Что такое пластинчатый теплообменник? | Как работает пластинчатый теплообменник?

Законы физики объясняют, что энергия системы продолжает течь до тех пор, пока она не придет в равновесие. Согласно закону термодинамики, тепло перетекает из одной системы в другую за счет тепла или разницы температур между обеими системами. Теплообменник работает в соответствии с принципом равновесия. Теплообменники играют наиболее важную роль в передаче тепла от одной жидкости к другой. Теплообменники бывают разных типов, и пластинчатый теплообменник (PHE) является одним из них. Пластинчатый теплообменник извлекает тепло с поверхности и отделяет холодную жидкость от горячей. В этой статье рассказывается о различных аспектах работы пластинчатого теплообменника.

Что такое пластинчатый теплообменник?

Пластинчатый теплообменник использует ряд металлических пластин для перемещения тепла от одной жидкости к другой. Эти пластины располагаются друг над другом для создания ряда каналов, чтобы жидкость могла перемещаться между ними. В 1920-х годах доктор Ричард Селигман изобрел пластинчатый теплообменник (PHE).

Основное преимущество пластинчатых теплообменников перед обычными теплообменниками заключается в том, что жидкость распределяется по пластине, благодаря чему жидкость подвергается воздействию большей площади поверхности. Это увеличивает скорость теплопередачи и значительно ускоряет скорость изменения температуры.

В настоящее время пластинчатые теплообменники широко применяются, а очень маленькие сварные конструкции используют миллионы комбинированных котлов в секции горячей воды. Высокая эффективность теплопередачи при таких малых размерах увеличивает расход бытовой горячей воды (ГВС) в комбинированном котле.

Маленькие пластинчатые теплообменники оказывают большое влияние на бытовое отопление и горячее водоснабжение. В крупных бизнес-моделях используются прокладки между пластинами, в то время как в небольших моделях, как правило, применяется сварка.

Работа пластинчатого теплообменника

Пластинчатый теплообменник — это тип теплообменника, который содержит ряд металлических пластин для передачи тепла между жидкостями. Пластинчатый теплообменник работает по принципу термодинамики. В этих теплообменниках каждая пластина имеет замкнутую полую трубчатую оболочку.

Пластины расположены таким образом, что для теплообмена через половинки развиваются тонкие прямоугольные каналы. Рабочая жидкость движется между этими извилистыми и узкими каналами.

Пластины этого теплообменника окружены прокладками для управления потоком жидкости. Эти прокладки расположены таким образом, что только один тип жидкости (например, нагреваемое масло) распределяется по одной пластине, а другая жидкость (например, горячая вода) распределяется по следующей пластине. На следующем рисунке изображены две соседние плиты.

При таком расположении холодная и горячая жидкости попеременно проходят через плиту, в результате чего происходит теплообмен. Плиты имеют большую площадь поверхности, поэтому они обеспечивают отличную теплопередачу по сравнению с трубчатыми теплообменниками.

Как видно из приведенной выше схемы, вход охлаждающей жидкости (синий цвет) находится внизу, выход охлаждающей жидкости — вверху, и наоборот — выход горячей жидкости (красный цвет). Охлаждающая жидкость течет вверх, а охлаждаемая жидкость течет вниз, перенося тепло через пластины. После завершения этого процесса нагревательная среда окончательно охлаждается, а охлаждающая — нагревается.

Принцип теплообмена и конструкция пластинчатых теплообменников характеризуются компактностью, низкими тепловыми потерями, широким спектром применения, гибкостью эксплуатации, высокой эффективностью теплообмена, небольшой площадью установки, удобством монтажа и очистки.

Для лучшего понимания посмотрите следующее видео:

Части и функции пластинчатого теплообменника

1. Пластины
2. Несущая балка
3. Неподвижная пластина
4. Опорная колонна
5. Прижимная пластина
6. Направляющая планка
7. Затягивающее устройство
8. Пластины PHE и прокладка

1) Пластины

В одном пластинчатом теплообменнике может быть максимум 700 пластин. Когда пакет пластин сжимается, отверстия в углах пластин создают постоянный туннель или коллектор, который позволяет жидкости протекать через пакет пластин и выходить из устройства.

Пространство между тонкими пластинами теплообменника образует плотный канал, по которому попеременно проходят холодные и горячие жидкости, оказывая очень малое сопротивление теплопередаче.

2) Несущая балка

Верхняя часть устанавливается между несущей колонной и неподвижной плитой, на которой соединены нажимные пластины и пластины теплообменника.

3) Неподвижная плита

Неподвижная пластина является основной частью пластинчатого теплообменника. Название этой пластины говорит о том, что это неподвижная рамная пластина. Как правило, трубы теплообменника соединяются с неподвижными пластинами.

4) Опорная колонна

Это неподвижная часть PHE. К этой части крепятся направляющая и несущая балки.

5) Прижимная пластина

PHE имеет подвижную раму с прижимными пластинами, прикрепленную к несущей балке теплообменника. Эта рама сжимает пластины теплообменника.

6) Направляющая балка

Эта деталь направляет прижимную пластину и пластины теплообменника вниз.

7) Затягивающее устройство

Он используется для сжатия элементов рамы пакета пластин. Он имеет затягивающие шайбы, затягивающие гайки и затягивающие болты.

8) Пластины и прокладка PHE

Пакет пластин устанавливается между нажимной пластиной и неподвижной пластиной рамы. Этот пакет пластин сжимается при затягивании болтов, закрепленных между двумя пластинами. Прокладки закрывают пластины для регулирования потока.

Читать далее: Работа прокладки

Типы пластинчатых теплообменников

1. Пластинчатые теплообменники с прокладками
2. Паяный теплообменник
3. Сварные пластинчатые теплообменники
4. Полусварной теплообменник
5. Пластинчатый и рамный теплообменник

1) Пластинчатый теплообменник с прокладками

В этом теплообменнике используются высококачественные прокладки и конструкция. Эта прокладка герметизирует пластины и предотвращает утечку. Вы можете легко снять пластины этого теплообменника для замены, расширения или очистки пластин, что значительно снижает затраты на обслуживание.

2) Паяный пластинчатый теплообменник

Паяный пластинчатый теплообменник используется во многих холодильных и промышленных установках. Поскольку пластина из нержавеющей стали паяется с медью, так как она обладает отличной коррозионной стойкостью.

Эти типы пластинчатых теплообменников являются экономически выгодным вариантом благодаря своей компактной конструкции и отличной эффективности.

• Это наиболее часто используемый теплообменник
• Он имеет низкие тепловые потери
• Эти теплообменники имеют компактную конструкцию
• Они имеют низкую стоимость

3) Сварные пластинчатые теплообменники

Работа этих теплообменников такая же, как и теплообменников с прокладками, но пластины этих теплообменников сварены друг с другом.

Они обладают отличной прочностью и лучше всего подходят для транспортировки горячих жидкостей и агрессивных веществ. Эти теплообменники имеют сварные пластины, поэтому их нельзя очистить механически, как пластинчато-рамный теплообменник.

4) Полусварной пластинчатый теплообменник

Этот теплообменник представляет собой комбинацию пластин с прокладками и сварных пластин. Он имеет пару двух пластин, сваренных друг с другом, а затем прокладку с другой парой пластин, так что одна жидкость может протекать через сварную, а другая — через прокладочную часть.

Такое расположение пластинчатого теплообменника облегчает его ремонт. Поэтому такой теплообменник может передавать более мощную жидкость на другой.

В таких теплообменниках очень мал риск потери жидкости, и они хорошо подходят для транспортировки дорогостоящих материалов.

5) Пластинчато-рамочный теплообменник

Теплообменник, в котором пластины создают каркас, известен как пластинчато-рамочный теплообменник. Этот теплообменник состоит из гофрированных пластин в раме. Такая конструкция создает высокое напряжение сдвига стенок и турбулентность, что приводит к высокому сопротивлению пятен и высокой скорости теплопередачи.

Этот теплообменник имеет уплотнительные прокладки. Помимо уплотнительного эффекта, прокладка также направляет поток жидкости и устанавливается вдоль канавки на краю пластины.

Пластинчато-рамный теплообменник используется для обмена теплом между жидкостью и жидкостью при среднем и низком давлении. Пластинчато-рамный теплообменник можно безопасно использовать без прокладки при высокой температуре и давлении. Этот тип теплообменника обладает высокой гибкостью, так как пластины могут быть сжаты или добавлены в различных ситуациях.

• Пластинчато-рамный теплообменник легко и быстро монтируется и демонтируется.
• Он способен работать в различных рабочих условиях путем удаления или добавления тепловых пластин для изменения скорости потока.
• Прокладки этого теплообменника имеют высокую стоимость.
• Этот теплообменник ограничивает максимальную температуру и давление из-за работы прокладки.
• Он имеет высокую стоимость из-за своей формы и сложной конструкции.
• Мы не можем использовать материалы, которые не подходят для сварки, например, титан.

Конструкция пластинчато-рамного теплообменника

Пластинчатые теплообменники (PHE) специально разработаны для передачи тепла между жидкостью низкого давления и жидкостью среднего давления. Паяные, полусварные и сварные теплообменники используются для теплообмена между жидкостями высокого давления.

Вместо трубки, проходящей мимо камеры, такой теплообменник имеет две чередующиеся камеры, которые обычно очень тонкие, большая поверхность отделена друг от друга гофрированной металлической пластиной.

Пластины изготавливаются из нержавеющей стали, поскольку сталь обладает высокой коррозионной стойкостью, прочностью и термостойкостью.

В пластинчатых теплообменниках несколько пластин устанавливаются друг на друга, образуя ряд каналов, по которым может протекать жидкость. Для разделения этих пластин используется резиновая прокладка. Эта прокладка крепится к деталям по краю пластины.

Зазор между двумя соседними пластинами образует канал для потока жидкости.

Выпускные и впускные отверстия в углах пластин позволяют холодной и горячей среде проходить по чередующимся каналам теплообменника, так что пластина всегда может контактировать с холодной средой на одном конце и горячей средой на другом.

В пластинчатом теплообменнике используется несколько пластин для достижения площади обмена до тысяч квадратных метров.

Теплопередача пластинчатого теплообменника

Коэффициент теплопередачи жидкости, протекающей через пластинчатый теплообменник, можно рассчитать по приведенной ниже формуле:

В приведенном выше уравнении:

∆T_m = эффективная средняя разность температур

A = общая площадь пластины

U = общий коэффициент теплопередачи

Вы можете рассчитать общую площадь пластины по приведенной ниже формуле:

В приведенном выше уравнении:

N_p = количество пластин

A_p = площадь каждой пластины

Коэффициент общей теплопередачи можно найти по приведенному ниже уравнению:

h_{горячий} = коэффициент конвективной теплопередачи горячей жидкости

h_{холодный} = коэффициент конвективной теплоотдачи холодной жидкости

t_p = толщина пластины

k_p = проводимость пластины

R_{f, горячий} = коэффициент обрастания горячей жидкости

R_{f, cold =} коэффициент обрастания холодной жидкости

1. среднеквадратичная разность температур (LMTD)
2. тепловая эффективность

Приведенная ниже формула позволяет рассчитать теплопередачу, применяя первый подход:

ΔT_lm = логарифмическая средняя разность температур

F = поправочный коэффициент

ΔT_lm можно рассчитать по приведенной ниже формуле:

Приведенная выше формула представляет собой разность температур для теплообменников с параллельным потоком. Эта температура далее оценивается в следующем уравнении:

Второй метод определения скорости теплопередачи пластинчато-рамного теплообменника — это отношение фактической теплопередачи к наибольшей теоретической теплопередаче:

Преимущества и недостатки пластинчатых теплообменников

Преимущества пластинчатого теплообменника

1. Пластинчатый теплообменник имеет простую конструкцию.
2. Эти типы теплообменников имеют большую скорость теплопередачи, чем кожухотрубные теплообменники.
3. Нет необходимости в дополнительном пространстве для демонтажа теплообменника.
4. Они просты в обслуживании и очистке.
5. Пластинчатые теплообменники имеют небольшие размеры по сравнению с кожухотрубными теплообменниками.
6. У них небольшой коэффициент загрязнения.
7. Их легко ремонтировать и промывать.
8. Эти теплообменники имеют низкую стоимость установки.

Недостатки пластинчатых теплообменников

1. Эти теплообменники имеют плохое уплотнение и легко протекают.
2. Пластинчатые теплообменники имеют большее сопротивление потоку, чем трубчатые теплообменники.
3. Они имеют высокий перепад давления.
4. У них высокий показатель засорения, особенно взвешенными веществами в жидкости.
5. Теплостойкость уплотнительного материала ограничивает рабочую температуру.
6. Он имеет ограниченное рабочее давление, которое обычно составляет менее 1,5 МПа.
7. Недостаточное уплотнение может привести к утечкам и затруднить замену.

Применение пластинчатого теплообменника

Пластинчатые теплообменники используются в следующих областях:

• Изоляция теплового насоса
• Охладители сусла
• Гликолевые охладители
• Изоляция градирен
• Охладители смазочного масла
• Нагрев и охлаждение порций
• Свободное охлаждение
• Теплообменники с рекуперацией тепла
• Технологический нагрев и охлаждение
• Водонагреватели
• Рекуперация отработанного тепла

Раздел часто задаваемых вопросов

Эффективны ли пластинчатые теплообменники?

Пластинчатые теплообменники являются одними из самых эффективных теплообменников. КПД пластинчатого теплообменника составляет около 90 %.

Для чего используются пластинчатые теплообменники?

Пластинчатый теплообменник — это хорошо подходящий теплообменник для обмена теплом между жидкостями низкого и среднего давления. Они используются в котлах, компрессорах, системах естественного охлаждения и суслоохладителях.

Какой теплообменник лучше?

Пластинчатые теплообменники наиболее эффективны благодаря турбулентности с обеих сторон. Высокая турбулентность и высокая скорость теплопередачи важны для равномерного распределения потока. Пластинчатые теплообменники ограничены жидкостями с низкой вязкостью.

Кто изобрел пластинчатый теплообменник?

В 1923 году доктор Ричард Селигман изобрел пластинчатый теплообменник.

Как долго служит пластинчатый теплообменник?

Пластинчатый теплообменник может непрерывно работать до 10 лет.