Введение

Теплообменник, использующий металлические пластины для передачи тепла между двумя жидкостями. Пластинчатый теплообменник – это тип теплообменника, использующий металлические пластины для передачи тепла между двумя жидкостями. Это имеет значительное преимущество перед традиционным теплообменником, заключающееся в том, что жидкости контактируют с гораздо большей поверхностью, поскольку они распределены по пластинам. Это облегчает передачу тепла и значительно повышает скорость изменения температуры. Пластинчатые теплообменники широко распространены, а очень маленькие паяные модели используются в секциях горячего водоснабжения миллионов комбинированных котлов. Высокая эффективность теплопередачи при небольшом физическом размере увеличила производительность горячего водоснабжения (ГВС) комбинированных котлов. Компактный пластинчатый теплообменник оказал значительное влияние на бытовое отопление и горячее водоснабжение. В более крупных коммерческих моделях используются прокладки между пластинами, а в меньших, как правило, применяется пайка. Принцип работы теплообменника заключается в использовании труб или других емкостей для нагрева или охлаждения одной жидкости путем передачи тепла между ней и другой жидкостью. В большинстве случаев теплообменник состоит из спиральной трубы, содержащей одну жидкость, которая проходит через камеру с другой жидкостью. Стенки трубы обычно изготавливаются из металла или другого материала с высокой теплопроводностью для облегчения теплообмена, в то время как внешний корпус большей камеры изготавливается из пластика или покрывается теплоизоляцией для предотвращения потерь тепла. Первый в мире коммерчески успешный пластинчатый теплообменник (PHE) был изобретен доктором Ричардом Селигманом в 1923 году и произвел революцию в методах косвенного нагрева и охлаждения жидкостей. Доктор Ричард Селигман основал APV в 1910 году как Aluminum Plant & Vessel Company Limited – специализированное предприятие, поставляющее сварные емкости для пивоваренной и масложировой промышленности. Кроме того, он задал стандарты для современных, разработанных с помощью компьютеров, тонких металлических пластинчатых теплообменников, которые используются по всему миру.

Конструкция теплообменников для пластин и рамок

Пластинчатый теплообменник (PHE) – это специализированная конструкция, хорошо подходящая для передачи тепла между средами низкого и среднего давления. Сварные, полусварные и паяные теплообменники используются для теплообмена между средами высокого давления или там, где требуется более компактное устройство. Вместо трубы, проходящей через камеру, здесь используются две чередующиеся камеры, как правило, небольшие по глубине, разделенные по большей части своей поверхности гофрированной металлической пластиной. Пластины, используемые в пластинчато-рамных теплообменниках, изготавливаются методом штамповки из цельного металлического листа. Нержавеющая сталь – распространенный материал для пластин благодаря ее способности выдерживать высокие температуры, прочности и коррозионной стойкости. Пластины обычно разделены резиновыми уплотнительными прокладками, которые закрепляются клеем в секции по краю пластин. Пластины имеют рельефные канавки, расположенные под прямым углом к направлению потока жидкости, протекающей по каналам теплообменника. Эти канавки устроены таким образом, что перекрываются с канавками соседних пластин, формируя каналы с зазорами между пластинами 1,3–1,5 мм. Пластины сжимаются вместе в жесткой раме, образуя систему параллельных каналов с чередующимися горячими и холодными средами. Пластины обеспечивают чрезвычайно большую площадь поверхности, что позволяет максимально интенсифицировать теплопередачу. Небольшая глубина каждой камеры обеспечивает контакт большей части объема жидкости с пластиной, что также способствует теплообмену. Канавки также создают и поддерживают турбулентный поток жидкости для максимизации теплопередачи в теплообменнике. Высокая степень турбулентности может быть достигнута при низких скоростях потока, что позволяет получить высокий коэффициент теплопередачи. По сравнению с кожухотрубными теплообменниками, температурный подход (минимальная разница между температурами горячей и холодной сред) в пластинчатых теплообменниках может составлять всего 1 °C, в то время как для кожухотрубных теплообменников требуется подход 5 °C или более. При одинаковом количестве переданного тепла размер пластинчатого теплообменника меньше благодаря большой площади теплопередачи, обеспечиваемой пластинами (большой площади, через которую может происходить теплообмен). Изменение площади теплопередачи в пластинчатом теплообменнике легко осуществить путем добавления или удаления пластин из пакета.

Оценка пластинчатых теплообменников

Все пластинчатые теплообменники внешне похожи. Разница заключается во внутренней конструкции, в деталях оформления пластин и используемых технологиях уплотнения. Поэтому при оценке пластинчатого теплообменника крайне важно изучить не только детали поставляемого изделия, но и проанализировать уровень научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, проведенных производителем, а также качество сервисного обслуживания после ввода в эксплуатацию и доступность запасных частей. Важным аспектом при оценке теплообменника являются формы гофрирования пластин внутри него. Существует два типа: контактное и шевронное гофрирование. Как правило, шевронное гофрирование обеспечивает более высокую интенсивность теплопередачи при заданном увеличении перепада давления и используется чаще, чем контактное. Существует множество различных способов модификации для повышения эффективности теплообменников, поэтому крайне маловероятно, что какой-либо из них будет поддерживаться коммерческим симулятором. Кроме того, некоторые конфиденциальные данные производителей оборудования для интенсификации теплопередачи никогда не будут опубликованы. Однако это не означает, что инженеры не проводят предварительные измерения для новых технологий. Ниже приведена справочная информация о различных способах модификации теплообменников. Основная цель повышения экономической эффективности теплообменника по сравнению с традиционным теплообменником всегда должна достигаться за счет интенсификации теплообмена. Важными факторами, которые также следует учитывать, являются устойчивость к загрязнению, надежность и безопасность. Первым шагом является периодическая очистка. Периодическая очистка (очистка на месте) – наиболее эффективный способ удаления отложений и загрязнений, которые со временем снижают эффективность теплообменника. Этот метод требует слива теплоносителя с обеих сторон пластинчатого теплообменника (ПТЭ) и его изоляции от системы. С обеих сторон необходимо промывать водой до тех пор, пока она не станет полностью прозрачной. Для достижения наилучших результатов промывку следует проводить в направлении, противоположном обычному потоку теплоносителя. После этого необходимо использовать циркуляционный насос и емкость с раствором для подачи моющего средства, убедившись, что оно совместимо с уплотнениями и пластинами ПТЭ. Наконец, систему следует промыть водой до тех пор, пока сток не станет прозрачным.

Оптимизация пластинчатых теплообменников

Для повышения эффективности PHE необходимо учитывать два важных фактора: количество теплопередачи и перепад давления, при этом необходимо увеличить количество теплопередачи и уменьшить перепад давления. В пластинчатых теплообменниках наличие гофрированных пластин создает значительное сопротивление потоку и высокие потери на трение. Поэтому при проектировании пластинчатых теплообменников следует учитывать оба этих фактора. Существует множество корреляций и углов шеврона для пластинчатых теплообменников, предназначенных для различных диапазонов чисел Рейнольдса. Геометрия пластин – один из важнейших факторов, влияющих на теплопередачу и перепад давления в пластинчатых теплообменниках, однако этот фактор часто задается недостаточно точно. В гофрированных пластинчатых теплообменниках узкие каналы между пластинами обеспечивают высокую прочность, а поток становится турбулентным по всей длине канала. Это требует большей мощности насоса по сравнению с другими типами теплообменников. Таким образом, целью является достижение более высокой теплопередачи и меньшего перепада давления. Форма пластинчатого теплообменника имеет большое значение для промышленных применений, чувствительных к перепаду давления.