Типы пластинчатых теплообменников
Устройства для переноса тепла между нагретой и холодной средой подразделяются на следующие типы в зависимости от схемы передвижения теплоносителей:
1. Одноходовые пластинчатые аппараты, в которых среда перемещается постоянно по одной и той же траектории. При этом теплоноситель проходит по всей длине устройства. Еще в таких аппаратах среды всегда движутся в противоположных направлениях. Это является их основной отличительной чертой.
2. Многоходовые пластинчатые аппараты, рекомендованные для использования на тех объектах, где требуется достичь незначительной разницы температуры между греющей и нагреваемой жидкостью. У этих устройств патрубки находятся не только спереди на неподвижной части, но и с торца на нажимной плите. В устройствах данного типа потоки сред способны менять направления движения. Это может происходить в нескольких или исключительно в одном ходу. Многоходовые устройства передачи тепла оснащаются по одному входному и выходному отверстию.
3. Многоконтурные пластинчатые аппараты, имеющие в своей конструкции независимые контуры в количестве 2 штук. Они располагаются на одной стороне. Применяются такие устройства в тех случаях, когда нужно создать двухэтапные условия охлаждения или прогрева теплоносителя. Еще данные теплообменники позволяют эффективно выполнять регулирование тепловой мощности.
Однако на этом классификация пластинчатых теплообменников не заканчивается. Они еще подразделяются в зависимости от легкости доступа к устройствам, так как их поверхности необходимо не только постоянно чистить механическим способом, но и просто осматривать.
Производители создают три разновидности теплообменников пластинчатого типа:
1. Разборные устройства, имеющие минимально возможные размеры. Данные аппараты очень просто обслуживаются. Их гофрированные пластины и все каналы при необходимости имеется возможность без затруднения очистить. При этом конструкция таких теплообменников позволяет изменять число, и даже тип гофрированных пластин. В результате появляется возможность уменьшить или увеличить мощность отдельно взятого аппарата. Если же возникает утечка теплоносителя, то в этом случае исправить поломку тоже не составляет никакого труда, так как можно выполнить быструю замену уплотнительного элемента или пластины.
2. Полусварные устройства, к которым еще относятся полуразборные аппараты. Такие теплообменники состоят из нескольких модулей, изготовленных при помощи сварки. В состав каждого из них входит две гофрированные пластины. Для их сварки между собой используются лазерные аппараты. Из данных модулей собирается единый пакет. Для этого применяются торцевые пластины и болты, с помощью которых они стягиваются. Эти теплообменники используются в тех случаях, когда какой-нибудь теплоноситель имеет повышенное давление или температуру. Еще аппараты данного вида применяются для нагрева или охлаждения опасных сред.
3. Неразборные устройства, которыми являются теплообменники, изготовленные при помощи пайки. Они состоят из определенного количества гофрированных плит из нержавейки. Данные элементы соединяются между собой методом пайки. Этот процесс осуществляется в вакууме. При этом еще используется припой из никеля или меди. Такие теплообменники отличаются повышенной надежностью, небольшими габаритами и легкой установкой. Неразборные устройства способны самостоятельно очищать свои каналы, так как в них присутствует высокая турбулизация потока среды. Кроме того, они дают хороший экономический эффект. Используются данные аппараты в теплоснабжении, где с их помощью осуществляется нагрев воды.
Все вышеперечисленные теплообменники пластинчатого типа создаются из тонколистового металла. Минимальное количество пластин в одном аппарате обычно составляет 7 штук. Их максимальное число может быть любым, так как практически ничем не ограничивается. При этом самая большая температура нагревающей среды не превышает 150 градусов. В то же время максимальное давление составляет 9,8 бар. На количество теплоносителя, который проходит через теплообменник, влияют его габариты.
Достоинства и недостатки
Широкое распространение пластинчатых теплообменников обусловлено следующими достоинствами:
- компактными габаритами. За счет использования пластин существенно увеличивается площадь теплообмена, что снижает общие габаритные размеры конструкции;
- простотой монтажа, эксплуатации и технического обслуживания. Модульная конструкция агрегата позволяет легко разобрать и промыть требующие очистки элементы;
- высоким КПД. Производительность ПТО составляет от 85 до 90%;
- доступной стоимостью. Кожухотрубные, спиральные и блочные установки, при сходных технических характеристиках, стоят значительно дороже.
Недостатками пластинчатой конструкции можно считать:
- необходимость заземления. Под действием блуждающих токов в тонких штампованных пластинах могут образовываться свищи и другие дефекты;
- необходимость использования качественных рабочих сред. Поскольку поперечное сечение рабочих каналов небольшое, применение жесткой воды или некачественного теплоносителя может привести к засору, что снижает интенсивность теплопередачи.
Как работает битермический теплообменник
Конструктивные особенности пластинчатого теплообменника
Отличительной чертой устройства переноса теплоты является наличие пакета, состоящего из пластин. Они представляют собой гофрированные элементы, изготовленные из металла. Если точнее, то пластины производятся в большинстве случаев из нержавеющей стали, так как она прекрасно выдерживает воздействия теплоносителя, обладающего низким качеством.
Эти элементы соединяются между собой. При этом их крепление осуществляется с поворотом на 180 градусов относительно друг друга. Помимо пакета пластин, в состав теплообменника этого типа еще входит:
• подвижная плита;
• неподвижная плита, на которой расположены патрубки для присоединения трубопроводов;
• элементы крепления, благодаря которым происходит стягивание 2-х плит и создается рама;
• две направляющие (верхняя и нижняя), имеющие вид круглого прута.
Такая продуманная компоновка устройства позволяет создавать аппараты, отличающиеся компактными габаритами.
Рама пластинчатого теплообменника служит для закрепления пластин, которые изготавливаются не только из нержавейки, но и из меди или графита. Благодаря тому, что поверхность устройства является своеобразной, она создает довольно сильную турбулентность средам, использующимся для переноса тепла и движущимся по трубам. За счет этого возрастает теплопередача у аппарата.
После установки гофрированных пластин на свои места образуется две герметичные системы, полностью изолированные друг от друга. Именно по ним движется холодная и горячая среда. Благодаря такой конструкции происходит теплообмен.
Из гофрированных пластин собирается пакет. При этом они располагаются крест-накрест. Такое их размещение позволяет создать жесткую конструкцию. Все гофрированные пластины оснащаются прокладками для уплотнения соединений. Это очень важные элементы, обеспечивающие хорошую герметичность устройства особенно в рабочем состоянии. Прокладки позволяют теплоносителям бесперебойно протекать в противоположных направлениях по трубам. Они имеют особую конфигурацию. Благодаря такой конструктивной особенности уплотнительных элементов не допускается смешивание холодной и горячей среды.
Высокий требуемый коэффициент передачи тепла будет обеспечен, если правильно подобрать размер теплообменника в соответствии с заданным объемом проходящей среды. Тем более в таком устройстве наблюдается повышенная турбулентность носителя тепла.
Теплообменник, состоящий из гофрированных пластин — это устройство поверхностного типа. По нему движется нагреваемая и нагревающая среда. Между ними происходит передача тепла через стенку из металла. Именно она получила название — поверхность теплообмена. Основными элементами такого теплообменника являются гофрированные пластины. Эти элементы достаточно тонкие и изготавливаются методом штампования.
Применяются пластинчатые теплообменники, как нагревательные или охладительные устройства. Их используют в разных технологических процессах, а также в нефтяной, газовой промышленности и во многих других отраслях. На фото ниже представлен пластинчатый теплообменник в индивидуальном тепловом пункте многоквартирного дома.
Здесь он используется для подогрева холодной воды в систему ГВС дома, система горячего водоснабжения при этом закрытая.
Схема действия двухконтурного котла
Материалы
Современные тепловые обменники изготавливают из различных материалов. Именно от этого параметра зависят многие качества данных деталей, а также их плюсы и минусы. Рассмотрим подробнее, из чего обычно производят теплообменники для газовых котлов.
Стальной
Чаще всего в газовом отопительном оборудовании встречаются тепловые обменники из стали. Их распространенность объясняется демократичной стоимостью стали и простотой ее обработки. Стальные детали имеют свои отличительные характеристики, например, такой теплообменник получается довольно пластичным. Кроме того, подобные варианты отличаются долгим сроком службы, что привлекает многих потребителей.
Нужно отметить, что пластичность стальных экземпляров играет одну из важнейших ролей, если речь идет о контакте обменника с высокими температурами. Благодаря такой характеристике на составляющих элементах котла не образуются трещины, когда во внутренней части металла рядом с горелкой формируется серьезное тепловое напряжение.
Однако у стальных вариантов есть один серьезный минус – они подвержены образованию коррозии. Разумеется, появление ржавчины сокращает срок службы обменника. Кроме того, нужно учитывать, что дефекты такого рода могут появиться и на внутренней, и на внешней половине устройства.
Еще одним минусом стальных обменников является их большой размер и вес. Кроме того, с подобными деталями будет возрастать потребление газа. Это происходит, потому что большинство современных производителей стремятся добиться высокого уровня инертности и расширяют объем внутренних полостей теплового обменника.
Теплообменники, виды устройство и принцип работы которых будут описаны в статье, представляют собой специальные приборы для передачи тепловой энергии от нагреваемого теплоносителя к холодному. Последним может выступать газообразная или жидкая субстанция.
Принципы маркировки теплообменных аппаратов
Использование разного вида рабочих сред
Грамотно подобранный теплоноситель способен значительно повысить производительность работы.
Водяной пар
Одним из широко распространенных теплоносителей является перегретый (насыщенный) водяной пар. Он обладает рядом достоинств: высокая интенсивность теплоотдачи, легкое транспортирование по трубам, возможность регулировать температуру. Чаще всего данный вид теплоносителя применяют в технологических процессах с многократным испарением, когда выпариваемый продукт направляется в подогреватели или другие выпарные установки.
Горячая жидкость
Не менее распространены в качестве агентов, циркулирующих по теплообменнику – горячие жидкости и вода. Они отличаются менее интенсивным подогревом и стабильно снижающейся температурой носителя.
Для пара и воды характерен один значительный недостаток: с повышением температуры происходит резкий рост давления в системе. На пищевых производствах аппараты не могут работать при температуре выше 160°С.
Масляный раствор
Масляный обогрев целесообразен в консервной промышленности, он позволяет эксплуатировать теплообменник при 200°С.
Горячий воздух и газ
Газ и горячий воздух (максимальная температура 300-1000°С) используются в сушильных устройствах и печах. Газообразные вещества имеют много недостатков: их трудно транспортировать и контролировать по температурному параметру, они обладают низким коэффициентом теплообмена, а топочные газы сильно загрязняют поверхность теплообменника.
Классификация рекуперативных теплообменников
Как работает двухконтурный котел с биотермическим теплообменником
Виды пластинчатых теплообменных аппаратов и их применение
Достоинства и недостатки отопления с теплоаккумулятором
Плюсами таких систем являются:
- Снижение затрат на энергоносители.
- Увеличение КПД отопительной системы.
- Отсутствие перегрева.
- Снижение количества (периодичности) загрузки твердого топлива в котел.
- Тонкая настройка температурного режима в помещениях.
- Возможность модернизации (совмещение с системой подачи горячей воды, использование альтернативных источников энергии вместо топлива).
При всех достоинствах отопительное оборудование такого типа имеет и недостатки:
- Мощность установленного котла позволяет отапливать площадь, вдвое больше, чем требуется (запас мощности).
- Система долго запускается из холодного состояния до вхождения в нормальный рабочий режим.
- Ввиду громоздкости оборудования и большого числа комплектующих усложняется транспортировка, размещение и монтаж.
- Сохраняется необходимость топливного склада в непосредственной близости от котельной.
- Стоимость оборудования и отсутствие быстрой окупаемости затрат, особенно при замене котла.
Последний недостаток успешно решается, если смонтировать теплоаккумулятор своими руками.
Типы отопительных систем с теплоаккумулятором и разным количеством змеевиков
Змеевик играет роль теплообменника, то есть жидкости различных систем не смешиваются между собой, а передача тепла происходит через стенки этой спирали. Изготавливается из меди или нержавеющей стали. Иногда используется черный металл что бы удешевить конструкцию.
Различают четыре основных типа систем:
Без змеевика. Вместо него может быть вмонтирован дополнительный бак меньшего диаметра, подключенный к малому контуру. Передача тепла происходит благодаря физическим свойствам, при котором она поднимается вверх, а холодный теплоноситель опускается в нижнюю часть емкости. Такая система является самой простой и работает только с одним потребителем, например системой отопления и одним источником. Это может быть как твердотопливный котел так и солнечный коллектор. Особенности – минимальная себестоимость, простота монтажа.
С одним змеевиком. Спираль находится внутри основного бака, по ней циркулирует теплоноситель от источника. Энергия передается в накопительную емкость откуда и циркулирует далее к потребителю. Особенности такой системы является не смешивание различных теплоносителей
Это может быть важно если они имеют различные химические составы
Система может работать и в обратном порядке, через змеевик может бить запитана система отопления или ГВС.
С двумя змеевиками. Дополнительный малый контур теплообменника запитан в систему, подключенную к альтернативному источнику энергии. Эта система позволяет использовать более широкий спект оборудования для нагрева теплоносителя.
С тремя спиралями. Предполагается, что в единый отопительный комплекс входит котел на твердом топливе и два альтернативных источника, например, солнечная и геотермальная батареи. Максимальная экономия твердого топлива. Котел может использоваться как дополнительный (резервный).
С дополнительным баком. Существуют системы, в которых включен еще один контур с теплообменником для того, чтобы горячая вода в кране появлялась сразу же после запуска котла, не дожидаясь выхода в оптимальный режим обогрева. Однако в таких системах, запас горячей води ограничен, по его истечению дальнейший прогрев будет проходить медленнее чем через змеевик.
Применение различных типов систем
Отопительные системы, в состав которых входят только твердотопливные котлы применяются, как правило, для обогрева частных домов. Необходимость сооружать угольный (дровяной) склад доставляет неудобство, но такой конфигурации достаточно для отопления в самые суровые морозы.
Системы отопления, в которые включен солнечные коллекторы позволяют экономить до 30% затрат на энергоносители, но не заменить твердотопливный котел. Поэтому ее используют как вспомогательную, тем более что солнце светит не всегда. А вот для того, чтобы дома всегда была вода, мощности достаточно (замещает на 50-90%).
Совмещенные конфигурации предполагают применение газового и твердотопливного котлов. Это удобно при запуске системы в промерзшем здании. Если газовый агрегат подключить к системе горячего водоснабжения, то вода будет всегда. При этом не нужно подбрасывать дрова, достаточно нажать пусковую кнопку газовой горелки. а основную задачу по нагреву води возьмет на себя твердотопливный котел.
Конструкция теплообменных пластин
Главная деталь в пластинчатом теплообменном оборудовании – пластины для передачи тепла. Их изготавливают холодной штамповкой из стойких к окислению материалов. Толщина теплопередающей пластины составляет от 0,4 до 1 мм.
Собранный теплообменный пакет состоит из плотно прилегающих друг к другу пластин, образующих каналы в виде щелей. Лицевые стороны пластин имеют углубление по контуру под резиновую прокладку. Благодаря им пластины герметично прилегают друг к другу.
В каждой пластине имеется четыре отверстия для жидкости:
- два отверстия для горячей жидкости (подведение и отвод);
- два отверстия для улучшения точного прилегания пластин. В них установлены уплотнители меньшего размера, чтобы изолировать среды с разными температурами.
Протекание жидкости в пластинчатом теплообменники выполнено так, чтобы происходило завихрение течений. Все это способствует более интенсивному теплообмену с относительно малым сопротивлением протекания жидкости. А при небольшом сопротивлении потоку менее интенсивно накипают отложения на стенки аппарата.
Петлевидные потоки жидкости вдоль пластин могут неоднократно производить обмен тепла. Благодаря этому даже при большой разнице нагреваемой среды и источника тепла достигается качественный теплообмен. В итоге разница в температуре двух сред минимальна. Для многократного теплообмена выводят патрубки в прижимной плите, а не только в неподвижной.
Рис. 4. Устройство РПТО
Дополнительные элементы котлов
Устройство парового котла не ограничивается основными элементами, которые уже были описаны выше. Иногда паровой котел может комплектоваться дополнительными устройствами, позволяющими повысить эффективность или функциональность системы.
Речь идет о следующих элементах:
- Пароперегреватель. Данный элемент позволяет разогреть пар до температуры свыше 100 градусов, что позволяет добиться большей экономичности за счет увеличения КПД агрегата. Пар при использовании перегревателя может достигать температуры в 500 градусов, причем его нагрев осуществляется уже в трубах, то есть после этапа испарения воды. Пароперегреватель может быть как встроенным, так и выполняться в формате отдельного устройства. Существуют конвекционные и радиационные устройства (второй тип имеет в 2-3 раза большую мощность).
- Сепаратор пара. Этот элемент парового котла позволяет устранить всю лишнюю влагу из пара и максимально его высушить. При использовании сепаратора КПД всего котла существенно повышается.
- Паровой аккумулятор. Данное устройство позволяет стабилизировать работу системы. Аккумулятор вбирает в себя излишки выработанного пара и возвращает их в систему, если его становится слишком мало.
- Устройство для очистки воды. Данное приспособление позволяет снизить насыщенность воды кислородом и различными химическими веществами. Своевременная подготовка воды дает возможность уменьшить воздействие коррозии на внутренние элементы котла и свести к минимуму количество отложений в системе.
Также устройство парового котла включает в себя клапан для спуска конденсата, подогреватели воздуха и блок управления агрегатом, в который входит выключатель горения и регуляторы расхода сырья и энергоресурсов. Понимание того, из чего состоит паровой котел, позволяет подогнать его конфигурацию под решение конкретных задач.
Виды газовых котлов
Лучшие Российские производители
Среди российских производителей стоит выделить несколько предприятий:
- Борисоглебский котельно-механический завод. Предприятие выпускает жаротрубное оборудование, работающее на твёрдом, жидком топливе и газе. Оборудование комплектуется горелками и системами автоматического управления, безопасности. Приборы собственного производства. Котлы имеют трехступенчатое регулирование мощности, позволяющее обеспечить автономный режим эксплуатации.
- Промышленная группа «Генерация» (г. Березовский, Свердловская обл.). Линейка жаротрубных котлов состоит из оборудования производительностью от 1 до 2,5 тонн/ч. Данное оборудование служит для производства пара низкого давления в промышленности. Схема котлов – трёхходовая. В комплектацию входят горелки, которые выполняются в двух вариантах: автоматизированные однотопливные и двухтопливные. Достоинствами агрегатов выступает высокий КПД – до 91%, простая конструкция, высокая ремонтоспособность.
- АО «Завод котельного оборудования» (Белгородская область, Алексеевский район, г. Алексеевка). Предприятие выпускает жаротрубные котлы с высоким коэффициентом полезного действия. Паровые оборудование работает по трехходовой схеме. Котлы отличаются производятся в широком ассортименте с производством пара от 2 до 25 т/ч, и давлением до 25 бар.
- Российский завод энергетического машиностроения АО «Поликрафт энергомаш». Завод выпускает котлы паропроизводительностью от 0,5 до 5,0 тонн/ч, имеют 11 типоразмеров и работают на газообразном и дизельном топливе. Оборудование оснащено защитной автоматикой.
- АО «Шебекинский машиностроительный завод» (г. Шебекино, Белгородская обл.) изготавливает паровые жаротрубные котлы марок КП и КПа производительностью пара от 1 до 4 тонн/ч. Среди достоинств: спиральный турбулизатор, футеровка передней крышки огнеупорным бетоном. Котлы соответствуют требованиям Ростехнадзора.
Расчет кожухотрубчатого теплообменника
Правильная эксплуатация
Промывку теплообменника проводят в зависимости от жесткости воды
Транспортировка, монтаж и эксплуатация теплообменного устройства подробно описаны в инструкции:
- Теплообменник в аппарате размещают так, чтобы к нему был свободный доступ для осмотра и ремонта.
- Запуск выполняют при стабильных показателях давления и температуры. Нельзя повышать температуру быстрее, чем на 10 градусов в минуту или увеличивать давление больше, чем на 10 бар в час.
- При заполнении водой воздушные клапаны и вентили за теплообменником остаются открытыми. После запуска насоса их закрывают. Таким образом добиваются стабильного давления.
- Изменять параметры нагрева нужно плавно. Чем медленнее это происходит, тем дольше прослужат уплотнители и сам теплообменник.
- Периодически устройство нужно чистить. Пластинчатый очищают прямо в раме, затем вынимают пластины и промывают. Возможен другой метод: сначала изъятие, а затем очистка пластин. Кожухотрубные чистить не рекомендуют. При сложных засорениях мастер ставит заглушку.
- Перед повторным пуском проверяют состояние всех прокладок. Давление и температуру устанавливают как при 1 запуске.
Конструкция и принцип работы пластинчатого теплообменника
Какой лучше раздельный или битермический
Настенные котлы с раздельными теплообменниками
Конструкция и принцип работы пластинчатого теплообменника
Рейтинг производителей теплообменников
- качеству и надежности;
- ремонтопригодности;
- стоимости;
- наличия и выполнения гарантий;
- обеспечения запасными элементами и расходными материалами;
- срокам изготовления и поставкам;
- расположению производств и складов по отношению к потенциальному заказчику.
В связи с отсутствием в России конкуренции по штамповке пластин, теплообменники собирают из импортных элементов, сажая на отечественную рамку. Поэтому главный критерий для сравнения — пластины. Только Alfa Laval Поток выпускает пластины и резиновые прокладки. Наиболее себя зарекомендовали в качестве производителей пластин шесть компаний:
- Теплотекс (комплектующие АРV — Дания);
- Алфа Лаваль Поток;
- СВЕП ИнтернешенРидан АБ (Швеция);
- Ридан (комплектующие Sondex — Дания);
- Машимпекс (комплектующие Geo — Германия);
- Данфосс (комплектующие — Данфосс Финляндия).
Анализ проводился на основании данных, пришедших от представителей производителей, поставщиков и теплоснабжающих организаций. Он показал, что компания Алфа Лаваль Поток — единственная, которая производит пластины и прокладки в России, импортируя лишь стальные заготовки для них и сырую резину. Все производство и складское помещение находится в Московской области, срок гарантии на продукцию от 12 до 18 месяцев, а время изготовления не более 14 дней. Более 10 лет теплообменники этой фирмы работают без нареканий, компания имеет все сертификационные и лицензионные документы, в отличие от своих конкурентов, их не имеющих. Обслуживающий персонал имеет высокую квалификацию, а предоставлением сервиса занимаются уполномоченные организации. Все это говорит в пользу приобретения теплообменника фирмы Альфа Лаваль, и, хотя, цена его на 20% выше, чем у конкурентов — бесперебойная и надежная работа устройства компенсирует этот недостаток в полной мере.
