4.Пластинчатые теплообменники

Пластинчатые теплообменные аппараты являются разновидностью поверхностных рекуперативных теплообменных аппаратов с поверхностью теплообмена, изготовленной из тонкого листа.

Особенностью пластинчатых теплообменников является, то что такие характеристики, как компактность и металлоемкость, при прочих равных условиях в основном определяющие экономическую эффективность применения теплообменного аппарата, у них наилучшие из всех возможных типов рекуперативных теплообменных аппаратов.

Определяющей особенностью устройства пластинчатых теплообменных аппаратов является конструкция и форма поверхности теплообмена и каналов для рабочей среды. Поверхность теплообмена образуется из отдельных пластин, а каналы для рабочей среды имеют щелевидную форму. Рабочая среда движется у поверхности теплообмена тонким слоем, что способствует интенсификации процесса теплоотдачи. Формы пластин и профили их поверхности очень разнообразны, а конструкции довольно сложны и иногда мало похожи на пластины, поэтому название «пластина» строго говоря, по отношению к некоторым конструктивным формам должно рассматриваться как условное.

Пластины располагают параллельно друг другу, причем между рабочими поверхностями двух смежных пластин создается небольшой зазор, образующий канал для рабочей среды, подвергаемой нагреванию или охлаждению.

В простейшем случае пластины могут быть плоскими, с гладкими стенками и иметь прямоугольную, квадратную, круглую либо другую форму.

Простейший теплообменник должен иметь не менее трех пластин, образующих два капала, по одному из которых течет горячая рабочая среда, а по другому — холодная. В промышленных аппаратах число пластин бывает большим и рабочие среды движутся по множеству параллельных каналов сразу.

Наиболее широко применяются в промышленности разборные пластинчатые теплообменники. Они состоят из отдельных пластин с прокладками, приспособлены для быстрой разборки и сборки и вся их теплообменная поверхность доступна для очистки. Полуразборные, сварные блочные и сварные неразборные теплообменники являются разновидностью аппаратов пластинчатого типа.

а) б)

Разборный пластинчатый теплообменный аппарат: а) схема теплопередающего элемента пластинчатого теплообменника; б) схема современного пластинчатого аппарата: 1, 2, 11, 12 – штуцера; 3 – передняя стойка; 4 – верхнее угловое отверстие; 5 – кольцевая резиновая прокладка; 6 – граничная пластина; 7 – штанга; 8 – нажимная плита; 9 – задняя стойка; 10 – винт; 13 – большая резиновая прокладка; 14 – нижнее угловое отверстие; 15 – теплообменная пластина.

1. Тепловой расчет пластинчатого теплообменника

Исходные данные:

№ варианта	Тепловая мощность	Параметры греющего насыщенного пара		Расход греющего пара	Температура греющей воды		Параметры нагреваемой воды
	Q , кВт	давление рн, МПа	степень сухости х, –	G1, кг/с	t1', oC	t1'', oC		G2, кг/с	t2', oC	t2'', oC
ХХ	–	0.18	0.95	2.49	–	–		–	35	70

Рассчитывается и выбирается нормализованный вариант конструкции теплообменного аппарата, предназначенного для подогрева технической воды от t_в'= 35 ^оС до t_в" = 70 ^оС сухим насыщенным паром, поступающим от котла ПА-1000, давлением Р = 0,18 МПа. Расход греющего пара составляет G = 2,49 кг/с.

Определим среднюю температуру воды и ее характеристики [3]:

t_ср=0,5·(t_в'+ t_в")=0,5·(35+70)=52,5°С

ρ_в=987,8 кг/м³;

с_рв=4,182 кДж/(кг·К);

λ_в=0,643 Вт/(м·К) ;

μ_в=0,00053 Па·с;

ν_в=0,532·10^-6 м²/с;

Pr_в=3,415.

При давлении насыщенного водяного пара 0,18 МПа температура конденсации t_к=116,93 °С. Характеристики конденсата при этой температуре:

ρ_к=949,6 кг/м³;

λ_к=0,683 Вт/(м·К);

μ_к=239·10^-6 Па·с;

ν_к=0,257·10^-6 м²/с;

r_к=2211,4 кДж/кг;

Pr_к=1,483.

Тепловая мощность подогревателя определяется из уравнения теплового баланса для нагреваемого теплоносителя:

кВт

Расход пара найдем из уравнения теплового баланса:

Определим температурный режим и среднюю разность температур:

(6.4)

Рисунок 6.1 – Температурный режим пластинчатого конденсатора

Значения температур на рис. 6.1 не соответствуют расчёту!!!

Ориентировочный коэффициент теплопередачи от горячей воды к нагреваемой воде через разделяющую их поверхность теплообмена примем К_ор=1900 Вт/(м²·К). Тогда ориентировочное значение требуемой поверхности составит:

Принимаем стандартную величину поверхности F_норм = 3 м², поверхность пластины f=0,3 м², число пластин N=12, согласно ГОСТ 15518-83.

Конструктивные характеристики разборного пластинчатого теплообменника:

Харктеристики
Площадь пластины	м2	0,3
Габариты пластины:
длина	м	1,37
ширина	м	0,3
Толщина пластин	δ, м	0,001
Эквивалентный диаметр канала	м	0,008
Поперечное сечение канала	м2	0,0011
Приведённая длина канала	L,м	1,12
Масса пластины	кг	3,2
Диаметр условного прохода штуцеров	мм	0,065
Площадь пластины	f, м2	0,3
Число пластин в пакете	N	12

Скорость воды вычислим по формуле:

Число Рейнольдса:

При Re=50 ÷ 30000 режим течения жидкости – турбулентный.

Для турбулентного режима движения теплоносителей справедливо следующее критериальное уравнение (a= 0,1; b=0,73; c= 0,43) :

Коэффициент теплоотдачи к воде α_в :

Найдем скорость течения конденсата и соответствующее число Рейнольдса:

При конденсации движущегося пара для сетчато-поточных пластин ПР-0,3 действительно следующее критериальное уравнение (Δt >10°C):

Коэффициент теплоотдачи с паровой стороны α_п:

Пусть материал пластин – нержавеющая сталь (λ_ст=17,5 Вт/м·К). Сумма термических сопротивлений стенки пластин и загрязнений со стороны жидкости составит:

R_зп и R_зв – термические сопротивления слоев загрязнений со стороны соответственно пара и воды.

Принимаем R_зп = 0; R_зв = 0,00023 (м²К)/Вт (ссылка ?).

Определим коэффициент теплопередачи:

Проверяем правильность принятого допущения относительно ∆t:

> 10°C

Требуемая поверхность теплопередачи:

Примем ближайшую стандартную поверхность F_норм= 3м².