Пластинчатый теплообменник: принцип действия, схема и особенности работы аппарата

Особенности конструкции

Основное назначение пластикового теплообменника любого типа — превратить нагретую жидкость в охлаждаемую. Конструкция пластинчатого теплообменника имеет откидные детали, а устройство состоит из следующих элементов:

• набор посуды;
• подвижная и неподвижная плита;
• круглые верхние и нижние направляющие;
• крепеж, соединяющий плиты в общий каркас.

Размеры рамок у разных товаров могут существенно различаться. Они будут зависеть от теплоотдачи и мощности ТЭНа: при большом количестве пластин увеличивается производительность оборудования, ну и, конечно же, увеличивается вес и габариты.

На теплообменнике можно регулировать мощность — увеличивать или уменьшать

Преимущества пластинчатых устройств:

• незначительные производственные и инвестиционные затраты;
• высокоэффективная передача тепла;
• маленький размер;
• эффект самоочистки с высоким турбулентным потоком;
• возможность повысить КПД за счет добавления пластин;
• высокая степень надежности;
• легкость стирки;
• небольшая масса;
• простота установки;
• минимальное загрязнение поверхности;
• невозможность смешивания жидкостей из-за особой конфигурации прокладки;
• высокая коррозионная стойкость;
• минимальная поверхность теплообмена благодаря высокой эффективности;
• незначительные перепады давления за счет оптимального выбора плит с разным типом профиля;
• эффективный контроль температуры благодаря небольшому объему теплоносителя.

Из этого видео вы узнаете, как образуется горячая вода благодаря теплообменнику:

Устройство пластин

Конструкция и принцип работы пластинчатого теплообменника будут зависеть от модификации оборудования, которое может содержать разное количество пластин с фиксированными прокладками. Эти уплотнения закрывают каналы скользящим теплоносителем. Для получения необходимой плотности прилегания пар соединенных между собой прокладок достаточно закрепить эти пластины на подвижной пластине.

Нагрузки, действующие на это устройство, распределяются, как правило, на пластины и прокладки. Рама и крепежные элементы в целом составляют корпус оборудования.

Рельефная поверхность пластин при сжатии обеспечивает прочную фиксацию и позволяет всей теплообменной системе приобрести необходимую прочность и жесткость.

Прокладки крепятся к пластинам с помощью защелкивающегося соединения. Следует отметить, что при затяжке уплотнения самоцентрируются относительно своей оси. Утечка теплоносителя предотвращается за счет края манжеты, который также создает барьер.

Для устройства пластинчатого теплообменника изготавливают несколько видов прокладок: с твердым и мягким гофром.

Дополнительная информация о теплообменниках:

В мягких пластинах каналы имеют угол 30 градусов. Этот тип устройства отличается высокой теплопроводностью, но незначительным сопротивлением давлению теплоносителя.

В жестких элементах при изготовлении пазов делают угол 60 градусов. Эти устройства не отличаются повышенной теплопроводностью, их главное преимущество — способность выдерживать значительное давление теплоносителя.

Для достижения наилучшего режима теплопередачи плиты можно комбинировать. Кроме того, следует учитывать, что для оптимальной работы устройства необходимо, чтобы он работал в турбулентном режиме: теплоноситель должен двигаться по каналам без задержек. Кстати, кожухотрубный теплообменник, конструкция в котором имеет схему труба в трубе, имеет ламинарный поток теплоносителя.

Какая польза? При тех же теплотехнических характеристиках листовое оборудование имеет значительно меньшие габариты.

На заметку!

Отметим эту тонкость: поверхность пластин гофрирована для увеличения турбулентности жидкости при течении в каналах.

На рисунке показаны основные параметры пульсации:

Р-ступенчатая рябь; угол шеврона относительно основного направления потока.

Угол наклона гофрированного профиля влияет на теплоотдачу и производительность:

• Угол наклона пластины β> 45 ° обеспечивает лучшую теплопередачу при высоком давлении.
• Угол наклона пластины β <45 ° обеспечивает меньшую скорость теплопередачи, но также меньшие перепады давления.

Поэтому очень важно найти компромиссный угол между высокими коэффициентами обмена и приемлемыми перепадами давления.

Отношение ширины пластины W к длине пластины L также влияет на производительность, но в меньшей степени, чем угол гофра.

Схемы движения потоков в пластинчатом теплообменнике

Однопроходная схема

Самыми простыми моделями пластинчатых теплообменников являются те, в которых обе жидкости проходят только один проход, поэтому нет изменения направления потока. Они известны как однопроходные схемы 1-1 и бывают двух типов: противоточные и параллельные. Большим преимуществом однопроходной конструкции является то, что впускные и выпускные отверстия для жидкости могут быть установлены на неподвижной пластине, что позволяет легко открывать оборудование для обслуживания и очистки, не прерывая трубопровод. Это наиболее широко используемая однопроходная конструкция, известная как U-образная конструкция. Существует также однопроходная Z-образная конструкция с впуском и выпуском жидкости через обе концевые пластины (Рисунок 9).

Противоточный поток, когда потоки текут в противоположных направлениях, обычно предпочтительнее из-за более высокого теплового КПД по сравнению с параллельным потоком, когда потоки текут в одном направлении.

Многопроходная схема

Многопроходные устройства также могут использоваться для увеличения теплопередачи или скорости потока и обычно необходимы, когда существует значительная разница между скоростями потока (Рисунок 10).

Пластины PT могут обеспечивать вертикальный или диагональный поток, в зависимости от положения прокладок. Для вертикального потока вход и выход этого потока находятся на одной стороне теплообменника, в то время как для диагонального потока они находятся на противоположных сторонах. Сборка пакета пластин предусматривает чередование пластин «а» и «b» для соответствующих потоков. Для установки пакета пластин в вертикальном потоке требуется только соответствующая конфигурация прокладки, поскольку устройства A и B эквивалентны (поверните на 180 °, как показано на рисунке 11a). Это невозможно при диагональном потоке, для которого требуются оба типа монтажных пластин (рис. 11b). Плохое распределение потока более вероятно в матрице вертикального потока.

Требования к прокладкам

К устройствам с пластинами предъявляются довольно жесткие требования относительно герметичности оборудования, именно по этой причине сегодня прокладки начали изготавливать из полимеров. Например, этиленпропилен можно легко использовать в условиях повышенных температур, как пара, так и жидкости. Однако он начинает довольно быстро разлагаться в среде, содержащей большое количество жиров и кислот.

Теплообменники различаются количеством пластин

Крепление прокладок к пластинам чаще всего осуществляется с помощью зажимных замков, в редких случаях — с помощью клея.

Типовые пластины и прокладки

Пластины

Самая важная и самая дорогая часть ПТ — это тепловые пластины, которые сделаны из металла, металлического сплава или даже из специальных графитовых материалов, в зависимости от области применения.

Примеры материалов PT, обычно используемых в промышленности:

• нержавеющая сталь,
• титан
• никель
• алюминий,
• инколой
• порыв,
• мошенник,
• тантал.

Листы могут быть плоскими, но в большинстве случаев имеют неровности, которые сильно влияют на теплогидравлические характеристики устройства. Некоторые из типов опорных пластин показаны на рисунке 3, хотя в большинстве современных PT используются шевронные пластины.

Каналы, образованные между соседними пластинами, создают вихревое движение для жидкостей, как показано на рисунке 4.

Угол шеврона в соседних листах обратный, так что при затяжке пластин гофры обеспечивают больше точек контакта, которые поддерживают оборудование. Герметизация пластин достигается с помощью прокладок, установленных по периметру.

Прокладки

Уплотнения обычно представляют собой формованные эластомеры, выбранные на основе их совместимости с жидкостями и условиями температуры и давления. Могут быть реализованы многопроходные устройства в зависимости от положения проставок между пластинами. Бутиловый или нитрильный каучук — это материалы, обычно используемые при производстве прокладок.

Типы пластинчатых теплообменников

Пластинчатый теплообменник (PT) — это компактный тип теплообменника, в котором используется серия тонких пластин для передачи тепла между двумя жидкостями. Существует четыре основных типа ПК:

• разборная,
• тушеный,
• сваренный
• полусварные.

Разборный пластинчатый теплообменник — это устройство, в котором основную функцию передачи тепла между теплоносителями выполняет пакет пластин. Опоры не смешиваются друг с другом из-за чередования пластин с плотными резиновыми прокладками, которые образуют две траектории движения (рисунок 1).

Этот тип устройства получил название «складной», потому что пакет пластин не только собирается, но и разбирается во время обычного обслуживания (мойки) или ремонта.

Материалы и рабочие температуры

доступны различные эластомеры прокладок, которые обладают химической и термической стойкостью в сочетании с хорошими герметизирующими свойствами.

Чаще всего это:

• Бутилкаучук (IIR)
• Силиконовый каучук (VMQ, MQ, PVMQ)
• Резина (VIR)
• Тефлон (растягивающийся) (ПТФЭ)

Рабочие температуры:

Складные устройства могут работать при давлении 0,002-1,0 МПа и температуре рабочих органов от -20 до + 200 ° С. КПД — 95%

Полусборные — при давлении 0,002-2,5 МПа и температуре рабочих органов от -20 до + 350 ° С. КПД — 85%

Неразборные — при давлении 0,002-4 МПа и температуре рабочего тела от -100 до + 900 ° С. КПД — 85%

Преимущества и недостатки пластинчатых теплообменников

Конструкция разборного теплообменника

Прокладка теплообменника состоит из следующих элементов:

PT состоит из:

• пакет тонких прямоугольных пластин с отверстиями, через которые протекают две струи жидкости, где происходит теплообмен. Пластины теплообменника из нержавеющей стали или титана прижимаются друг к другу прокладками. Количество плит зависит от технических параметров и требований к оборудованию.
• пластина рамы (фиксированная прижимная пластина),
• прижимная пластина (подвижная прижимная пластина), прижимает весь пакет к неподвижной прижимной пластине с помощью крепежных элементов: стяжек, подшипников, стопорных шайб.
• несущее основание — направляющая балка, на которую ставятся плиты при сборке агрегата.
• несущий каркас — вертикальный элемент, к которому крепятся направляющие балки (верхняя и нижняя балки).
• верхние и нижние стержни и винты для сжатия пакета пластин.

Однопластинчатый теплообменник вмещает до 700 пластин. Когда пакет пластин сжимается, отверстия в углах пластин образуют непрерывные туннели или коллекторы, через которые проходят жидкости, когда они проходят через набор пластин и выходят из оборудования. Пространства между тонкими пластинами теплообменника образуют узкие каналы, через которые попеременно проходят горячие и холодные жидкости, и которые обеспечивают небольшое сопротивление теплопередаче.

Принцип работы

Если рассматривать, как работает пластинчатый теплообменник, принцип его работы нельзя назвать очень простым. Пластины повернуты навстречу друг другу на 180 градусов. Чаще всего в одном корпусе находятся две пары пластин, которые образуют 2 цепи коллектора — вход и выход теплоносителя. Кроме того, следует учитывать, что пар, который находится на краю, не участвует в теплообмене.

Сегодня выпускается несколько видов теплообменников, которые в зависимости от механизма работы и конструкции делятся на:

• двусторонний;
• многоконтурность;
• одиночный контур.

Принцип работы одноконтурного аппарата следующий. Циркуляция теплоносителя в устройстве по всему контуру осуществляется постоянно в одном направлении. Кроме того, создается встречный поток теплоносителей.

Многоконтурные устройства используются только при небольшой разнице между температурой обратки и температурой входящего теплоносителя. В этом случае движение воды осуществляется в разные стороны.

Дополнительная информация о пластинчатом теплообменнике:

Двусторонние устройства имеют две независимые цепи. При условии постоянного регулирования подачи тепла использование этих устройств более целесообразно.

Достоинства и недостатки

Достоинства

1. Гибкость: простая разборка позволяет адаптировать терминалы к новым технологическим требованиям, просто добавляя или удаляя пластины или изменяя количество ступеней. Кроме того, разнообразие моделей пластинчатого гофра, доступных вместе с возможностью использования их комбинаций в одном ПК, означает, что можно тестировать различные формы блоков во время процедур оптимизации.
2. Хороший контроль температуры: из-за узких каналов, образованных между соседними пластинами, PT содержит только небольшой объем жидкости. Таким образом, устройство быстро реагирует на изменения условий процесса с небольшой задержкой, поэтому температуру легко контролировать. Это важно, если избегать высоких температур. Кроме того, форма каналов снижает вероятность застойных зон (мертвых зон) и горячих точек.
3. Низкая стоимость производства: поскольку пластины только прессуются (или склеиваются), а не свариваются, производство ПТ может быть относительно недорогим. Чтобы сделать листы более устойчивыми к коррозии и / или химическим реакциям, можно использовать специальные материалы.
4. Эффективная теплопередача: волнистость пластин и небольшой гидравлический диаметр способствуют образованию турбулентного потока, что обеспечивает высокую скорость теплопередачи для жидкостей. Следовательно, можно рекуперировать до 90% тепла по сравнению с 50% в случае кожухотрубных теплообменников.
5. Компактность: высокая тепловая эффективность PT означает, что они занимают очень мало места. При той же площади теплопередачи ГПА часто могут занимать на 80% меньше площади (иногда в 10 раз меньше), чем кожухотрубные теплообменники (рис. 7).
6. Снижение загрязнения: Снижение загрязнения является результатом сочетания высокой турбулентности и короткого времени пребывания жидкости. Поправочные коэффициенты на загрязнение ПТ могут быть в десять раз ниже, чем для кожухотрубных теплообменников.
7. Легко проверять и чистить: поскольку компоненты ПТО можно разделить, все части, подверженные воздействию жидкостей, можно очистить и осмотреть. Эта функция требуется в пищевой и фармацевтической промышленности.
8. Простое обнаружение утечек: уплотнения имеют вентиляционные отверстия (рис. 8), которые предотвращают смешивание жидкостей в случае неисправности, что также упрощает обнаружение утечек.

Недостатки

1. Пределы температуры и давления: важное ограничение PT связано с прокладками пластин. Давление и температура выше 25 атм и 160 ° C соответственно недопустимы, так как они могут привести к утечке стандартных прокладок. Однако прокладки из специальных материалов могут выдерживать температуру до 400 ° C, и их можно сваривать или сваривать вместе, чтобы работать в более сложных условиях. Это даст дополнительное преимущество в виде увеличения пределов обслуживания и возможности работать с агрессивными жидкостями, поскольку это устранит необходимость в прокладках. Однако ПТ утратит свои основные преимущества гибкости и простоты очистки, а оборудование станет дороже.
2. Высокий перепад давления: из-за гофрированных пластин и небольшого пространства для потока между ними перепад давления из-за трения велик, что увеличивает расходы на перекачку. Падение давления можно уменьшить, увеличив количество проходов за проход и разделив поток на несколько каналов. Это снижает скорость потока в канале, тем самым уменьшая коэффициент трения. Однако коэффициент конвективной теплопередачи также уменьшается, что снижает эффективность теплообменника.
3. Фазовый переход: В особых случаях ПТ могут использоваться в операциях конденсации или испарения, но не рекомендуются для газов и паров из-за ограниченного пространства внутри каналов и ограничений по давлению.
4. Типы жидкостей: Работа с высоковязкими жидкостями или жидкостями, содержащими волокнистый материал, не рекомендуется из-за высокого перепада давления и проблем с распределением потока внутри ПТ. Также необходимо учитывать совместимость жидкости и материала прокладки. Следует избегать легковоспламеняющихся или токсичных жидкостей из-за возможности утечки.
5. Утечки: трение между металлическими пластинами может вызвать износ и появление небольших отверстий, которые трудно обнаружить. В качестве меры предосторожности рекомендуется перекачивать технологическую жидкость под давлением, чтобы снизить риск загрязнения в случае утечки пластины.

Область использования

Сегодня существует несколько видов теплообменников.

Кроме того, каждое из устройств имеет уникальный дизайн и особенности работы:

• сварной;
• разборная;
• полусварные;
• сварной.

Устройства с откидной системой часто используются в тепловых сетях, подключенных к жилым домам и зданиям различного назначения, в системах климат-контроля и холодных помещениях, бассейнах, пунктах обогрева и контурах горячего водоснабжения. Сварные аппараты нашли свое применение в морозильных установках, вентиляционных сетях, устройствах кондиционирования, промышленном оборудовании различного назначения и компрессорах.

Детальный проект пластинчатого теплообменника

Полусварные и сварные теплообменники используются в:

• системы вентиляции и климата;
• фармацевтический и химический сектор;
• циркуляционные насосы;
• пищевая промышленность;
• системы восстановления;
• аппараты охлаждающие устройства различного назначения;
• в контурах отопления и горячего водоснабжения.

Самым популярным типом теплообменников, используемых в быту, является паяный, обеспечивающий нагрев или охлаждение теплоносителя.

Характеристики и расчет

Пластины и прокладки в качестве основных частей теплообменников изготавливаются из материалов с разными характеристиками и характеристиками. При выборе того или иного товара основную роль играет его назначение и сфера применения.

Если рассматривать системы отопления и горячего водоснабжения, то в этой сфере часто используются плиты из нержавеющей стали и пластиковые прокладки из специальной резины NBR или EPDM. Наличие пластин из нержавеющей стали позволяет работать с теплоносителем, нагретым до 120 градусов, иначе теплообменник может нагреть жидкость до 180 ° C.

Прокладки расположены между уплотнительными пластинами

При использовании теплообменников в промышленном секторе и подключении их к технологическим процессам с действием масел, кислот, жиров, щелочей и других агрессивных сред используются пластины из титана, бронзы и других металлов. В этих случаях необходимо установить прокладки из асбеста или фторэластомера.

Выбор теплообменника производится с учетом расчетов, которые производятся с помощью специального программного обеспечения.

При расчетах необходимо учитывать:

• расход нагретой жидкости;
• начальная температура теплоносителя;
• затраты на теплоноситель;
• требуемая температура нагрева.

В качестве теплоносителя, протекающего через теплообменник, можно использовать нагретую воду до 90-120 ° С или пар с температурой до 170 ° С. Тип теплоносителя выбирается с учетом типа используемого котельного оборудования. Размер и количество пластин подбираются таким образом, чтобы получить теплоноситель с температурой, соответствующей действующим нормам — не выше 65 ° С.

Теплообменник может быть изготовлен из разных марок металла

Следует сказать, что основными техническими характеристиками, которые также считаются основными достоинствами, являются компактные размеры оборудования и возможность обеспечить достаточно значительный расход.

Диапазон площадей обмена и вероятная стоимость устройств достаточно высоки. Самые маленькие, например, от компании Альфа Лаваль, имеют площадь до 1 м² и при этом обеспечивают пропускание теплоносителя до 0,3 м³ / час. Наиболее крупногабаритные устройства имеют размер около 2500 м² и скорость потока, превышающую 4000 м³ / час.

Способы обвязки

Теплообменные устройства часто устанавливают в отдельных помещениях, обслуживающих частные дома, многоэтажные дома, тепловые пункты центральных магистралей, промышленных предприятий.

Небольшой вес и габариты оборудования позволяют достаточно быстро установить, хотя для некоторых высокомощных изделий требуется возведение фундамента.

монтаж и обслуживание теплообменника лучше доверить специалистам

При установке аппарата необходимо соблюдать основное правило: болты в фундаменте, с помощью которых надежно фиксируется теплообменник, все равно заливаются. Схема обвязки обязательно должна предусматривать подачу теплоносителя к патрубку, расположенному вверху, а обратный контур подключается к штуцеру, установленному снизу. Подача нагретой жидкости подключается в обратном порядке.

Для схемы электроснабжения необходим циркуляционный насос. Помимо основного обязательно устанавливается резервный насос такой же мощности.

Если в системе горячего водоснабжения есть линия обратного движения воды, то механизм работы и схема меняются незначительно. Горячая вода, подаваемая по контуру, смешивается с холодной водой из водопровода и только после этого смесь подается в теплообменник. Температура на выходе регулируется электронным блоком, который управляет входным клапаном теплоносителя.

Чем больше пластин в теплообменнике, тем больше мощность

В двухступенчатой ​​системе возможно использование тепловой энергии из обратной линии. Это позволяет более эффективно использовать имеющееся тепло и снизить чрезмерную нагрузку на котельное оборудование.

В любой из вышеперечисленных схем трубопроводов на входе в теплообменник должен быть фильтр. С его помощью можно предотвратить засорение системы и продлить срок ее службы.

При всех остальных преимуществах пластинчатые теплообменники не превосходят старые кожухотрубные модели по одному важному показателю: пластинчатые устройства, обеспечивая значительный расход, недостаточно нагревают теплоноситель. Этот недостаток устраняется расчетом небольшого запаса при выборе количества пластин.

Характеристики пластинчатых теплообменников:

Область применения

Пластинчатые теплообменники используются в различных областях, в том числе: пищевая и химическая промышленность, системы нагрева технических и пищевых жидкостей, охлаждение промышленного оборудования, для подключения зданий к сетям централизованного теплоснабжения и охлаждения.

Они особенно используются в пищевой промышленности, потому что они компактны, могут изготавливаться различной формы и их легко чистить. Осаждение материалов на горячих поверхностях (загрязнение) снижает тепловые и гидродинамические характеристики и требует периодической очистки (часто всего через несколько часов работы).

Многие промышленные предприятия используют пластинчатые теплообменники для таких задач, как пастеризация и утилизация отходящего тепла. Например, завод-производитель может использовать воду для охлаждения свежезаваренного горячего напитка. Горячий готовый жидкий продукт необходимо охладить перед розливом в бутылки, чтобы он прошел через пластинчатый теплообменник, подключенный к охлаждающему контуру чиллера (машины водяного охлаждения). Это удаляет нежелательное тепло без смешивания двух жидкостей.

Виды и конструкции пластинчатых теплообменников

Пластинчатый теплообменник состоит из нескольких листов тонких гофрированных металлических формующих каналов (пакета пластин). Прокладки расположены между пластинами и образуют уплотнение. Прокладка предотвращает смешивание и утечку жидкостей, но также определяет, в какие каналы может течь каждая жидкость.

Пластинчатые теплообменники могут увеличивать или уменьшать свою нагревательную или охлаждающую способность, добавляя или удаляя внутренние пластины. Их также можно разобрать для чистки и обслуживания, за исключением неразборных.

Эти устройства могут быть :

• складной
• полусгибаемый
• неразборные (сварные или паяные).

В разборных теплообменниках теплопередача состоит из ряда гофрированных пластин, установленных между рамой и прижимными пластинами, которые поддерживают расчетное давление. Для достижения максимальных тепловых характеристик и обеспечения очень близкого температурного приближения жидкости обычно проходят через теплообменник противотоком.

Полугубчатые теплообменники используются, когда прокладки не подходят для одной из технологических жидкостей и могут также выдерживать более высокие расчетные давления, чем полностью разборные пластинчатые теплообменники. Уплотнение между листами на промышленной полусварной линии чередуется с лазерной сваркой и прокладками. Канал, сваренный лазерной сваркой, позволяет использовать жидкости, несовместимые с обычными прокладками, а также обеспечивает более высокое расчетное давление, чем полностью разборные пластинчатые теплообменники.

Моноблочные теплообменники не имеют открытых прокладок, они представляют собой цельносварные пластинчатые теплообменники, которые в основном используются в нефтегазовой, химической и нефтехимической промышленности. Рама, прочно закрепленная на болтах, состоит из четырех колонн, верхней и нижней, и четырех боковых панелей. Используется в сложных условиях, включая агрессивные жидкости, экстремальные температуры и высокое давление.

Основным недостатком этих теплообменников является то, что они не снимаются, поэтому техническое обслуживание и очистка невозможны или, по крайней мере, сложны, а количество пластин не может быть изменено, но они гораздо менее подвержены загрязнению и засорению и требуют только периодических проверок и чистки.

История

Пластинчатые теплообменники были впервые представлены в 1923 году для пастеризации молока, но в настоящее время они используются во многих приложениях в химической, нефтяной, климатической, холодильной, молочной, фармацевтической, пищевой и медицинской промышленности. Это связано с их уникальными преимуществами, такими как гибкая термическая конструкция (пластины могут быть просто добавлены или удалены для удовлетворения различных требований к температуре или обработке), простота очистки для поддержания строгих гигиенических условий, хороший контроль температуры (требуется в криогенных процессах) и улучшенный нагрев передаточные характеристики.