Конструктивные особенности и преимущества теплообменников

Теплообменник представляет собой устройство, в котором осуществляется передача теплоты от горячего теплоносителя, то есть от греющей среды, к холодной, нагреваемой среде. По принципу передачи тепла теплообменники делятся на пластинчатые и трубчатые. В пластинчатых теплообменниках передача тепла осуществляется через гофрированные пластины, которые установлены в раму и стянуты в пакет. Все пластины в пакете одинаковы, только развернуты одна за другой на 180 градусов, поэтому при стягивании пакета пластин образуются каналы, по которым и протекают жидкости, участвующие в теплообмене.

Такая установка пластин обеспечивает чередование горячих и холодных каналов. В процессе теплообмена жидкости движутся навстречу друг другу. В местах их возможного перетекания находится либо стальная пластина, что свойственно паяным и сварным пластинчатым теплообменникам, либо двойное резиновое уплотнение, как это имеет место в разборных пластинчатых теплообменниках, что практически исключает смешение жидкостей.

Теплообменные пластины имеют сложную форму и изготавливаются штамповкой на специальных прессах. Эта форма обеспечивает при сборке теплообменника образование узких извилистых каналов для протекания жидкостей. Такие каналы повышают турбулентность потока и обеспечивают высокие коэффициенты теплопередачи. Вид гофрирования пластин и их количество в раме зависят от эксплуатационных требований к пластинчатому теплообменнику. Материал, из которого изготавливаются пластины, может быть различным, от недорогой нержавеющей стали AISI 304 или AISI 316 до различных экзотических сплавов. Известны сплавы хастеллой, это сплав никеля, молибдена, хрома и других металлов, а также инколлой, это сплав железа, никеля, хрома, алюминия и титана, способные работать с агрессивными жидкостями.

Материалы изготовления уплотнительных прокладок также различаются в зависимости от условий применения пластинчатых теплообменников. Обычно используются различные полимеры на основе натуральных или синтетических каучуков. Это нитрилкаучук с температурным пределом 120-135 градусов, бутилкаучук с температурным пределом 140 градусов, этиленпропиленовый каучук с температурным пределом 160 градусов, витон с температурным пределом 180 градусов. Кроме того, для теплообменников, работающих в критических условиях химического производства, используется графит. Пластинчатые теплообменники подразделяются на разборные, паяные и сварные. В разборных между пластинами используются прокладки, направляющие воду в соответствующие каналы. Количество пластин, их профиль и размер определяются тепловой нагрузкой, гидравлическим сопротивлением и заданной температурой. Дизайн пластин обеспечивает высокую турбулентность потоков, повышающую эффективность теплоотдачи. Применение разборных пластинчатых теплообменников ограничено по температуре, в основном до 150 градусов, а также по давлению, до 25 бар.

В основе конструкции паяных теплообменников лежит принцип использования меди или никеля для пайки пластин из нержавеющей стали, что позволяет отказаться от использования прокладок. Паяные пластинчатые теплообменники обладают рядом преимуществ перед разборными. Они могут работать при значительно больших давлении и температуре, последняя может достигать 350 градусов, компактны, проще монтируются. Однако мощность паяного теплообменника нельзя изменить, присоединив или сняв с него часть пластин, как в случае с разборным теплообменником. Кроме того, если паяный прибор засорился и его не удалось промыть, такой теплообменник вернуть к работе не удастся. В разборном теплообменнике это можно исправить, почистив или заменив соответствующие пластины.

Сварные или полусварные теплообменники являются альтернативой паяному теплообменнику. Их собирают из пакетов, сваренных из двух гофрированных пластин. Они обладают высокими прочностными характеристиками паяных теплообменников, а при загрязнении одного из каналов засорившуюся кассету можно просто заменить. Иногда, если одна из рабочих сред не требует особых условий эксплуатации, а другая является химически активной или находится под высоким давлением, пластины обычного разборного теплообменника чередуют со сварными кассетами. Сварные теплообменники работают при температурах более 500 градусов и давлении до 90 бар.

В трубчатых теплообменниках передача тепла осуществляется через трубки, заключенные в одну большую трубу или кожух, поэтому иногда эти теплообменники называют кожухотрубчатыми, а также теплообменниками типа труба в трубе. Обычно трубчатые теплообменники используются при давлениях теплоносителя более 30 бар. Но при давлениях до 30 бар пластинчатые теплообменники являются значительно более эффективными. При аналогичных параметрах пластинчатые теплообменники в несколько раз меньше трубчатых по габаритам и весу.

Конструкция трубчатого теплообменника обеспечивает гораздо меньшие, чем пластинчатого, коэффициенты теплопередачи при аналогичной потере давления. Даже в самых лучших трубчатых аппаратах значительные поверхности труб находятся в мертвых зонах, где отсутствует теплопередача. В отличие от трубчатых пластинчатые теплообменники могут быть легко разобраны для обслуживания и ремонта без демонтажа подводящих трубопроводов. Кроме того, площади для обслуживания пластинчатых теплообменников требуется в несколько раз меньше, чем для обслуживания трубчатых. Кожухотрубчатые аппараты широко применяются в различных отраслях промышленности и присутствуют в ассортименте практически всех крупных производителей теплообменников, хотя их все сильнее и сильнее теснят сварные пластинчатые теплообменники. Необходимо отметить, что все теплообменники подбираются с помощью специальных программ расчета теплообменников на основе ряда исходных данных и характеристик, которые устанавливаются при заполнении специального опросного листа.

Всеволод САВЕЛЬЕВ