Сравнение кожухотрубных и пластинчатых теплообменников

Системы теплопередачи между двумя жидкими или газообразными средами называются кожухотрубными и пластинчатыми теплообменниками. Кожухотрубные типы установлены в старых домах, поскольку их параметров достаточно для систем отопления. Ввиду роста многоэтажных домов актуален пластинчатый вид оборудования. Выбор типа аппарата обусловлен требованиями к компактности, надежности и стабильности работы в разных условиях.

Кожухотрубные теплообменники

Кожухотрубчатые устройства состоят из кожухов, теплообменных трубных пучков, решеток, перегородок и коробов. Корпус - цилиндрический, с трубными пучками внутри. Оба конца пучков прикреплены к решетке. Для улучшения коэффициента теплопередачи жидкости вне трубы в оболочке устанавливают несколько перегородок. Перегородка увеличивает скорость жидкости. Это улучшает турбулентности рабочей среды. 

Система кожухотрубного обменника включает две металлические трубки, идущие параллельно друг другу. В качестве фиксатора применяются герметичные кожухи. Одна из рабочих сред с наименьшей температурой проходит через кожух, а вторая - через трубы. Оба потока равномерно обмениваются теплоносителем и рабочей средой.

Чаще используются гладкие трубы. В аппаратах с газообразными теплоносителями или низкой теплопроводной жидкостью применяются развитые или интенсифицированные трубы, например с низкими выступами различной формы и конфигурации. Низко-ребристые трубы есть в аппаратах с фазовыми переходами в теплоносителе (испарение или конденсация). В зависимости от места работы есть аппараты с холоднотянутыми, экструзионными или сварными трубами из металлов, пластмасс и керамики.

Количество труб определяет, какая площадь поверхности подвергается воздействию потока со стороны кожуха, и определяет количество передаваемого тепла. Принцип работы основан на выводе жидкости через теплоноситель. Обычно температура жидкости на выходе однозначно определяется давлением пара (Pn). Основным регулирующим воздействием является зависимость температуры жидкости на выходе от величины давления (величины поступления) подаваемого пара в систему.

Характеристики теплопередачи зависят от характеристик кожухотрубного типа:

• параллельные – среды с одинаковой температурой имеют одинаковое направление;
  

• прямо-контактные – с прямым контактом рабочих сред. Массы разной температуры смешиваются напрямую;
  

• регенеративные – тепло от поверхности накапливается, отводится попеременно;
  

• рекуперативные испаряющие – в ледовых установках, радиаторах машин.
  
  

Кожухотрубные теплообменники есть в холодильниках, в компрессорных установках с металлургии и горной промышленности, в опреснительных установках, вентиляции и кондиционерах. Распространены они и в оборудовании, предназначенном для выработки высоко-мощной энергии.

Кожухотрубные теплообменники имеют разнообразные внутренние конструктивные элементы, подбираемые в соответствии с предполагаемой тепловой мощностью, требуемой компенсацией тепловой деформации, мощностью на прокачку теплоносителей. Отдельно оценивается соответствие рабочим температурам и давлениям, коррозийной устойчивости.

Пластинчатые теплообменники

Пластинчатый теплообменник содержит пластины, объединенные крышками и уплотненные резиновыми прокладками. Конструкции полностью герметичны благодаря дополнительному соединению болтами. Число пластин зависит от размера рамы. В аппаратуре расположены стальные, алюминиевые, титановые элементы.

Теплоноситель двигается по определенной схеме, поскольку элементы соединены по схеме горячая-холодная-горячая. За счет теплопередачи через разделяющие каналы осуществляется теплообмен между этими потоками. Это увеличивает коэффициент полезного действия рабочих жидкостей.

Схема работы:

• теплоноситель, нагретый до определенной температуры, направляется к верхнему отверстию;
  

• рабочая среда постепенно спускается по четным пластинам;
  

• холодная жидкость по нечетным элементам продвигается по диагоналям углов.
  
  

С помощью такой схемы управляющий оператор регулирует температуру в теплосистеме через добавление-удаление пластин. Эта особенность оборудования позволяет контролировать, уменьшать расход теплоэнергии.

Пластинчатые современные теплообменники применяются в:

• в аппаратуре теплообмена горячих систем теплоснабжения, отопления;
  

• для снижения температуры энергоресурсов в нефтяной промышленности;
  

• на установках предприятий пищевой промышленности. Они обеспечивают эффективную передачу тепла и покрывают потребность в теплообмене при производстве продуктов питания;
  

• для нагрева морской воды и охлаждения оборудования в судостроении;
  

• в химическом и фармацевтическом производстве для выпаривания, обработки осадка и производства биоэнергии, этанола, дизеля, биогаза.
  
  

Агрегаты этого вида приходят на замену кожухотрубным обменникам, поскольку имеют более интересные характеристики. Пластинчатые теплообменники обладают увеличенным коэффициентом теплопередачи. Это приводит к хорошему отоплению помещений, экономии энергоресурсов.

Отличия теплообменников

Основной показатель – надежность работы оборудования. Он учитывается при разработке аппаратов и при их эксплуатации. С одной стороны обменники с пластинами более надежны из-за применения коррозионностойких материалов – сталь, никель, титан. С другой стороны трубчатые системы благодаря составным частям устойчивы к гидроударам, перепадам температур и давления.

При равных исходных температурных условиях оборудование двух типов имеет разные характеристики. Основные отличия по ряду показателей:

• габариты. Пластинчатый теплообменник компактнее, поскольку вставка дополнительных пластин не увеличивает объем оборудования. В кожухотрубном теплообменнике габариты внушительнее за счет установки новых теплообменных труб;
  

• вес. Пластины изготавливаются из тонких листов, что снижает вес. Трубы второго типа предполагают установку дополнительных весовых элементов рамы;
  

• теплопередача. Для повышенных температур, давлений применяют кожухотрубные обменники, поскольку для агрессивных условий эксплуатации подходят только пластины из титана или других дорогих металлов;
  

• рабочие особенности. Замена пластин производится легче, чем замена труб, поэтому в целом, пластинчатые теплообменники служат дольше. Но схема проверки оборудования на утечки гораздо сложнее, чем при использовании кожухотрубного обменника;
  

• цена обслуживания. Установка пластинчатого теплообменника менее выгодна, однако его очистка выполняется простым и недорогим способом – турбулентным потоком;
  

• теплоизоляция. Для аппарата с пластинами не требуется дополнительного изоляционного слоя, в то время, как требования ГОСТ не позволяют использовать трубное оборудование без дополнительного слоя;
  

• удобство обвязки. Оборудование кожухотрубчатого типа обычно имеет разносторонний вывод воды. У второго типа аппаратуры трубы выводятся на одну сторону. Исходя из этого, кожухотрубные варианты легче вписываются в объекты и не требуют дополнительного сооружения водоотводов.
  
  

Для работы кожухотрубного оборудования требуется организация фундамента. Аппаратура предполагает полный разбор при обнаружении аварийных мест. В пластинчатом теплообменнике протечка выявляется и устраняется мгновенно.

Сравнение теплообменников при перепаде температур

При перепадах температур оборудование кожухотрубного типа экономичнее. Пластинчатые теплообменники предполагают высокое давление, поэтому поток внутри них ограничен. Оборудование требует замены герметизирующих прокладок каждые два года. Процедура замены выводит аппарат из строя.

Вследствие невысокого качества воды в городах России кожухотрубные теплообменники быстро засоряются. Конструктивные особенности оборудования не позволяют очистить их полностью. Это снижает эффективность теплопередачи, заставляет инженеров оставлять большой запас для накипи при проектировании труб. Очистка засорившегося оборудования – практически бесполезный процесс. Поэтому все большее распространение получает оборудование пластинчатого типа.

Однако процесс очистки кожухотрубного обменника проще, поскольку для процедуры необходимо только снять торцевые крышки, открыть сердечник. Очистные мероприятия проводят часто, поскольку жесткая, морская вода оставляет на стенках трудносмываемые отложения, сужающие трубный проход, уменьшающие скорость теплопередачи.

 

Преимущества кожухотрубных теплообменников

Специалисты предпочитают кожухотрубные аппараты, несмотря на характеристики пластинчатых обменников. Это объясняется длительным сроком службы, возможностью использовать оборудование с любыми охлаждающими средами.

Достоинства кожухотрубного оборудования:

• отсутствие требований к чистоте рабочих сред - кожухотрубные обменники работают с загрязненными жидкостями;
  

• недорогое обслуживание;
  

• устойчивость к гидроударам;
  

• большая обменная площадь;
  

• простая схема работы.
  
  

Кожухотрубный теплообменник является аппаратом с качественными характеристиками. Он имеет увеличенный срок службы, но требует планового обслуживания ввиду взаимодействия с агрессивными средами, высокими температурами.

Недостатки кожухотрубных теплообменников

Оборудование кожухотрубного типа имеет ряд недостатков:

• большой вес и габариты;
  

• увеличенная статья расходов на комплектующие части;
  

• сложная система плановой прочистки и ремонта из-за невозможности разбора оборудования;
  

• потери тепла при низкой скорости теплоносителя.
  
  

Кожухотрубчатые аппараты в сравнении с пластинчатыми типами обладают низким КПД. Для крупных предприятий, где стоимость эксплуатации – преобладающий параметр, применяется этот тип устройств.

 

Преимущества пластинчатых теплообменников

Пластинчатые теплообменники более распространены. Они подходят для небольших систем теплоснабжения благодаря габаритам. 

Преимущества тепло-устройств:

• малый вес;
  

• возможность увеличения площади оборудования путем увеличения количества пластин;
  

• стоимость комплектующих;
  

• увеличенный КПД;
  

• возможность ремонта без капитального разбора аппарата.
  
  

Для современных предприятий применение пластинчатого варианта предпочтительнее ввиду его компактности и возможности быстрого ремонта.

Недостатки пластинчатых теплообменников

Наряду с преимуществами, у пластинчатых теплообменников есть ряд недостатков:

• может применяться только с химически очищенными рабочими средами;
  

• периодическая замена прокладок - текущая проверка превышает 50% стоимости агрегата. Если в условиях городской среды материалы всегда есть в наличии, то для отдаленных территорий выходом становится только установка кожухотрубного аппарата;
  

• требуют частой промывки химическими составами;
  

• при необходимости замены пластин оборудование разбирается полностью. Оборудование выводится из строя на долгое время. Для решения проблемы требуются специалисты высокого класса;
  

• зависимость рабочих характеристик от жесткости воды.
  
  

Главный недостаток пластинчатого оборудования – высокий коэффициент гидравлических потерь. ГОСТами установлены параметры скорости рабочих жидкостей в теплообменных пунктах – до 0,4 м/с. Скорость носителя увеличивается, но ограничивается возможность контроля за тепловой мощностью. Кроме того ухудшаются массогабаритные характеристики.

Пластинчатые и кожухотрубные современные теплообменники – оборудование, предназначенное для передачи тепла от одной среды к другой. Аппараты имеют разные характеристики, позволяющие подобрать устройство для конкретных целей. Пластинчатый теплообменник компактен, имеет высокий КПД и недорогие комплектующие. Кожухотрубные теплообменники применимы загрязненными средами. Такие обменники устойчивы к гидроударам и просты в обслуживании.