Пластинчатый теплообменник: устройство и принцип работы простыми словами

ООО «ПРОМТЕХРЕШЕНИЯ» · 

Пластинчатый теплообменник стоит почти в каждом современном тепловом пункте, но для многих остаётся чёрным ящиком: две трубы зашли, две вышли, внутри как-то греется. Разбираем по узлам, из чего он состоит, как в нём текут вода и теплоноситель, почему компактный аппарат справляется с нагрузкой, для которой кожухотрубному нужны метры труб, и что мешает ему работать. Цифры берём из руководства по эксплуатации Ридан, ГОСТ 15518-87 и СП 510.

Коротко

•      Пластинчатый теплообменник передаёт тепло от одной жидкости к другой через тонкие гофрированные пластины. Среды текут по соседним каналам и не смешиваются.

•      Разборный аппарат состоит из рамы (неподвижная и прижимная плиты, направляющие, стяжные шпильки) и пакета пластин с прокладками.

•      Каждая вторая пластина повёрнута на 180°, поэтому каналы для греющей и нагреваемой сред чередуются через один.

•      Среды идут навстречу друг другу. Противоток позволяет нагреть воду выше температуры, с которой греющая вода уходит из аппарата.

•      Высокую эффективность дают тонкая стенка, турбулентный поток между гофрами и большая площадь в малом объёме.

•      Бывают разборные, паяные, полусварные и сварные аппараты. В тепловых пунктах чаще всего ставят разборные и паяные.

Что это за аппарат

Теплообменник нужен, когда тепло надо передать, а жидкости смешивать нельзя. Сетевая вода из теплосети грязная и горячая, её нельзя пускать в краны и радиаторы. Пластинчатый аппарат забирает у неё тепло и отдаёт чистой воде системы отопления или ГВС. Так же он охлаждает масло, нагревает воду в бассейне, разделяет гликоль и воду.

Тип такого аппарата называют рекуперативным: тепло проходит через стенку, которая разделяет две среды. Стенка здесь очень тонкая, обычно 0,4-0,8 мм нержавеющей стали, и её много. Отсюда и весь выигрыш в размерах.

СП 510.1325800.2022 называет пластинчатые водо-водяные водоподогреватели первым из допустимых типов для тепловых пунктов (п. 8.2.1) и требует для них пластины из нержавеющей стали (п. 8.2.3). Где ещё работают такие аппараты, мы показывали на примерах отопления, ГВС и бассейна.

Из чего состоит разборный аппарат

Возьмём самый распространённый вариант, разборный. Руководство Ридан описывает его так: рама из неподвижной плиты, верхней и нижней направляющих, прижимной плиты и задней стойки. Между плитами висит пакет пластин с прокладками, его обжимают стяжные болты.

Узлы разборного пластинчатого теплообменника

Есть два параметра рамы, которые важно понимать. Первый: размер стяжки, расстояние между плитами в собранном виде. Он указан в паспорте и на шильде, по нему собирают пакет после промывки. Второй: длина направляющих. От неё зависит, сколько пластин рама может принять, если аппарат решат расширить.

Присоединение к трубопроводам резьбовое у малых моделей и фланцевое у крупных. У Ридан, например, НН№04 и НН№08 стандартно идут с резьбой, а аппараты с портами от Ду 50 на фланцах.

Пластина крупным планом

Пластина это штампованный лист нержавеющей стали или титана. На нём есть:

•      Гофры. Рельеф «ёлочкой» или полусферические углубления. Гофры соседних пластин упираются друг в друга, образуют точки опоры и заставляют поток постоянно менять направление.

•      Четыре порта по углам. Через два проходит одна среда, через два другие.

•      Канавка под прокладку по периметру и вокруг портов.

•      Распределительные поля у портов. Они растягивают поток из узкого порта на всю ширину пластины.

•      Дренажные отверстия в зоне, где порт уплотнён двойной прокладкой. Если одна из прокладок отказала, жидкость выходит наружу, и это видно сразу, без смешивания сред.

Профиль гофр определяет характер канала. Пластины с «мягким» профилем дают меньший нагрев и меньшее сопротивление, с «жёстким» больший нагрев и большие потери давления. Комбинируя их, расчётчик попадает в нужные температуры и допустимые потери. Подробно о профилях, толщинах и материалах пластин мы писали в статье о пластинах для теплообменника.

Как текут среды

Главный трюк конструкции в том, что все пластины в пакете одинаковые, но каждая вторая развёрнута на 180°. Прокладка на пластине открывает проход в канал с одной пары портов и закрывает с другой. При развороте следующей пластины картина меняется зеркально. В итоге каналы для двух сред чередуются: греющая вода идёт по нечётным, нагреваемая по чётным.

Проследим путь на стандартном одноходовом аппарате, обозначения портов по Ридан:

1.    Греющая вода из тепловой сети входит в порт F1 на неподвижной плите. Порты пластин, выстроенные в линию, образуют общий коллектор, который проходит сквозь весь пакет.

2.    Из коллектора вода расходится по нечётным каналам, пересекает каждую пластину сверху вниз и собирается в нижнем коллекторе.

3.    Остывшая вода уходит через порт F4.

4.    Нагреваемая вода входит в порт F3, расходится по чётным каналам, идёт снизу вверх и выходит через F2.

Каждая пластина с одной стороны омывается горячей водой, с другой холодной. Первая и последняя пластины в теплообмене не участвуют, последняя обычно глухая, без портов. Поэтому площадь теплообмена аппарата считают по числу пластин минус две.

Противоток и почему он важен

Греющая вода идёт сверху вниз, нагреваемая снизу вверх. Это противоток, и СП 510 требует его для водо-водяных подогревателей (п. 8.2.2). У противотока есть полезное свойство: нагреваемая вода на выходе встречается с самой горячей греющей водой. Поэтому её можно нагреть выше температуры, с которой греющая вода покидает аппарат. При попутном движении это невозможно.

Одноходовые и многоходовые схемы

В одноходовом аппарате все четыре порта на неподвижной плите, среда проходит пакет один раз. Это самый удобный вариант для обслуживания. Если расход маленький, а нагреть нужно сильно, пакет делят перегородками на несколько ходов: среда проходит часть каналов, разворачивается и идёт через следующую группу. Порты тогда появляются и на прижимной плите, а разборка усложняется, потому что к плите подходят трубы.

Почему он такой эффективный

Тепло от горячей воды к холодной проходит три этапа: от потока к стенке, через стенку и от стенки к другому потоку. Пластинчатый аппарат выигрывает на каждом.

•      Тонкая стенка. Пластина толщиной 0,5 мм из нержавеющей стали с теплопроводностью около 16 Вт/(м·К) почти не мешает теплу. Её сопротивление примерно 0,00003 м²·К/Вт.

•      Турбулентность. Гофры закручивают поток даже при небольшой скорости. Пограничный слой у стенки постоянно обновляется, и теплоотдача растёт в разы по сравнению с гладкой трубой.

•      Большая площадь в малом объёме. Пластины стоят с шагом в несколько миллиметров, и каждая работает обеими сторонами.

•      Противоток и малый температурный напор. Аппарат способен работать с разницей температур между средами в несколько градусов.

Пример на цифрах

Возьмём Ридан НН№14: площадь одной пластины 0,15 м². Пакет из 50 пластин даёт 48 × 0,15 = 7,2 м² поверхности. Такой пакет помещается в раму третьего типа длиной около 0,6 м. Условный режим: греющая вода 110→70 °C, вода системы отопления 65→95 °C.

Разница температур на горячем конце 110 − 95 = 15 °C, на холодном 70 − 65 = 5 °C. Средняя логарифмическая разность:

Δtср = (15 − 5) / ln(15 / 5) ≈ 9,1 °C

Коэффициент теплопередачи для пластинчатого аппарата примем 5 000 Вт/(м²·К). Это середина диапазона 4 500-6 000, который заместитель главного инженера «Нижегородтеплогаза» О. В. Жаднов в журнале «Новости теплоснабжения» назвал оптимальным для ПТО. Тогда мощность:

Q = k × F × Δtср = 5 000 × 7,2 × 9,1 ≈ 328 кВт

Аппарат длиной с полметра передаёт около трети мегаватта. Обратите внимание на температуры: вода отопления уходит с 95 °C, а греющая вода покидает аппарат при 70 °C. Это и есть выигрыш противотока.

Как считают аппарат под конкретную задачу, мы разобрали в статье как подобрать пластинчатый теплообменник.

Что мешает ему работать

Обратная сторона узких каналов и тонкой стенки: аппарат чувствителен к отложениям, грязи и скачкам давления.

•      Накипь. По расчётам Жаднова, у аппарата с k = 5 000 слой накипи 0,2 мм снижает коэффициент теплопередачи до 0,545 от исходного, почти вдвое. Подробнее в статье про накипь в теплообменнике.

•      Механическая грязь. Окалина, песок и пакля забивают порты и распределительные поля, растёт сопротивление. От этого защищает грязевик перед теплообменником.

•      Воздух. Руководство Ридан отмечает, что воздух в пакете снижает теплопередачу, увеличивает сопротивление и повышает риск коррозии. Его выпускают при пуске.

•      Гидроудары и скачки давления. Тонкие пластины прогибаются, прокладки выдавливает. Об этом статья про гидроудар в системе отопления.

•      Старение прокладок. Резина теряет упругость, появляются течи по периметру.

Как понять, что аппарат пора чистить или менять, мы собрали в статье 7 признаков.

Разборный, паяный, полусварной и сварной

Принцип у всех одинаковый: пакет гофрированных пластин и чередующиеся каналы. Различается способ, которым каналы уплотнены.

В тепловых пунктах зданий чаще всего ставят разборные аппараты, на малых мощностях паяные. Подробное сравнение двух основных вариантов в статье разборный или паяный теплообменник. Разборные модели разных брендов смотрите в нашем каталоге.

Чем пластинчатый отличается от кожухотрубного

Кожухотрубный аппарат устроен иначе: пучок труб внутри цилиндрического корпуса, одна среда идёт по трубам, другая снаружи. Он прочнее, переносит высокие давления, температуры и грязные среды, его не пугают гидроудары. Зато при той же мощности он намного длиннее и тяжелее, а работать с таким же малым температурным напором, как пластинчатый, он может только ценой очень большой поверхности.

Есть ещё одно различие, которое заметно в работе. В пластинчатом аппарате мало жидкости, поэтому он быстро реагирует на изменение режима и хорошо держит температуру ГВС при переменном разборе. В кожухотрубном объём воды больше, и он работает инерционнее. Про кожухотрубные аппараты подробно в статье о кожухотрубном теплообменнике.

Как классифицирует ГОСТ 15518-87

Советский ГОСТ 15518-87 «Аппараты теплообменные пластинчатые. Типы, параметры и основные размеры» до сих пор встречается в проектах и опросных листах. Он распространяется на аппараты площадью от 1 до 800 м², работающие при избыточном давлении от 0,002 МПа и температурах от минус 70 до плюс 200 °C.

•      Тип Р: разборные с одинарными пластинами. Исполнения 1, 2 и 3 различаются рамой: консольная, двухопорная, трёхопорная.

•      Тип РС: разборные со сдвоенными пластинами.

•      Тип Н: неразборные.

•      Разность давлений между полостями для типов Р и РС по стандарту 0,6 МПа.

•      Пример обозначения: Р 02-6,3-1К-01. Это разборный аппарат с пластиной 0,2 м², площадью 6,3 м², первого исполнения, в коррозионно-стойком исполнении, модель 01.

Современные производители выпускают аппараты по собственным техническим условиям. Ридан, например, по ТУ 28.25.11-001-72323163-2018, и обозначения у них свои. Как читать шильды разных брендов, мы разбирали в статье как читать маркировку теплообменника, устройство и модельный ряд Ридан подробно в материале о теплообменниках Ридан НН.

Что стоит вокруг аппарата

Сам по себе теплообменник ничего не регулирует. Температуру держит обвязка, и СП 510 задаёт её основу.

•      Регулирующий клапан на греющей стороне. Контроллер открывает и прикрывает его по температуре нагреваемой воды (п. 5.5 СП 510).

•      Циркуляционный насос на обратном трубопроводе системы перед водоподогревателем (п. 5.6).

•      Манометры и термометры на входе и выходе греющей и нагреваемой воды (п. 12.13). По ним видно мощность и засорение аппарата.

•      Грязевики и фильтры перед аппаратом и регулирующей арматурой.

•      Предохранительные клапаны на независимом контуре и на линии холодной воды перед подогревателем ГВС (п. 8.6.7).

•      Запорная арматура с обеих сторон, чтобы отсечь аппарат на время промывки, и дренажи для слива.

Подробная схема обвязки с арматурой и КИП будет в отдельной статье блога. Требования СП 510 к самим водоподогревателям мы разберём в следующем материале.

Пуск и остановка

Пластинчатый аппарат не любит резких изменений. Руководство Ридан задаёт несколько правил, которые полезно знать каждому, кто работает в тепловом пункте:

1.    Перед пуском заполнить контуры и выпустить воздух. Воздух вытесняется потоком среды.

2.    Первым запускают нагреваемый (холодный) контур, затем греющий (горячий).

3.    Давление при пуске и остановке поднимают и снижают не быстрее 0,3 МПа в минуту, температуру меняют не быстрее 10 °C в минуту.

4.    Если греющая среда пар, его подают последним, после всех остальных сред.

5.    Останавливают в обратном порядке: сначала греющий контур, потом нагреваемый.

Ещё одно наблюдение из руководства: при первом пуске могут появиться небольшие течи по прокладкам. Они исчезают, когда пластины и прокладки прогреются до рабочей температуры. Если течь не уходит после выхода на режим, аппарат проверяют.

Мифы о пластинчатых теплообменниках

•      «Добавим пластин, и он будет греть лучше». Если расходы остаются прежними, скорость в каналах падает, и коэффициент теплопередачи снижается почти пропорционально. Жаднов посчитал: у загрязнённого аппарата добавление 20 % пластин без перекомпоновки даёт прирост мощности около 4 %. Пластины добавляют по расчёту, обычно когда растёт нагрузка или надо снизить сопротивление.

•      «Течёт, значит, надо подтянуть посильнее». Подтягивать можно только до минимального размера стяжки по паспорту. Дальше пластины деформируются, и течь становится хуже.

•      «Пластинчатому нужна только чистая вода». Для стандартных аппаратов это правда. Для сред со взвесью, волокнами и вязких жидкостей делают аппараты free-flow с широкими каналами, где пластины не касаются друг друга.

•      «Паяный вечный, его не надо обслуживать». Прокладок у него нет, но накипь и грязь копятся так же. Его промывают химически, а если промывка не помогла, меняют аппарат целиком.

•      «Пластинчатый всегда лучше кожухотрубного». На паре высокого давления, на очень грязных средах и при частых гидроударах кожухотрубный аппарат часто надёжнее. Выбор делают под задачу.

Как его обслуживают

Жизнь разборного аппарата состоит из нескольких повторяющихся работ. Перед отопительным сезоном его промывают, при росте сопротивления чистят, после промывки собирают по размеру стяжки и опрессовывают. Раз в несколько лет меняют прокладки, повреждённые пластины меняют парами.

•      Промывка без разборки и с разборкой: статья о промывке.

•      Замена прокладок и выбор материала: статья об уплотнениях.

•      Гидравлические испытания и акт: статья об опрессовке.

•      Регламент на весь срок службы: 10 правил эксплуатации.

Словарик

Чем поможет ПромТехРешения

Поставляем разборные и паяные пластинчатые теплообменники, пластины и уплотнения к аппаратам основных брендов. Подберём аппарат под ваши параметры или найдём аналог работающему, расчёт бесплатно, от 3 часов: подбор теплообменника. Обслуживаем аппараты на объекте: промывка, замена пластин и прокладок, опрессовка.

Частые вопросы

Как работает пластинчатый теплообменник?

Две жидкости текут по чередующимся каналам между тонкими гофрированными пластинами и обмениваются теплом через стенку пластины. Каждая вторая пластина повёрнута на 180°, поэтому каналы греющей и нагреваемой сред чередуются, а среды не смешиваются. Обычно среды идут навстречу друг другу, по схеме противотока.

Из чего состоит пластинчатый теплообменник?

Разборный аппарат состоит из рамы и пакета. Рама включает неподвижную плиту с портами, прижимную плиту, верхнюю и нижнюю направляющие, заднюю стойку и стяжные шпильки. Пакет набран из пластин с прокладками, которые обжаты между плитами до размера стяжки по паспорту.

Почему среды в пластинчатом теплообменнике не смешиваются?

Каналы двух сред разделены стенкой пластины, а по периметру и вокруг портов стоят прокладки. Порты уплотнены двойной прокладкой с дренажными отверстиями между ними: если одна прокладка откажет, жидкость выйдет наружу, и течь будет видна до того, как среды смешаются.

Что такое противоток и зачем он нужен?

Противоток означает, что среды движутся навстречу друг другу. Нагреваемая вода на выходе встречается с самой горячей греющей водой, поэтому её можно нагреть выше температуры, с которой греющая вода уходит из аппарата. СП 510.1325800.2022 требует противоточную схему для водо-водяных подогревателей.

Почему пластинчатый теплообменник компактнее кожухотрубного?

У него тонкая стенка, большая площадь в малом объёме и турбулентный поток между гофрами. Коэффициент теплопередачи выходит заметно выше, и при той же мощности нужна меньшая площадь. Например, пакет Ридан НН№14 из 50 пластин площадью 7,2 м² в раме длиной около 0,6 м передаёт около 330 кВт в условном режиме отопления.

Чем разборный теплообменник отличается от паяного?

Разборный собран на прокладках в раме: его можно разобрать, почистить, заменить пластины и прокладки, добавить пластины. Паяный спаян медью или никелем без прокладок, он компактнее, но не разбирается, его чистят только химически.

Сколько пластин участвует в теплообмене?

Все, кроме первой и последней. Первая прилегает к неподвижной плите, последняя обычно глухая. Поэтому площадь теплообмена считают как площадь одной пластины, умноженную на число пластин минус две.

Что такое размер стяжки?

Это расстояние между неподвижной и прижимной плитами собранного аппарата. Оно указано в паспорте и на шильде. По нему собирают пакет после промывки: недотянутый пакет течёт, перетянутый деформирует пластины и выдавливает прокладки.