Пластинчатые теплообменники
Пластинчатые теплообменники приобретают все большую популярность в целом ряде отраслей промышленности, в частности в пищевой. Работа теплообменника этого типа показана на рис.
7.15. Потоки жидкости разделены тонкой гофрированной металлической мембраной. В результате турбулизации потока, как показано на рис. 7.16, достигается повышение коэффициента теплопередачи.Каждая пластина снабжена прокладкой, обеспечивающей полную изоляцию нагреваемой или охлаждаемой жидкости. В теплообменнике имеется целый ряд таких пластин, подвешенных к раме и прижатых к неподвижной жесткой концевой пластине с помощью подвижной пластины, расположенной на другом конце теплообменника.
Рис. 7.16. Гофрированная пластина, применяемая для создания турбулентного движения, обеспечивающая высокий коэффициент теплопередачи
Основным конкурентом пластинчатого теплообменника является обычный теплообменник кожухотрубчатого типа. Несмотря на то что он значительно усовершенствован за последние роды с целью повышения коэффициента теплопередачи, он имеет ряд недостатков, связанных с относительно большими размерами и плохим распределением потока жидкости. При эксплуатации появляются также проблемы очистки, а из-за изменения направления потока в этих теплообменниках может иметь место значительное падение давления. Безусловно, теплообменник кожухотрубчатого типа идеален для работы при высоком давлении, однако необходимо отметить, что пластинчатые теплообменники, собранные на опорной раме, могут выдерживать рабочее давление около 20-10® Па. Сравнение поверхностей нагрева и падения давления теплообменников этих двух типов дано в табл.
7.4 [7.19]. Эти результаты, основанные на исследованиях, проведенных в США, показывают, что можно значительно уменьшить поверхности нагрева в результате применения пластинчатых теплообменников, и за одним или двумя исключениями в этих теплообменниках падение давления ниже. Производительность пластинчатого теплообменника может быть повышена или снижена путем изменения количества пластин. Одна сборка может обеспечить пропускную способность максимум 1000 м3/ч жидкости при рабочей температуре около300°С. Пластины обычно выполнены из нержавеющей стали, но для специальных типов используются такие материалы, как титан, гастелой, алюминий, тантал и др. 160Т а 0 л и п а 7.4. Сравнение поверхности нагрева и падения давления
в пластинчатых и кожухотрубчатых теплообменниках
| Теплоносії голь | КожухО! рубчатый теплообменник | Пластинчатый теплообменник | |||
| Вид | 1емпера- тура. ®С (вход/выход) | Поверх- ноеть иаг- рева. м? | Падение давления, кПя | Поверхность нагрева, м* | Падение давления. кПа |
| Углеводород (А) Вода (В) Вода (А) Морская вода (В) Бензин (А) Вода (В) Растворитель (А) Вода (В) Сточные воды (А) Соленая вода (В) | 160/49 33/49 42/28 22/37 105/35 26/35 60/40 26/35 106/38 20/41 | 28 ИЗО 84 170 140 | 2,8 20,6 131 131 22 31 20 31 72 55 | 8,4 330 26 41 36 | 2,1 15,2 74 61 9.7 31 21 24 31 69 |
Примечание. А — греющий; В — нагреваемый теплоносители.
Рис.
7.17. Применение пластинчатого теплообменника фирмы APV в промышленной установке выпарки:Хотя для первичного и вторичного потоков применяются идентичные пластины, скорости этих потоков могут быть неодинаковыми. На рис. 7.17 приведен пример применения пластинчатого тепло- обм'енника в промышленной установке выпарки фирмы Albright Wilson Ltd, который был поставлен фирмой APV.
/ — каплеотделитель; 2 — разбрызгиватель; Я — компрессор; 4 «=-¦ пластинчатый теплообменник
Рис. 7.18. Применение пластинчатого теплообменника на заводе пастеризации молока
Рис. 7.19. Зависимость между Рис. 7.20. Влияние степени регенерации
количеством пластин н сте- теплоты на расходы на установке пастери-
пеныо регенерации зации молока:
1 — капиталовложения; 2 — эксплуатационные расходы; 3 — суммарные расходы
Пластинчатый теплообменник типа Paraflow _ предназначен для подогрева питательной воды котла. Источником теплоты является отработанный насыщенный водяной пар и газ из выпарных аппаратов с температурой 80 °С, который компрессором подается в конденсатор. Конденсат при температуре 74 °С проходит через теплообменник для нагрева питательной воды от 8 до 65 °С и возвращается в конденсатор при температуре 34 °С. Избыток конденсата используется на технологические цели.
Пластины теплообменника, выполненные из нержавеющей стали 106, имеют общую поверхность 55 м2, весь теплообменник занимает площадь 3,0x0,75x2,0 м, а его производительность составляет 750 тыс. л горячей воды в сутки.
Стоимость всей установки с трубопроводами, компрессором и охлаждающей колонной составила 9200 ф.
ст.Пластинчатые теплообменники находят широкое применение [7.21] в целом ряде процессов молочной промышленности. На рис. 7.18 приводится процесс пастеризации молока. Так как молоко охлаждает- 162 ся перед разливом в бутылки,-то эта теплота может использоваться для нагрева молока, поступающего в пастеризатор. Таким образом утилизируется теплота, которая обычно сбрасывается-с охлаждающей водой. При этом сокращаются почти на 90% затраты энергии на процесс пастеризации. В представленном примере утилизируется 86% сбросной теплоты.
Из рис. 7.19 видно, что можно утилизировать и более 90% теплоты, сохранив приемлемые размеры теплообменника. Для определения степени регенерации в определенном процессе необходимо принимать во внимание стоимость энергии, капитальные затраты на пластины и эксплуатационные расходы. Повышение стоимости энергии привело к тому, что если в процессе пастеризации до недавнего времени обычно применялись регенераторы с КПД 85%, то в настоящее время идут на увеличение капитальных затрат, связанных с установкой дополнительных пластин, чтобы повысить КПД регенератора до 90% и выше. На рис. 7.20 показано влияние регенерации теплоты на расходы для установки пастеризации молока производительностью 5,7 л в секунду.
Коэффициенты теплопередачи в пластинчатых теплообменниках изменяются в диапазоне 10 000—2500 кДж/(м2-ч-°С), и площадь поверхности пластин обычно составляет 1 м2. Потери теплоты незначительны, поскольку только ребро пластины имеет контакт с воздухом, и нет необходимости в теплоизоляции.
При сравнении пластинчатых теплообменников с кожухотрубчатыми необходимо принять во внимание конструкционные материалы. Пластинчатые теплообменники обычно изготавливают из нержавеющей стали или других дорогостоящих материалов, что продиктовано требованиями их применения.