Пластинчатый теплообменник: устройство и особенности
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.
Пластинчатые теплообменники
Разновидности теплообменников для ГВС-систем
Рассмотрим несколько примеров схем. Прокладки могут быть как стальными, так и резиновыми. Очень проста в реализации и относительно недорогая. 
Существенный недостаток: высокая стоимость в два раза по сравнению с параллельной схемой. Благодаря этому они отличаются компактными размерами, которые никак не влияют на полезность и работоспособность. 
Как и в случае с параллельной, требует обязательной установки температурного регулятора, и чаще всего применяется при подключении общественных зданий. Подключение пластинчатых теплообменников может осуществляться в соответствии с тремя основными схемами: параллельной, двухступенчатой смешанной, двухступенчатой последовательной. 
Главное преимущество и плюс работы с разборными конструкциями заключается в том, что их можно дорабатывать, модернизировать и улучшать, от есть удалять лишние или же добавлять новые пластинки. Заключение Как показывает практика, современный пластинчатый теплообменник все же немного уступает старому кожухотрубному по одному критерию. 
В ИТП Зависимое подключение отопления с автоматическим регулированием расхода тепла. 
Так же стоит вовремя обслуживать ПТО, проводить систематическую очистку собственными руками. Такая схема проще всего в реализации, но для достаточного нагрева необходимо, чтобы теплоноситель двигался активно. 
Принцип действия двухступенчатой последовательной схемы: входящий поток разделяется на две ветки. Разборные, то есть состоящие из нескольких отдельных плиток.
ГВС через пластинчатый теплообменник К чему привела чистка лимонная кислота Лучшие рецепты
Пластины для пластинчатых теплообменников
Серийно выпускаемые пластинчатые теплообменники комплектуют пластинами, штампованными из листового металла толщиной до 1 мм. В качестве материала применяется коррозионностойкая сталь, титан, специальные сплавы. Пластины пластинчатого теплообменника имеют гофрированную поверхность для турбулизации потоков в каналах, что повышает эффективность теплопередачи и препятствует отложению загрязнений. Гофры пластин обычно имеют в сечении профиль равностороннего треугольника. Чем тупее угол, под которых расположены гофры пластины, тем большее сопротивление создается в каналах, чем острее угол, тем меньше сопротивление и выше скорость потоков.
Пластины для пластинчатых теплообменников разборного типа
Классификация пластинчатых теплообменников по принципу работы и конструкции
По принципу работы пластинчатые теплообменники разделяют на три категории.
- Одноходовые конструкции. Теплоноситель циркулирует в одном и том же направлении по всей площади системы. Основа принципа работы оборудования — противоток жидкостей.
Производители выпускают разборные и паяные пластинчатые теплообменники.
- Изделия первой группы пользуются большей популярностью. Такие агрегаты применяют в промышленности и системах ГВС. Разборные модели просты в обслуживании и ремонте. Мощность оборудования регулируется.
- В паяных теплообменниках пластины жестко соединены между собой и помещены в неразборный корпус.
Резиновые прокладки отсутствуют. Такие модели чаще всего применяют для нагрева или охлаждения воды в частных домах.
Расчет
Выбор подходящего теплообменника сложно выполнить, оперируя только одной лишь его мощностью или пропускной способностью. Эффективность подготовки ГВС зависит и от состояния теплоносителя в первом контуре и во втором, от материала и конструкции теплообменника, скорости и массовой части теплоносителя, проходящего в единицу времени через пластинчатый теплообменник. Однако, естественно следует предварительно выполнить расчет, позволяющий прийти к определенному сочетанию мощности и производительности для выбора подходящей модели.
Базовые данные необходимые для расчета:
- Тип среды в обоих контурах (вода-вода, масло-вода, пар-вода)
- Температура теплоносителя в системы отопления;
- Максимально допустимое снижение температуры теплоносителя после прохождения теплообменника;
- Начальная температура воды, используемой для ГВС;
- Требуема температура ГВС;
- Целевой расход горячей воды в режиме максимального потребления.
Кроме этого в формулах для расчета задействована удельная теплоемкость жидкости в обоих контурах. Для ГВС используется табличное значение для начальной температуры воды, чаще +20оС, равное 4,182 кДж/кг*К. Для теплоносителя следует отдельно находить значение удельной теплоемкости, если в его составе имеется антифриз или другие присадки для улучшения его качеств. Аналогично для централизованного отопления берется приблизительное значение или фактическое на основании данных теплокоммунэнерго.
Целевой расход определяется количеством пользователей для горячей воды и количеством устройств (краны, посудомоечная и стиральная машинка, душ), где она будет использована. Согласно требованиям СНиП 2.04.01-85 необходимы следующие значения расхода горячей воды:
- для раковины – 40 л/ч;
- ванная – 200 л/ч;
- душевая – 165 л/ч.
Значение для раковины умножается на количество устройств в доме, которые могут использоваться параллельно, и складывается со значением для ванны или душевой в зависимости от того, что именно используется. Для посудомоечной и стиральной машинки значения берутся из паспорта и инструкции и только при условии, что они поддерживают использование горячей воды.
Второе базовое значение – это мощности теплообменника. Рассчитывается исходя из полученного значения расхода жидкости и разницы температур воды на входе в теплообменник и на выходе.
где m – расход воды, С – удельная теплоемкость, Δt – разница температур воды на входе и выходе ПТО.
Для получения массового расхода воды следует расход, выраженный в л/ч умножить на плотность воды 1000 кг/м3.
КПД теплообменников оценивается на уровне 80-85%, и многое зависит от конструкции самого оборудования, так что полученное значение следует разделить на 0,8(5).
С другой стороны ограничением по мощности будет расчет, выполненный со стороны первого контура с теплоносителем, где, используя уже разницу допустимых температур для системы отопления, получаем максимально допустимый забор мощности. Конечный результат будет компромиссом между двумя полученными значениями.
Если забора мощности для нагрева нужного количества горячей воды не хватает, то разумнее использовать две ступени подогрева и, соответственно, два теплообменника. Мощность распределяется между ними поровну от требуемого расчета. Одна ступень выполняет предварительный нагрев, используя в качестве источника тепла обратку отопления с пониженной температурой. Второй ПТО уже нагревает окончательно воду за счет горячей воды с подачи отопления.
Пластинчатый теплообменник принцип работы — схема
Пластины теплообменника, собранные в единый пакет, образуют каналы, по которым двигаются теплоносители, во время обмена тепловой энергией друг с другом. Каналы распределения теплоносителя устроены особым способом, при котором входящий и выходящий теплоноситель постоянно чередуются между собой.
Комбинируя пластины внутри теплообменника, производители добиваются оптимального варианта теплоотдачи для каждого типа прибора. Главное условие при этом поток теплоносителя в теплообменнике должен быть турбулентным (возмущенным). Только так можно добиться высокого КПД и самоочищения пластин. Для общего развития напомним, что поток теплоносителя в теплообменных аппаратах типа труба в трубе – ламинарный, спокойный, отсюда и низкий коэффициент теплопередачи и большие размеры классических кожухотрубных теплообменников.
Пластинчатый теплообменник схема компоновки.
Сегодня основные производители пластинчатых теплообменников предлагают следующий принцип компоновки:
Одноходовая компоновка теплообменника это когда теплоноситель сразу делится на параллельные потоки, проходит по всем каналам пластин и, сливаясь в один канал, поступает в порт для вывода теплоносителя.
Схемы компоновки пластинчатого теплообменника
Многоходовая компоновка теплообменника. В данном случае используется более сложная схема, теплоноситель циркулирует по одинаковому количеству каналов, совершая разворот в пластине. Это достигается установкой разделительных пластин, в которые входят глухие перегородки. Обслуживать, чистить разбирать и собирать такой теплообменник намного сложнее.
Пластины пластинчатого теплообменника располагаются одна за другой с поворотом на 180 градусов. Такая принципиальная схема компоновки теплообменника создает пакет с четырьмя коллекторами для отвода и подвода жидкостей. Первая и последняя пластины соответственно не участвуют в процессе обмена теплом, задняя пластина глухая, без портов.
Резиновые прокладки крепятся между пластинами с помощью клипсового соединения. Это просто и надежно, при этом прокладки являются самоцентрирующимися, что позволяет вести сборку в автоматическом режиме. То есть при монтаже после чистки все станет на свои места без особого усилия. Прокладки имеют окантовку в виде манжеты, которая создает дополнительный барьер, и предотвращает утечку теплоносителя.
Схема устройства пластинчатого теплообменника
Схема устройства рамы теплообменника тоже простейшая: неподвижная передняя и подвижная задняя плита, штатив, нижняя и верхняя направляющие, стяжные болты.
Схема сборки пластинчатого теплообменника не сложная, верхняя и нижняя направляющие закрепляются на штативе и неподвижной плите. На направляющие будущего теплообменника надевается пакет пластин, а затем подвижная плита. Подвижную и неподвижную плиту стягивают между собою болтами.
Пластинчатый теплообменник – материалы, используемые для изготовления.
Для прокладок используется материал этиленпропилен, сокращенно «ЕРDМ». Он выдерживает температуры от минус 30С до плюс 160С и не разрушается под действием не только воды, но и пара жиров и масел.
Остается только упомянуть о материале, используемом для производства пластин пластинчатого теплообменника. Чаще всего это нержавеющая сталь AISI 316, после штамповки в обязательном порядке производится электрохимическое полирование пластины.
Толщина пластины зависит от максимального рабочего давления. На давление до 1 МПа используются пластины толщиной 0,4 мм, на давление до 1,6 МПа — пластины толщиной 0,5 мм, на давление 2,5 МПа — пластины толщиной 0,6 мм. Естественно от толщины пластин, схемы компоновки и давления зависит стоимость теплообменника. Если вам принципиально важна низкая цена теплообменника, и Вы знаете, что у вас не агрессивная среда можно заказать пластинчатый теплообменник из стали AISI 304, она дешевле.
Схема теплообменника: как работает подогреватель
Основу разборного теплообменника обеспечивает рама, состоящая из прижимной и неподвижной плит, направляющих планок и задней стойки. Верхняя направляющая скрепляет заднюю стойку с плитой. Внутри рамы установлен комплекс пластин с различным во всех устройствах количеством пластин.
Разборные теплообменники позволяют устанавливать в своей схеме различное количество пластин, и ввиду этого их рамы выпускают разных размеров.
Особенности подогревателя:
- В разборных теплообменниках пакет с пластинами находится между прижимной и неподвижной плитами, и крепко прижат с помощью резьбовых шпилек к неподвижной плите;
- Пластины разделены между собой с помощью пластичных, обеспечивающих герметичность, резиновых или полимерных уплотнителей;
- Уплотнительные прокладки во всех моделях теплообменников или же приклеиваются в предназначенных для этого пазах, или же прикрепляются к пластине зажимами;
- Если же теплообменник паяный, то пластины между собой соединены прочным припоем, который скрепляет пластины друг с другом и обеспечивает прибору герметизацию.
Благодаря этому повышается сопротивляемость давлению, которое создается между пластинами, и обеспечивает оптимальное КПД теплообмена.
О принципе действия
Пластинчатый теплообменник принцип действия имеет достаточно сложный. Пластины в конструкции располагаются под углом в 180 градусов относительно друг друга. Зачастую производители делают это попакетно, следовательно, компонуются сразу четыре изделия и создается пара коллекторных контуров – подача жидкости и «обратка». Хотя стоит знать, что крайние пластины не принимают никакого участия в процессе теплообмена.
Собственно, с принципом действия устройства все более-менее понятно. Сейчас же рассмотрим классификацию данной конструкции – в соответствии с ней теплообменники могут быть трех типов.
- Одноходовые приборы, в которых теплоноситель циркулирует перманентно, в одном и том же направлении по всей площади системы. Помимо того, здесь имеет место и противоток жидкостей.
- Многоходовые приборы, которые можно использовать исключительно в тех случаях, когда разница в температуре носителей тепла не слишком высокая. Потоки жидкости здесь будут двигаться в различных направлениях.
Что же касается технических характеристик таких теплообменников, то они следующие:
- рабочая температура колеблется в пределах между -25 и +200 градусами;
- потребление рабочей жидкости составляет от 5 до 2 000 кубометров в час;
- площадь системы – разная, в зависимости от того, с какой целью ее будут использовать.
Нюансы монтажа и подключения
Теплообменник применяется только в связке и не подразумевает самостоятельного использования. Агрегат во время установки окружают вспомогательным оборудованием, таким как обратные клапаны, контрольно-измерительные устройства в виде термометров и манометров, запорная арматура (ручные заслонки и задвижки), циркуляционные насосы.
Подключение производится по одной из следующих схем:
- одноступенчатый параллельный (независимый) метод;
- двухступенчатый смешанный;
- двухступенчатый последовательный.
Монтаж пластинчатого теплообменника
В первом случае образуется изрядная экономия полезной площади в зоне монтажа. Ключевое преимущество этого способа – простота исполнения (что важно в условиях ремонта, обслуживания, замены узла). Недостаток методики – отсутствие возможности подогрева холодной рабочей среды.
При двухступенчатом смешанном методе температура входящего теплоносителя повышается за счет обратного потока, в результате эффективность связки увеличивается на 35-40%. Но в этом случае для обеспечения горячего водоснабжения придется предусмотреть в системе два теплообменника, что увеличивает расходы на закупку и монтаж оборудования.
Последовательный двухступенчатый способ позволяет увеличить эффективность использования рабочей среды и стабилизировать нагрузку в сети. По сравнению с параллельной схемой здесь затраты на теплоноситель уменьшаются на 50%, на фоне смешанной методики – на 25%. Единственный недостаток решения – невозможность полной автоматизации теплового узла.
Пластинчатый теплообменник, принцип работы которого позволяет включать его в системы самой разной конструкции, может использоваться:
- На механическом производстве. С применением таких устройств охлаждаются смазочные жидкости, гидравлические и трансмиссионные масла и т. д.
- В поршневых и турбинных двигателях.
- В энергетических станциях.
- В компрессорах.
- В судоходстве. На судах теплообменники применяют в основном для центрального охлаждения.
- В легкой промышленности.
- В машиностроении и металлообработке.
- В системах отопления и кондиционирования.
Современные пластинчатые теплообменники, устройство и принцип работы которых были во всех подробностях рассмотрены нами в статье, таким образом, можно считать оборудованием надежным, эффективным и удобным в использовании. Ко всему прочему, и стоят такие модели по сравнению с другими разновидностями недорого. Все это делает их применение в разного рода охлаждающих и отопительных системах более чем целесообразным.
