Тема 2. Пластинчатые теплообменные аппараты (пта). Характерные неисправности пта. Контроль и регулирование режимов работы теплообменников.

1.1. Пластинчатые теплообменные аппараты

Пластинчатые теплообменники представляют собой аппараты, поверхность теплообмена которых образована из тонких штампованных пластин с гофрированной поверхностью (рис. 1.2) [35].

а) б)

Рис. 1.2. Пластинчатый теплообменник

а) - общий вид, б) - в разобранном виде; 1 - основная плита, 2 - пакет пластин, 3 - прижимная плита, 4 - верхняя направляющая, 5 - нижняя направляющая,

6 - опора, 7 - стяжные шпильки и гайки.

Рабочие среды в теплообменнике движутся в щелевых каналах между соседними пластинами. Каналы для греющего и нагреваемого теплоносителей чередуются между собой. Простейший теплообменник состоит из трех пластин, которые образуют два канала: один для греющего теплоносителя, второй - для нагреваемого. Гофрированная поверхность пластин усиливает турбулизацию потоков рабочих сред и повышает коэффициент теплоотдачи. Размеры, формы и профили поверхности пластин разнообразны.

Теплообменники выпускаются трех модификаций – разборные (пластины разделены резиновыми прокладками); полуразборные (пластины сварены попарно и сдвоенные пластины разделены резиновыми прокладками); неразборные (соединения всех пластин сварные, прокладки отсутствуют). Подробное описание конструкций различных типов пластинчатых теплообменников приведено в [1, 2, 5, 33, 74]. В разборных теплообменниках пластины имеют прокладки для уплотнения межпластинных каналов при сборке теплообменника. В рабочем положении пластины плотно прижаты друг к другу, и пространство канала, образующегося между пластинами, уплотнено резиновыми прокладками. Каждая пластина на лицевой стороне имеет резиновую контурную прокладку, ограничивающую канал для потока рабочей среды и охватывающую два угловых отверстия (по одной стороне пластины или по диагонали), через которые проходит поток рабочей среды в межпластинный канал и выходит из него. Через два других отверстия, изолированные дополнительно малыми кольцевыми прокладками, встречный теплоноситель проходит транзитом. Уплотнительные прокладки разборного ПТА крепят на пластине таким образом, чтобы после сборки и сжатия пластин в аппарате образовались две системы герметичных межпластинных каналов, изолированных друг от друга металлической стенкой и прокладками: одна - для греющей среды, другая - для нагреваемой. Обе системы межпластинных каналов соединены со своими коллекторами и далее со штуцерами для входа и выхода рабочих сред, расположенными на опорных плитах.

Нагреваемая среда входит в аппарат через штуцер, расположенный на неподвижной опорной плите и через верхнее угловое отверстие попадает в продольный коллектор, образованный кромками пластин с угловыми отверстиями после их сборки. Нагреваемая среда по коллектору доходит до пластины, распределяется по межпластинным каналам, которые сообщаются (через один) с угловым коллектором, благодаря соответствующему расположению больших и малых резиновых прокладок. Пластина не имеет верхних угловых отверстий.

При движении по межпластинному каналу нагреваемая среда обтекает волнистую поверхность пластин, обогреваемых с обратной стороны греющей средой. Нагреваемая среда затем попадает в продольный коллектор и выходит из аппарата через штуцер. Греющая среда движется в аппарате навстречу нагреваемой среде и поступает в штуцер, проходит через нижний коллектор, распределяется по каналам и движется по ним. Через верхний коллектор и штуцер греющая среда выходит из теплообменника. Основным узлом теплообменника является теплопередающая пластина. Пластины собирают в пакет таким образом, что каждая последующая пластина повернута на 180° относительно смежных, что создает равномерную сетку пересечения и взаимных точек опор вершин гофр. Между каждой парой пластин образуется щелевой канал сложной формы, по которому и протекает рабочая среда. Такие каналы получили наименование сетчато-поточных. Жидкость при движении в них совершает пространственное трехмерное извилистое движение, при котором происходит турбулизация потока. Особенностью каналов является то, что суммарная площадь поперечного сечения межпластинного канала, перпендикулярного основному направлению движения потока жидкости, остается постоянной по всей длине пластины, за исключением участков входа и выхода.

Расположение коллекторных отверстий для входа и выхода рабочей среды на углах пластины - одностороннее (левое или правое). Пластины штампуются из листового металла. По контуру пластины расположен паз для резиновой уплотняющей прокладки. Угловые отверстия для прохода рабочей среды имеют форму, обеспечивающую снижение гидравлических сопротивлений на входе в канал и выходе из него, снижение отложений на этих участках и позволяющую более рационально использовать всю площадь пластины для теплообмена. При сборке пластин в пакет необходимо, чтобы на смежных пластинах наклон гофр был обязательно направлен, в противоположные стороны и соблюдалось пересечение вершин, т. е. правая пластина подвешивается на верхней штанге рамы аппарата так, чтобы вершины "елки'' были направлены вверх, а левая - вершиной "елки" вниз. При нарушении этого правила сборки возможны течи и перетоки рабочих сред. Рама аппарата, на которой устанавливаются пластины, образуется опорной плитой, верхней и нижней штангами, закрепленными в опорной плите и поддерживаемыми передней стойкой.

В некоторых конструкциях теплообменников передняя стойка отсутствует. Нижняя штанга рамы не несет нагрузку и предназначена для фиксации пластин в заданном положении, служит направляющей для пластин и нажимной плиты. Теплообменные пластинчатые аппараты не требуют устройства специальных фундаментов и устанавливаются непосредственно на полу с гидроизоляцией или на перекрытии, рассчитанном на соответствующую нагрузку от оборудования. Разборка и очистка теплопередающих пластин от загрязнений осуществляются в пределах рамы аппарата и требуют во много раз меньших трудозатрат, чем очистка равной площади поверхности теплообмена трубчатых теплообменников. Срок службы основных деталей из материалов, применяемых на нейтральных средах: пластин - не менее 10 лет, прокладок - не менее 2 лет.

В тех случаях, когда одна из рабочих сред, участвующих в теплообмене, не оставляет на поверхности загрязнений (обработанная вода тепловых сетей или конденсирующийся пар, и др.) и при этом не требуется разборки аппарата для механической очистки - используются полуразборные пластинчатые теплообменники. В них резина и другие эластичные материалы используются для изготовления прокладок в узлах уплотнения, имеют ограниченную тепловую и коррозионную стойкость, и в связи с этим прокладки являются наименее износоустойчивыми элементами конструкции теплообменника. Поэтому разборные соединения пластин рационально применять лишь тогда, когда оба теплоносителя имеют существенные загрязнения. Теплообменники работают при расчетном давлении 1- 4 МПа.

При заданном расходе рабочих сред, проходящих через теплообменник, в зависимости от схемы компоновки пластин и числа каналов в пакете можно изменять скорости движения сред в межпластинных каналах. Следовательно, имеется возможность регулировать гидравлическое сопротивление и коэффициент теплопередачи в аппарате. Указанное обстоятельство является важным качеством пластинчатых теплообменников, позволяющим интенсифицировать в них процесс теплообмена без увеличения гидравлического сопротивления. Техническая характеристика пластинчатых теплообменников, получивших применение в системах теплоснабжения, приведена в табл. 1.2 [5].

Таблица 1.2

Техническая характеристика пластинчатых теплообменников

Типоразмер пластины	Наименование конструкции	Расчетные параметры		Условная площадь поверхности теплообмена, м2	Техническая документация
		Давление, МПа	Температура, оС
Разборные пластинчатые теплообменники
0,3Р	На консольной раме	1,0	От -20 до 150	3; 5; 8; 10; 12,5; 16; 20; 25	ТУ 26-01-665-87
0,6Р (угол пересечения вершин гофр 60о)	На консольной раме	1,0	От -20 до 180	10; 16; 25	ТУ 26-01-665-87
	На двухопорной раме			31,5; 40; 50; 63; 80; 100; 140; 160
	На трехопорной раме			200; 250; 300
Полуразборные пластинчатые теплообменники
0,5Р	На двухопорной раме	1,0	От -20 до 200	31,5; 50; 63; 80; 100; 140	ТУ 26-01-881-83
	На трехопорной раме	1,6	До 200	160; 220; 280; 300; 320
Неразборные пластинчатые теплообменники
1,0	безрамная	4,0	От -40 до 150	100; 320; 400

Материалы, применяемые для изготовления пластин и прокладок приведены в табл. 1.3 и 1.4.

Таблица 1.3

Материалы, применяемые для изготовления пластин

Коррозионно-стойкая сталь	Титановый сплав	Углеродистая сталь
12Х18Н10Т; 10Х17Н13М2Т; 10Х17Н13М3Т; 10Х13Г18Д или 12Х13Г18Д (ДИ-61)	06ХН28МДТ; ВТ1-0; ВТ1- 00 (сплав)	08КП

Таблица 1.4

Материалы прокладок для пластин пластинчатых теплообменников

Материал прокладок	Основа материала прокладки	Предельно допустимая температура рабочих сред, оС
Резина 359 (ТУ 38-10-1023-89)	Бутадиенметилстирольный каучук СКМС-30 и АРКМ-15	До 80
Резина 4326-1 (ТУ 38-10-1023-89)	Бутадиеннитриньный каучук СКН-18	До 100
Резина 51-3042 (ТУ 38-10-1023-89)	Этиленпропилендиеновый каучук СКЭПТ	До 150
Резина 51-1481 (ТУ 38-10-1023-89)	Этиленпропилендиеновый каучук СКЭП	До 150
Резина ИРП-1225 (ТУ 38-10-1023-89)	Фторированный каучук СКФ-32, ИСКФ-26	До 200
Паронит ПОН* (ГОСТ 481-80)	Асбест, каучук и наполнитель	До 300

Принято следующее условное обозначение пластинчатого теплообменного аппарата. Основная информация указывается на аппарате [5].

1. Тип аппарата - Р - разборный, РС - полуразборный, Н - неразборный.

2. Площадь поверхности теплообмена одной пластины.

3. Конструкция пластины - Р - разреженные гофры, РС - разреженные специальные гофры, без обозначения - обычные гофры.

4. Толщина пластины (только для пластин 0,ЗРС; 0,ЗР; 0,6Р).

5. Площадь поверхности теплообмена аппарата.

6. Расчетное давление (только для аппаратов типа Н).

7. Исполнение опорной рамы аппарата - 1 - на консольной раме; 2 - на двухопорной раме; 3 - на трехопорной раме.

У цельносварной конструкции нет опорной рамы, поэтому обозначение отсутствует.

8. Материал пластин - К - коррозионно-стойкая сталь; Т - титановый сплав.

9. Номер модели аппарата.

Дополнительная информация указывается в паспорте аппарата к каждому теплообменнику (высылается почтой при поставке аппарата) и приложениях к паспорту: тип разреженного специального гофра - тип В или Н и их компоновка; марка материала прокладки; схема компоновки пластин - С_х; марка материала пластины; технические особенности модели аппарата.

Пример условного обозначения теплообменника:

1. На аппарате находим основное обозначение: РС 0,5Р-100-2К-16, т. е. это полуразборный аппарат с пластиной поверхностью 0,5 м² и разреженными гофрами, площадь поверхности теплообмена аппарата 100 м², на двухопорной раме, пластины из коррозионно-стойкой стали, модель аппарата 16.

2. В паспорте и в приложениях к нему находим дополнительную информацию: материал пластины - 12Х18Н10Т; материал прокладки - резина 4326-1 с температурой рабочей среды от -20 до +100°С; схема компоновки пластин , т. е. аппарат двухходовой, симметричной компоновки.