Принцип работы и схема пластинчатого теплообменника. Типы и свойства теплообменников для котлов

Как работает битермический теплообменник

Рабочие режимы при отоплении и горячем водоснабжении имеют несколько отличий. В первом случае происходит стандартный нагрев воды в процессе сгорания газа — если речь идет о тех же газовых котлах, например. То есть в режиме отопления происходит прямой нагрев теплоносителя, который далее циркулирует по своему контуру. Что касается режима эксплуатации в формате ГВС, то эта функция в некотором роде является вторичной. Также происходит первичный нагрев теплоносителя, и уже от него тепло передается секциям с водой, предназначенной для ГВС. В этом случае не распространяют воду для отопления по соответствующим контурам — она остается в своей секции. Почти для всех битермических котлов действует одно правило — в одно и то же время работать может только один из двух контуров. Одновременная циркуляция воды для отопления и ГВС недопустима.

Устройство и принцип работы

Конструкция разборного пластинчатого теплообменника включает в себя:

стационарную переднюю плиту на которой монтируются входные и выходные патрубки;
неподвижную прижимную плиту;
подвижную прижимную плиту;
пакет теплообменных пластин;
уплотнения из термостойкого и устойчивого к воздействию агрессивных сред материала;
верхнюю несущую базу;
нижнюю направляющую базу;
станину;
комплект стяжных болтов;
Набор опорных лап.

Такая компоновка агрегата обеспечивает максимальную интенсивность теплообмена между рабочими средами и компактные габариты устройства.

Конструкция разборного пластинчатого теплообменника

Чаще всего, теплообменные пластины изготавливаются методом холодной штамповки из нержавеющей стали толщиной от 0,5 до 1 мм, однако, при использовании в качестве рабочей среды химически активных соединений, могут использоваться титановые или никелевые пластины.

Все пластины, входящие в состав рабочего комплекта, имеют одинаковую форму и устанавливаются последовательно, в зеркальном отражении. Такая методика установки теплообменных пластин обеспечивает не только формирование щелевых каналов, но и чередование первичного и вторичного контуров.

Каждая пластина имеет 4 отверстия, два из которых обеспечивают циркуляцию первичной рабочей среды, а два других изолируются дополнительными контурными прокладками, исключающими возможность смешивания рабочих сред. Герметичность соединения пластин обеспечивается специальными контурными уплотнительными прокладками, изготовленными из термостойкого и устойчивого к воздействию активных химических соединений материала. Устанавливаются прокладки в профильные канавки и фиксируются с помощью клипсового замка.

Принцип работы пластинчатого теплообменника

Оценка эффективности любого пластинчатого ТО осуществляется по следующим критериям:

мощности;
максимальной температуре рабочей среды;
пропускной способности;
гидравлическому сопротивлению.

Исходя из этих параметров подбирается необходимая модель теплообменника. В разборных пластинчатых теплообменниках регулировать пропускную способность и гидравлическое сопротивление можно, изменяя количество и тип пластинчатых элементов.

Интенсивность теплообмена обусловлена режимом течения рабочей среды:

при ламинарном течении теплоносителя интенсивность теплообмена минимальна;
для переходного режима характерно увеличение интенсивности теплообмена за счет появления завихрений в рабочей среде;
максимальная интенсивность теплообмена достигается при турбулентном движении теплоносителя.

Рабочие характеристики пластинчатого ТО рассчитываются для турбулентного течения рабочей среды.

В зависимости от расположения канавок, различают три типа теплообменных пластин:

с «мягкими» каналами (канавки расположены под углом 60). Для таких пластин характерна незначительная турбулентность и небольшая интенсивность теплообмена, однако «мягкие» пластины обладают минимальным гидравлическим сопротивлением;
со «средними» каналами (угол рифления от 60 до 30). Пластины являются переходным вариантом и отличаются средними показателями турбулентности и интенсивности теплопередачи;
с «жесткими» каналами (угол рифления 30). Для таких пластин характерна максимальная турбулентность, интенсивный теплообмен и значительное увеличение гидравлического сопротивления.

Для увеличения эффективности теплообмена движение первичной и вторичной рабочей среды осуществляется в противоположном направлении. Процесс теплообмена между первичной и вторичной рабочими средами происходит следующим образом:

Теплоноситель подается на входные патрубки теплообменника;
При перемещении рабочих сред по соответствующим контурам, сформированным из теплообменных пластинчатых элементов, происходит интенсивная теплопередача от нагретой среды нагреваемой;
Через выходные патрубки теплообменника нагретый теплоноситель направляется по назначению (в отопительные, вентиляционные, водопроводные системы), а остывший теплоноситель снова попадает в рабочую зону теплогенератора.

Принцип работы пластинчатого теплообменного аппарата

Для обеспечения эффективной работы системы необходима полная герметичность теплообменных каналов, которая обеспечивается уплотнительными прокладками.

Строение и принцип работы

Механизм действия легко рассмотреть на примере пластинчатого теплообменника заводской сборки. Структура предусматривает два контура и четыре выхода. Пластинчатое устройство разделяет потоки по давлению и температуре. Теплоносителями выступают кислоты и другие жидкости.

Теплообменники для отопления предполагают подключение к одному контуру теплых полов, а к другому – теплоцентрали.

Прямое подключение центрального теплоносителя невозможно, поскольку это приводит к выходу из строя теплого напольного покрытия.

Это происходит из-за повышения давления в теплоцентрали, температурных перепадов и присутствия химически агрессивных веществ в теплоносителе.

Строение теплообменника представлено на рисунке ниже.

Схематичное устройство пластинчатого теплообменника

Структуру теплообменника составляют:

станина, которая с одной стороны устройства прикрепляется к неподвижной прижимной плите и служит элементом опоры;
пакет пластин, образующий между составляющими элементами каналы для теплоносителя;
рама, которая состоит из подвижной прижимной плиты , неподвижной прижимной плиты и задней стойки;
кожух, служащий для защиты устройства от внешних воздействий;
шпильки, которые размещены по краю отверстий, через которые в устройство поступает теплоноситель;
прокладка, необходимая для герметичности каналов;
опорные и крепежные элементы (направляющие балки, несущая база, лапы станины и рамы, подшипники, болты, гайки, шайбы).

Синие и красные стрелки на рисунке обозначают направления движения холодного и горячего теплоносителя внутри теплообменника соответственно.

В быту применяют теплообменник, чей принцип функционирования основан на разделении потоков и поддержании автономного функционирования теплых полов при пониженном уровне рабочего давления в 1,5 бара и подключении чистой воды.

Структуру теплообменного оборудования составляют три группы пластин:

Набранные, принадлежащие автономной системе отопления с пониженным уровнем давления.
Набранные, принадлежащие центральной системе отопления с повышенным уровнем температуры и давления.
Разделительные, характеризующиеся малой толщиной и передающие тепло от централизованной системы к автономной.

Число и параметры пластин предопределяют мощность теплообменного оборудования. Каждое устройство предполагает установку очистительного фильтра. Он способен удержать грубые частицы: окалины, стружку и прочие. Фильтр нуждается в периодическом промывании очистительными растворами.

Принцип работы теплообменника

Принцип работы теплообменника заключается в передаче тепловой энергии от одного теплоносителя к другому. В устройство поступает прямая греющая среда и холодная среда. При прохождении их между пластинами по каналам происходит нагревание холодной среды. На выходе из теплообменника получают нагретую среду и обратную греющую среду. Внутри оборудования теплообменивающие жидкости движутся навстречу друг другу, то есть в противотоке, и не могут смешиваться, поскольку разделены пластинами.

Конструкция пластинчатого теплообменника

Назначение теплообменников всех видов — преобразовывать непрогретую жидкостную среду в нагретую (и наоборот).

Пластинчатые теплообменники обладают разборной конструкцией, состоящей из таких частей

недвижимой плиты;
подвижной плиты;
комплекта пластин;
деталей крепежа, объединяющих две плиты в единую раму;
нижнего и верхнего направляющего элемента круглой формы.

Конструкция пластинчатого теплообменника Размеры рам различных моделей могут существенно отличаться. Они зависят от мощности и тепловой отдачи подогревателя — с большим числом пластин увеличивается продуктивность прибора и, соответственно, возрастают его габариты и масса.

Пластины теплообменника

Конструкция пластинчатого теплообменника зависит от модификации устройства и может содержать различное количество пластин с закрепленными на них прокладками, герметизирующими каналы с протекающим по ним теплоносителем. Для достижения требуемой по условию герметичности плотности прилегания пар соседних прокладок одной к другой достаточно скрепления этих двух пластин с неподвижной плитой.

Нагрузки, действующие на аппарат, прилагаются главным образом на прокладки и пластины. Крепежные детали и рама, по сути, представляют собой корпуса прибора.

Рельефная окантовка пластин при сжатии гарантирует надежное крепление и дает конструкции теплообменника требуемую жесткость и прочность.

Конструкция пластин теплообменника

Прокладки закрепляются на пластинах посредством клипсового замка. Следует отметить, что прокладки при их зажатии самоцентрируются по направляющей. Утечка теплоносителя предотвращается окантовкой обшлага, создающей дополнительный барьер.

Для теплообменников производятся два типа пластин:

с термически мягким рифлением;
с термически жестким рифлением.

В деталях с мягким рифлением каналы устроены под углом 30°. Такой вид пластин отличается повышенной теплопроводимостью, но меньшей устойчивостью к давлению теплоносителя.

В частях с термически жестким рифлением при устройстве канавок соблюден угол в 60°. Этим пластинам не свойственна высокая теплопроводность, их преимущество — способность переносить высокое давление в системе.

Достижение оптимального режима теплоотдачи возможно при комбинировании пластин в теплообменнике. При этом необходимо учесть, что для эффективной работы прибора нужно, чтобы он функционировал в режиме турбулентности — теплоноситель должен перемещаться по каналам без каких-либо помех. К слову, кожухотрубный теплообменник, в котором реализована конструктивная схема «труба в трубе» — с ламинарным режимом течения жидкости.

Прокладки

К устройствам с пластинами предъявляются очень жесткие требования относительно герметичности, в связи с чем в последнее время прокладки стали выпускать из полимеров. Этиленпропилен, например, способен без проблем работать в условиях высоких температур — и воды, и пара. Но очень быстро разрушается в среде с содержанием масел и жиров.

Прикрепление прокладок к пластинам выполняется преимущественно клипсовым соединением, реже — посредством клея.

Конструкция и принцип работы кожухотрубного теплообменника

Основные элементы, входящие в состав агрегата, независимо от его модификации:

цилиндрический кожух;
наружные патрубки – входящие и отводные;
пучок бесшовных труб одинакового диаметра, закрепленный решетками, трубы имеют диаметр 12-57 мм, могут располагаться вертикально или горизонтально;
днище – плоское или сферической формы.

Принцип действия:

в трубы поступает рабочий поток №1;
во внутреннюю полость цилиндра направляется поток среды №2;
среды обмениваются тепловой энергией через разделительную стенку без непосредственного контакта друг с другом, один поток охлаждается, второй нагревается.

Промывка пластинчатого теплообменника

Функциональность и работоспособность агрегата в значительной степени зависит от качественной и своевременной промывки. Частота промывки обусловлена интенсивностью работы и особенностями технологических процессов.

Методика проведения очистных работ

Образование накипи в теплообменных каналах является наиболее распространенным видом загрязнения ПТО, ведущим к снижению интенсивности теплообмена уменьшению общего КПД установки. Удаление накипи производится с помощью химической промывки. Если помимо накипи присутствуют другие виды загрязнения, необходимо произвести механическую очистку пластин теплообменника.

Химическая промывка

Метод применяется для очистки всех типов ПТО, и эффективен при незначительном загрязнении рабочей зоны теплообменника. Для проведения химической очистки не требуется разборка агрегата, что позволяет значительно сократить время проведения работ. Кроме того, для очистки паяных и сварных теплообменников другие методы не применяются.

Химическая промывка теплообменного оборудования производится в следующей последовательности:

специальный моющий раствор вводится в рабочую зону теплообменника, где под воздействием химически активных реагентов происходит интенсивное разрушение накипи и других отложений;
обеспечение циркуляции моющего средства по первичному и вторичному контурам ТО;
промывка теплообменных каналов водой;
слив чистящих препаратов из теплообменника.

В процессе проведения химической очистки особое внимание следует уделить окончательной промывке агрегата, поскольку химически активные компоненты моющих средств могут разрушить уплотнения

Наиболее распространенные виды загрязнений и способы очистки

В зависимости от используемых рабочих сред, температурных режимов и давления в системе, природа загрязнений может быть различной, поэтому для эффективной очистки необходимо правильно подобрать моющее средство:

очистка от накипи и металлических отложений используются растворы фосфорной, азотной или лимонной кислоты;
для удаления оксида железа подойдет ингибированная минеральная кислота;
органические отложения интенсивно разрушаются гидроксидом натрия, а минеральные – азотной кислотой;
жировые загрязнения удаляют с помощью специальных органических растворителей.

Поскольку толщина теплообменных пластин составляет всего 0,4 – 1 мм, особое внимание следует уделять концентрации активных элементов в моющем составе. Превышение допустимой концентрации агрессивных компонентов может привести к разрушению пластин и уплотнительных прокладок

Широкое применение пластинчатых теплообменников в различных отраслях современной промышленности и коммунального хозяйства обусловлено высокой производительностью, компактными габаритными размерами, простотой монтажа и технического обслуживания. Еще одним преимуществом ПТО является оптимальное соотношение цена/качество.

Типы кожухотрубных теплообменников

Диаметр корпуса кожухотрубчатого теплообменника может составлять от 159 до 3000 мм; длина корпуса колеблется в пределах от 0,1 до нескольких десятков метров. Максимальное давление в системе может достигать 160 кг/см2. В настоящее время самое широкое распространение получили следующие типы теплообменных аппаратов:

со встроенными трубными решетками. Конструкция таких устройств предусматривает жесткую сцепку всех деталей и узлов, входящих в состав агрегата. Основная область использования эти установок нефтеперерабатывающая и химическая промышленность. Такие теплообменники составляют 75% рыночных предложений. У рассматриваемого типа кожухотрубных теплообменников решетки труб приварены к внутренней поверхности кожуха, а тубы прочно скреплены с решетками. Такая компоновка обеспечивает надежную фиксацию и лишает элементы конструкции возможности свободного перемещения внутри кожуха;
с температурным компенсатором. Такие кожухотрубные аппараты с помощью продольной деформации или благодаря особым упругим вставкам, расположенных в расширителе возмещают тепловое расширение. Такая конструкция относится к классу полужестких;
с плавающей головкой. Под плавающей головкой имеется ввиду подвижная трубная решетка. Такая решетка имеет возможность свободного перемещения по системе вместе с крышкой. Аппарат отличается высокой стоимостью, однако этот недостаток полностью компенсируется высокой производительностью и надежностью;
С U-образной формой труб. В таких конструкциях оба конца трубы привариваются к одной решетке. Радиус изгиба трубы должен быть не менее 4 его диаметров. Такое конструктивное решение позволяет трубам свободно удлиняться;
С комбинированным наполнением. Конструкция таких аппаратов предусматривает наличие компенсатора. Кроме того, в их состав входит встроенная плавающая головка.

По направлению перемещения теплоносителей, кожухотрубные преобразователи тепловой энергии можно разделить на 3 вида:

Одноточные.
Противоточные.
Перекрестноточные.

Теплообменники могут быть одноходовыми и многоходовыми.

В одноходовых устройствах теплоноситель циркулирует по ограниченному контуру. В качестве примера можно привести водонагреватель ВВП, получивший широкое распространение системах отопления. Такие устройства используются зонах, где интенсивность теплообмена принципиального значения не имеет (температура окружающей среды незначительно отличается от температуры теплоносителя).

Многоходовые устройства имеют поперечные или продольные перегородки, обеспечивающие изменение направления движения теплоносителя. Такие теплообменники применяются на участках, где интенсивность теплообмена особенно важна.

Требования к прокладкам

К аппаратам с пластинами предъявлены довольно жесткие требования касательно герметичности оборудования, именно по этой причине на сегодняшний день прокладки начали изготавливать из полимеров. К примеру, этиленпропилен может с легкостью эксплуатироваться в условиях повышенных температур — и пара, и жидкости. Однако довольно быстро начинает разрушаться в среде, которая содержит большое количество жиров и кислот.

Теплообменники различаются количеством пластин

Крепление уплотнителей к пластинам производится чаще всего с помощью клипсовых замков, в редких случаях — с помощью клеящего состава.

Теплообменник в чиллере

Чиллер – холодильная машина, применяемая для охлаждения воды. Процесс происходит в двухконтурном радиаторе. Через один – холодный — контур прокачивается кипящий фреон, через другой – горячий — охлаждаемая среда. Снижение температуры происходит в результате теплообмена между теплоносителем и хладагентом через металлическую стенку, разделяющую их потоки.

Интенсивность теплопередачи определяется:

* физическими характеристиками жидкости – плотность вязкость, теплоёмкость. Они учитываются при расчётах основных теплофизических критериев Прандтля и Нуссельта (Pr, Nu)

* характером течения – ламинарным или турбулентным. Оно описывается числом Рейнольдса (Re)

* площадью стенок, через которые реализуется обмен теплом.

Последний параметр в наибольшей степени сказывается на эффективности использования теплообменного аппарата. Это влияет на выбор его конструктива.

Разнообразные теплообменные устройства используются не только в составе холодильных машин. Они также являются частью тепловых систем, где требуется водо-водяной теплообмен. Т. е. нагрев или охлаждение одного потока другим в различных технологических процессах.

Классификация

Классификация теплообменников предусматривает их деление на такие виды:

пластинчатые;
трубчатые.

Пластинчатые устройства включают набор пластин с волнистыми каналами со штамповкой и поверхностями, предназначенными для циркуляции жидкостей. Пластины соединены при помощи прорезиненных прокладок и стяжек. Преимущества подобных устройств – легкость в применении и компактность.

Пластинчатые теплообменники находят все более широкое применение. Сфера их использования не ограничивается только промышленным оборудованием, возможен также монтаж этих устройств в жилых домах для монтажа отопительных систем.

Пластинчатые теплообменники классифицируются на группы:

неразборные (они же сварные и паяные);
полусварные;
разборные.

Разборные устройства наиболее популярны. В них пластины разделены при помощи резиновых уплотнителей. Установка не занимает много времени, а эксплуатация не вызывает трудностей.

Классический вариант пластинчатых теплообменников имеет входные и выходные патрубки на поверхности передней плиты. Некоторые устройства имеют патрубки и на передней, и на задней панелях. Рабочие среды подсоединяются к патрубкам посредством фланцевых, резьбовых, стальных соединений. Некоторые модели имеют меньшее количество патрубков, тогда теплоносители подсоединяются непосредственно к плите.

Трубчатые теплообменники включают трубы малого диаметра, вваренные в другие трубы. Достоинствами устройства считается применение в условиях повышения давления.

По критерию способа теплообмена техника подразделяется на смесительную и поверхностную. Устройства смесительного типа передают тепло при плотномконтактировании носителей. Поверхностные теплообменники содержат два контура, в которых происходит перемещение сред с отличными температурами. Обмен теплом между ними возможен через поверхностные элементы пластин, стенок, листов или труб, которые выполнены из теплопроводящих материалов (нержавеющей или высокоуглеродистой стали, сплавов цветных металлов). Этот тип оборудования применяется в жилищно-коммунальном хозяйстве, промышленных предприятиях и в организации малого бизнеса.

Поверхностные теплообменники делятся виды: рекуперативные и регенеративные. Рекуперативные теплообменники характеризуются константным обменом тепла посредством стенок контуров при однонаправленном движении носителей. В регенеративных устройствах происходит поочередный контакт носителей с теплообменивающей поверхностью.

Рекуперативные теплообменники тоже классифицируются:

Погружные. Принцип работы предусматривает движение одного теплоносителя по змеевику, который погружен в бак, содержащий второй жидкий теплоноситель. Модель отличается удобством в применении, характеризуется оптимальной стоимостью.
Оросительные. Сфера применения – как конденсаторы в системах охлаждения. Теплобменники выглядят как змеевики из горизонтальных труб, которые размещены в вертикальной плоскости. У каждого ряда труб есть желоб, по которому на них стекает вода пониженной температуры. Вода, которая не испарилась, возвращается в систему благодаря насосу.
Витые. Представляют собой систему труб, намотанных на сердечник. Компактны и высокоэффективны.
Спиральные. Для оборудования характерен вид двух спиральных каналов, которыми обвита центральная перегородка. Предназначены для охлаждения и нагрева вязких жидкостей.
Кожухотрубные. Трубные решетки присоединены к кожуху посредством сварки. В них закрепляются трубы. Крепление их происходит плотно при помощи развальцовки. Решетки закрыты крышками на шпильках, болтах и прокладках. Кожух включает штуцера (патрубки). Принцип работы заключен в циркуляции носителя тепла в межтрубном пространстве и по трубам. Увеличение теплоотдачи происходит при помощи оребрения.
Секционные – последовательность секций, которые представляют собой кожухотрубные устройства.
Пластинчатые. Включают набор пластин с волнистыми поверхностями со штамповкой и каналами для движения жидкостей. Возможна работа только при пониженном давлении.

Кожухотрубный теплообменник

Пластинчатый теплообменник: принцип действия, схема и особенности работы аппарата

Как работает битермический теплообменник

Устройство и принцип работы

Строение и принцип работы