Теплообменник пластинчатый - что это и как работает?

Пластинчатым теплообменником называется устройство, предназначенное для передачи тепла от одной жидкой среды другой жидкой среде без их прямого контакта и смешивания.

Бытует мнение, что пластинчатый теплообменник был изобретен еще задолго до нашей эры древними римлянами, нагревающими воду с помощью металлического щита, один конец которого был погружен в жидкость, а второй расположен над источником тепла.

Теплообменник пластинчатый

Сегодня любой школьник, увидев подобный процесс нагрева воды, скажет, что речь идет о передаче тепла теплопроводностью, а эффективность этого процесса зависит в большей степени от используемого материала, а также от качества его поверхности.

Именно передачей тепла теплопроводностью происходит нагрев жидкостей, к качеству которых предъявляются особенно высокие требования. Речь идет не только о пищевой, химической и фармацевтической промышленности, но и о нагреве воды для систем горячего теплоснабжения.

Но если сообразительный римлянин нагревал воду всего лишь одной металлической пластиной, то в современном мире для передачи тепла между средами используют одновременно большое количество пластин, объединив их в одну конструкцию и получив в результате пластинчатый теплообменник.

Пластинчатые теплообменники обладают следующими достоинствами:

  • высокой эффективностью
  • компактностью
  • надежностью
  • долговечностью

Как устроены теплообменные пластины

В основе конструкции пластинчатого теплообменника лежит теплопередающая пластина, форма которой является оптимальной для передачи тепла. Для этого на поверхности пластины имеется рельеф теплопередающих каналов, направление которых не случайно и является результатом проведенных точных теплотехнических расчетов.

В верхней и в нижней части пластин расположено по 2 отверстия:

  • входное отверстие для нагреваемой среды
  • выходное отверстие для нагреваемой среды
  • входное отверстие для греющей среды
  • выходное отверстие для греющей среды

Теплообменник пластинчатый разборный

Для создания каналов для движения жидкости пластины собирают в пачки, плотно прижимая их друг к другу. Для образования зазора между пластинами вокруг каждого отверстия нанесен уплотнительный слой из полимерного материала, выбор которого определяется химическим составом используемых для теплообмена сред.

Исключить чрезмерно плотное прилегание пластин, в результате которого мог бы быть поврежден рельеф, помогает окантовочный бортик, имеющийся по краям каждой пластины.

Еще одна особенность устройства теплопередающей пластины состоит в рифлении края отверстий под определенным углом, с помощью которого можно влиять на степень турбулизации движения жидкости в образованном канале, а, значит, управлять процессом теплообмена.

Так, к примеру, в конструкции современных пластинчатых теплообменников есть 3 основных вида каналов движения жидкости:

  • мягкий канал с низкой степенью турбулизации, для образования которого использованы пластины с рифлением края отверстия под углом 60 градусов.
  • средний канал со средней степенью турбулизации, для образования которого использованы пластины с рифлением края отверстия под углом  от 30 до 60 градусов.
  • жесткий канал с высокой степенью турбулизации, для образования которого использованы пластины с рифлением края отверстия под углом 30 градусов.

Именно в этом состоит принципиальное отличие пластинчатых теплообменников от других  аналогичных, устройств, например, кожухотрубного теплообменника, в котором передача тепла теплопроводностью идет в ламинарном (медленном, вязком и спокойном) слое.

В пластинчатом теплообменнике ламинарного слоя практически нет, а движение жидкости турбулентное, благодаря чему в каналах нет накипи и отложения солей.

Материалы для пластинчатого теплообменника

Пластины теплообменника изготавливают методом штамповки из нержавеющей стали. Для теплообмена агрессивных сред использует легированную сталь особого качества, состав которой зависит от конкретных условий эксплуатации.

Толщина пластин теплообменника зависит от номинального давления сред и может быть от 0,1 до 1 мм. Соотношение простое: для приборов, работающих под большим давлением, используют теплообменники с пластинами большей толщины.

Особого внимания в конструкции пластинчатого теплообменника уделяется подбору материала для прокладок, задачей которых является герметизация устройства по отношению к окружающей среде и предотвращение смешения сред в самом теплообменнике. Для этих целей используются полимерные составы.

Крепят уплотнительные материалы к поверхности пластин с помощью клеевых составов или с помощью клипс.

Сборка теплообменника

Как устроены теплообменные пластины

При сборке теплообменника важна соосность отверстий пластин. Любое смещение может привести к неплотности и образованию течи, поэтому в конструкции обязательно используется направляющий элемент, позволяющий фиксировать положение пластин.

Собранные в пачку пластины фиксируют с помощью прижимной пластины.

Как работает пластинчатый теплообменник?

Сборка теплообменника

Поступающая во входное отверстие греющая среда стекает по пластине вниз, собирается в отводящем канале, а затем выводится из устройства. При этом происходит интенсивная передача тепла пластине и ее нагрев.

Нагреваемая среда движется в противоположном направлении, создавая противоток. Жидкость также поступает во входное отверстие и стекает по пластинам вниз, но при этом движется только по «своим» каналам, не смешиваясь с греющей средой.

При этом потоки жидкости соприкасаются с нагретой поверхностью пластины и нагреваются. Нагретая жидкость собирается в выводящий канал и выводится из устройства.

Управлять процессом теплообмена можно, меняя скорость движения сред и время их нахождения в теплообменнике.

Остается добавить, что пластинчатые теплообменники могут быть одноходовыми, в которых жидкость совершает лишь одну петлю движения, или двухходовыми, в которых используется еще один контур движения греющей и нагреваемой сред

Подведем итоги

Пластинчатый теплообменник можно смело назвать гениальным изобретением в теплотехнике. В этом устройстве передача тепла осуществляется через теплопроводящую поверхность, по одной стороне которой стекает горячая, а по другой холодная жидкость.

При этом передача тепла происходит в турбулентном слое, без образования накипи и отложения солей.

Благодаря высокой эффективности и  простоте конструкции пластинчатые теплообменники получили широкое распространение во всех сферах народного хозяйства.

Рубрикатор: