Общая характеристика.

Пластинчатые теплообменные аппараты (ПТА) по назначению являются конкурентами кожухотрубчатых теплообменных аппаратов и в ряде случаев вытесняют их. Некоторые из них показаны на рис.5.28– 5.37.

Развитие теплообменной промышленности за последние 20 лет в основном определяется ростом номенклатуры и производства пластинчатых теплообменных аппаратов, рис. 5.28. Это также является характерным из-за усиления режима энергосбережения, связанное с удорожанием теплоносителей. Последнее обстоятельство, а также создание удачной гаммы конструкций пластинчатых теплообменных аппаратов в различных странах и различными фирмами, позволили говорить о них как безальтернативных теплообменных устройствах для применения в таких областях как теплоснабжение, пищевая, сахарная, перерабатывающая, нефтегазовая и целлюлозно-бумажная промышленность, тяжелое машиностроение, химическое производство и других областях. Несмотря на большое количество фирм производителей пластинчатого теплообменного оборудования, таких как «Альфа Лаваль» (Швеция), SWEP (Швеция), GEA (Германия), AVP (Дания), Павлоградхиммаш, «Содружество-Т» (Украина) и другие, производство и номенклатура пластинчатых теплообменных аппаратов непрерывно растет. Уникальность конструкции пластинчатых теплообменных аппаратов по сравнению с другими типами теплообменного оборудования, позволяет существенно снизить энергопотребление при достаточно низкой цене аппаратов, простоте обслуживания и монтажа.

Основные преимущества пластинчатых теплообменных аппаратов:

· Высокая тепловая эффективность при малых температурных напорах. Например, при противотоке сред допускается разность температур на выходе около 1°С.

· Возможность быстрой перенастройки, путем добавления или уменьшения количества пластин в пакете в пределах имеющейся конструкции аппарата.

· Компактность и минимальное пространство для сервисного обслуживания.

· Простота обслуживания, как путем разборки, так и промывкой чистящим раствором.

· Меньшие капиталовложения за счет меньшей материалоемкости, меньшего рабочего пространства и отсутствия необходимости специального фундамента для установки.

· Идентичная режимным параметрам ПТА геометрия каналов в совокупности с высоким коэффициентом теплопередачи позволяет уменьшить стоимость труб, запорной арматуры, насосов.

· Высоколегированная сталь и синтетический материал прокладок не загрязняют продукт.

Классификация ПТА проводится по следующим признакам:

· Способ соединения пластин: разборные, паяные и сварные, а также полусварные ПТА.

· Ширина образующих каналов: узкоканальные и ширококанальные.

· Схема тока сред: противоточные, прямоточные, с однократным и многократным перекрестным током, любые другие более сложные схемы, что позволяет проводить более эффективную оптимизацию ПТА.

· Количество ходов теплоносителей: одноходовые и многоходовые.

· Назначение: ПТА широкого профиля и специальные ПТА, например паровые пластинчатые теплообменные аппараты и выпарные станции.

Разборный пластинчатый теплообменный аппарат стандартной конструкции, например фирмы «Альфа Лаваль», представленный на рис. 5.29, содержит совокупность

гофрированных пластин, изготовленных из коррозионно-стойкого материала, образующих два канала для двух теплоносителей (греющего и нагреваемого), участвующих в процессе теплопередачи. Пакет пластин, прикрепленный к несущей балке, размещается между опорной (неподвижной) и прижимной плитой, и стянут болтами. Стандартная опорная плита всегда имеет четыре присоединения, по два для входа и выхода теплоносителей. Прижимная плита может не иметь присоединений, иметь два или четыре присоединения. Это обусловлено особенностями назначения аппарата и его компоновкой. Несущая балка теплообменного аппарата конструктивно бывает консольной, двухопорной (рис. 5.29) или иногда трехопорной. Применяют присоединения фланцевого или резьбового типа, в зависимости от марки аппарата и расхода теплоносителей. На рис. 5.29 показано присоединения под фланец. В качестве материала плит, несущей балки, болтов используется углеродистая или оцинкованная сталь, для патрубков присоединений применяют нержавеющую и углеродистую сталь, иногда титан. Болтовые соединения оснащены специальной системой смазки из подшипниковых коробок, размещенных со стороны неподвижной плиты рамы теплообменного аппарата.

Каждая пластина снабжена прокладкой из термостойкой резины, уплотняющей соединение и направляющей различные потоки жидкостей в соответствующие каналы. Нагреваемая и греющая среды всегда отделены друг от друга двумя прокладками. Протекая по своему каналу, каждая из сред имеет свое уплотнение. Причем если все же возникнут утечки, то они будут только наружу и, таким образом, смешивание сред не допускается. Прокладки между пластинами устанавливаются в основном без клея («клип он») и иногда на клею. Это позволяет значительно упростить обслуживание и эксплуатацию аппарата за счет минимальных трудозатрат на замену прокладок непосредственно обслуживающим персоналом.

Необходимое число пластин, их профиль и размер определяются в соответствии с расходами сред и их физико-химическими свойствами, температурной программой и допустимой потерей напора по горячей и холодной стороне (греющего и нагреваемого теплоносителей). Гофрированная поверхность пластин обеспечивает высокую степень турбулентности потоков и жесткость конструкции теплообменного аппарата.

Основной принцип действия заключается в следующем. Теплоносители, участвующие в процессе теплопереноса, поступают через продольные коллекторы теплообменного аппарата в каналы, под которыми подразумевается герметичное пространство, образованное двумя пластинами, рис. 5.28. Прокладки между пластинами, установленные специальным образом, распределяют теплоносители по каналам, обеспечивая охлаждение одного и нагрев другого. Тип гофрировки пластин, их количество и конфигурацию канала подбирают из условий обеспечения оптимальности процесса теплопередачи.

Совокупность каналов, по которым теплоноситель двигается в одном направлении, называют ходом. Различают одноходовые (рис. 5.30), двух-, трех - и многоходовые теплообменники. Компоновку и число ходов в аппарате определяют расчетным путем исходя из свойств участвующих в теплообмене теплоносителей, температурного режима и располагаемых потерь напора на преодоление гидравлических потерь.

Общее число пластин в аппарате, например для одноходового теплообменного аппарата, равно сумме каналов по стороне греющего и нагреваемого теплоносителя плюс одна пластина. Иногда, если расход участвующих в теплообмене сред резко количественно отличается, то проектируют аппараты с несимметричной компоновкой, когда число ходов по греющему и нагреваемому теплоносителям не совпадают.

На рис. 5.31 приведена схема компоновки пластин с двумя симметричными (с одинаковым количеством каналов) ходами для греющего и нагреваемого теплоносителей. При такой компоновке теплоносители двигаются по каналам до специальной пластины, у которой отсутствует пара коллекторных отверстий (не просеченные отверстия), поэтому рабочие среды попадают в каналы, где и меняют направление движения.

Для многоходовых теплообменных аппаратов пакет пластин всегда ограничен пластиной, имеющей неполное количество угловых отверстий. Такие пластины называют граничными, например пластина 1 на рис. 5.32.

Теплоноситель из первого пакета направляется по коллектору до граничной пластины, после чего расходится по каналам второго пакета. Направление движения теплоносителя в этом пакете противоположное его движению в первом пакете. Направление движения греющего и нагреваемого теплоносителя, как правило, противоположное. Эффективность применения таких компоновок объясняется полным использованием заданного перепада на потери гидравлического сопротивления при высоком коэффициенте теплопередачи.

Паяные теплообменные аппараты, представленные на рис. 5.33, имеют пакет пластин, которые спаяны между собой, образуя два канала, как и в разборных теплообменных аппаратах. Особенность конструкции позволяет использовать их при высоких давлениях теплоносителей в процессе теплопереноса, а также для агрессивных сред.

Полусварные теплообменные аппараты представляют собой комбинацию разборной и сварной конструкции. У них по одному из каналов (теплоносителю) аппарат является сварным, то есть пластины сварены между собой, а по другому разборный – пластины соединены через прокладки. Наиболее распространено применение таких аппаратов при использовании в качестве греющего теплоносителя пара или агрессивных сред.

Одной из определяющих характеристик ПТА является конструкция и форма пластин, образующих поверхности теплопередачи и каналы для рабочей среды. Форма пластин и профили их поверхности очень разнообразны (см., например, рис.5.34–5.36).

Пластины выпускаются с площадью теплопередающей поверхности от 0, 025 м² до 3 м², что позволяет реализовывать максимально точно выбор аппаратов на требуемую тепловую нагрузку при заданных ограничениях по рабочим средам. Если требуется большая пропускная способность, то отдельные аппараты компонуют в блоки.

Малая толщина пластин (0,4 - 1,0 мм) и малый зазор между пластинами (3-6 мм) позволяют получить высокую компактность и малую металлоемкость. Удельная рабочая поверхность современных аппаратов может достигать 1500 м²/м³. Гофрировка пластин обеспе-

чивает движение теплоносителей между пластинами в каналах сложной формы, что позволяет увеличить турбулентность потока и, следовательно, увеличить коэффициент теплоотдачи. Большинство типов пластинчатых теплообменных аппаратов выпускаются, по крайней мере, с двумя вариантами пластин, которые отличаются углом раскрытия гофр, рис. 5.35.

Пластины с большим углом раскрытия гофр (60°) характеризуются более высокой эффективностью теплопереноса, но при этом обладают большим гидравлическим сопротивлением. Соответственно, пластины с меньшим углом (30°) дают меньшую теплоотдачу при меньшем значении гидравлического сопротивления. В настоящее время разработано большое количество пластин с различной гофрировкой, с различным видом гофр, углами наклона, сетчатым расположением гофрировки, шевронные пластины и другие типы. Практически все фирмы, выпускающие пластинчатые теплообменники, являются разработчиками пластин собственной конструкции, как правило, со своей оригинальной гофрировкой [1].

Для разборных аппаратов в рабочем положении пластины с резиновыми прокладками плотно прижаты друг к другу, а для паяных пластины спаяны в пакеты. Такое конструктивное исполнение позволяет существенно повысить унификацию изделий, обеспечивает высокую эксплуата­ционную надежность и минимальное время на чистку и ремонт. В тех случаях, когда по одной из сторон необходимо обеспечить высокое давление теплоносителя или загрязнение поверхности возможно только со стороны одного теплоносителя, применяют аппараты, состоящие из попарно сваренных пластин.

В табл.5.7. приведены технические данные для некоторых разборных теплообменных аппаратов, выпускаемых совместно АО «Содружество-Т», г. Харьков с фирмой «Альфа Лаваль». Для эскиза теплообменного аппарата в сборе (рис. 5.37) в табл. 5.8 представлены характерные габаритные размеры.

Для изготовления пластин большинство фирм производителей используют нержавеющую сталь AISI 316 и AISI 304, 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т, титан, аллой 20/18/6 и другие материалы. В качестве материала прокладок применяют термостойкую резину марок EPDM, NBR, HNBR, G-viton, СУ-359, ИРП-1225, ИРП-1377 и т.д.

В табл. 5.9 представлены технические характеристики пластинчатых теплообменных аппаратов серийно выпускаемых аппаратов ОАО «Павлоградхиммаш» (Украина).

Таблица 5.7. Технические данные разборных пластинчатых теплообменных аппаратов

фирмы«Альфа Лаваль».

Таблица 5.8 . Стандартные размеры разборных пластинчатых теплообменных аппаратов.

Кроме представленной номенклатуры серийно выпускаемых аппаратов, существует целый класс теплообменных аппаратов, которые имеют специальное назначение. Большинство таких аппаратов применяются в различных отраслях промышленности. Использование аппаратов этого класса показало их высокую энергетическую и экономическую эффективность. К таким типам аппаратов, нашедшим широкое применение в энергетике, сахарной, спиртовой и целлюлозно–бумажной промышленности, относятся ширококанальные пластинчатые теплообменники.

Таблица 5.9 .Техническая характеристика пластинчатых теплообменных аппаратов