5.5. Пластинчатые теплообменники

Пластинчатые теплообменники состоят из ряда параллельных гофрированных пластин. Гофры на пластинах способствуют организации течения между пластинами в прямоугольных каналах, а также турбулизируют поток.

Греющая и обогреваемая среда разграничены пластинами, которые собраны в пакеты на единый каркас. Пластины соединяются (уплотняются) между собой в зависимости от давления сред: вальцовкой, роликовой сваркой или пайкой.

Наиболее широко применяются пластинчатые теплообменники с теплоносителями жидкость-жидкость при рабочем давлении до 2 МПа и температуре не выше 150С, хотя некоторые аппараты могут работать при температуре до 300С.

Пластины могут быть изготовлены из различных металлов, включая нержавеющую сталь, титан, никель толщиной от 0,1 до 1,0 мм. Пластинчатые теплообменники нашли широкое применение в основном в химической, нефтяной и пищевой промышленности. В последние годы из-за своей компактности они внедряются в системы отопления.

Необходимо отметить, что при низкой металлоемкости они обеспечивают также на 11,5 порядка большую передачу тепловой энергии с единицы объема оборудования по сравнению с традиционными поверхностями (трубчатыми) теплообменниками.

Однако их эксплуатация ограничивается жесткими требованиями к чистоте протекающих в них сред. Пластинчатые теплообменники образованы каналами очень маленьких размеров с эквивалентным диаметром не более 5 мм. Образование в этих каналах даже незначительных отложений приводит к невозможности дальнейшей эксплуатации этих теплообменников [4].

5.6. Обратный элемент

В обратном элементе (рис.5.6), называемом еще трубкой Фильда, нагреваемый теплоноситель делает два хода:

• сначала он нагревается, протекая по внутренней трубе за счет тепла, передаваемого от его же второго хода;

• во втором ходе, протекая в зазоре между внутренней и наружной трубой, он нагревается от внешнего источника тепла.

Рис. 5.6. Обратный элемент (трубка Фильда)

Такая конструкция теплообменной поверхности используется не часто, однако она технологична, проста в изготовлении и полностью компенсирует возникающие в ней температурные удлинения.

В качестве примера использования трубок Фильда в энергетике можно привести теплообменники – подогреватели мазута. В самих обратных элементах протекает мазут, а греющей средой, омывающей эти элементы снаружи, является пар. Другим примером оригинального технического решения по использованию трубок Фильда можно привести конструкцию парогенератора для реактора БН-350. В обратных элементах циркулирует вода, источником тепла является расплав жидкого металла, омывающий трубки снаружи.

6. Интенсификация теплообмена

Необходимость использования интенсификации теплообменника в оборудовании должна быть обоснована. Используется она, как правило, в следующих случаях:

- при изготовлении специального оборудования с жесткими требованиями к минимуму габаритов;

- если одно из термических сопротивлений при сложном теплообмене больше на порядок или два остальных термических сопротивлений. Это основной критерий, от которого отталкиваются при расчетах и конструировании теплообменного оборудования.

При сложном теплообмене коэффициент теплопередачи всегда меньше меньшего из всех:

.

Поэтому, если термическое сопротивление стенки или отложений на ней на порядок больше, чем термическое сопротивление теплоотдачи, то никакие усилия по увеличению ₁ и ₂ к положительному эффекту не приведут. Например, в котлах коэффициент теплоотдачи (охлаждения) в трубах от их внутренней поверхности к воде, принимающий значение 5-10 кВт/(м²К) даже не учитывается в расчетах, так как снаружи коэффициент теплоотдачи излучением принимает значение в 20-30 раз ниже и равен 100-200 кВт/(м²К). Поэтому в прикидочных расчетах обычно коэффициент k принимают равным коэффициенту теплопередачи по наружной поверхности труб. И именно это значение  нужно интенсифицировать.

Рассмотрим другой пример: когда в водо-водяном теплообменнике (рис. 6.1) _Г и _ОХ примерно равны 10 кВт/(м²К), тогда термические сопротивления теплоотдачи имеют следующие значения:

.

Если при этом теплообменная поверхность выполнена из нержавеющей стали марки 08Х18Н10Т с коэффициентом теплопроводности =15 Вт/(мК) и толщиной стенки _ст=1,510^-3 м, то термическое сопротивление теплопроводности будет равно предыдущим R_ст=10^-4. Этот теплообменник спроектирован удачно и интенсификация потока (увеличение ) не приведет к увеличению коэффициента теплопередачи.

Рис. 6.1. Схема сложного теплообмена в трубе

В случае образования в трубах отложений, они так же могут значительно снизить все усилия по увеличению коэффициента k, даже если мы достигаем равенства термических сопротивлений. Это необходимо учитывать при проектировании.

Задачу интенсификации теплообмена разделяют по видам теплообмена [4]:

- при парообразовании наиболее интенсивный режим теплообмена при пузырьковом кипении =5-10 кВт/(м²к). Больших значений получить, как правило, не удается. Увеличение в потоке паросодержания и переход режима течения в снарядный снижают коэффициент до 1-2 кВт/(м²К). При диффузионном режиме кипения =500-800 Вт/(м²К).

- при конденсации рассматривают два механизма: пленочную и капельную конденсацию. Пленочная конденсация является традиционной, имеет коэффициент _пк=1-5кВт/(м²К). Разброс значений  связан с влиянием на коэффициент теплоотдачи неконденсирующих газов.

Коэффициент капельной конденсации имеет значения до 50 кВт/(м²К). Однако в энергетике она практически не используется и достижима только при реализации в оборудовании специальных технических решений. При капельной конденсации образующаяся жидкость по своему поверхностному натяжению не должна смачивать материал теплообменной поверхности. Но вода хорошо смачивает теплообменные материалы. Плохо смачиваемые материалы, как правило, имеют низкую теплопроводность (это высокомолекулярные органические соединения, такие, как фторопласт, ПХВ и др.) и в качестве теплообменных использоваться не могут.

Капельная конденсация может быть реализована следующими техническими средствами:

• введением в пар поверхностно-активных веществ (ПАВ). В середине 70-х гг. проводились опыты в ГДР на ВВЭР-440. В начале 80-х – на Кольской АЭС силами ВНИИАМ; широкого распространения технология не получила из-за отсутствия дешевых отечественных материалов;

• покрытием всех теплообменных трубок наружным тонким слоем фторопласта толщиной _сл = 0,1-0,2 мм. Работы проводились в середине 80-х гг.; по заказу ЦКТИ на кафедре органической химии НПИ было изготовлено несколько труб, получены интересные результаты;

• в электрическом поле напряжением до 50 кВ капли не смачивают поверхность. Однако этот способ не используется, так как очень опасен.