Пластинчасті теплообмінники є одним з основних елементів, які використовуються в процесах теплообміну між різними середовищами. Завдяки спеціалізованому застосуванню вони часто мають промислові назви, такі як охолоджувач, конденсатор, випарник, пастеризатор або стерилізатор. Однак, незалежно від застосування, їх правильна робота залежить від правильної експлуатації та періодичного обслуговування.

Теплообмінники пластинчасті: розбірні та паяні

Пластинчасті теплообмінники – це пристрої, основною функцією яких є безконтактний обмін тепловою енергією між двома (або більше) незалежними середовищами. Речовини, що течуть, відрізняються переважно температурою і тиском і можуть перебувати в рідкому або газоподібному стані. Обмінники цього типу складаються з пакету сталевих пластин, що утворюють проточні канали, по яких рухаються середовища, обмінюючись між собою теплом. Поверхня пластини є поверхнею теплообміну і є єдиним бар’єром, що розділяє потокове середовище.

За своєю конструкцією пластинчасті теплообмінники діляться на розбірні і нерозбірні:

Розбірні теплообмінники

Це пристрої, з’єднані між собою натискними гвинтами і оснащені прокладками ;

Нерозбірні теплообмінники

Це безпрокладкові паяні обмінники (рідше зварні), в яких пластини найчастіше нероз’ємно з’єднані в пакет за допомогою вакуумної пайки.

Як вже було сказано, «серцем» кожного пластинчастого теплообмінника є пакет тонких пластин, найчастіше виготовлених з кислотостійкої сталі (використовувані матеріали: AISI 304, AISI 316L, AISI 904L, 254 SMO або титан). відповідним чином профільовані та мають кутові отвори. 

Розбірні теплообмінники також оснащені прокладками, які забезпечують герметичність даного каналу та в той же час належним чином спрямовують потік даного середовища. У паяних теплообмінниках цю роль відіграє припій, що з’єднує пластини. Таким чином в теплообміннику створюються окремі шляхи, завдяки яким текучі середовища, між якими відбувається теплообмін, не змішуються між собою.

Кількість пластин в теплообміннику визначається різною природою застосування, тобто:

• параметри процесу;
• температурна програма;
• швидкість потоку;
• фізичні властивості рідин;
• перепади тиску.

На схемі показано основний напрямок потоку двох середовищ в теплообміннику:

Гофрований профіль пластини сприяє збільшенню турбулентності потоку, що, у свою чергу, призводить до кращої передачі теплової енергії та захищає пластини від різниці тиску в суміжних каналах. Тепло легко переходить через тонку стінку пластини з одного середовища в інше. Однак провідність теплової енергії між середовищами з різною температурою може бути значно обмежена всілякими забрудненнями, що осідають на поверхнях пластин потоком середовища (наприклад, водяний накип), тому дуже важливо регулярно чистити теплообмінник.

Основні переваги розбірної конструкції теплообмінника над паяним теплообмінником включають легкість очищення та огляду – розбірний теплообмінник можна просто розібрати та заглянути всередину. З цієї причини ці теплообмінники часто використовуються в холодильних системах, де охолоджуюча вода виділяє накип, або в молочній промисловості та пивоварнях, де в теплообміннику накопичуються біологічні забруднювачі. Ще однією перевагою є можливість адаптації теплообмінника до змін параметрів технологічного процесу шляхом зміни його розміру – наступні пластини можна додавати або знімати з теплообмінника. У свою чергу, паяні теплообмінники займають менше місця і не мають прокладок, що призводить до менших експлуатаційних витрат.

Де використвують пластинчасті теплообмінники?

харчова промисловість, де вони використовуються при переробці рідких харчових продуктів, таких як соки, джеми, пиво або олії, і працюють як нагрівачі, охолоджувачі, пастеризатори та стерилізатори при переробці молока (йогуртів, кефірів або сирів);

цукрова промисловість, де вони допомагають відновлювати тепло в процесах виробництва цукру;

фармацевтична промисловість, де вони широко використовуються, завдяки можливості легкого очищення;

хімічна промисловість, у зв’язку з вимогами герметичності в процесі теплообміну, що виливається в безпеку виробництва;

нафтохімічної промисловості, де вони підтримують, серед іншого, процеси переробки сирої нафти;

АЕС, де вони працюють у системі вторинної циркуляції охолодження;

морська промисловість, де працюють в системах охолодження суднових рухових установок;

опалювальні установки та теплоелектростанції, де важливим параметром при їх виборі має бути відповідний матеріал прокладки через роботу при високих температурах.

Крім промислового застосування, пластинчасті теплообмінники також використовуються в системах будівництва, охолодження, опалення, кондиціювання повітря та центрального опалення житлових будинків. Завдяки спеціалізованому застосуванню теплообмінники часто мають галузеві назви, такі як охолоджувач, конденсатор, випарник, пастеризатор або стерилізатор.

Ущільнювачі в розбірних теплообмінниках

Ущільнювачі для пластинчастих теплообмінників виготовляються з безлічі різних матеріалів – в залежності від властивостей текучого середовища і особливостей технологічного процесу. Найважливішими параметрами є: тип середовища, його хімічний склад, температура і тиск. Найпоширеніші матеріали ущільнень: EPDM, NBR, Viton, Butyl, Hypalon.

Типи ущільнень, що використовуються в обмінниках

У пластинчастих теплообмінниках прокладки розміщені в спеціально профільованих гніздах пластин. Монтаж відбувається механічним шляхом або за допомогою відповідного клею.

Можна виділити кілька видів з’єднань прокладка-пластина:

• Ущільнення кріпляться за допомогою клею GLUE TYPE . На гніздо ущільнювача наноситься невелика кількість відповідного клею, і ущільнення встановлюється. Цей тип установки вимагає багато роботи, коли потрібно замінити ущільнення. З дощок необхідно видалити старі прокладки, видалити залишки клею з гнізд (зазвичай для цього потрібен відповідний розчинник), а перед нанесенням нової прокладки необхідно повторно нанести шар клею.
• Ущільнення кріпляться за допомогою додаткового затискача CLIP TYPE / CLIP-ON . У цьому випадку клей не використовується. Ущільнювачі оснащені додатковими затискачами, які не виконують роль ущільнювача, але полегшують установку ущільнювача в пластину. Форма кліпси відповідає бічному профілю пластини, що дозволяє накладати кліпсу збоку на пластину і тим самим стабілізувати прокладку в розетці.Такий спосіб кріплення дозволяє ефективно замінювати прокладки в теплообміннику.
• Ущільнення кріпляться за допомогою додаткової засувки ТИПУ ШПИЛЬКИ/ЗАЩИПКИ . Як і в попередньому випадку, тут немає потреби  використовувати клей. Після розміщення в гнізді ущільнювач стабілізується за допомогою засувки, втиснутої в спеціальний отвір пластини. Такий спосіб кріплення дозволяє якісно замінити ущільнення в теплообміннику.
• Ущільнення кріпляться шляхом вдавлювання в гніздо SNAPIN / LOC-IN . Ущільнення LOC-IN також не потребують використання клею. Гніздо в пластині має профіль відповідної форми, який відповідає формі профілю ущільнювача. Завдяки виступам у гнізді ущільнювач тримається на місці. Такий спосіб кріплення дозволяє здійснювати його ефективну заміну.
• Ущільнення SPLIT-IN  є безклеєвими, які встановлюються за допомогою додаткових елементів, які взаємодіють з профілем плпстини.

Випробування внутрішньої герметичності

Як уже зазначалося, пошкодження пластин може призвести до змішування текучих середовищ, що створює ризик для продукту та виробничого процесу. У разі зовнішнього витоку середовище найчастіше витікає з теплообмінника під високим тиском, тому його легко помітити та швидко вжити відповідних заходів.

Справа стає складнішою у випадку внутрішнього витоку, оскільки, як випливає з назви, він відбувається всередині теплообмінника і невидимий ззовні. Щоб мати постійний контроль за внутрішнім станом теплообмінника, використовуються внутрішні випробування на герметичність.

Основним випробуванням для перевірки герметичності пластинчастого теплообмінника є випробування тиском води. Це простий метод, але дуже «грубий» з точки зору точності вимірювання.Ретельна перевірка теплообмінника можлива за допомогою тесту на витік газу, а точніше, діагностичного тесту на герметичність водневим методом (тест на водень).

Водневий метод являє собою новітню технологію в області контролю герметичності теплообмінників (і не тільки). Він найменш інвазивний і не вимагає розбирання пристрою. Маркуючим (випробувальним) газом є водень, а азот створює захисну атмосферу. Використовувана суміш хімічно нейтральна і стерильна – вона також дозволена для контакту з харчовими продуктами.

Водневий тест виявляє пошкодження пластини на кілька мікрометрів. Завдяки властивостям атома водню також можна на ранній стадії виявити пошкодження, які ще не утворилися по всій товщині матеріалу пластини. Завдяки цьому цей метод успішно використовується при профілактичних випробуваннях обмінників. Виявлення пошкоджень на ранній стадії дозволяє забезпечити необхідні запасні частини та спланувати зупинку технологічного процесу.

Компанія «Зіко» пропонуємо Вашій увазі пластинчасті теплообмінники  виробництва компанії Spomasz Bełżyce S.A. 

Кожухотрубний теплообмінник – тип теплообмінника, який складається з циліндричної оболонки та трубок (тонкостінних труб), що проходять усередині неї. Поверхня теплообміну — це поверхня цих трубок, через яку тепло передається між рідинами всередині тонкостінних трубок та поза трубками (всередині сорочки). Завдяки своїй універсальності цей тип теплообмінника є найбільш поширеним у промисловості.

Трубки (тонкостінні трубки) розміщуються пучками всередині корпусу кожухотрубного теплообмінника. Їхні кінці кріпляться до пластини-сита, яка відокремлює внутрішню частину кожуха від внутрішньої частини голови. Рідина, що надходить в теплообмінник, протікає через вхідний патрубок до головки, де рідина поділяється на потоки, що стікають в окремі труби.

Після проходження через трубки рідина змішується у вихідній голові та виходить з теплообмінника через випускний порт. У кожухотрубних теплообмінниках стінки труб утворюють поверхню теплообміну, і в основному параметри труб визначають ефективність процесу. Правильно підбираючи їх, проектувальник може впливати на динаміку процесу теплопередачі.

Параметри конструкції

Кількість і діаметр труб є параметрами, тісно пов’язаними один з одним за критерієм швидкості потоку рідини в трубах. Швидкість потоку для газів має становити 8 – 30 м/с , а для рідин 2,5 – 3 м/с . Занадто низька швидкість потоку несприятлива для процесу теплообміну та може призвести до швидкого осадження забруднень на поверхні труби.

Оптимальна швидкість потоку має вирішальне значення для розвитку турбулентного потоку та отримання максимально високих коефіцієнтів тепловіддачі. Надто висока швидкість спричиняє надмірне падіння тиску та може призвести до ерозії. Крім того, обидва параметри пов’язані з довжиною труб і загальною поверхнею теплообміну. Вибираючи ці три параметри, можна отримати поверхні теплопередачі в різних системах. З практичних міркувань ці показники можна змінювати в певних межах. З економічних і логістичних причин зазвичай використовуються стандартні зовнішні діаметри труб  (¼, ⅜, ½, ⅝, ¾, 1 і 1½ дюйма).

Стандартні труби відрізняються нижчою ціною і більш високою доступністю. У нафтопереробній та хімічній промисловості зазвичай використовуються труби діаметром ¾ або один дюйм . Це пов’язано з необхідністю регулярного очищення (що на практиці стає неможливим для трубок менше ¾ дюйма). Крім того, промислові теплообмінники часто працюють при дуже високому тиску. У таких випадках невеликі діаметри труб є перевагою, оскільки товщина стінки збільшується зі збільшенням діаметра труби. Довжина труб, що використовується в промисловості, також стандартна – 8, 10, 12, 16 і 20 футів .

Збільшення довжини труб збільшує поверхню теплообміну в кожухотрубному теплообміннику, не впливаючи на динаміку потоку рідини всередині труб. Однак на практиці цей показник має істотний вплив на роботу обмінника. Довші труби означають більший перепад тиску та температури (і результуючі термічні напруги – прямо пропорційні різниці температур і довжині труб), більшу сприйнятливість до вигину та вібрації (що може призвести до необхідності встановлення додаткових перегородок), гірші умови перевірки та очищення , обмежена доступність на ринку, ускладнення транспортування або потреба заміни пошкодженої трубки.

Довжина труб безпосередньо пов’язана з довжиною сорочки, що також призводить до обмежень (розмір і геометрія сорочки часто залежать від розміру і форми доступної поверхні). Крім того, довший теплообмінник вимагає більше матеріалу, що збільшує його ціну.

Відстань між трубами (зазвичай виражається як відношення відстані між центрами двох суміжних труб до зовнішнього діаметра труби) впливає на динаміку потоку рідини всередині оболонки. Це має вирішальне значення для всього процесу, оскільки турбулентний потік важче досягти на стороні оболонки, ніж на стороні труби. Велика відстань між трубками зменшує турбулентність потоку, що уповільнює весь процес.

Однак це полегшує огляд і очищення простору між трубами. Типове значення становить 1,25 – 1,5. ми рекомендуємо відстань принаймні 6 мм через необхідність очищення. Якщо з’єднання труб з трубною пластиною зварені, кожна труба потребує додаткових 6 мм для зварювання .

Товщина стінки

Це безпосередньо залежить від тиску рідини та типу використовуваного матеріалу. Товщина стінки позитивно впливає на механічні властивості труби (підвищуючи її міцність) і негативно впливає на інтенсивність процесу теплообміну через стінку. Товщина стінки вказана за шкалою BWG (Birmingham Wire Gauge – Бірмінгемська шкала, яка зазвичай використовується для визначення товщини дроту). Зазвичай використовуються товщини 12 BWG (2,77 мм), 14 BWG (2,11 мм) і 16 BWG (1,65 мм).

Матеріали

Тип використовуваного матеріалу зазвичай залежить від рідин, їх хімічних властивостей і робочих параметрів  кожухотрубного теплообмінника. Оскільки ці властивості заздалегідь визначені, можливість зміни цього параметра дуже обмежена. Визначаючи тип матеріалу, виробники зазвичай посилаються на відповідні специфікації. Прикладом специфікацій, що визначають відповідні матеріали, є, наприклад, американський ASTM A213/SA 213 (Стандартна специфікація для безшовних труб із феритної та аустенітної легованої сталі, котлів, пароперегрівачів і теплообмінників – Стандартна специфікація для безшовних труб із фериту та аустеніту легована сталь для котлів, пароперегрівачів і теплообмінників) або європейський EN 10216-5:2004 (Безшовні сталеві труби для роботи під тиском – труби з нержавіючої сталі для роботи при підвищеному тиску).

Розташування трубок

Тип компонування зазвичай визначається величиною кутів між напрямком протоку рідини поза трубками і лінією, що з’єднує труби. Типи розташування 90° і 45° характеризуються меншою інтенсивністю тепловіддачі (в порівнянні з типами 30° і 60°). Однак їх легше оглядати і чистити.

Кількість швидкостей (швидкість потоку). Більша кількість збільшує поверхню теплообміну, не впливаючи на динаміку потоку рідини всередині трубок (ефект ідентичний подовженню труб). Однак додавання трубок ускладнює реалізацію турбулентного потоку на стороні кожуха та ускладнює механіку кожухотрубного теплообмінника, ускладнюючи реалізацію. Зазвичай використовують одно- або двошвидкісні (іноді чотиришвидкісні) теплообмінники. Передбачається, що теплообмінники з зігнутими трубками мають не менше двох проходів. Такі труби можуть розширюватися під дією тепла, не викликаючи напруги під час експлуатації. Їх недолік – обмежені можливості очищення.

Кожух

Циліндричний кожух поза трубками утворює камеру, через яку протікає одна з рідин, що беруть участь у теплообміні. З внутрішньої сторони теплообмінника ця камера обмежена ситовими пластинами (відокремлюють внутрішню частину корпусу від головок) і стінками труб (утворюють поверхню теплообміну). Всередині кожуха є перегородки, які збільшують турбулентність рідини та підтримують пучки труб.

Важливим фактором, що впливає на інтенсивність тепловіддачі, є розташування роз’ємів. Зазвичай вони розташовані на протилежних сторонах корпусу, збільшуючи відстань, яку рідина повинна пройти, щоб вийти з теплообмінника. Щоб обмежити втрати тепла, відношення поверхні сорочки до поверхні труби має бути якомога меншим. Іноді (в залежності від діапазону температур) можлива зовнішня теплоізоляція. Однак це ускладнює огляд і може призвести до утворення корозії під ізоляцією, яку важко виявити.

Параметри конструкції кожуха в теплообміннику

Діаметр кожуха

Діаметр напряму залежить від кількості і розташування трубок. Якщо діаметр не перевищує 24 дюймів (610 мм), зазвичай використовуються стандартні промислові діаметри трубок . Якщо діаметр перевищує 24 дюйми, необхідна спеціальна конструкція кожуха, що збільшує вартість і час виготовлення. Залежно від типу використовуваного з’єднання (наприклад, зварне), це також підвищує сприйнятливість до корозії. Максимальний діаметр корпусу зазвичай залежить від конструкції теплообмінника . Для теплообмінників зі знімним пучком труб максимальний діаметр є результатом необхідності видалення пучка труб (наявність відповідного крана, місця тощо) і зазвичай становить 55–59 дюймів (1400–1500 мм). Для теплообмінників із пучками труб, інтегрованих у корпус, обмежувальними факторами зазвичай є можливості виробника та обмеження, пов’язані з потребою в транспортуванні. Для цього типу теплообмінників максимальний діаметр може бути до 2500 мм.

Довжина кожуха

Довжина кожуха тісно пов’язана з довжиною трубок. Додатковим фактором, що обмежує довжину корпусу, може бути наявність місця для теплообмінника. У проектних розрахунках використовується параметр, який називається змінною стрункістю. Це відношення довжини кожуха до її діаметра. Як і діаметр кожуха, максимальна довжина труб залежить від типу конструкції . Для кожухотрубних теплообмінників зі знімними пучками труб максимальна довжина становить до 6 м, а для теплообмінників з інтегрованими пучками труб – до 12 м.

Товщина стінки

Товщина стінки залежить від робочого тиску і діаметра кожуха – чим більше діаметр сорочки, тим більше товщина стінки. Для стандартних діаметрів (до 24 дюймів) використовуються стандартні комерційні товщини труб . Понад цей розмір товщина залежить від конструкції. Крім того, на товщину стінки впливають інші елементи, наприклад, наявність патрубків, встановлених на кожусі (які послаблюють конструкцію), напруги вигину (внаслідок встановлених опор), наявність несприятливих зовнішніх факторів (таких як корозійна атмосфера, сніг). навантаження, сильні дощі) або необхідність встановлення необхідних гаків для транспортування кожухотрубного теплообмінника.

Тип кожуха

тип Е (одношвидкісний). Це найпростіший кожуха. Він підходить, коли умови процесу не вимагають використання більш складних конструкцій (наприклад, з компенсацією термічної напруги) . Додатковою перевагою є можливість використання такого типу кожуха у випадку випаровування або конденсації рідин;

тип F (двошвидкісний з поздовжньою перегородкою). Він забезпечує кращий теплообмін і компенсацію температурних напруг (у випадку зігнутих труб). Його недоліком є ​​втрати тепла в результаті передачі тепла через перегородку і негерметичність самої перегородки[7]. Ця конструкція, в силу більшої складності, коштує дорожче;

тип G (розділений потік) і тип H (подвійний потік). Вони підходять для теплообмінників, встановлених горизонтально. Їх перевагою є менший ризик вібрації та низький перепад тиску. Їх недоліком є ​​теплообмін по перегородці, обмежена можливість встановлення висувного трубного пучка та нерівномірний температурний профіль. Тип H (порівняно з типом G) характеризується кращим розподілом потоку і меншим перепадом тиску. Однак для цього потрібно більше з’єднань;

тип J (дивергентний потік). Він характеризується дуже низьким перепадом тиску та низькою швидкістю рідини при протіканні через з’єднання. Однак він вимагає установки більшої кількості роз’ємів. Його недоліком також є нерівномірний температурний профіль;

тип К (ребойлер). Кожух має велику камеру, що забезпечує хорошу циркуляцію на низьких швидкостях. Це покращує якість пари (зменшує вміст води в парі). Однак це підвищує ризик випадання забруднювачів;

тип Х (перехресний потік). Перевагою цього типу сорочки є низький перепад тиску і відсутність зворотного потоку в разі перепаду температури. Недоліками є поганий розподіл потоку рідини (що може призвести до необхідності встановлення додаткових елементів) і обмежена можливість видалення неконденсованих речовин. Кожух такого типу використовуються в конденсаторах або охолоджувачах.

Компанія «ЗІКО» пропонує Вашій увазі кожухотрубні теплообмінники виробництва компанії Spomasz Bełżyce S.A.