Пластинчатые теплообменники: принцип работы, устройство и конструктивные особенности основных элементов

теплообменник пластинчатого типа

Теплообменник — устройство с чрезвычайно широкой сферой применения.

Процесс передачи тепла или холода от одной среды другой применяется в промышленности, научных лабораториях, коммунальном хозяйстве, а также в быту, например, в системах рекуперации.

На сегодняшний день наиболее эффективными являются теплообменники пластинчатого типа.

Достаточно подробно о них будет рассказано в данной статье, тема которой — пластинчатые теплообменники: принцип работы.

Конструкция пластинчатого теплообменника

Главным функциональным элементом пластинчатого теплообменника является кассета или пакет — стопка пластин, уложенных с некоторым зазором. Зазор обеспечивается прокладками. Кассета плотно зажата между неподвижной и подвижной плитами, которые стянуты шпильками. Вся конструкция собрана на раме.

По углам в пластинах имеются отверстия — порты. После сборки кассеты следующие одно за другим отверстия образуют коллектор, то есть сверху и снизу в пластине получается по два коллектора. Вокруг портов установлены уплотнители таким образом, что один из коллекторов сверху сообщается только с четными зазорами, другой — с нечетными. Нижние коллекторы имеют ту же особенность.

теплообменник пластинчатого типа

Пластинчатые теплообменники

Для подключения трубопроводов, по которым в теплообменник будут подаваться греющая и нагреваемая среды, на неподвижной плите имеется 4 присоединительных патрубка. Они могут быть как резьбовыми, так и фланцевыми. Патрубки установлены соосно портам: сквозь них жидкость поступает в коллекторы и оттуда — в щелевые каналы между пластинами.

Рама может иметь различную длину в расчете на то или иное количество пластин.

Поскольку главным действующим лицом теплообменника является кассета, следует подробно рассказать об элементах, из которых она состоит:

Пластины теплообменника

Пластины должны быть выполнены из материала с высокой теплопроводностью.

Обычно используют нержавеющую сталь, а в моделях, предназначенных для работы с химически агрессивными веществами, — специальные сплавы: 254 SMO, Hastelloy, Титан.

Пластина подвергается двум видам обработки:

  • при помощи штамповки ей придают гофрированную форму;
  • затем подвергают электрохимической полировке.

Полировка приводит к уменьшению гидравлического сопротивления щелевого канала между пластинами. Формирование же рельефной поверхности имеет целью сделать поток вещества в щелевом канале турбулентным, то есть таким, в котором слои постоянно перемешиваются. Турбулизация потока значительно увеличивает коэффициент теплопередачи.

пластины теплообменника

Работающий теплообменник

Этим, кстати, пластинчатые теплообменники выгодно отличаются от кожухотрубных (еще называют коаксиальными), которые состоят из нескольких тонких трубок, помещенных в трубу большого диаметра. В таком теплообменнике обеспечить перемешивание слоев невозможно, то есть течение жидкостей остается ламинарным. По этой причине коаксиальные теплообменники в 3 – 4 раза превосходят по размерам пластинчатые с теми же характеристиками.

Но существует и обратная сторона медали: рельеф на поверхности является препятствием для среды, то есть он увеличивает гидравлическое сопротивление.

С учетом этого пластины выпускают в двух исполнениях:

  • с углом неровностей 300: так называемый термически жесткий рельеф, характеризующийся высокими теплопередачей и гидравлическим сопротивлением;
  • с углом неровностей 600: термически мягкий рельеф, который обладает пониженным гидравлическим сопротивлением и меньшим коэффициентом теплопередачи.

Комбинируя пластины с различным рифлением, можно получать не только жесткие или мягкие каналы, но и средние, в которых 30-градусный рельеф сочетается с 60-градусным.

теплообменник - схема

Устройство теплообменника

Оптимальную комбинацию пластин подбирают при помощи компьютерной программы: она при заданном максимально допустимом гидравлическом сопротивлении компонует кассету таким образом, чтобы теплоотдача получилась максимальной.

Для изготовления пластин применяются металлические листы различной толщины. Обычно она лежит в пределах от 0,4 до 1 мм и подбирается в зависимости от того, на какое давление рассчитан теплообменник. Соотношение следующее:

  • при давлении до 10 атм: 0,4 мм;
  • до 16 атм: 0,5 мм;
  • до 25 атм: 0,6 мм.

При сборке кассеты пластины через одну поворачивают на 1800, чем и обеспечивается формирование щелевых каналов нужной конфигурации и четырех коллекторов.

Прокладки

Обычно в пластинчатых теплообменниках применяются прокладки из материалов на основе натурального или синтетического каучука. Чаще всего — этилен-пропилен-диеновый мономер (EPDM). Он сохраняет рабочие качества при температурах от -350С до +1600С, поэтому подходит даже для пара. Но если через теплообменник прокачивается масло или вещество с содержанием жиров, применять EPDM-резину нельзя, так как она от контакта с такими средами быстро разрушается.

В таких случаях применяют материал Nitril (NBR), который выдерживает воздействие маслянистой среды при температурах до +1350С. В теплообменниках же, предназначенных для работы с самыми агрессивными средами, устанавливают прокладки из материала Viton. Его температурный порог составляет +1800С.

уплотнитель

Комплект уплотнений пластинчатого теплообменника Viessmann Vitopend 100 WH1B

Ранее прокладки крепились к пластине при помощи клея. Способ достаточно неудобный, так как отличается трудоемкостью и значительными временными затратами (клей должен высохнуть). Кроме того, в пластине приходилось выдавливать дополнительную канавку для более надежной фиксации прокладки. Из-за всех этих сложностей со временем от клеевого способа отказались и заменили его клипсовым креплением. Клипсы — конструктивные элементы самой прокладки, расположенные по ее периметру.

Кроме прокладок между пластинами применяются кольцевидные прокладки между крайней пластиной и неподвижной плитой, на которой имеются патрубки для подключения трубопроводов.

Пластинчатые теплообменники выпускаются в трех исполнениях:

  • сборные;
  • сварные;
  • паяные.

В последних двух разновидностях прокладки между пластинами не применяются.

Принцип работы

устройство прибораОбе среды, между которыми происходит теплообмен, разделяются на множество потоков, которые протекают в щелевых каналах между пластинами.

При этом одна среда протекает по четным каналам, другая — по нечетным.

Таким образом, через пластины осуществляется передача тепла от одной среды другой.

Трубопроводы подключают к теплообменнику таким образом, чтобы среды в щелевых каналах двигались навстречу друг другу.

За счет этого разница температур по обе стороны пластины в каждой ее точке будет максимальной, а следовательно, и коэффициент теплопередачи будет наибольшим. Также увеличению теплоотдачи способствует, как уже говорилось, рельеф на поверхности пластины, обуславливающий турбулизацию потоков.

Крайние пластины в теплообмене не участвуют.

Схема

По схеме работы теплообменники делят на две разновидности:

  • одноходовые;
  • многоходовые.

Одноходовый теплообменник устроен так, что каждая среда протекает через щелевые каналы один раз. После этого жидкость поступает в сборный коллектор и оттуда — в трубопровод. При таком исполнении все присоединительные патрубки находятся с одной стороны устройства — на неподвижной плите. Подвижную плиту можно двигать как угодно, так что разбирать теплообменник для обслуживания и ремонта ничто не мешает.

теплообменник пластинчатый

Чертеж пластинчатого теплообменника

Многоходовая схема применяется в тех случаях, когда в греющей среде после одного прохода остается еще много тепла. Такое наблюдается, если:

  • пластины имеют маленькую площадь либо в кассете их установлено малое количество;
  • расходы двух сред очень сильно отличаются;
  • разность температур греющей и нагреваемой среды невелика, поэтому теплообмен протекает с низкой интенсивностью.

В кассету многоходового пластинчатого теплообменника добавляются пластины только с двумя портами, расположенными с одной стороны. Благодаря этому, каждая среда протекает по каналам два раза или более, так что нагреваемая среда усваивает от греющей намного больше тепла, чем при одноходовой схеме.

У многоходовой схемы есть три недостатка:

  • теплообменник получается более дорогим;
  • увеличивается гидравлическое сопротивление;
  • патрубки имеются не только на неподвижной, но и на подвижной плите, что сильно усложняет разборку кассеты.

Из-за этого по возможности стараются применять одноходовую схему, добиваясь высокого теплосъема за счет увеличения площади пластин и их количества.

Заключение

Благодаря своим преимуществам, пластинчатые теплообменники повсеместно заменили кожухотрубные. Применение пластин вместо трубок позволяет сделать устройство более сгруппированным. Кроме того, за счет создания в потоках турбулентности (для этого на пластинах штампом выдавливают рифление) удается значительно увеличить интенсивность теплообмена, так что в итоге пластинчатый теплообменник имеет в 3 -4 раза меньший объем, чем кожухотрубный при тех же характеристиках.


Поделиться:
Нет комментариев
×
Рекомендуем посмотреть
Adblock detector