Пластинчатые теплообменники являются одним из основных элементов, используемых в процессах теплообмена между разными средами. Благодаря специализированному применению они часто имеют промышленные названия, такие как охладитель, конденсатор, испаритель, пастеризатор или стерилизатор. Однако независимо от применения их правильная работа зависит от правильной эксплуатации и периодического обслуживания.

Теплообменники пластинчатые: разборные и паяные

Пластинчатые теплообменники – это устройства, основной функцией которых является бесконтактный обмен тепловой энергией между двумя (или более) независимыми средами. Течущие вещества отличаются преимущественно температурой и давлением и могут находиться в жидком или газообразном состоянии. Обменники этого типа состоят из пакета стальных пластин, образующих проточные каналы, по которым движутся среды, обмениваясь между собой теплом. Поверхность пластины является поверхностью теплообмена и является единственным барьером, разделяющим потоковую среду.

По своей конструкции пластинчатые теплообменники делятся на разборные и неразборные:

Разборные теплообменники

Это устройства, соединенные между собой нажимными винтами и снабженные прокладками;

Неразборные теплообменники

Это беспрокладочные паяные обменники (реже сварные), в которых пластины чаще всего неразъемно соединены в пакет с помощью вакуумной пайки.

Как уже было сказано, сердцем каждого пластинчатого теплообменника является пакет тонких пластин, чаще всего изготовленных из кислотостойкой стали (используемые материалы: AISI 304, AISI 316L, AISI 904L, 254 SMO или титан). соответствующим образом профилированы и имеют угловые отверстия.

Разборные теплообменники также оснащены прокладками, обеспечивающими герметичность данного канала и вместе с тем надлежащим образом направляют поток данной среды. В паяных теплообменниках эту роль играет припой, соединяющий пластины. Таким образом, в теплообменнике создаются отдельные пути, благодаря которым текучие среды, между которыми происходит теплообмен, не смешиваются между собой.

Количество пластин в теплообменнике определяется разной природой применения, т.е.

• параметры процесса;
• температурная программа;
• скорость потока;
• физические свойства жидкостей;
• перепады давления.

На схеме показано основное направление потока двух сред в теплообменнике:

Гофрированный профиль пластины способствует увеличению турбулентности потока, что в свою очередь приводит к лучшей передаче тепловой энергии и защищает пластины от разности давления в смежных каналах. Тепло легко переходит через тонкую стенку пластины из одной среды в другую. Однако проводимость тепловой энергии между средами с разной температурой может быть значительно ограничена всевозможными загрязнениями, оседающими на поверхностях пластин потоком среды (например, водяная накипь), поэтому очень важно регулярно чистить теплообменник.

Основные преимущества разборной конструкции теплообменника над паяным теплообменником включают легкость очистки и осмотра – разборный теплообменник можно просто разобрать и заглянуть внутрь. По этой причине эти теплообменники часто используются в холодильных системах, где охлаждающая вода выделяет накипь или в молочной промышленности и пивоварнях, где в теплообменнике накапливаются биологические загрязнители. Еще одним преимуществом является возможность адаптации теплообменника к изменению параметров технологического процесса путем изменения его размера – следующие пластины можно добавлять или снимать с теплообменника. В свою очередь паяные теплообменники занимают меньше места и не имеют прокладок, что приводит к меньшим эксплуатационным затратам.

Где используют пластинчатые теплообменники?

пищевая промышленность, где они используются при переработке жидких пищевых продуктов, таких как соки, джемы, пиво или масла, и работают в качестве нагревателей, охладителей, пастеризаторов и стерилизаторов при переработке молока (йогуртов, кефиров или сыров);

сахарная промышленность, где они помогают восстанавливать тепло в процессах производства сахара;

фармацевтическая промышленность, где они широко используются, благодаря возможности легкой очистки;

химическая промышленность, в связи с требованиями герметичности в процессе изливаемого в безопасность производства теплообмена;

нефтехимической промышленности, в которой они поддерживают, среди прочего, процессы переработки сырой нефти;

АЭС, где они работают в системе вторичной циркуляции охлаждения;

морская промышленность, где работают в системах охлаждения судовых двигательных установок;

отопительные установки и теплоэлектростанции, где важным параметром при их выборе должен быть соответствующий прокладочный материал через работу при высоких температурах.

Помимо промышленного применения пластинчатые теплообменники также используются в системах строительства, охлаждения, отопления, кондиционирования воздуха и центрального отопления жилых домов. Благодаря специализированному применению теплообменники часто имеют отраслевые названия, такие как охладитель, конденсатор, испаритель, пастеризатор или стерилизатор.

Уплотнители в разборных теплообменниках

Уплотнители для пластинчатых теплообменников изготавливаются из множества различных материалов – в зависимости от свойств текучей среды и особенностей технологического процесса. Важнейшими параметрами являются тип среды, ее химический состав, температура и давление. Самые распространенные уплотнительные материалы: EPDM, NBR, Viton, Butyl, Hypalon.

Типы уплотнений, используемых в обменниках

В пластинчатых теплообменниках прокладки размещены в специально профилированных гнездах пластин. Монтаж производится механическим путем или с помощью соответствующего клея.

Можно выделить несколько видов соединений прокладка-пластина:

• Уплотнения крепятся при помощи клея GLUE TYPE. На уплотнительное гнездо наносится маленькое количество соответствующего клея, и уплотнение устанавливается. Этот тип установки требует много работы при замене уплотнения. Из досок нужно удалить старые прокладки, удалить остатки клея из гнезд (обычно для этого требуется подходящий растворитель), а перед нанесением новой прокладки нужно повторно нанести слой клея.
• Уплотнения крепятся с помощью дополнительного зажима CLIP TYPE/CLIP-ON. В этом случае клей не используется. Уплотнители оснащены дополнительными зажимами, которые не выполняют уплотнительную роль, но облегчают установку уплотнителя в пластину. Форма клипсы соответствует боковому профилю пластины, что позволяет накладывать клипсу сбоку на пластину и тем самым стабилизировать прокладку в розетке. Такой способ крепления позволяет эффективно заменять прокладки в теплообменнике.
• Уплотнения крепятся с помощью дополнительной защелки типа шпильки. Как и в предыдущем случае, здесь нет необходимости использовать клей. После размещения в гнезде уплотнитель стабилизируется с помощью защелки, вдавленной в специальное отверстие пластины. Такой способ крепления позволяет качественно заменить уплотнение в теплообменнике.
• Уплотнения крепятся путем вдавливания в гнездо SNAPIN/LOC-IN. Уплотнения LOC-IN также не требуют использования клея. Гнездо в пластине имеет профиль подходящей формы, который соответствует форме уплотнительного профиля. Благодаря выступам в гнезде уплотнитель держится на месте. Такой способ крепления позволяет производить его эффективную замену.
• Уплотнения SPLIT-IN являются бесклеевыми, которые устанавливаются с помощью дополнительных элементов, взаимодействующих с профилем пластины.

Испытание внутренней герметичности

Как уже отмечалось, повреждение пластин может привести к смешиванию текучих сред, что создает риск продукта и производственного процесса. В случае внешней утечки среда чаще всего вытекает из теплообменника под высоким давлением, поэтому ее легко заметить и быстро принять соответствующие меры. Дело становится сложнее в случае внутренней утечки, поскольку, как следует из названия, он происходит внутри теплообменника и невидим извне. Чтобы иметь постоянный контроль внутреннего состояния теплообменника, используются внутренние испытания на герметичность. Основным испытанием для проверки герметичности пластинчатого теплообменника является испытание давлением воды. Это простой метод, но очень «грубый» с точки зрения точности измерения. Ретельная проверка теплообменника возможна с помощью теста на утечку газа, а точнее, диагностического теста на герметичность водородным методом (тест на водород).

Водородный метод представляет собой новейшую технологию в области контроля герметичности теплообменников (и не только). Он менее инвазивный и не требует разборки устройства. Маркирующим (испытательным) газом является водород, а азот создает защитную атмосферу. Используемая смесь химически нейтральна и стерильна – она также разрешена для контакта с пищевыми продуктами. Водородный тест обнаруживает повреждение пластины на несколько микрометров. Благодаря свойствам атома водорода можно также на ранней стадии выявить повреждения, которые еще не образовались по всей толщине материала пластины. Благодаря этому этот метод успешно используется при профилактических испытаниях обменников. Выявление повреждений на ранней стадии позволяет обеспечить необходимые запасные части и спланировать остановку технологического процесса.

Компания ЗИКО предлагает Вашему вниманию пластинчатые теплообменники производства компании Spomasz Bełżyce S.A.

Кожухотрубный теплообменник – тип теплообменника, состоящий из цилиндрической оболочки и трубок (тонкостенных труб), проходящих внутри нее. Поверхность теплообмена – это поверхность этих трубок, через которую тепло передается между жидкостями внутри тонкостенных трубок и вне трубок (внутри рубашки). Благодаря своей универсальности этот тип теплообменника наиболее распространен в промышленности.

Трубки (тонкостенные трубки) размещаются пучками внутри корпуса кожухотрубного теплообменника. Их концы крепятся к пластине-ситу, отделяющей внутреннюю часть кожуха от внутренней части головы. Жидкость, поступающая в теплообменник, протекает через входной патрубок к головке, где жидкость делится на стекающие потоки в отдельные трубы.

После прохождения трубки жидкость смешивается в выходной голове и выходит из теплообменника через выпускной порт. В кожухотрубных теплообменниках стенки труб образуют поверхность теплообмена, и в основном параметры труб определяют эффективность процесса. Правильно подбирая их проектировщик может влиять на динамику процесса теплопередачи.

Параметры конструкции

Количество и диаметр труб являются параметрами, тесно связанными друг с другом по критерию скорости потока жидкости в трубах. Скорость потока для газов должна составлять 8-30 м/с, а для жидкостей 2,5-3 м/с. Слишком низкая скорость потока неблагоприятна для процесса теплообмена и может привести к быстрому осаждению загрязнений на поверхности трубы.

Оптимальная скорость потока имеет решающее значение для развития турбулентного потока и получения максимально высоких коэффициентов теплоотдачи. Слишком высокая скорость приводит к чрезмерному падению давления и может привести к эрозии. Кроме того, оба параметра связаны с длиной труб и общей теплообменной поверхностью. Выбирая эти три параметра, можно получить поверхности теплопередачи в разных системах. По практическим соображениям эти показатели можно изменять в определенных пределах. По экономическим и логистическим причинам обычно используются стандартные наружные диаметры труб  (¼, ⅜, ½, ⅝, ¾, 1 и 1½ дюйма).

Стандартные трубы отличаются более низкой ценой и более высокой доступностью. В нефтеперерабатывающей и химической промышленности обычно используются трубы диаметром ¾ или один дюйм. Это связано с необходимостью регулярной очистки (что на практике становится невозможным для трубок менее ¾ дюйма). Кроме того, промышленные теплообменники часто работают при очень высоком давлении. В таких случаях небольшие диаметры труб предпочтительны, поскольку толщина стенки увеличивается с увеличением диаметра трубы. Длина труб, используемая в промышленности, также стандартна – 8, 10, 12, 16 и 20 футов.

Увеличение длины труб увеличивает поверхность теплообмена в кожухотрубном теплообменнике, не влияя на динамику потока жидкости внутри труб. Однако на практике этот показатель оказывает существенное влияние на работу обменника. Более длинные трубы означают больший перепад давления и температуры (и результирующие термические напряжения — прямо пропорциональные разности температур и длине труб), большую восприимчивость к изгибу и вибрации (что может привести к необходимости установки дополнительных перегородок), худшие условия проверки и очистки, ограниченная доступность на рынке , усложнение транспортировки или необходимость замены поврежденной трубки.

Длина труб напрямую связана с длиной рубашки, что также приводит к ограничениям (размер и геометрия рубашки часто зависят от размера и формы доступной поверхности). Кроме того, более длинный теплообменник требует больше материала, что увеличивает его цену.

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.

Однако это облегчает обзор и очистку пространства между трубами. Типовое значение составляет 1,25 – 1,5. мы рекомендуем расстояние не менее 6 мм из-за необходимости очистки. Если соединение труб с трубной пластиной сварено, каждая труба требует дополнительных 6 мм для сварки.

Толщина стенки

Это напрямую зависит от давления жидкости и типа используемого материала. Толщина стены оказывает положительное влияние на механические свойства трубы (повышая ее прочность) и отрицательно влияет на интенсивность процесса теплообмена через стенку. Толщина стенки указана по шкале BWG (Birmingham Wire Gauge – Бирмингемская шкала, которая обычно используется для определения толщины проволоки). Обычно используются толщины 12 BWG (2,77 мм), 14 BWG (2,11 мм) и 16 BWG (1,65 мм).

Материалы

Тип используемого материала обычно зависит от жидкостей, их химических свойств и рабочих параметров кожухотрубного теплообменника. Поскольку эти свойства заранее определены, возможность изменения этого параметра очень ограничена. Определяя тип материала, изготовители обычно ссылаются на соответствующие спецификации. Примером спецификаций, определяющих соответствующие материалы, является, например, американский ASTM A213/SA 213 (Стандартная спецификация для бесшовных труб из ферритной и аустенитной легированной стали, котлов, пароперегревателей и теплообменников – Стандартная спецификация для бесшовных труб из ферритов и аусте , пароперегреватели и теплообменники) или европейский EN 10216-5:2004 (Бесшовные стальные трубы для работы под давлением – трубы из нержавеющей стали для работы при повышенном давлении).

Расположение трубок

Тип компоновки обычно определяется величиной углов между направлением протока жидкости вне трубок и линией, соединяющей трубы. Типы расположения 90° и 45° характеризуются меньшей интенсивностью теплоотдачи (по сравнению с типами 30° и 60°). Однако их легче осматривать и чистить.

Количество скоростей (скорость потока). Большее количество увеличивает поверхность теплообмена, не влияя на динамику потока жидкости внутри трубок (эффект идентичен удлинению труб). Однако добавление трубок усложняет реализацию турбулентного потока на стороне кожуха и усложняет механику кожухотрубного теплообменника, усложняя реализацию. Обычно используют одно- или двухскоростные (иногда четырехскоростные) теплообменники. Предполагается, что теплообменники с изогнутыми трубками имеют не менее двух проходов. Такие трубы могут расширяться под действием тепла, не вызывая напряжения во время эксплуатации. Их недостаток – ограниченные возможности очищения.

Кожух

Цилиндрический кожух вне трубок образует камеру, через которую протекает одна из участвующих в теплообмене жидкостей. С внутренней стороны теплообменника эта камера ограничена ситовыми пластинами (отделяют внутреннюю часть корпуса от головок) и стенками труб (образуют поверхность теплообмена). Внутри кожуха есть перегородки, увеличивающие турбулентность жидкости и поддерживающие пучки труб.

Важным фактором, влияющим на интенсивность теплоотдачи, является расположение разъемов. Обычно они расположены на противоположных сторонах корпуса, увеличивая расстояние, которое жидкость должна пройти, чтобы выйти из теплообменника. Чтобы ограничить потери тепла, отношение поверхности рубашки к поверхности трубы должно быть как можно меньше. Иногда (в зависимости от диапазона температур) возможна внешняя теплоизоляция. Однако это затрудняет осмотр и может привести к коррозии под изоляцией, которую трудно обнаружить.

Параметры конструкции кожуха в теплообменнике

Диаметр кожуха

Диаметр напрямую зависит от количества и расположения трубок. Если диаметр не превышает 24 дюйма (610 мм), обычно используются стандартные промышленные диаметры трубок . Если диаметр превышает 24 дюйма, необходима специальная конструкция кожуха, что увеличивает стоимость и время изготовления. В зависимости от типа используемого соединения (например, сварное) это также повышает восприимчивость к коррозии. Максимальный диаметр корпуса обычно зависит от конструкции теплообменника. Для теплообменников со съемным пучком труб максимальный диаметр является результатом необходимости удаления пучка труб (наличие соответствующего крана, места и т.п.) и обычно составляет 55-59 дюймов (1400-1500 мм). Для теплообменников с пучками труб, интегрированных в корпус, ограничительными факторами обычно есть возможности производителя и ограничения, связанные с потребностью в транспортировке. Для этого типа теплообменников максимальный диаметр может быть до 2500 мм.

Длина кожуха

Длина кожуха тесно связана с длиной трубок. Дополнительным фактором, ограничивающим длину корпуса, может быть наличие места для теплообменника. В проектных расчетах используется параметр, называемый переменной стройностью. Это отношение длины кожуха к ее диаметру. Как и диаметр кожуха, максимальная длина труб зависит от типа конструкции. Для кожухотрубных теплообменников со съемными пучками труб максимальная длина составляет до 6 м, а для теплообменников с встроенными пучками труб – до 12 м.

Толщина стенки

Толщина стенки зависит от рабочего давления и диаметра кожуха – чем больше диаметр рубашки, тем больше толщина стенки. Для стандартных диаметров (до 24 дюймов) используются стандартные коммерческие толщины труб. Сверх этого размера толщина зависит от конструкции. Кроме того, на толщину стенки влияют другие элементы, например наличие патрубков, установленных на кожухе (ослабляющих конструкцию), напряжения изгиба (в результате установленных опор), наличие неблагоприятных внешних факторов (таких как коррозионная атмосфера, снег). нагрузки, сильные дожди) или необходимость установки необходимых крюков для транспортировки кожухотрубного теплообменника.

Тип кожуха

тип Е (односкоростной). Это самый простой кожух. Он подходит, когда условия процесса не требуют использования более сложных конструкций (например, компенсации термического напряжения). Дополнительным преимуществом является возможность использования такого типа кожуха при испарении или конденсации жидкостей;

тип F (двухскоростной с продольной перегородкой). Он обеспечивает лучший теплообмен и компенсацию температурных напряжений (в случае изогнутых труб). Его недостатком являются потери тепла в результате передачи тепла через перегородку и негерметичность самой перегородки. Эта конструкция, в силу большей сложности, стоит дороже;

тип G (разделенный поток) и тип H (двойной поток). Они подходят для теплообменников, установленных горизонтально. Их преимуществом является меньший риск вибрации и низкий перепад давления. Их недостатком является теплообмен по перегородке, ограничена возможность установки выдвижного трубного пучка и неравномерный температурный профиль. Тип H (по сравнению с типом G) характеризуется предпочтительным распределением потока и меньшим перепадом давления. Однако для этого требуется больше соединений;

тип J (дивергентный поток). Он характеризуется очень низким перепадом давления и низкой скоростью жидкости при протекании через соединение. Однако он требует установки большего количества разъемов. Его недостатком также неравномерный температурный профиль;

тип К (ребойлер). Кожух обладает большой камерой, что обеспечивает хорошую циркуляцию на низких скоростях. Это улучшает качество пара (снижает содержание воды в паре). Однако это повышает риск выпадения загрязнителей;

тип Х (перекрестный поток). Преимуществом этого типа сорочки является низкий перепад давления и отсутствие обратного потока при перепаде температуры. Недостатками являются плохое распределение потока жидкости (что может привести к необходимости установки дополнительных элементов) и ограничена возможность удаления неконденсированных веществ. Кожух такого типа используется в конденсаторах или охладителях.

Компания «ЗИКО» предлагает Вашему вниманию кожухотрубные теплообменники производства компании Spomasz Bełżyce S.A.