Устройство и принцип работы пластинчатого теплообменника

[nagornov-artem.livejournal.com]

Некоторое время назад я написал о том, как производятся пластинчатые теплообменники. Были вопросы по его устройству и принципам работы. Этому и будет посвящен данный материал. Напомню, что пластинчатый теплообменник производства нашей компании (где я работаю), да и любого другого производителя выглядит следующим образом:



А вот устроен он следующим образом. У производителей оружия такое изображение называется "взрыв-схемой". Ну пусть и у нас будет что-то подобное :-)



Конструктивно разборный пластинчатый теплообменник, состоит из рамы и пакета пластин.
Рама состоит из неподвижной плиты (1) и прижимной плиты (2), задней стойки (7) которая соединена с неподвижной плитой верхней направляющей (3) и нижней направляющей (4). Рамы разборных теплообменников выпускаются разной длины для обеспечения установки в нее разного количества пластин.
Между неподвижной и прижимной плитами находится расчетное количество пластин (5) с резиновыми уплотнительными прокладками.
Пакет прижат к неподвижной плите прижимной плитой резьбовыми стяжками (6). Степень сжатия достаточна для уплотнения и герметизации внутренних полостей теплообменника

О плитах, направляющих, стяжках наверное особо нечего написать. Поэтому далее речь пойдет о пластинах и прокладках. Именно эти части теплообменника контактируют со средами, которые участвуют в процессе теплообмена.
Начнем с пластин. изготавливаются штамповкой, обычно из нержавеющей стали аустенитного класса AISI 316, после штамповки производится электрохимическое полирование пластины. Наиболее близким российским аналогом этой стали является сталь 08Х18Н10Т. Сталь AISI 316 (как и все нержавеющие стали) несклонна к общим видам коррозии, однако при работе с высоко агрессивными средами (высокие температуры, высокое содержание хлоридов и др.) могут протекать местные виды коррозии, например язвенная (питтинговая) коррозия.
Химический состав нержавеющей стали AISI 316:
Углерод 0,08%, Хром 16-18%, Никель 10 –14%, Молибден 2-3%
Это основная сталь для производства пластин теплообменников. Наличие молибдена (по сравнению с 08Х18Н10Т) снижает уровень язвенной коррозии.
Толщина пластины (0,4…1,0 мм) зависит от максимального рабочего давления. На давление до 10 атм. используются пластины толщиной 0,4 мм, на давление до 16 атм. - пластины толщиной 0,5 мм, на давление до 25 атм. - пластины толщиной 0,6 мм
Для агрессивных сред (по отношению к стали AISI 316) применяют более дорогие материалы, например, 254 SMO, ТИТАН, хастеллой и т.д.
Для менее агрессивных сред (по отношению к стали AISI 316) применяют сталь AISI 304.



Теплообменная пластина обладает высокоэффективной теплопередачей за счет термодинамически оптимальной конструкции
Принцип «Off-Set» обеспечивает возможность создания как симметричных так и асимметричных каналов (1)
Специальный рельеф распределительной площадки оптимально распределяет теплоносители (2)
Простое крепление уплотнений к пластине посредством клипсовой системы
Уплотнения со специальными зажимами для оптимального центрирования и фиксации пакета пластин (3)
Двойное уплотнение с кантом утечки полностью предотвращает возможность смешения сред в области проходных отверстий (4)
Специальный окантовочный рельеф пластин обеспечивает необходимую жесткость пакета пластин, а также стабильную фиксацию уплотнений при оказании на них давления в процессе эксплуатации теплообменников (5).

Рифление пластин может быть разным. Как правило различают "термически жесткое рифление" с углом 30 градусов (характеризуется более высоким коэфф-том теплопередачи, но и большими потерями давления) и "термически мягкое рифление" с углом 60 градусов (характеризуется более низким коэфф-том теплопередачи, но и меньшими потерями давления). Расчетная программа подбирает такую комбинацию пластин, чтобы обеспечить необходимую теплопередачу, но при этом уложиться в заданные потери давления.

Вот как выглядят эти два типа рифления. Слева "жесткая" пластина, справа "мягкая" пластина.



Комбинируя пластины в пластинчатом теплообменнике можно организовать течение жидкостей в трех различных типах каналов, которые и образуют данные пластины:

«мягкий» канал
Пластины с углом рифления 60°. Малая турбулизация течения жидкости, малый коэффициент теплопередачи, малое гидравлическое сопротивление.

«средний» канал
Пластина с углами рифления 60° и 30°. Средняя турбулизация течения жикости, средний коэффициент теплопередачи, среднее гидравлическое сопротивление.

«жесткий» канал
Пластины с углом рифления 30°. Высокая турбулизация течения жидкости, высокий коэффициент теплопередачи, высокое гидравлическое сопротивление.

О течениях жидкости:
Вообще различают три режима течения жидкостей:



Х, У – координаты плоскости,
W – скорость потока жидкости,
1 – ламинарный режим течения, спокойный режим течения поток жидкости однородный, слои жидкости двигаются параллельно друг другу (без перемешивания), тепло, в направлении перпендикулярном направлению течения жидкости, передается практически только за счет теплопроводного механизма, поэтому коэффициент теплопередачи - минимален.
2 – переходный режим течения, в потоке жидкости начинается зарождение турбулентных образований (вихрей), эпизодическое перемещение макрочастиц жидкости из одной температурной области в другую (элементы конвекции). Поэтому коэффициент теплопередачи - растет (выше, чем при ламинарном течении).
3 – турбулентный режим течения, поток жидкости турбулизован полностью, коэффициент теплопередачи - максимален.

Вот как образуется турбулентный режим течения жидкости в пластинчатом теплообменнике



Пластинчатый теплообменник рассчитывается и должен работать на турбулентном режиме. В этом и заключается его отличие и более высокая эффективность чем у кожухотрубного теплообменника (принцип "труба в трубе"), где течение жидкости ламинарное. Для одной той же задачи площадь теплообмена пластинчатого теплообменника будет меньше в 3-4 раза, чем у кожухотрубного теплообменника.

Далее речь пойдет об уплотнительных прокладках теплообменника.



Прокладки обеспечивают герметичность теплообменника относительно окружающей среды и не допускают смешивание сред участвующих в процессе теплообмена. Прокладки изготавливаются из специальных полимеров, которые обеспечивают требуемые температурные параметры или химическую стойкость.
Как правило, применяется материал EPDM, который представляет собой этиленпропиленовый полимер. Он применяется в основном для горячей воды и пара. Однако на него могут губительно действовать различные жиры и масла.
Рабочий диапазон температур для резины EPDM составляет от –35 град.С до +160 град. С.
Могут в теплообменнике также применяться прокладки из других материалов:
NITRIL (NBR) - применяются для маслянистых жидкостей температурой до 135 град. С,
VITON – на агрессивные среды до 180 град. С.
вообще наглядно срок жизни прокладок иллюстрируют вот такие графики:





Крепятся прокладки на пластине двумя способами:
1) Клеевой. Пластина фиксируется в специальной канавке с помощью клея, чтобы при сборке не соскочила ненароком с пластины. Данный способ и тип прокладок уже практически не применяется производителями теплообменников. Лишние затраты труда, времени при производстве, а также трудности в обслуживании - наличие специального клея, укладка прокладок, время на высыхание и пр.
2) Клипсовый. Конструкция прокладки имеет клипсы по периметру, с помощью которых она закрепляется на пластине. Более понятно картина выглядит вот так:





Мы используем в своих теплообменниках прокладки только с клипсовым креплением к пластине.

Теперь о том, как протекают процессы в пластинчатом теплообменнике:

Пластины разборного пластинчатого теплообменника устанавливаются одна за другой с поворотом на 180 град. Эта компоновка создает теплообменный пакет с четырьмя коллекторами для подвода и отвода жидкостей. Первая и последняя пластины не участвуют в процессе теплообмена, задняя пластина выполняется обычно без портов.



Уплотнение портов неподвижной плиты теплообменника осуществляется либо специальными кольцами, устанавливающимися между первой пластиной и неподвижной плитой, либо специальной прокладкой первой пластины.

О видах компоновки пластинчатых теплообменников.
Различают одноходовую компоновку теплообменника и многоходовую компоновку теплообменника.
При одноходовой компоновке поток жидкости, войдя в порт теплообменника, делится сразу на заданное число каналов и расходится на параллельные потоки. Далее проходит один раз по каналам стекается снова в порт и выходит из теплообменника.
При такой схеме компоновки все присоединительные патрубки расположены на неподвижной плите. Это значительно облегчает эксплуатацию и обслуживание теплообменника, т.к. ничто не мешает отодвинуть заднюю плиту теплообменника и вынимать пластины.
При многоходовой компоновке, жидкости совершают несколько ходов по одинаковому числу каналов. Это достигается установкой промежуточных пластин с двумя глухими портами (верхними или нижними) и позволяет в одном теплообменнике достигать очень большого тепло-съема.
Однако при этом появляются присоединения на прижимной плите теплообменника, что сильно ухудшает его обслуживание. Кроме того, такой теплообменник становится дорог и его гидравлическое сопротивление заметно возрастает.

Вот как это выглядит графически:



вот одноходовая компоновка в цвете:



вот двухходовая компоновка в цвете:



Мы выпускаем теплообменники в основном в одноходовой компоновке. Это облегчает сильно процесс обслуживания теплообменников в дальнейшем. Да и нет в необходимости в выпуске многоходовых теплообменниках по той причине, что типоразмерный ряд компании очень широк и имеет на каждый ДУ и низкие пластины и высокие.



По устройству и принципу работы наверное все.

Всегда Ваш,
товарищ Артем

Comments

[skyury.livejournal.com]

Все прекрасно...но разбирать его, почистить и собрать (обжать) труд ещё тот. Особенно бесят опреснители с пластинчатыми испарителями и конденсаторами.

[nagornov-artem.livejournal.com]

А безразборную промывку не пробовали у Вас? Не всегда помогает правда, но только в тех случаях, когда заросло уже конкретно. А так если с периодичностью промывать - все получается. Периодичность зависит от характера отложений и скорости.

[maks j-fry (from livejournal.com)]

да лан.. каждую неделю разбирали и промывали керхером. пока фильтра спациальные не поставили.

[victorkent.livejournal.com]

С моей точки зрения опреснители - прошлый век. Генераторы воды из воздуха, тем более из влажного морского воздуха, не трубуют разборки и обслуживания. Конструктивно это знакомый всем кондиционер. В обычном кондиционере полезный продукт - холодный воздух, а вода, как отход производства, сливается куда-то.
В генераторах воды - наоборот, вода полезный продукт, а холод, по возможности используют для конденсации воды из воздуха.
http://www.oceanbreezeac.com/water_makers.php

[der-jolly.livejournal.com]

Сам я судовой электромех, мне по-барабану, а вот механики бы наши, прочитав этот пост, завалили бы тут все матом про эти пластинчатые холодильники и опреснители

[nagornov-artem.livejournal.com]

ну всем тяжело угодить. Очистка пластинчатых теплообменников не страшна, просто она более требовательна к аккуратности и терпению. Понятно, что "труба в трубе" чистится проще.

[victorkent.livejournal.com]

С моей точки зрения опреснители - прошлый век. Генераторы воды из воздуха, тем более из влажного морского воздуха, не трубуют разборки и обслуживания. Конструктивно это знакомый всем кондиционер. В обычном кондиционере полезный продукт - холодный воздух, а вода, как отход производства, сливается куда-то.
В генераторах воды - наоборот, вода полезный продукт, а холод, по возможности используют для конденсации воды из воздуха.
http://www.oceanbreezeac.com/water_makers.php

[stasmoroz.livejournal.com]

А почему сталь импортная?
Пластины изготавливают у вас на предприятии?

[nagornov-artem.livejournal.com]

Почему сталь импортная? Здесь вопрос больше к отечественным производителям нержавейки? Почему такое качество, что все используют импорт?
пластины изготавливают в Германии, Дании, Турции. Это сложный и дорогостоящий процесс. Более подробно об этом есть где-то в комментариях в предыдущем посте
http://engineering-ru.livejournal.com/266367.html

[stronzo.livejournal.com]

а теплообменниками воздух-воздух вы занимаетесь? вот про них было бы очень познавательно.

[nagornov-artem.livejournal.com]

пластинчатый теплообменник с такой средой как воздух теоретически работать может, но очень малоэффективен он - слишком большая поверхность теплообмена получается. Громоздко, тяжело и ОЧЕНЬ ДОРОГО!!! В расчетную программу пробовали вводить теплофизические свойства воздуха, но на выходе выходило что-то страшно огромное. Расчет пластинчатых теплообменников заточен под теплофизические свойства жидкостей.
Для воздуха другое оборудование. в нем я не спец. Но есть что-то для утилизации отходящих газов от котлов - в миниТЭЦ, некоторых котельных.

[gistory.livejournal.com]

Добавьте ссылочку и на первый пост.

[nagornov-artem.livejournal.com]

http://engineering-ru.livejournal.com/264388.html - про производство теплообменников.
А вообще можете войти в мой блог - там все есть. Буду рад.
http://nagornov-artem.livejournal.com/

[akostin.livejournal.com]

С каких пор кожухотрубные теплообменники рассчитываются на ламинарный режим?
И "труба в трубе" и кожухотрубные теплообменники вообще-то разные типы.

[nagornov-artem.livejournal.com]

а где в кожухотрубном теплообменнике возникает турбулизация потока? В калачах если только немного. Ну если речь идет о теплообменниках с гладкой трубкой. Есть еще с ребристой трубкой, с витой трубкой - там да, турбулизация возникает. Кожухотрубный теплообменник - именно "труба в трубе". Вернее очень много трубочек (трубный пучок) в одной большой трубе (кожух) :-)

[nagornov-artem.livejournal.com]

Самый что ни на есть "труба в трубе" или трубный пучок в межтрубном пространствеееееееееееееееееееееее

[akostin.livejournal.com]

Их всегда разделяют и у нас и на западе (shell and tube vs double pipe)

[vasilii.livejournal.com]

Спасибо за хорошую статью.
От себя добавлю, что главное преимущество пластинчатых ТОА - это низкие габариты на единицу тепловой нагрузки (по сравнению с теми же кожухотрубными).
По эксплуатации можно добавить, что ПТОА, которые используются для коммуналки, желательно не разбирать. Чистить (прмывать) достаточно один раз в год специальными составами. Как правило в 99% случаев этого достаточно для нормальной расчетной эксплуатации.
Если не против, сделаю перепост со ссылкой в своем блоге energoworld.ru.

[http://users.livejournal.com/_schabe_/]

Мы каждый год разбираем и промываем. Контролируем прокладки.
Не так уж это сложно. И химия проще.

[nagornov-artem.livejournal.com]

А чего мне быть против? Для этого и писалась статья - как можно большее количество людей познакомить с теплообменниками, которые незримо присутствуют в жизни каждого

[wormball.livejournal.com]

Вот интересно, ежели теплопередача больше рпи турбулентном течении, отчего, например, компьютерные кулеры не делают всмятку?

[boguang.livejournal.com]

струи воздуха от вентилятора обтекают оребрение кулеров в турбулентном режиме

[igorkh.livejournal.com]

а еще срабатывает один из законов Мэрфи: если что-то может быть собрано неправильно, то всегда найдется кто-нибудь, кто именно так и сделает. Много раз был свидетелем того, что после чистки испарителя с таким теплообменником он преставал работать именно потому, что перепутали пластины.

[igorkh.livejournal.com]

А вообще, конечно, штука хорошая. Мощная, с хорошей охлаждающей (или нагревающей) способностью и занимает мало места. Придумал же кто-то ...

[nordlight-spb.livejournal.com]

Вещь важная,но в судовой инженерии штука адская для обслуживания.Пластинчатые опреснители мыть,перебирать и проклеивать-это занятие для терпеливых.Задолбывались по-страшному.И даже химия с бэкфлашем не особо помогают,всё равно хотя бы раз в 2-3 месяца приходилось разбирать.А если перепутаешь пластины-то и не по одному разу(

[victorkent.livejournal.com]

С моей точки зрения опреснители - прошлый век. Генераторы воды из воздуха, тем более из влажного морского воздуха, не трубуют разборки и обслуживания. Конструктивно это знакомый всем кондиционер. В обычном кондиционере полезный продукт - холодный воздух, а вода, как отход производства, сливается куда-то.
В генераторах воды - наоборот, вода полезный продукт, а холод, по возможности используют для конденсации воды из воздуха.
http://www.oceanbreezeac.com/water_makers.php

[Анастасия Ижогина (from livejournal.com)]

очень нужна помощь, хочется узнать будет ли пластинчатый ТО работать если одна среда пар(газ) а другая жидкость????????????????????