Пластинчатый теплообменник: устройство, виды и принцип действия

      Здравствуйте! Особым техническим устройством, играющим важную роль в отопительной системе дома, является пластинчатый теплообменник. С помощью него осуществляется теплообмен между теплоносителями, один из которых находится в горячем состоянии, а другой — в холодном.

При этом движущейся средой, применяющейся для передачи теплоты, может быть газ, разные жидкости и водяной пар.

Конструктивные особенности пластинчатого теплообменника

    Отличительной чертой устройства переноса теплоты является наличие пакета, состоящего из пластин. Они представляют собой гофрированные элементы, изготовленные из металла. Если точнее, то пластины производятся в большинстве случаев из нержавеющей стали, так как она прекрасно выдерживает воздействия теплоносителя, обладающего низким качеством.

Эти элементы соединяются между собой. При этом их крепление осуществляется с поворотом на 180 градусов относительно друг друга. Помимо пакета пластин, в состав теплообменника этого типа еще входит:

• подвижная плита;

• неподвижная плита, на которой расположены патрубки для присоединения трубопроводов;

• элементы крепления, благодаря которым происходит стягивание 2-х плит и создается рама;

• две направляющие (верхняя и нижняя), имеющие вид круглого прута.

     Такая продуманная компоновка устройства позволяет создавать аппараты, отличающиеся компактными габаритами.

     Рама пластинчатого теплообменника служит для закрепления пластин, которые изготавливаются не только из нержавейки, но и из меди или графита. Благодаря тому, что поверхность устройства является своеобразной, она создает довольно сильную турбулентность средам, использующимся для переноса тепла и движущимся по трубам. За счет этого возрастает теплопередача у аппарата.

      После установки гофрированных пластин на свои места образуется две герметичные системы, полностью изолированные друг от друга. Именно по ним движется холодная и горячая среда. Благодаря такой конструкции происходит теплообмен.

      Из гофрированных пластин собирается пакет. При этом они располагаются крест-накрест. Такое их размещение позволяет создать жесткую конструкцию. Все гофрированные пластины оснащаются прокладками для уплотнения соединений. Это очень важные элементы, обеспечивающие хорошую герметичность устройства особенно в рабочем состоянии. Прокладки позволяют теплоносителям бесперебойно протекать в противоположных направлениях по трубам. Они имеют особую конфигурацию. Благодаря такой конструктивной особенности уплотнительных элементов не допускается смешивание холодной и горячей среды.

     Высокий требуемый коэффициент передачи тепла будет обеспечен, если правильно подобрать размер теплообменника в соответствии с заданным объемом проходящей среды. Тем более в таком устройстве наблюдается повышенная турбулентность носителя тепла.

     Теплообменник, состоящий из гофрированных пластин — это устройство поверхностного типа. По нему движется нагреваемая и нагревающая среда. Между ними происходит передача тепла через стенку из металла. Именно она получила название — поверхность теплообмена. Основными элементами такого теплообменника являются гофрированные пластины. Эти элементы достаточно тонкие и изготавливаются методом штампования.

     Применяются пластинчатые теплообменники, как нагревательные или охладительные устройства. Их используют в разных технологических процессах, а также в нефтяной, газовой промышленности и во многих других отраслях. На фото ниже представлен пластинчатый теплообменник в индивидуальном тепловом пункте многоквартирного дома.

Здесь он используется для подогрева холодной воды в систему ГВС дома, система горячего водоснабжения при этом закрытая.

Использование пластинчатых теплообменников в ИТП (теплоузлах) зданий при закрытой системе ГВС

     Пластинчатые теплообменники активно и широко используются при реализации схем теплоснабжения зданий с закрытой системой ГВС.

Схема подогрева холодной воды до температуры горячей воды через теплообменник, как правило, двухступенчатая. То есть, подогрев холодной воды на нужды ГВС производится на двух теплообменниках. Теплообменник первой ступени монтируется на обратке системы отопления последовательно с ней. В нем холодная вода подогревается до 30-40°С. Затем подогретая вода поступает во вторую ступень и здесь происходит догрев до нормируемой температуры горячего водоснабжения, обычно 55- 60°С, теплоносителем отопления. Вторая ступень включается параллельно или последовательно системе отопления в зависимости от схемы.

     В настоящее время для реализации таких схем в основном используют теплообменники двух фирм-производителей: Ридан и FUNKE. Ридан – это теплообменник от российского производителя (на фото ниже).

FUNKE – это немецкая, германская компания, теплообменик от этой фирмы на фото ниже.

Сравнивая два теплообменника, выскажу свое личное, субъективное мнение. Считаю теплообменники FUNKE более лучшими и надежными в работе, чем теплообменники Ридан. По крайней мере, мне FUNKE хлопот доставляли намного меньше, чем Риданы. Вообще не помню, чтобы с FUNKE какие то проблемы возникали, а вот про теплообменники от Ридан так сказать не могу. Но повторюсь, это мое частное мнение, основанное на моем личном практическом опыте.

Типы пластинчатых теплообменников

     Устройства для переноса тепла между нагретой и холодной средой подразделяются на следующие типы в зависимости от схемы передвижения теплоносителей:

1. Одноходовые пластинчатые аппараты, в которых среда перемещается постоянно по одной и той же траектории. При этом теплоноситель проходит по всей длине устройства. Еще в таких аппаратах среды всегда движутся в противоположных направлениях. Это является их основной отличительной чертой.

2. Многоходовые пластинчатые аппараты, рекомендованные для использования на тех объектах, где требуется достичь незначительной разницы температуры между греющей и нагреваемой жидкостью. У этих устройств патрубки находятся не только спереди на неподвижной части, но и с торца на нажимной плите. В устройствах данного типа потоки сред способны менять направления движения. Это может происходить в нескольких или исключительно в одном ходу. Многоходовые устройства передачи тепла оснащаются по одному входному и выходному отверстию.

3. Многоконтурные пластинчатые аппараты, имеющие в своей конструкции независимые контуры в количестве 2 штук. Они располагаются на одной стороне. Применяются такие устройства в тех случаях, когда нужно создать двухэтапные условия охлаждения или прогрева теплоносителя. Еще данные теплообменники позволяют эффективно выполнять регулирование тепловой мощности.

      Однако на этом классификация пластинчатых теплообменников не заканчивается. Они еще подразделяются в зависимости от легкости доступа к устройствам, так как их поверхности необходимо не только постоянно чистить механическим способом, но и просто осматривать.

     Производители создают три разновидности теплообменников пластинчатого типа:

1. Разборные устройства, имеющие минимально возможные размеры. Данные аппараты очень просто обслуживаются. Их гофрированные пластины и все каналы при необходимости имеется возможность без затруднения очистить. При этом конструкция таких теплообменников позволяет изменять число, и даже тип гофрированных пластин. В результате появляется возможность уменьшить или увеличить мощность отдельно взятого аппарата. Если же возникает утечка теплоносителя, то в этом случае исправить поломку тоже не составляет никакого труда, так как можно выполнить быструю замену уплотнительного элемента или пластины.

2. Полусварные устройства, к которым еще относятся полуразборные аппараты. Такие теплообменники состоят из нескольких модулей, изготовленных при помощи сварки. В состав каждого из них входит две гофрированные пластины. Для их сварки между собой используются лазерные аппараты. Из данных модулей собирается единый пакет. Для этого применяются торцевые пластины и болты, с помощью которых они стягиваются. Эти теплообменники используются в тех случаях, когда какой-нибудь теплоноситель имеет повышенное давление или температуру. Еще аппараты данного вида применяются для нагрева или охлаждения опасных сред.

3. Неразборные устройства, которыми являются теплообменники, изготовленные при помощи пайки. Они состоят из определенного количества гофрированных плит из нержавейки. Данные элементы соединяются между собой методом пайки. Этот процесс осуществляется в вакууме. При этом еще используется припой из никеля или меди. Такие теплообменники отличаются повышенной надежностью, небольшими габаритами и легкой установкой. Неразборные устройства способны самостоятельно очищать свои каналы, так как в них присутствует высокая турбулизация потока среды. Кроме того, они дают хороший экономический эффект. Используются данные аппараты в теплоснабжении, где с их помощью осуществляется нагрев воды.

     Все вышеперечисленные теплообменники пластинчатого типа создаются из тонколистового металла. Минимальное количество пластин в одном аппарате обычно составляет 7 штук. Их максимальное число может быть любым, так как практически ничем не ограничивается. При этом самая большая температура нагревающей среды не превышает 150 градусов. В то же время максимальное давление составляет 9,8 бар. На количество теплоносителя, который проходит через теплообменник, влияют его габариты.

Принцип функционирования пластинчатого теплообменника

     На неподвижной плите, использующейся для опоры устройства, расположен патрубок, через который в аппарат поступает среда. Она впоследствии будет нагрета до нужной температуры. После этого среда перемещается в продольный коллектор. Для этого в теплообменнике имеется угловое отверстие. Благодаря наличию коллектора среда движется до последней пластины. При этом она еще равномерно распределяется абсолютно по всем каналам, расположенным между гофрированными пластинами. Кроме того, уплотнения, которые размещены по специальной схеме, способствуют соединению межпластинных каналов и углового коллектора.

     Когда нагреваемая среда двигается по межпластинным каналам она проходит по гофрированным поверхностям плоских элементов теплообменника. Они же в свою очередь нагреваются с обратной стороны другим теплоносителем, имеющим определенную температуру в каждой конкретной ситуации. После этого среда, которая подвергается нагреванию, попадает в нижний коллектор. Затем она выходит из теплообменника через соответствующий патрубок.

     Теплоноситель, являющийся греющей средой, попадает в аппарат через патрубок, предназначенный для подачи нагретой жидкости. Его движение выполняется навстречу среде, подлежащей нагреву. Благодаря наличию нижнего коллектора происходит распределение греющего теплоносителя, который потом перемещается по каналам. Данная среда выходит из аппарата через верхний коллектор, соединенный со специальным выходным патрубком.

     Каналы, предназначенные для нагреваемой и греющей среды, чередуются. По этой причине устройство, имеющее самую простую конструкцию, обязано состоять минимум из 3 пластин. Именно такое количество плоских элементов теплообменника образовывает два канала. Один из них предназначен для нагревающего теплоносителя, а второй — для нагреваемой среды.

     Перемещающаяся по каналам жидкость выполняет извилистые движения в трех направлениях. Благодаря этому образуется ее турбулизация. При этом гидравлическое сопротивление не только на выходе, но и на входе в канал уменьшается, когда теплоноситель проходит через угловые отверстия. За счет этого абсолютно вся площадь пластинчатых элементов устройства используется эффективно. Поэтому нужно по возможности устанавливать на объектах именно пластинчатые теплообменники. Главное правильно выполнить подбор таких аппаратов.