Пластинчатые и кожухотрубные теплообменники – аппараты для переноса тепла между жидкими или паро-, газообразными средами. Обмен осуществляется через стенки оборудования, среды не соприкасаются и не смешиваются. Поверхностные теплообменники широко применяют для нагрева или охлаждения в системах отопления, горячего водоснабжения и кондиционирования, в пищевой, химической, фармацевтической, перерабатывающей промышленности, на морских судах и других отраслях.
Сравним конструкцию, технические характеристики, плюсы и минусы пластинчатого и кожухотрубного оборудования.
Кожухотрубчатые теплообменники: конструкция и принцип работы
Оборудование состоит из корпуса (кожуха) с входным и выходным патрубками, крышками. Внутри корпуса размещен пучок труб и перегородки. Трубы зафиксированы решетками. Рабочие среды подаются в кожух и трубы: навстречу, параллельно или под углом друг другу. Нагрев (охлаждение) осуществляется путем теплопередачи через стенки труб. Таким образом жидкости (газы, пары) не смешиваются.
Трубы внутри кожуха размещены по концентрическим окружностям или в форме шестиугольника. Такое расположение обеспечивает максимальную компактность. Трубы могут фиксироваться подвижно или неподвижно.
В первом случае «плавающие» трубные решетки компенсируют температурную деформацию материалов, такие теплообменники применяют при большой разнице температур рабочих сред. Оборудование с жестко зафиксированными трубами дешевле, теплотехнические аппараты применяют при небольшой разнице температур жидкостей, газов или паров.
По количеству ходов рабочих сред различают:
- Одноходовое оборудование. Жидкость, пар или газ проходит через трубы один раз.
- Многоходовые теплообменники. Потоки проходят через трубы или пути, сформированные перегородками корпуса несколько раз.
Направление потока сред может быть параллельным, перекрестным (под углом) или встречным. Для увеличения теплообмена и предотвращения образования застойных зон нагреваемую жидкость, газ или пар подают снизу вверх, отдающую тепло среду – сверху вниз, что соответствует естественному увеличению и уменьшению плотности вещества при разных температурах. Соответственно при работе на охлаждение подача сред осуществляется противоположно.
Пластинчатые теплообменники: конструкция и принцип работы
Теплотехническое оборудование состоит из пакета пластин, неподвижной и прижимной плит, задней стойки. Пластины образуют каналы для рабочих сред. При подаче жидкостей, газов или паров теплообмен между средами осуществляется по всей площади пластин. Для ее увеличения поверхность пластины изготавливают ребристой или гофрированной.
Конфигурация и форма каналов также влияет на теплопередачу. Ее подбирают исходя из напора и давления, физических свойств сред, обусловленных особенностями технологического процесса, таким образом, чтобы коэффициент передачи тепла был максимальным при требуемой скорости потока и других параметрах.
Направление движения рабочих сред также может быть:
- Однонаправленным (параллельным).
- Встречным.
- Перекрестным.
- Смешанным.
Количество ходов нагревающей (охлаждающей) и нагреваемой (охлаждаемой) сред – один или несколько. По этому признаку различают одно- и многоходовое тепловое оборудование.
Комплектующие могут быть соединены резьбовым разъемным соединением, пайкой или сваркой. Разборные модели обычно рассчитаны на давление до 25 бар. Герметичность в местах соединения секций обеспечивается полимерными прокладками. Главное преимущество таких аппаратов – возможность замены секций, увеличивать или уменьшать количество пластин, проводить тщательную чистку с разборкой. Паяные и сварные теплообменники применяют при более высоком давлении, а также с агрессивными к полимерам рабочими средами.
Сравнение пластинчатых и кожухотрубных теплообменников
Кроме допустимого массового расхода, рабочего давления, скоростей потоков, к основным параметрам теплового оборудования для нагрева и охлаждения относятся: масса, габариты, коэффициент теплопередачи, ремонтопригодность, сложность выполнения технического обслуживания.
Сравним показатели пластинчатых и кожухотрубных теплообменников в деталях.
1. Масса
Вес оборудования не является определяющим фактором при выборе промышленного теплообменного оборудования. Однако в ряде случаев повышение нагрузки на несущие элементы здания недопустимо. При таких условиях приходится учитывать массу. Кроме того, транспортировка, монтаж, ТО, ремонт более легких аппаратов дешевле, проще, занимает меньше времени.
Кожухотрубные теплообменники имеют большую металлоемкость, чем пластинчатые. Это связано с площадью теплообмена оборудования. Пучок труб тяжелее пакета гофрированных пластин той же площади, кроме того, под более тяжелую функциональную часть требуется увеличивать толщину несущих элементов рамы. Таким образом, пластинчатые аппараты легче кожухотрубных. Разница массы незаполненного оборудования может составлять 2 раза и более.
2. Размеры
При выборе теплообменников для морских и речных судов, индивидуальных тепловых пунктов, размещенных в жилых зданиях, технологических линий на различных производствах обязательно учитывают габариты. Даже в случае, когда размеры оборудования некритичны, предпочтение чаще отдают более компактным аппаратам.
Габариты пластинчатых теплообменников меньше за счет компактного размещения тонких пластин. Это обеспечивает бОльшую площадь теплообмена на единицу объема, чем у трубчатых аппаратов. Разница составляет от 1,5 раз и более.
3. Коэффициент теплопередачи
Величина параметра характеризует эффективность теплового оборудования. Чем выше значение коэффициента теплопередачи, тем больше тепла передает греющая жидкость или пар за единицу времени. Расчеты и данные, полученные опытным путем, показывают, что коэффициент теплопередачи у пластинчатых аппаратов выше, чем у самых современных кожухотрубных теплообменников. Это достигается применением современных сплавов, которые позволяют уменьшить толщину теплообменных пластин без критичной потери прочности и уменьшения срока службы, построением конфигурации каналов, которая создает турбулизацию потоков нагревающих и нагреваемых жидкостей, газов или паров для лучшего обмена тепловой энергией.
4. Ремонтопригодность и техническое обслуживание
Одно из достоинств разборных теплообменников – возможность механической чистки и замены секций. Современные кожухотрубные аппараты также можно разбирать, однако удаление отложений внутри труб возможно только промывкой. Такой метод не очищает полностью, со временем условный проход труб уменьшается даже при своевременном обслуживании.
Для ремонта и обслуживания можно разобрать пластинчатое тепловое оборудование на секции и доставить в мастерскую по частям. Это намного проще демонтажа и перевозки громоздкого кожухотрубного теплообменника. Съемный трубный пучок у передовых моделей особого преимущества не дает, так как масса комплектующих значительно больше веса секции пластин.
Пластинчатые аппараты также можно обслуживать и ремонтировать по месту эксплуатации. Относительно небольшая масса и габариты отдельных пластин существенно облегчают работы.
Полезные ссылки:
- https://ru.wikipedia.org/ - статья про кожухотрубные теплообменные аппараты в Википедии;
- https://www.teploprofi.com/catalogue/cat/teploobmenniki-plastinchatie-kupit/ - каталог пластинчатых теплообменников;
- https://www.teploprofi.com/catalogue/cat/plastiny-dlya-teploobmennika/ - примеры пластин для теплообменного оборудования.