Пластинчатый теплообменник: принцип действия, схема и особенности работы аппарата

Теплообменник — это простое по своей конструкции оборудование, которое часто включается в схему различного рода промышленных устройств. В некоторых случаях пластинчатые теплообменники применяются в бытовых системах кондиционирования и охлаждения. Как ясно из названия, предназначены эти аппараты для отбора тепловой энергии от одной среды и передачи другой.

Пластинчатый теплообменник используется для нагрева или охлаждения разных процессов

Особенности конструкции

Основное предназначение любого вида пластичного теплообменника состоит в преобразовании нагретой жидкости в охлажденную среду. Конструкция пластинчатого теплообменника имеет разборные части, а состоит устройство из следующих элементов:

набора пластин;
подвижной и неподвижной плиты;
верхней и нижней направляющей округлой формы;
элементов крепления, которые объединяют плиты в общую раму.

Размеры рам разных изделий могут значительно различаться. Они будут зависеть от теплоотдачи и мощности нагревателя — с большим количеством пластин повышается продуктивность оборудования и, естественно, увеличивается вес и габариты.

На теплообменнике можно управлять мощностью – увеличивать или уменьшать

Преимущества пластинчатых приборов:

незначительные производственные и инвестиционные затраты;
высокоэффективная теплопередача;
малые габариты;
эффект самоочистки с помощью высокого турбулентного потока;
возможность увеличить КПД благодаря добавлению пластин;
высокая степень надежности;
легкость промывки;
небольшая масса;
легкость монтажа;
минимальное загрязнение поверхностей;
невозможность смешения жидкостей за счет особой конфигурации уплотнения;
высокая устойчивость к коррозии;
минимальная поверхность теплообмена благодаря высокому КПД;
незначительные потери давления благодаря оптимальному выбору пластин с разными видами профилей;
эффективная регулировка температуры за счет небольшого объема теплоносителя.

В этом видео вы узнаете, как образуется горячая вода благодаря теплообменнику:

Стальной агрегат

Стальные теплообменники — самые распространенные ввиду доступности материала и простоты обработки. Себестоимость изделий низкая, поэтому цена для конечного покупателя — самая доступная. Стальные агрегаты отличаются долгим сроком службы и пластичностью. Последний параметр очень важен ввиду контакта материала с высокотемпературной средой. Пластичность не дает формироваться трещинам на участках, где воздействие горелки провоцирует тепловое напряжение. К недостаткам стальных теплообменников относят подверженность коррозии — распространенная проблема для металлов. Ее разрушительное действие снаружи и внутри конструкции снижает общий срок эксплуатации агрегата. Другой недостаток — большие масса и габариты, что само по себе для многих неприемлемо, вдобавок увеличивается расход топлива из-за увеличенного объема теплоносителя. Причина — в желании производителей обеспечить высокую инертность, для чего объем внутреннего пространства и толщина стенок агрегата увеличиваются.

Устройство пластин

Конструкция и принцип работы пластинчатого теплообменника будет зависеть от модификации оборудования, в котором может находиться разное количество пластин с зафиксированными прокладками. Эти прокладки перекрывают каналы с проходящим тепловым носителем. Чтобы достигнуть необходимой герметичности прилегания пар соединенных между собой прокладок, достаточно крепления этих пластин с подвижной плитой.

Нагрузки, которые действуют на это устройство, распределяются, как правило, на пластины и уплотнители. Рама и элементы крепежа, по большому счету, представляют собой корпус оборудования.

Рельефная поверхность пластин во время сжатия гарантирует прочное крепление и позволяет всей системе теплообменника набрать необходимую прочность и жесткость.

Прокладки фиксируются на пластинах с помощью клипсового соединения. Необходимо сказать, что прокладки во время зажатия самостоятельно центрируются относительно своей оси. Утечка теплового носителя предотвращается благодаря окантовке обшлага, который дополнительно создает барьер.

Для устройства пластинчатого теплообменника изготавливаются несколько видов уплотнителей: с жестким и мягким рифлением.

Подробнее о теплообменном оборудовании:

В мягких пластинах каналы находятся под углом 30 градусов. Этот вид устройств характеризуется высокой теплопроводностью, но незначительной стойкостью к давлению теплового носителя.

В жестких элементах при изготовлении канавок делается угол в 60 градусов. Для этих устройств не характерна повышенная теплопроводность, их основное достоинство — возможность переносить значительное давление теплоносителя.

Для достижения наилучшего режима тепловой отдачи можно комбинировать пластины. Причем нужно учитывать, что для оптимальной работы устройства необходимо, чтобы оно функционировало в режиме турбулентности — тепловой носитель обязан передвигаться по каналам без каких-либо задержек. Между прочим, кожухотрубный теплообменник, где конструкция имеет схему «труба в трубе», обладает ламинарным течением теплоносителя.

В чем состоит преимущество? Во время одинаковых теплотехнических характеристик пластинчатое оборудование имеет значительно меньшие габариты.

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.

Основные способы промывки

Начать следует с того, что теплообменник, прежде всего, является трубной системой с двигающейся внутри жидкостью. Но вода, которая используется в системах, обычно не отличается высоким качеством. Разные соли металлов, присутствующие в ней, оседают на стенках конструкции, становятся накипью и сужают проход. Существует три способа борьбы с накипью:

механический;
химический;
посредством закачивания в систему жидкости под сильным напором.

В статье рассматривается только чистка своими руками, в связи с чем о третьем способе мы говорить не будем. В одиночку с ним точно не справиться, так как потребуется специальный компрессор, способный создавать давление примерно в 10 атмосфер. Только с помощью этого устройства можно разбить отложения на железных поверхностях.

Обратите внимание! С двумя другими же способам вполне можно справиться собственноручно. Сразу оговоримся, что это достаточно трудно, да и навыки соответствующие потребуются

Видео – Чистка теплообменников

https://youtube.com/watch?v=Ljjkd_IrQQg

Способ №1. Механическая промывка

Если используется эта промывка теплообменника газового котла, не забывайте, что сам обменник занимает много пространства в теплогенераторе. Он расположен над камерой сжигания, поэтому туда непросто добраться. Алгоритм действий должен быть следующим.

Шаг первый. Снимается верхняя часть корпуса. Чтобы это сделать, необходимо отключить электрическое питание и подачу газа (если все это предусмотрено конструкцией котла).

Шаг второй. Обменник отсоединяется от отопительной магистрали.

Шаг третий. Крепления прибора снимаются.

После этого можно извлекать теплообменник из теплогенератора и приступать непосредственно к процедуре промывки. А что можно увидеть после демонтажа? Как правило, все внутренние полости забиты накипью – солями металлов, кальция или же натрия, а еще трехвалентным ферумом.

Для чистки придется использовать металлические инструменты – штыри, скребки и так далее

В ходе работы следует проявить особую осторожность, дабы не повредить поверхности конструкции

В некоторых случаях прибор смачивается в какой-либо емкости, заполненной несильным раствором соляной кислоты. И как только накипь размякнет, можно начинать удалять ее. По окончании процедуры все внутренние пустоты промываются водой под незначительным давлением. В этих целях можно приложить шланг, подключенный к системе водоснабжения.

Вы сможете лично убедиться, сколько грязи при этом выльется. Нужно дождаться, когда начнет течь чистая вода. Дополнительно можно простукать поверхности прибора киянкой (это специальный молоток, выполненный из древесины или резины).

Полная инструкция по промывке газового котла

Ранее мы рассказывали о том как полностью промыть и прочистить газовый котел своими руками, советуем вам ознакомится с данной информацией

Способ №2. Химическая промывка

Сразу оговоримся, что такая промывка является достаточно сложной процедурой. В ходе работы понадобится специальный прибор, именуемый бустером. И, невзирая на то, что данный вариант предельно упрощен, для его воплощения все равно следует знать о ряде важных нюансов.

В чем же упрощенность методики? Прежде всего, нет необходимости в извлечении теплообменника и демонтаже некоторых элементов газового котла. Необходимо лишь отсоединить пару патрубков (к одному из них нужно подключить специальный шланг, посредством которого внутрь корпуса будет подаваться чистящее средство). Пройдя через корпус, средство выйдет наружу посредством второго патрубка, к которому также будет подключен шланг. Следовательно, как в обменнике, так и в бустере средство будет перемещаться по кругу.

А теперь рассмотрим, из каких компонентов состоит сам бустер. К таковым относится:

емкость для химического вещества;
электрический нагреватель (он есть далеко не на всех моделях, но люди с опытом советуют приобретать именно такие модели; так реагент будет нагреваться, а будучи теплым, он более быстро и качественно удаляет накипи соли и грязи);
насос.

Обратите внимание! Такими химическими реагентами могут быть разного рода растворы, находящиеся в свободной продаже на отечественном рынке. И вопрос выбора правильного реагента является наиболее актуальным

В каждом конкретном случае необходимо учитывать не только степень засорения, но и его тип, а также материал, использованный при изготовлении теплообменника.

Далее мы выясним, с помощью каких средств может выполняться промывка теплообменника газового котла.

Печь с теплообменником для бани

Ранее мы рассказывали о том как выбрать хорошую печь с теплообменником для бани, советуем вам ознакомится с данной информацией

Принцип работы

Если рассматривать, как работает пластинчатый теплообменник, то его принцип действия нельзя назвать очень простым. Пластины развернуты друг к другу под углом 180 градусов. Чаще всего в одном пакете находится по две пары пластин, которые создают 2 коллекторных контура: входа и выхода теплового носителя. Причем необходимо учитывать, что пара, которая находится с края, не задействуется во время теплообмена.

Сегодня изготавливается несколько различных типов теплообменников, которые, в зависимости от механизма работы и конструкции, делятся на:

двухходовые;
многоконтурные;
одноконтурные.

Принцип работы одноконтурного аппарата следующий. Циркуляция теплоносителя в приборе по всему контуру производится перманентно в одном направлении. Помимо этого, производится и противоток тепловых носителей.

Многоконтурные устройства применяются лишь во время незначительного различия между температурой обратки и входящего теплоносителя. Движение воды при этом производится в различных направлениях.

Подробнее о пластинчатом теплообменнике:

Двухходовые устройства имеют два независимых контура. С условием постоянной регулировки тепловой подачи использование этих устройств является наиболее целесообразным.

В чем отличие твердотопливных котлов

Помимо сжигания различных видов твердого топлива, теплогенераторы имеют ряд отличий от остальных источников тепла. Эти особенности нужно воспринимать как данность и всегда учитывать при обвязке твердотопливного котла с системой водяного отопления. В чем они заключаются:

Высокая инерционность. На данный момент не существует способов резко потушить разгоревшееся твердое топливо в камере сжигания.
Образование конденсата в топливнике во время прогрева. Особенность проявляется из-за поступления в котловой бак теплоносителя с низкой температурой (ниже 50 °С).

Схема устройства ТТ-котла прямого горения с принудительным нагнетанием воздуха
Инерционность создает опасность перегрева водяной рубашки отопителя, вследствие чего теплоноситель в ней вскипает. Образуется пар, который создает высокое давление, разрывающее корпус агрегата и часть подающего трубопровода. Как результат, в помещении топочной много воды, куча пара и непригодный к дальнейшей эксплуатации твердотопливный котел.

Подобная ситуация может возникнуть, когда обвязка теплогенератора выполнена неправильно. Ведь на самом деле нормальный режим работы дровяных котлов – максимальный, именно в это время агрегат выходит на свой паспортный КПД. Когда термостат реагирует на достижение теплоносителем температуры 85 °С и прикрывает воздушную заслонку, горение и тление в топке еще продолжается. Температура воды повышается еще на 2—4 °С, а то и больше, прежде чем ее рост остановится.

Другая неприятная особенность работы агрегата на дровах – появление конденсата на внутренних стенках топливника из-за прохождения через водяную рубашку еще не разогретого теплоносителя. Этот конденсат – вовсе не божья роса, поскольку представляет собой агрессивную жидкость, от которой быстро корродируют стальные стенки камеры сжигания. Потом смешавшись с пеплом, конденсат превращается в липкую субстанцию, отодрать ее от поверхности не так легко. Проблема решается установкой смесительного узла в схему обвязки твердотопливного котла.

Такой налет служит теплоизолятором и снижает КПД твердотопливного котла

Владельцам теплогенераторов с чугунными теплообменниками, не боящимися коррозии, рано вздыхать с облегчением. Их может ожидать другая беда – возможность разрушения чугуна от температурного шока. Представьте, что в частном доме на 20—30 минут отключили электроэнергию и циркуляционный насос, прогоняющий воду через твердотопливный котел, остановился. За это время вода в радиаторах успевает остыть, а в теплообменнике – нагреться (из-за той же инерционности).

Появляется электричество, включается насос и направляет в разогретый котел остывший теплоноситель из закрытой системы отопления. От резкого перепада температур у теплообменника случается температурный шок, чугунная секция дает трещину, на пол бежит вода. Отремонтировать весьма сложно, заменить секцию удается не всегда. Так что и при таком раскладе узел подмеса предотвратит аварию, о чем будет сказано далее.

Аварийные ситуации и их последствия описаны не с целью напугать пользователей твердотопливных котлов или побудить их к покупкам ненужных элементов схем обвязки. Описание основано на практическом опыте, который необходимо учитывать всегда. При правильном подключении теплового агрегата вероятность подобных последствий чрезвычайно низка, почти такая же, как у теплогенераторов на других видах топлива.

Область использования

Сегодня есть несколько разновидностей теплообменников.

При этом каждый из приборов имеет уникальную конструкцию и особенность работы:

спаянный;
разборной;
полусварной;
сварной.

Устройства с разборной системой зачастую применяются в тепловых сетях, которые подведены к жилым домам и зданиям разного предназначения, в климатических системах и холодильных камерах, бассейнах, теплопунктах и контурах ГВС. Паяные приборы нашли свое предназначение в морозильных установках, вентиляционных сетях, устройствах кондиционирования, промышленном оборудовании разного предназначения, компрессорах.

Подробное устройство пластинчатого теплообменника

Полусварные и сварные теплообменники применяются в:

вентиляционных и климатических системах;
фармацевтической и химической области;
циркуляционных насосах;
пищевой сфере;
системах рекуперации;
аппаратах для охлаждения приборов разного предназначения;
в отопительных контурах и ГВС.

Наиболее популярным видом теплообменника, который применяется в быту, является паяный, обеспечивающий обогрев либо охлаждение теплоносителя.

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

Смотрите также: Энергопаспорт

Характеристики и расчет

Пластины и уплотнители в качестве главных деталей теплообменных устройств производятся из разных по своим показателям и характеристикам материалов. Во время выбора в пользу определенного изделия основную роль играет его предназначение и сфера применения.

Если рассматривать отопительные системы и ГВС, то в этой сфере чаще всего используются пластины, которые сделаны из нержавейки, и пластичные уплотнители из специальной резины NBR или EPDM. Наличие пластин из нержавеющей стали дает возможность работать с тепловым носителем, нагретым до 120 градусов, в другом же случае теплообменник может разогревать жидкость до 180°C.

Между пластинами для герметизации расположены прокладки

При применении теплообменников в промышленной сфере и их подключении к технологическим процессам с действием масел, кислот, жиров, щелочей и других агрессивных сред используются пластины, которые сделаны из титана, бронзы и иных металлов. В этих случаях требуется установка асбестовых или фторкаучуковых прокладок.

Выбор теплообменника выполняется с учетом расчетов, которые производятся с помощью специального программного обеспечения.

Во время расчетов необходимо учитывать:

расход нагреваемой жидкости;
изначальная температура теплового носителя;
затраты теплоносителя на отопление;
необходимая температура прогревания.

В качестве нагревающей среды, которая протекает через теплообменник, может применяться нагретая вода до температуры 90-120°C или пар с температурой до 170°C. Тип теплового носителя подбирается с учетом вида используемого котельного оборудования. Размеры и число пластин выбираются так, чтобы получился теплоноситель с температурой, которая соответствует действующим стандартам — не выше 65°C.

Теплообменник может быть изготовлен из разных видов металла

Необходимо сказать, что главными техническими характеристиками, которые при этом также считаются и основными преимуществами, являются компактные габариты оборудования и возможность обеспечить довольно значительный расход.

Диапазон площадей обмена и вероятных расходов у аппаратов довольно высокий. Самые маленькие из них, к примеру, от компании Alfa Laval, имеют размер поверхности до 1 м² и при этом обеспечивают прохождение количества теплоносителя до 0,3 м³/час. Наиболее же габаритные приборы имеют размер около 2500 м² и расход, который превышает 4000 м³/час.

Схемы подключения

У теплообменника, работающего по принципу вода-вода, есть несколько различных схем подключения, однако контуры первичного типа монтируются к трубкам распределения тепловой сети (она может быть частной или реализуемой городскими службами), а контуры вторичного типа — к трубопроводу водоснабжения.
Чаще всего только от решений по проекту зависит то, какой тип подключения разрешено применять. Также схема монтажа и ее выбор основаны на нормах «Проектирования теплопунктов» и в стандарте СП под номером 41-101-95. Если соотношение и разница максимально возможного водного теплопотока на ГВС к теплопотоку на отопление определено в рамках от ≤0,2 до ≥1, то основой является схема подключения в одну ступень, а если от 0,2≤ до ≤1, то из двух степеней.

Стандартная

Самая простая для реализации и экономически выгодная схема — это параллельная. При такой схеме теплообменники монтируются последовательно по отношении к регулирующей арматуре, то есть запорному клапану, а также параллельно всей тепловой сети. Для того чтобы достичь максимального обмена тепла внутри системы, необходимы высокие показатели расхода носителей тепла.

Двухступенчатая схема

Двухступенчатая смешанная система
Если использовать двухступенчатую схему, то при ней нагрев воды происходит или в паре независимых аппаратов, или в установке моноблока. При этом важно помнить о том, что схема монтажа и ее сложность будут зависеть от общей конфигурации сети. С другой стороны, при схеме из двух ступеней повышается уровень КПД всей системы, а также снижается расход носителей тепла (примерно до 40 процентов).

При такой схеме подготовка воды происходит за два шага. В ходе первого шага применяется тепловая энергия, нагревающая воду до 40 градусов, а в ходе второго шага вода греется до 60 градусов.

Подключение последовательного типа

Двухступенчатая последовательная схема
Такая схема реализуется в рамках одного из аппаратов для теплообмена ГВС, причем данный тип обменника тепла намного сложнее по устройству, если сравнивать его со стандартными схемами. Также он будет стоить намного дороже.