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 теплообменники

Теплообменник и его виды

Теплообменник работает как аппарат-посредник между двумя средами, имеющими разную температуру. Существуют устройства регенеративного и рекуперативного типа, отличающиеся принципом работы.

В регенеративных теплообменниках предусмотрена одна рабочая поверхность, с которой по очереди контактируют жидкие среды. Рекуперативные аппараты имеют стенку из теплопроводного материала, которая отделяет движущиеся среды друг от друга. В промышленности получили распространение устройства именно такого типа.

Разновидности рекуперативных теплообменников:

1. Пластинчатые – сборные модификации из соединенных модульных пластин с бесклеевыми термостойкими прокладками между ними (самый популярный вариант);
2. Кожухотрубные – сварные или припаянные конструкции из труб, образующих решетку;
3. Витые – оснащены концентрическими змеевиками, теплоноситель направляется по спиральной трубе и межтрубному пространству;
4. Спиральные – металлические конструкции, изготавливаются из тонких металлических листов, свернутых в своеобразную спираль;
5. С водяным или воздушным принципом работы.

Конструкция

К элементам конструкции пластинчатого теплообменника относятся:

• две плиты (фиксированная и прижимная);
• входные и выходные патрубки с соединениями разных типов;
• набор герметично соединенных пластин, направляющих, резьбовых метизов;
• подставка для установки в системе теплоснабжения.

Основной рабочий элемент конструкции – пластины из инертных материалов для передачи энергии между теплоносителями. Выполненные методом штамповки, они устойчивы к коррозии и воздействию любых агрессивных сред.

В собранном виде теплообменный аппарат состоит из плотно (герметично) примыкающих друг к другу пластин. На их стыке образуются каналы (щели). Толщина пластин варьируется от 0,4 до 1 мм. Они не отличаются по форме и выполнены из нержавеющей стали, реже из титана и других дорогих сплавов. Требования к материалу определяются задачами, для которых теплообменник предназначен.

В качестве изолирующего материала чаще всего задействуют каучук или полимерные композиты. При выборе следует учитывать жесткость условий эксплуатации, температурный диапазон, тип рабочей среды.

Рекомендуемые виды полимеров в зависимости от характеристик активных сред:

• вода и гликоль – EPDM;
• масляные и нефтесодержащие теплоносители – Nitril;
• высокотемпературная среда, пар – Viton.

Основные виды пластинчатых теплообменников, их предназначение и преимущества:

1. Разборные (конструкция представляет собой пакет пластин и резиновые уплотнители):

• низкие затраты на производство и монтаж;
• регулируемая, легко настраиваемая производительность;
• несложная дешевая эксплуатация, быстрый ремонт;
• безотказность, минимальные интервалы простоя;
• низкая энергоемкость;
• возможность переработки.

Сфера применения пластинчатого теплообменника с разборной конструкцией: системы отопления, бассейны, холодильное и климатическое оборудование, горячее водоснабжение, теплопункты.

2. Паяные (цельная конструкция со спаянными пластинами, без резиновых прокладок):

• компактность и низкая стоимость;
• оптимальное соотношение производительности и стоимости;
• быстрый и дешевый монтаж и сборка;
• надежность и безотказность.

Область применения паяных конструкций: холодильные аппараты, компрессоры и турбинные установки, кондиционеры и вентиляторы, промышленные установки разного назначения.

3. Сварные и полусварные (соединенные при помощи сварных швов):

• простая компактная конструкция без уплотняющих прокладок;
• регулируемый поток;
• устойчивость к действию агрессивных сред;
• максимальный диапазон температур;
• допустимое давление до 4 МПа, температура до 300 °С;
• простота монтажа;
• устойчивость к абразивным и агрессивным веществам;
• надежность и длительный рабочий ресурс.

Сфера применения сварных и полусварных агрегатов: пищевая, химическая и фармацевтическая отрасль, системы кондиционирования и охлаждения, в том числе в промышленности и медицине, работа тепловых насосов и систем горячего водоснабжения.

Пластинчатые теплообменники – технические характеристики

Пластинчатый теплообменник отличается довольно высокими показателями мощности. Режим температуры теплоносителя может достигать 180 градусов. Надежные пластинчатые теплообменники широко применяются в сферах отопления, энергетики, пищевой промышленности, климатическом, холодильном и вентиляционном оборудовании.

Основные характеристики агрегата будут различаться в зависимости от типа конструкции и модели:

Паяные	Разборные	Полусварные	Сварные
Наивысший показатель температуры	220°C	200°C	350°C	900°C
Наивысший показатель давления	25 Бар	25 Бар	55 Бар	100 Бар
Наивысший показатель мощности	5 Мвт	75 Мвт	75 Мвт	100 Мвт
КПД	90%	95%	85%	85%
Гарантийный срок	20 лет	20 лет	10-15 лет	10-15 лет

К стандартным техническим параметрам пластинчатых аппаратов относятся:

1. Материал пластин – чаще всего листовая тонкая сталь AISI304 или AISI316, титан, сплавы 254 SMO, хастеллой (на основе никеля).
2. Температурный максимум теплоносителя, на который рассчитаны пластины – 180°C.
3. Предельное давление среды – 25 кгс/кв.см.
4. Площадь поверхности теплообмена – 0,1-2100 кв.м.
5. Количество пластин 7-10 штук и более, зависит от сферы применения.

При выборе конкретной модели целесообразно учитывать условия эксплуатации – для большей мощности требуется больше пластин. Их количество определяет производительность и полезное действие системы теплоподачи или охлаждения.

Технические характеристики герметичных пластинчатых теплообменников MIT

Тип	504	513	514	521	522	617
Ширина, мм	200	360	360	460	460	337
Высота, мм	480	930	930	1090	1090	1047
Глубина, мм	200-400	250-1000	250-1000	250-1500	250-1500	250-1250
Диапазон гор.оси, мм	70	140	140	210	210	150
Диапазон верт.оси, мм	381	640	640	720	720	800
Макс. Раб.давл., бар	20	20	20	20	20	20
Испытательное давл., бар	25	25	25	25	25	25
Вес, кг	23+0.25n	98+0.75n	98+0.75n	225+1.1n	225+1.1n	116+0.91n
Диаметр соединения	1 1/4″ Резьбовое	2″ Резьбовое или фальцевое	2″ Резьбовое или фальцевое	4″ Фальцевое	4″ Фальцевое	2 1/2″ Резьбовое или фальцевое

Более подробную информацию по техническим характеристикам можно узнать в этом каталоге

Технические характеристики сварных пластинчатых теплообменников MIT

Тип	ВЗ-012	ВЗ-014	ВЗ-020	ВЗ-027	ВЗ-030
Ширина, мм	72	77	72	111	95
Высота, мм	186	207	314	311	325
Глубина, (мин-макс)	7+2.3n	7+2.3n	7+2.3n	9+2.4n	9+1.5n
Диапазон гор.оси, мм	40	42	42	50	39
Диапазон верт.оси, мм	154	172	278	250	269
Макс. Раб.давл., бар	30	30	30	30	30
Испытательное давл., бар	45	45	45	45	45
Вес, кг	0.6+0.044n	0.7+0.06n	1.1+0.09n	1.2+0.013n	1+0.09n

Более подробную информацию по техническим характеристикам можно узнать в этом каталоге

Отраслевое применение пластинчатых теплообменников

На коммунальных объектах

Пластинчатые теплообменники помогают решать широкий спектр задач: подогревать воду для горячего водоснабжения, бойлеров и бассейнов, систем вентиляции и теплых полов. Их часто задействуют в составе независимого контура отопительной системы, питающейся от ТЭЦ или ЦТП. При этом температура не должна превышать 180 °C, давление – 16 кПа.

В пищевой промышленности

Теплообменники как элемент охладительного, испарительного и пастеризующего оборудования незаменимы в производстве молочных продуктов, сахара, растительных масел, пива, спирта. Самые востребованные в пищевой промышленности модификации – разборные и паяные.

Металлургия и судостроение

Многие технологические процессы в металлургии связаны с сильным нагреванием конструкций и агрегатов. Теплообменники охлаждают оборудование и рабочие среды, смазку в гидравлике и травильные растворы. В судостроении теплообменники применяют для охлаждения двигателя, в составе отопительной системы и ГВС.

Теплообменники необходимы, чтобы охлаждать горячие вещества и подогревать жидкости. Они входят в состав сетевых комплексов, систем подготовки воды и аппаратов низкого давления. В нефтегазовом производстве востребованы титановые конструкции с листом до 0,7 мм и уплотнителем из полимеров NBR или «Витон».

Техническое Задание и Опросный лист по отраслям :

• ТЗ расчета теплообменника для холодильной промышленности;
• ТЗ расчета теплообменника для энергетики и нефтегаза;
• ТЗ расчета теплообменника для теплоснабжения и ЖКХ;
• ТЗ расчета теплообменника для перерабатывающей промышленности;
• ТЗ расчета теплообменника для морского применения;
• ТЗ расчета теплообменника для фармацевтики;
• ТЗ расчета теплообменника для машиностроения и металлургии;

Технические преимущества конструкции

Если сравнивать технические параметры с кожухотрубными моделями, можно выделить следующие особенности разборных пластинчатых конструкций:

1. Повышенный индекс теплопередачи (3-5 вместо 1);
2. Допустимая разность температур рабочих сред всего 1-2% (в кожухотрубных конструкциях 5-10 градусов);
3. Есть возможность произвольно менять площадь поверхности, просто добавляя и убирая пластины;
4. При сборке не требуется сварка и вальцовка за счет разборной конструкции;
5. Более простое обслуживание, осмотр, диагностика неполадок, удобный доступ к внутренним элементам, замена и промывка пластин;
6. В 8 раз меньше затраты времени на разборку (15 минут вместо 2 часов);
7. Простая и оперативная замена уплотнителей (клей не используется);
8. Моментальное обнаружение течи без разборки устройства;
9. Неподверженность коррозии и нечувствительность к вибрациям;
10. Ресурс безотказной работы до капитального ремонта 20 лет (кожухотрубные модели требуют ремонта через 5-10 лет);
11. Пластинчатые агрегаты выигрывают в весе и размерах;
12. Не требуется теплоизоляция и специальный фундамент.

Принцип работы и устройство пластинчатого теплообменника

В каждой из пластин для теплоносителя и уплотнения предусмотрено по два отверстия:

1. для подведения и отведения разогретого теплоносителя;
2. для герметичного соединения пластин и изоляции теплоносителей за счет компактных уплотнителей.

Характерная особенность и преимущество пластинчатого теплообменника в том, что движение теплоносителя сопровождается завихрениями потока, что резко усиливает обмен тепловой энергией. Сопротивление при этом минимальное, что сокращает образование накипи. За счет многократного и интенсивного теплового обмена эффективность работы и КПД пластинчатого теплообменника одни из самых высоких.

Последствия неправильного подбора теплообменника

Для длительной безотказной эксплуатации важно выбрать модель, которая будет оптимальной для конкретных сред, температурных режимов, мощности и периодичности нагрузки. Выбрать подходящий по всем критериям вариант может только специалист. Обращение к профессионалам гарантирует отсутствие поломок в течение всего срока службы устройства. Отпадает необходимость в частом сервисном обслуживании и ремонте. Правильный выбор системы исключает распространенную проблему стекловидной накипи, ведущую к поломкам устройства.

Автоматика и подключение

При монтаже оборудования важно учитывать, что теплообменник всегда работает как элемент системы. Он не используется в качестве самостоятельного аппарата. Вместе с теплообменником в системе задействовано следующее оборудование: обратные клапаны, запорная арматура (комплекс задвижек, заслонок), контрольно-измерительные аппараты – манометры, термометры, циркуляционные насосы и другие виды приборов и агрегатов.

Варианты подключения пластинчатого теплообменника, их достоинства и недостатки.

1. Независимая одноступенчатая параллельная схема.

• Экономичная установка, экономия свободного пространства;
• Простота конструкции.

• Отсутствует подогрев холодного теплоносителя.

2. Двухступенчатая смешанная схема.

• За счет подогрева входящего теплоносителя обратным потоком эффективность увеличивается на 40%.

• При проектировании системы горячего водоснабжения нужно подключать сразу два теплообменника, что удорожает решение.

3. Двухступенчатая последовательная схема.

• Стабилизируется сетевая нагрузка, растет эффективность применения теплоносителя.
• Уменьшаются расходы на 60% в сравнении с параллельной схемой и на 20-25% в сравнении со смешанной.

• Невозможность 100% автоматизации.

Подбор пластинчатого теплообменника

Чтобы правильно подобрать пластинчатый теплообменник, необходимо рассчитать его технические параметры.

За основу берутся следующие данные:

1. — схема присоединения ГВС;
2. — тепловая нагрузка (мощность);
3. — данные о греющей среде:
   • температура на входе (для зимы/ лета), в °С;
   • температура на выходе (для зимы/ лета), в °С;
   • расход среды (если нет данных по мощности), в куб. м/час;
   • допустимые потери давления (атм.);
4. — данные о нагреваемой среде:
   • входная температура (зима/лето), в °С;
   • выходная температура (зима/лето), в °С;
   • расход среды (если нет данных по мощности), в куб. м/час;
   • допустимые потери давления (в атм.);
   • запас мощности (в %).

Пример расчета

Пластинчатые теплообменники относятся к индивидуальному инженерному оборудованию, которое отдельно выбирается, настраивается и адаптируется под каждый объект. Укажите нам конкретные технические параметры по вашему проекту, и мы сразу рассчитаем, какое оборудование необходимо в вашем случае.

Чтобы оставить нам данные для расчетов, заполните онлайн форму заявки на сайте, напишите или позвоните. Ниже мы приводим список основных параметров, которые нужны, чтобы рассчитать пластинчатый теплообменник.

1. Мощность (нагрузка) – количество тепловой энергии, необходимое для отопления и горячего водоснабжения объекта (измеряется в Гкал/час, ккал/час, кВт/час).
2. Температурные графики – какую температуру дает и забирает обратно теплосеть, какой температурной отметки необходимо достичь.

Посмотреть эти характеристики можно в договоре с теплосетью. Там приведены технические условия и прописаны температурные графики, а также мощность, отведенная на отопление и горячее водоснабжение.

Основываясь на предоставленных вами данных, мы рассчитываем теплообменник и информируем вас о его стоимости и условиях поставки. Предоставляем подробный расчет, техническое описание требуемого аппарата с указанием габаритов и веса теплообменника пластинчатого.

Расчет от нашей компании производится с помощью профессионального программного обсечения

Преимущества заказа пластинчатого теплообменника у нас:

1. Точный расчет теплообменника. Подбираем адаптированное оборудование под ваш проект.
2. Гарантия объективной стоимости. Оптимизируя мощность оборудования, не завышаем цену.
3. Оперативно обрабатываем заявки.
4. Организуем изготовление, доставку и подключение пластинчатого теплообменника на выгодных условиях.
5. Предлагаем оптовые цены за счет прямого сотрудничества с ведущими производителями.
6. Несем полную ответственность за соблюдение сроков и качество техники.

Звоните, мы поможем с решением вашей задачи, рассчитаем и спроектируем аппарат, организуем доставку и установку. Предлагаем пластинчатые теплообменники российского производства с высоким КПД и выгодными техническими параметрами и характеристиками. В каталоге представлены приблизительные описания моделей, назначение и особенности эксплуатации теплообменников пластинчатого типа.