Зачем нужен пластинчатый теплообменник и какие они бывают?

Задачей этого узла является передача энергии от первоисточника к холодной рабочей жидкости: пластинчатый теплообменник распределяет тепло с помощью гофрированных пластин в качестве стенок, что защищает систему от смешивания сред.

Конструкционные характеристики теплообменника и пластин

При расчете пластинчатого теплообменника нужно принимать во внимание, что в основу аппарата закладываются:

• неподвижные и прижимные плиты;
• патрубки (входные и выходные) с разнообразными соединениями;
• монтажная подставка;
• направляющие;
• метизы с резьбой.

Энергия передается между теплоносителями через пластины, выполненные из устойчивых к ржавчине инертных материалов. Последние обрабатываются методом штамповки, их толщина варьируется в пределах 0,4-1 мм. В собранном виде узел представляет собой плотно прилегающие тонкие панели, в которых предусмотрены щелевые каналы. У всех элементов с лицевой стороны есть контурное углубление, в которое закладывается резиновый уплотнитель (за счет него обеспечивается герметичное прилегание элементов).

Пластины единообразны по форме и материалу, они могут быть изготовлены из нержавеющей стали, титана, тугоплавких сплавов (выбирают в зависимости от сферы применения). Для производства уплотнителей используются сложные полимеры на базе синтетического каучука, их можно эксплуатировать с гликолем и неагрессивными средами, паром и высокотемпературными жидкостями, нефтесодержащими и масляными теплоносителями.

Принцип работы и схема агрегата

Устройство, расчет и промывка пластинчатых теплообменников для отопления основываются на том, что узел функционирует благодаря наличию 4 отверстий:

• 2 отверстия для притока и отвода горячей рабочей среды;
• 2 отверстия для обеспечения герметичной стыковки пластин и предотвращения смешивания теплоносителей – данную задачу выполняют уплотнители.

Движение жидкости в агрегате осуществляется по принципу завихрения потока. В результате из-за относительно небольшого сопротивления движению рабочей среды усиливается интенсивность передачи тепловой энергии. Также вследствие небольшого сопротивления при прохождении жидкости уменьшается количество накипи во внутренних полостях.

Принцип работы пластинчатого теплообменника, базирующийся на петлях и завихрениях, способствует многократному обмену энергией. В результате достигается максимальный КПД агрегата, на что оказывает положительное влияние и вывод патрубков в оба виды панелей – прижимные и неподвижные.

Устройство теплообменника идеально соответствует условиям эксплуатации: количество пластин увеличивается соразмерно потенциальным потребностям в мощности системы. Число рабочих элементов оказывает прямое влияние на КПД и производительность отопительного или охлаждающего оборудования.

Технические параметры моделей

При изучении ассортимента опираются на следующие технические характеристики:

• материал, из которого изготовлены панели – это могут быть тугоплавкие соединения, тонкая листовая сталь, чистый титан;
• максимально допустимое давление среды в агрегате обычно не превышает 25 кгс/см²;
• в каждом узле число используемых пластин начинается от 7-10, их количество определяется будущей областью применения;
• устройства способны выдержать температуру теплоносителя не выше 180°C.

Одна рабочая единица способна обеспечить площадь теплообмена в пределах 0,1-2100 кв. м.

Разновидности пластинчатых теплообменников

По специфике исполнения и возможностям применения устройства делятся на паяные, сварные и разборные.

Паяные модели

Представляют собой цельные устройства, в их конструкции не предусмотрены уплотнительные резинки. Пластины объединены друг с другом методом пайки. Достоинства решения:

• бюджетная стоимость комплекта;
• высокая эффективность и надежность;
• компактные размеры;
• легкость монтажа.

Паяные теплообменники распространены в системах вентиляции и кондиционирования, их применяют в турбинной и компрессорной технике, внедряют в холодильные установки.

Разборные

Образуются из комплекта панелей и полимерных уплотнителей. Причины широкого распространения разборных пластинчатых теплообменников:

• низкая стоимость и простота монтажа;
• возможность регулирования уровня производительности;
• простота использования, отсутствие значительных эксплуатационных расходов;
• минимальные периоды простоя;
• невысокая энергоемкость;
• возможность дальнейшей переработки при утилизации.

Узлы обрели широкое применение в системах отопления домов и обслуживания бассейнов, ГВС, климатической и холодильной технике, тепловых пунктах.

Полусварные и сварные

Здесь рабочие элементы соединяются посредством сварных швов, в конструкции отсутствуют герметизирующие прокладки. Характеристики моделей:

• присутствуют условия для регулирования потока и промывки теплообменника;
• высокая устойчивость к агрессивным средам;
• возможность работы в условиях большого перепада рабочих температур;
• максимальная температура носителя может достигать 300°С, допустимое давление – не выше 4.0 Мпа;
• компактность узла, простота монтажа;
• неподверженность воздействию агрессивных веществ и абразивов;
• длительный эксплуатационный ресурс.

Сварные и полусварные модели распространены в пищевой, фармацевтической, химической промышленности, системах вентиляции, кондиционирования, рекуперации, тепловых насосах. Устройства обеспечивают охлаждение техники, позволяют координировать температуру воды в ГВС бань и аналогичных общественных объектов.

Преимущества и недостатки

Плюсы применения агрегатов:

• высокая эффективность при небольших габаритах. Средний КПД устройств, применяемых в горячем водоснабжении и отоплении, достигает 80-85%. Соединительные порты расположены с одной стороны, что облегчает монтаж;
• низкие показатели потери давления. Конструкция предусматривает возможность плавной регулировки ширины каналов, увеличение количества последних ведет к снижению гидравлических потерь. Уменьшение сопротивления среды позволяет снизить потребление электроэнергии насосами;
• ремонтопригодность, экономичность и легкость монтажа. Разбор и промывку оборудования можно осуществить за несколько часов, небольшие загрязнения удаляются безразборным методом. Средний срок службы теплообменника составляет 10 лет, притом пластины обладают эксплуатационным ресурсом в 15-20 лет;
• гибкость. Для увеличения мощности аппарата практикуется изменение поверхности его теплообмена. С ростом потребностей не обязательно заменять агрегат новым, достаточно добавить пластины;
• низкая загрязняемость. Профили каналов обеспечивают самоочищение благодаря высокой турбулентности потока. Так снижается частота сервисного обслуживания;
• индивидуальность. Специалисты рассчитывают и подбирают конфигурацию исходя из необходимых температурных графиков;
• вибрационная устойчивость. Изделия не подвержены типичной двухплоскостной вибрации, из-за которой обычно повреждаются трубчатые теплообменники;
• бесклеевые уплотнители легко заменить новыми, при этом они жестко фиксируются в каналах. Низкая вероятность появления протечек после механической очистки, они обнаруживаются сразу же (без разборки);
• комплект не нуждается в специальном укрепленном основании и дополнительной теплоизоляции
• средний срок окупаемости в зависимости от модели составляет 3-5 лет.

Слабой стороной агрегатов признаются высокие требования к качеству очистки рабочей среды. Так как между панелями остается небольшое расстояние, загрязнение каналов происходит быстрее по сравнению с полостями ближайшего конкурента – кожухотрубного теплообменника. Засорение ведет к понижению эффективности теплопередачи, уменьшению КПД устройства.

Критерии выбора

При определении оптимальной модели аппарата следует опираться на технические характеристики изделия:

• схема подключения ГВС;
• уровень тепловой нагрузки;
• параметры греющей и нагреваемой среды.

В последнем пункте принимается во внимание такая информация, как входная и выходная температура в зимние и летние периоды, потенциальный расход среды и допустимые потери давления, процентное соотношение запаса мощности. Эти сведения берутся за основу при расчете производительности пластинчатого теплообменника.

Нюансы монтажа и подключения

Теплообменник применяется только в связке и не подразумевает самостоятельного использования. Агрегат во время установки окружают вспомогательным оборудованием, таким как обратные клапаны, контрольно-измерительные устройства в виде термометров и манометров, запорная арматура (ручные заслонки и задвижки), циркуляционные насосы.

Подключение производится по одной из следующих схем:

• одноступенчатый параллельный (независимый) метод;
• двухступенчатый смешанный;
• двухступенчатый последовательный.

В первом случае образуется изрядная экономия полезной площади в зоне монтажа. Ключевое преимущество этого способа – простота исполнения (что важно в условиях ремонта, обслуживания, замены узла). Недостаток методики – отсутствие возможности подогрева холодной рабочей среды.

При двухступенчатом смешанном методе температура входящего теплоносителя повышается за счет обратного потока, в результате эффективность связки увеличивается на 35-40%. Но в этом случае для обеспечения горячего водоснабжения придется предусмотреть в системе два теплообменника, что увеличивает расходы на закупку и монтаж оборудования.

Последовательный двухступенчатый способ позволяет увеличить эффективность использования рабочей среды и стабилизировать нагрузку в сети. По сравнению с параллельной схемой здесь затраты на теплоноситель уменьшаются на 50%, на фоне смешанной методики – на 25%. Единственный недостаток решения – невозможность полной автоматизации теплового узла.

Сферы использования оборудования

Рассматриваемые модели применяются в коммунальном хозяйстве для достижения следующих целей:

• дополнительное прогревание среды в горячем водоснабжении;
• нагрев воды в бассейнах и бойлерах;
• обеспечение независимого контура отопления от ЦТП или ТЭЦ;
• вентиляция помещений;
• прокладка теплых полов.

В пищевой отрасли теплообменники задействованы при производстве растительных масел, молочных продуктов, спирта, сахара, пива. Они применяются в качестве элементов испарительных, охладительных, пастеризующих линий. Здесь актуальны паяные и разборные модели.

В металлургии пластинчатые компоненты включены в оборудование для охлаждения рабочих жидкостей. В данной отрасли в интенсивном охлаждении нуждаются плавильные печи, прокатные и разливочные механизмы, травильные растворы, гидравлические смазки.

Теплообменники в нефтегазовой сфере помогают подогревать и охлаждать жидкости, вещества, задействованные в крекинге и технологической подготовке сырья. Агрегаты применяют в качестве составных частей сетевых систем, оборудования для химобработки воды, обеспечения низкого давления. Пластины для газовой и нефтяной промышленности изготавливают на базе чистого титана в виде листов толщиной не более 0,7 мм. К маркам полимера, применяемым для производства уплотнительных прокладок, предъявляются высокие требования по устойчивости к химическому и термическому воздействию.

Пластинчатые теплообменники, востребованные в судостроении, служат охладителями для всей системы и главного двигателя. Носителями в подобных условиях являются моторные масла, отличающиеся по вязкости, морская вода, СОЖ. Агрегаты также актуальны в составе отопительных контуров и ГВС на крупных морских судах.