Особенности устройства пластинчатого теплообменника

Сфера использования пластинчатого устройства

Сфера применения пластичного теплообменника достаточно обширна. Они используются практически везде, где это необходимо. Поэтому перечислять все отрасли, где применяется устройство бессмысленно и далее будут приведены только некоторые из них:

• в качестве централизованной системы отопления, для подачи тёплого водоснабжения, нагрева жидкости в бассейнах и т. д;
• пластинчатый теплообменник нашёл широкое применение в машиностроительной и металлургической сфере для охлаждения разных промышленных агрегатов;
• в судостроительной сфере для подогрева морской воды на корабле или охлаждения системы отвечающей за плавучесть;
• очень часто теплообменник используется в промышленности, выпускающей, пищевую продукцию, где постоянно необходимо охлаждать какие-либо продукты;
• в нефтеперерабатывающей индустрии для охлаждения нефтепродуктов.

Такую популярность агрегат получил благодаря своему качеству работы и значительному эксплуатационному ресурсу, который достигается за счёт использования штампованных пластин. А учитывая то что, они изготавливаются из нержавеющей стали, то им, не страшна, коррозия и другие химические процессы. Благодаря тому, что пластинчатый теплообменник является универсальным устройством для подогрева и охлаждения, сложно переоценить его использование в любой сфере.

Для чего нужен теплообменник в отопительной системе

Объяснить наличие теплообменника в отопительной системе довольно просто. Большинство систем теплоснабжения в нашей стране спроектировано таким образом, что температура теплоносителя регулируется в котельной и подается нагретая рабочая среда непосредственно в радиаторы, установленные в квартире.

При наличии теплообменника, рабочая среда из котельной отпускается с четко определенными параметрами, например, 1000С. Попадая в первичный контур, нагретый теплоноситель не поступает в отопительные приборы, а нагревает вторичную рабочую среду, которая и попадает в радиаторы.

Преимущество такой схемы заключается в том, что регулировка температуры теплоносителя осуществляется на промежуточных индивидуальных тепловых станциях, откуда и подается потребителям.

Конструкция разборного теплообменника

Разборный теплообменник состоит из следующих элементов:

Рисунок 2 – Конструкция пластинчатого теплообменнника

ПТ состоит из:

• пакета тонких прямоугольных пластин с отверстиями, через которые протекают два потока жидкости, где происходит теплопередача. Пластины теплообменного аппарата, выполнены из нержавеющей стали или титана, прижимаются друг к другу с использованием уплотнительных прокладок. Количество пластин зависит от технических параметров и требований к оборудованию.
• рамная пластина (неподвижная прижимная плита),
• прижимная пластина (подвижная прижимная плита), прижимает весь пакет к неподвижной прижимной плите с помощью элементов крепления: стяжных болтов, подшипников, стопорных шайб.
• несущая база – направляющая балка, на которую надеваются пластины во время сборки агрегата.
• опорная станина – вертикальный элемент, к которому прикрепляются направляющие балки (верхняя и нижняя несущие балки).
• верхние и нижние стержни и винты для сжатия пакета пластин.

Кстати, прочтите эту статью тоже: Сварной пластинчатый теплообменник (Блок)

Индивидуальный пластинчатый теплообменник может вместить до 700 пластин. Когда пакет пластин сжимается, отверстия в углах пластин образуют непрерывные туннели или коллекторы, через которые текучие среды проходят, пересекая пакет пластин и выходя из оборудования. Промежутки между тонкими пластинами теплообменника образуют узкие каналы, которые попеременно пересекаются горячей и холодной жидкостями и обеспечивают небольшое сопротивление теплопередаче.

Назначение

Пластинчатые теплообменники – это устройства, используемые для передачи тепловой энергии от одного (более горячего) потока к другому (более холодному) потоку через разделяющие их тонкие металлические пластины, которые стягиваются прижимными плитами, образуя единую конструкцию.

Пластинчатые теплообменники повышают энергоэффективность, потому что энергия потоков, уже находящихся в системе, может быть передана в другую часть процесса, а не просто потрачена впустую. В новую эру устойчивого развития растущая настоятельная необходимость экономии энергии и снижения общего воздействия на окружающую среду сделала больший акцент на использовании теплообменников с более высокой тепловой эффективностью. В этом новом сценарии пластинчатый теплообменник может сыграть важную роль.

Устройство и принцип работы

Пластинчатый теплообменник (ПТО) обеспечивает переход тепла от нагретого теплоносителя холодному, при этом не перемешивая их, развязывая два контура между собой. Теплоносителем может быть пар, вода или масло. В случае с горячим водоснабжением чаще источником тепла является теплоноситель системы отопления, а нагреваемой средой – холодная вода.

Конструктивно теплообменник представляет собой группу гофрированных пластин, собранных параллельно друг другу. Между ними образуются каналы, по которым течет теплоноситель и нагреваемая среда, притом послойно они чередуются между собой, не перемешиваясь при этом. За счет чередования слоев, по которым текут жидкости обоих контуров, увеличивается площадь теплообмена.

Схема работы теплообменника

Гофрирование чаше выполняется в виде волн, притом ориентированных так, чтобы каналы одного контура располагались под углом к каналам второго контура.

Подключение входов и выходов делаются так, чтобы жидкости текли навстречу друг другу.

Поверхность и материал пластин подбирается исходя из требуемой мощности теплообмена, вида теплоносителя. В особенно эффективных и продуманных теплообменниках поверхность формуется для возбуждения завихрений возле поверхности пластины, повышая теплообмен, не создавая сильного сопротивления общему току.

Теплообменник включается между двумя контурами:

1. Последовательно к системе отопления или параллельно с наличием регулирующей арматуры.
2. К входу от холодного водопровода и выходом к потребителю ГВС.

Холодная вода, протекая через теплообменник нагревается за счет тепла от системы отопления до требуемой температуры и подается на кран потребителя.

Основные характеристики пластинчатого теплообменника:

• Мощность, Вт;
• Максимальная температура теплоносителя, оС;
• Пропускная способность, производительность, литры/час;
• Коэффициент гидравлического сопротивления.

Мощность зависит от общей площади теплообмена, перепада температур в обоих контурах между входов и выходом и даже от числа пластин.

Максимальная температура задается подбором материалов и способом соединения пластин и корпуса теплообменника.

Пропускная способность повышается с увеличением числа пластин, так как они подключаются фактически параллельно, то каждая новая пара пластин добавляет дополнительный канал для тока жидкости.

Коэффициент гидравлического сопротивления важен при расчете нагрузки на систему отопления, где от этого зависит выбор циркуляционного насоса, немаловажен и для других источников тепла. Зависит от типа гофрирования пластин и размера сечения каналов и их количества.

Для наиболее востребованных случаев, каким является обеспечение горячей водой частного хозяйства, дома или квартиры производятся готовые теплообменники с постоянными характеристиками.

Технические характеристики

Прокладки и пластины, как основные элементы теплообменных устройств, изготавливаются из различных по своим свойствам и характеристикам материалов. При выборе в пользу той или иной модели решающую роль играет назначение теплообменника и область его использования.

Если остановиться сугубо на системах ГВС и теплоснабжения, то в этой области больше распространены пластины, изготовленные из нержавеющей стали, а пластичные прокладки — из особой резины EPDM либо NBR. Установка пластин из нержавейки позволяет работать с теплоносителем, прогретым до 110°С, в другом же случае устройство пластинчатого теплообменника позволяет нагревать жидкость до 170°С.

Фрагмент пластины теплообменника

При использовании теплообменников в промышленном производстве и задействовании их в технологических процессах с воздействием щелочей, кислот, масел и иных агрессивных веществ, применяются пластины из никеля, титана и других сплавов. В таких случаях устанавливаются фторкаучуковые или асбестовые прокладки.

Подбор теплообменника производится согласно расчетам, выполняемым при помощи специализированных программ. При расчетах учитываются:

• первоначальная температура теплоносителя;
• относительный расход прогреваемой жидкости;
• требуемая температура нагревания;
• расход теплоносителя.

В роли нагревающей среды, протекающей через пластинчатый испаритель, может использоваться подогретая до температуры 95 или 115°С вода, а также пар температурой до 180°С. Вид теплоносителя подбирается в зависимости от вида применяемого котла и оборудования. Размеры и количество пластин подбираются с таким расчетом, чтобы в результате получить воду с температурой, соответствующей установленным стандартам — не более 70°С.

Стоит отметить, что основной технической характеристикой, являющейся также и главным преимуществом, считаются небольшие размеры устройства и способность обеспечить достаточно большой расход.

Вариативность возможных расходов и площадей обмена у пластинчатых приборов достаточно высока. Самые компактные из них, например, от бренда Alfa Laval, обладают площадью поверхности до 1 м2, обеспечивая протекание объема жидкости до 0,2 м3/час. Самые же крупные теплообменники имеют площадь порядка 2000 м2 и расход, превышающий 3600 м3/час.

Технические характеристики

Как правило, технические характеристики пластинчатого теплообменника определяются количеством пластин и способом их соединения. Ниже приведены технические характеристики разборных, паяных, полусварных и сварных пластинчатых теплообменников:

Рабочие параметры	Единицы измерения	Разборные	Паяные	Полусварные	Сварные
КПД	%	95	90	85	85
Максимальная температура рабочей среды	0С	200	220	350	900
Максимальное давление рабочей среды	бар	25	25	55	100
Максимальная мощность	МВт	75	5	75	100
Средний период эксплуатации	лет	20	20	10 — 15	10 — 15

Исходя из приведенных в таблице параметров определяют необходимую модель теплообменника. Помимо этих характеристик, следует учесть тот факт, что полусварные и сварные теплообменники больше приспособлены к работе с агрессивными рабочими средами.

Пластинчатые теплообменники

В независимых системах отопления в основном применяют оборудование пластинчатого типа. Чаще выбирают паяный вариант или разборный, чтобы можно было нарастить мощность.

Конструкции

Основа конструкции — пластины, перфорированные штамповкой для увеличения площади теплообмена и формирования каналов, по которым движется рабочая среда. Пластины плотно прижаты друг к другу, их зажимают между двух металлических плит, которые соединяют с помощью направляющих и винтовых шпилек. На одной стороне каждой пластины есть пазы, куда вставляют резиновые прокладки для герметичности.

Одна из плит стационарна, вторая подвижна — ее можно снимать, чтобы увеличить или уменьшить количество пластин. При сборке сначала закрепляют направляющие на штативе и неподвижной плите. На них нанизывают пластины, и подвижная плита стягивается с неподвижной болтами.

На торцевой неподвижной плите и каждой пластине есть по четыре отверстия для подведения и отведения теплоносителя и теплоприемника. Пространство между соседними пластинами поочередно заполняется холодной и горячей средами, а уплотнители обеспечивают герметичность конструкции.

Каждое устройство оснащают фильтром. Он сдерживает крупные частицы примесей, мелкий мусор. Прибор самоочищается за счет турбулентных потоков, но на пластинах откладывается накипь, осадки примесей воды. Периодически фильтр и пластины нужно промывать чистящими растворами. Можно понять, что такое время пришло по перепадам давления в теплообменнике и снижению его работоспособности.

Пластины изготавливают из нержавеющей стали, меди, латуни (используют при высоком давлении в системе), графита, титана, сплава алюминия и кремния. Толщина пластин составляет от 0,4 до 1 мм. Выбор материала зависит от условий работы и от среды, которой будет заполнено устройство. Чаще всего это вода, но также используют масло, антифриз.

Преимущества

Пластинчатые аппараты обладают высокой производительностью, их можно подбирать по размерам и материалам изготовления в зависимости от задач. Они могут выполнять разные функции, например: нагревательного элемента, охлаждающей части системы, автоматического включателя или выключателя давления.

Каждый подвид обладает своими плюсами:

• Разборные приборы просты в установке и использовании: их можно разобрать, почистить и собрать обратно. Площадь теплообмена такого теплообменника равна сумме площади пластин. Поэтому есть возможность регулировать производительность, изменяя количество пластин, если нужно увеличить или уменьшить площадь отопления.Также разборные конструкции имеют длительный срок службы и пригодны для ремонта — отдельные пластины заменяют на новые. Но они не подходят для работы с химически агрессивными средами и требуют регулярной смены прокладок.

• Паяные устройства имеют более прочную конструкцию, редко требуют ремонта и выдерживают работу с щелочами и кислотами. Благодаря этому их часто применяют в химической промышленности.

• Сварные теплообменники предназначены для использования в технических процессах с экстремально высокими температурами и давлением, с агрессивными веществами. Работают с высокотемпературным паром, газами, жидкостями и их смесями. Материал пластин — нержавеющая сталь, титан, никелевые сплавы. Эти аппараты отличает высокая эффективность и небольшие размеры, им нужно минимальное обслуживание.

Благодаря рифленой поверхности контуров этот вид теплообменников имеет максимальное прилегание и циркуляцию рабочих сред. Разделяющие среды пластины тоньше по сравнению с другими материалами. Это увеличивает скорость передачи энергии, снижает тепловые потери и обеспечивает высокий коэффициент теплообмена.

Типовые пластины и прокладки

Пластины

Самая важная и самая дорогая часть ПТ – это его термические пластины, которые изготавливаются из металла, металлического сплава или даже специальных графитовых материалов, в зависимости от области применения.

Примеры материалов для изготовления ПТ, обычно встречающиеся в промышленном применении:

• нержавеющая сталь,
• титан,
• никель,
• алюминий,
• инколой,
• хастеллой,
• монель,
• тантал.

Пластины могут быть плоскими, но в большинстве случаев имеют гофры, которые оказывают сильное влияние на теплогидравлические характеристики устройства. Некоторые из основных типов пластин показаны на рисунке 3, хотя большинство современных ПТ используют шевронные типы пластин.

Рисунок 3 – Типичные категории пластинчатых гофр: (а) стиральная доска, (б) зигзагообразная, (в) шевронная или елочка, (г) выступы и углубления, (д) стиральная доска со вторичными гофрами, (е) косая стиральная доска.

Каналы, образованные между соседними пластинами, создают закрученное движение для жидкостей, как видно на рисунке 4.

Рисунок 4 – Турбулентный поток в каналах пластинчатого теплообменника

Угол шеврона обращен в смежных листах, так что, когда пластины затягиваются, гофры обеспечивают многочисленные точки контакта, которые поддерживают оборудование. Уплотнение пластин достигается прокладками, установленными по периметру.

Рисунок 5 – Технические характеристики пластин

Прокладки

Прокладки обычно представляют собой формованные эластомеры, выбранные на основе их совместимости с жидкостью и условий температуры и давления. Многопроходные устройства могут быть реализованы в зависимости от расположения прокладок между пластинами. Бутиловые или нитрильные каучуки – это материалы, обычно используемые при изготовлении прокладок.

Рисунок 6 – Технические характеристики прокладок

Разновидности теплообменников

КПД пластинчатого теплообменника выше за счет увеличения площади соприкосновения с теплоносителем

В зависимости от степени доступности к обслуживанию и осмотру теплообменники разделяют на несколько видов:

• разборные,
• паяные,
• сварные,
• полусварные.

Разборные

Аппараты этого типа собираются и разбираются для периодического обслуживания, осмотра и ремонта. Процесс теплопередачи осуществляется посредством пластин, которые чередуются между собой, образуя два контура движения. Это позволяет исключить смешивание тепловой энергии между двумя потоками. Все пластины между собой разделяются резиновыми прокладками.

Паяные

Устройства этого типа не разбираются, в отличие от рассмотренного ранее типа, а все пластины между собой спаяны. Преимуществом таких устройств считают доступную стоимость и небольшие габариты. Основная область применения – бытовые газовые котлы и другие отопительные системы.

Сварные

Агрегаты этого класса состоят из пластин, сваренных между собой без резиновых уплотнителей. Движение теплового потока происходит по двум каналам: один по гофрированному, второй по трубчатому. Среди недостатков выделяют высокую стоимость устройства и его размеры. Теплоносители такого класса используют в промышленных масштабах.

Полусварные

Конструкция, состоящая из пластин, которые установлены комбинированным способом. Уплотнители располагаются с внешней стороны попарно сваренных пластин. Такое оборудование позволяет использовать его в крайне агрессивных средах или в системах охлаждения.

Использование теплообменников пластинчатого типа для обеспечения ГВС

Такой способ хорош тем, что происходит полезное использование тепла обратной воды, а также тем, что схема компактна.
В новом теплообменнике это достигается путем увеличения количества пластин одинаковой площади.
На схеме представлен пластинчатый теплообменник для отопления самой простой конструкции с патрубками, расположенными по разные стороны агрегата. На подогрев поступает уже не совсем холодная, а теплая.
В системах с естественной циркуляцией такой тип установки малоэффективен

В ИТП Зависимое подключение отопления с автоматическим регулированием расхода тепла.
Важно и то, что никто не способен дать гарантии того, что эти расчет будут на процентов верными. Такой же фильтр желательно установить на вводе холодной воды — дольше будет работать оборудование

В итоге себестоимость горячей воды за литр будет намного ниже. Пластины пластинчатого теплообменника располагаются одна за другой с поворотом на градусов.

Строение у них более сложное, стоимость выше, но они способны отбирать максимум тепла высокий КПД. Схема сборки пластинчатого теплообменника не сложная, верхняя и нижняя направляющие закрепляются на штативе и неподвижной плите. Схемы подключения ПТО Схемы подключения пластинчатых теплообменников Здесь вы сможете узнать, какие бывают схемы подключения пластинчатых теплообменников к сетям коммуникаций. Ввиду небольших габаритов и веса монтаж теплообменника производится достаточно просто, хотя мощные агрегаты и требуют устройства фундамента.

Поговорим подробнее о наиболее доступных, надежных и эффективных. Мощность зависит от общей площади теплообмена, перепада температур в обоих контурах между входов и выходом и даже от числа пластин. При такой схеме подготовка воды происходит за два шага. Обвязка второй ступени идентичная параллельному подключению за исключением того, что вместо холодной воды подключается уже подогретая вода с первой ступени.

Строение у них более сложное, стоимость выше, но они способны отбирать максимум тепла высокий КПД. В соответствии с правилами помимо рабочего насоса параллельно ставится резервный такой же мощности. Опыт и умения специалистов позволяют как выполнить простейшие расчеты, так и сложный монтаж с пуско-накладкой. Тогда пластины производятся из титана, никеля и различных сплавов, а прокладки — из фторкаучука, асбеста и других материалов. Следует отметить, что кожухотрубные системы почти исчезли с рынков из-за низких показателей КПД и больших размеров.
Теплообменник пластинчатый принцип работы

Устройство и принцип работы

Конструкция разборного пластинчатого теплообменника включает в себя:

• стационарную переднюю плиту на которой монтируются входные и выходные патрубки;
• неподвижную прижимную плиту;
• подвижную прижимную плиту;
• пакет теплообменных пластин;
• уплотнения из термостойкого и устойчивого к воздействию агрессивных сред материала;
• верхнюю несущую базу;
• нижнюю направляющую базу;
• станину;
• комплект стяжных болтов;
• Набор опорных лап.

Такая компоновка агрегата обеспечивает максимальную интенсивность теплообмена между рабочими средами и компактные габариты устройства.

Конструкция разборного пластинчатого теплообменника

Чаще всего, теплообменные пластины изготавливаются методом холодной штамповки из нержавеющей стали толщиной от 0,5 до 1 мм, однако, при использовании в качестве рабочей среды химически активных соединений, могут использоваться титановые или никелевые пластины.

Все пластины, входящие в состав рабочего комплекта, имеют одинаковую форму и устанавливаются последовательно, в зеркальном отражении. Такая методика установки теплообменных пластин обеспечивает не только формирование щелевых каналов, но и чередование первичного и вторичного контуров.

Каждая пластина имеет 4 отверстия, два из которых обеспечивают циркуляцию первичной рабочей среды, а два других изолируются дополнительными контурными прокладками, исключающими возможность смешивания рабочих сред. Герметичность соединения пластин обеспечивается специальными контурными уплотнительными прокладками, изготовленными из термостойкого и устойчивого к воздействию активных химических соединений материала. Устанавливаются прокладки в профильные канавки и фиксируются с помощью клипсового замка.

Принцип работы пластинчатого теплообменника

Оценка эффективности любого пластинчатого ТО осуществляется по следующим критериям:

• мощности;
• максимальной температуре рабочей среды;
• пропускной способности;
• гидравлическому сопротивлению.

Исходя из этих параметров подбирается необходимая модель теплообменника. В разборных пластинчатых теплообменниках регулировать пропускную способность и гидравлическое сопротивление можно, изменяя количество и тип пластинчатых элементов.

Интенсивность теплообмена обусловлена режимом течения рабочей среды:

• при ламинарном течении теплоносителя интенсивность теплообмена минимальна;
• для переходного режима характерно увеличение интенсивности теплообмена за счет появления завихрений в рабочей среде;
• максимальная интенсивность теплообмена достигается при турбулентном движении теплоносителя.

Рабочие характеристики пластинчатого ТО рассчитываются для турбулентного течения рабочей среды.

В зависимости от расположения канавок, различают три типа теплообменных пластин:

1. с «мягкими» каналами (канавки расположены под углом 600). Для таких пластин характерна незначительная турбулентность и небольшая интенсивность теплообмена, однако «мягкие» пластины обладают минимальным гидравлическим сопротивлением;
2. со «средними» каналами (угол рифления от 60 до 300). Пластины являются переходным вариантом и отличаются средними показателями турбулентности и интенсивности теплопередачи;
3. с «жесткими» каналами (угол рифления 300). Для таких пластин характерна максимальная турбулентность, интенсивный теплообмен и значительное увеличение гидравлического сопротивления.

Для увеличения эффективности теплообмена движение первичной и вторичной рабочей среды осуществляется в противоположном направлении. Процесс теплообмена между первичной и вторичной рабочими средами происходит следующим образом:

1. Теплоноситель подается на входные патрубки теплообменника;
2. При перемещении рабочих сред по соответствующим контурам, сформированным из теплообменных пластинчатых элементов, происходит интенсивная теплопередача от нагретой среды нагреваемой;
3. Через выходные патрубки теплообменника нагретый теплоноситель направляется по назначению (в отопительные, вентиляционные, водопроводные системы), а остывший теплоноситель снова попадает в рабочую зону теплогенератора.

Принцип работы пластинчатого теплообменного аппарата

Для обеспечения эффективной работы системы необходима полная герметичность теплообменных каналов, которая обеспечивается уплотнительными прокладками.