1. Понимание разборных пластинчатых теплообменников
Теплообменники являются важнейшими устройствами, разработанными для облегчения передачи тепловой энергии между двумя или более жидкостями с разными температурами без их смешивания. Этот фундаментальный процесс лежит в основе широкого спектра промышленных операций, внося значительный вклад в энергоэффективность и терморегулирование в различных секторах. Среди различных типов теплообменников устройство пластинчатого теплообменника (ПТО) выделяется своей компактной конструкцией и высокой эффективностью теплопередачи. В этих теплообменниках используется пакет тонких, часто гофрированных, металлических пластин для обеспечения большой площади поверхности для теплообмена между жидкостями, протекающими по узким каналам, образованным между пластинами. Их компактность, требующая значительно меньшей площади, чем традиционные кожухотрубные теплообменники при той же тепловой мощности, делает их особенно привлекательными для установок с ограниченным пространством.
Эта статья от специалистов компании Интэр будет посвящен разборным ПТО, в первую очередь пластинчатым теплообменникам с уплотнениями (ПТУ). Эти теплообменники характеризуются использованием высококачественных уплотнений, расположенных между пластинами для создания герметичности и направления потока жидкостей. Ключевым преимуществом ПТУ является их способность к легкой разборке для очистки, планового технического обслуживания, увеличения производительности за счет добавления дополнительных пластин или замены отдельных пластин.
Важно: Эта особенность обеспечивает значительные экономические выгоды за счет снижения затрат на техническое обслуживание и времени простоя.
Напротив, другие типы ПТО, включая паяный пластинчатый теплообменник принцип работы которого реализуется в неразборной конструкции (как и у сварных моделей), обычно не подлежат обслуживанию путем разборки, что ограничивает их ремонтопригодность. Понимание характеристик, материалов и разнообразных применений разборных пластинчатых теплообменников имеет решающее значение для выбора подходящего решения для теплопередачи для конкретной промышленной потребности.
2. Принципы работы и ключевые характеристики
Фундаментальный принцип действия пластинчатых теплообменников заключается в передаче тепловой энергии от более горячей жидкости к более холодной через ряд тонких пластин.
Эта теплопередача происходит естественным образом в соответствии с законами термодинамики, перемещаясь от вещества с более высокой температурой к веществу с более низкой температурой. В типичном ПТУ две жидкости с разными температурами протекают по обе стороны этих пластин. Теплопередача облегчается за счет теплопроводности через материал пластины и конвекции жидкости на поверхности пластины, эффективно способствуя теплообмену между двумя жидкостями.
Гофрированные металлические пластины являются основными компонентами, определяющими то, как устроена конструкция пластинчатого теплообменника, и отвечающими за эту эффективную теплопередачу. Эти пластины расположены в стопке, образуя узкие прямоугольные каналы, по которым текут жидкости. Гофры на пластинах выполняют несколько важнейших функций:
- Во-первых, они вызывают турбулентность в потоке жидкости даже при относительно низких скоростях, что значительно повышает коэффициент теплопередачи за счет улучшения перемешивания жидкости и снижения термического сопротивления пограничного слоя.
- Во-вторых, гофрированная конструкция эффективно увеличивает общую площадь поверхности, доступную для теплообмена, по сравнению с плоскими пластинами того же проекционного размера. Эта большая площадь поверхности обеспечивает более эффективную теплопередачу.
- В-третьих, гофры обеспечивают механическую прочность и жесткость тонким пластинам, позволяя им выдерживать давление, оказываемое жидкостями.
Для оптимизации турбулентности и характеристик теплопередачи для конкретных применений используются различные рисунки гофрирования, такие как шевронный рисунок.
Уплотнения играют решающую двойную роль, обеспечивая работу пластинчатого теплообменника разборного типа.
- В первую очередь они отвечают за герметизацию пластин, предотвращая любую утечку жидкостей в окружающую среду или смешивание между горячим и холодным потоками.
- Во-вторых, расположение уплотнений вокруг портов пластин предназначено для направления потока двух жидкостей в чередующиеся каналы внутри пакета пластин.
Поэтому материал и конструкция этих уплотнений имеют решающее значение для надежной и эффективной работы теплообменника. Поток жидкостей через пластинчатый теплообменник может быть сконфигурирован несколькими способами, наиболее распространенным из которых является противоток (или противоточная схема). В этой схеме горячая и холодная жидкости текут в противоположных направлениях вдоль поверхности теплопередачи, что обычно обеспечивает наивысшую тепловую эффективность за счет поддержания более равномерной разницы температур по всему теплообменнику. Другие конфигурации потока включают прямоток, где обе жидкости текут в одном направлении, и перекрестный ток, где жидкости текут перпендикулярно друг другу. Выбор конфигурации потока существенно влияет на общую эффективность теплопередачи и выбирается исходя из конкретных требований применения.
Для оценки эффективности пластинчатых теплообменников используются несколько ключевых рабочих параметров.
- Коэффициент теплопередачи (значение U) является мерой эффективности передачи тепла на единицу площади и разницы температур. Более высокое значение U указывает на лучшую теплопередачу.
- Перепад давления представляет собой сопротивление потоку при прохождении жидкостей через узкие каналы теплообменника. Более высокая турбулентность, хотя и полезна для теплопередачи, может также привести к увеличению перепада давления, что, в свою очередь, влияет на требуемую мощность насоса и связанные с этим эксплуатационные расходы.
- Тепловая эффективность - отношение фактической теплопередачи к максимально возможной теплопередаче.
На тепловую эффективность влияют: разница температур между жидкостями, их скорости потока, их физические свойства и степень загрязнения поверхностей теплопередачи. Выбор и проектирование пластинчатого теплообменника часто включают компромисс между максимизацией эффективности теплопередачи и минимизацией перепада давления для достижения оптимальной производительности.
3. Преимущества и недостатки по сравнению с другими теплообменниками
Разборные пластинчатые теплообменники обладают множеством преимуществ, которые способствовали их широкому распространению в различных отраслях промышленности. Их высокая эффективность теплопередачи является основным преимуществом, обусловленным большой площадью поверхности, обеспечиваемой пакетом пластин, и повышенной турбулентностью, вызываемой гофрированной конструкцией пластин.
Эта эффективность часто превосходит эффективность традиционных кожухотрубных теплообменников, позволяя осуществлять более эффективную теплопередачу при меньших габаритах. Компактная конструкция пластинчатых теплообменников является еще одним существенным преимуществом, требуя значительно меньшего пространства по сравнению с кожухотрубными теплообменниками с аналогичной тепловой нагрузкой. Это особенно выгодно в случаях, когда ограничения по пространству являются основным фактором.
Важно: Разборная конструкция пластинчатых теплообменников с уплотнениями обеспечивает решающее преимущество в простоте технического обслуживания и очистки.
Возможность открытия теплообменника и доступа к каждой пластине позволяет проводить тщательную очистку для удаления отложений, которые со временем могут ухудшить производительность. Кроме того, модульная конструкция обеспечивает масштабируемость; теплопередающую способность можно регулировать путем добавления или удаления пластин по мере изменения технологических требований.
В некоторых случаях высокая турбулентность внутри узких каналов пластинчатых теплообменников может также привести к меньшей склонности к загрязнению по сравнению с более ламинарными режимами течения в кожухотрубных теплообменниках.
Кроме того, пластинчатые теплообменники способны достигать очень малых температурных сближений между горячей и холодной жидкостями, что особенно выгодно в приложениях рекуперации тепла, где крайне важно максимизировать передачу тепловой энергии. В определенных сценариях первоначальные затраты на установку пластинчатых теплообменников также могут быть ниже, чем на сопоставимые кожухотрубные агрегаты.
Несмотря на эти многочисленные преимущества, разборные пластинчатые теплообменники также имеют определенные ограничения.
Важно: Одним из потенциальных недостатков является риск утечки из-за уплотнений, особенно при работе при высоких давлениях и температурах или по мере старения и деградации уплотнений.
По сравнению со сварными или паяными соединениями в кожухотрубных теплообменниках, уплотнения могут стать слабым звеном в экстремальных условиях. Пластинчатые теплообменники также имеют тенденцию к более высоким перепадам давления по сравнению с кожухотрубными теплообменниками при той же тепловой нагрузке.
Это является следствием узких проточных каналов и гофрирования пластин, вызывающего турбулентность. Предельные значения рабочей температуры и давления пластинчатых теплообменников с уплотнениями также часто ограничиваются свойствами материалов уплотнений. Эти теплообменники могут быть непригодны для применений, связанных с очень высокими температурами или давлениями жидкости, превышающими возможности уплотнений. Кроме того, узкие проточные каналы между пластинами могут сделать их менее подходящими для работы с высоковязкими жидкостями или жидкостями, содержащими крупные твердые частицы, поскольку это может привести к увеличению сопротивления потоку и потенциальной закупорке.
В некоторых случаях первоначальная стоимость пластинчатого теплообменника может быть выше, чем у кожухотрубного теплообменника для конкретного применения. Наконец, обнаружение утечек в пластинчатом теплообменнике иногда может быть более сложным по сравнению с кожухотрубными конструкциями.
4. Материалы конструкции: пластины и уплотнения
Выбор подходящих материалов для пластин и уплотнений разборного пластинчатого теплообменника имеет первостепенное значение для обеспечения его эффективной работы, долговечности и совместимости с технологическими жидкостями.
Нержавеющая сталь является широко используемым материалом для пластин ПТО благодаря хорошему балансу коррозионной стойкости, теплопроводности и экономической эффективности. В зависимости от конкретной коррозионной среды и температурных требований используются различные марки, такие как 304, 316 и 317. Для применений, связанных с сильнокоррозионными жидкостями, особенно с высоким содержанием хлоридов, таких как морская вода, или там, где требуется исключительная коррозионная стойкость, часто предпочтительным материалом является титан. Будучи дороже нержавеющей стали, титан обладает превосходной стойкостью ко многим агрессивным химическим веществам.
Другие специализированные сплавы, включая Hastelloy, Inconel, Monel и алюминиевую бронзу, выбираются для нишевых применений, требующих стойкости к определенным коррозионным веществам или экстремальным температурным условиям.
Важно: Основными факторами, влияющими на выбор материала пластин, являются совместимость с технологическими жидкостями, требуемые рабочие температура и давление, а также общие экономические соображения.
Уплотнения в пластинчатом теплообменнике обычно изготавливаются из эластомерных материалов, и выбор подходящего материала уплотнения имеет решающее значение для обеспечения герметичного уплотнения и совместимости с обрабатываемыми жидкостями.
- Нитрилбутадиеновый каучук (NBR) является распространенным универсальным материалом уплотнений, известным своей хорошей стойкостью к маслам и жидкостям на водной основе, обычно используемым в низкотемпературных приложениях.
- Уплотнения из этиленпропилендиенового мономера (EPDM) широко используются в приложениях, связанных с горячей водой, паром и некоторыми химическими веществами, обеспечивая более высокий температурный диапазон по сравнению с NBR.
- Для высокотемпературных приложений и приложений, связанных с агрессивными химическими веществами, часто выбирают уплотнения из Viton (FKM) из-за их превосходных свойств стойкости.
Хлоропреновый каучук (CR) является еще одним вариантом, известным своей упругостью и долговечностью в сложных условиях.
Важно: Ключевые соображения при выборе материала уплотнения включают его химическую совместимость с обрабатываемыми жидкостями, его способность выдерживать рабочую температуру и давление системы, а также необходимость сертификации для пищевой промышленности (одобрение FDA) для данного применения.
Выбор как материала пластин, так и материала уплотнений существенно влияет на общий срок службы и производительность теплообменника.
Использование коррозионностойких материалов пластин необходимо для продления срока службы теплообменника, особенно в агрессивных средах. Аналогично, материал уплотнения определяет пределы температуры и химической совместимости системы. Выбор материалов, не подходящих для условий эксплуатации или обрабатываемых жидкостей, может привести к преждевременной деградации, отказу и снижению производительности теплообменника.
5. Разнообразные промышленные применения
Разборные пластинчатые теплообменники находят широкое применение в самых разных отраслях промышленности благодаря своей эффективности, компактным размерам и простоте обслуживания.
В сфере отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВК) ПТУ являются неотъемлемыми компонентами в инженерных системах зданий и системах централизованного тепло- и холодоснабжения. Они обычно используются для подключения чиллеров, котлов и градирен в центральных установках, обеспечивая эффективную теплопередачу между различными контурами жидкости. Их способность рекуперировать тепло из вытяжных воздушных потоков вносит значительный вклад в энергоэффективность в приложениях ОВК.
ПТУ также играют ключевую роль в сетях централизованного тепло- и холодоснабжения, обеспечивая эффективный интерфейс для теплообмена между центральной распределительной системой и отдельными зданиями. Кроме того, они используются для нагрева бытовой горячей воды в различных условиях. Высокая тепловая эффективность ПТУ делает их решающими для оптимизации энергопотребления в системах ОВК.
Пищевая промышленность в значительной степени полагается на разборные пластинчатые теплообменники для широкого спектра процессов обработки и консервирования. Они необходимы для пастеризации и стерилизации жидкостей, таких как молоко, соки, пиво и другие напитки, обеспечивая безопасность продукции и продлевая срок ее хранения. ПТУ также используются для охлаждения и нагрева различных пищевых продуктов для поддержания качества и повышения эффективности производства, а также в специфических процессах, таких как производство сыра и обработка жидких яиц. В пивоварении они имеют решающее значение для охлаждения сусла. Гигиеничная конструкция и возможность обеспечения точного контроля температуры делают ПТУ незаменимыми в пищевой промышленности.
В химической промышленности разборные пластинчатые теплообменникииспользуются в многочисленных химических реакциях и процессах рекуперации тепла. Они используются для нагрева и охлаждения реагентов и продуктов для контроля скорости реакции и обеспечения оптимальных выходов. При правильном выборе материалов ПТУ могут работать с широким спектром коррозионных жидкостей. Они также играют важную роль в рекуперации тепла из технологических потоков, повышая общую энергоэффективность химических заводов.
Энергетическая промышленность использует разборные пластинчатые ческие теплообменники на различных этапах производства электроэнергии. Они используются для охлаждения компонентов двигателей, рекуперации тепла из выхлопных газов для повышения эффективности котлов и в контурах охлаждающей воды для различного оборудования. Их эффективность способствует снижению расхода топлива и повышению общей производительности электростанций.
Помимо этих основных секторов, разборные пластинчатые теплообменники находят применение в фармацевтике, молочной промышленности, морской среде, нефтегазовой промышленности и очистке сточных вод.
В фармацевтике их гигиеничная конструкция имеет решающее значение для нагрева и охлаждения воды, используемой в различных процессах.
Молочная промышленность широко использует их для пастеризации молока, охлаждения сырого молока, обработки сливок и производства сыра.
В морских приложениях ПТУ с титановыми пластинами часто используются для охлаждения двигателей, охлаждения масла и промежуточных охладителей из-за коррозионной природы морской воды.
Нефтегазовый сектор использует их для различных задач нагрева и охлаждения, часто требующих прочных конструкций для работы с высоким давлением. Наконец, в очистке сточных вод ПТУ могут использоваться для рекуперации тепла из сточных потоков и в процессах обработки осадка.
6. Заключение
Разборные пластинчатые теплообменники представляют собой высокоэффективное и универсальное решение для задач теплопередачи в широком спектре отраслей промышленности. Их ключевые характеристики, включая высокую тепловую эффективность, компактную конструкцию, простоту обслуживания и модульность, делают их предпочтительным выбором по сравнению с традиционными теплообменниками во многих приложениях. Тщательный выбор материалов для пластин и уплотнений имеет решающее значение для обеспечения совместимости с технологическими жидкостями и достижения желаемого срока службы и производительности. Надлежащее техническое обслуживание, включая регулярную очистку и осмотр, необходимо для поддержания их эффективности и продления срока службы. Постоянные достижения в конструкции и материалах продолжают расширять возможности этих теплообменников, расширяя их применимость даже к более сложным процессам. В конечном счете, разборные пластинчатые теплообменники играют жизненно важную роль в повышении энергоэффективности и содействии устойчивому развитию в различных промышленных секторах, обеспечивая эффективную теплопередачу и рекуперацию тепла.
ИСТОЧНИКИ
- https://www.nchti.ru/phocadownload/nchti_ucheb2/nchti_plast_tepl/nchti_plast_tepl.pdf
- hvacglobal.org, https://hvacglobal.org/what-is-plate-heat-exchanger-advantages-and-working-principle/
- What is Plate Heat Exchanger? Advantages and Working Principle - HVAC Global https://hvacglobal.org/what-is-plate-heat-exchanger-advantages-and-working-principle/
- Plate Heat Exchanger (For Dummies) - Rasmussen Mechanical Services https://www.rasmech.com/blog/plate-heat-exchanger/