Архивы за день Декабрь 26th, 2013

О ВОЗНИКНОВЕНИИ ПЛАСТИНЧАТЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИИ ИХ КОНСТРУКЦИЙ

Пластинчатые теплообменные аппараты являются разновид­ностью поверхностных рекуперативных теплообменных аппара­тов с поверхностью теплообмена, изготовленной из тонкого ли­ста. Наиболее широко применяются в промышленности разбор­ные пластинчатые теплообменники. Они состоят из отдельных пластин с прокладками, приспособлены для быстрой разборки 12

и сборки и вся их теплообменная поверхность доступна для очистки. Полуразборные, сварные блочные и сварные неразбор — ныс теплообменники являются разновидностью аппаратов плас­тинчатого типа.

Пластинчатые теплообменники появились сравнительно не­давно и много позднее трубчатых.

В литературе имеются данные, свидетельствующие о том, что принципы устройства пластинчатых аппаратов для нагрева­ния и охлаждения жидкостей в тонком слое и некоторые их кон­структивные решения были предложены еще в конце прошлого столетия Драхе (1878 г.), Брейтвишем (1881 г.) и Мальвезиным (1895 г.). В 1917 г. Гаррисоном предложена теплообменная плас­тина с четырьмя угловыми отверстиями и зигзагообразными каналами с обеих сторон.

Однако промышленное применение разборных пластинчатых аппаратов началось только после 1923 г. в результате усовер­шенствований, внесенных Зелигманом, использовавшим при раз­работке конструкции разборного теплообменника принцип уст­ройства фильтр-пресса.

Первоначально пластины для теплообменников отливали из бронзы с последующим фрезерованием на них каналов и отвер­стий для рабочей среды и канавок для резиновых прокладок. На рис. 2 показана конструкция таких пластин.

Аппарат конструкции Зслигмана (рис. 3) состоит в основном из теплообменных пластин двух видов: толстых бронзовых

с фрезерованными каналами с обеих сторон и тонких медных. Каждая толстая пластина имеет четыре угловых отверстия. На поверхности пластины вокруг двух расположенных но диагона­ли угловых отверстий профрезерованы канавки для уплотни­тельных резиновых прокладок. По контуру всей пластины также сделана канавка для большой резиновой прокладки, охватыва­ющей всю рабочую поверхность и два других отверстия.

Тонкие пластины гладкие, без прокладок. В собранном виде толстые и тонкие пластины расположены поочередно и установ­лены в вертикальном положении на станине, состоящей из двух горизонтальных направляющих и двух стоек. Весь набор пластин плотно сжат при помощи винтового зажимного механизма (рис. 4).

Рабочая среда входит в теплообменник через соответствую­щий штуцер на нажимной плите или на основной неподвижной плите и проходит в продольный канал, выполняющий роль кол­лектора.

Из коллектора жидкость поступает в плоские каналы в тол­стых плитах, причем заполняет только одну из систем каналов (каналы левой или правой стороны). Вторую систему каналов заполняет другая рабочая среда. Из межпластинных каналов жидкость попадает в коллектор, противоположный первому по диагонали, и выходит затем из аппарата. Рабочая среда дви-

О ВОЗНИКНОВЕНИИ ПЛАСТИНЧАТЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИИ ИХ КОНСТРУКЦИЙ

Рис. 2. Пластины из бронзы с фрезерованными каналами:

и — фрезерованная пластина; 6 — группа пластин (раз­рез)

О ВОЗНИКНОВЕНИИ ПЛАСТИНЧАТЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИИ ИХ КОНСТРУКЦИЙ

Рис. 3. Схема пластинчатого теплообменника с фрезерованными бронзовыми пластинами

жется через аппарат подобным же образом, омывая обратную поверхность толстых и тонких пластин.

Теплообмен происходит как через толстые, так и через тон­кие пластины.

Основной принцип устройства разборных пластинчатых теп­лообменников сохранился до настоящего времени.

О ВОЗНИКНОВЕНИИ ПЛАСТИНЧАТЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИИ ИХ КОНСТРУКЦИЙ

Применение пластинчатых аппаратов в молочной, а затем и в других отраслях пищевой промышленности в различных кон­структивных вариантах, построенных по описан­ной схеме, оправдало себя полностью.

Конструкции фрезеро­ванных пластин «каналь — чатого» типа были разно­образны. Большое распро­странение имели не толь­ко пластины с зигзагооб­разными каналами, но и со спиральными, у кото­рых вход жидкости и ее выход расположены в центре пластины и на пе­риферии.

В 1932—1933 гг. в ре­зультате работ Фельдмей — ера и Зелигмана были предложены и затем усо­вершенствованы штампо­ванные пластины удлиненной формы с теплопередающей стенкой из тонкого волнистого листа. Это была пластина нового типа, по­верхность которой омывается одним потоком среды во всю ши­рину пластины.

Такие пластины можно считать прототипом современных, в конструкции которых теперь наблюдается большое разнооб­разие форм профиля рабочей поверхности.

Преимущества пластинчатых теплообменников перед други­ми типами весьма значительны, что дает возможность широко применить их не только в пищевой промышленности, но также и в химической, фармацевтической, гидролизной и металлурги­ческой, а также на транспорте.

Последующий прогресс в совершенствовании конструкции пластин выражался в следующем:

а) усовершенствование профиля поверхности пластин с целью повышения эффективности теплоотдачи и уменьшения гидравлических сопротивлений;

б) повышение жесткости тонкой штампованной пластины и пакета пластин в целом путем создания на поверхности элемен­
тов, обеспечивающих взаимную опору пластин по множеству равномерно расположенных точек;

в) повышение коррозионной стойкости и долговечности плас­тин и прокладок путем освоения листовой штамповки многих марок металлов и применения новых марок резин и резино­асбестовых материалов;

г) повышение технологичности конструкции с постепенным отказом от сварки и переходом на цельноштампованные конст­рукции из тонкого листа;

д) увеличение единичных размеров гофрированной пластины от 0,2 м2 в конце сороковых годов до 1,2 м2 в конце шестидеся­тых годов, что было обусловлено необходимостью создания крупных аппаратов.

Усовершенствованию подверглись и конструкции рам тепло­обменников со всеми вспомогательными элементами.

В настоящее время производство пластинчатых теплообмен­ных аппаратов имеется почти во всех крупных промышленно развитых странах мира. Наиболее крупные фирмы, изготовляю­щие эти аппараты, размещены в Англии, Швеции, США, ФРГ, Франции, Японии, Италии и Дании. Общее число крупных фирм-изготовителей теплообменных аппаратов около 30. В по­следние годы интенсивно развивается производство пластинча­тых теплообменных аппаратов в Польше, Чехословакии и ГДР.

В Советском Союзе первые пластинчатые теплообменники для пищевой промышленности были изготовлены в 1940 г. на Симферопольском машиностроительном заводе.

В послевоенный период производство небольших и средних по размерам пластинчатых аппаратов успешно развивалось на предприятиях отечественного пищевого машиностроения, а с на­чала 60-х годов налажено производство различных по размерам пластинчатых теплообменников для отраслей химической про­мышленности.

Пластинчатые теплообменники большой тепловой произво­дительности отечественного изготовления внедрены в технологи­ческие линии производства фосфорной и серной кислот, ацетиле­на и уксусной кислоты, соды, полупродуктов для получения пластмасс, глинозема, кормовых дрожжей и других продуктов микробиосинтеза, производства целлюлозы, спирта, при охлаж­дении минеральных масел и эмульсий.

Разборные пластинчатые теплообменники имеют более вы­сокие технико-экономические показатели по сравнению с наибо­лее распространенными кожухотрубчатыми. Однако полная за­мена кожухотрубчатых теплообменников пластинчатыми во многих случаях невозможна, поскольку область применения пластинчатых теплообменников лимитируется теплостойкостью и коррозионной стойкостью применяемых прокладок.

Прокладки на основе синтетических каучуков могут надежно работать лишь при температурах от минус 20°С до 140—150°С,

что недостаточно для многих процессов с газообразной и паро­образной рабочими средами. Разборные пластинчатые теплооб­менники на рабочие давления свыше 2—2,5 МПа (20—25 ат) также пока не изготовляются.

Для расширения области применения пластинчатых тепло­обменников на более высокие температуры и давления разраба­тываются новые виды прокладок и создаются сварные конструк­ции, в которых нет прокладок.

Так, еще в 1939 г. Рамэн в Швеции предложил оригинальную конструкцию теплообменника, у которого гладкие пластины по­парно сваривались, образуя плоские трубы. Эти плоские трубы закреплялись в сварных трубных решетках и вставлялись в ко­жух с квадратным поперечным сечением. Такой теплообменник назвали ламельным (lamelle — пластина). Эта конструкция теплообменника является переходной от кожухотрубчатого к пластинчатому. Ламельные теплообменники нашли примене­ние в целлюлозной промышленности и в последние годы их все шире применяют в химической и нефтехимической промышлен­ности. Характерной особенностью этой конструкции теплообмен­ника является возможность механической очистки поверхности теплообмена только с наружной стороны пластин, для чего пучок пластин вынимают из кожуха.

В дальнейшем конструкцию ламельных теплообменников усовершенствовали, что позволило расширить область примене­ния таких аппаратов по давлениям до 4,5 МПа (45 ат), а по тем­пературам до 400° С.

Однако ламельные теплообменники с гладкой поверхностью теплообмена имеют более низкий коэффициент теплоотдачи, чем аппараты из гофрированных пластин, работающие в сравнимых условиях.

Стремление сохранить высокую интенсивность теплоотдачи в ламельных теплообменниках и возможность механической очи­стки и осмотра поверхности теплообмена, хотя бы со стороны одной из рабочих сред, привело к созданию полуразборной кон­струкции пластинчатых теплообменников. В этой конструкции гофрированные пластины, напоминающие по внешнему виду пластины разборных теплообменников, сварены попарно. Такие пластины собирают в пакет, устанавливая между смежными парами пластин эластичные прокладки. Таким образом сохра­няется разборность поверхности теплообмена на стороне одной из рабочих сред. Если горячую рабочую среду пропускать по сварным каналам, а холодную — по разборным, то температур­ный предел применения полуразборных пластинчатых теплооб­менников можно повысить до 200° С.

Стремление увеличить температурный предел использования пластинчатых теплообменников привело к разработке сварных, неразборных теплообменников и блочных сварных пластинча- ных теплообменников, работающих без прокладок.

В неразборных пластинчатых теплообменниках отдельные гофрированные пластины сваривают между собой в блоки и по­лучают две системы герметичных каналов для рабочих сред. Недостатком сварных неразборных и блочных пластинчатых теплообменников можно считать невозможность механической очистки и осмотров поверхности теплообмена. Поэтому такие теплообменники применимы для рабочих сред, не дающих труд­норастворимых загрязнений поверхности теплообмена, при ис­пользовании которых не требуется механическая очистка кана­лов, а можно ограничиться промывкой их с применением хими­ческих средств.

Наряду с пластинчатыми теплообменниками, изготовляемы­ми из листовых материалов, в технике существуют и успешно применяются пластинчато-ребристые и спиральные конструкции теплообменников.

При совершенствовании современных типов теплообменни­ков, изготовляемых из листовых материалов, наряду с интенси­фикацией процесса и повышением его энергетической эффектив­ности, необходимо иметь в виду также повышение тепловой про­изводительности аппаратов.

Следует отметить и необходимость использования новых ма­териалов, обладающих лучшими свойствами и повышающих технико-экономический уровень теплообменного оборудования.

Поскольку новые материалы такие, как сплавы цветных ме­таллов, нержавеющие стали, мельхиор и др., значительно доро­же обычно применяемой углеродистой стали, то целесообразно вспомогательные элементы, например, раму теплообменника вы­полнять из более дешевых, но прочных конструкционных углеро­дистых сталей, а поверхность теплообмена, соприкасающуюся с рабочими средами, максимально разгрузить от силовых нагру­зок и тем самым ее облегчить и уменьшить расход ценных мате­риалов для нее. При таком разделении функции элементов теплообменника для изготовления поверхности теплообмена ста­новится экономически выгодно применять наиболее стойкие в коррозионном отношении материалы, несмотря на их высокую удельную стоимость.

Отказ от использования бесшовных труб малых диаметров для изготовления поверхностей теплообмена и замена их тон­ким листом также дает большой экономический эффект, по­скольку стоимость 1 м2 таких труб в несколько раз выше стои­мости 1 м2 тонкого листа из металла той же марки. Само изго­товление листа взамен труб малых диаметров намного произво­дительнее и разгружает металлургическую промышленность от производства наиболее трудоемких профилей проката.

В области технологии изготовления теплообменной аппарату­ры использование методов листовой штамповки и сварки повы­шает производительность труда и способствует созданию аппа­ратов интенсивного действия.

recuperatio.ru