Введение
Теплообменник с пластинами и оребрением – это тип конструкции теплообменника, использующий пластины и оребренные камеры для передачи тепла между жидкостями, чаще всего газами. Он часто классифицируется как компактный теплообменник, чтобы подчеркнуть его относительно высокое отношение площади поверхности теплопередачи к объему. Теплообменники с пластинами и оребрением широко используются во многих отраслях промышленности, включая аэрокосмическую промышленность благодаря их компактному размеру и легкому весу, а также в криогенике, где используется их способность облегчать передачу тепла при небольших температурных разницах. Алюминиевые сплавные теплообменники с пластинами и оребрением, часто называемые паяными алюминиевыми теплообменниками, используются в авиационной промышленности более 60 лет и были внедрены в криогенную промышленность разделения воздуха во время Второй мировой войны и вскоре после нее в криогенные процессы на химических заводах, такие как переработка природного газа. Они также используются в железнодорожных двигателях и автомобилях. Теплообменники с пластинами и оребрением из нержавеющей стали используются в самолетах уже 30 лет и сейчас становятся все более распространенными на химических заводах.
A plate fin heat exchanger is a type of heat exchanger design that uses plates and finned chambers to transfer heat between fluids, most commonly gases. It is often categorized as a compact heat exchanger to emphasize its relatively high heat transfer surface area to volume ratio. The plate fin heat exchanger is widely used in many industries, including the aerospace industry for its compact size and lightweight properties, as well as in cryogenics where its ability to facilitate heat transfer with small temperature differences is utilized. Aluminum alloy plate fin heat exchangers, often referred to as Brazed Aluminum Heat Exchangers, have been used in the aircraft industry for more than 60 years and adopted into the cryogenic air separation industry around the time of the second world war and shortly afterward into cryogenic processes in chemical plants such as Natural Gas Processing. They are also used in railway engines and motor cars. Stainless steel plate fins have been used in aircraft for 30 years and are now becoming established in chemical plants.
Конструкция теплообменников с пластинчатыми пластинами
Первоначально разработан итальянским механиком Паоло Фрунцильо. Пластинчато-ребристый теплообменник состоит из слоев гофрированных листов, разделенных плоскими металлическими пластинами, как правило, алюминиевыми, для создания серии ребристых камер. Раздельные потоки горячей и холодной жидкости протекают через чередующиеся слои теплообменника и герметизируются по краям боковыми планками. Тепло передается от одного потока через интерфейс ребра к разделительной пластине и через следующий набор ребер – в смежный поток жидкости. Ребра также служат для повышения структурной прочности теплообменника, позволяя ему выдерживать высокое давление и обеспечивая увеличенную поверхность для теплообмена. Пластинчато-ребристые теплообменники обладают высокой степенью гибкости в проектировании, поскольку могут работать с любой комбинацией газов, жидкостей и двухфазных сред. Также предусмотрена передача тепла между несколькими технологическими потоками, с использованием различных высот и типов ребер, а также различных точек входа и выхода для каждого потока. Основные четыре типа ребер: гладкие, подразумевающие простые прямые треугольные или прямоугольные конструкции; «елочка», где ребра расположены боком, создавая зигзагообразный путь; и зубчатые и перфорированные, обозначающие вырезы и перфорации в ребрах для улучшения распределения потока и повышения теплопередачи. Недостатком пластинчато-ребристых теплообменников является их склонность к загрязнению из-за малых каналов потока. Они также не подлежат механической очистке и требуют других процедур очистки, а также надлежащей фильтрации для работы с потенциально загрязняющими потоками.
Распределение потоков
Существуют различные типы схем теплообменников, такие как прямоточный, перекрестный и противоточный. В прямоточном теплообменнике теплоносители поступают в теплообменник по своим каналам и движутся в одном направлении. В противоточном теплообменнике теплоносители движутся навстречу друг другу. Противоточное течение обеспечивает наиболее эффективный теплообмен, поскольку позволяет передавать максимальное количество тепла от теплоносителя. В перекрестном теплообменнике потоки теплоносителей пересекаются, двигаясь перпендикулярно друг другу. Теплообменники также могут использовать гофрирование или ребра для изменения коэффициента теплопередачи, направляя потоки теплоносителей в определенные части теплообменника или увеличивая площадь поверхности стенок. Повысить эффективность теплообменников также можно, увеличив площадь поверхности, контактирующую между теплоносителями. Обеспечивая больше точек контакта для теплопередачи, увеличивается скорость теплообмена. Этот принцип используется, например, в бытовых радиаторах, имеющих изогнутое синусоидальное сечение для максимизации площади контакта между горячей водой внутри и воздухом в помещении. В пластинчатом ребристом теплообменнике ребра легко переставляются, что позволяет реализовать прямоточную, противоточную, перекрестно-противоточную или перекрестную схемы движения теплоносителей. При правильной конструкции ребер пластинчатый ребристый теплообменник может работать в режиме идеального противотока.