3. Снижение затрат на эксплуатацию пластинчатого теплообменника.

Ряд преимуществ конструкции пластинчатых теплообменников перед кожухотрубными обеспечивает дополнительное снижение затрат при эксплуатации аппаратов, связанное с его конструкцией и качеством исполнения. Это:

- высокая турбулентность потоков теплоносителя, проходящего через пластинчатый аппарат, обеспечивает высокую сопротивляемость теплообменных поверхностей пластинчатого аппарата к образованию различного рода отложений, снижающих КПД теплообмена. Такой факт позволяет проводить процедуру очистки поверхностей аппарата гораздо реже, чем у кожухотрубных теплообменников. Частота очистки, разумеется, зависит от условий эксплуатации аппарата. В среднем очистка пластинчатых теплообменников, работающих в системах отопления или горячего водоснабжения, производится не чаще чем примерно раз в 5-6 лет;

- при появлении необходимости в очистке затраты на разборку и полную очистку пластинчатого теплообменника в сотни раз ниже, чем при ремонте (очистке) кожухотрубного аппарата;

- отсутствие коррозии поверхностей и высокое качество материала аппарата увеличивает срок службы пластинчатого аппарата в несколько раз. Возможный ремонт пластинчатого теплообменника сводится всего лишь к замене пластины/прокладки;

- высокая надежность пластинчатых аппаратов «Alfa Laval» снижает вероятность появления потерь в результате аварийных ситуаций. По статистическим данным «Alfa Laval» при наблюдении за работой пластинчатого теплообменника в 18 странах в общей сложности в течение 20 млн. рабочих часов или 2300 лет было зарегистрировано 35 случаев отказов. Это означает один отказ аппарата в 65 лет.

В качестве примера рассмотрим сравнительные технические характеристики одинаковых по мощности кожухотрубного и пластинчатого аппаратов.

Таблица 4.1 – Сравнительные технические характеристики теплообменников

Наименование качественных (количественных) характеристик теплообменников	Трубчатые теплообменники	Пластинчатые теплообменники
1	2	3
Материал трубок (пластин)	Латунь или медь	Нержавеющая сталь или титан
Подверженность коррозии при температуре более 60°С	Да	Нет
Окончание таблицы 4.1
1	2	3
Возможность механической очистки поверхностей	Трубы – да, межтрубное – нет	Да
Возможность химпромывки	Да	Да
Оптимальная скорость воды в каналах (трубках), м/с	1-1,5 м/сек	0,3-0,7 м/сек
Возможность плавного изменения производительности аппарата	Нет	Да
Возможность наличия неявных внутренних протечек в аппарате	Да	Нет
Возможность замены вышедшей из строя трубки/пластины	Нет	Да
Возможность разборки/сборки аппа-рата	Нет	Да
Относительные размеры, %	100	20-35
Коэффициент теплопередачи, Вт/м2·К	1500	2500-4500
Тепловая эффективность, %	70-80	85-95

Разборный пластинчатый теплообменник имеет межпластинчатые уплотнения, применение которых накладывает некоторые ограничения на применение данных аппаратов:

- ограничение температур и давлений рабочих сред;

- невозможность применения некоторых рабочих сред, активных относительно материалов уплотнений;

- серийно выпускаемые разборные пластинчатые теплообменники мо-гут работать с загрязненными рабочими средами при размере твердых включений не более 4 мм.

4.3 Тепловой расчёт теплообменника

Исходные данные:

1. Регулирование отпуска теплоты в системе централизованного теплоснабжения принято центральное, качественное по совмещенной на­грузке отопления и горячего водоснабжения.

2. Температура теплоносителя (греющей воды) в тепловой сети в соответствии с приня­тым для данной системы теплоснабжения гра­фиком изменения температуры воды в зависи­мости от температуры наружного воздуха при­нята:

при расчетной температуре наружного воз­духа для проектирования отопления t₀ = -26 °С;

в подающем трубопроводе ₁ = 150 °С;

в обратном трубопроводе ₂ = 70 °С;

в точке излома графика температуры = 23 °С;

в подающем трубопроводе = 80 °С;

в обратном трубопроводе = 42 °С.

3. Температура холодной водопроводной (на­греваемой) воды в отопительный период, посту­пающей в водоподогреватель І ступени, t_c = 2 °С (по данным эксплуатации).

4. Максимальный тепловой поток на отоп­ление потребителей, присоединенных к ЦТП, Q_omax=5,8210⁶ Вт.

5. Расчетная тепловая производительность водоподогревателей

= 4,5710⁶ Вт.

Поверхность теплообмена f_пл=0,6 м².

Площадь поперечного сечения канала f_к=0,00245 м².

Коэффициенты: А=0,492, Б=3.

Рассчитаем водоподогреватель для первой ступени:

1. Максимальный расход сетевой воды на отопление:

где Q_0max – максимальный тепловой поток на отопление при t₀, Вт.

2. Максимальный расход греющей воды на горячее водоснабжение:

3. Температура нагреваемой воды за водоподогревателем I ступени:

(4.3)

4. Расчетная производительность водоподо­гревателя I ступени:

где G_hmax – максимальный за отопительный период расход воды в системе горячего водоснабжения, кг/ч,

t_c – температура холодной (водопро­водной) воды в отопительный пе­риод (при отсутствии данных при­нимается 5 °С).

4. Расчетная производительность водоподо­гревателя II ступени:

4. Температура греющей воды на выходе из водоподогревателя II ступени и на входе в водоподогреватель I ступени :

где G_d – расчетный расход воды из тепло­вой сети на тепловой пункт, кг/ч.

4. Температура греющей воды на выходе из водоподогревателя I ступени:

8. Расчет водоподогревателя I ступени:

а) средняя температура греющей воды:

где – средняя температура греющей воды между температурой на вхо­де и на выходе из водопо­догревателя, °С.

б) средняя температура нагреваемой воды:

где – средняя температура нагреваемой воды между температурой на входе и на вы­ходе из водоподогревателя, °С.

9. Соотношение числа ходов для греющей Х₁ и нагреваемой Х₂ воды:

Проверяем соотношение ходов в тепло­обменнике I ступени, принимая Р_нагр=100 кПа и Р_гр = 40 кПа:

Соотношение ходов не превышает 2, следо­вательно, принимается симметричная компонов­ка теплообменника.

Рисунок 4.4 – Симметричная компоновка пластинчатого водоподогревателя

10. При расчете пластинчатого водоподогревателя оптимальная скорость принимается, исхо­дя из получения таких же потерь давления в уста­новке по нагреваемой воде, как при применении кожухотрубного водоподогревателя – 100-150 кПа, что соответствует скорости воды в ка­налах W_ОПТ = 0,4 м/с.

Поэтому, выбрав тип пластины рассчитыва­емого водоподогревателя горячего водоснабже­ния по оптимальной скорости, находим требуемое количество каналов по нагреваемой воде m_H:

где  – плотность воды при средней тем­пературе t_ср, кг/м³ (ориентировоч­но принимается равной 1000 кг/м³),

f_k – площадь поперечного сечения канала, м².

11. Компоновка водоподогревателя симметричная, т. е. m_ГР=m_H. m_H принимаем рав­ным 20. Общее живое сечение каналов в пакете:

f_гр=f_H=m_H·f_k, (4.12)

f_гр= f_H=20·0,00245=0,049 м².

12. Находим фактические скорости греющей и нагреваемой воды:

13. Расчет водоподогревателя I ступени:

а) коэффициент теплоотдачи от греющей воды к стенке пластины принимаем А = 0,492:

б) коэффициент тепловосприятия от стенки пластины к нагреваемой воде:

14. Коэффициент теплопередачи:

где _СТ – теплопроводность стенки трубки, Вт/ (м·°С), принимается равной для стали 58 Вт/(м·°С), для латуни – 105 Вт/(м·°С),

_СТ – толщина стенки трубок, м,

β – коэффициент, учитывающий уменьше­ние коэффициента теплопередачи из-за термического сопротивления наки­пи и загрязнений на пластине, в зави­симости от качества воды принимается равным 0,7-0,85. Толщина пластины и коэффициент теплопроводности пластины для пластинчатых теплообменников равны соответственно:

_СТ=1 мм=0,001 м и _СТ=16 Вт/м·°С.

15. Среднелогарифмическая разность темпе­ратур между греющей и нагреваемой водой для I ступени водоподогревателя:

где t_б,; t_м – соответственно большая и меньшая разности температур между грею­щей и нагреваемой водой на входе или на выходе из водоподогрева­теля, °С.

16. Расчет требуемой поверхности нагрева водоподогревателя:

где k – коэффициент теплопередачи, Вт/м²·°С.

17. Количество ходов (или пакетов при разде­лении на одноходовые теплообменники):

Принимаем 3 хода.

18. Действительная поверхность нагрева всего водоподогревателя

.

19. Потери давления I ступени водоподогре­вателя по греющей воде, прини­мая  = 1 Б = 3:

где  – коэффициент, учитывающий накипеобразование, который для греющей сете­вой воды равен единице.

В результате расчета в качестве водоподогревателя горячего водоснабжения принимаем теплообменник разборной конструкции (Р) с пластинами типа 0,6р, толщи­ной 0,8 мм, из стали 12Х18Н1ОТ (исполнение 01), на двухопорной раме (исполнение 2К), с уплотнительными прокладками из резины марки 359 (условное обозначение – 10). Поверхность на­грева I ступени –71,4 м². Схема компоновки:

Условное обозначение теплообменника:

Р0,6р-0,8-71,4-2К-01-10.

В таблице 4.2 приведены технические характеристики выбранного теплообменника.

Таблица 4.2 – Технические характеристики пластинчатого теплообменника фирмы «Alfa Laval»

Показатель	М15-ВFG8
1	2
Поверхность нагрева пластины, м2	0,62
Габариты пластины, мм	650х1885
Минимальная толщина пластины, мм	0,5
Масса пластины, кг	29,5
Объем воды в канале, л	1,55
Максимальное число пластин в установ­ке, шт,	700
Рабочее давление, МПа	1,6
Максимальная температура, °С	150
Габариты установки, мм:
ширина	650
высота	1885
длина, не более	3270

Окончание таблицы 4.2
1	2
длина, не менее	1170
Диаметр патрубков, мм	140
Стандартное число пластин
Масса установки, кг, при числе пластин:	1089
минимальном
максимальном	3090
Максимальный расход жидкости, м3/ч	288
Потери давления при максимальном рас­ходе, кПа	150
Коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 ∙ °С), при стандартных условиях	6810
Тепловая мощность, кВт, при стандартных условиях	18360
Примечания:
1. Стандартные условия – максимальный расход жидкости, параметры греющего теплоносителя 70-15°С, нагреваемого – 5-60 °С.

Расчет водоподогревателя, собранного из плас­тинчатых теплообменников фирмы «Alfa Laval» пока­зывает, что требуется установить теплообменник М15-BFG8 с числом пластин 64, площадь поверхности нагрева 38,4 м² (коэффи­циент теплопередачи – 4350 Вт/(м²  °С)).