Пластинчатый теплообменник: устройство и особенности

Тепло в наши дома поступает из котельной либо от центрального теплопункта, в котором холодная вода нагревается от теплообменника, выполняющего важную роль в системах отопления и горячего водоснабжения. В индивидуальных домах теплообменник пластинчатый и вовсе считается центральным элементом системы, потому как нагревание теплоносителя выполняется именно в нем. Такие приборы могут различаться конструкцией и видом, но принцип действия — во многом общий для всех типов.

Конструкция пластинчатого теплообменника

Назначение теплообменников всех видов — преобразовывать непрогретую жидкостную среду в нагретую (и наоборот).

Пластинчатые теплообменники обладают разборной конструкцией, состоящей из таких частей:

• недвижимой плиты;
• подвижной плиты;
• комплекта пластин;
• деталей крепежа, объединяющих две плиты в единую раму;
• нижнего и верхнего направляющего элемента круглой формы.

Размеры рам различных моделей могут существенно отличаться. Они зависят от мощности и тепловой отдачи подогревателя — с большим числом пластин увеличивается продуктивность прибора и, соответственно, возрастают его габариты и масса.

Пластины теплообменника

Конструкция пластинчатого теплообменника зависит от модификации устройства и может содержать различное количество пластин с закрепленными на них прокладками, герметизирующими каналы с протекающим по ним теплоносителем. Для достижения требуемой по условию герметичности плотности прилегания пар соседних прокладок одной к другой достаточно скрепления этих двух пластин с неподвижной плитой.

Нагрузки, действующие на аппарат, прилагаются главным образом на прокладки и пластины. Крепежные детали и рама, по сути, представляют собой корпуса прибора.

Рельефная окантовка пластин при сжатии гарантирует надежное крепление и дает конструкции теплообменника требуемую жесткость и прочность.

Прокладки закрепляются на пластинах посредством клипсового замка. Следует отметить, что прокладки при их зажатии самоцентрируются по направляющей. Утечка теплоносителя предотвращается окантовкой обшлага, создающей дополнительный барьер.

Для теплообменников производятся два типа пластин:

• с термически мягким рифлением;
• с термически жестким рифлением.

В деталях с мягким рифлением каналы устроены под углом 30°. Такой вид пластин отличается повышенной теплопроводимостью, но меньшей устойчивостью к давлению теплоносителя.

В частях с термически жестким рифлением при устройстве канавок соблюден угол в 60°. Этим пластинам не свойственна высокая теплопроводность, их преимущество — способность переносить высокое давление в системе.

Достижение оптимального режима теплоотдачи возможно при комбинировании пластин в теплообменнике. При этом необходимо учесть, что для эффективной работы прибора нужно, чтобы он функционировал в режиме турбулентности — теплоноситель должен перемещаться по каналам без каких-либо помех. К слову, кожухотрубный теплообменник, в котором реализована конструктивная схема «труба в трубе» — с ламинарным режимом течения жидкости.

Какая от этого выгода? При идентичных теплотехнических параметрах пластинчатый прибор обладает меньшими в несколько раз размерами.

Прокладки

К устройствам с пластинами предъявляются очень жесткие требования относительно герметичности, в связи с чем в последнее время прокладки стали выпускать из полимеров. Этиленпропилен, например, способен без проблем работать в условиях высоких температур — и воды, и пара. Но очень быстро разрушается в среде с содержанием масел и жиров.

Прикрепление прокладок к пластинам выполняется преимущественно клипсовым соединением, реже — посредством клея.

Принцип действия

Принцип работы теплообменника нельзя назвать слишком простым. Пластины развернуты одна к другой под 180°. Как правило, в одном пакете устанавливается по две пары пластин, создающих два коллекторных контура: ввода и отведения теплоносителя. При этом следует учесть, что пара расположенных с края элементов в тепловом процессе не задействуются.

На сегодняшний день производится несколько вариантов исполнения теплообменных приборов, устройство и принцип работы которых различны:

• одноходовые;
• многоходовые;
• двухконтурные.

Как работает одноходовой аппарат? Циркуляция жидкости в нем осуществляется перманентно по всей площади в едином направлении. Кроме того, выполняется и противоток теплоносителей.

Аппараты многоходовые используются только при не слишком большой разнице между температурой подающейся жидкости и температурой обратки. Ток жидкостей при этом будет осуществляться в различных направлениях.

Двухконтурные теплообменники состоят из двух независимых контуров. При условии постоянной корректировки подачи тепла применение такого оборудования наиболее целесообразно.

Сфера применения

Существует несколько видов теплообменников, каждый из которых имеет свой принцип работы и специфику конструкции:

• разборный;
• паяный;
• сварной;
• полусварной.

Прибор разборной конструкции часто используется в теплосетях, подведенных к жилым домам и сооружениям различного назначения, в бассейнах, климатических установках и холодильниках, системах ГВС, теплопунктах.

Теплообменники паяного вида нашли свое применение в:

• сетях вентиляции и системах кондиционирования;
• холодильных установках;
• турбинных приборах и компрессорах;
• промышленных агрегатах различного назначения.

Приборы сварные и полусварные используются в:

• химической и фармацевтической отраслях;
• сетях вентиляции и климат-системах;
• пищевой промышленности;
• тепловых насосах;
• в системах ГВС и отопления;
• агрегатах для охлаждения оборудования различного назначения;
• системах рекуперации.

Самым распространенным типом теплообменников, применяющихся в индивидуальных домовладениях, считается паяный, обеспечивающий нагрев или охлаждение воды.

Технические характеристики

Прокладки и пластины, как основные элементы теплообменных устройств, изготавливаются из различных по своим свойствам и характеристикам материалов. При выборе в пользу той или иной модели решающую роль играет назначение теплообменника и область его использования.

Если остановиться сугубо на системах ГВС и теплоснабжения, то в этой области больше распространены пластины, изготовленные из нержавеющей стали, а пластичные прокладки — из особой резины EPDM либо NBR. Установка пластин из нержавейки позволяет работать с теплоносителем, прогретым до 110°С, в другом же случае устройство пластинчатого теплообменника позволяет нагревать жидкость до 170°С.

При использовании теплообменников в промышленном производстве и задействовании их в технологических процессах с воздействием щелочей, кислот, масел и иных агрессивных веществ, применяются пластины из никеля, титана и других сплавов. В таких случаях устанавливаются фторкаучуковые или асбестовые прокладки.

Подбор теплообменника производится согласно расчетам, выполняемым при помощи специализированных программ. При расчетах учитываются:

• первоначальная температура теплоносителя;
• относительный расход прогреваемой жидкости;
• требуемая температура нагревания;
• расход теплоносителя.

В роли нагревающей среды, протекающей через пластинчатый испаритель, может использоваться подогретая до температуры 95 или 115°С вода, а также пар температурой до 180°С. Вид теплоносителя подбирается в зависимости от вида применяемого котла и оборудования. Размеры и количество пластин подбираются с таким расчетом, чтобы в результате получить воду с температурой, соответствующей установленным стандартам — не более 70°С.

Стоит отметить, что основной технической характеристикой, являющейся также и главным преимуществом, считаются небольшие размеры устройства и способность обеспечить достаточно большой расход.

Вариативность возможных расходов и площадей обмена у пластинчатых приборов достаточно высока. Самые компактные из них, например, от бренда Alfa Laval, обладают площадью поверхности до 1 м2, обеспечивая протекание объема жидкости до 0,2 м3/час. Самые же крупные теплообменники имеют площадь порядка 2000 м2 и расход, превышающий 3600 м3/час.

Обвязка теплообменника

Теплообменные установки преимущественно монтируются в отдельных котельных, обслуживающих многоквартирные дома, индивидуальные постройки, предприятиях промышленности, теплопунктах центральных теплосетей.

Относительно небольшие размеры и масса устройств позволяют выполнить монтаж достаточно быстро, хотя некоторые обладающие большой мощностью модели требуют постановки на фундамент.

При установке прибора необходимо соблюсти основной принцип: заливание фундаментных болтов, посредством которых теплообменник надежно фиксируется, осуществляется во всех случаях. Схема обвязки непременно предусматривает подведение теплоносителя к расположенному сверху патрубку, а к размещенному снизу штуцеру выполняется подключение обратной магистрали. Подача нагретой воды подсоединяется наоборот — к нижнему патрубку, а выход ее — к верхнему.

В подающем теплоноситель контуре необходима установка циркуляционного насоса. Кроме основного обязательно ставится и равный ему по мощности резервный насос.

Если в ГВС предусмотрена магистраль обратного движения жидкости, то схема и принцип работы пластинчатого теплообменника несколько изменяется. Нагревшаяся вода, подающаяся по замкнутому контуру, смешивается с холодной из водопровода, и лишь затем получившаяся смесь приходит в теплообменник. Корректировка температуры на выходе осуществляется посредством электронного блока, управляющего клапаном подающей теплоноситель магистрали.

При двухступенчатой схеме используется тепловая энергия обратной магистрали, что позволяет наиболее рационально использовать имеющееся тепло и снять с котла лишнюю нагрузку.

В каждой из рассмотренных систем на входе в теплообменник обязательно должны быть установлены фильтры, благодаря которым удается избежать загрязнения системы и продлить срок ее службы.

Итоги по теме

При всех прочих преимуществах современные пластинчатые теплообменники не смогли опередить устаревшие кожухотрубчатые по единственному, но очень важному критерию. При обеспечении значительного расхода, пластинчатые приборы немного не догревают воду. Такой недостаток легко устраняется созданием небольшого запаса при подборе количества пластин и расчете их площади.

Видео по теме: