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.

Содержание:

• Устройство и принцип работы
• Требования к прокладкам
• Виды пластинчатых теплообменных аппаратов и их применение
• Технические характеристики
• Для чего нужен теплообменник в отопительной системе
• Достоинства и недостатки
• Схемы обвязки пластинчатого теплообменника
• Инструкция по эксплуатации
• Промывка теплообменного аппарата

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 60⁰). 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 30⁰). Пластины являются переходным вариантом и отличаются средними показателями турбулентности и интенсивности теплопередачи;
3. с «жесткими» каналами (угол рифления 30⁰). 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.

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 +160⁰С, непригодны для жирных и масляных сред;
• NITRIL прокладки (NBR) используются для работы с маслянистыми рабочими средами, температура которых не превышает 135⁰С;
• VITOR прокладки рассчитаны на работу с агрессивными рабочими средами при температуре не более 180⁰С.

На графиках представлена зависимость срока службы уплотнений от условий эксплуатации:

Что касается крепления уплотнительных прокладок, существует два способа:

• на клей;
• с помощью клипсы.

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:

• разборной;
• паяный;
• полусварной;
• сварной.

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:

Исходя из приведенных в таблице параметров определяют необходимую модель теплообменника. Помимо этих характеристик, следует учесть тот факт, что полусварные и сварные теплообменники больше приспособлены к работе с агрессивными рабочими средами.

Для чего нужен теплообменник в отопительной системе

Объяснить наличие теплообменника в отопительной системе довольно просто. Большинство систем теплоснабжения в нашей стране спроектировано таким образом, что температура теплоносителя регулируется в котельной и подается нагретая рабочая среда непосредственно в радиаторы, установленные в квартире.

При наличии теплообменника, рабочая среда из котельной отпускается с четко определенными параметрами, например, 100⁰С. Попадая в первичный контур, нагретый теплоноситель не поступает в отопительные приборы, а нагревает вторичную рабочую среду, которая и попадает в радиаторы.

Преимущество такой схемы заключается в том, что регулировка температуры теплоносителя осуществляется на промежуточных индивидуальных тепловых станциях, откуда и подается потребителям.

Достоинства и недостатки

Широкое распространение пластинчатых теплообменников обусловлено следующими достоинствами:

• компактными габаритами. За счет использования пластин существенно увеличивается площадь теплообмена, что снижает общие габаритные размеры конструкции;
• простотой монтажа, эксплуатации и технического обслуживания. Модульная конструкция агрегата позволяет легко разобрать и промыть требующие очистки элементы;
• высоким КПД. Производительность ПТО составляет от 85 до 90%;
• доступной стоимостью. Кожухотрубные, спиральные и блочные установки, при сходных технических характеристиках, стоят значительно дороже.

Недостатками пластинчатой конструкции можно считать:

• необходимость заземления. Под действием блуждающих токов в тонких штампованных пластинах могут образовываться свищи и другие дефекты;
• необходимость использования качественных рабочих сред. Поскольку поперечное сечение рабочих каналов небольшое, применение жесткой воды или некачественного теплоносителя может привести к засору, что снижает интенсивность теплопередачи.

Схемы обвязки пластинчатого теплообменника

Существует несколько способов подключения ПТО к отопительной системе. Наиболее простым принято считать параллельное включение с регулировочным клапаном, принципиальная схема которого приведена ниже:

Схема параллельного подключения ПТО

К недостаткам такого подключения можно отнести повышенную нагрузку на отопительный контур и небольшую эффективность нагрева воды при значительной разности температур.

Параллельное подключение двух теплообменников в двухступенчатую схему обеспечит более продуктивную и надежную работу системы:

Схема двухступенчатого параллельного подключения

1 – пластинчатый теплообменник; 2 – температурный регулятор; 2.1 – клапан; 2.2 – термостат; 3 – насос циркуляционный; 4 – счетчик расхода горячей воды; 5 – манометр.

Нагревающей средой для первой ступени служит обратный контур отопительной системы, а в качестве нагреваемой среды – холодная вода. Во втором контуре нагревательной средой служит теплоноситель из прямой магистрали отопительной системы, а в качестве нагреваемой среды – предварительно подогретый теплоноситель из первой ступени.

Инструкция по эксплуатации

К каждому заводскому пластинчатому теплообменнику обязательно прилагается подробная инструкция по эксплуатации, содержащая всю необходимую информацию. Ниже будут приведены некоторые основные положения, касающиеся всех типов ПТО.

Установка ПТО

1. Место расположения агрегата должно обеспечивать свободный доступ к основным узлам для проведения технического обслуживания.
2. Крепление подающих и отводящих магистралей должно быть жестким и герметичным.
3. Устанавливать теплообменник следует на строго горизонтальную бетонную или металлическую основу, обладающую достаточной несущей способностью.

Пуско-наладочные работы

1. Перед запуском агрегата необходимо проверить его герметичность согласно рекомендациям, приведенным в техническом паспорте изделия.
2. При первичном запуске установки скорость повышения температуры не должна превышать 25⁰С/ч, а давление в системе 10 Мпа/мин.
3. Порядок проведения и объем пуско-наладочных работ должны четко соответствовать приведенному в паспорте агрегата перечню.

Эксплуатация агрегата

1. В процессе использовании ПТО не допускается превышение температуры и давления рабочей среды. Перегрев или повышение давления могут привести к серьезным поломкам или полному выходу из строя агрегата.
2. Для обеспечения интенсивного теплообмена между рабочими средами и увеличения КПД установки необходимо предусмотреть возможность очистки рабочих сред от механических примесей и вредных химических соединений.
3. Значительно продлить срок службы устройства и увеличить его производительность позволит регулярное проведение технического обслуживания и своевременная замена поврежденных элементов.

Промывка пластинчатого теплообменника

Функциональность и работоспособность агрегата в значительной степени зависит от качественной и своевременной промывки. Частота промывки обусловлена интенсивностью работы и особенностями технологических процессов.

Методика проведения очистных работ

Образование накипи в теплообменных каналах является наиболее распространенным видом загрязнения ПТО, ведущим к снижению интенсивности теплообмена уменьшению общего КПД установки. Удаление накипи производится с помощью химической промывки. Если помимо накипи присутствуют другие виды загрязнения, необходимо произвести механическую очистку пластин теплообменника.

Химическая промывка

Метод применяется для очистки всех типов ПТО, и эффективен при незначительном загрязнении рабочей зоны теплообменника. Для проведения химической очистки не требуется разборка агрегата, что позволяет значительно сократить время проведения работ. Кроме того, для очистки паяных и сварных теплообменников другие методы не применяются.

Химическая промывка теплообменного оборудования производится в следующей последовательности:

1. специальный моющий раствор вводится в рабочую зону теплообменника, где под воздействием химически активных реагентов происходит интенсивное разрушение накипи и других отложений;
2. обеспечение циркуляции моющего средства по первичному и вторичному контурам ТО;
3. промывка теплообменных каналов водой;
4. слив чистящих препаратов из теплообменника.

В процессе проведения химической очистки особое внимание следует уделить окончательной промывке агрегата, поскольку химически активные компоненты моющих средств могут разрушить уплотнения.

Наиболее распространенные виды загрязнений и способы очистки

В зависимости от используемых рабочих сред, температурных режимов и давления в системе, природа загрязнений может быть различной, поэтому для эффективной очистки необходимо правильно подобрать моющее средство:

• очистка от накипи и металлических отложений используются растворы фосфорной, азотной или лимонной кислоты;
• для удаления оксида железа подойдет ингибированная минеральная кислота;
• органические отложения интенсивно разрушаются гидроксидом натрия, а минеральные – азотной кислотой;
• жировые загрязнения удаляют с помощью специальных органических растворителей.

Поскольку толщина теплообменных пластин составляет всего 0,4 – 1 мм, особое внимание следует уделять концентрации активных элементов в моющем составе. Превышение допустимой концентрации агрессивных компонентов может привести к разрушению пластин и уплотнительных прокладок.

Широкое применение пластинчатых теплообменников в различных отраслях современной промышленности и коммунального хозяйства обусловлено высокой производительностью, компактными габаритными размерами, простотой монтажа и технического обслуживания. Еще одним преимуществом ПТО является оптимальное соотношение цена/качество.