Пластинчатые теплообменники предназначены для нагрева или охлаждения жидкостей и газов. Оборудование состоит из пластин, соединенных пайкой, сваркой или стяжными болтами, резиновых или полимерных прокладок, общей рамы.
Внутри аппарата образованы каналы, по которым движутся теплоноситель или хладагент и нагреваемая или охлаждаемая среда. Теплообмен осуществляется через пластины, при этом рабочие среды физически разделены. Для увеличения площади поверхности, пластины изготавливают гофрированными или оребренными.
Варианты рабочих сред:
- «жидкость – жидкость»,
- «перегретый пар (газ + пар) – жидкость»,
- «газ – газ»,
- «пар – жидкость».
Область применения пластинчатых теплообменников – горячее водоснабжение и отопление, пищевая, химическая, металлургическая и другие отрасли промышленности, корабельные системы и т.д.
Конструкция тепловых аппаратов
Одна из основных характеристик аппаратов – конструкция. По способу соединения пластин различают разборные, сварные, полусварные и паяные пластинчатые теплообменники.
Пластины разборных агрегатов стянуты резьбовыми соединениями. Между ними расположены уплотнительные прокладки, которые обеспечивают герметичность каналов. При необходимости аппарат можно разобрать, выполнить механическую чистку или замену поврежденной секции. К недостаткам оборудования относят ограничения по давлению, температуре рабочей среды, невозможность применения с жидкостями, парами или газами, агрессивными к материалам прокладок.
Пластины паяных теплообменников соединены методом пайки. Тип припоя зависит от исполнения оборудования. Для тепловых аппаратов используют материалы на основе олова, меди, никеля или нержавеющей стали. Оборудование может применяться при высоком давлении, температуре, с агрессивными рабочими средами. Чистка паяных теплообменников возможна только промывкой растворами реактивов. При наличии в рабочей среде загрязнений требуется применять фильтры.
Пластины сварного или полусварного теплообменного оборудования приварены друг к другу. В первом случае прокладки не используются, во втором – уплотнения установлены с внешней стороны. Оборудование может применяться при значительном давлении, температуре пара, газа или жидкости, использоваться с химически агрессивными средами.
По конструкции различают:
- Одноходовые аппараты. В устройствах поток рабочей среды разделяется по параллельным каналам, проходит по ним один раз и поступает в выходной патрубок.
- Двух- и многоходовые аппараты. Поток рабочей среды в таких теплообменниках совершает несколько ходов по каналам, прежде чем поступает на выход.
Тепловое оборудование также различают по количеству контуров (одно и двухконтурные), способу организации потока: проточные и скоростные теплообменники.
Ключевые параметры пластинчатого теплообменника
Тепловые аппараты выбирают при проектировании, реконструкции технологической линии или системы, при выходе теплообменника из строя в действующем узле.
В процессе выполняют:
- Тепловой расчет. При этом определяют тепловую нагрузку, массовый, объемный расход нагревающей (охлаждающей) жидкости или газа. По полученным значениям вычисляют средний температурный напор между рабочими средами, среднюю скорость потока в каналах, коэффициент теплоотдачи и теплопередачи, общую площадь теплообменных поверхностей.
- Компоновочный расчет. В процессе определяют количество пластин в секции и аппарате, число пакетов в секции, количество каналов в пакетах секций, уточняют значения теплоотдачи со стороны нагреваемой (охлаждаемой) и нагревающей (охлаждающей) сред. Далее вычисляют уточненное значение коэффициента теплопередачи, общую поверхность теплоотдачи. Исходя из полученных данных, корректируют количество пластин в секции и аппарате, число каналов в пакетах, определяют окончательную компоновку теплообменника. Площадь теплоотдачи выбирают с некоторым запасом от 10%. Это необходимо для сохранения требуемого теплообмена при загрязнении каналов.
- Гидравлический расчет. При этом определяют коэффициенты общего гидравлического сопротивления единицы относительно длины каналов рабочих сред, гидравлические сопротивления пакетов, потери давления в патрубках, других элементах теплового аппарата. Затем вычисляют общее гидравлическое сопротивление путей движения нагреваемой (охлаждаемой) и нагревающей (охлаждающей) жидкости или газа, требуемую мощность для преодоления гидравлических сопротивлений со стороны обеих сред.
- Экономический расчет. В процессе определяют расходы на производство, установку, эксплуатацию теплового аппарата.
При проведении технических расчетов важно использовать точные исходные данные (температура жидкостей, паров или газов на входе и выходе, тепловая нагрузка или массовый расход, физические параметры нагреваемой и нагревающей среды). Для точного определения конструкции и характеристик теплового аппарата требуется вводная информация из технических условий, проекта узла, линии или технического задания на проектирование.
Ошибки приводят к нарушениям технологических процессов, преждевременному выходу теплообменника из строя.
При выборе также учитывают материал пластин. В их производстве используют:
- Нержавеющую сталь, сплавы на основе никеля и молибдена марок AISI 304, AISI 316L, SMO 254, C-276 и т.д. Материалы обладают значительной механической прочностью, стойкостью к химически агрессивным воздействиям, высокой температуре.
- Медь. Металл отличает высокий коэффициент теплопередачи, стойкость к соляным растворам и морской воде, слабым кислотам, щелочам.
- Титан. Материал инертен к большинству сильноагрессивных веществ, хорошо передает тепло, выдерживает значительное давление, температуру.
При выборе оборудования учитывают толщину пластин. Толщину и материал выбирают исходя из максимального и рабочего давления, температуры, химических свойств нагревающих и нагреваемых сред (пар, перегретый пар, вода, гликоль, фреон, растворы кислот, щелочей, сусло молоко, сливки, сиропы и т.д.). При выборе по давлению и температуре используют наибольшие из возможных значений, в противном случае пластинчатый аппарат быстро начнет протекать и выйдет из строя.
Для разборных и полусварных теплообменников принимают во внимания материал прокладок. Уплотнения изготавливают из эластичных полимеров: EPDM, FPM, NITRIL, Silicone, Viton и т.д. Материал выбирают по температурному режиму, давлению, химическим свойствам рабочей жидкости, газа или пара, скорости естественного износа, вызванного старением.
Также учитывают тип и условный проход технологического подключения. Присоединение должно отвечать условиям производственного процесса. Диаметр подключения выбирают исходя из расчетных скоростей потока. Заниженный условный проход может вызвать турбулентность в каналах, ухудшить теплопередачу, нарушить герметичность места присоединения. Чрезмерно большой диаметр изменяет давление, расход жидкости, пара или газа и также влияет на теплообмен.
Кроме того, при выборе пластинчатого теплообменника учитывают расположение патрубков, направление потоков, габариты, массу, средний срок службы, гарантийный период, предоставляемый производителем, стоимость и другие характеристики.
После выполнения расчетов, учета характеристик технологического процесса, дополнительных критериев выбирают подходящие тепловые агрегаты с параметрами, наиболее приближенными к полученным значениям:
- количества пластин и секций.
- Полезной площади теплообмена с запасом на загрязнение.
Допустимый диапазон рабочих температур, тип, диаметр присоединения, наибольший возможный расход, величина предельного давления, возможные нагревающие и нагреваемые жидкости, газы пары, материал пластин и уплотнений также должны отвечать условиям выбора.
Цена теплового оборудования определяется после расчета. Стоимость зависит от размера рамы, материала, площади, толщины, количества пластин, типа уплотнений, компоновки теплообменников.
Итак, при выборе теплового аппарата требуется:
- Использовать точные исходные данные.
- Тщательно выполнить теплотехнические, компоновочные, гидравлические и экономические расчеты.
- Внимательно проверить все этапы, результаты вычислений.
- Учесть дополнительные критерии.
Производители и продавцы теплообменников обычно предлагают услуги подбора. Для заказа оборудования требуется заполнить опросный лист. При этом важно найти добросовестного поставщика, так как часть компаний выполняет расчеты, ориентируясь на уменьшение цены теплового оборудования. Подобранные таким аппараты значительно быстрей выходят из строя, часто не отвечают условиям технологического процесса.