Пластинчатый теплообменник: устройство и особенности

Тепло в наши дома поступает из котельной либо от центрального теплопункта, в котором холодная вода нагревается от теплообменника, выполняющего важную роль в системах отопления и горячего водоснабжения. В индивидуальных домах теплообменник пластинчатый и вовсе считается центральным элементом системы, потому как нагревание теплоносителя выполняется именно в нем. Такие приборы могут различаться конструкцией и видом, но принцип действия — во многом общий для всех типов.

Пластинчатые теплообменники

Конструкция пластинчатого теплообменника

Назначение теплообменников всех видов — преобразовывать непрогретую жидкостную среду в нагретую (и наоборот).

Пластинчатые теплообменники обладают разборной конструкцией, состоящей из таких частей:

• недвижимой плиты;
• подвижной плиты;
• комплекта пластин;
• деталей крепежа, объединяющих две плиты в единую раму;
• нижнего и верхнего направляющего элемента круглой формы.

Конструкция пластинчатого теплообменника

Размеры рам различных моделей могут существенно отличаться. Они зависят от мощности и тепловой отдачи подогревателя — с большим числом пластин увеличивается продуктивность прибора и, соответственно, возрастают его габариты и масса.

Пластины теплообменника

Конструкция пластинчатого теплообменника зависит от модификации устройства и может содержать различное количество пластин с закрепленными на них прокладками, герметизирующими каналы с протекающим по ним теплоносителем. Для достижения требуемой по условию герметичности плотности прилегания пар соседних прокладок одной к другой достаточно скрепления этих двух пластин с неподвижной плитой.

Нагрузки, действующие на аппарат, прилагаются главным образом на прокладки и пластины. Крепежные детали и рама, по сути, представляют собой корпуса прибора.

Рельефная окантовка пластин при сжатии гарантирует надежное крепление и дает конструкции теплообменника требуемую жесткость и прочность.

Конструкция пластин теплообменника

Прокладки закрепляются на пластинах посредством клипсового замка. Следует отметить, что прокладки при их зажатии самоцентрируются по направляющей. Утечка теплоносителя предотвращается окантовкой обшлага, создающей дополнительный барьер.

Для теплообменников производятся два типа пластин:

• с термически мягким рифлением;
• с термически жестким рифлением.

В деталях с мягким рифлением каналы устроены под углом 30°. Такой вид пластин отличается повышенной теплопроводимостью, но меньшей устойчивостью к давлению теплоносителя.

В частях с термически жестким рифлением при устройстве канавок соблюден угол в 60°. Этим пластинам не свойственна высокая теплопроводность, их преимущество — способность переносить высокое давление в системе.

Достижение оптимального режима теплоотдачи возможно при комбинировании пластин в теплообменнике. При этом необходимо учесть, что для эффективной работы прибора нужно, чтобы он функционировал в режиме турбулентности — теплоноситель должен перемещаться по каналам без каких-либо помех. К слову, кожухотрубный теплообменник, в котором реализована конструктивная схема «труба в трубе» — с ламинарным режимом течения жидкости.

Какая от этого выгода? При идентичных теплотехнических параметрах пластинчатый прибор обладает меньшими в несколько раз размерами.

Прокладки

К устройствам с пластинами предъявляются очень жесткие требования относительно герметичности, в связи с чем в последнее время прокладки стали выпускать из полимеров. Этиленпропилен, например, способен без проблем работать в условиях высоких температур — и воды, и пара. Но очень быстро разрушается в среде с содержанием масел и жиров.

Прикрепление прокладок к пластинам выполняется преимущественно клипсовым соединением, реже — посредством клея.

Принцип действия

Принцип работы теплообменника нельзя назвать слишком простым. Пластины развернуты одна к другой под 180°. Как правило, в одном пакете устанавливается по две пары пластин, создающих два коллекторных контура: ввода и отведения теплоносителя. При этом следует учесть, что пара расположенных с края элементов в тепловом процессе не задействуются.

На сегодняшний день производится несколько вариантов исполнения теплообменных приборов, устройство и принцип работы которых различны:

• одноходовые;
• многоходовые;
• двухконтурные.

Принцип работы прибора

Как работает одноходовой аппарат? Циркуляция жидкости в нем осуществляется перманентно по всей площади в едином направлении. Кроме того, выполняется и противоток теплоносителей.

Аппараты многоходовые используются только при не слишком большой разнице между температурой подающейся жидкости и температурой обратки. Ток жидкостей при этом будет осуществляться в различных направлениях.

Двухконтурные теплообменники состоят из двух независимых контуров. При условии постоянной корректировки подачи тепла применение такого оборудования наиболее целесообразно.

Сфера применения

Существует несколько видов теплообменников, каждый из которых имеет свой принцип работы и специфику конструкции:

Прибор разборной конструкции часто используется в теплосетях, подведенных к жилым домам и сооружениям различного назначения, в бассейнах, климатических установках и холодильниках, системах ГВС, теплопунктах.

Вид сварного пластинчатого агрегата

Теплообменники паяного вида нашли свое применение в:

• сетях вентиляции и системах кондиционирования;
• холодильных установках;
• турбинных приборах и компрессорах;
• промышленных агрегатах различного назначения.

Приборы сварные и полусварные используются в:

• химической и фармацевтической отраслях;
• сетях вентиляции и климат-системах;
• пищевой промышленности;
• тепловых насосах;
• в системах ГВС и отопления;
• агрегатах для охлаждения оборудования различного назначения;
• системах рекуперации.

Самым распространенным типом теплообменников, применяющихся в индивидуальных домовладениях, считается паяный, обеспечивающий нагрев или охлаждение воды.

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.

Обвязка теплообменника

Теплообменные установки преимущественно монтируются в отдельных котельных, обслуживающих многоквартирные дома, индивидуальные постройки, предприятиях промышленности, теплопунктах центральных теплосетей.

Относительно небольшие размеры и масса устройств позволяют выполнить монтаж достаточно быстро, хотя некоторые обладающие большой мощностью модели требуют постановки на фундамент.

При установке прибора необходимо соблюсти основной принцип: заливание фундаментных болтов, посредством которых теплообменник надежно фиксируется, осуществляется во всех случаях. Схема обвязки непременно предусматривает подведение теплоносителя к расположенному сверху патрубку, а к размещенному снизу штуцеру выполняется подключение обратной магистрали. Подача нагретой воды подсоединяется наоборот — к нижнему патрубку, а выход ее — к верхнему.

Пример внедрения теплообменников

В подающем теплоноситель контуре необходима установка циркуляционного насоса. Кроме основного обязательно ставится и равный ему по мощности резервный насос.

Если в ГВС предусмотрена магистраль обратного движения жидкости, то схема и принцип работы пластинчатого теплообменника несколько изменяется. Нагревшаяся вода, подающаяся по замкнутому контуру, смешивается с холодной из водопровода, и лишь затем получившаяся смесь приходит в теплообменник. Корректировка температуры на выходе осуществляется посредством электронного блока, управляющего клапаном подающей теплоноситель магистрали.

При двухступенчатой схеме используется тепловая энергия обратной магистрали, что позволяет наиболее рационально использовать имеющееся тепло и снять с котла лишнюю нагрузку.

В каждой из рассмотренных систем на входе в теплообменник обязательно должны быть установлены фильтры, благодаря которым удается избежать загрязнения системы и продлить срок ее службы.

Итоги по теме

При всех прочих преимуществах современные пластинчатые теплообменники не смогли опередить устаревшие кожухотрубчатые по единственному, но очень важному критерию. При обеспечении значительного расхода, пластинчатые приборы немного не догревают воду. Такой недостаток легко устраняется созданием небольшого запаса при подборе количества пластин и расчете их площади.

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: