперхиттинга, конденсации и субохлаждения?

В теплообменнике пар-вода при работе с перегретым паром выделяются три зоны: 1) Зона десуперхиттинга — охлаждение перегретого пара до температуры насыщения. α_пар = 100–500 Вт/м²·К (однофазный газ), K низкий. Занимает 5–15% площади. 2) Зона конденсации — фазовый переход при T = T_нас = const. α_конд = 5000–15000 Вт/м²·К, K = 1500–3000 Вт/м²·К. Занимает 80–90% площади. 3) Зона субохлаждения конденсата — охлаждение конденсата ниже T_нас. α_конд_жидк = 2000–5000 Вт/м²·К. Занимает 5–10% площади. Расчёт ведётся по каждой зоне отдельно или по усреднённому K.

Какой тип КТО выбрать для подогревателя пар-вода: горизонтальный или вертикальный?

Горизонтальный КНГ — наиболее распространённый для паровых подогревателей: конденсат стекает по наружной поверхности трубок вниз и дренируется через нижний штуцер. Хорошая работа при любой нагрузке. Вертикальный КНВ — конденсат стекает плёнкой сверху вниз по трубкам (если пар в межтрубном). Применяется при ограниченной горизонтальной площади. Тип ККГ (конденсатор горизонтальный) — специализированный для конденсации пара с большим объёмом — применяется в схемах с парообразователями и выпарными установками. Выбор горизонтального аппарата проще с точки зрения дренирования конденсата.

Как правильно дренировать конденсат из подогревателя пар-вода?

Конденсат должен непрерывно удаляться из нижней точки межтрубного пространства. Основной элемент — конденсатоотводчик (сифон или термодинамический): автоматически пропускает конденсат и задерживает пар. Если конденсат скапливается в аппарате (затопление конденсатом), он закрывает поверхность трубок — площадь теплообмена уменьшается, эффективность падает. Схема: нижний штуцер → конденсатоотводчик → сборник конденсата → насос конденсата → деаэратор. Уровень конденсата в аппарате иногда регулируют специальным регулятором уровня для создания зоны субохлаждения.

Каков расчёт теплообменника пар-вода для ЦТП?

Пример: ЦТП, пар 1,5 МПа (T_нас = 198 °C), вода 60 → 130 °C, Q = 2000 кВт. Паровая нагрузка: G_пар = Q / r = 2 000 000 / 2 100 000 = 0,95 кг/с = 3,4 т/ч (r — теплота конденсации 2,1 МДж/кг при 1,5 МПа). LMTD: ΔT1 = 198 — 130 = 68 °C, ΔT2 = 198 — 60 = 138 °C. LMTD = (138 — 68) / ln(138/68) = 70 / 0,707 = 99 °C. Площадь: K = 1800 Вт/м²·К. F = 2 000 000 / (1800 × 99) = 11,2 м². Выбирается КНГ-300 с F = 14 м² (запас 25%).

Нормативная база для паровых подогревателей?

Основные документы: ГОСТ 14202-69 — теплообменные аппараты общего назначения (номинальные ряды); ГОСТ 15121-79 — кожухотрубные подогреватели пар-вода, технические условия; ТР ТС 032/2013 — безопасность оборудования под давлением (обязателен для аппаратов P > 0,05 МПа, T > 110 °C); ПБ 10-573 Ростехнадзора — при давлении пара > 0,07 МПа трубопроводы и теплообменники подлежат регистрации; ГОСТ Р 55596 — расчёт кожухотрубных теплообменников методом TEMA.

Кожухотрубный теплообменник пар-вода: подогреватели

1. Принцип работы теплообменника пар-вода

Конденсация пара

Пар конденсируется на охлаждаемой поверхности трубок, отдавая теплоту конденсации (2000–2700 кДж/кг). Фазовый переход пара в жидкость — процесс при постоянной температуре насыщения, что обеспечивает высокий и равномерный тепловой поток по всей площади теплообменника.

Стандартная конфигурация кожухотрубного теплообменника пар-вода:

Пар — в межтрубном (корпусном) пространстве. Большой объём сечения снижает скорость пара и гидравлические потери.
Вода (нагреваемая) — в трубках. Высокое давление воды удерживается прочными трубками, а не толстостенным кожухом.
Конденсат — стекает вниз по наружной поверхности трубок и дренируется через нижний штуцер в конденсатоотводчик.

Теплота конденсации насыщенного пара значительно превышает теплоту, переносимую при нагреве воды:

При 1,0 МПа (T_нас = 180 °C): r = 2015 кДж/кг
При 0,5 МПа (T_нас = 152 °C): r = 2109 кДж/кг
При 0,1 МПа (T_нас = 120 °C): r = 2202 кДж/кг
Для сравнения: нагрев воды от 20 до 80 °C — лишь 251 кДж/кг

💡

1 кг пара при конденсации отдаёт в 8–9 раз больше тепла, чем 1 кг воды при охлаждении на 60 °C. Это делает пар исключительно эффективным теплоносителем и объясняет компактность паровых подогревателей.

2. Три зоны теплообмена при конденсации перегретого пара

Зона 1: Десуперхиттинг

T_пар > T_нас

K = 200–500 Вт/м²·К
Однофазный газ

Площадь: 5–15%

Зона 2: Конденсация

T = T_нас = const

K = 1500–3000 Вт/м²·К
Фазовый переход

Площадь: 80–90%

Зона 3: Субохлаждение

T_конд < T_нас

K = 800–1500 Вт/м²·К
Жидкий конденсат

Площадь: 5–10%

Зона 1 — десуперхиттинг (охлаждение перегретого пара до T_нас): коэффициент теплоотдачи пара как однофазного газа очень низкий (α = 100–500 Вт/м²·К). Занимает небольшую часть площади, но требует учёта в расчёте при перегреве > 50 °C.

Зона 2 — конденсация: основная рабочая зона. Плёночная конденсация на трубках обеспечивает α_конд = 5000–15 000 Вт/м²·К. Лимитирует сторона воды в трубках. Занимает 80–90% площади теплообменника.

Зона 3 — субохлаждение конденсата: конденсат охлаждается ниже T_нас. Применяется, когда конденсат должен быть подан в конденсатопровод без риска вскипания. Требует специальной регулировки уровня конденсата в аппарате.

3. Типы кожухотрубных теплообменников пар-вода

Тип	Конструкция	Преимущества	Применение
КНГ (горизонтальный)	Горизонтальный, неподвижные решётки	Хорошее дренирование конденсата, простота	Промышленные подогреватели, котельные
КНВ (вертикальный)	Вертикальный, неподвижные решётки	Компактность, плёночная конденсация сверху вниз	ИТП с паром, ограниченное пространство
ККГ (конденсатор)	Специализированный горизонтальный	Оптимизирован под большие объёмы пара	Химические производства, выпарные установки
КП (плавающая головка)	Горизонтальный/вертикальный с компенсацией	Компенсация ΔT, разборный	При высоком давлении пара > 1,5 МПа

💡

Коэффициент теплопередачи K = 1500–3000 Вт/м²·К при конденсации пара — это в 1,5–2 раза выше, чем для водоводяных теплообменников (K = 1000–1800 Вт/м²·К). Благодаря этому паровые подогреватели компактнее при той же тепловой нагрузке.

4. Неконденсируемые газы (NCG) — главная проблема паровых подогревателей

Влияние NCG на коэффициент теплопередачи

воздуха снижает K
на 30–50%

воздуха снижает K
на 70–80%

10%

воздуха — почти
полный останов теплообмена

Неконденсируемые газы (воздух, CO₂, N₂) скапливаются в верхней точке межтрубного пространства, создавая газовую «подушку» между паром и поверхностью трубок. Пар не может достичь металла — теплообмен прекращается в этой зоне.

Источники NCG в паровых системах

Подсос воздуха через неплотности трубопроводов, набивки, фланцев
Деаэрация воды в трубках — растворённый кислород выделяется при нагреве
Растворённые газы в котловой воде, попадающие в пар
Углекислый газ CO₂ из разложения бикарбонатов в питательной воде

Отвод NCG

Воздушник (вентиль Ø 15–25 мм) устанавливается в верхней точке межтрубного пространства горизонтального теплообменника или в верхней крышке вертикального. Режимы работы:

Периодический продув — 1–2 раза в сутки при небольших объёмах NCG
Непрерывный малый продув — при постоянном поступлении NCG, скорость продува 0,5–2% от паровой нагрузки

⚠️

Признаки накопления NCG в паровом подогревателе: рост температуры воды на выходе не достигает расчётного значения; увеличение расхода пара при той же тепловой нагрузке; появление «пятен холода» на корпусе теплообменника. Продув воздушника должен немедленно восстановить нормальную работу.

5. Расчёт LMTD при конденсации пара

При конденсации насыщенного пара T_пар = T_нас = const. Расчёт LMTD для чистой конденсации (без зон десуперхиттинга и субохлаждения):

Пример расчёта

Подогреватель ЦТП: пар 1,5 МПа, вода 60→130 °C, Q = 2000 кВт

Давление пара

1,5 МПа

T насыщения

198 °C

Вода: вх. / вых.

60 / 130 °C

K расч.

1800 Вт/м²·К

LMTD

99 °C

Площадь F

11,2 м²

LMTD: ΔT1 = T_нас — T_вых = 198 — 130 = 68 °C; ΔT2 = T_нас — T_вх = 198 — 60 = 138 °C. LMTD = (138 — 68) / ln(138/68) = 70 / 0,707 = 99 °C.

Расход пара: G_пар = Q / r = 2 000 000 / 2 100 000 = 0,95 кг/с = 3,42 т/ч (r при 1,5 МПа = 2100 кДж/кг).

Площадь: F = 2 000 000 / (1800 × 99) = 11,2 м². Выбирается КНГ-300 с F = 14 м² (запас 25%).

Расчёт и подбор парового подогревателя

КТО пар-вода для котельных, ЦТП, ИТП с паровым вводом. Поставка КНГ, КНВ, ККГ.

Рассчитать подогреватель Каталог КНГ/КНВ

6. Применение и нормативная база

Кожухотрубные теплообменники пар-вода применяются:

ЦТП и котельные — основной подогреватель горячей воды для систем отопления и ГВС при паровом источнике тепла
ИТП с паровым вводом — в домах, подключённых к паровым котельным (исторически в старом жилом фонде)
Промышленные подогреватели — нагрев технологической воды, топлива, химических сред
Регенеративные подогреватели ПНД/ПВД на ТЭС — конденсация отборного пара турбины для нагрева питательной воды

Нормативный документ	Область применения
ГОСТ 14202-69	Теплообменники общего назначения — номинальные ряды диаметров, давлений
ГОСТ 15121-79	Кожухотрубные подогреватели пар-вода — технические условия
ТР ТС 032/2013	Безопасность оборудования под давлением (обязателен при P > 0,05 МПа)
ПБ 10-573	Регистрация в Ростехнадзоре при давлении пара > 0,07 МПа
ГОСТ Р 55596	Расчёт кожухотрубных теплообменников по стандарту TEMA

АК

Алексей Корнев

Инженер-теплотехник, S22.ru

Расчёт и подбор паровых подогревателей для промышленных и коммунальных объектов. Проектирование паровых систем теплоснабжения, ЦТП с паровым вводом.

Часто задаваемые вопросы

Конденсация пара в межтрубном пространстве предпочтительна: 1) Конденсат стекает по наружной поверхности трубок под действием гравитации. 2) Объёмный расход пара огромен (1 кг пара при 1 бар = 1,67 м³) — большое сечение межтрубного снижает скорость пара и гидравлическое сопротивление. 3) Вода под высоким давлением находится в трубках — требует толстостенных трубок, а не кожуха. 4) Неконденсируемые газы скапливаются в верхней точке межтрубного, откуда легко отвести через воздушник.

При конденсации насыщенного пара T_нас = const. LMTD = (ΔT1 — ΔT2) / ln(ΔT1/ΔT2), где ΔT1 = T_нас — T_вых_воды, ΔT2 = T_нас — T_вх_воды. Пример: пар 1,0 МПа (T_нас = 180 °C), вода 70 → 120 °C. ΔT1 = 60 °C, ΔT2 = 110 °C. LMTD = 50 / 0,606 = 82,5 °C. Высокий LMTD и большой K = 1500–3000 Вт/м²·К обеспечивают компактный теплообменник.

K при конденсации пара составляет 1500–3000 Вт/м²·К, что в 1,5–2 раза выше, чем для водоводяных теплообменников. Причина: коэффициент теплоотдачи при плёночной конденсации α_конд = 5000–15 000 Вт/м²·К. Лимитирующее сопротивление — сторона воды в трубках (α = 3000–8000 Вт/м²·К) и стенка трубки. Перегретый пар имеет ниже α и снижает общий K в зоне десуперхиттинга.

Неконденсируемые газы (NCG) — воздух, CO₂, N₂ — скапливаются в паровом пространстве и создают газовую «шубу» на поверхности трубок. Даже 1% воздуха снижает K на 30–50%, 5% — на 70–80%. Источники: подсос воздуха через неплотности, деаэрация воды в трубках. Решение: воздушник в верхней точке межтрубного пространства для периодического или непрерывного отвода NCG.

Три зоны: 1) Десуперхиттинг — охлаждение перегретого пара до T_нас, α = 100–500 Вт/м²·К (газ), занимает 5–15% площади. 2) Конденсация — фазовый переход при T_нас = const, α_конд = 5000–15 000 Вт/м²·К, K = 1500–3000 Вт/м²·К, занимает 80–90% площади. 3) Субохлаждение конденсата — охлаждение ниже T_нас, K = 800–1500 Вт/м²·К, занимает 5–10% площади. Расчёт ведётся по каждой зоне отдельно или по усреднённому K.

Горизонтальный КНГ — наиболее распространённый: конденсат хорошо дренируется через нижний штуцер. Вертикальный КНВ применяется при ограниченной горизонтальной площади — конденсат стекает плёнкой по трубкам сверху вниз. ККГ (конденсатор) — специализированный для больших объёмов пара в химических производствах. КП (плавающая головка) — при высоком давлении пара > 1,5 МПа и больших ΔT для компенсации термических расширений.

Конденсат удаляется через нижний штуцер межтрубного пространства через конденсатоотводчик (сифон или термодинамический). Если конденсат скапливается в аппарате, он закрывает поверхность трубок и снижает эффективность. Схема: нижний штуцер → конденсатоотводчик → сборник конденсата → насос конденсата → деаэратор. Уровень конденсата иногда регулируют специальным регулятором для создания зоны субохлаждения.

Пример: ЦТП, пар 1,5 МПа (T_нас = 198 °C), вода 60 → 130 °C, Q = 2000 кВт. G_пар = 2 000 000 / 2 100 000 = 0,95 кг/с = 3,4 т/ч. LMTD: ΔT1 = 198 — 130 = 68 °C, ΔT2 = 198 — 60 = 138 °C. LMTD = 70 / 0,707 = 99 °C. При K = 1800 Вт/м²·К: F = 2 000 000 / (1800 × 99) = 11,2 м². Выбирается КНГ-300 с F = 14 м² (запас 25%).

Основные документы: ГОСТ 14202-69 — теплообменники общего назначения; ГОСТ 15121-79 — кожухотрубные подогреватели пар-вода; ТР ТС 032/2013 — безопасность оборудования под давлением (обязателен при P > 0,05 МПа); ПБ 10-573 Ростехнадзора — при давлении пара > 0,07 МПа трубопроводы и теплообменники подлежат регистрации; ГОСТ Р 55596 — расчёт КТО по методике TEMA.

Да, кожухотрубные паровые подогреватели применяются в ИТП с паровым вводом. Параметры: давление пара 0,1–0,6 МПа, T_нас = 120–160 °C. Теплообменник нагревает воду систем отопления и ГВС. Особенности: требуется конденсатоотводчик, арматура на паровом вводе должна быть рассчитана на гидроудар при конденсации; нужен гидравлический затвор на конденсатопроводе. Норматив — ГОСТ 15121, СП 41-101.