57.2. Пластинчасті теплообмінні апарати. Види й конструкції

магниевый скраб beletage

Розвиток теплообмінної промисловості за останні 20 років в ос-новному визначається ростом номенклатури й виробництва пластин-частих теплообмінних апаратів (рис.57.3). Це також є характернимчерез посилення режиму енергозбереження, пов'язаного з подорож-чанням теплоносіїв. Остання обставина, а також створення вдалої га-ми конструкцій пластинчастих теплообмінників у різних країнах різ-ними фірмами дозволили говорити про них як безальтернативних теп-лообмінних пристроях для застосування в таких областях, як теплопо-стачання, харчова, цукрова, переробна, нафтогазова й целюлозно-паперова промисловість, важке машинобудування, хімічне виробниц-тво й інші області. Незважаючи на велику кількість фірм-виробниківпластинчастого теплообмінного устаткування, таких як «Альфа Ла-валь» (Швеція), SWEP (Швеція), GEA (Німеччина), AVP (Данія), Пав-лоградхіммаш, «Содружество-Т» (Україна) і інші, виробництво й но-менклатура пластинчастих теплообмінників безупинно росте. Уніка-льність конструкції пластинчастих теплообмінників у порівнянні зіншими типами теплообмінного устаткування полягає в тому, що вонадозволяє істотно знизити енергоспоживання при досить низькій цініапаратів, простоті обслуговування й монтажу.

До основних переваг використання пластинчастих теплообмін-них апаратів можна віднести такі:

висока теплова ефективність при близькому температурно-му наближенні, наприклад для повного протитоку допуска-ється різниця температур на виході близько 1 °С;

можливість швидкого перенастроювання шляхом додаванняабо зменшення кількості пластин у пакеті в межах наявноїконструкції апарата;

компактність і мінімальний простір для сервісного обслуго-вування;

простота обслуговування, можливість швидкого розбиранняй промивання розчином, що чистить;

менші капіталовкладення за рахунок меншої матеріалоємно-сті, меншої площі й відсутності необхідності спеціальногофундаменту для установки;

ідентична геометрія каналів у сукупності з високим коефіці-єнтом теплопередачі дозволяє зменшити витрату теплоносія,вартість труб, запірних арматур, насосів;

високолегована сталь і синтетичний матеріал прокладок незабруднюють продукт.

Класифікація пластинчастих теплообмінників можлива за декі-лькома ознаками:

за способом з'єднання пластин між собою розрізняють: роз-бірні, паяні й зварені, а також напівзварені апарати;

за шириною міжпластинних каналів: вузькоканальні й широ-коканальні;

за рухом потоків: протиточні, прямоточні й апарати з пере-хресним струмом;

за кількістю ходів теплоносіїв: одноходові й багатоходові;

спеціальні парові пластинчасті теплообмінні апарати й випа-рні станції.

Розбірний пластинчастий теплообмінник стандартної конструк-ції, представлений на рис. 57.4, містить сукупність гофрованих плас-тин, виготовлених з корозійно-стійкого матеріалу, що утворюють дваканали для двох теплоносіїв (того, що гріють, й того, що нагріває), якіберуть участь у процесі теплообміну. Пакет пластин, прикріплений донесучої балки, розміщається між опорною (нерухомою) і притискноюплитою, і стягують болтами. Стандартна опорна плита, як правило,має чотири приєднання, по два для входу й виходу теплоносіїв. При-тискна плита може не мати приєднань, мати два або чотири приєднан-ня. Це обумовлено особливостями призначення апарата і його компо-нуванням. Несуча балка теплообмінника конструктивно буває консо-льною, двоопорною (рис. 57.4) або іноді триопорною. Застосовуютьприєднання фланцевого або різьбового типу залежно від марки апара-та й витрати теплоносіїв. На рис. 57.4 показане приєднання під фла-нець. Як матеріал для плит, несучої балки, болтів використовуєтьсявуглецева або оцинкована сталь, для патрубків приєднань застосову-ють нержавіючу й вуглецеву сталь, іноді титан. Болтові з'єднанняоснащені спеціальною системою змащення з підшипникових коробок,розміщених з боку нерухомої плити рами теплообмінника.

Кожна пластина постачена прокладкою з термостійкої гуми, щоущільнює з'єднання й направляє різні потоки рідин у відповідні кана-ли. Середовища, що нагріває і яке нагрівають, завжди відділені одневід одного двома прокладками. Протікаючи по своєму каналі, кожне ізсередовищ має своє ущільнення. Причому, якщо все-таки виникнутьвитоки, то вони будуть тільки назовні й, таким чином, змішування се-редовищ не допускається. Прокладки між пластинами встановлюють-ся в основному без клею («кліпон») і іноді на ньому. Це дозволяє зна-чно спростити обслуговування й експлуатацію апарата за рахунок мі-німальних працезатрат на заміну прокладок безпосередньо обслуго-вуючим персоналом.

Необхідне число пластин, їхній профіль і розмір визначаютьсявідповідно до витрат середовищ і їхніх фізико-хімічних властивостей,температурною програмою й припустимою втратою напору по гарячійі холодній стороні (того, що гріюють, й того, що нагріває, теплоносі-їв). Гофрована поверхня пластин забезпечує високий ступінь турбуле-нтності потоків і жорсткість конструкції теплообмінника.

Основний принцип дії полягає в наступному. Теплоносії, що бе-руть участь у процесі теплопередачі, надходять через поздовжні колекто-ри теплообмінника в канали, під якими мається на увазі герметичнийпростір, утворений двома пластинами (рис. 57.5). Прокладки між пласти-нами, установлені спеціальним способом, розподіляють кожний з тепло-носіїв по каналах кутовими отворами, що чергуються, забезпечуючи теп-лопередачу через стінку поділяючі канали пластин.

Тип гофрування пластин, їхню кількість і конфігурацію каналупідбирають із умов забезпечення оптимальності процесу теплообміну.

Сукупність каналів, по яких теплоносій рухається в одному на-прямку, називають ходом. Розрізняють одноходові (рис. 51.5), дво-,три- і багатоходові теплообмінники. Компонування й число ходів вапараті визначають розрахунковим шляхом, виходячи із властивостейтеплоносіїв, що беруть участь у теплообміні, температурного режимуй гаданих втрат напору на подолання гідравлічних втрат.

Загальна кількість пластин в апараті, наприклад для одноходово-го теплообмінника, дорівнює сумі каналів по стороні, що гріє, й сторонітеплоносія, що нагрівають, плюс одна пластина. Іноді, якщо витратасередовищ, що беруть участь у теплообміні, кількісно різко відрізняєть-ся, то проектують апарати з несиметричним компонуванням, коли чис-ло ходів по гарячому й холодному теплоносіях не збігаються.

На рис. 57.6 наведена схема компонування пластин із двома си-метричними (з однаковою кількістю каналів) ходами для гарячого йхолодного теплоносіїв. При такому компонуванні теплоносії рухають-ся по каналах до спеціальної пластини, у якої відсутні пари колектор-них отворів (не просічені отвори), тому робочі середовища попадаютьу канали, де й міняють напрямок руху.

Для багатоходових теплообмінників пакет пластин завжди об-межений пластиною, що має неповну кількість кутових отворів. Такіпластини називають граничними, наприклад пластина 1 на рис. 57.7.

Теплоносій з першого пакета направляється по колектору дограничної пластини, після чого розходиться по каналах другого паке-та. Напрямок руху теплоносія в цьому пакеті є протилежним його ру-ху в першому пакеті. Ефективність застосування таких компонуваньпояснюється повним використанням заданого значення втрат напорупри високому коефіцієнті теплопередачі.

1

І

_LJ_|

tnn

            І           І

Рис. 57.7. Рух теплоносіїв у двоходовому пластинчастому теплообмінномуапараті: 1 - гранична (поділяюча) пластина.

Паяні теплообмінні апарати, представлені на рис. 57.8, маютьпакет пластин, які спаяні між собою і утворюють два канали, як і врозбірних теплообмінниках. Особливість конструкції дозволяє вико-ристати їх при високих тисках теплоносіїв у процесі теплообміну, атакож для агресивних середовищ.

Напівзварні тепло-обмінні апарати являютьсобою комбінацію розбір-ної й звареної конструкції.У них по одному з каналів(теплоносієві) апарат єзвареним, тобто пластинизварені між собою, а поіншому - розбірним: плас-тини з'єднані через про-кладки. Найпоширенішезастосування таких апара-тів для досить чистих се-редовищ, що не виклика-ють сильних забрудненьповерхні теплопередачі,які, до того ж, можуть бу-ти легко вилучені за до-помогою хімічного про-мивання.

Однією з визначальних характеристик пластинчастих теплооб-мінних апаратів є конструкція й форма пластин, що утворюють повер-хні теплообміну й канали для робочих середовищ. Форма пластин іпрофілі їхньої поверхні дуже різноманітні (рис. 57.9). Пластини випу-скаються із площею теплопередаючої поверхні від 0, 025 до 3,5 м2, щодозволяє реалізовувати максимально точно вибір апаратів на необхід-не теплове навантаження при заданих обмеженнях по робітничих се-редовищах. Якщо потрібна більша пропускна здатність, то окремі апа-рати компонують у блоки. Мала товщина пластин (0,4-1,0 мм) і малийзазор між пластинами (3-6 мм) дозволяють одержати високу компакт-ність і малу металоємність.

Питома робоча поверхня су-часних апаратів може досягати 1500м2/м3. Гофрування пластин забезпе-чує рух теплоносіїв між пластинамив каналах складної форми, що до-зволяє збільшити турбулентністьпотоку й, отже, підвищити коефіці-єнт тепловіддачі. Більшість типівпластинчастих теплообмінників ви-пускається, принаймні, із двома ва-ріантами пластин, які відрізняютьсякутом розкриття гофри (рис. 57.10).Пластини з меншим кутом (рис.57.10а) дають меншу тепловіддачупри меншому значенні гідравлічно-го опору. Відповідно пластини збільшим кутом розкриття гофри(рис. 57.106) характеризуютьсябільш високою ефективністю теп-лопереносу, але при цьому мають більший гідравлічний опір. У цейчас розроблено велику кількість пластин з різним гофруванням, з різ-ним видом гофри, кутами нахилу, сітчастим розташуванням гофру-вання, шевронні пластини й інші типи. Практично всі фірми, що випу-скають пластинчасті теплообмінники, є розроблювачами пластин вла-сної конструкції, як правило, зі своїм оригінальним гофруванням.

Для розбірних апаратів у робочому положенні пластини з гумови-ми прокладками щільно притиснуті одна до одної, а для паяних - пласти-ни спаяні у пакети. Таке конструктивне рішення дозволяє істотно підви-щити уніфікацію виробів, забезпечує високу експлуатаційну надійність імінімальний час на чистку та ремонт. У тих випадках, коли по одній ізсторін необхідно забезпечити високий тиск теплоносія або забрудненняповерхні можливо тільки з боку одного теплоносія, застосовують апара-ти, що складаються з попарнозварених пластин.

Таблиця 57.1. Технічні дані розбірних пластинчастих       теплообмінників «Альфа Лаваль»   

Показники

Тип розбірного пластинчастого теплообмінника

M3-X

M6

M6M

M10B

M10M

M15B

M15F

MX25B

M30

Максимальна витра-та рідин, кг/сек

3,8

15

15

50

50

60

80

250

500

Максимальна пове-рхня теплопередачі,

2

М

3,9

38

38

105

62

295

390

940

1335

Максимальна робо-ча температура, °С

130

130

160

150

160

160

160

150

150

Максимальний ро-бочий тиск залежновід типу рами, МПа

1-1,6

1-2,5

1-2,5

1-2,5

1-2,5

1-2,5

1-2,5

1-2,5

1-2,5

Наприклад, у табл. 57.1 наведені технічні дані для деяких роз-бірних теплообмінників, що випускає фірма «Альфа Лаваль», части-на з номенклатури яких виробляється в Україні компанією «Содру-жество-Т», м. Харків. Для ескізу теплообмінного апарата в зборі(рис.57.12) у табл. 57.2 представлені характерні габаритні розміри.

Для виготовлення пластин більшість фірм виробниківвикористовують нержавіючу сталь AISI 316 і AISI 304, 12Х18Н10Т,10Х17Н13М2Т, титан, аллой 20/18/6, графітові композиції й інші ма-теріали.

Таблиця 57.2. Стандартні розміри розбірних пластинчастихтеплообмінників

Розміри

A

B

C

D

E

F

Розмір пат-рубків, Ду

M3-X

180

60

480

357

62

204-500

43

M6

320

140

920

640

140

580-1430

60

M6M

320

140

920

640

140

580-1430

60

M10B

470

225

981

719

131

710-2310

100

M10M

470

225

981

719

131

710-2310

100

M15B

650

298

1815

1294

275

1170-3270

140

M15F

650

298

1815

1294

275

1170-3270

140

MX25B

920

439

2895

1939

435

1585-3385

200

M30

1150

596

228

1842

470

1595-5195

300

Ущільнюючі гумові прокладки розміщаються в пазах пластин,розташованих уздовж зовнішньої крайки (рис. 57.11а). Вони виготов-ляються з однорідного матеріалу одним куском і мають у перетиніспеціальну форму. Як матеріал прокладок застосовують термостійкугуму марок EPDM, NBR, HNBR, G-viton, СУ-359, ІРП-1225, ІРП-1377і т.д. Прокладка має такі розміри, що виступають над висотою гофрипластини (рис. 57.116). При стягуванні пакета прокладки деформу-ються й забезпечують герметичність каналів. У канавки пластин про-кладки встановлюються двома способами: без клею й з використаннямдвокомпонентного епоксидного клею, що вулканізує . При установцібез клею прокладки укладаються в канавки пластини й фіксуютьсяспеціальними кліпсами ("Clip-on"). Такий спосіб рекомендується, як-що експлуатація апарата не передбачає частих розбирань для очищен-ня. Клейова установка передбачає вклеювання прокладок у пази й ре-комендується, якщо передбачається часте розбирання апарата для чи-щення. Матеріал прокладок витримує температуру до 150-160 °С, удеяких спеціальних випадках використовують для прокладок матеріалщо витримує 200 °С.

В табл. 57.3 представлені технічні характеристики пластинчас-тих теплообмінних апаратів, які випускає серійно ВАТ «Павлоградхі-ммаш» (Україна).

Крім представленої номенклатури апаратів, що випускають се-рійно, існує цілий клас теплообмінників, які мають спеціальне при-значення. Більшість таких апаратів застосовується в різних галузяхпромисловості. Використання апаратів цього класу показало їх високуенергетичну й економічну ефективність. До таких типів апаратів, щознайшли широке застосування в енергетиці, цукровій, спиртовій й це-люлозно-паперовій промисловості, відносять ширококанальні плас-тинчасті теплообмінники.

Ширококанальний теплообмінник діє за тими самими принци-пами, що й звичайний пластинчастий теплообмінник з вузьким кана-лом (рис. 57.13). Його особливістю є спеціальний профіль гофруван-ня пластин (рис. 57.14), що дозволяє одержувати канали з вільним

Таблиця 57.3. Технічна характеристика пластинчастих теплообмінних апаратів і розміри

7пластин ВАТ «ПавлоградХіммаш»

Показник

Типи пластин

Типи апаратів

Р0,05

Р0,3р

Р0,6р

РСО,25

РСО.35

РС0.5р

РСО.53

Н0.1

Н1.0

РС0.5рт

Розбірні

Напіврозбірні (здвоєні пластини)

Нерозбірні (зварені)

Робочі середовища

Вода - вода

Вода - вода

Пара - вода

Габарити пластин, мм

580 х 135

1370х 300

1375х 600

970 х 388

1390 х380

1380 х650

1470 х620

900 х 160

964 х964

1380 х650

Площа поверхнітеплообміну, м2

0,05

0,3

0,6

0,25

0,35

0,5

0,53

0,1

10

0,5

Площа теплообмінуапаратів (безперерв-ний ряд), м2

0,5-6

3-25

10-160

5-50

12-35

15-150

40 -140

2,5-8Блокидо 60

40 -200

15-100

Розрахунковий тиск(не більше), МПа

1

1

1

1,6/1

1,6/1

1,6/1

1,6/1,0

1

1,6

1,6

Діаметр штуцерів(найбільший), мм

25

65

200

80

80

200(150)

150

65

350

200(150)

Припустиматемпературасередовищ, °С

-10 + 100

-20 +100

-20 +100

-20+150

-20 +150

-20+150

-20 +150

-40 +200

-40+200

-20 +200


проходом шириною до 16 мм, і особлива конструкція вхідних і вихід-них колекторів, що не засмічуються. Розрахунковий тиск у каналах до0,8 МПа, максимальна витрата через апарат - 500 т/г, температура небільше 150 °С. Широке застосування апарати такого типу одержалидля обробки багатокомпонентних рідин, що містять включення, воло-кна й частки. Крім відомих переваг використання пластинчастих теп-лообмінних апаратів, ширококанальні поліпшують теплову ефектив-ність за рахунок використання низькотемпературної, скидної пари, уякій можуть утримуватися частки або волокна, а також, приміром, ни-зькопотенційної пари вакуум-апаратів на цукрових заводах. Крім того,використання ширококанальних теплообмінників дозволяє збільшитистрок безперервної роботи між плановими чищеннями, значно спро-щує процедуру обслуговування, займає менше місця й не вимагає спе-

Ширококанальні теплооб-мінники випускаються з однобіч-ним і двостороннім широким кана-лом у пакеті пластин. У випадкуоднобічного пакета пластин широ-кий канал реалізується тільки поодному з теплоносіїв, наприклад потому, що гріє (рис. 57.14а). Длядвостороннього виконання широ-кий канал передбачений з бокуобох теплоносіїв. Остання обстави-на дозволяє використати теплооб-мінні апарати такого типу для си-льно в'язких середовищ або рідин,що мають механічні включення абозабруднення як з боку, що гріє, так із боку нагріву теплоносіїв. Це до-зволяє здійснювати нагрівання або охолодження, пропускаючи теплоно-сії як по гарячій, так і по холодній стороні.

ціального фундаменту.

о»

ш

Рис. 57.13 - Ширококанальнийтеплообмінник фірми «АльфаЛаваль»

а)         б)

Однак існує клас апаратів, у яких напрямок руху потоків перехрес-ний (рис. 57.15). До таких теплообмінних апаратів відноситься пластин-частий зварний теплообмінник КОМПАБЛОК фірми «Альфа Лаваль». Ціапарати використовуються як паровий конденсатор або підігрівник, водо-водяного й масло-водяного теплообмінника. Конструкція й пакет плас-тин такого апарата представлені на рис. 57.16, 57.17.

Робітничі середовища в такому апараті розділяються гофрова-ними пластинами - елементами теплообмінної поверхні, попарноутворюючи канали для проходу теплоносіїв. При цьому забезпечуєть-ся висока турбулентність потоку й високий коефіцієнт теплопередачі

У загальному випадку в теплообмінниках поверхневого типу теп-лообмін здійснюється між двома середовищами через поділяючу їх твер-ду поверхню. Теплоносії можуть рухатися як в одному напрямку - попу-тно, так і в протилежних напрямках - протнток. По цьому принципі та-кож класифікуються пластинчасті теплообмінні апарати.

і, як наслідок, можливість забезпечення знімання тепла на малих по-верхнях і зниження загальної металоємності конструкції.

Поверхня теплообмінника КОМПАБЛОК складається з гофро-ваних, зварених між собою пластин, встановлених у корпусі. Вона на-бирається зі стандартних модулів по 20, 40 і 50 пластин залежно відтипу теплообмінника. Корпус теплообмінника складається з панелей,що забезпечують жорсткість конструкції й поділ каналів теплоносіїв.Ущільнення корпуса забезпечується стяжкою болтами. Теплообміннаповерхня встановлюється між 4 напрямними, що забезпечуютьцентрування пакета й одночасно виконують функцію поділу потоків.

Плити теплообмінника: чотири бічні й дві центральні кріплятьсяболтами до напрямних. Чотири панелі оснащені патрубками дляз'єднання із трубопроводами. Внутрішня поверхня панелей ізолюєтьсявід контакту з робітничими середовищами теплообмінникаметалевими прокладками, виконаними з того ж матеріалу, що йтеплообмінна поверхня апарата. Матеріалом теплообмінної поверхні,перегородок потоків, прокладок, що ізолюють можуть бути: титан,нержавіючі сталі, сплави типу Інколой, Хастелой і т.д. Зазори, щоутворюються між пакетом пластин і плитами, є колекторами для теп-лоносіїв, що роздають і збирають. Теплообмінники виконуються од-ноходовими й багатоходовими по кожному з контурів. Розворотпотоку в ході забезпечується пластиною - перегородкою потоку. Нарис. 57.17 наведено внутрішній розріз пакета пластин теплообмінникаКОМПАБЛОК. На рис. 57.18 представлена схема роботи теплообмін-ника КОМПАБЛОК як одноходового конденсатора. Теплообмінникможе працювати під вакуумом.

Експлуатаційні робочі параметри:

максимальна робоча температура - 350 °С;

максимальний робочий тиск - 32 бар;

мінімальний робочий тиск - повний вакуум;

діапазон поверхні - 0,69 - 319,5 м2;

діаметр патрубків (мінімум /максимум) - 30 - 500 мм.

Істотне місце в номенклатурі теплообмінних апаратів різних фірмзаймають спеціальні повністю зварені апарати. На рис. 57.19 представле-ний повністю зварений пластинчастий апарат "AlfaRex" з лазерним зва-рюванням пакета, що значно зменшує ризик виникнення міжкристалітноїкорозії. Вони призначені для роботи з особливо агресивними середови-щами при високих значеннях тиску — від повного вакууму до 40 атм. ітемператури — від —50 до 350 °С. Як матеріал пластин використовуютьнержавіючу сталь AISI 316 і AISI 316L, титан, нікель, хастелой. Макси-мальна площа теплообміну може досягати 250 м2.

Пластинчаті теплообмінники знайшли широке поширення якпарові підігрівники або конденсатори. При цьому використовують якзвичайні традиційні розбірні апарати, так і апарати, спеціально розро-блені для цих цілей.

Рис. 57.20. Спеціальний розбірнийпароводяний підігрівник TS-M фірми«Альфа Лаваль».

Спеціальний розбірний пластинчастий теплообмінник, що вико-ристовують як пароводяний підігрівник, представлено на рис. 57.20.Апарати такого типу трохи відрізняються, вони мають властиву тількиїм геометрію пластин високої міцності. Застосовуються спеціальніпрокладки, що витримують температуру до 180 °С, і спеціальна рамапідвищеної міцності.

Для середовищ підвищеної засміченості продуктами первинноїобробки, середовищ із високою адгезією до матеріалу стінок або прос-то теплоносіїв з високим вмістом різних суспензій (неоднорідних заскладом) існує цілий клас спіральних теплообмінних апаратів,рис. 57.21. Конструктивно вони мають конфігурацію в поперечномуперерізі типу годинної пружини із двох закручених навколо відкрито-го центра металевих листів таким чином, щоб утворилося два концен-тричних спіральних канали. Кінці одного каналу зігнуті й зварені,утворюється повністю закритий канал, відкриті кінці іншого каналузакриті ущільненими кришками. У результаті отримують дуже розви-нену поверхню теплообміну при малих габаритах. По кожному з теп-лоносіїв є тільки один канал. Як матеріал спіральних каналів можевикористовуватися практично будь-який матеріал, що допускає холо-дне формування й зварювання: нержавіюча й вуглецева сталь, сплавина основі нікелю, титану й т.д. Теплообмінники такого типу незаміннідля роботи із середовищами, схильними до утворення відкладень наповерхнях, що передають тепло. Конструкція спірального теплооб-мінника забезпечує ефект «самоочищення» теплопередаючих каналів(рис. 57.22). При цьому, як і раніше, є можливість традиційного меха-нічного очищення й промивання. Основні параметри апаратів: тиск1,5 МПа; температура - до 400 °С; масова витрата до 100 кг/г, площатеплопередачі до -300 м2; коефіцієнт теплопередачі близько 2000-3000 Вт/(м -°С). Спіральні теплообмінники застосовуються якконденсатори, ребойлери й охолоджувачі (нагрівачі) для середовищ:рідина - рідина, газ - рідина, (газ + пара) - рідина, газ - газ.

Найпоширеніші спіральні теплообмінники двох типів, які маютьконструктивні особливості. При теплообміні пара - рідина в конструкціїхарактерна виступаюча верхня кришка, сполучена з відкритими торцямиканалу для середовища, яке гріє, і на нижній кришці відвід конденсату(рис. 57.21). У випадку теплообміну рідина - рідина приєднувальні шту-цери розташовані аксіально на циліндричній поверхні стінки апарата(рис. 57.22). Підвищений тиск і висока турбулентність забезпечуютьспіральному теплообміннику ефект самоочищення, зводячи до мінімумумеханічне очищення з розбиранням або очищення із застосуваннямхімічних засобів. Крім того, компактність апаратів такого типу вимагаємінімального місця для обслуговування, фактично необхідно тількимісце для зняття кришок. Відмітними рисами спіральних тепло-обмінників є також відсутність перетоків середовищ і дуже низькі втратитепла в навколишній простір.

О

Одним з перспек-тивних напрямків у розвит-ку пластинчастих теплооб-мінників є їхнє застосуванняусередині оболонок високо-го тиску. СпівробітникамиНТУ «ХПІ» і УкрНІІХімма-ша (м. Харків) була розроб-лена оригінальна конструк-ція пластинчастого зварноготеплообмінника для засто-сування в колоні синтезуметанолу, а також для хла-дообмінників агрегатів син-тезу аміаку [16]. Створеноспеціальний пластинчастийтеплообмінник, що встанов-люється в колоні синтезуметанолу, призначений длязабезпечення сталості нагрівання газів, що надходять на реакцію дотемператури початку реакції. Була розроблена спеціальна конструкціякруглої пластини, яка представлена на рис. 57.23.

Створена конструкція попере-днього теплообмінника колони синтезуметанолу забезпечує підігрів до темпе-ратури 400 °С при використанні цинк-хромового каталізатора й 300 °С длямідьутримуючого каталізатора. Прицьому робочий тиск становить відпові-дно 30 і 10 МПа. Висота гофри дорів-нює 4 мм, крок гофри - 18 мм, еквіва-лентний діаметр склав 7,6 мм.

До спеціальних теплообміннихпластинчастих апаратів можна віднести,наприклад, пластинчасті випарники, щоодержали широке поширення за рубежем як випарні апарати на під-приємствах цукрової й спиртової промисловості. Пластинчастий ви-парний апарат (рис. 57.24) складається з пакета пластин, зварених міжсобою попарно в касети, які, у свою чергу, з'єднані один з одним про-кладками. Звичайне випарювання розчину здійснюється в каналах ізпрокладками, тоді як пара, що гріє подається в касети. Пластини ви-готовляються з AISI 316 або з іншого матеріалу, стійкого до розчину,включаючи хастелой або титан. Прокладки, як правило, виготовляютьіз матеріалу EPDM або нітрилу.

а)         б)

Рис. 57.24. - Випарні пластинчасті апарати фірми «Альфа Лаваль»:а) модель - AlfaVap 500; б) модель - AlfaVap 700.

Особливий профіль пластин забезпечує стійкість до зміни роз-ходу в процесі випарювання або конденсації, створює турбулентнийрежим струму, а також забезпечує стійкість пакета пластин до різкихзмін тиску. Такий пластинчастий випарний апарат дозволяє варіюватирозхід в широких межах і збільшувати кількість ступенів випарюванняпри незмінній загальній різниці температур. При цьому якість продук-ту залишається дуже високою, без зміни забарвлення й кількості ін-вертного продукту (рис. 57.25).

До переваг таких апаратів, крім традиційних переваг, характер-них для пластинчастих теплообмінників, можна віднести:

відсутність пригоряння продукту навіть при великих змінахрозходу й підвищеній кількості вторинної пари;

підвищення якості продукту за рахунок зменшення часу йо-го перебування в апараті;

підвищення компактності випарного апарата за рахунокзменшення поверхні теплопередачі й ваги;

зменшення забруднення поверхні й спрощення обслугову-вання як шляхом хімічного миття, так і шляхом механічногорозбирання й чищення;

висока ефективність роботи при малій різниці температур;

зменшення загальних витрат на монтаж і обслуговування упорівнянні з витратами для традиційних випарних станцій.

Пар

Дуже часто пластинчасті випарні апарати такого типу монтуютьбезпосередньо в посудині тиску (рис. 57.26), що дозволяє додатковопідвищити ефективність випарювання за рахунок зменшення площітеплопередачі й часу перебування розчину в апараті, а також забезпе-чує менше забруднення пластин.

Рис. 57.26. Пластин-частий випарнийапарат, який розмі-щено у посудині.

На противагу пластинчастим випа-рним апаратам існує гама спеціальнорозроблених пластинчастих конденсато-рів. Наприклад, на рис. 57.27 представле-ний загальний вигляд пластинчастогоконденсатора AlfaCond шведської фірми«Альфа Лаваль», що був запроектованийдля дистиляційних систем. Особливістюцих апаратів є максимальна пристосова-ність для конденсації пари під низькимтиском.

У конденсаторі AlfaCond перед-бачене вхідне приєднання для великогорозходу пари й два малих приєднаннядля виходу конденсату. Приєднання -для води, що охолоджує розміщені вцентрі плити. AlfaCond складається з745пакета пластин, які зварені попарно в касети. Структура й рисунокпластин (рис. 57.28) спеціально запроектовані під ефективну конден-сацію з асиметричною конфігурацією, що утворює по одній з сторінбільший канал.

Крім традиційних переваг теплообмінних апаратів такого класупластинчастий конденсатор AlfaCond має ряд цінних додаткових яко-стей, які роблять його сучасною й високоефективною альтернативоютрубчастим конденсаторам. Основні переваги конденсатора AlfaCondможна сформулювати у такий спосіб:

• низька вартість у силу високої теплової ефективності, щовимагає меншої поверхні теплопередачі в порівнянні з кожухотрубча-стими теплообмінниками, особливо, якщо за умовами експлуатаціїпотрібна нержавіюча сталь або титан;

компактність апарата зберігає робочий простір, зменшуєтранспортні, монтажні й пуско-наладочні витрати;

низьке забруднення по стороні охолоджуваної води в порівнянніз кожухотрубчастими конденсаторами, яке забезпечується високою турбу-лентністю потоку й спеціально запроектованим гофруванням пластин;

простота очищення й обслуговування з використанням якмеханічного, так і хімічного способів;

легкість у нарощуванні потужності шляхом додавання касетна наявній рамі;

повністю протиточна течія, що дає можливість переохолоджу-вати гази, що не конденсуються, більше, ніж у встановлених порівнянихкожухотрубчастих апаратах, що зменшує навантаження на насос;

короткий час перебування в апараті має велику перевагу дляпродуктів, чутливих до нагрівання, що також дає можливість швидкопускати й зупиняти апарат з мінімальними втратами.

При роботі з агресивними й корозійними середовищами іноді на-віть високоякісні матеріали пластин, такі як титан і нікель, в окремих ви-падках не можуть протистояти інтенсивній корозії. Тому для роботи втаких умовах застосовують графітові пластинчасті теплообмінні апарати(рис. 57.30), у яких як матеріал пластин використовують синтетичну смо-лу на основі графіту. Пластинчасті тепло-обмінники даного типу працюють таксамо, як і звичайні. Такі теплообмінніапарати, крім всіх переваг, що властивітрадиційним пластинчастим теплообмін-никам, мають цілий ряд переваг передапаратами інших типів, що використову-ють у хімічній промисловості:

висока стійкість до корозійнихсередовищ, навіть найагресивніших;

низька схильність до накипоут-ворення за рахунок гладкої непористоїповерхні пластин і високої турбулент-ності потоку;

висока теплопровідність, що по-рівнянна з теплопровідністю металевихпластин, і висока міцність матеріалупластин;

• низьке терморозширення й мінімальна деформація пластин.

Іншою високоефективною перевагою пластинчастих теплооб-мінників є можливість їхнього використання як охолоджувачів маслаабо інших промислових рідин. Для прикладу можна взяти дуже вдалуконструкцію паяного пластинчастого теплообмінника фірми «АльфаЛаваль» - DOC, представлену на рис. 57.31. Такі апарати за рахуноквисокої міцності застосовуються в умовах безперервної дії високоготиску й температури. Відмінною рисою конструкції є наявність мон-тажного блоку з нержавіючої сталі, що впаяний в зовнішню пластину.Це дозволяє здійснити більш сильне стягування й забезпечує легкістьмонтажу. Також передбачений спеціальний кронштейн, що жорстковтримує теплообмінник в одному положенні, що також значно спро-щує монтаж апарата. Головними перевагами теплообмінників такогокласу в порівнянні з їхніми аналогами є: дуже високий коефіцієнт те-плообміну масло - вода за рахунок високої турбулентності потоку;мінімальні габарити й вага. За даними фірми «Альфа Лаваль», пласти-нчасті теплообмінники DOC у порівнянні з кожухотрубчастими по-ліпшують результати на 60 % по трьох основних показниках - розмі-ру, вазі й споживанню води, що охолоджує.

Пластинчасті теплообмінні апарати, безумовно, не можуть замі-нити всі наявні види теплообмінників. Однак у більшості випадківїхнє ефективне використання можливе, що демонструє діаграма, наве-дена на рис. 57.32. Насамперед це обґрунтовано наявністю високогокоефіцієнта теплопередачі апаратів такого типу (від 5000 до 10 000

Вт/м2К), низькою питомою витратою металу на одиницю площі теп-лопередаючої поверхні (10-17 кг/м2) і високим ступенем уніфікаціїскладових вузлів і деталей (до 90 %). Найбільш вигідною областю за-стосування пластинчастих теплообмінників є їхнє використання впроцесах, що протікають при температурі до 200 °С і тиску до 2,0МПа.

Наведена номенклатура пластинчастих теплообмінників, випар-ників і конденсаторів загалом дає уявлення про широкі можливостізастосування пластинчастих теплообмінників у промисловості. Оче-видний також той факт, що створення однієї універсальної конструкціїпластинчастого теплообмінного апарата, що відповідала б багатьомвимогам у різних галузях, неможливо. Також зрозуміло, що призна-чення теплообмінника, його конструкція, технологія виготовленнявимагають при його підборі для конкретних виробничих умов наявно-сті сучасних достовірних методик розрахунку, які базуються на фізи-чно обґрунтованій теорії процесів, що протікають у пластинчастихапаратах.

ГЛАВА 58.

ЗАСТОСУВАННЯ ПЛАСТИНЧАСТИХ ТЕПЛО-ОБМІННИХ АПАРАТІВ У ХАРЧОВІЙ І ПЕРЕРО-БНІЙ ПРОМИСЛОВОСТІ