Пластинчатый теплообменник: схема и принцип работы

Эффективный и экономичный нагрев или охлаждение рабочей среды в современной промышленности, жилищно-коммунальной сфере пищевой и химической отраслях осуществляется с помощью теплообменников (ТО). Существует несколько типов теплообменных агрегатов, однако наибольшее распространение получили пластинчатые теплообменники.

В статье будут подробно рассмотрены конструкция, область применения и принцип работы пластинчатого теплообменника. Особое внимание будет уделено конструктивным особенностям различных моделей, правилам эксплуатации и особенностям технического обслуживания. Кроме того, будет представлен перечень ведущих отечественных и зарубежных производителей пластинчатых ТО, продукция которых пользуется повышенным спросом у российских потребителей.

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 60 0 ). 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 30 0 ). Пластины являются переходным вариантом и отличаются средними показателями турбулентности и интенсивности теплопередачи;
3. с «жесткими» каналами (угол рифления 30 0 ). 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.

Требования к прокладкам

Для обеспечения полной герметичности профильных каналов и предотвращения утечки рабочих сред, уплотнительные прокладки должны обладать необходимой термостойкостью и достаточной устойчивостью к воздействиям агрессивной рабочей среды.

В современных пластинчатых теплообменниках применяются следующие виды прокладок:

• этиленпропиленовые (EPDM). Применяются при работе с горячей водой и паром в температурном диапазоне от -35 до +160 0 С, непригодны для жирных и масляных сред;
• NITRIL прокладки (NBR) используются для работы с маслянистыми рабочими средами, температура которых не превышает 135 0 С;
• VITOR прокладки рассчитаны на работу с агрессивными рабочими средами при температуре не более 180 0 С.

На графиках представлена зависимость срока службы уплотнений от условий эксплуатации:

Что касается крепления уплотнительных прокладок, существует два способа:

Первый способ из-за трудоемкости и длительности укладки применяется редко, кроме того, при использовании клея значительно усложняется техническое обслуживание агрегата и замена уплотнений.

Клипсовый замок обеспечивает быстрый монтаж пластин и простоту замены вышедших из строя уплотнений.

Виды пластинчатых теплообменных аппаратов и их применение

По способу соединения теплообменных пластин теплообменник может быть:

Конструкция и принцип работы разборных пластинчатых ТО были описаны выше. Рассмотрим более подробно особенности конструкции и область применения паяных, полусварных и сварных теплообменников.

Паяный пластинчатый теплообменник

Агрегат широко используется для:

• нагрева и охлаждения рабочих сред;
• испарения;
• конденсации;
• утилизации и рекуперации тепловой энергии.

Теплообменные пластины ППТО изготавливаются из нержавеющей стали. Сборка пакета осуществляется аналогично с разборными теплообменниками, после чего производится пайка медным или никелевым припоем, в зависимости от агрессивности рабочей среды: для более агрессивных сред используется никель.

К наиболее существенным преимуществам паяных ПТО можно отнести:

• высокую надежность;
• возможность работы в широком температурном диапазоне;
• легкость и небольшие габариты;
• надежность конструкции;
• простоту монтажа и технического обслуживания;
• доступную стоимость.

Особенно хорошо паяные ПТО зарекомендовали себя в холодильных и замкнутых отопительных системах.

Полусварные пластинчатые теплообменники

Главной конструктивной особенностью полусварных теплообменников является попарное сваривание штампованных пластин, в результате чего формируется отдельный герметичный модуль. Сборка ПСПТО осуществляется также, как и разборного теплообменника, различие состоит в том, что вместо отдельных пластин используются готовые сварные модули.

Между первичными и вторичными модулями устанавливаются прокладки из термостойкой резины. Отсутствие внутренних прокладок позволяет существенно увеличить рабочее давление в системе и температуру рабочей среды.

Благодаря высоким эксплуатационным характеристикам ПСПТО получили широкое распространение следующих областях:

• в системах вентиляции и кондиционирования;
• в химическом и фармацевтическом производстве;
• в пищевой промышленности;
• в системах рекуперации;
• в отопительных системах;
• в системах централизованной подачи горячей воды.

Среди наиболее значимых преимуществ данной конструкции можно выделить:

• широкий диапазон рабочих температур;
• отсутствие герметизирующих прокладок;
• инертность к агрессивным рабочим средам;
• простоту монтажа и технического обслуживания.

В отличии от сборных ПТО, полусварные агрегаты практически полностью исключают возможность неправильной сборки.

Сварные пластинчатые теплообменники

Отсутствие уплотнений является главной особенностью конструкции сварных теплообменных аппаратов. Гофрированные пластины сварены в один блок, в котором рабочая среда протекает по внутренним каналам, а нагреваемая – по внешним.

Применяются СПТО при работе с агрессивными средами при повышенных температурах и высоком давлении рабочих сред.

Конструктивные особенности сварных теплообменников обеспечивают следующие преимущества:

• компактность;
• высокий коэффициент теплопередачи;
• незначительные теплопотери;
• простоту технического обслуживания.

Отсутствие уплотнений в сварных ПТО обеспечивает полную герметичность рабочих каналов, что позволяет работать в экстремальных условиях.

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:

Пластинчатые теплообменные аппараты в системах отопления

Введение

Пластинчатые теплообменники для систем отопления – одно из направлений использования агрегатов данного типа.

Ранее, при проектировании объектов промышленного и гражданского назначения лидировали кожухотрубные рекуператоры. Подобные устройства имеют высокие показатели мощности. Однако они занимают огромную площадь, не поддаются инспекции и вызывают проблемы с профилактическим обслуживанием.

Пластинчатые теплообменные аппараты стали настоящей находкой в данном направлении. Развитие технологий существенно снизило разницу в мощности по сравнению с кожухотрубными агрегатами, а компактные габариты, возможность осмотра, простота разборки и очистки повысили спрос на пластинчатые рекуператоры.

В соответствующем разделе нашего каталога можно посмотреть модельный ряд подобных агрегатов, а также купить теплообменник для отопления. Далее в статье рассматривается их назначение и принцип работы.

Для чего нужен теплообменник в системе отопления

Система отопления многоквартирного дома или административного здания может быть:

• зависимой – устаревший вариант, в котором теплообменные аппараты не используются;
• независимой – современный тип, для реализации такой системы применяются пластинчатые теплообменники.

Зависимая система отопления

Принцип организации зависимой схемы теплоснабжения

В зависимой системе контур теплоснабжения между источником тепла (котельная или ТЭЦ) и потребителем – единое целое. Теплоноситель с температурой +95 °С поступает в дом, где по внутренним коммуникациям идет к радиаторам конечных потребителей – квартиры жильцов. Отдав тепло, по обратке теплоноситель возвращается в котельную.

Если же температура на входе в многоквартирный дом выше и составляет +105 °С, то для ее понижения до требуемого значения используют элеваторный узел и перемычку. С их помощью происходит подмешивание охладившегося теплоносителя из обратки к поступающему в дом.

Использование элеватора и перемычки

Плюсы подобной схемы реализации:

• простота внедрения;
• низкая стоимость комплектующих;
• проще в обслуживании.

• старые трубопроводы большой протяженности, идущие от котельной к потребителю, ржавеют, поэтому вода, поступающая в теплосистему дома, содержит большое количество осадков и агрессивных включений. Это приводит к быстрому износу современных алюминиевых радиаторов отопления в квартирах, а также пластиковых труб, пришедших на смену устаревшим чугунным, во внутренних коммуникациях жилых домов и административных зданий;
• в случаях аварий на участке подачи теплоносителя, потребитель остается без тепла;
• во время резких колебаний погоды – тяжело регулировать уровень температуры на стороне потребителя, что приводит к излишнему нагреву помещений и переплате за коммунальные услуги.

Для устранения недостатков зависимых систем активно внедряются независимые.

Независимые системы отопления

Основное назначение рекуперативных теплообменников – осуществление теплообмена между двумя различными средами, имеющими разную температуру без их смешивания.

Поэтому использование рекуператоров в отопительных системах позволяет разделить контур подачи тепла от теплоснабжающей организации потребителю на две несообщающиеся части, где через контактную поверхность — пластины, происходит обмен теплом без контакта сред.

Очень упрощенно выглядит такая схема теплоснабжения следующим образом:

Независимая система теплоснабжения

На данной схеме не учтено много дополнительных элементов, например, подпиточный насос, который подключают для сохранения количества жидкости в домовом контуре, но в целом, работа подобной системы выглядит именно так.

Плюсы независимой системы:

• чистота горячей воды в домовом контуре отопления, что позволяет использовать пластиковые трубы и алюминиевые радиаторы;
• в случаях аварий на линии подачи тепла от теплоснабжающей организации до пластинчатого теплообменника с помощью циркуляционного насоса можно управлять скоростью потока теплоносителя. Это позволяет сохранять температуру внутри помещения на требуемом уровне некоторое время;
• высокая энергоэффективность (до 40% по сравнению с зависимой системой) за счет регулировки температуры у потребителей, как следствие — экономия денежных средств на коммунальных платежах.

• дороже в реализации;
• сложнее в обслуживании.

Как работает теплообменник в системе отопления

Схема отопления через теплообменник

Принцип работы пластинчатого теплообменного аппарата в системе отопления выглядит следующим образом:

1. Из котельной нагретый теплоноситель поступает в теплообменный аппарат.
2. Через пластины тепловая энергия с эффективностью до 95% передается теплоносителю в контуре потребителя.
3. Далее нагретая вода по трубам поступает конечным потребителям в радиаторы отопления.
4. Отработанный теплоноситель поступает на обратку теплообменника уже с меньшей температурой, где, вновь проходя через пластины, подогревается и поступает в батареи.
5. Скорость движения теплоносителя во внутреннем контуре регулируется с помощью циркуляционного насоса, который устанавливается на обратке.
6. Для того, чтобы компенсировать потери теплоносителя во внутреннем контуре отопления, применяются подпиточные насосы, которые забирают часть воды с обратки внешнего контура, идущего в ТЭЦ или котельную. Поскольку количество подпиточного материала мало по отношению к основному теплоносителю в домовой системе отопления, то качество воды в трубах жилого дома не ухудшается в течение всего отопительного сезона.
7. В работе независимой системы отопления используется различная автоматика и регулирующая запорная арматура для постоянного поддержания требуемых характеристик: температуры, скорости движения теплоносителя, падения давления.

Заключение

Подробные схемы подключения пластинчатых установок в системах отопления имеет смысл рассматривать только в совокупности с системой ГВС, поскольку в современном отоплении и водоснабжении – это два тесно взаимосвязанных процесса.

Поэтому в последующих статьях будет разобрано использование пластинчатых теплообменных аппаратов для горячего водоснабжения, а далее варианты и схемы подключения теплообменников в общей системе.

Подписывайтесь на новости в соц сетях и e-mail рассылку, чтобы не пропустить их.

Если вам необходим теплообменник для системы отопления прямо сейчас, то заполните форму ниже. Инженеры компании «ПроТепло» помогут подобрать оптимальную модель под вашу задачу.