Пластинчатые теплообменники можно классифицировать по схеме движения веществ, между которыми происходит теплопередача. В данной статье будут рассмотрены основные виды, которые имеют наиболее широкое применение.
Одноходовой пластинчатый теплообменник
Пластинчатый теплообменник, в котором направление движения каждого из теплоносителей постоянно и не меняется по всей длине теплообменника, называется одноходовыми. Например, в классическом пластинчатом теплообменнике-испарителе кипящий фреон всегда движется по межпластинчатым каналам вверх. В классическом пластинчатом теплообменнике-конденсаторе конденсирующийся фреон всегда движется вниз. Соответственно хладоноситель (вода, рассол, гликоль и т.д.) в данных двух случаях всегда движется в направлении, противоположном направлению движения фреона.
Таким образом, главной отличительной особенностью одноходового пластинчатого теплообменника является 100%-ный противоток теплоносителей. В случаях, когда разница температур двух теплоносителей достаточно мала целесообразно применить многоходовой пластинчатый теплообменник.
Многоходовой пластинчатый теплообменник
Многоходовой пластинчатый теплообменник применяется в случаях, когда необходимо достичь небольшой разницы температур между теплоносителями. В таком теплообменнике патрубки располагаются как на передней неподвижной так и на нажимной торцевой плите. В многоходовом пластинчатом теплообменнике потоки меняют направление в одном или нескольких ходах. Это может привести к следующим явлениям.
Конденсатор, как правило, может работать с нагрузкой от 100 % до 0 %. Однако в случае восходящего потока это не так в связи с возможностью затопления конденсатора. В результате при малых нагрузках поток будет неустойчивым, что, в свою очередь, приведет к проблемам в управлении. Поэтому конденсатор должен быть спроектирован так, чтобы поток в последнем ходе был направлен вниз, по крайней мере, если конденсатор должен работать при очень низкой нагрузке по сравнению с расчетной.
Испаритель не может работать нормально при нагрузке намного ниже номинальной из-за затопления каналов и задержки масла. Следовательно, нисходящий поток мог бы исправить этот недостаток. Однако возникает другая опасность, заключающаяся в разделении фаз при низкой скорости потока – жидкость будет проходить через первые каналы, а пар – через последний.
Чтобы уменьшить эту опасность, в первом ходе, где поток имеет самую низкую скорость, он должен двигаться вверх. Такая схема теплообменников очень хорошо подходит для реверсивных чиллеров. Поток хладагента меняет свое направление при реверсировании, когда кондиционер превращается в испаритель, и вышеупомянутое требование выполняется в обоих случаях.
Рассмотрим рисунок 1:
На рисунке 1 показана только одна сторона. Другая сторона является симметричным отражением относительно горизонтальной оси, т.е. имеет такие же газовыпускные и сливные отверстия. Число проходов не обязательно должно быть одинаковым на обеих сторонах.
А, Б. Газовыпускными и сливными отверстиями служат обычные соединительные патрубки.
В, Г. Для каждой стороны на передней или задней плите необходимо установить дополнительный газовыпускной или сливной патрубок.
Д, Е. Для каждой стороны на передней и задней плитах необходимо установить дополнительный газовыпускной и дополнительный сливной патрубок.
Ж, З. На одной из секций невозможно установить газовыпускной или сливной патрубок при любом расположении патрубков.
И, К. На одной из секций невозможно установить газовыпускной и сливной патрубки при любом расположении патрубков.
На рисунке 2 представлен теплообменник, двухходовой по воде и одноходовой по хладагенту.
Рисунок 2:
Такая многоходовая схема имеет следующие основные свойства:
- Допускается только один входной и один выходной патрубки.
- Стороны независимы. Можно иметь разное число ходов на каждой стороне, но не все варианты являются разумными.
- Общее количество водных каналов на один больше, чем каналов хладагента, т.е. каждый канал хладагента окружен водными каналами.
- В исключительных случаях – обычно, при малом перепаде температур между средами – каждый ход отделяется от соседних пустым холодильным каналом. В этом случае водных каналов больше, чем холодильных, на число ходов.
- В случае несимметричной группировки каналов – неравного числа ходов на сторонах пластинчатого теплообменника – в одних группах каналов теплоносители будут двигаться в противотоке, в других группах в прямотоке, независимо от расположения входных патрубков.
- В случае симметричной группировки каналов – равного числа ходов на сторонах пластинчатого теплообменника – в каждом ходе будет пластина с противотоком в соседних каналах. Это может создать проблемы, если на ход приходится малое количество каналов при условии малого перепада температур.
- Соединение соседних ходов имеет либо форму буквы U, либо перевернутой буквы U. Это означает, что при останове системы в нижней части U-образных секций может остаться жидкость, а при пуске в верхней части перевернутых U-образных секций может остаться газ.
Чтобы полностью выпустить газ или слить жидкость из такого ППТО, необходимы дополнительные выпускные отверстия. Возможные варианты их расположения приведены на рис. 1. Поскольку пластинчатые теплообменники с более чем тремя ходами практически не применяются в холодильной технике, то проблем с выпуском газа и сливом жидкости не возникает. В нормальном режиме работы для предотвращения образования газовых пузырей необходимо, чтобы перепад давлений в каждом ходе был не меньше гидростатического давления, определяемого перепадом высот.
Применение многоходовых пластинчатых теплообменников обусловлено, в основном, следующими причинами:
- Положение патрубков. Двухходовая схема дает возможность расположить патрубки на одной линии с трубами для теплоносителей.
- Меры борьбы с замерзанием или загрязнением.
- Обеспечение режимов с большой термической длиной.
- Более полное использование доступного перепада давлений
Многоконтурный пластинчатый теплообменник
Во многих приложениях возникает необходимость в двух независимых контурах на одной из сторон. В основном это происходит в следующих двух случаях:
а) Среда должна быть нагрета или охлаждена в два этапа, причем на каждом этапе на второй стороне используются разные среды. Одним из примеров такого применения может быть переохладитель/перегреватель пара и испаритель. В этом случае один двухконтурный пластинчатый теплообменник может заменить два отдельных теплообменника. Хладагент испаряется в испарительной секции, затем поступает в секцию перегревателя пара/переохладителя.
Другой пример – это охладитель перегретого пара / конденсатор. В секции охладителя перегретый пар отдает в контур водопроводной воды явную теплоту, а в секции конденсации пар конденсируется с помощью охлаждающей воды.
б) В целях регулирования тепловой мощности, особенно в случае испарителя, контур хладагента разделяется на два номинально одинаковых контура. При полной нагрузке работают оба контура, при низкой нагрузке один контур отключен.
Типы теплообменников
Возможно несколько конструкций пластинчатых теплообменников с двухконтурной схемой одной из сторон: три для ПТО любого типа, одна для ПТО специального типа.
1) Обычный двухконтурный одноходовой пластинчатый теплообменник (рисунок 3).
2) Обычный двухконтурный двухходовой. На рисунке 4 показан пластинчатый теплообменник с двумя контурами теплоносителя по стороне 1 и двухходовым контуром по стороне 2.
3) Пластинчатый теплообменник со сдвоенными контурами
Обычный пластинчатый теплообменник с одноходовым контуром
Это обычный пластинчатый теплообменник, в котором соединительные патрубки одной из сторон расположены как на передней, так и на задней плитах. Перекрыв проходные отверстия хотя бы на одной из пластин, разделим эту сторону на два независимых контура. Для такого разделения можно использовать любую пластину, но чаще всего встречаются разбиения 50/50 и 33/67. Другая сторона остается одноходовой, часть среды на этой стороне контактирует с первым из контуров противоположной стороны, а другая часть – со вторым контуром.
Рисунок 3
В случае испарителя с двумя контурами хладагента такая конструкция чревата опасностью замерзания воды. Когда один контур отключен, вода проходит через эту секцию, не охлаждаясь. Вода на выходе из теплообменника представляет собой смесь охлажденной и неохлажденной воды. Если температура такой водной смеси используется потом для управления, например, регулирующим клапаном, низкотемпературным реле и т.п., это может привести к тому, что температура охлажденной воды опустится ниже нуля, т.е. ниже точки замерзания, хотя температура смеси будет выше нуля.
Отсюда следует, что такие методы управления тепловой мощностью допустимы только в системах, где одновременно работают все контуры. Одним из примеров является термосифонный испаритель, в котором хладагент проходит по одноконтурной стороне и охлаждает два жидкостных контура. Даже если один из жидкостных контуров будет отключен, то оставшийся контур будет работать без проблем.
Обычный пластинчатый теплообменник с двухходовым контуром
Эта конструкция, широко используется в обоих применениях а) и б), указанных выше. Как и в предыдущем случае, соединительные патрубки одной из сторон расположены и на передней, и на задней плитах. Установив хотя бы одну пластину без проходных отверстий на этой стороне, можно создать два контура. Каналы на другой стороне соединены по двухходовой схеме, так что каждый ход соответствует одному контуру противоположной стороны.
Рисунок 4
- В аппарате может быть не более двух независимых контуров.
- Два контура/хода необязательно должны иметь одинаковое
число каналов. - Каждый из двух контуровдолжен быть одноходовым, с одним входом и одним выходом.
- Стороны не зависят друг от друга.
Тепловые характеристики для пластинчатого теплообменника типа а) определяются просто. В сущности, это два теплообменника, таких, что выход одного теплообменника непосредственно соединен с входом второго. Поэтому такой теплообменник рассчитывается как два отдельных теплообменника (одной модели). Применение теплообменника типа б) нуждается в некоторых пояснениях. Такой пластинчатый теплообменник используется, в основном, как испаритель, в котором управление тепловой мощностью производится отключением одного или другого контура хладагента. На водной стороне имеется два хода, а каждый контур хладагента является одноходовым.
Такая конфигурация означает, что вода движется в противотоке с одним из контуров и в прямотоке с другим. Следовательно, тепловые мощности контуров не равны друг другу. Это необязательно является недостатком, поскольку такая схема вместо двух дает три уровня тепловой мощности (открыт контур 1, открыт контур 2, открыты оба контура).
Вся вода, в отличие от предыдущей конструкции, всегда проходит через активный контур, независимо от того, какой из них открыт. Это очень важно для испарителей, поскольку снижает опасность замерзания. Теплообменник такой конструкции работает хорошо, однако у него есть один очень серьезный недостаток. Падение давления на водной стороне обычно очень велико, поэтому немного моделей таких пластинчатых теплообменников находят применение.
