Пластинчатый теплообменник: схема и принцип работы

Пластинчатые теплообменники представляют собой технические устройства, состоящие из тонких металлических штампованных пластин. С их помощью происходит передача тепловой энергии от горячего теплоносителя к нагреваемой среде. Приборы работают по одинаковому принципу, но отличаются по мощности, материалу изготовления, средней рабочей температуре и виду уплотнителя.

Устройство теплообменника

В устройстве пластинчатого теплообменника задействованы:

• набор рельефных пластин— неподвижных и прижимных;
• патрубки для входа и выхода теплоносителя;
• плиты для стяжки;
• стяжные болты.

Основными деталями являются пластины.  Они нужны для переноса энергии от одного теплоносителя к другому. Их изготавливают штампованием из нержавеющей стали низкой пробы. Затем производят полировку электрохимическим способом. В итоге детали устойчивы к коррозии, могут работать при высокой температуре. На рисунке представлены пластины разных видов.

В схемах отражена конструкция теплообменника, которая зависит от модели устройства. Количество пластин с закрепленными прокладками для герметизации каналов может быть разным. На них приходится основная нагрузка при работе оборудования, так как детали крепления и рама являются элементами корпуса.

Пластины имеют гофрированную поверхность и рельефную окантовку. Это гарантирует надежное крепление при их сжатии, а также придает конструкции дополнительную жесткость. Подобное строение обеспечивает свободное перемещение жидкости по каналам.

Отличия теплообменников:

• в разборных аппаратах модуль с пластинами находится между прижимными и стационарными элементами, они крепко присоединены с помощью стержней;
• пластины разделяют каучуковые или герметичные уплотнители;
• уплотнители приклеены в специальные отверстия или закреплены шпильками;
• если теплообменник паяный, его детали соединены припоем, обеспечивающим целостность прибора;
• аппарат может быть установлен на пол или несущую конструкцию.

Схема и принцип работы пластинчатого теплообменника

Современные пластинчатые теплообменники эксплуатируются по особой системе. Отделы оборудования по очереди заполняются охлаждаемым и нагреваемым теплоносителем. Для того чтобы его удерживать или пропускать, применяют прокладки-уплотнители. Теплые и холодные массы перемещаются навстречу друг другу.

Пластины имеют высокую теплопередачу за счет эффективной конструкции. При их изготовлении используется специальная разработка «Офф-сет». Ее принцип заключается в создании каналов, располагающихся симметрично и ассиметрично. В результате жидкость распределяется равномерно, а теплоотбор увеличивается. Пластины могут быть двух видов.

1. Жесткое рифление, нанесенное под углом 30 градусов. У таких изделий повышена теплопроводность, но при этом они не могут сдерживать высокого напора жидкости.
2. Мягкое рифление под углом 60 градусов. Пластины имеют пониженную тепловую проводимость, но зато способны выдерживать высокий напор жидкости.

Изменяя пластины внутри теплообменника, можно найти оптимальные способы тепловой отдачи. При этом размер оборудования будет в несколько раз меньше, чем кожухотрубное устройство, но тепломеханические показатели у них одинаковы.

Для правильного подключения такого устройства, как пластинчатый теплообменник, требуется специальная схема:

• F1 — подведение нагревающего теплоносителя;
• F2 — отведение нагретой среды;
• F4 — отведение нагревающего теплоносителя;
• F3 — подведение охлажденной жидкости;
• М — манометр;
• Т — термометр;
• КЗ — кран запорный;
• ФМС — фильтр магнитно-сетчатый;
• КР — клапан регулирующий;
• ФЛ — фланец плоский.

Технические характеристики

Пластинчатые теплообменники могут использоваться для передачи энергии между жидкими и газообразными средами. Устройства применяют в сфере ЖКХ для подогрева воды и отопления многоквартирных домов, на промышленных объектах и электростанциях.

Основные технические характеристики теплообменников с пластинами:

• давление при стандартных условиях работы от 2,5 до 4,0 МРа;
• рабочая температура от -50 до +300 °С;
• прокладки из тонкой листовой меди, Nitrile, Silicone;
• пластины из нержавеющей стали.

Устройство имеет следующие преимущества:

• КПД до 95 %;
• при необходимости мощность устройства легко увеличивается простым добавлением пластин;
• маленькие размеры по сравнению с оборудованием других типов;
• удобство обслуживания — при загрязнении пластины легко очищаются от налета;
• качественная полировка пластин предотвращает появление отложений на их поверхности;
• срок эксплуатации до 25 лет;
• невысокая стоимость ремонта;
• монтировать пластинчатый теплообменник достаточно просто, если есть схема установки.

Материалы, используемые для изготовления

Материал для производства пластинчатого теплообменника должен иметь следующие качества:

• устойчивость к химическому воздействию;
• антикоррозийные свойства;
• стойкость к высокой температуре.

Большинство низкотемпературных элементов для аппаратов изготавливают из малоуглеродистой стали. Для деталей, работающих при высоких температурах, используют жароустойчивую сталь. Она не окисляется при воздействии химических растворов и обладает повышенной прочностью.

Для отдельных узлов пластинчатого теплообменника применяют чугун и цветные металлы. Важно, чтобы материал обладал хорошими качествами для литья и не подвергался коррозии.

Для вентилей и задвижек применяют ковкий чугун, который имеет большую пластичность. Легированный чугун используют для производства деталей, устойчивых к растворам кислот и высокой температуре. Он не окисляется, не изменяет форму при нагреве до 1000 °С.

Цветные металлы и сплавы подходят для корпуса теплообменника. Они обладают высокой тепловой проводимостью и антикоррозийными качествами. Большое распространение получили:

• латунь — сплав на основе меди с добавлением олова;
• бронза — сплав меди, алюминия и цинка.

Для изготовления устройств также применяют неметаллические материалы: каучук, пластмассу, силикон. Они не подвержены агрессивному влиянию окружающей среды, поэтому их используют для производства прокладок и уплотнителей.

Керамические материалы имеют небольшой вес, не распадаются при высокой температуре и обладают хорошей прочностью. Их применяют в качестве теплоизоляционных элементов.

Виды теплообменников

• Разборные пластинчатые теплообменники работают по принципу передачи тепла от горячей жидкости к нагреваемой среде через стальные гофрированные пластины. Они устанавливаются в раму и стягиваются в пакет. Движение жидкости происходит по встречным направлениям, а в местах возможной встречи нагретой и холодной сред находится резиновое уплотнение. Таким образом, исключается смешивание. Все пластины имеют одинаковую форму и размер. Основное преимущество данного вида оборудования в том, что для увеличения мощности достаточно просто добавить нужное количество пластин, для снижения — убрать лишние. Конструкция также дает возможность легко производить промывку деталей и текущий ремонт, поскольку разборка аппарата элементарна.
• Пластинчатый паяный теплообменник относится к самоочищающимся приборам: схема основана на создании сильно турбулизированных потоков. Если применяется загрязненный теплоноситель, можно провести безразборную чистку оборудования с применением химических препаратов. Металл пластин позволяет использовать различные кислоты для промывки. Для соединения пластин между собой применяется метод твердого припоя. Это дает возможность исключить использование уплотняющих прокладок и прижимных плит, что сводит к минимуму риск протечек.
• Сварные и полусварные теплообменники используют в системах холодоснабжения. Фреон, конденсатор или аммиак циркулирует внутри модулей, исключая утечку хладагента. В таком приборе пластины складываются попарно и свариваются с помощью лазера. В результате в конструкции отсутствуют материалы для уплотнения, увеличивается устойчивость к давлению, повышается срок эксплуатации оборудования.

Устройства могут отличаться по типу компоновки. При одноходовой жидкость разделяется на параллельные потоки, движется по каналам и сливается через специальный выход. Пластинчатый многоходовый теплообменник имеет глухие перегородки, поэтому его схема работы более сложная: теплоноситель циркулирует по каналам, совершая разворот.