Пластинчатый теплообменник — это аппарат, в котором передача тепла между двумя жидкостями идет сквозь пакет тонких гофрированных металлических пластин. Сами жидкости при этом не смешиваются. В системах отопления и горячего водоснабжения он давно вытеснил кожухотрубный. В холодоснабжении и кондиционировании те же теплообменные аппараты работают испарителем чиллера, конденсатором с водяным охлаждением или границей между фреоновым и гликолевым контурами. Ниже разобраны устройство, разборное и паяное исполнение, место в схеме холода, подбор по мощности и перепаду температур, очистка, типовые отказы.
Конструкция и комплектующие пластинчатого теплообменника
Пластинчатый теплообменник состоит из пакета пластин, зажатого между неподвижной и прижимной плитами. Каждая пластина штампуется из листа нержавеющей стали толщиной от 0,4 до 1 мм и получает гофру в елочку. Соседние пластины развернуты гофрой в противоположные стороны, поэтому между ними образуется узкий канал с сотнями точек опоры. Пакет выдерживает давление. И он же закручивает поток в турбулентный режим.
Жидкости разводятся по каналам через отверстия в углах. Уплотнитель из резины обходит эти отверстия так, что первая среда попадает в нечетные каналы, а вторая в четные. Нарушить герметичность может только порванная или задубевшая прокладка, сам пакет при этом остается целым. Комплектующие аппарата перечислены ниже.
- пакет пластин: рабочая поверхность, ее площадь и число пластин задают мощность;
- уплотнения: EPDM для воды и гликоля до 150 °C, NBR для масел и до 110 °C, FKM для агрессивных сред;
- неподвижная и прижимная плита с направляющей штангой и стяжными болтами;
- патрубки: резьбовые до DN 50, фланцевые от DN 65.
Для водяных и гликолевых контуров пакет штампуют из стали AISI 304 или 316, для морской воды и рассолов из титана. Одна и та же геометрия у Danfoss, Sondex и Alfa Laval обозначается по-разному, поэтому при заказе запчастей нужен паспорт аппарата.
Принцип работы пластинчатого теплообменника и противоток
Механизм прост. Горячая среда отдает тепло стенке пластины, стенка — холодной среде в соседнем канале. Гофра дробит поток на завихрения уже на небольшой скорости, поэтому пластинчатый теплообменник имеет коэффициент теплопередачи в несколько раз выше, чем гладкая труба. Отсюда компактность. На ту же мощность аппарат занимает в разы меньше места, чем любой из кожухотрубных, и держит меньше жидкости внутри.
Второй выигрыш — противоток, то есть теплообмен между двумя средами, которые движутся по соседним каналам навстречу друг другу. Поэтому холодная жидкость на выходе нагревается почти до температуры горячей на входе. Разница между ними, температурный напор на выходе, у пластинчатого аппарата доходит до 1–2 K против 5 K и больше у трубчатого. Для холодоснабжения это прямая экономия, ведь чем меньше напор на испарителе, тем выше температура кипения хладагента.
Каждый градус температуры кипения и конденсации стоит компрессору 2–3 % потребляемой мощности. Теплообменник с малым напором окупает себя счетами за электроэнергию, а не ценой аппарата.
Виды пластинчатых теплообменников: разборный пластинчатый теплообменник, паяный и полусварной
Конструкция пластинчатого теплообменника различается способом соединения пластин. Разборный вариант собран на прокладках и болтах, паяный спаян медью или никелем в печи, полусварной чередует сваренные пары с прокладками. А выбирают между ними для холодильной техники по рабочей среде, давлению и тому, нужен ли доступ внутрь для обслуживания.
| Параметр | Разборный | Паяный | Полусварной |
|---|---|---|---|
| Соединение пластин | прокладки, стяжные болты | пайка медью или никелем | сварка пар и прокладки |
| Рабочее давление | до 25 бар | 30–45 бар в зависимости от модели | 25–40 бар |
| Обслуживание | разборка, замена пластин и уплотнений | только безразборная мойка | мойка, замена уплотнений на одной стороне |
| Рабочие среды | вода, гликоль в промежуточном контуре | фреоны R410A, R134a, R32 | аммиак, CO₂ |
| Где ставят | промежуточные контуры, конденсаторы на воде, рекуперация | испаритель и конденсатор чиллера | аммиачные и низкотемпературные установки |
Для испарителей чиллеров и их конденсаторов мощностью до нескольких сотен киловатт стандартом стали паяные теплообменники. Они компактны, держат давление фреоновых систем и не текут по уплотнениям. Медный припой несовместим с аммиаком, поэтому для аммиачных установок берут никелевую пайку или полусварную конструкцию. Зато разборная конструкция выигрывает там, где среда грязная или мощность будет расти. Пакет наращивают, не меняя раму.
Где стоит пластинчатый теплообменник в схеме холодоснабжения
Пластинчатые теплообменники применяются в четырех точках системы холодоснабжения, и в каждой у аппарата своя задача. Общая задача у всех четырех одна — разделить контуры так, чтобы хладагент не покидал машинное отделение, а к потребителям шла вода или гликоль. Как эти узлы собираются в единую систему, рассказано в обзоре «Промышленное холодоснабжение».
- Испаритель чиллера. Аппарат на пайке, в котором кипящий фреон охлаждает воду или раствор гликоля. Самый нагруженный узел машины, ему посвящена отдельная статья «Испаритель чиллера».
- Конденсатор с водяным охлаждением. Фреон отдает тепло оборотной воде градирни или сухого охладителя. Как устроена такая машина целиком, показано в материале «Как работает чиллер с водяным охлаждением».
- Граница промежуточного контура. Разборный аппарат между фреоновым или аммиачным контуром и гликолевым кольцом цеха. Заправка хладагента сокращается, а требования ГОСТ EN 378-1-2014 к его количеству в обслуживаемых помещениях выполняются проще. Подробнее о самом кольце в статье «Гликолевая система охлаждения».
- Рекуперация тепла. Теплообменник пластинчатый снимает тепло конденсации на подогрев воды для ГВС, вентиляции или технологии. Схемы и ограничения разобраны в статье «Рекуперация тепла в системе холодоснабжения».
Как подобрать пластинчатый теплообменник по мощности и перепаду температур
В подбор идут четыре исходных величины — тепловая мощность, температуры обеих сред на входе в аппарат и на выходе из него, расходы, допустимые потери давления. Из них расчетная программа производителя выдает количество пластин, типоразмер и компоновку каналов. Но выбирать аппарат только по диаметру патрубков или по мощности из каталога нельзя. Два аппарата на 100 кВт для отопления и для гликоля минус 5 °C отличаются в разы по площади.
- Снять тепловую нагрузку с процесса. Для испарителя это холодопроизводительность чиллера, для промежуточного контура — теплоприток от оборудования цеха с запасом на пиковый режим работы.
- Задать четыре температуры. Чем ближе температуры двух потоков на выходе, тем больше пластин потребуется. Напор 2 K вместо 5 K может удвоить площадь.
- Учесть теплоноситель. Раствор этиленгликоля 30–40 % хуже воды по теплопередаче и вязче, поэтому та же мощность требует большей поверхности и дает больший перепад давления.
- Ограничить потери давления. Насос должен продавить аппарат с запасом. Тесный подбор экономит металл, но сжигает электроэнергию на насосе годами.
- Заложить запас на условия эксплуатации. Для оборотной воды градирни и открытых систем коэффициент загрязнения выше, чем для закрытого гликолевого кольца.
Расчет теплообменника идет вместе с расчетом всей установки, иначе испаритель окажется рассчитан на одну температуру кипения, а компрессор выбран под другую. Эту работу выполняем в рамках услуги «Расчет и проектирование холодильных установок», а установку аппарата вместе с обвязкой и датчиками — при монтаже чиллеров.
Загрязнение, промывка и типовые отказы
Узкие щели между пластинами — сильная и слабая сторона аппарата одновременно. Они дают турбулентность, но забиваются накипью и биопленкой быстрее трубчатых. Отложение видно по приборам раньше, чем по продукту. Растет перепад давления, сближаются температуры двух потоков на выходе, у чиллера ползет вверх температура конденсации или проседает температура кипения.
Промывка выполняется двумя способами. Безразборная идет циркуляцией моющего раствора по временному контуру. Кислотные составы снимают накипь, щелочные — масла и органику, затем идут нейтрализация и прогон чистой водой. Разборная требует снятия пакета, механической чистки и осмотра каждого уплотнения. Аппараты на пайке моют только первым способом, поэтому для них качество воды в контуре решает срок службы.
Четыре типовых отказа.
- Замерзание испарителя. Расход воды или гликоля упал ниже минимума, а защита по потоку не сработала, и лед разрывает каналы спаянного пакета. Реле протока и защита по температуре выхода обязательны.
- Течь по уплотнениям. Старение резины, перегрев, гидроудар, несовместимость с теплоносителем. Лечится заменой комплекта прокладок, а не подтяжкой болтов сверх допуска.
- Смешение сред. Сквозная коррозия или трещина пластины. В промежуточном контуре проявляется падением концентрации гликоля или ростом давления на одной стороне.
- Неконденсирующиеся газы и масло. В конденсаторе и испарителе фреоновой машины снижают эффективность работы без видимого загрязнения. Выявляются по расхождению между температурой конденсации и давлением.
Мойка по графику, контроль перепада давления, замена уплотнений входят в регламент обслуживания теплообменного оборудования, который мы ведем по договору технического обслуживания чиллеров. Аппарат, за которым следят по приборам, служит десятилетиями. Аппарат, который моют после аварии, живет до первой разморозки.
Частые вопросы
Как правильно подключить пластинчатый теплообменник?
Строго в противоток, по стрелкам на неподвижной плите. Горячая среда входит там, где выходит холодная. Прямоток — типовая ошибка монтажа, при которой аппарат отдает заметно меньше расчетной мощности. Перед аппаратом на обеих линиях ставят фильтр-грязевик, манометры и термометры по обе стороны, запорную арматуру для отсечения на время чистки. Для испарителя чиллера дополнительно нужны реле протока и датчик температуры на выходе воды.
Можно ли заменить только поврежденные пластины или прокладки?
В разборном аппарате — да. Пластины и уплотнения поставляются отдельно, замена ведется по паспорту аппарата, где указаны модель и материал. В паяном аппарате замена невозможна, при повреждении меняется весь блок. В полусварном прокладки меняются только на разборной стороне.
Сколько служит пластинчатый теплообменник?
Рама и пластины разборного аппарата при чистой среде работают десятилетиями, уплотнения — несколько лет в зависимости от условий эксплуатации теплообменника. Спаянный блок служит столько, сколько выдержит без замерзания и накипи, поэтому срок определяют качество воды и защита от разморозки.
Пластинчатый теплообменник для отопления и ГВС: тот же аппарат?
Устройство одно, расчет разный. Аппарат для отопления считают под температурный график сети, для горячей воды — под нагрев до 60 °C с запасом на накипь. Теплообменники для отопления работают в схемах теплопунктов, а в холодоснабжении тот же тип аппарата встречается с гликолем при минус 10 °C и фреоном под 30 бар и выше. Аппарат из теплового пункта для чиллера без пересчета не подходит.
Нужен ли учет в органе промбезопасности?
По Правилам обеспечения промышленной безопасности при эксплуатации оборудования, работающего под давлением (приказ № 358 от 30.12.2014, п. 244), сосуды холодильных установок и блоков в составе технологических установок постановке на учет не подлежат. Но требования Правил к ним действуют — паспорт, освидетельствование, предохранительная арматура.
Подобрать и купить пластинчатый теплообменник под чиллер или промежуточный контур, посчитать площадь и перепад давления, укомплектовать обвязку поможем. Мы проектируем, монтируем и обслуживаем промышленный холод в Казахстане с 1996 года.
