89

4 УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ ПЛАСТИНЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА

4.1 Конструкция и принцип действия пластинчатого теплообменника

Повысить эффективность процессов нагрева и охлаждения сред можно, оптимизировав использование уже имеющейся в распоряжении энергии. При теплопередаче два вещества с различной температурой вступают в контакт, и одно нагревает или охлаждает другое. Это означает, что уже находящаяся в системе энергия просто переносится на другой этап процесса, т.е. туда, где ее можно использовать с большей отдачей.

Сегодня задачи теплопередачи во всем мире решаются обычно на основе трех базовых технологий:

• классически – с помощью громоздких кожухотрубных теплообменников;

• с помощью меньших по размеру и более простых конструктивно спиральных теплообменников;

• с помощью пластинчатых теплообменников, представляющих собой компактное и современное решение со значительно большим тепловым КПД и самым высоким потенциалом развития технологии.

Технологически пластинчатые теплообменники идеально подходят для оптимизации процессов теплопередачи. Использование гофрированных пластин, являющихся основой пластинчатого теплообменника, помимо интенсификации процессов теплообмена и уменьшения возможности возникновения отложений, обеспечивает большую площадь поверхности теплообмена, посредством которой тепло передается от одной среды к другой, несмотря на небольшие габаритные размеры аппаратов.

Пластинчатые теплообменники бывают следующих видов:

• разборные пластинчатые теплообменники;

• паяные пластинчатые теплообменники;

• сварные и полусварные пластинчатые теплообменники.

Пластинчатый теплообменник состоит из ряда тонких металлических пластин c гофрированной поверхностью, которые скрепляются между собой посредством уплотнительных прокладок или соединяются сваркой (иногда эти способы сборки сочетаются) в зависимости от используемого теплоносителя, а также в зависимости от ряда конструктивных причин, например, необходимости удалять или добавлять пластины в процессе эксплуатации. Пластины теплообменника сжимаются в пакет на жесткой раме с направляющими при помощи мощных прижимных плит и стяжных болтов, чтобы создать технологическую систему для заполнения параллельных каналов. Одна жидкая или газообразная среда движется по чётным каналам, другая – по нечётным. Все пластинчатые теплообменники вне зависимости от их производителя снаружи выглядят одинаково. Основные отличия заключаются в используемых материалах, особенностях конструкции пластин, а также применяемой технологии уплотнения. В пластинчатом теплообменнике «Alfa Laval» применяется одношаговая выпрессовка пластин, позволяющая повысить однородность материала пластин, снизить внутренние напряжения, использовать более тонкие пластины, а в результате увеличить эффективность теплопередачи. Полностью сварной пакет пластин позволяет повысить предел температуры и давления соответственно до 350°C и 40 атм.

Рисунок 4.1 – Схема пластинчатого подогревателя «Alfa Laval»

Конструкция пластины теплообменника «Alfa Laval» состоит из нескольких зон:

1. Зона распределения расположена в верхней и нижней частях пластины, она обеспечивает равномерное распределение теплоносителя по всей ее ширине, исключая появления «мертвых зон» внутри аппарата. Эффективное распределение потоков теплоносителей – сложная задача для современных аппаратов, где вход и выход совмещены по вертикали для упрощения трубной обвязки, что повышает равномерность распределения теплоносителя и увеличивает расчетное давление.

2. Основная зона теплопередачи имеет первостепенное значение для создания максимальной турбулентности, соответствующей необходимому перепаду давлений.

Входной патрубок теплообменника обеспечивает снижение перепада давлений и скорости теплоносителей, что надежно предотвращает эрозию.

Рисунок 4.2 – Схема сильфонного компенсатора

Основной рельеф пластины составляет узор "елочкой". Угол наклона должен быть тщательно просчитан, чтобы обеспечить требуемую турбулентность, перепады температур и падение давления.

Тупоугольные стрелы соответствуют высокому гидродинамическому сопротивлению и высокому коэффициенту теплопередачи. Остроугольные стрелы соответствуют низкой потере давления, но и более низкому коэффициенту теплопередачи. Это позволяет подобрать теплообменник, оптимально соответствующий каждому конкретному случаю.

Рисунок 4.3 – Типы пластин теплообменников

Частью конструкции являются наклеивающиеся уплотнения. В случае если режим эксплуатации может стать причиной набухания уплотнений, их надежность можно увеличить путем склеивания. Это особенно актуально при необходимости многократной разборки аппарата. Нет нужды заменять наклеивающиеся уплотнения при проведении техобслуживания. Используемый «Alfa Laval» эпоксидный клей, пройдя тепловую обработку, надежно фиксирует уплотнение и не растворяется.

4.2 Преимущества и недостатки пластинчатых теплообменников

Функцией любого теплообменника является передача тепла от одной среды к другой. Наиболее эффективным считается такой теплообменник, который при минимальном расходе рабочих сред через аппарат максимально передает тепловую энергию от одной среды к другой. Поскольку в аппарате происходит только теплообмен от среды к среде, нельзя говорить о прямой экономии тепла, получаемой в результате замены аппарата: как в случае с кожухотрубным аппаратом, так и в случае с пластинчатым тепло просто передается от одной среды к другой. Однако от эффективности передачи тепла в аппарате косвенно зависит эффективность работы периферийного по отношению к аппарату теплового оборудования, а, следовательно – и его экономичность. Именно такая экономия, поскольку она вызывается заменой аппарата, может называться экономическим эффектом теплообменника.

В каждом конкретном случае экономичность работы аппарата определяется правильностью его расчета и соответствием режима его работы расчетному. Однако существует ряд факторов, которые определяют пластинчатые теплообменники как более экономичный по отношению к кожухотрубному теплообменнику в любом случае. Рассмотрим такие факторы более подробно.

1. Компактность пластинчатых теплообменников.

Первое и одно из основополагающих преимуществ пластинчатого аппарата заключается в его компактности. Кожухотрубный теплообменник занимает приблизительно в 6-8 раз больше места, чем аналогичный ему по мощности пластинчатый. Компактность пластинчатых аппаратов определяет следующее:

- значительную экономию пространства для установки пластинчатого теплообменника, что бывает очень важным при отсутствии места для установки аппарата;

- очень малые тепловые потери в окружающую среду с поверхности пластинчатого теплообменника без дополнительной теплоизоляции;

- сравнительно низкую стоимость пластинчатых аппаратов при очень высоком качестве используемых материалов;

- значительное снижение затрат на установку (основание) и обвязку пластинчатых аппаратов.

2. Снижение расхода теплоносителя в пластинчатых теплообмен-никах.

Основным преимуществом, обеспечивающим экономичность пластинчатого теплообменника перед кожухотрубным, является то, что пластинчатые аппараты требуют на 80% меньше теплоносителя, чем аналогичные кожухотрубные. Это обусловлено тем, что скорость протекания теплоносителя в пластинчатом теплообменнике примерно в два раза ниже, чем в кожухотрубном, внутренний объем аппарата – в 6 раз меньше, а коэффициент передачи тепла в 1,5-3 раза больше. Кроме того, теплоноситель проходит по пластинчатому аппарату однократно и по короткому пути. Благодаря этому достигается следующее:

- меньшее количество теплоносителя обеспечивает значительное снижение мощности насосов, размера арматуры и периферийного оборудования систем с теплообменником. Мощность насосов отражается на расходе электроэнергии, размер арматуры обуславливает снижение капитальных затрат на строительство системы с пластинчатым теплообменником;

- снижение необходимости циркуляции теплоносителя по контуру котельная-теплообменник обеспечит снижение потерь тепловой энергии при ее транспортировке как минимум в 2 раза;

- низкая скорость протекания теплоносителя по теплообменнику обеспечивает высокое качество теплообмена. Холодный теплоноситель в пластинчатом теплообменнике можно нагреть практически до температуры горячего (до разности в 1-3°С), а горячий – соответственно остудить до температуры холодного. Этот факт обеспечивает следующий источник экономии тепловой энергии: при понижении температуры обратного теплоносителя автоматически снижаются потери тепла в обратных трубопроводах, а также возрастает КПД котлов. Последнее обусловлено тем, что при горении топлива тепло передается от сжигаемого топлива холодному теплоносителю гораздо эффективней;

- короткий путь теплоносителя по аппарату при использовании приборов автоматического регулирования температуры дает значительные преимущества. Постоянная времени в пластинчатых теплообменниках в десятки раз меньше чем в кожухотрубных, что обеспечивает качественную работу автоматики, точное поддержание задания по температуре и, следовательно, – экономичность работы пластинчатого аппарата;

- конструкция пластинчатого теплообменника практически обеспе-чивает невозможность появления внутри аппарата внутренних протечек, ведущих к смешиванию сред: любая появляющаяся протечка (кроме физического разрушения внутренней части пластины) определяется визуально. Этот факт снижает утечки теплоносителя неявно, но практически всегда существует в старых кожухотрубных аппаратах.