Пластинчати топлообменници

ОВКСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 2, 2010

Предпочитано техническо решение в широк кръг от индустриални приложения

    Пластинчатите топлообменници са сред широко разпространените топлообменни апарати в практиката. Те се считат за едни от най-икономичните и ефективни апарати, характеризиращи се със сравнително ниска цена, компактни габарити и ниски експлоатационни разходи. Сред най-често срещаните им приложения са системите за отопление и битово горещо водоснабдяване (БГВ). Използват се масово и в системите за климатизация, както и в хранително-вкусовата промишленост при пастьоризацията или охлаждането на мляко, вино, пиво и др. Пластинчатите топлообменници намират приложение и в различни технологични процеси. Те са и сред най-често използвания вид топлообменници за утилизация на топлина във вентилационните, климатичните и отоплителните системи. Приемат се за оптимално техническо решение в системите за отопление и охлаждане, тъй като работят при широк диапазон на налягането и температурата. Отнасят се към групата на рекуперативните топлообменници, тъй като между двата потока в тях се обменя само топлина, но не и влага. Двата потока обтичат различни повърхнини на топлообменника. Между тях има разделителни стени. Ефективността на този вид топлообменници се задава в диапазона от 40 до 70%.

Конструкция на пластинчатите топлообменници
Пластинчатите топлообменници (Fixed-Plate Heat Exchangers) са топлинни апарати, предназначени за предаване на топлина от среда с по-висока температура към среда с по-ниска температура. Основният им изграждащ елемент са тънки метални пластини, които се подреждат плътно една до друга. Една от основните характеристики на топлообменника е броят на пластините, които определят както неговата мощност, така и габаритите му. Двата потока преминават през формираните между пластините канали. В повечето случаи, за да се увеличи топлообменната повърхност и за да се постигане по-добър топлообмен между потоците, отделните пластини се профилират. Освен това, профилирането на пластините осигурява и по-добра устойчивост на топлообменника по отношение на налягането и подпомага създаването на турбулентен режим на преминаващите потоци. По мнение на специалисти, профилирането на пластините на пластинчатите топлообменници е ключов фактор за тяхната висока ефективност. С поддържането на потоците в турбулентен режим, не само, че се повишава ефективността на апарата, но се осигурява и неговото самопочистване, тъй като не се допуска образуването на застойни зони и по този начин се възпрепятства отлагането на замърсявания.
Пластинчатите топлообменници са подходящи за предаване на топлина между потоци с различно агрегатно състояние - пара-пара, течност-течност, течност-пара, въздух-въздух и други. В случаите, в които се предвижда през топлообменника да преминават замърсени въздушни потоци, не се препоръчва използването на топлообменници със силно релефни пластини. Движението на двата потока е в противоток.
В зависимост от начина на присъединяване на пластините една към друга, пластинчатите топлообменници условно могат да бъдат разделени на две основни групи - разглобяеми и неразглобяеми.

Разглобяеми пластинчати топлообменници
Разглобяемите пластинчати топлообменници се характеризират с компактна конструкция, висока ефективност и сравнително ниска цена. Намират широко приложение в инсталации, предназначени за силно замърсени флуиди, изискващи често почистване на повърхностите на топлообменника. Сред основните им приложни области са предприятия от промишлеността, инсталации за охлаждане на вода, както и инсталации за подгряване на различни флуиди и др.
Конструкцията на разглобяемите пластинчати топлообменници се базира на група от тънки пластини, поставени между две плоскости. Обикновено предната е неподвижна, а задната плоскост е подвижна. Двете плочи се пристягат с помощта на болтове. Използваните уплътнения определят и направлението на потока вътре в топлообменника. Благодарение на доброто уплътняване на пластините се постига надеждна изолация на каналите в топлообменника.
Сред предимствата на разглобяемите пластинчати топлообменници е лесното им разглобяване при необходимост от почистване, както и възможността за увеличаване на мощността на топлообменника чрез добавянето на допълнителни пластини.
Използването на уплътнителни пръстени дава известна степен на гъвкавост на топлообменника по отношение на устойчивостта му на топлинни натоварвания и резки промени в налягането.
Ограничението в използването на този вид пластинчати топлообменници се дължи на допустимата температура за потоците в зависимост от характеристиките на уплътнителните пръстени.

Използват се термоустойчиви уплътнения
Уплътняването на отделните пластини се осъществява чрез използване на термоустойчиви уплътнения. Формата им се избира с оглед гарантирано разпределение на потоците в необходимото направление и осигуряване на независимостта им през целия експлоатационен живот на топлообменника.
Уплътненията напълно изолират контура на пластинчатия топлообменник, което изключва възможността от утечки. По този начин се образуват две системи с херметични канали. Схемата на поставяне би следвало да осигурява бързата им и лесна подмяна. Материалите, от които се изработват уплътненията се определят в зависимост от експлоатационните условия на топлообменника. Основно се използват различни полимерни материали на основата на естествен или синтетичен каучук.

Споени пластинчати топлообменници
Конструкцията на споените пластинчати топлообменници осигурява оптимални топлинна ефективност и надеждност, съчетани в компактна конструкция. Този вид топлообменници се отнасят към групата на неразглобяемите, тъй като всички пластини са свързани заедно, посредством високотемпературно спояване. Целта е постигане на по-добра устойчивост на топлообменника при по-високи налягания и температури, както и постигане на относително ниска себестойност на апарата. Високотемпературното спояване на пластините елиминира необходимостта от използването на уплътнения. Това позволява работа при високи налягания и температури, без разходи за поддръжка и утечки на флуид.
Като основен недостатък на споените пластинчати топлообменници се посочва трудното им почистване, дължащо се на невъзможността от разглобяването им. Това налага прилагането на специфични методи за почистване като химично почистване, например.
Споените пластинчати топлообменници се предлагат предимно в стандартизирани размери, поради което в практиката често се стига до тяхното преоразмеряване. В сравнение с разглобяемите топлообменници, споените са по-малко устойчиви на температурни изменения. Затова се препоръчва потенциалните възможности за рязка или честа промяна в температурата да бъдат минимизирани. Споените пластинчати топлообменници са препоръчителни в приложения, за които е характерно плавно изменение на температурата. Те са често срещано решение в отоплителни и охладителни инсталации, в системи за оползотворяване на отпадна топлина, в климатични и парни инсталации.

Заварени пластинчати топлообменници
Изградени са от плътно заварени една за друга пластини. Използването на лазерно заваряване позволява по-голяма гъвкавост на този тип апарати в сравнение със споените топлообменници, давайки възможност на заварения апарат да бъде по-устойчив на пулсации в налягането и на топлинно натоварване.
Заварените пластинчати топлообменници са подходящи за работа при по-висока температура и налягане, което предполага препоръчителното им използване предимно за работа в индустриални производства, както и в специфични приложения, характеризиращи се с по-тежки режими на работа. Често се използват и в приложения, в които се работи при високо налягане или температура или когато е необходимо загряването на вискозни продукти, например.

Едноходови и многоходови топлообменници
Пластинчатите топлообменници, в зависимост от конкретното приложение, могат да бъдат конструирани като едноходови или многоходови. Използват се предимно едноходовите топлообменници. Те са предпочитани поради по-лесната им експлоатация. Многоходовите пластинчати топлообменници се препоръчват в случаите, при които се работи с малки дебити или, когато има ограничения по отношение на температурата. Предпочитани са и когато има известни ограничения по отношение на разполагаемото пространство, тъй като използването на многоходов пластинчат топлообменник позволява намаляване на конструктивните размери на апарата.
Сред особеностите на пластинчатите топлообменници е и фактът, че те могат да бъдат разделени на сектори, отделени с обикновени разделителни пластини или с по-сложни разделителни рамки с допълнителни връзки. Това дава възможност да се загрява, регенерира и охлажда потокът в един и същ топлообменник или да се загряват или охлаждат паралелни флуиди с един общ топло- или студоносител.

Изисквания към използваните материали
Базови изисквания към материалите, които се използват при изработването на отделните пластини, са да имат висок коефициент на топлопроводност и способност да пренасят топлосъдържанието (енталпията) между двата потока. Един от често използваните материали за изработването на топлообменници с неразглобяеми плочи е алуминият, който е устойчив срещу корозия и се характеризира с добри топлообменни свойства. Пластинчатите топлообменници могат също така да се произвеждат и от неръждаема стомана или титан. Използването на топлообменници с пластини от титан се препоръчва при работа на топлообменника в агресивни среди. Обикновено, дебелината на една пластина е в порядъка от 0,1 до 5 mm, а разстоянието между пластините е от 5 до 10 mm.

Отсъствие на утечки между потоците
Пластинчатите топлообменници се характеризират с пълно отсъствие или наличие на много малки утечки между потоците. При работа на топлообменника с въздушни потоци, изхвърляният и подаваният въздух обикновено не контактуват помежду си, но практиката показва, че все пак е възможно получаването на малки утечки между двата потока. Сред спецификите на пластинчатите топлообменници е запазване на добрите им експлоатационни характеристики при температура на постъпващия горещ въздушен поток над 200 °С. Когато топлообменникът работи продължително време под температурата на оросяване, е възможно образуването и на известно количество кондензат, поради което се препоръчва да се предвиди щуцер за отвеждането му. Необходимо е също събирането на отделилия се кондензат да се осъществява така, че да не се допусне засмукването му от вентилатора, което да доведе до подаване на вода във въздуховода. Поради отделянето на кондензат съществува и сериозен риск от образуването на лед, което налага предвиждането на система за предпазване от замръзване. За системи с големи дебити въздух се препоръчва използването на няколко топлообменника, свързани успоредно.

Компактна конструкция и висок коефициент на топлопредаване
Пластинчатите топлообменници се отличават с редица предимства пред другите видове топлообменни апарати. Те имат компактна конструкция. Високият им коефициент на топлопредаване гарантира ниски загуби на топлина при работа. Също така, при тях се наблюдават малки загуби на налягане. Отличават се с ниски разходи за производство, монтаж и поддръжка.
Много малката дебелина на отделните пластини осигурява оптимални условия за предаване на топлината. Поддържането на висока турбулентност на преминаващите потоци рефлектира в постигане на по-ефективно топлопредаване и осигуряване на самопочистващ ефект на топлообменника. Това означава, че пластинчатите топлообменници могат да работят по-дълго между почистващите интервали.

Пластинчатите топлообменници са по-скъпи
В известна степен, недостатък на пластинчатите топлообменници са по-високите им първоначални разходи. Те не работят добре при високи налягания и не са подходящи за гъсти течности (каши) или продукти, съдържащи частици.
Профилирането на пластините осигурява достатъчно контактни точки, които са препоръчителни за осигуряване на устойчивост, но те са причина за задържане на частици. Затова, профилираните пластини се превръщат в ефективен, но нежелан филтър. Това ограничава способността през една система да преминават повече от един вид течност с различен състав.
Необходимостта да се поддържа топлообменникът чист преди да се пусне нов продукт би могло да се окаже доста сложно.

Избор на пластинчат топлообменник
При избора на топлообменник е препоръчително да се обърне внимание на няколко основни параметъра. Сред тях са разход на работна среда или т.нар. топлинно натоварване, допустими загуби на налягане, диапазон на възможните температурни колебания (за средата, която нагрява и тази която се нагрява), физични свойства на течните среди, а също така и тяхното работно налягане. За водата тези параметри са известни предварително, а за други течности е необходимо да бъдат определени преди избора на топлообменника.

Рекуперация на топлина във вентилационните и климатични системи
Добре известно е, че средствата, позволяващи редуциране на енергийните разходи и оползотворяване на отпадната енергия стават все по-популярни. Във вентилационните и климатичните системи, оползотворяването на отпадна топлина или студ често се реализира с помощта на пластинчати топлообменници.
Основен недостатък на този тип топлообменници е, че регенерират единствено енталпията. Във възможностите им е да регенерират над 80% от отпадната топлина. Могат да се монтират в централи за обработка на въздух, както и в агрегати за вентилация с рекуперация, като топлообменникът се поставя с наклон от около 2 до 4% по посока на изхвърляния въздух. При последователното и паралелно свързване на модулите се постига висока ефективност на утилизация.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top