Все о пластинчатых теплообменниках

Что такое теплообменник, для чего он нужен и почему существует так много различных типов?

Ответы на эти вопросы не очевидны для большинства, и все же почти все пользуются преимуществами этих удивительных устройств. Теплообменники — это механические системы, которые могут передавать тепло между двумя рабочими жидкостями (обратите внимание, что в технике жидкость может быть газом, а не только жидкостью). Передаваемое тепло — это энергия, которую можно использовать при грамотном проектировании, и инженеры используют этот факт для создания некоторых удивительных технологий. В этой статье речь пойдет об одном из самых популярных вариантов теплообменника — пластинчатом теплообменнике. Несмотря на простоту конструкции, этот тип теплообменника сложен в своем устройстве и работе, поэтому данная статья поможет читателям узнать о пластинчатых теплообменниках, о том, как они работают, и какие виды применений выигрывают от этой элегантной конструкции.

Что такое пластинчатые теплообменники?

рис.1

Цель любого теплообменника, говоря простым языком, состоит в том, чтобы сделать горячую жидкость более холодной и/или сделать холодную жидкость более горячей, в частности, не смешивая их. Это может показаться скучным, но любой, кто помнит термодинамику, знает, что с теплом приходит энергия, а энергия — это инженерный товар (наша статья о понимании теплообменников содержит отличный краткий курс по некоторым соответствующим термодинамическим свойствам). Используя определенные понятия, такие как проводимость, энтропия и механика жидкости, эти устройства могут передавать тепло от одного потока к другому и могут использоваться в качестве конденсаторов, испарителей и многого другого. Пластинчатый теплообменник — это лишь один из методов передачи тепла между двумя жидкостями, и особенно полезны они для теплообмена между двумя жидкостями.

Изучите пластинчатый теплообменник, показанный на рисунке 1. Показанные синие пластины — это передняя и торцевая крышки, которые соединяют вместе множество гофрированных металлических пластин, уплотненных резиновыми прокладками. Красные затяжные болты удерживают все вместе и создают водонепроницаемое уплотнение, а крышки/пластины удерживаются на одной линии с помощью двух опорных планок сверху и снизу устройства. Четыре отверстия на левой стороне — это входы и выходы для обеих жидкостей, которые не дают двум потокам смешиваться при циркуляции через теплообменник. Пластины пластинчатого теплообменника можно легко добавлять/удалять по команде, и они более компактны, чем другие распространенные теплообменники, такие как внушительные кожухотрубные конструкции. Далее мы рассмотрим поток внутри пластинчатого теплообменника и увидим, как он обеспечивает эффективную теплопередачу.

Как работают пластинчатые теплообменники?

рис.2

Чтобы понять, как работают эти устройства, мы должны сначала рассмотреть самый основной узел пластинчатого теплообменника, или его пластины. На рисунке 2 показана типичная пластина с прикрепленной к ней резиновой прокладкой. Эти пластины обычно изготавливаются из стали, алюминиевого сплава, титана, никеля или даже графита и являются теплопроводящими путями между двумя рабочими жидкостями. Их гофры увеличивают площадь поверхности и создают турбулентность, что способствует повышению скорости теплопередачи через теплообменник. Существует множество различных схем гофрирования, каждая из которых обладает своими уникальными свойствами (на рис. 2 показан стандартный дизайн «елочка»). Неровная резиновая прокладка обрамляет каждую пластину, поэтому вода может стекать только по определенным пластинам при сжатии в стопку пластин. На рисунке 3 ниже эти отдельные потоки изображены красным и синим цветом:

рис.3

Пластины расположены по схеме «холодный-горячий-холодный-горячий», чтобы максимизировать тепловое смешивание между каждой жидкостью. Одна жидкость (красная) поступает на вход через правый верхний угол и последовательно проходит вниз через каждую четную пластину, а другая жидкость (синяя) поступает через левый нижний угол и прокачивается вверх через каждую нечетную пластину. Такой порядок позволяет операторам легко добавлять/удалять пластины в стеке, эффективно увеличивая или уменьшая теплопередающую способность теплообменника в любое время.

Прокладки могут быть сконструированы таким образом, чтобы можно было создавать различные типы потоков, что влияет на скорость передачи тепла через теплообменник. Они также определяют, где будут находиться впускные/выпускные клапаны, что может быть важно для целей установки. В пластинчатых теплообменниках используется противоточный поток, когда одна жидкость течет в противоположном направлении по отношению к другой. Параллельный поток — это когда обе жидкости движутся в одном направлении, но этот режим редко встречается в пластинчатых конструкциях, поскольку пластины лучше всего работают в конфигурации противотока. На рисунке 4 показано, как прокладки используются для создания различных схем потока.

Рис 4: Диаграммы потоков для U-образного расположения (слева), Z-образного расположения (посередине) и многоходового расположения (справа). Обратите внимание, что каждый тип показывает противоточный поток.

Левая и средняя схемы изображают однопроходной поток, где каждая рабочая жидкость проходит через другую только один раз. В правой схеме показан многоходовой поток, где каждая жидкость проходит через другую много раз, что увеличивает скорость теплопередачи, но при этом усложняет конструкцию. В зависимости от области применения, одного прохода может быть достаточно, но многопроходные конструкции часто полезны, когда скорости потока каждой жидкости значительно отличаются.

В пластинах используются не только резиновые прокладки; на самом деле, в некоторых типах пластинчатых теплообменников применяются другие герметики, обеспечивающие дополнительные преимущества. В пластинчатых паяных теплообменниках используется медь для спаивания каждой пластины вместе, что не только создает сложные каналы для жидкости, но и обеспечивает высокое давление и коррозионную стойкость при небольших экономичных размерах. Сварные пластинчатые теплообменники аналогичны, где вся стопка пластин сваривается вместе. Они хорошо выдерживают высокое давление, но, к сожалению, не могут быть очищены, поскольку каждая пластина соединена со следующей. Наконец, в полусварных пластинчатых теплообменниках используются последовательности сварных и несварных пластин для обеспечения преимуществ как прокладочных, так и сварных конструкций.

Преимущества и недостатки пластинчатых теплообменников

Пластинчатые теплообменники широко используются в промышленности благодаря своим небольшим, но универсальным конструкциям. Ниже приведены некоторые преимущества использования пластинчатых теплообменников по сравнению с популярными кожухотрубными теплообменниками:

Пластинчатые теплообменники обычно имеют больший коэффициент теплопередачи, поскольку имеют большую площадь контакта между жидкостями.
Они занимают небольшую площадь, что практически не требует места для обслуживания
Они просты в обслуживании, ремонте и сервисе.

Однако есть и некоторые заметные недостатки, которые являются прямым следствием их конструкции:

Прокладки представляют собой проблему при сильном сжатии, так как они могут деформироваться и вызвать утечку в системе. Они также более чувствительны к температуре, чем пластины, поэтому нельзя использовать высокую температуру жидкости из-за риска повредить материал прокладки.
Узкие дорожки пластин сильно снижают давление потока, что требует дополнительной мощности насоса
Две жидкости с большой разницей температур не будут так хорошо передавать энергию в пластинчатом теплообменнике, как в кожухотрубном.
Они склонны рассеивать тепло в окружающую среду, что снижает их эффективность

Технические характеристики, критерии выбора и применение

Пластинчатый теплообменник доступен во многих размерах, формах и ценовых категориях. Эта статья поможет покупателям определить технические характеристики, необходимые для их проектов, и как выбрать правильный пластинчатый теплообменник, используя эти характеристики.

Первыми параметрами, которые необходимо определить, являются специфические для конкретного применения параметры, такие как:

тип используемых рабочих жидкостей (вода, масло, хладагент и т.д.)
температуры каждой входящей жидкости
скорость каждого потока (единицы измерения гал/мин или л/мин)

Далее следует определить тип желаемой теплопередачи (нагрев/охлаждение/уравнивание) и определить ориентацию входов/выходов. Зная эти факты, поставщики могут использовать уравнения для определения необходимого коэффициента теплопередачи, значение которого в конечном итоге будет диктовать, сколько пластин необходимо, какие материалы должны быть использованы и какое расположение должно быть использовано в окончательной конструкции.

Затем определите подходящую цену, исходя из вашего бюджета, и поговорите с поставщиком, чтобы узнать, подходят ли вам какие-либо из имеющихся на складе изделий. Существуют сотни вариантов на выбор, поэтому велика вероятность, что подходящий пластинчатый теплообменник найдется при достаточном исследовании.

Существует множество потенциальных применений пластинчатых теплообменников; вот лишь некоторые из них: они могут использоваться в пастеризаторах, при производстве напитков, в качестве соединительных элементов между чиллерами, котлами и градирнями, а также в других технологических процессах. Это элегантные модульные системы, которые обеспечивают превосходную теплопередачу при меньших размерах, чем некоторые другие традиционные конструкции. Рассмотрите пластинчатый теплообменник, если необходимо минимизировать пространство и максимизировать возможности.