Пластинчатый теплообменник: схема и принцип работы

Эффективный и экономичный нагрев или охлаждение рабочей среды в современной промышленности, жилищно-коммунальной сфере пищевой и химической отраслях осуществляется с помощью теплообменников (ТО). Существует несколько типов теплообменных агрегатов, однако наибольшее распространение получили пластинчатые теплообменники.

В статье будут подробно рассмотрены конструкция, область применения и принцип работы пластинчатого теплообменника. Особое внимание будет уделено конструктивным особенностям различных моделей, правилам эксплуатации и особенностям технического обслуживания. Кроме того, будет представлен перечень ведущих отечественных и зарубежных производителей пластинчатых ТО, продукция которых пользуется повышенным спросом у российских потребителей.

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:

1. с «мягкими»
   каналами (канавки расположены под углом 600). Для таких пластин характерна незначительная турбулентность и небольшая интенсивность теплообмена, однако «мягкие» пластины обладают минимальным гидравлическим сопротивлением;
2. со «средними»
   каналами (угол рифления от 60 до 300). Пластины являются переходным вариантом и отличаются средними показателями турбулентности и интенсивности теплопередачи;
3. с «жесткими»
   каналами (угол рифления 300). 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:

1. Теплоноситель подается на входные патрубки теплообменника;
2. При перемещении рабочих сред по соответствующим контурам, сформированным из теплообменных пластинчатых элементов, происходит интенсивная теплопередача от нагретой среды нагреваемой;
3. 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.

Какие виды представлены на рынке

Устройства классифицируются по виду топлива, которое в них сжигается для получения тепла. Это могут быть:

1. Спирт. Теплообменники, которые работают на спирту, отличаются своей компактностью. Однако они не способны согреть рыбака в сильный мороз. Чаще используются как дополнительное средство обогрева.
2. Твердое топливо (дрова). Теплообменники, работающие на твердом топливе (дровах, брикетах), являются самыми распространенными среди рыболовов, т.к. его можно найти в любом лесу. Основным недостатком контракции является ее большой вес и размеры.
3. Бензин. Устройства, работающие на жидком топливе, отличаются компактностью. Однако они не получили распространения из-за взрывоопасных свойств бензина.
4. Газ. Аппаратами, которые функционируют на газу, рыбки пользуются довольно часто. Их отличительная особенность в небольших размерах и безопасности использования. В горелку газ поступает из хранилища через специальный шланг. Подача топлива регулируется вентилем.

Электрический теплообменник

Обратите внимание! В продаже существую аппараты, которые функционируют от электричества.

Какой из вариантов выбрать, каждый человек решает исходя из личных предпочтений.

Требования к прокладкам

Для обеспечения полной герметичности профильных каналов и предотвращения утечки рабочих сред, уплотнительные прокладки должны обладать необходимой термостойкостью и достаточной устойчивостью к воздействиям агрессивной рабочей среды.

В современных пластинчатых теплообменниках применяются следующие виды прокладок:

• этиленпропиленовые (EPDM). Применяются при работе с горячей водой и паром в температурном диапазоне от -35 до +1600С, непригодны для жирных и масляных сред;
• NITRIL прокладки (NBR) используются для работы с маслянистыми рабочими средами, температура которых не превышает 1350С;
• VITOR прокладки рассчитаны на работу с агрессивными рабочими средами при температуре не более 1800С.

На графиках представлена зависимость срока службы уплотнений от условий эксплуатации:

Что касается крепления уплотнительных прокладок, существует два способа:

• на клей;
• с помощью клипсы.

Первый способ из-за трудоемкости и длительности укладки применяется редко, кроме того, при использовании клея значительно усложняется техническое обслуживание агрегата и замена уплотнений.

Клипсовый замок обеспечивает быстрый монтаж пластин и простоту замены вышедших из строя уплотнений.

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:

Технические характеристики

Как правило, технические характеристики пластинчатого теплообменника определяются количеством пластин и способом их соединения. Ниже приведены технические характеристики разборных, паяных, полусварных и сварных пластинчатых теплообменников:

Рабочие параметры	Единицы измерения	Разборные	Паяные	Полусварные	Сварные
КПД	%	95	90	85	85
Максимальная температура рабочей среды	0С	200	220	350	900
Максимальное давление рабочей среды	бар	25	25	55	100
Максимальная мощность	МВт	75	5	75	100
Средний период эксплуатации	лет	20	20	10 — 15	10 — 15

Исходя из приведенных в таблице параметров определяют необходимую модель теплообменника. Помимо этих характеристик, следует учесть тот факт, что полусварные и сварные теплообменники больше приспособлены к работе с агрессивными рабочими средами.

Выбираем материал

Змеевик традиционно изготавливается из трубы, протяженность и диаметр которой определяются желаемым уровнем теплоотдачи. Эффективность работы конструкции будет зависеть от теплопроводности используемого материала. Чаще всего используются трубы:

• медные с коэффициентом теплопроводности 380;
• стальные с коэффициентом теплопроводности 50;
• металлопластиковые с коэффициентом теплопроводности 0,3.

Медный или металлопластиковый?

При одинаковом уровне теплоотдачи и равных поперечных размерах длина металлопластиковых труб будет в 11, а стальных в 7 раз больше, чем медных.

Именно поэтому для изготовления змеевика лучше всего использовать отожженную медную трубу.

Такой материал отличается достаточной пластичностью, а потому ему легко можно будет придать желаемую форму, например, путем гибки. К медной трубе легко подсоединяется резьбой фитинг.

Ищем подручные средства

Учитывая высокую стоимость материалов, будет уместно рассмотреть возможность использования уже отслуживших свое изделий, но еще не выработавших полностью ресурс. Это не только снизит затраты на изготовление теплообменника, но сократит время на выполнение монтажных работ. Как правило, предпочтение отдается:

• любым радиаторам отопления, не имеющим течи;
• полотенцесушителям;
• радиаторам от автомобилей и другим похожим по конструкции изделиям;
• проточным водонагревателям.

Для чего нужен теплообменник в отопительной системе

Объяснить наличие теплообменника в отопительной системе довольно просто. Большинство систем теплоснабжения в нашей стране спроектировано таким образом, что температура теплоносителя регулируется в котельной и подается нагретая рабочая среда непосредственно в радиаторы, установленные в квартире.

При наличии теплообменника, рабочая среда из котельной отпускается с четко определенными параметрами, например, 1000С. Попадая в первичный контур, нагретый теплоноситель не поступает в отопительные приборы, а нагревает вторичную рабочую среду, которая и попадает в радиаторы.

Преимущество такой схемы заключается в том, что регулировка температуры теплоносителя осуществляется на промежуточных индивидуальных тепловых станциях, откуда и подается потребителям.

Типы моделей

Приборы отличаются по способу установки. И это напрямую влияет на эффективность всей системы. Очень часто используется конструкция котла, в котором уже есть внутри теплообменник отопления. Потери тепла в подобных устройствах, практически, сведены к нулю. А для продуктивной работы требуется лишь грамотная настройка.

Внешние конструкции отличаются гораздо меньшей производительностью. Потому что их положение не позволяет хорошо разогреть теплоноситель. Но они применяются там, где отсутствуют индивидуальные обогревательные котлы. Например, в домах, пользующихся централизованным отоплением.

Достоинства и недостатки

Широкое распространение пластинчатых теплообменников обусловлено следующими достоинствами:

• компактными габаритами. За счет использования пластин существенно увеличивается площадь теплообмена, что снижает общие габаритные размеры конструкции;
• простотой монтажа, эксплуатации и технического обслуживания. Модульная конструкция агрегата позволяет легко разобрать и промыть требующие очистки элементы;
• высоким КПД. Производительность ПТО составляет от 85 до 90%;
• доступной стоимостью. Кожухотрубные, спиральные и блочные установки, при сходных технических характеристиках, стоят значительно дороже.

Недостатками пластинчатой конструкции можно считать:

• необходимость заземления. Под действием блуждающих токов в тонких штампованных пластинах могут образовываться свищи и другие дефекты;
• необходимость использования качественных рабочих сред. Поскольку поперечное сечение рабочих каналов небольшое, применение жесткой воды или некачественного теплоносителя может привести к засору, что снижает интенсивность теплопередачи.

Чем привлекательна буржуйка?

Хотя при этом половина тепловой энергии улетучивается через прямоточную трубу. Но никто не списывает в утиль даже поржавевший от времени источник обогрева.

Такую печку-времянку легко изготовить за день – два. Но предварительно составьте чертежи буржуйки своими руками. В дело идет многое из того, что хранится в чуланах сельских домов, дач. Это молочные и водяные металлические (только не дюралевые) бидоны, бочки из-под солярки, растительных масел, трубы, коробы, уголки.

Ничего дорогого, в том числе и инструмента – он в селах у каждого хозяина под рукой. Качественная сборка с помощью газо-или электросварки.

Но с этим помогут соседи, у которых агрегаты имеются. Сварочными аппаратами обеспечивается большая надежность и жесткость сборки. О том, как сделать буржуйку своими руками, пошаговая инструкция ниже.

Схемы обвязки пластинчатого теплообменника

Существует несколько способов подключения ПТО к отопительной системе. Наиболее простым принято считать параллельное включение с регулировочным клапаном, принципиальная схема которого приведена ниже:

Схема параллельного подключения ПТО

К недостаткам такого подключения можно отнести повышенную нагрузку на отопительный контур и небольшую эффективность нагрева воды при значительной разности температур.

Параллельное подключение двух теплообменников в двухступенчатую схему обеспечит более продуктивную и надежную работу системы:

Схема двухступенчатого параллельного подключения

1 – пластинчатый теплообменник; 2 – температурный регулятор; 2.1 – клапан; 2.2 – термостат; 3 – насос циркуляционный; 4 – счетчик расхода горячей воды; 5 – манометр.

Нагревающей средой для первой ступени служит обратный контур отопительной системы, а в качестве нагреваемой среды – холодная вода. Во втором контуре нагревательной средой служит теплоноситель из прямой магистрали отопительной системы, а в качестве нагреваемой среды – предварительно подогретый теплоноситель из первой ступени.

Где стоит использовать самодельную печь на отработке

Поскольку в процессе горения машинное масло, особенно б/у, выделяет не самый приятный запах, да и с точки зрения здоровья не слишком полезно, лучше не использовать печи такого рода в жилых помещениях. Если другого выхода нет, обязателен качественный отвод продуктов сгорания.

Обычно печи монтируют в нежилых помещениях – подсобках, гаражах, сараях, мастерских и так далее – где не требуется постоянное отопление, а лишь прогрев воздуха на относительно короткое время.

Благодаря тому, что даже самые простые конструкции такой «гаражной буржуйки» позволяют регулировать интенсивность горения топлива, можно обеспечить либо экономичный режим его использования и постепенный прогрев помещений, либо усиленный расход с очень быстрым обогревом воздушного объема.

Инструкция по эксплуатации

К каждому заводскому пластинчатому теплообменнику обязательно прилагается подробная инструкция по эксплуатации, содержащая всю необходимую информацию. Ниже будут приведены некоторые основные положения, касающиеся всех типов ПТО.

Установка ПТО

1. Место расположения агрегата должно обеспечивать свободный доступ к основным узлам для проведения технического обслуживания.
2. Крепление подающих и отводящих магистралей должно быть жестким и герметичным.
3. Устанавливать теплообменник следует на строго горизонтальную бетонную или металлическую основу, обладающую достаточной несущей способностью.

Пуско-наладочные работы

1. Перед запуском агрегата необходимо проверить его герметичность согласно рекомендациям, приведенным в техническом паспорте изделия.
2. При первичном запуске установки скорость повышения температуры не должна превышать 250С/ч, а давление в системе 10 Мпа/мин.
3. Порядок проведения и объем пуско-наладочных работ должны четко соответствовать приведенному в паспорте агрегата перечню.

Эксплуатация агрегата

1. В процессе использовании ПТО не допускается превышение температуры и давления рабочей среды. Перегрев или повышение давления могут привести к серьезным поломкам или полному выходу из строя агрегата.
2. Для обеспечения интенсивного теплообмена между рабочими средами и увеличения КПД установки необходимо предусмотреть возможность очистки рабочих сред от механических примесей и вредных химических соединений.
3. Значительно продлить срок службы устройства и увеличить его производительность позволит регулярное проведение технического обслуживания и своевременная замена поврежденных элементов.

Увеличиваем КПД печи

дверка в топку и поддуваложелательно предусмотреть заслонку-шибербоковые металлические экраны

Буржуйка в кожухе

Круглая печь с камерой дожига и кожухом с тепловой пушкой

Печь с коленами для дымохода
пропускная способность дымовой трубыобдувки дымохода вентиляторомдрова в печищелями и задвижкойполосы из металлаведер или металлический ящик с пескомпесчаную засыпку или теплоаккумулятор из камней

Схема буржуйки с песчаной засыпкой, печь изготовлена из трубы диаметром 500 мм, ее длина составляет 650 мм
обложенная 1-2 слоями кирпича

Кирпичный экран
площадь её стеноккирпичи или металлический листВидео по теме: Печь буржуйка своими руками

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:

1. специальный моющий раствор вводится в рабочую зону теплообменника, где под воздействием химически активных реагентов происходит интенсивное разрушение накипи и других отложений;
2. обеспечение циркуляции моющего средства по первичному и вторичному контурам ТО;
3. промывка теплообменных каналов водой;
4. 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.

Определение объема топливной закладки

Для эффективной работы буржуйки важно загружать в нее оптимальное количество топлива, причем для каждого вида горючего необходимо найти свой показатель. Если перегрузить печь, продуктов сгорания окажется слишком много и они заблокируют циркуляцию; если недогрузить — их будет мало, что также делает циркуляцию невозможной
Объем закладки подбирается так:

1. топливо набирают в ведро;
2. отбирают из ведра горсть и, уложив в топку, поджигают;
3. добавляют топливо небольшими порциями, пока начальный участок борова не раскалится до вишневого цвета. Теперь прикидывают, сколько топлива отобрано из ведра — это минимальный объем закладки;
4. продолжают подкладывать горючее (порции необходимо увеличить), пока габариты раскаленного участка не достигнут 80%-85% длины «борова». В этот момент объем отобранного из ведра топлива будет соответствовать максимальной топливной закладке.

Тест проводится при умеренном освещении: если днем, то в пасмурную погоду (зимой); если на улице ясно — ближе к вечеру. При загрузке высококалорийного топлива (пеллеты, антрацит) раскаленная область иногда имеет вид кольца с разной шириной, занимающего различное положение по длине борова.

Тогда объем закладки определяют так:

• максимальный: раскален дальний от печи участок борова на 1/3 его длины;
• минимальный: раскаленная зона расположена посредине и имеет в длину 3-4 ладони.