Пластинчатый теплообменник — это тип теплообменника , который использует металлические пластины для передачи тепла между двумя жидкостями . Он имеет большое преимущество перед обычным теплообменником в том, что жидкости подвергаются воздействию гораздо большей площади поверхности , поскольку жидкости распределены по пластинам. Это облегчает передачу тепла и значительно увеличивает скорость изменения температуры . Пластинчатые теплообменники в настоящее время широко распространены, и очень маленькие паяные версии используются в секциях горячей воды миллионов комбинированных котлов . Высокая эффективность теплопередачи для такого небольшого физического размера увеличила расход горячей воды для бытовых нужд (ГВС) комбинированных котлов. Маленький пластинчатый теплообменник оказал большое влияние на бытовое отопление и горячее водоснабжение. Более крупные коммерческие версии используют прокладки между пластинами, тогда как меньшие версии, как правило, паяные.
Концепция теплообменника заключается в использовании труб или других емкостей для нагрева или охлаждения одной жидкости путем передачи тепла между ней и другой жидкостью. В большинстве случаев теплообменник состоит из спиральной трубы, содержащей одну жидкость, которая проходит через камеру, содержащую другую жидкость. Стенки трубы обычно изготавливаются из металла или другого вещества с высокой теплопроводностью , чтобы облегчить обмен, тогда как наружный корпус большей камеры изготавливается из пластика или покрывается теплоизоляцией , чтобы препятствовать утечке тепла из теплообменника.
Первый в мире коммерчески жизнеспособный пластинчатый теплообменник (ПТО) был изобретен доктором Ричардом Селигманом в 1923 году и произвел революцию в методах косвенного нагрева и охлаждения жидкостей. Доктор Ричард Селигман основал APV в 1910 году как Aluminum Plant & Vessel Company Limited, специализированную фирму по производству сварных сосудов для пивоваренной и растительно-масляной промышленности. Кроме того, он установил норму для современных тонколистовых металлических теплообменников, спроектированных на компьютере, которые используются во всем мире. [1]
Пластинчатый теплообменник (ПТО) — это специализированная конструкция, хорошо подходящая для передачи тепла между жидкостями среднего и низкого давления. Сварные, полусварные и паяные теплообменники используются для теплообмена между жидкостями высокого давления или там, где требуется более компактный продукт. Вместо трубы, проходящей через камеру, вместо этого используются две чередующиеся камеры, обычно тонкие по глубине, разделенные на своей наибольшей поверхности гофрированной металлической пластиной. Пластины, используемые в пластинчато-рамном теплообменнике, получаются путем цельного прессования металлических пластин. Нержавеющая сталь является широко используемым металлом для пластин из-за ее способности выдерживать высокие температуры, прочности и коррозионной стойкости.
Пластины часто разделены резиновыми уплотнительными прокладками, которые зацементированы в секцию вокруг края пластин. Пластины спрессованы для образования желобов под прямым углом к направлению потока жидкости, которая протекает через каналы в теплообменнике. Эти желоба расположены так, что они соединяются с другими пластинами, что образует канал с зазорами 1,3–1,5 мм между пластинами. Пластины сжаты вместе в жесткой раме для формирования расположения параллельных каналов потока с чередующимися горячими и холодными жидкостями. Пластины создают чрезвычайно большую площадь поверхности, что обеспечивает максимально возможную скорость передачи. Изготовление каждой камеры тонкой гарантирует, что большая часть объема жидкости контактирует с пластиной, что снова способствует обмену. Желоба также создают и поддерживают турбулентный поток в жидкости для максимизации теплопередачи в теплообменнике. Высокая степень турбулентности может быть получена при низких скоростях потока, и тогда может быть достигнут высокий коэффициент теплопередачи.
По сравнению с кожухотрубчатыми теплообменниками температурный подход (наименьшая разница между температурами холодного и горячего потоков) в пластинчатых теплообменниках может составлять всего 1 °C, тогда как кожухотрубчатым теплообменникам требуется подход в 5 °C или более. Для того же количества теплообмена размер пластинчатого теплообменника меньше из-за большой площади теплопередачи, обеспечиваемой пластинами (большая площадь, через которую может проходить тепло). Увеличение и уменьшение площади теплопередачи в пластинчатом теплообменнике осуществляется просто путем добавления или удаления пластин из стопки.
Все пластинчатые теплообменники внешне выглядят одинаково. Разница кроется внутри, в деталях конструкции пластин и используемых технологиях герметизации. Поэтому при оценке пластинчатого теплообменника очень важно не только изучить детали поставляемого продукта, но и проанализировать уровень исследований и разработок, проводимых производителем, а также послепусковое обслуживание и доступность запасных частей.
Важным аспектом, который следует учитывать при оценке теплообменника, являются формы гофрирования внутри теплообменника. Существует два типа: взаимосопрягающие и шевронные гофры. В целом, большее улучшение теплопередачи достигается за счет шевронов при заданном увеличении перепада давления, и они используются чаще, чем взаимосопрягающие гофры. [2] Существует так много различных способов модификации для повышения эффективности теплообменников, что крайне сомнительно, что какой-либо из них будет поддерживаться коммерческим симулятором. Кроме того, некоторые фирменные данные никогда не могут быть опубликованы производителями средств для улучшения теплопередачи. Однако это не означает, что инженеры не выполняют никаких предварительных измерений для новых технологий. Ниже приведена контекстная информация о нескольких различных формах изменений в теплообменниках. Основная цель — иметь теплообменник с экономической выгодой по сравнению с использованием традиционного теплообменника — всегда должна быть достигнута путем улучшения теплообменника. Другие соображения, которые следует учитывать, — это способность противостоять загрязнению, надежность и безопасность.
Во-первых, это периодическая очистка. Периодическая очистка (очистка на месте) является наиболее эффективным методом промывки всех отходов и грязи, которые со временем снижают эффективность теплообменника. Этот подход требует слива воды с обеих сторон пластинчатого теплообменника (ПТО), а затем его изоляции от жидкости в системе. С обеих сторон следует промывать воду до тех пор, пока она не станет полностью чистой. Для достижения наилучших результатов промывку следует выполнять в направлении, противоположном обычному режиму работы. После этого следует использовать циркуляционный насос и емкость для раствора, чтобы пропустить чистящее средство, убедившись, что средство совместимо с прокладками и пластинами ПТО (ПТО). Наконец, пока поток на выходе не станет чистым, систему следует снова промыть водой.
Для достижения улучшения в PHE необходимо учитывать два важных фактора, а именно количество теплопередачи и перепад давления, так что количество теплопередачи необходимо увеличить, а перепады давления необходимо уменьшить. В пластинчатых теплообменниках из-за наличия гофрированной пластины возникает значительное сопротивление потоку с высокими потерями на трение. Таким образом, при проектировании пластинчатых теплообменников следует учитывать оба фактора.
Для различных диапазонов чисел Рейнольдса существует множество корреляций и углов шеврона для пластинчатых теплообменников. Геометрия пластин является одним из важнейших факторов теплопередачи и падения давления в пластинчатых теплообменниках, однако такая характеристика не является точно предписанной. В гофрированных пластинчатых теплообменниках из-за узкого пути между пластинами существует большая пропускная способность давления, и поток становится турбулентным вдоль пути. Поэтому он требует большей мощности накачки, чем другие типы теплообменников. Поэтому нацелены на более высокую теплопередачу и меньшее падение давления. Форма пластинчатого теплообменника очень важна для промышленных применений, на которые влияет падение давления. [ необходима цитата ]
Расчеты конструкции пластинчатого теплообменника включают распределение потока, падение давления и теплопередачу. Первое является вопросом распределения потока в коллекторах . [3] Конфигурация макета пластинчатого теплообменника обычно может быть упрощена до системы коллекторов с двумя коллекторными коллекторами для разделения и объединения жидкостей, которые можно разделить на U-тип и Z-тип в соответствии с направлением потока в коллекторах, как показано на схеме расположения коллекторов. Бассиуни и Мартин разработали предыдущую теорию проектирования. [4] [5] В последние годы Ван [6] [7] объединил все основные существующие модели и разработал наиболее полную теорию и инструмент проектирования.
Общая скорость теплопередачи между горячей и холодной жидкостями, проходящими через пластинчатый теплообменник, может быть выражена как: Q = UA∆Tm, где U — общий коэффициент теплопередачи , A — общая площадь пластины, а ∆Tm — логарифмическая средняя разность температур . U зависит от коэффициентов теплопередачи в горячем и холодном потоках. [2]
Их очистка помогает избежать загрязнения и образования накипи без необходимости остановки теплообменника или прерывания работы. Чтобы избежать снижения производительности теплообменника и срока службы удлинителя трубы, OnC (онлайн-очистка) может использоваться как автономный подход или в сочетании с химической обработкой. Система рециркуляционного шарового типа и система щеток и корзин являются некоторыми из методов OnC. OfC (офлайн-очистка) является еще одним эффективным методом очистки, который эффективно повышает производительность теплообменников и снижает эксплуатационные расходы. Этот метод, также известный как очистка скребками, использует устройство в форме пули, которое вставляется в каждую трубу и использует высокое давление воздуха для продавливания трубы вниз. Химическая промывка, гидроструйная очистка и гидропрокалывание являются другими широко используемыми методами, отличными от OfC. Оба эти метода при частом использовании восстановят теплообменник до его оптимальной эффективности, пока загрязнение и образование накипи не начнут медленно соскальзывать и неблагоприятно влиять на эффективность теплообменника.
Эксплуатационные и эксплуатационные расходы необходимы для теплообменника. Но существуют различные способы минимизации расходов. Во-первых, расходы можно минимизировать, уменьшив образование отложений на теплообменнике, что снижает общий коэффициент теплопередачи. Согласно оценкам анализа, эффект образования отложений приведет к огромным эксплуатационным потерям, которые составят более 4 миллиардов долларов. Общие затраты на загрязнение включают капитальные затраты, затраты на электроэнергию, затраты на техническое обслуживание и стоимость упущенной выгоды. Химические ингибиторы загрязнения являются одним из методов контроля загрязнения. Например, сополимеры акриловой кислоты/гидроксипропилакрилата (AA/HPA) и акриловой кислоты/сульфоновой кислоты (AA/SA) могут использоваться для ингибирования загрязнения путем осаждения фосфата кальция. Далее, осаждение отложений также можно уменьшить, установив теплообменник вертикально, поскольку сила гравитации оттягивает любые частицы от поверхности теплопередачи в теплообменнике. Во-вторых, эксплуатационные расходы можно минимизировать, если в качестве жидкости использовать насыщенный пар по сравнению с перегретым паром. Перегретый пар действует как изолятор и плохой проводник тепла, он не подходит для использования в качестве источника тепла, например, в теплообменниках.
