Пластинчатые теплообменники — как они работают, преимущества и ограничения

С момента изобретения аппарата в далеком 1923 году (официальная версия), пластинчатый теплообменник обрел большую популярность и активно применяется в различных областях. В фармацевтике, в промышленности, складском или коммунальном хозяйстве, энергетике и прочих.

История

Пластинчатые теплообменники были впервые введены в 1923 году для пастеризации молока, но в настоящее время используются во многих областях применения в химической, нефтяной, климатической, холодильной, молочной, фармацевтической, пищевой и медицинской промышленности. Это связано с их уникальными преимуществами, такими как гибкая тепловая конструкция (пластины могут быть просто добавлены или удалены для удовлетворения различных требований к тепловому режиму или обработке), простота очистки для поддержания строгих гигиенических условий, хороший контроль температуры (необходимый в криогенных процессах) и лучшие характеристики теплопередачи.

Пластинчатый теплообменник — что это

Простыми словами это теплотехнический механизм рекуперативного типа, в котором теплообменный процесс происходит между разделенными двумя пластинами средами. Как правило, жидкости или газы, имеющие температурный градиент, осуществляющий сквозь перегородки (металлические, графитовые, возможно, композитные).

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.

На рисунке – 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 следующем рисунке.

Рисунок  – 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.

На рисунке – 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.

На рисунке – Технические характеристики прокладок

Принцип работы

Основой конструкции разборного типа являются пластины, изготавливаемые методом холодной штамповки с тонкостенного листового металла – чаще всего алюминиевого сплава, бывает из стали и пр. Пластины развернуты в 180 градусов распределяются «справа» — «слева».

В финале сборки конструкции и уплотнения специальными прокладками, сами профили превращаются в целую сеть удобных проходных каналов, создающих раздельные контуры, внутри которых циркулируют теплоносители: два элемента – нагревающий-охлаждающий второй наоборот нагреваемый-охлаждаемый. Они двигаются на противотоке, увеличивая температурный напор.
Остальные элементы механизма:

• неподвижная плита, оснащенная подводящими и одновременно отводящими патрубками (опорный «скелет», где находится набор пластин);
• направляющие консоли, куда нанизываются сами пластины + уплотняющие прокладки;
• подвижная плита;
• резьбовые шпильки;
• специальные пластины, меняющие направление потока.

Здесь можно посмотреть схему в целом.

Преимущества и ограничения

Если сравнивать пластинчатые конструкции с кожухотрубными, у первых выше коэффициент теплопередачи при идентичной площади. Способны передавать больше мощности, сохраняя первоначальный размер и вес.

Другие преимущества аппарата:

• широкие возможности модернизации для увеличения показателей теплообмена;
• доступность и простое обслуживание – чистка с помощью разборки.

Ограничения касаются пределов:

1. используемой температуре – максимум 180 градусов;
2. рабочему давлению – максимум 2,5 Мпа (25 бар).

Эффективность у пластинчатых теплообменников считается наиболее высокой среди аналогичных конструкций.

Принцип работы всех пластинчатых теплообменных аппаратов одинаков:

1. На входы ТО подаются теплоносители.
2. Теплоносители движутся по внутреннему контуру теплообменного агрегата, который сформирован пакетом пластин.
3. В процессе движения, контактируя с поверхностью пластины, более горячий теплоноситель отдает часть тепла нагреваемой среде.
4. С выходов теплоносители, с изменившейся температурой, поступают в систему отопления, водоснабжения или вентиляции.
5. Входные и выходные отверстия теплообменных аппаратов могут иметь различное сечение (у агрегатов Ридан диаметр достигает 500 мм), и с помощью патрубков подключаются к трубопроводу основной системы.

Данный принцип действия и устройство пластинчатого ТО хорошо продемонстрированы в следующем видео:

Принцип работы пластинчатого теплообменника

Виды пластинчатых теплообменников в зависимости от конструкции:

• разборные;
• паяные;
• сварные;
• полусварные.

Пластинчатые разборные теплообменные аппараты

Пластинчатый разборный теплообменник – устройство, в котором основную функцию теплопередачи между теплоносителями выполняет пакет пластин. Среды не смешиваются между собой благодаря чередованию пластин с плотными резиновыми прокладками, которые образуют два контура движения.

Свое название «разборные» подобный тип агрегатов получил за то, что пакет пластин не только собирается, но и разбирается во время регулярного обслуживания (промывки) или ремонта.

Устройство пластинчатого разборного теплообменника

Конструкционная схема разборного теплообменника

Разборный теплообменник состоит из следующих элементов:

• Неподвижная прижимная плита – основной элемент.
• 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.
• Пакет пластин – главный функциональный элемент, который образует внутренний контур устройства и осуществляет теплообмен.
• Несущая база – направляющая балка, на которую надеваются пластины во время сборки агрегата.
• Подвижная прижимная плита – прижимает весь пакет к неподвижной прижимной плите с помощью элементов крепления: стяжных болтов, подшипников, стопорных шайб.
• Опорная станина – вертикальный элемент, к которому прикрепляются направляющие балки (верхняя и нижняя несущие балки).

Благодаря высокой скорости рабочих сред внутри разборных теплообменных аппаратов отложения и засоры скапливаются на его внутренних поверхностях медленнее, чем на поверхностях кожухотрубных агрегатов.

Несомненное достоинство данного вида ТО – возможность полной разборки аппарата, что позволяет производить не только промывку пластин, но и их механическую очистку.

Также стоит отметить, что возможность полной разборки агрегата позволяет не заменять его целиком в случаях протечек, а быстро выявить нерабочие элементы, поменять их и вновь запустить теплообменник в эксплуатацию. При наличии необходимых запасных частей «под рукой» вся процедура займет от нескольких часов до 1 часа.

Где применяются