МАШИНОСТРОЕНИЕ

ПЛАСТИНЧАТЫЕ И ПЛАСТИНЧАТО — РЕБРИСТЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ

История развития пластинчатых тепло­обменников начинается с конца XIX века, ко­гда были предложены основные идеи создания теплообменных устройств подобного вида.

Главным конструктивным решением, по­зволившим пластинчатым аппаратам найти широкое применение в промышленности, яви­лось использование для соединения пластин между собой в единый блок принципов уст­ройства фильтр-пресса, предложенного Зелиг - маном в 1923 г.

Пластинчатые теплообменники предна­значены для проведения теплопередачи без из­менения агрегатного состояния (нагреватели, холодильники) и с изменением агрегатного со­стояния (испарители, конденсаторы). Они мо­гут применяться для одновременного теплооб­мена между двумя, тремя и большим количест­вом сред, а также пригодны для теплообмена с двух - и трехфазными рабочими средами вязко­стью до 0,6 м2/с: жидкость - жидкость, пар - жидкость, пар - газ - жидкость, газ - жидкость, газ - газ. Разборные теплообменники могут ра­ботать со средами, содержащими твердые час­тицы размером не более 4 мм.

Классификация пластинчатых тепло­обменников. По конструкции эти теплообмен­ники классифицируются на разборные (ТПР), полуразборные (ТПП), блочно-сварные (ТПБС), сварные неразборные (ТПСН), ламельные (ТПЛ).

Разборные пластинчатые теплообменни­ки применяют в следующих случаях:

Когда аппарат часто подвергается разбор­ке и чистке ввиду образования на теплопере - дающих стенках различных отложений, прига­ра от термически нестойких сред;

Когда имеется необходимость переком­поновки поверхности теплообмена и измене­ния числа параллельно работающих каналов, например, в связи с изменением технологиче­ского режима;

Когда приходится производить замену не­которых участков поверхности теплообмена из-за неравномерного коррозионного или эро­зионного разрушения.

Рабочие параметры сред, обрабатываемых в разборных пластинчатых теплообменниках: давление до 2 МПа, температура до 200 °С.

Полуразборные теплообменники исполь­зуются, когда одна из сред не образует отложе­ний, требующих разборки аппарата для техно­логической чистки, например, когда средой яв­ляется конденсирующийся пар, чистый газ, минеральные или органические кислоты, ще­лочи и некоторые растворы солей (давление может достигать 2,5 МПа, температура 200 °С).

Блочные и неразборные теплообменники используются, как правило, в тех случаях, когда обе среды не дают отложений на поверхности теплообмена, требующих механической очистки (давление до 3 МПа и температура до 400 °С).

Конструкции пластинчатых теплооб­менников. Разборный теплообменник состоит из группы теплообменных пластин /5, подве­
шенных на верхней горизонтальной штанге 7 (рис. 4.1.30). Концы верхней и нижней штанг закреплены в неподвижной решетке 3 (перед­ней стойке) и задней стойке 9. При помощи нажимной решетки (плиты) 8 и винта 10 пласти­ны в рабочем состоянии сжаты в один пакет.

Большая прокладка УЗ, расположенная между пластинами, ограничивает канал для прохода одного из теплоносителей, а также ох­ватывает два отверстия для входа и выхода фа­зы из канала. Две малые прокладки 5 изолиру­ют оставшиеся два отверстия от атмосферы и обеспечивают транзитный проход для второго теплоносителя.

Система пластин и уплотнительных про­кладок образуют после сборки и сжатия две системы герметичных каналов (четные и не­четные), служащие для прохода холодной и го­рячей рабочей среды.

Холодная рабочая среда входит в аппарат через один из штуцеров (например, штуцер 2) и через верхние угловые отверстия, образующие коллектор, попадает во все нечетные каналы. С противоположной от входа стороны коллектор ограничен глухой (граничной) пластиной б. При движении вниз по межпластинному кана­лу среда обтекает волнистую поверхность пла­стин, обогреваемых с обратной стороны горя­чей средой. Подогретая среда собирается в нижнем продольном коллекторе, образованном угловыми отверстиями 14, и выходит из аппа­рата через штуцер У У.

Горячая среда поступает в штуцер 12, распределяется между четными каналами по нижнему коллектору и движется в межпла­стинном зазоре вверх. Через верхний коллек­тор и штуцер 1 охлажденная горячая среда вы­ходит из теплообменника. В результате в пре­делах одного хода может быть обеспечен про­тивоток, при необходимости может быть орга­низован и прямоток.

Полуразборный пластинчатый теплооб­менник по конструкции аналогичен разборно­му. Отличие заключается в том, что пластины сварены попарно (рис. 4.1.31). В результате образуется канал для того теплоносителя, ко­торый не образует отложений. При этом свари­ваемые пластины У, 2 представляют собой зер­кальное отражение друг друга.

По контуру каждой пластины вы штампо­ван U-образный паз. При сборке двух пластин под сварку одну из пластин переворачивают на 180° таким образом, чтобы пазы плотно приле­гали друг к другу, по ним и проводят сварку. Пластины свариваются также в двух угловых отверстиях, служащих для транзитного прохо­да среды. Два других отверстия, служащие для входа и выхода второй среды в межпластин­ный неразборный канал, выполняются без сварки.

В полученном блоке устанавливаются прокладки - большая 5 и малая 4. Прокладки работают как самоуплотняющиеся, что позво­ляет использовать этот аппарат при большем давлении, чем в разборных теплообменниках аналогичной конструкции.

Блочные сварные пластинчатые тепло­обменники предназначены для подогрева и ох­лаждения жидкой или газообразной рабочей среды, а также для конденсации паров в усло­виях, когда ни одна рабочая среда не образует на поверхностях теплообмена труднораство­римых отложений.

Теплообменник (рис. 4.1.32) составлен из унифицированных сварных блоков /, схема компоновки и их количество определяются те­пловым и гидромеханическим расчетами аппа­рата. Блоки установлены на раме, аналогично разборным пластинчатым теплообменникам. В угловых распределительных камерах имеются отверстия для входа и выхода рабочих сред. Распределительные камеры блоков соединены между собой проходными 8 или глухими 7 втулками, уплотненными в отверстиях малыми кольцевыми прокладками 9. Применение вту­лок позволяет собирать пакеты по параллель-

Ной, противоточной или смешанной схеме движения рабочих сред. Блоки расположены на раме между подвижной 5 и неподвижной 10 решетками и плотно сжаты болтами.

На решетках установлены съемные пат­рубки 4 и 11 соответственно для выхода и вхо­да рабочей среды. В зависимости от требуемой компоновки их можно устанавливать в любом из углов концевых плит. Кольцевые прокладки защищены от непосредственного воздействия сред втулками. Такая конструкция позволяет обеспечить большую силу сжатия прокладки, поэтому применяют прокладки из паронита, алюминия, меди, фторопласта и др. Работа этих аппаратов аналогична работе разборных пластинчатых теплообменников.

Пластины 1 с размещенными между ними по контуру металлическими прокладками собирают в специальном приспособлении (рис. 4.1.33). Затем сваривают кромки пластин с прокладками. Пластины имеют форму шес­тиугольника. Наклонные кромки пластин со­единяют с прокладками, уложенными через одну таким образом, чтобы образовались кана­лы для входа и выхода рабочих сред. К местам входа и выхода рабочей среды из щелевидных каналов приваривают соответственно четыре распределительные камеры 2 с круглыми от­верстиями и канавками для соединения блоков между собой посредством проходных или глу­хих втулок.

Пластинчатые сварные неразборные те­плообменники состоят из пластин, которые сва­рены в теплообменный элемент (рис. 4.1.34). Расстояние между пластинами зависит от вы­соты гофр или специальных дистанционных штифтов. Сварной моноблок помещают между парой концевых плит, которые воспринимают давление рабочих сред. С торцовых сторон блока приварены распределительные камеры со штуцерами. Через камеры рабочие среды подводятся и отводятся от межпластинных ка­налов. Работают эти теплообменники анало­гично описанным выше.

Одним из достоинств пластинчатых теп­лообменных аппаратов является возможность создания различных схем движения рабочих сред, которые зависят от сочетания общего и частных направлений движения рабочих сред в целом через аппарат и через межпластинные

Тгсит

Рис. 4.1.35. Схемы относительного движения рабочих сред в пластинчатом теплообменнике

Каналы. Различают шесть основных случаев (рис. 4.1.35):

А) частный противоток при общем проти­вотоке, т. е. противоток и в каналах и по аппа­рату в целом;

Б) смешанный ток;

В) смешанный частный ток при общем противотоке;

Г) частный прямоток при общем противо­токе;

Д) смешанный частный ток при общем прямотоке;

Е) частный прямоток при общем прямо­токе.

От формы, размеров и конструктивных особенностей пластины зависят эффективность теплопередачи, надежность аппарата, техноло­гичность и трудоемкость его изготовления, эксплуатационные данные. Как правило, про­филь пластин запатентован, и в большинстве случаев по внешнему виду можно определить, какой фирме принадлежит выпуск данного ап­парата. Пластины определенного профиля из­готовляют различных типоразмеров, что по­зволяет выбрать теплообменники различного назначения и производительности.

Пластины изготовляют в основном двух типов: ленточно-поточные и сетчато-поточные. Пластины ленточно-поточного типа имеют гофры по поверхности, которые не только уве­личивают жесткость конструкции, но и благо­даря щелевидным извилистым каналам значи­тельно турбулизируют поток при малых скоро­стях движения (0,3...0,9 м/с). В сетчато - поточных пластинах турбулизирующие эле­менты профиля используются одновременно и для создания сети равномерно распределенных опор между пластинами, что значительно по­вышает жесткость всего пакета и дает возмож­ность работы при более высоких давлениях.

Уплотнение межпластинных каналов осуществляют с помощью резиновых прокла­док, изготовляемых из бутадиенстирольного, бутадиеннитрильного, этиленпропиленового, силиконового каучуков, фторкаучука, бутил - каучука.

Промышленностью выпускаются пла­стинчатые теплообменники с площадью по­верхности теплообмена до 800 м2.

Ламельные теплообменники применяют при температуре более 150 °С и давлении выше 1 МПа. Рабочими средами являются: жидкость - жидкость, газ - газ, пар - жидкость, когда одна из сред не образует труднорастворимого осадка. Аналогично кожухотрубчатому теплообменни­ку теплообменник этого типа (рис. 4.1.36) со­стоит из камеры 1 для вывода рабочей среды из канала, ламельного пучка 4, установленного в корпусе 3, фланцевого разъемного соединения 2 ламельного пучка с корпусом. Вторая трубная решетка аналогична первой, но соединена с цилиндрическим патрубком, который через сальниковое устройство 6 выходит из корпуса. На патрубке установлен съемный фланец 7 на резьбе. Применение сальникового устройства и съемного фланца позволяет не только компен­сировать температурные напряжения, но и вы­таскивать трубный пучок из корпуса для очи­стки межтрубного пространства. Корпус теп­лообменника может выполняться прямоуголь­ного или круглого сечения.

Ламельный пучок состоит из совокупно­сти плоских труб, изготовленных из коррози­онно-стойкой стали в виде холоднокатаной ленты толщиной 1,5 и 2 мм. На поверхности плоских труб выштампованы продольные же­лобки и шаровые сегменты, служащие опорами смежных пластин.

Работает ламельный теплообменник по­добно кожухотрубчатому.

Преимуществами ламельного теплооб­менника являются увеличение коэффициента теплопередачи в 1,4-2 раза за счет уменьше­ния толщины слоя жидкости и общего повы­шения скоростей потоков, а также увеличение площади теплообмена, так как при равном по­перечном сечении плоские трубы имеют боль­шую поверхность, чем круглые.

А)

Рис. 4.136. Ламельные теплообменники в корпусе:

А - прямоугольной формы, б - цилиндрической формы; I - камера вывода рабочей среды из канала; 2 - фланцевое разъемное соединение ламельного пучка с корпусом; 3 - корпус; 4 - пучок ламелей (плоских труб); 5 - межгруб - ное пространство; б - сальниковое устройство; 7- съемный фланец (на резьбе); 8 - ребра жесткости; 9 и Ю - штуцера для второй рабочей среды, подаваемой в межтрубное пространство

Пластинчато-ребристые теплообменни­ки (теплообменники со вторичными поверхно­стями) нашли применение в авто - и самолето­строении, в химической промышленности в ка­честве теплообменников, испарителей, конден­саторов для чистых газов и жидкостей. Их применяют в основном в крупных установках по разделению воздуха методом глубокого ох­
лаждения, углеводородных газов, а также в ус­тановках для сжижения и ректификации водо­рода с целью получения дейтерия и тяжелой воды.

При одинаковой площади поверхности пластинчато-ребристые теплообменники обла­дают меньшей массой и теплоемкостью по сравнению с теплообменниками других типов, что важно при переменной тепловой нагрузке и необходимости сублимации примесей, выде­ляющихся на поверхности теплообмена. Стои­мость единицы поверхности пластинчато - ребристого теплообменника при их серийном изготовлении ниже, чем у теплообменников других типов.

Пластинчато-ребристый теплообменник (рис. 4.1.37) состоит из распределительной ка­меры 1 для первой рабочей среды А, корпуса 2 прямоугольного сечения, приемной камеры 3 для рабочей среды А, теплообменного пакета распределительной камеры 5 и приемной каме­ры для рабочей среды В. Рабочая среда А пода­ется через штуцер, где распределяется между оребренными каналами, проходит через кана­лы, собирается с противоположной стороны в приемной камере и выводится из аппарата. Вторая среда В подается в камеру 5 и движется по каналам в режиме перекрестного тока. По­сле контакта среда также выводится из тепло­обменника.

Теплообменный пакет пластинчато - ребристого теплообменника изготовляют еди­ным блоком (рис. 4.1.38), который состоит из отдельных гладких пластин 1 и расположенных между ними гофрированных листов 2, которые могут быть любой конфигурации. В зависимо­сти от расхода теплоносителей и их свойств расстояния между гладкими пластинами в од­ном и том же теплообменнике могут быть раз­личными. Пространство с двух сторон закрыто боковыми уплотнителями 3. Все элементы со­единяют пайкой. В результате получается оребренная теплообменная поверхность, на ко­торой теплоноситель разбивается на большое число потоков. Относительное движение теп­лоносителей, организованное за счет конструк­ции подводящих коллекторов, может быть прямотоком, противотоком и перекрестным током.

Наиболее широко применяемыми мате­риалами для пластинчато-ребристых теплооб­менников являются алюминий и его сплавы. Кроме того, могут использоваться сталь, титан, сплавы меди и других металлов. Из алюминия и его сплавов изготовляются низкотемператур­ные теплообменники. В качестве припоя ис­пользуют алюминий с присадкой кремния, по­нижающей температуру плавления. Припой наносится на основной лист с двух сторон пла­кировкой.

Для других металлов для пайки использу­ют припои на основе серебра и меди. При этом припой в виде фольги толщиной 0.05...0,15 мм прокладывается между пластинами и ребрами. Пайку проводят в ванне с расплавленной со­лью или в среде инертных газов. После пайки пакет тщательно очищают, проверяют на проч­ность и плотность, а затем к аппарату привари­вают коллекторы.

В пластинчато-ребристых теплообменни­ках возникают значительные напряжения от давления, а также от температурных деформа­ций и деформаций, передающихся через со­единительные трубопроводы, поэтому при вы­соких давлениях применяют блоки небольшого поперечного сечения или устанавливают не­сколько коллекторов малых размеров.

Расчет пластинчатых теплообменни­ков. Технологический расчет пластинчатых теплообменников заключается в выборе типа
пластин, определении необходимой площади поверхности теплообмена, количества каналов и пластин в одном пакете и аппарате в целом, в определении гидравлического сопротивления аппарата. Для пластинчатых теплообменников расчет может производится по [8].

Расчет на прочность в пластинчатых теп­лообменниках проводят для неподвижных, промежуточных и нажимных решеток, пла­стин, штанг, стяжных болтов, коллекторов, днищ, крышек, фланцев. Пример расчета при­веден в [29].