Czym są wymienniki ciepła płytowe?
Wymienniki ciepła płytowe to jeden z najczęściej stosowanych rodzajów wymienników ciepła obecnie używanych; innym popularnym typem wymiennika ciepła jest wymiennik ciepła płaszczowo-rurowy. Wymiennik ciepła spiralny również znajduje zastosowanie w przemyśle, ale jego użycie jest mniejsze w porównaniu do innych dwóch typów wymienników ciepła.
Wymienniki ciepła płytowe są szeroko stosowane w inżynierii ze względu na ich wydajność, solidność i łatwość konserwacji.
Zmontowany wymiennik ciepła płytowy
Komponenty wymiennika ciepła płytowego (PHE)
Wymienniki ciepła płytowe składają się z niewielu części. Ponieważ są używane do transferu ciepła, wymagają wejść i wyjść, przez które przepływające media - lub płyny - mogą wchodzić i opuszczać wymiennik. Płyn może być cieczą lub gazem. Aby uniknąć nieporozumień, użyjemy terminu medium przepływające.
Wymiennik ciepła płytowy (widok rozłożony)
Uszczelki i płyty oddzielają przepływające media, zapobiegając ich mieszaniu się; uszczelki są przyklejane tylko do jednej strony każdej płyty. Płyty są zawieszane na belce nośnej i ściskane za pomocą śrub zaciskowych. Gdy płyty są sprasowane razem, tworzą tzw. 'stos płyt'. Belka prowadząca zapewnia prawidłowe ustawienie płyt podczas otwierania i zamykania stosu.
Komponenty wymiennika ciepła płytowego
Ostatecznymi komponentami są dwie pokrywy na przeciwległych końcach stosu płyt. Jedna pokrywa jest ruchoma, a druga stała. Ruchoma pokrywa i stała pokrywa są czasami nazywane płytą ramową i płytą ciśnieniową. Wejścia i wyjścia są zamontowane tylko na stałej pokrywie.
Podoba Ci się ten artykuł? Sprawdź nasz Wprowadzenie do kursu wideo o wymiennikach ciepła i Podstawy wymienników ciepła płytowych - kurs wideo. Każdy kurs zawiera quiz, podręcznik, a po ukończeniu kursu otrzymasz certyfikat. Miłej nauki!
Jak działają wymienniki ciepła płytowe
Poniższe wideo to fragment naszego kursu wideo online o wymiennikach ciepła.
W artykule zakładamy hipotetyczny wymiennik ciepła płytowy z dwoma mediami przepływającymi, jednym zimnym i jednym gorącym. Gorące medium musi zostać schłodzone przez zimne medium, co nastąpi w wymienniku ciepła płytowym.
Gorące medium wchodzi do wymiennika ciepła przez wejście gorącego medium. Uszczelki kierują gorące medium podczas przepływu przez wymiennik ciepła. Każda płyta ma naprzemienny wzór uszczelek. Gorące medium wpływa do przestrzeni między parą płyt, ale nie wpływa do przestrzeni między następną parą płyt, ponieważ uszczelki temu zapobiegają. Proces trwa, tak że co druga para płyt jest wypełniona gorącym medium przepływającym.
Uszczelki płyt wymiennika ciepła płytowego
W tym samym czasie zimne medium wchodzi do wymiennika ciepła przez wejście zimnego medium, ale tym razem uszczelki są ustawione tak, aby umożliwić przepływ zimnego medium do przestrzeni, gdzie nie ma gorącego medium. Wymiennik ciepła jest teraz pełen zarówno gorących, jak i zimnych mediów przepływających. Każde medium wypływa z odpowiedniego wyjścia, a proces jest ciągły.
Zauważ, że dwa media przepływające są zawsze sąsiadujące ze sobą w całym wymienniku ciepła. Media przepływające mają zatem wzór przepływu gorący, zimny, gorący, zimny, gdy przepływają przez wymiennik ciepła. Oba media przepływające są całkowicie oddzielone od siebie przez uszczelki i płyty, nie mieszają się.
Naprzemienny wzór zimny/gorący
Z powodu bliskiej odległości mediów przepływających, ciepło jest wymieniane między nimi. Gorące medium nagrzewa płytę, a płyta przekazuje część tego ciepła do zimnego medium przepływającego; w ten sposób temperatura gorącego medium spada, podczas gdy temperatura zimnego medium wzrasta.
Projekt wymiennika ciepła płytowego
Płyty są głównym powodem, dla którego wymienniki ciepła płytowe są tak wydajne.
Płyty w wymienniku ciepła płytowym mogą wydawać się mieć prosty projekt, ale każda płyta jest pełna interesujących cech inżynieryjnych. Na przykład:
- Gdy płyty są sprasowane razem, aby utworzyć stos płyt, odstęp między każdą z płyt jest bardzo mały, co zapewnia dobrą wymianę ciepła między dwoma mediami przepływającymi. Odstęp między płytami jest również znany jako 'prześwit'.
- Płyty są cienkie i mają dużą powierzchnię kontaktową, co daje każdej płycie wysoką wydajność wymiany ciepła.
- Płyty są wykonane z materiału o wysokiej przewodności cieplnej, co dodatkowo zwiększa wydajność wymiany ciepła.
- Korytka na powierzchniach płyt zapobiegają przepływowi laminarnemu i promują przepływ turbulentny, co zwiększa wydajność wymiany ciepła, jednocześnie zmniejszając prawdopodobieństwo osadzania się zanieczyszczeń na powierzchniach płyt.
- Korytka również usztywniają strukturę płyty, co pozwala na użycie cieńszej płyty w porównaniu do płyty bez korytek. Należy zauważyć, że korytka płyt są czasami określane jako wzór 'jodełki'.
Wzór jodełki
Płyty nie są jedyną częścią wymiennika ciepła płytowego z rozbudowanymi cechami projektowymi, uszczelki również mają interesujące cechy projektowe:
- Uszczelki są w stanie utrzymać uszczelnienie między płytami nawet wtedy, gdy ciśnienie i temperatura w systemie się zmieniają.
- Otwory w każdej uszczelce - znane jako telltales - są używane do identyfikacji przeciekających uszczelek. Ta funkcja pozwala operatorom na wymianę uszkodzonej płyty, zanim przeciekające medium przedostanie się przez następną uszczelkę i zanieczyści inne medium przepływające.
Telltale wymiennika ciepła płytowego
- Ponieważ uszczelki kierują przepływ przez wymiennik ciepła, konieczne jest, aby były instalowane w odpowiedniej kolejności. Z tego powodu uszczelki są często wyposażone w oznaczenia, aby operatorzy mogli sprawdzić, czy każda płyta jest zainstalowana w odpowiedniej kolejności w całym stosie płyt. Innym sposobem na zapewnienie prawidłowej kolejności stosu płyt jest sprayowanie ukośnej linii przez cały stos płyt po jego zmontowaniu.
Stos płyt z ukośną linią
- Chociaż w tym artykule pokazaliśmy tylko dwa wzory uszczelek, istnieją trzy! Uszczelki zmieniają się w całym wymienniku ciepła z wyjątkiem pierwszej i ostatniej płyty w stosie płyt, które przylegają do stałej i ruchomej pokrywy. Płyty, które przylegają do stałej i ruchomej pokrywy, są znane jako płyty początkowe i końcowe, ze względu na ich położenie w stosie płyt. Celem płyt początkowych i końcowych jest zapobieganie przepływowi do przestrzeni między stałą pokrywą a płytą początkową oraz zapobieganie przepływowi do przestrzeni między ruchomą pokrywą a płytą końcową. W ten sposób pokrywy nie są aktywnie używane do wymiany ciepła; ma to sens, ponieważ pokrywy są dość grube, nie mają korytek i są słabo przystosowane do wymiany ciepła.
Uszczelki płyt (uszczelka płyty końcowej pokazana po prawej)
Zmiana wydajności chłodzenia
Istnieje kilka sposobów na zmianę wydajności chłodzenia wymiennika ciepła płytowego:
- Regulacja zaworów wylotowych, aby zwiększyć lub zmniejszyć przepływ; ta metoda jest przydatna, ponieważ nie wymaga demontażu wymiennika ciepła. Nie dław/reguluj zaworów wlotowych, ponieważ może to spowodować niedostateczne zasilanie wymiennika ciepła i lokalne przegrzanie.
- Zwiększanie lub zmniejszanie liczby płyt w stosie płyt. Zwiększenie liczby płyt w stosie płyt daje odpowiedni wzrost wydajności chłodzenia. Zmniejszenie liczby płyt w stosie płyt daje odpowiedni spadek wydajności chłodzenia. Krótko mówiąc, więcej płyt oznacza większą wydajność chłodzenia, a mniej płyt oznacza mniejszą wydajność chłodzenia.
- Użycie projektu jednoprzejściowego lub wieloprzejściowego. Wymienniki ciepła jednoprzejściowe pozwalają na przepływ dwóch mediów przepływających obok siebie tylko raz. Wymienniki ciepła wieloprzejściowe pozwalają na przepływ mediów przepływających obok siebie kilka razy. Większość wymienników ciepła płytowych używa projektu jednoprzejściowego.
Projekt jednoprzejściowy i wieloprzejściowy
Typy przepływu
Przepływ przez wymiennik ciepła płytowy może być równoległy, krzyżowy lub przeciwny. Wymienniki ciepła płytowe zazwyczaj używają przepływu przeciwnego, ponieważ jest to najbardziej efektywny typ przepływu dla wymiany ciepła. Przepływ przeciwny jest czasami znany jako przepływ kontrprądowy.
Przepływ równoległy, przeciwny i krzyżowy
Rozważania projektowe dla płyt
Ponieważ wymienniki ciepła płytowe są używane w szerokim zakresie zastosowań, muszą być zaprojektowane tak, aby wytrzymać warunki procesowe, w których działają, co może obejmować środowiska korozyjne i erozyjne. Możliwe jest skonstruowanie wymienników ciepła płytowych z różnych materiałów, w tym metali, stopów i tworzyw sztucznych. Różne materiały sprawiają, że wymiennik ciepła płytowy jest bardziej odpowiedni do różnych zastosowań. Na przykład, jeśli dane medium przepływające reaguje agresywnie w kontakcie z niektórymi metalami, można użyć materiałów polimerowych, takich jak teflon.
Zalety wymiennika ciepła płytowego
Istnieje wiele zalet związanych z wymiennikami ciepła płytowymi:
- Wymienniki ciepła płytowe ważą mniej, wymagają mniej miejsca i są bardziej wydajne w porównaniu do innych projektów wymienników ciepła o tej samej wielkości.
- Wymiana i czyszczenie płyt jest prostym zadaniem, ponieważ stos płyt można łatwo otworzyć.
- W przeciwieństwie do wymienników ciepła płaszczowo-rurowych, wymienniki ciepła płytowe nie wymagają dodatkowej przestrzeni do demontażu.
Wady wymiennika ciepła płytowego
Jednak istnieją również pewne wady związane z wymiennikami ciepła płytowymi:
- Wymienniki ciepła płytowe są zazwyczaj droższe niż inne projekty wymienników ciepła.
- Jeśli występuje przeciekająca uszczelka powodująca mieszanie się jednego medium przepływającego z drugim, przeciekającą płytę często trudno zlokalizować.
- Wymiana uszczelek płyt na miejscu może być trudna lub niemożliwa. Niektóre uszczelki płyt muszą być zwracane do producenta w celu wymiany, co kosztuje zarówno czas, jak i pieniądze.
- Gdy płyty są sprasowane razem, aby utworzyć stos płyt, prześwit między każdą z płyt jest mały, co zwiększa prawdopodobieństwo zanieczyszczenia z odpowiednim zmniejszeniem wydajności wymiany ciepła.
- Podczas ponownego montażu stosu płyt, nadmierne dokręcenie śrub zaciskowych może prowadzić do zgniecenia płyt, co uszkadza korytka płyt i wyciska uszczelki. Jeśli uszczelki zostaną wyciśnięte, płyta nie będzie już prawidłowo uszczelniać.
- Wymienniki ciepła płytowe nie nadają się do zastosowań wysokociśnieniowych, ponieważ uszczelki byłyby wypychane przez ciśnienie w systemie; sytuacja ta jest określana jako 'wybuch uszczelki'. Jednak można obejść ten problem, używając projektu bezuszczelkowego; te projekty zazwyczaj używają lutowanych lub spawanych płyt. Lutowane i spawane wymienniki ciepła płytowe są bardziej odpowiednie do zastosowań o wyższej temperaturze i wyższym ciśnieniu, ale także do zastosowań, w których wyciek byłby niebezpieczny/katastrofalny, np. toksyczne lub trujące media przepływające.
Dodatkowe zasoby
https://en.wikipedia.org/wiki/Plate_heat_exchanger
https://www.alfalaval.com/microsites/gphe/tools/how-gphes-work