Особенности устройства пластинчатого теплообменника

Особенности и характеристики пластин

Как уже неоднократно упоминалось, для изготовления пластин используется только нержавеющая сталь — материал, устойчивый к коррозии и высоким температурам. Технологией изготовления пластинчатых элементов теплообменника является штамповка, которая позволяет изготавливать плиты сложной конфигурации. Плюс ко всему это позволяет сохранить основные характеристики материала.

Также важно учитывать, что для изготовления пластин подойдёт не любая нержавеющая сталь. Используют только определённые марки. Сами же плиты обладают необычной формой

Поверх ровной поверхности проделаны специальные бороздки, располагающиеся как в симметричном, так и хаотичном порядке. Благодаря такой рифлёной поверхности увеличивается площадь отбора тепла и обеспечивается более равномерное распределение теплоносителей

Сами же плиты обладают необычной формой. Поверх ровной поверхности проделаны специальные бороздки, располагающиеся как в симметричном, так и хаотичном порядке. Благодаря такой рифлёной поверхности увеличивается площадь отбора тепла и обеспечивается более равномерное распределение теплоносителей.

Крепление резиновых прокладок выполняется непосредственно на пластинах при помощи специальных клипс. Плюс ко всему прокладки имеют самоцентрирующуюся конструкцию, что очень удобно, а благодаря манжетам создаётся дополнительный барьер, помогающий, удерживать теплоноситель. Если рассматривать типы выпускаемых производителями пластин, то их существует всего два.

1. Элемент, имеющий термически жёсткое рифление. Канавки на такой плите выполнены под углом в 30 градусов. Они обладают высокими теплопроводящими характеристиками, но не выдерживают слишком большого давления при циркуляции теплоносителя.
2. Пластина, обладающая термически мягкой рифленостью, выполненной, под углом в 60 градусов. Такой элемент обладает низкой теплопроводностью, но легко противостоит высокому давлению теплоносителя циркулирующего внутри агрегата.

Благодаря комбинации разных типов пластин внутри основного корпуса прибора можно добиться оптимального варианта теплоотдачи всей конструкции в целом

Однако для эффективной работы пластинчатого теплообменника важно чтобы теплоноситель циркулировал в турбулентном состоянии. Проще говоря, жидкость внутри агрегата при максимальной теплоотдаче должна протекать беспрепятственно

Строение и принцип работы

Механизм действия легко рассмотреть на примере пластинчатого теплообменника заводской сборки. Структура предусматривает два контура и четыре выхода. Пластинчатое устройство разделяет потоки по давлению и температуре. Теплоносителями выступают кислоты и другие жидкости.

Теплообменники для отопления предполагают подключение к одному контуру теплых полов, а к другому – теплоцентрали.

Прямое подключение центрального теплоносителя невозможно, поскольку это приводит к выходу из строя теплого напольного покрытия.

Это происходит из-за повышения давления в теплоцентрали, температурных перепадов и присутствия химически агрессивных веществ в теплоносителе.

Строение теплообменника представлено на рисунке ниже.

Схематичное устройство пластинчатого теплообменника

Структуру теплообменника составляют:

• станина, которая с одной стороны устройства прикрепляется к неподвижной прижимной плите и служит элементом опоры;
• пакет пластин, образующий между составляющими элементами каналы для теплоносителя;
• рама, которая состоит из подвижной прижимной плиты , неподвижной прижимной плиты и задней стойки;
• кожух, служащий для защиты устройства от внешних воздействий;
• шпильки, которые размещены по краю отверстий, через которые в устройство поступает теплоноситель;
• прокладка, необходимая для герметичности каналов;
• опорные и крепежные элементы (направляющие балки, несущая база, лапы станины и рамы, подшипники, болты, гайки, шайбы).

Синие и красные стрелки на рисунке обозначают направления движения холодного и горячего теплоносителя внутри теплообменника соответственно.

В быту применяют теплообменник, чей принцип функционирования основан на разделении потоков и поддержании автономного функционирования теплых полов при пониженном уровне рабочего давления в 1,5 бара и подключении чистой воды.

Структуру теплообменного оборудования составляют три группы пластин:

1. Набранные, принадлежащие автономной системе отопления с пониженным уровнем давления.
2. Набранные, принадлежащие центральной системе отопления с повышенным уровнем температуры и давления.
3. Разделительные, характеризующиеся малой толщиной и передающие тепло от централизованной системы к автономной.

Число и параметры пластин предопределяют мощность теплообменного оборудования. Каждое устройство предполагает установку очистительного фильтра. Он способен удержать грубые частицы: окалины, стружку и прочие. Фильтр нуждается в периодическом промывании очистительными растворами.

Принцип работы теплообменника

Принцип работы теплообменника заключается в передаче тепловой энергии от одного теплоносителя к другому. В устройство поступает прямая греющая среда и холодная среда. При прохождении их между пластинами по каналам происходит нагревание холодной среды. На выходе из теплообменника получают нагретую среду и обратную греющую среду. Внутри оборудования теплообменивающие жидкости движутся навстречу друг другу, то есть в противотоке, и не могут смешиваться, поскольку разделены пластинами.

Особенности конструкции

В зависимости от модификации устанавливаемого агрегата будет меняться его конструкция и принцип действия, так как работают теплообменники с разным количеством пластин и прокладок. Уплотнения устанавливаются с целью перекрытия каналов, через которые возможно смешение сред, а так же для обеспечения внешней герметичности. Уплотнения плотно зажимаются в комплекте пластин теплообменника между прижимными плитами, это обеспечивает герметичность всего аппарата.

Нагрузки, которым подвержены теплообменники во время работы, в большей степени приходятся на уплотнители и пластины. Крепежные элементы и рама используются в качестве корпуса и основы, на которой работает все оборудование.

Производители в своих моделях пользуются рельефными пластинами, так как эта конструкция обеспечивает прочное крепление, а вся система в итоге получается достаточно жесткой и прочной, чтобы оператор и владелец оборудования могли не беспокоиться о возможном риске потери работоспособности.

Прокладки закрепляются на пластинах специальными клипсами. Есть несколько других вариантов крепления прокладок, но клипсовый вариант наиболее надежный среди всех.

При зажатии прокладки автоматически центрируются по своей оси. Теплоноситель в процессе работы оборудования не вытекает, так как используется специальная окантовка обшлага, выполняющая роль дополнительного барьера для утечки.

Виды пластин

Основной элемент теплообменника – пластина. Это тонкий лист металла, на поверхности которого прессом (под давлением до 40 тыс. тонн) проделаны неглубокие рифленые бороздки. Они расположены под различными углами – 30 или 60 градусов. При сборке пакета эти бороздки разворачиваются под угол в 180 градусов, между ними возникают каналы, предназначенные для протекания рабочих жидкостей. Это подлежащий нагреву и греющий теплоносители, между которым происходит теплообмен.

Конструкция пластинчатого теплообменника состоит из плотно примыкающих друг к другу плиток, образующих щелевидные каналы. На внешних поверхностях по контуру проделаны углубления под установку резинового уплотнителя.

В теплообменнике устанавливается два типа пластин:

• перемещающаяся прижимная;

•  стационарная (находящаяся постоянно в неподвижном состоянии).

Пластины производятся способом штамповки, в зависимости от назначения имеют толщину от 0,4 до 1,0 мм. Для изготовления используются инертные металлы, устойчивые к коррозионным процессам. Чаще всего применяются:

• титан;

• нержавеющая сталь марки AISI316 или AISI304;

• различные тугоплавкие сплавы, например, 254SMO.

Технические характеристики элементов:

общее количество пар пластинок в комплекте – не менее 7 (в зависимости от области применения теплообменника);

• рабочая температура – до 180 градусов;

• предельно допустимое внутреннее давление – не выше 25 атмосфер.

Пластины могут совмещаться в разных сочетаниях и различного профиля. За счет чередования достигается максимальная эффективность теплообмена в конкретных условиях эксплуатации.

Конструкция и принцип работы пластинчатого теплообменника

Доступные программы скачиваются, в расчете теплообменника использовать можно несколько версий, для большей уверенности в результативности.

К недостаткам — отсутствие функции подогрева воды.

В случае, когда выбирается схема подключения в одну ступень. Однако более популярными сегодня являются пластинчатые паяные системы обеспечения теплом, и популярность их основана на отсутствии зажимных элементов. Рассмотрим несколько примеров схем.

То есть при монтаже после чистки все станет на свои места без особого усилия

Перед монтажом пластинчатого теплообменника важно учитывать, что расчет, проводимый своими руками для пластинчатого теплообменника для котла, входящая температура не должна превышать 55 градусов. Выдавая большой расход, скоростные агрегаты немного недогревают выходящую жидкость, этот недостаток обнаружен специалистами во время эксплуатации

Один из вариантов двухступенчатого подключения теплообменников В данном случае первичный нагрев идет от обратного трубопровода отопления

Один из вариантов двухступенчатого подключения теплообменников В данном случае первичный нагрев идет от обратного трубопровода отопления.

Тут она доводится до нужной температуры и уходит потребителю. Кондиционеры, подогреватели, пластичные теплообменники, соответственно, нуждаются в более сложном обслуживании при помощи компьютерного и сервисного обеспечения. Управление температурой происходит при помощи датчика и регулирующего клапана, установленного на обратке можно и на подачу поставить.

Так же за помощью можно обратиться к специалисту, который проведет своими руками расчет, не озадачивая клиента. Имея такую же мощность, он по размерам втрое меньше кожухотрубного, при этом способен обеспечить большой расход нагреваемой среды, например, воды для нужд ГВС. Эти выходы могут быть в виде фланца, трубы под сварку, резьбового соединения.

Принцип работы пластинчатого теплообменника.

Кожухотрубные Кожухотрубные теплообменник для горячей воды от отопления проще по конструкции, но менее эффективны, из-за чего, для обеспечения необходимой температуры, должны иметь солидные размеры. Толщина пластины зависит от максимального рабочего давления. Опыт и умения специалистов позволяют как выполнить простейшие расчеты, так и сложный монтаж с пуско-накладкой. Недостатком этой схемы является сильно завышенная нагрузка на систему отопления и неэффективный нагрев воды во втором контуре при большем перепаде температур. Для этого понадобиться помощь специализированных кадров той или иной компании.

Важным является и температурная разница минимум в 10 градусов. Значение для раковины умножается на количество устройств в доме, которые могут использоваться параллельно, и складывается со значением для ванны или душевой в зависимости от того, что именно используется. Недостаток: дороговизна, обусловленная подключением двух теплообменников для приготовления горячей воды. Доводится температура до нормы при помощи повторного нагрева, но уже от теплоносителя, который идет на подачу. SYSTHERM Теплообменники в горячем водоснабжении На сегодняшний день организация процессов по обеспечению водой — это одно из главных условий для создания уютной жизни граждан. Теплообменник (регистр) для бани — какой выбрать и как подключить, чтобы греть воду?

Конструкция разборного теплообменника

Разборный теплообменник состоит из следующих элементов:

Рисунок 2 – Конструкция пластинчатого теплообменнника

ПТ состоит из:

• пакета тонких прямоугольных пластин с отверстиями, через которые протекают два потока жидкости, где происходит теплопередача. Пластины теплообменного аппарата, выполнены из нержавеющей стали или титана, прижимаются друг к другу с использованием уплотнительных прокладок. Количество пластин зависит от технических параметров и требований к оборудованию.
• рамная пластина (неподвижная прижимная плита),
• прижимная пластина (подвижная прижимная плита), прижимает весь пакет к неподвижной прижимной плите с помощью элементов крепления: стяжных болтов, подшипников, стопорных шайб.
• несущая база – направляющая балка, на которую надеваются пластины во время сборки агрегата.
• опорная станина – вертикальный элемент, к которому прикрепляются направляющие балки (верхняя и нижняя несущие балки).
• верхние и нижние стержни и винты для сжатия пакета пластин.

Индивидуальный пластинчатый теплообменник может вместить до 700 пластин. Когда пакет пластин сжимается, отверстия в углах пластин образуют непрерывные туннели или коллекторы, через которые текучие среды проходят, пересекая пакет пластин и выходя из оборудования. Промежутки между тонкими пластинами теплообменника образуют узкие каналы, которые попеременно пересекаются горячей и холодной жидкостями и обеспечивают небольшое сопротивление теплопередаче.

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:

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

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.

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.

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.

Пластины для пластинчатых теплообменников

Серийно выпускаемые пластинчатые теплообменники комплектуют пластинами, штампованными из листового металла толщиной до 1 мм. В качестве материала применяется коррозионностойкая сталь, титан, специальные сплавы. Пластины пластинчатого теплообменника имеют гофрированную поверхность для турбулизации потоков в каналах, что повышает эффективность теплопередачи и препятствует отложению загрязнений. Гофры пластин обычно имеют в сечении профиль равностороннего треугольника. Чем тупее угол, под которых расположены гофры пластины, тем большее сопротивление создается в каналах, чем острее угол, тем меньше сопротивление и выше скорость потоков.

Назначение

Теплообменники – это устройства, используемые для передачи энергии между двумя жидкостями при различных температурах. Они повышают энергоэффективность, потому что энергия потоков, уже находящихся в системе, может быть передана в другую часть процесса, а не просто потрачена впустую. В новую эру устойчивого развития растущая настоятельная необходимость экономии энергии и снижения общего воздействия на окружающую среду сделала больший акцент на использовании теплообменников с более высокой тепловой эффективностью. В этом новом сценарии пластинчатый теплообменник может сыграть важную роль.

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.

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.

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.

Для обеспечения эффективной работы системы необходима полная герметичность теплообменных каналов, которая обеспечивается уплотнительными прокладками.

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.

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.