Теплообменники устройство и принцип работы

Ответы профессионалов по теме: "Теплообменники устройство и принцип работы" с пояснениями и выводами. Предлагаем статью собранную из различных авторитетных источников с ответами специалистов. Каждый вопрос, конечно, индивидуален. Если вы не нашли ответа на вопрос, или хотите уточнить актуальность информации в 2021 году, то просто обратитесь к дежурному консультанту.

Особенности устройства пластинчатого теплообменника

Пластинчатый теплообменник – разновидность рекуперативного теплообменника, принцип действия которого основан на преобразовании и перемещении тепловой энергии из одной среды в другую, посредством контактных пластин. Собранные в одну связку они образуют своеобразные каналы, по которым и происходит движение теплоносителя. Параметры и размеры устройства обозначены нормами ГОСТа 15518—83.

Разновидности теплообменников

В зависимости от степени доступности к обслуживанию и осмотру теплообменники разделяют на несколько видов:

Разборные

Аппараты этого типа собираются и разбираются для периодического обслуживания, осмотра и ремонта. Процесс теплопередачи осуществляется посредством пластин, которые чередуются между собой, образуя два контура движения. Это позволяет исключить смешивание тепловой энергии между двумя потоками. Все пластины между собой разделяются резиновыми прокладками.

Паяные

Устройства этого типа не разбираются, в отличие от рассмотренного ранее типа, а все пластины между собой спаяны. Преимуществом таких устройств считают доступную стоимость и небольшие габариты. Основная область применения – бытовые газовые котлы и другие отопительные системы.

Сварные

Агрегаты этого класса состоят из пластин, сваренных между собой без резиновых уплотнителей. Движение теплового потока происходит по двум каналам: один по гофрированному, второй по трубчатому. Среди недостатков выделяют высокую стоимость устройства и его размеры. Теплоносители такого класса используют в промышленных масштабах.

Полусварные

Конструкция, состоящая из пластин, которые установлены комбинированным способом. Уплотнители располагаются с внешней стороны попарно сваренных пластин. Такое оборудование позволяет использовать его в крайне агрессивных средах или в системах охлаждения.

Преимущества и недостатки

Среди положительных аспектов использования таких агрегатов можно выделить:

  • отсутствие больших производственных и инвестиционных затрат;
  • эффективность поставки тепловой энергии;
  • небольшие размеры;
  • способность самоочистки, за счет высокого турбулентного потока;
  • благодаря увеличению количества пластин возможно добиться увеличения КПД;
  • надежность;

К недостаткам пластинчатых теплообменных аппаратов относят:

  • необходимость заземления;
  • требовательность к качеству теплоносителя.

Большое число преимуществ позволяет использовать теплообменники в бытовом и промышленном сегменте. Требовательность к теплоносителю скорее не недостаток, а необходимость, чтобы предупредить частоту замены пластин, пришедших в негодность.

Устройство пластинчатых теплообменников

Пластинчатый теплообменник широко используется для теплообмена парами или жидкостями и выступает в роли охладителя, подогревателя или конденсатора. Он состоит из нескольких комплектующих:

  • подвижной плиты;
  • неподвижной плиты;
  • патрубков, с резьбовым фланцевым и приваренным соединением;
  • комплекта скрепленных между собой пластин;
  • нижней и верхней направляющей;
  • резьбовой стойки для крепления и шпильки.

Между пластинами располагаются резиновые уплотнители. Движение тепловой энергии происходит по нескольким схемам:

Подбор оборудования для установки в систему отопления и расчет выполняют при помощи специального ПО, разработанного именно для этих целей.

Схема подключения

Для подключения пластинчатого ТО используют классическую схему, в которой задействованы патрубки входа и выхода теплоносителя, расположенные на передней панели. Чаще всего эти отверстия располагают таким образом, чтобы обеспечить противоток тепловой энергии и не допустить смешивание горячего и холодного потока.

Второй вариант подключения теплообменника задействует те же патрубки входного и выходного отверстия, которые могут быть расположены не только на передней панели, но и на задней.

Подсоединение входных и выходных потоков тепловой энергии происходит посредством патрубков, с фланцевым, резьбовым или приваренным соединением.

В некоторых случаях не используют патрубки. Тогда соединение происходит путем просверливания дополнительных отверстий с внутренней резьбой под установку шпилек, которые послужат в качестве крепления теплоносителя с трубопроводом. В качестве прокладки можно взять термостойкий каучуковый или резиновый уплотнитель.

Правила выбора

Выбор оборудования зависит от нескольких параметров, каждый из которых рассчитывается индивидуально, в зависимости от того, где будет устанавливаться теплообменник.

При подборе модели нужно определить следующие моменты:

  • тип среды (пар, вода и т.д.);
  • температурные показатели на входе и выходе теплоносителя;
  • допустимые потери давления;
  • максимальные показатели температуры;
  • максимальное давление внутри устройства;
  • тепловая нагрузка на оборудование.

После получения данных по этим параметрам следует провести расчет показателей системы теплообмена. После чего можно приступать к выбору модели, опираясь на имеющиеся показатели мощности, скорости подачи воды, диаметре и площади теплообмена.

Принцип работы

Принцип работы пластинчатого теплообменника нельзя назвать простым. Пластины устанавливаются под углом 180 градусов относительно друг друга. Обычно это спайка из двух пар пластин, которые обеспечивают вход и выход тепловой энергии. Крайняя пара, не участвует в процессе теплообмена.

В зависимости от конструктивных особенностей теплообменники принято разделять на три типа:

  • одноконтурные,
  • многоконтурные,
  • двухходовые.

Циркуляция тепловой энергии в одноконтурном устройстве производится перманентно, по всему контуру и в одном направлении, с одновременным противотоком теплоносителя.

Движение теплового носителя в многоконтурном оборудовании происходит в различных направлениях. Такие устройства применяются только в том случае, если есть незначительное различие температуры в обратке и входящем потоке.

Движение тепловой энергии в двухходовых устройствах происходит по двум независимым контурам, при условии постоянного контроля за тепловой подачей.

Существует еще один тип устройства – паровой пластинчатый теплообменник, отвечающий за подогрев воды или другой жидкости в системе отопления. Принцип работы этого устройства ничем не отличается от стандартных моделей пластинчатых агрегатов.

Пластины для пластинчатого теплообменника

В качестве материала для пластин используется сталь, толщиной 1 мм. Для турбулизации потока теплоносителя и увеличения площади теплообмена проточную часть пластин формируют ребристой или в виде гофры.

Если посмотреть в сечении, гофрированная поверхность имеет профиль равностороннего треугольника. От градуса угла, под которым расположена гофра, зависит сопротивление и скорость потока. Чем он острее, тем ниже сопротивление и выше скорость теплоносителя.

Кроме стали, для изготовления пластин теплообменника используют и другие сплавы в зависимости от того, где будет работать устройство.

Сферы применения

У каждого вида теплообменника есть своя сфера применения.

Читайте так же:  Военные аптечки первой помощи

Разборные теплообменники принято использовать:

  • для монтажа тепловых сетей;
  • в холодильных камерах;
  • в бассейнах и т.д.

Паянные приборы применяются:

  • в морозильных камерах;
  • в системах кондиционирования;
  • в вентиляционных системах;
  • в компрессорных установках.

Сварные и полусварные устройства нашли свое применение:

  • в системах климатического контроля и вентиляции;
  • в фармацевтической промышленности;
  • в пищевой промышленности;
  • в отопительных системах и ГВС;
  • в циркуляционных насосах и т.д.

В бытовом использовании чаще всего встречается паяный тип теплообменника. Он отвечает за охлаждение или обогрев тепловой энергии.

Теплообменник – это элемент системы, используемый в коммунальной сфере, пищевой, металлургической и нефтегазовой промышленности, а также в судостроении. Преобладание преимуществ над недостатками говорит о его эффективном применении. Правильно определившись с техническими характеристиками и задачами устройства, можно провести монтаж отопительной системы у себя дома, используя чертежи и схемы подключения теплообменника, имеющиеся в открытом доступе в интернете.

Источник: http://strojdvor.ru/otoplenie/osobennosti-ustrojstva-plastinchatogo-teploobmennika/

Кожухотрубный (кожухотрубчатый) теплообменник. Устройство и принцип работы

Кожухотрубные теплообменники относятся к наиболее распространенным аппаратам. Их применяют для теплообмена и термохимических процессов между различными жидкостями, парами и газами – как без изменения, так и с изменением их агрегатного состояния.

Кожухотрубные теплообменники появились в начале ХХ века в связи с потребностями тепловых станций в теплообменниках с большой поверхностью, таких, как конденсаторы и подогреватели воды, работающие при относительно высоком давлении. Кожухотрубные теплообменники применяются в качестве конденсаторов, подогревателей и испарителей. В настоящее время их конструкция в результате специальных разработок с учетом опыта эксплуатации стала намного более совершенной. В те же годы началось широкое промышленное применение кожухотрубных теплообменников в нефтяной промышленности. Для эксплуатации в тяжелых условиях потребовались нагреватели и охладители массы, испарители и конденсаторы для различных фракций сырой нефти и сопутствующих органических жидкостей. Теплообменникам часто приходилось работать с загрязненными жидкостями при высоких температурах и давлениях, и поэтому их необходимо было конструировать так, чтобы обеспечить легкость ремонта и очистки.

С годами кожухотрубные теплообменники стали наиболее широко применяемым типом аппаратов. Это обусловлено прежде всего надежностью конструкции, большим набором вариантов исполнения для различных условий эксплуатации, в частности:

  • однофазные потоки, кипение и конденсация по горячей и холодной сторонам теплообменника с вертикальным или горизонтальным исполнением
  • диапазон давления от вакуума до высоких значений
  • в широких пределах изменяющиеся перепады давления по обеим сторонам вследствие большого разнообразия вариантов
  • удовлетворение требований по термическим напряжениям без существенного повышения стоимости аппарата
  • размеры от малых до предельно больших (5000 м 2 )
  • возможность применения различных материалов в соответствии с требованиями к стоимости, коррозии, температурному режиму и давлению
  • использование развитых поверхностей теплообмена как внутри труб, так и снаружи, различных интенсификаторов и т.д.
  • возможность извлечения пучка труб для очистки и ремонта

Однако такое широкое разнообразие условий применения кожухотрубных теплообменников и их конструкций никоим образом не должно исключать поиск других, альтернативных решений, таких, как применение пластинчатых, спиральных или компактных теплообменников в тех случаях, когда их характеристики оказываются приемлемыми и их применение может привести к экономически более выгодным решениям.

Кожухотрубные теплообменники состоят из пучков труб, укрепленных в трубных досках, кожухов, крышек, камер, патрубков и опор. Трубное и межтрубное пространства в этих аппаратах разобщены, причем каждое из них может быть разделено перегородками на несколько ходов. Классическая схема кожухотрубчатого теплообменника показана на рисунке:

Теплопередающая поверхность аппаратов может составлять от нескольких сотен квадратных сантиметров до нескольких тысяч квадратных метров. Так, конденсатор паровой турбины мощностью 150 Мвт состоят из 17 тысяч труб с общей поверхностью теплообмена около 9000 м 2 .

Схемы кожухотрубчатых аппаратов наиболее распространенных типов представлены на рисунке:

Кожух (корпус) кожухотрубчатого теплообменника представляет собой трубу, сваренную из одного или нескольких стальных листов. Кожухи различаются главным образом способом соединения с трубной доской и крышками. Толщина стенки кожуха определяется давлением рабочей среды и диаметром кожуха, но принимается не менее 4 мм. К цилиндрическим кромкам кожуха приваривают фланцы для соединения с крышками или днищами. На наружной поверхности кожуха прикрепляют опоры аппарата.

Трубчатка кожухотрубчатых теплообменников выполняется из прямых или изогнутых (U-образных или W-образных) труб диаметром от 12 до 57 мм. Предпочтительны стальные бесшовные трубы.

В кожухотрубчатых теплообменниках проходное сечение межтрубного пространства в 2-3 раза больше проходного сечения внутри труб. Поэтому при равных расходах теплоносителей с одинаковым фазовым состоянием коэффициенты теплоотдачи на поверхности межтрубного пространства невысоки, что снижает общий коэффициент теплопередачи в аппарате. Устройство перегородок в межтрубном пространстве кожухотрубчатого теплообменника способствует увеличению скорости теплоносителя и повышению эффективности теплообмена.

Трубные доски (решетки) служат для закрепления в них пучка труб при помощи развальцовки, разбортовки, заварки, запайки или сальниковых креплений. Трубные доски приваривают к кожуху (рис. а, в), зажимают болтами между фланцами кожуха и крышки (рис. б, г) или соединяют болтами только с фланцем свободной камеры (рис. д, е). материалом досок служит обычно листовая сталь толщиной не менее 20 мм.

Кожухотрубчатые теплообменники могут быть жесткой (рис. а, к), нежесткой (рис. г, д, е, з, и) и полужесткой (рис. б, в, ж) конструкции, одноходовые и многоходовые, прямоточные, противоточные и поперечноточные, горизонтальные, наклонные и вертикальные.

На рисунке а) изображен одноходовой теплообменник с прямыми трубками жесткой конструкции. Кожух и трубки связаны трубными решетками и поэтому нет возможности компенсации тепловых удлинений. Такие аппараты просты по устройству, но могут применяться только при сравнительно небольших разностях температур между корпусом и пучком труб (до 50 о С). Они имеют низкие коэффициенты теплопередачи вследствие незначительной скорости теплоносителя в межтрубном пространстве.

Читайте так же:  Ошибки в трудовых книжках образцы

В кожухотрубчатых теплообменниках проходное сечение межтрубного пространства в 2-3 раза больше проходного сечения трубок. Поэтому при одинаковых расходах теплоносителей, имеющих одинаковое агрегатное состояние, коэффициенты теплоотдачи на поверхности межтрубного пространства невысокие, что снижает коэффициент теплопередачи в аппарате. Устройство перегородок в межтрубном пространстве способствует увеличению скорости теплоносителя и повышению коэффициента теплопередачи. На рисунке 1,б изображен теплообменник с поперечными перегородками в межтрубном пространстве и полужесткой мембранной компенсацией тепловых удлинений вследствие некоторой свободы перемещения верхней трубной доски.

В парожидкостных теплообменниках пар проходит обычно в межтрубном пространстве, а жидкость – по трубам. Разность температур стенки корпуса и труб обычно значительна. Для компенсации разности тепловых удлинений между кожухом и трубами устанавливают линзовые (рис. в), сальниковые (рис. з, и) или сильфонные (рис. ж) компенсаторы.

Для устранения напряжений в металле, обусловленных тепловыми удлинениями, изготавливают также однокамерные теплообменники с гнутыми U- и W-образными трубами. Они целесообразны при высоких давлениях теплоносителей, так как изготовление водяных камер и крепление труб в трубных досках в аппаратах высокого давления – операции сложные и дорогие. Однако аппараты с гнутыми трубами не могут получить широкого распространения из-за трудности изготовления труб с разными радиусами гиба, сложности замены труб и неудобства чистки гнутых труб.

Компенсационные устройства сложны в изготовлении (мембранные, сильфонные, с гнутыми трубами) или недостаточно надежны в эксплуатации (линзовые, сальниковые). Более совершенна конструкция теплообменника с жестким креплением одной трубной доски и свободным перемещением второй доски вместе с внутренней крышкой трубной системы (рис. е). некоторое удорожание аппарата из-за увеличения диаметра корпуса и изготовления дополнительного днища оправдывается простотой и надежностью в эксплуатации. Эти аппараты получили название теплообменников «с плавающей головкой». Теплообменники с поперечным током (рис. к) отличаются повышенным коэффициентом теплоотдачи на наружной поверхности вследствие того, что теплоноситель движется поперек пучка труб. При перекрестном токе снижается разность температур между теплоносителями, однако при достаточном числе трубных секций различие в сравнении с противотоком невелико. В некоторых конструкциях таких теплообменников при протекании газа в межтрубном пространстве и жидкости в трубах для повышения коэффициента теплоотдачи применяют трубы с поперечными ребрами.

Источник: http://www.teploobmenka.ru/oborud/art-shelltube/

Теплообменные аппараты

Теплообменный аппарат или теплообменник – это техническое устройство, в котором физический принцип передачи тепла от теплой среды к холодной без применения внешней энергии, превращен в технологический процесс. Он не является самостоятельным прибором и применяется в комплексе с другим тепловым оборудованием, поэтому должен соответствовать ему по параметрам.

Современные модели теплообменников характеризуются высоким уровнем безопасности, производительностью, минимальными потерями тепловой энергии в рабочем процессе, сниженными затратами теплоносителя и его циркуляции. Эти аппараты изготавливаются из новейших материалов, которые стойки к разрушительному коррозийному воздействию, что значительно увеличивает их ресурс. Чтобы понять работу этих устройств, рассмотрим теплообменный процесс.

Понятие теплообмена

Теплообмен представляет собой необратимый физический процесс, когда тепло передается от горячих тел или сред к холодным. На этом физическом законе базируется функционал теплообменного аппарата. Процесс происходит естественно, без совершения какой-либо работы над телом или средой. Он заканчивается, когда разницы температуры выравниваются. Теплообмен осуществляется 3-мя способами:

Определение и классификация

Теплообменные аппараты – это технологические устройства, которые выполняют передачу тепла межу двумя средами. Установки различаются по принципу действия на два типа:

  • Рекуператоры. В этих устройствах теплоносители отделены друг от друга стенкой. К ним относится большинство современных, в том числе теплообменники для горячего водоснабжения.
  • Регенераторы. В этих аппаратах среды, между которыми происходит теплообмен, поочередно касаются одной и той же поверхности. По регенеративному принципу тепло накапливается в твердом веществе во время контакта с горячим носителем и отдается холодному.

Теплообменник работает и на нагрев, и на охлаждение. Этот фактор расширяет сферы применения установок. Теплообменные устройства применяются:

  • в коммунальном хозяйстве;
  • на нефтеперерабатывающих, нефтяных, химических предприятиях;
  • в энергетической отрасли;
  • на пищевых и фармацевтических комбинатах;
  • в газовой промышленности.

Конкретная модель выбирается в зависимости от условий предстоящей эксплуатации. Разработаны такие аппараты, которые помимо теплообмена выполняют смежные функции. Теплообменные установки, действующие на рекуперативном принципе, подразделяются на виды по направлению движения среды:

  1. прямоточные;
  2. параллельное движение по одну маршруту;
  3. противоточные (наиболее часто встречаются в пластинчатых теплообменниках);
  4. противоточные, при встречном параллельном движении.

Устройство, принцип работы простейшего теплообменника

Теплообменные аппараты различаются устройством, но работают на одном принципе. Чтобы понять его, рассмотрим конструкцию простейшей установки. Элементарный прибор – это емкость с кожухом, охлаждающим и нагревающим. Рубашка окружает емкость и создает кольцевое пространство, в которое подается жидкость или пар (теплоноситель). Если в кольцевое пространство залить холодную воду, то среда в основной емкости охлаждается. Если рубашка будет наполнена теплоносителем, вещество в основном резервуаре будет нагреваться.

Схемы подключения

Видео (кликните для воспроизведения).

Теплообменный технический аппарат подключается к системе тремя способами:

  1. Независимая конфигурация.
  2. Параллельная конфигурация (или 1-ступенчатая) предполагает монтаж оборудования соответственно названию между двумя коммуникациями. Регулировка выполняется 1-им клапаном.
    Смысл процесса – это постоянное фиксирование заданной температуры. Это простая структура, обеспечивающая хороший теплообмен, но потребляет большие объемы теплоносителя.
  3. Двухступенчатая конфигурация рационально использует тепловую энергию обратного потока. Подготовка жидкости выполняется в группе из 2-х агрегатов.
    Такой теплообменник называется моноблок, то есть 2 пластинчатых теплообменника, изготовленные на одной раме. Первая ступень теплообмена нагревает воду обратным потоком воды из системы отопления примерно до +40 градусов. Вторая ступень теплообмена продолжает процедуру и доводит показатели температуры воды до +60 градусов, что соответствует общепринятому нормативу по температуре ГВС. В этом случае между теплообменными аппаратами может быть установлено любой тип соединения. Этот способ характеризуется низким расходом теплоносителя – до 40% за счет использования оставшегося неиспользованным тепла обратного потока системы отопления, и, соответственно, высоким КПД.
Читайте так же:  Откосил от армии с вросшим ногтем

Грамотный выбор схемы подключения гарантирует экономичность эксплуатации. Для этого нужно правильно увязать гидравлические режимы горячего водоснабжения и отопления.

Технические характеристики и преимущества теплообменников

Любой теплообменный охладительный или нагревательный аппарат устроен по принципу обмена теплом между средами, но конструкции – различны. Устройства создаются в широком ассортименте. Чтобы правильно сделать выбор, нужно знать:

  • виды устройств;
  • их конструкции;
  • технические и эксплуатационные параметры;
  • назначение.

В различных сферах жизнедеятельности человека наиболее востребованы аппараты рекуперативного типа, они классифицируются по следующим видам:

  • миниканальные;
  • смесительные;
  • погружные;
  • паяные;
  • поверхностные;
  • оросительные;
  • пластинчатые;
  • ребристые;
  • кожухотрубные и прочие.

Пластинчатые аппараты высоко популярны, в сравнении с другими конструкциями. Они производительны, безопасны, надежны и относительно дешевы в изготовлении и эксплуатации. Это проточные установки. Они представляют собой пластины, собранные в пакет пластин, между которыми формируются нагревающий и нагреваемый каналы. Пакет пластин устанавливается в раму с рабочим давлением 10, 16 или 25 бар.

Потоки разделены стенками, поэтому перемешивание сред исключается. От качества прокладочного материала, числа пластин в пакете, размеров и формы зависят условия, в которых будет эксплуатироваться устройство. Базовые эксплуатационные параметры теплообменников:

  • габариты установки;
  • диапазон температур;
  • вид исполнения;
  • материалы, из которых выполняются базовые элементы;
  • номинальное давление;
  • расходы теплоносителя.

Правильный выбор – это первый критерий надежной работы систем. Как и всякая техника, нуждаются в техническом обслуживании, замене расходных материалов, текущем ремонте. Особенностью ухода за теплообменным оборудованием является промывка внутренних стенок пластин. Поскольку внутри конструкции циркулируют горячие среды, при температуре выше +40 градусов образуются посторонние вещества: накипь, ржавчина, а также возможно образование химических соединений. Они осаждаются на стенках и мешают передаче тепла, то есть снижают коэффициенты теплопередачи.

Для сохранения работоспособности оборудования на протяжении всего срока эксплуатации, необходима регулярная промывка системы отопления, охлаждения и подачи горячей воды. Разработаны и используются несколько технологий очистки, но лучшие результаты показывает химический метод (безразборным или разборным способами). Промывку выполняют либо согласно графику регламента, либо при появлении признаков засора.

Выводы

Теплообменный аппарат – это надежная, производительная и безопасная установка. Еще недавно считали импортное оборудование более безопасным и долговечным, но теперь пластинчатые теплообменники российского производства ничем не уступают аналогам зарубежного производства, но реализуются по разумным ценам.

Наша компания реализует теплообменные установки любого типа и производства. Поставки выполняются в любой регион России. Продукция сертифицирована, соответствует техническим нормативам РФ и сопровождается гарантиями. Наши менеджеры с помощью инженерных расчетов помогут вам грамотно подобрать модель для конкретных условий эксплуатации.

Источник: http://www.kras.e8company.ru/poleznaya-informatsiya/teploobmennye-apparaty/

Пластинчатые теплообменники – устройство, принцип работы, методика расчета

Пластинчатые теплообменники относятся к классу рекуперативных теплообменников и представляют собой аппараты, теплообменная поверхность которых образована набором тонких штампованных металлических пластин. Пластины теплообменника, собранные в единый пакет, образуют между собой каналы, по которым протекают теплоносители, обменивающиеся тепловой энергией. Каналы с теплоносителями А и В чередуются между собой.

Основные размеры и параметры наиболее распространенных в промышленности пластинчатых теплообменников определены ГОСТ 15518—83. Их изготовляют с поверхностью теплообмена от 2 до 600 м2 в зависимости от типоразмера пластин; эти теплообменники используют при давлении до 1,6 МПа и температуре рабочих сред от —30 до +180° С для реализации теплообмена между жидкостями и парами (газами) в качестве охладителей, подогревателей и конденсаторов.

Типы пластинчатых теплообменников

Пластинчатые теплообменники разделяют по степени доступности поверхности теплообмена для механической очистки и осмотра:

Наиболее широко применяют разборные пластинчатые теплообменники, в которых пластины отделены одна от другой резиновыми уплотнениями. Монтаж и демонтаж этих аппаратов осуществляют достаточно быстро, очистка теплообменных поверхностей требует незначительных затрат труда.

Подключение пластинчатых теплообменников

Классическая схема подключения пластинчатых теплообменников имеет патрубки входа и выхода теплоносителей на передней плите. В большинстве случаев входы и выходы расположены таким образом, чтобы обеспечить противоток теплообменных сред. Работа пластинчатого теплообменника с противотоком рабочих сред показана на видео:

Существуют конструкции пластинчатых теплообменников, в которых патрубки входа и выхода теплоносителей расположены как на передней, так и на задней плите:

Присоединение к входам и выходам рабочих сред осуществляется с помощью фланцевых соединений, соединений под сварку (стальная труба) или резьбового соединения. Возможно также отсутствие какого-либо патрубка на входе или выходе теплоносителя. В таком случае вокруг отверстия на плите выполняются отверстия с внутренней резьбой под шпильки, с помощью которых можно подсоединить трубопровод с теплоносителем с применением термостойкого резинового или каучукового уплотнения.

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.


Пластины для пластинчатых теплообменников разборного типа

Расчет пластинчатых теплообменников

Расчет пластинчатых теплообменников на прочность сводится к расчету нажимных и промежуточных плит, пластин, штанг, стяжных болтов, коллекторов, днищ и крышек.

При проектировании и подборе производятся тепловые и гидравлические расчеты с целью определения всех характеристик пластинчатого теплообменника, а также параметров процесса теплопередачи. Далее приведен упрощенный расчет пластинчатого теплообменника для примера. Итак, пластинчатый теплообменник уже спроектирован. Он состоит из 101 пластины, которые образуют 100 каналов. Половина из них зарезервирована для потока горячей воды, другая половина для потока холодной воды. Два внешних канала, один горячий и один холодный, будут иметь теплопередачу только на одной стороне, т.к. со второй стороны канала с водой нет. Помним об этом, но не учитываем данное в примере:

Читайте так же:  Медкомиссия для военного билета после 27 лет
Количество пластин
100 (101) [-] Длина пластины 8.000 [m] Ширина пластины 0.500 [m] Толщина пластины 0.002 [m] Ширина холодного и горячего каналов 0.008 [m] Температура горячей воды 353.15 [K] Температура холодной воды 293.15 [K] Массовый расход горячей и холодной воды 400.0 [kg/s] Коэффициент загрязнения на горячей и холодной стороне 0.00005 [m2W/K] Теплопроводность материала пластин 50 [W/m/K]

Свойства воды приняты для средних температур. Так как температуры горячей и холодной воды на входе составляют 80 и 20 градусов по Цельсию, соответственно, средняя температура составляет 50 градусов. Для расчета пластинчатого теплообменника вручную пренебрегаем изменением коэффициента теплопередачи при изменении температуры воды. Значения на каждой из сторон будет меняться противоположно.

Площадь теплообменной поверхности
A_hx = 8.000 * 0.500 * 100 = 400 [m2] Количество горячих и холодных каналов N_ch = 50 [-] Площадь сечения одного канала A_fch = 0.008 * 0.5 = 0.004 [m2] Периметр сечения канала C_fch = 2 * (0.008 + 0.5) = 1.016 [m] Гидравлический диаметр D_hyd = 4 * A_fch / C_fch = 0.015748 [m] Площадь сечения для жидкости A_flow = N_ch * A_fch = 0.2 [m2] Массовый расход жидкости G = M_flow / A_flow = 400.0 / 0.2 = 2000.0 [kg/m2/s] Плотность воды при 50°C u_w = 0.000525 [Pa.s] Теплопроводность воды при 50°C k_w = 0.6435 [W/m/K] Коэффициент Рейнольдса Re = G * D / u_w = 59993 [-] Коэффициент Прандтля для воды при 50°C Pr = 3.555 [-] Коэффициент теплопередачи на горячей и холодной стороне U_w = 0.023 * k_w/D_hydr * Re^0.8 * Pr^0.4 = 10372 [W/m2/K] Коэффициент теплового сопротивления пластины на м2 R_pl = thickness/cond = 0.002 / 50 = 0.00004 [m2W/K] Общее сопротивление теплопередаче на м2 R_t = 2/U_w + 2 * R_foul + R_pl
R_t = 2/10372 + 2*0.00005 + 0.00004 = 0.0003328 [m2W/K] Общий коэффициент теплопередачи U_oa = 1 / R_t = 3004.6 [W/m2/K]

Общий коэффициент теплопередачи посчитан. Мы имеем следующие уравнения:

Q_transferred = delta_T_mean * U_oa * A_hx
(ур.1) Q_flu > (ур.2)

Поскольку жидкости и их массовые расходы одинаковы с обеих сторон, delta_T_mean равна разности начальной температуры (ITD=T_hot,in-T_cold,in) минус delta_T_fluid, или:

delta_T_mean = ITD – delta_T_fluid (ур.3)

Вставляем это в (ур.1), вычисляем (ур.1) и (ур.2), получаем:

(ITD – delta_T_flu >
(ур.4)
Вычисляем delta_T_fluid : delta_T_flu >
(ур.5)

Изменение температуры воды в каждом контуре:
delta_T_flu >

Расчетная мощность пластинчатого теплообменника:
Q_flu >

Температура на выходе горячей стороны: 80 – 25.61 = 54.39°С
Температура на выходе холодной стороны: 20 – 25.61 = 45.61°С

Расчет пластинчатого теплообменника вручную дает некоторую погрешность, т.к. не учитывает изменение свойств жидкости и материалов при изменении их температуры. Данный метод расчета значительно упрощен, но в более сложных случаях, когда в процессе теплопередачи происходят фазовые изменения сред, он позволяет быстро провести оценочный расчет основных параметров.

На практике расчет пластинчатого теплообменника производится с помощью специальных расчетных программ. Каждый производитель имеет собственное программное обеспечение, которое позволяет быстро подобрать теплообменник и рассчитать все необходимые характеристики.

Источник: http://www.teploobmenka.ru/oborud/art-phe/

Типы и свойства теплообменников для котлов

Прямая передача тепла от сгорающего топлива теплоносителю невозможна. В отопительных котлах она выполняется за счет работы специального устройства. Это теплообменник для газового котла. От его конструкции и материала зависит срок службы аппарата и его КПД.

Основная функция теплообменника для котла

На горелку котла подают газ и воздух для сжигания. Газ горит, выделяя тепло, продукты сгорания выводятся вовне. Источник тепла в этом случае – элемент неподвижный.

Теплоноситель – вода или антифриз – поступает в теплообменник. Это устройство, которое обеспечивает теплообмен между двумя средами с разной температурой. Последний размещается в камере сгорания над горелкой. Вода, двигаясь по теплообменнику, нагревается и подается в трубы отопления. Чаще всего устройство имеет вид набора пластин или трубок. Чем больше его рабочая поверхность, тем лучше и быстрее нагревается вода.

Материал изготовления

Изготавливают теплообменник для котла из материалов прочных, хорошо проводящих тепло, не склонных к коррозии и достаточно устойчивых к давлению. Поскольку приходится учитывать и стоимость материала, выбор невелик.

Сталь

Это самый доступный материал. Сталь очень прочная, но хорошо поддается обработке. Цена невелика. Плюс такого варианта – стойкость к высокой температуре. Сталь пластична и при нагреве не покрывается трещинами, не деформируется даже на участках, контактирующих с горелкой.

Стальной теплообменник на твердотопливный или газовый котел склонен к коррозии. Вода внутри трубок и продукты сгорания в камере котла разрушительно действуют на материал. Это сказывается на долговечности. Модель из стали много весит, это приводит к дополнительному расходу топлива на прогрев самого элемента.

Теплообменник из нержавеющей стали устойчив к коррозии и служит не менее 50 лет.

Чугун

Материал гораздо устойчивее к коррозии чем сталь, не боится ржавчины и действия кислотных ангидридов. Срок эксплуатации достигает 50 лет. Однако чугун – сплав хрупкий, под действием температуры может растрескиваться. Чтобы избежать повреждений, чугунный трубчатый теплообменник необходимо промывать: если используется обычная вода, то 1 раз в год; если антифриз – то 1 раз в 2 года; если дистиллированная жидкость – 1 раз в 4 года.

Вес элемента из чугуна еще больше, поэтому на нагрев приходится тратить больше топлива и времени.

Медь – благородный металл, не подверженный никаким видам коррозии. Она химически инертна, отлично переносит давление. Медь лучше проводит тепло, поэтому для нагрева самого элемента и протекающей жидкости требуется меньше топлива. Вес медной модели невелик, размеры компактны при очень развитой рабочей поверхности.

Недостаток – высокая цена. Также медный теплообменник слишком чувствителен к нагреву до высоких температур. Чаще встречается у котлов от зарубежных изготовителей.

Классификация теплообменников

Газовые котлы могут выполнять несколько функций. Главная – обогрев жилища. Однако двухконтурные модели также нагревают воду для разных бытовых нужд: от мытья посуды до ванной. По этому признаку и различают теплообменники.

Читайте так же:  Дебиторской задолженностью называют

Первичные

Обслуживает систему отопления. Представляет собой трубу с довольно большим диаметром, изогнутую в виде змеевика в одной плоскости. Чтобы увеличить рабочую поверхность устройства, здесь же размещают пластины разного размера.

Первичный теплообменник подвергается самым высоким нагрузкам. Извне на него действуют продукты сгорания – копоть, грязь, кислотные ангидриды, изнутри – соли, растворенные в теплоносителе. Чтобы снизить износ, деталь покрывают краской и обрабатывают антикоррозийными составами.

Лучший вариант – теплообменник из нержавейки или меди, так как он не подвержен ржавлению и не боится отложения солей.

Вторичные

Такой теплообменник нагревает жидкость для горячего водоснабжения. Температура его нагрева меньше, но и нагревать воду для бытовых нужд выше +60 С не стоит. Чаще всего это пластинчатая конструкция: собирается из множества пластин с выдавленными ходами, по которым циркулирует водопроводная вода. Многоходовые модели более эффектны, так как в пределах одной пластины жидкость несколько раз меняет направление, то есть находится в ней дольше и прогревается лучше. Изготавливают его из стали, меди, алюминия.

Битермические

Представляет собой вставленные друг в друга 2 трубы. По внутренней перемещается теплоноситель, по внешней – вода для ГВС. Жидкость для отопления нагревается в камере сгорания и частично отдает тепло воде для бытовых нужд.

Конструкция гораздо дешевле. Но хотя вода здесь нагревается быстрее, ее объем ограничен. Кроме того, битермический теплообменник очень чувствителен к качеству воды и намного быстрее загрязняется. Чистить прибор недостаточно. Чтобы предотвратить быстрое засорение и вывод из строя, необходимо установить на входе фильтры для воды.

Очистить совмещенный теплообменник как обычный отдельный не удается. При больших отложениях соли или засорении элемент придется поменять.

Критерии выбора

При выборе устройства учитывают назначение – в данном случае это нагрев теплоносителя, и тип среды – пар, воду, антифриз. Газовый котел обычно работает с водой, но бывают исключения.

Остальные критерии выбора:

  • Температура теплоносителя на входе и выходе – необходимо рассчитать, какое количество тепла должен получать потребитель. Исходя из этих данных вычисляют мощность теплообменника.
  • Допустимые потери по давлению – давление воды во время прохождения по теплообменнику снижается. Если оно падает слишком низко, не удается создать столб горячей воды достаточной высоты.
  • Максимальная рабочая температура – на горелке достигает 600–700 С. Такую температуру выдерживает чугунный и стальной теплообменник, медный с некоторым трудом. Алюминиевую модель использовать запрещается.
  • Максимальное рабочее давление – не ограничивает выбор конструкции или материала.

Значимым параметром оказываются габариты. При одинаковой эффективности кожухотрубный теплообменник занимает площадь в 3–4 раза больше, чем пластинчатый.

Правильная эксплуатация

Транспортировка, монтаж и эксплуатация теплообменного устройства подробно описаны в инструкции:

  • Теплообменник в аппарате размещают так, чтобы к нему был свободный доступ для осмотра и ремонта.
  • Запуск выполняют при стабильных показателях давления и температуры. Нельзя повышать температуру быстрее, чем на 10 градусов в минуту или увеличивать давление больше, чем на 10 бар в час.
  • При заполнении водой воздушные клапаны и вентили за теплообменником остаются открытыми. После запуска насоса их закрывают. Таким образом добиваются стабильного давления.

Чтобы избежать отложения солей, на водопроводную трубу перед входом котел ставят фильтр.

Возможные неисправности

Большинство неполадок требует вмешательства специалистов. Некоторые может устранить и пользователь:

  • Снижение давления – если вызвано загрязнением, достаточно почистить теплообменник. При неправильном подключении к сети нужно сверить подсоединение с чертежом в инструкции.
  • Снижение КПД – при механическом загрязнении устройство промывают. Если причина в накоплении масла, некондиционных газов, устанавливают дополнительные устройства для их вывода.
  • Протечка – чаще всего вызвана разложением уплотнителей. Их заменяют.
  • Смешение рабочих сред – возникает при коррозии пластин или трубок. Пластины можно заменить частично, кожухотрубный теплообменник придется ставить новый.

Пока действует гарантия, запрещается самостоятельно вскрывать теплообменник и выполнять какой-либо ремонт.

Популярные производители

Теплообменники выпускают многие производители. Наиболее популярными в 2019 году были следующие компании.

Navien

Крупнейший корейский производитель. Выпускает изделия, предназначенные для бытовых котлов. Преимущество – стойкость к низкому качеству воды и гидроударам. Устройство прекрасно адаптировано к плохим условиям эксплуатации.

Итальянский изготовитель. Представляет на рынке настенные и конденсационные котлы напольные с чугунным теплообменником, а также электрические обогреватели.

Первичные теплообменники компания выполняет из меди и латуни. Для вторичных пластинчатых используется нержавеющая сталь. Это повышает стоимость изделий, но обеспечивает максимальную долговечность.

И другие

На рынке есть и другие достойные производители:

  • Fondital Victoria Compact – итальянская фирма. Предлагает битермические медные теплообменники высокой производительности.
  • Белето – известный российский завод, выпускает разнообразное газовое оборудование. Изготавливает стальные, чугунные и медные теплообменники разного типа.
  • Аристон – предлагает алюминиевые и медные теплообменники. Материалы нечувствительны к коррозии, а технология изготовления гарантирует их прочность.

Если есть необходимость увеличить КПД котла при замене устройства, консультируются со специалистом, чтобы рассчитать требуемые параметры.

Видео (кликните для воспроизведения).

Источник: http://strojdvor.ru/otoplenie/tipy-i-svojstva-teploobmennikov-dlya-kotlov/

Теплообменники устройство и принцип работы
Оценка 5 проголосовавших: 1

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here