Устройство и принцип работы пластинчатого теплообменника
Некоторое время назад я написал о том, как производятся пластинчатые теплообменники. Были вопросы по его устройству и принципам работы. Этому и будет посвящен данный материал. Напомню, что пластинчатый теплообменник производства компании "ЭТРА", да и любого другого производителя выглядит следующим образом:
А вот устроен он следующим образом. У производителей оружия такое изображение называется "взрыв-схемой". Ну пусть и у нас будет что-то подобное :-)
Конструктивно разборный пластинчатый теплообменник, состоит из рамы и пакета пластин.
Рама состоит из неподвижной плиты (1) и прижимной плиты (2), задней стойки (7) которая соединена с неподвижной плитой верхней направляющей (3) и нижней направляющей (4). Рамы разборных теплообменников выпускаются разной длины для обеспечения установки в нее разного количества пластин.
Между неподвижной и прижимной плитами находится расчетное количество пластин (5) с резиновыми уплотнительными прокладками.
Пакет прижат к неподвижной плите прижимной плитой резьбовыми стяжками (6). Степень сжатия достаточна для уплотнения и герметизации внутренних полостей теплообменника
О плитах, направляющих, стяжках наверное особо нечего написать. Поэтому далее речь пойдет о пластинах и прокладках. Именно эти части теплообменника контактируют со средами, которые участвуют в процессе теплообмена.
Начнем с пластин. изготавливаются штамповкой, обычно из нержавеющей стали аустенитного класса AISI 316, после штамповки производится электрохимическое полирование пластины. Наиболее близким российским аналогом этой стали является сталь 08Х18Н10Т. Сталь AISI 316 (как и все нержавеющие стали) несклонна к общим видам коррозии, однако при работе с высоко агрессивными средами (высокие температуры, высокое содержание хлоридов и др.) могут протекать местные виды коррозии, например язвенная (питтинговая) коррозия.
Химический состав нержавеющей стали AISI 316:
Углерод 0,08%, Хром 16-18%, Никель 10 -14%, Молибден 2-3%
Это основная сталь для производства пластин теплообменников. Наличие молибдена (по сравнению с 08Х18Н10Т) снижает уровень язвенной коррозии.
Толщина пластины (0,4…1,0 мм) зависит от максимального рабочего давления. На давление до 10 атм. используются пластины толщиной 0,4 мм, на давление до 16 атм. - пластины толщиной 0,5 мм, на давление до 25 атм. - пластины толщиной 0,6 мм
Для агрессивных сред (по отношению к стали AISI 316) применяют более дорогие материалы, например, 254 SMO, ТИТАН, хастеллой и т.д.
Для менее агрессивных сред (по отношению к стали AISI 316) применяют сталь AISI 304.
Теплообменная пластина обладает высокоэффективной теплопередачей за счет термодинамически оптимальной конструкции
Принцип «Off-Set» обеспечивает возможность создания как симметричных так и асимметричных каналов (1)
Специальный рельеф распределительной площадки оптимально распределяет теплоносители (2)
Простое крепление уплотнений к пластине посредством клипсовой системы
Уплотнения со специальными зажимами для оптимального центрирования и фиксации пакета пластин (3)
Двойное уплотнение с кантом утечки полностью предотвращает возможность смешения сред в области проходных отверстий (4)
Специальный окантовочный рельеф пластин обеспечивает необходимую жесткость пакета пластин, а также стабильную фиксацию уплотнений при оказании на них давления в процессе эксплуатации теплообменников (5).
Рифление пластин может быть разным. Как правило различают "термически жесткое рифление" с углом 30 градусов (характеризуется более высоким коэфф-том теплопередачи, но и большими потерями давления) и "термически мягкое рифление" с углом 60 градусов (характеризуется более низким коэфф-том теплопередачи, но и меньшими потерями давления). Расчетная программа подбирает такую комбинацию пластин, чтобы обеспечить необходимую теплопередачу, но при этом уложиться в заданные потери давления.
Вот как выглядят эти два типа рифления. Слева "жесткая" пластина, справа "мягкая" пластина.
Комбинируя пластины в пластинчатом теплообменнике можно организовать течение жидкостей в трех различных типах каналов, которые и образуют данные пластины:
«мягкий» канал
Пластины с углом рифления 60°. Малая турбулизация течения жидкости, малый коэффициент теплопередачи, малое гидравлическое сопротивление.
«средний» канал
Пластина с углами рифления 60° и 30°. Средняя турбулизация течения жикости, средний коэффициент теплопередачи, среднее гидравлическое сопротивление.
«жесткий» канал
Пластины с углом рифления 30°. Высокая турбулизация течения жидкости, высокий коэффициент теплопередачи, высокое гидравлическое сопротивление.
О течениях жидкости:
Вообще различают три режима течения жидкостей:
Х, У - координаты плоскости,
W - скорость потока жидкости,
1 - ламинарный режим течения, спокойный режим течения поток жидкости однородный, слои жидкости двигаются параллельно друг другу (без перемешивания), тепло, в направлении перпендикулярном направлению течения жидкости, передается практически только за счет теплопроводного механизма, поэтому коэффициент теплопередачи - минимален.
2 - переходный режим течения, в потоке жидкости начинается зарождение турбулентных образований (вихрей), эпизодическое перемещение макрочастиц жидкости из одной температурной области в другую (элементы конвекции). Поэтому коэффициент теплопередачи - растет (выше, чем при ламинарном течении).
3 - турбулентный режим течения, поток жидкости турбулизован полностью, коэффициент теплопередачи - максимален.
Вот как образуется турбулентный режим течения жидкости в пластинчатом теплообменнике
Пластинчатый теплообменник рассчитывается и должен работать на турбулентном режиме. В этом и заключается его отличие и более высокая эффективность чем у кожухотрубного теплообменника (принцип "труба в трубе"), где течение жидкости ламинарное. Для одной той же задачи площадь теплообмена пластинчатого теплообменника будет меньше в 3-4 раза, чем у кожухотрубного теплообменника.
Далее речь пойдет об уплотнительных прокладках теплообменника.
Прокладки обеспечивают герметичность теплообменника относительно окружающей среды и не допускают смешивание сред участвующих в процессе теплообмена. Прокладки изготавливаются из специальных полимеров, которые обеспечивают требуемые температурные параметры или химическую стойкость.
Как правило, применяется материал EPDM, который представляет собой этиленпропиленовый полимер. Он применяется в основном для горячей воды и пара. Однако на него могут губительно действовать различные жиры и масла.
Рабочий диапазон температур для резины EPDM составляет от -35 град.С до +160 град. С.
Могут в теплообменнике также применяться прокладки из других материалов:
NITRIL (NBR) - применяются для маслянистых жидкостей температурой до 135 град. С,
VITON - на агрессивные среды до 180 град. С.
вообще наглядно срок жизни прокладок иллюстрируют вот такие графики:
Крепятся прокладки на пластине двумя способами:
1) Клеевой. Пластина фиксируется в специальной канавке с помощью клея, чтобы при сборке не соскочила ненароком с пластины. Данный способ и тип прокладок уже практически не применяется производителями теплообменников. Лишние затраты труда, времени при производстве, а также трудности в обслуживании - наличие специального клея, укладка прокладок, время на высыхание и пр.
2) Клипсовый. Конструкция прокладки имеет клипсы по периметру, с помощью которых она закрепляется на пластине. Более понятно картина выглядит вот так:
Компания ЭТРА использует в своих теплообменниках прокладки только с клипсовым креплением к пластине.
Теперь о том, как протекают процессы в пластинчатом теплообменике:
Пластины разборного пластинчатого теплообменника устанавливаются одна за другой с поворотом на 180 град. Эта компоновка создает теплообменный пакет с четырьмя коллекторами для подвода и отвода жидкостей. Первая и последняя пластины не участвуют в процессе теплообмена, задняя пластина выполняется обычно без портов.
Уплотнение портов неподвижной плиты теплообменника осуществляется либо специальными кольцами, устанавливающимися между первой пластиной и неподвижной плитой, либо специальной прокладкой первой пластины.
О видах компоновки пластинчатых теплообменников.
Различают одноходовую компоновку теплообменника и многоходовую компоновку теплообменника.
При одноходовой компоновке поток жидкости, войдя в порт теплообменника, делится сразу на заданное число каналов и расходится на параллельные потоки. Далее проходит один раз по каналам стекается снова в порт и выходит из теплообменника.
При такой схеме компоновки все присоединительные патрубки расположены на неподвижной плите. Это значительно облегчает эксплуатацию и обслуживание теплообменника, т.к. ничто не мешает отодвинуть заднюю плиту теплообменника и вынимать пластины.
При многоходовой компоновке, жидкости совершают несколько ходов по одинаковому числу каналов. Это достигается установкой промежуточных пластин с двумя глухими портами (верхними или нижними) и позволяет в одном теплообменнике достигать очень большого тепло-съема.
Однако при этом появляются присоединения на прижимной плите теплообменника, что сильно ухудшает его обслуживание. Кроме того, такой теплообменник становится дорог и его гидравлическое сопротивление заметно возрастает.
Вот как это выглядит графически:
вот одноходовая компоновка в цвете:
вот двухходовая компоновка в цвете:
Компания Этра выпускает теплообменники в основном в одноходовой компоновке. Это облегчает сильно процесс обслуживания теплообменников в дальнейшем. Да и нет в необходимости в выпуске многоходовых теплообменниках по той причине, что типоразмерный ряд компании очень широк и имеет на каждый ДУ и низкие пластины и высокие.
По устройству и принципу работы наверное все.
Всегда Ваш,
товарищ Артем
http://www.etrann.com/
А вот устроен он следующим образом. У производителей оружия такое изображение называется "взрыв-схемой". Ну пусть и у нас будет что-то подобное :-)
Конструктивно разборный пластинчатый теплообменник, состоит из рамы и пакета пластин.
Рама состоит из неподвижной плиты (1) и прижимной плиты (2), задней стойки (7) которая соединена с неподвижной плитой верхней направляющей (3) и нижней направляющей (4). Рамы разборных теплообменников выпускаются разной длины для обеспечения установки в нее разного количества пластин.
Между неподвижной и прижимной плитами находится расчетное количество пластин (5) с резиновыми уплотнительными прокладками.
Пакет прижат к неподвижной плите прижимной плитой резьбовыми стяжками (6). Степень сжатия достаточна для уплотнения и герметизации внутренних полостей теплообменника
О плитах, направляющих, стяжках наверное особо нечего написать. Поэтому далее речь пойдет о пластинах и прокладках. Именно эти части теплообменника контактируют со средами, которые участвуют в процессе теплообмена.
Начнем с пластин. изготавливаются штамповкой, обычно из нержавеющей стали аустенитного класса AISI 316, после штамповки производится электрохимическое полирование пластины. Наиболее близким российским аналогом этой стали является сталь 08Х18Н10Т. Сталь AISI 316 (как и все нержавеющие стали) несклонна к общим видам коррозии, однако при работе с высоко агрессивными средами (высокие температуры, высокое содержание хлоридов и др.) могут протекать местные виды коррозии, например язвенная (питтинговая) коррозия.
Химический состав нержавеющей стали AISI 316:
Углерод 0,08%, Хром 16-18%, Никель 10 -14%, Молибден 2-3%
Это основная сталь для производства пластин теплообменников. Наличие молибдена (по сравнению с 08Х18Н10Т) снижает уровень язвенной коррозии.
Толщина пластины (0,4…1,0 мм) зависит от максимального рабочего давления. На давление до 10 атм. используются пластины толщиной 0,4 мм, на давление до 16 атм. - пластины толщиной 0,5 мм, на давление до 25 атм. - пластины толщиной 0,6 мм
Для агрессивных сред (по отношению к стали AISI 316) применяют более дорогие материалы, например, 254 SMO, ТИТАН, хастеллой и т.д.
Для менее агрессивных сред (по отношению к стали AISI 316) применяют сталь AISI 304.
Теплообменная пластина обладает высокоэффективной теплопередачей за счет термодинамически оптимальной конструкции
Принцип «Off-Set» обеспечивает возможность создания как симметричных так и асимметричных каналов (1)
Специальный рельеф распределительной площадки оптимально распределяет теплоносители (2)
Простое крепление уплотнений к пластине посредством клипсовой системы
Уплотнения со специальными зажимами для оптимального центрирования и фиксации пакета пластин (3)
Двойное уплотнение с кантом утечки полностью предотвращает возможность смешения сред в области проходных отверстий (4)
Специальный окантовочный рельеф пластин обеспечивает необходимую жесткость пакета пластин, а также стабильную фиксацию уплотнений при оказании на них давления в процессе эксплуатации теплообменников (5).
Рифление пластин может быть разным. Как правило различают "термически жесткое рифление" с углом 30 градусов (характеризуется более высоким коэфф-том теплопередачи, но и большими потерями давления) и "термически мягкое рифление" с углом 60 градусов (характеризуется более низким коэфф-том теплопередачи, но и меньшими потерями давления). Расчетная программа подбирает такую комбинацию пластин, чтобы обеспечить необходимую теплопередачу, но при этом уложиться в заданные потери давления.
Вот как выглядят эти два типа рифления. Слева "жесткая" пластина, справа "мягкая" пластина.
Комбинируя пластины в пластинчатом теплообменнике можно организовать течение жидкостей в трех различных типах каналов, которые и образуют данные пластины:
«мягкий» канал
Пластины с углом рифления 60°. Малая турбулизация течения жидкости, малый коэффициент теплопередачи, малое гидравлическое сопротивление.
«средний» канал
Пластина с углами рифления 60° и 30°. Средняя турбулизация течения жикости, средний коэффициент теплопередачи, среднее гидравлическое сопротивление.
«жесткий» канал
Пластины с углом рифления 30°. Высокая турбулизация течения жидкости, высокий коэффициент теплопередачи, высокое гидравлическое сопротивление.
О течениях жидкости:
Вообще различают три режима течения жидкостей:
Х, У - координаты плоскости,
W - скорость потока жидкости,
1 - ламинарный режим течения, спокойный режим течения поток жидкости однородный, слои жидкости двигаются параллельно друг другу (без перемешивания), тепло, в направлении перпендикулярном направлению течения жидкости, передается практически только за счет теплопроводного механизма, поэтому коэффициент теплопередачи - минимален.
2 - переходный режим течения, в потоке жидкости начинается зарождение турбулентных образований (вихрей), эпизодическое перемещение макрочастиц жидкости из одной температурной области в другую (элементы конвекции). Поэтому коэффициент теплопередачи - растет (выше, чем при ламинарном течении).
3 - турбулентный режим течения, поток жидкости турбулизован полностью, коэффициент теплопередачи - максимален.
Вот как образуется турбулентный режим течения жидкости в пластинчатом теплообменнике
Пластинчатый теплообменник рассчитывается и должен работать на турбулентном режиме. В этом и заключается его отличие и более высокая эффективность чем у кожухотрубного теплообменника (принцип "труба в трубе"), где течение жидкости ламинарное. Для одной той же задачи площадь теплообмена пластинчатого теплообменника будет меньше в 3-4 раза, чем у кожухотрубного теплообменника.
Далее речь пойдет об уплотнительных прокладках теплообменника.
Прокладки обеспечивают герметичность теплообменника относительно окружающей среды и не допускают смешивание сред участвующих в процессе теплообмена. Прокладки изготавливаются из специальных полимеров, которые обеспечивают требуемые температурные параметры или химическую стойкость.
Как правило, применяется материал EPDM, который представляет собой этиленпропиленовый полимер. Он применяется в основном для горячей воды и пара. Однако на него могут губительно действовать различные жиры и масла.
Рабочий диапазон температур для резины EPDM составляет от -35 град.С до +160 град. С.
Могут в теплообменнике также применяться прокладки из других материалов:
NITRIL (NBR) - применяются для маслянистых жидкостей температурой до 135 град. С,
VITON - на агрессивные среды до 180 град. С.
вообще наглядно срок жизни прокладок иллюстрируют вот такие графики:
Крепятся прокладки на пластине двумя способами:
1) Клеевой. Пластина фиксируется в специальной канавке с помощью клея, чтобы при сборке не соскочила ненароком с пластины. Данный способ и тип прокладок уже практически не применяется производителями теплообменников. Лишние затраты труда, времени при производстве, а также трудности в обслуживании - наличие специального клея, укладка прокладок, время на высыхание и пр.
2) Клипсовый. Конструкция прокладки имеет клипсы по периметру, с помощью которых она закрепляется на пластине. Более понятно картина выглядит вот так:
Компания ЭТРА использует в своих теплообменниках прокладки только с клипсовым креплением к пластине.
Теперь о том, как протекают процессы в пластинчатом теплообменике:
Пластины разборного пластинчатого теплообменника устанавливаются одна за другой с поворотом на 180 град. Эта компоновка создает теплообменный пакет с четырьмя коллекторами для подвода и отвода жидкостей. Первая и последняя пластины не участвуют в процессе теплообмена, задняя пластина выполняется обычно без портов.
Уплотнение портов неподвижной плиты теплообменника осуществляется либо специальными кольцами, устанавливающимися между первой пластиной и неподвижной плитой, либо специальной прокладкой первой пластины.
О видах компоновки пластинчатых теплообменников.
Различают одноходовую компоновку теплообменника и многоходовую компоновку теплообменника.
При одноходовой компоновке поток жидкости, войдя в порт теплообменника, делится сразу на заданное число каналов и расходится на параллельные потоки. Далее проходит один раз по каналам стекается снова в порт и выходит из теплообменника.
При такой схеме компоновки все присоединительные патрубки расположены на неподвижной плите. Это значительно облегчает эксплуатацию и обслуживание теплообменника, т.к. ничто не мешает отодвинуть заднюю плиту теплообменника и вынимать пластины.
При многоходовой компоновке, жидкости совершают несколько ходов по одинаковому числу каналов. Это достигается установкой промежуточных пластин с двумя глухими портами (верхними или нижними) и позволяет в одном теплообменнике достигать очень большого тепло-съема.
Однако при этом появляются присоединения на прижимной плите теплообменника, что сильно ухудшает его обслуживание. Кроме того, такой теплообменник становится дорог и его гидравлическое сопротивление заметно возрастает.
Вот как это выглядит графически:
вот одноходовая компоновка в цвете:
вот двухходовая компоновка в цвете:
Компания Этра выпускает теплообменники в основном в одноходовой компоновке. Это облегчает сильно процесс обслуживания теплообменников в дальнейшем. Да и нет в необходимости в выпуске многоходовых теплообменниках по той причине, что типоразмерный ряд компании очень широк и имеет на каждый ДУ и низкие пластины и высокие.
По устройству и принципу работы наверное все.
Всегда Ваш,
товарищ Артем
http://www.etrann.com/