Пластинчато-ребристые теплообменники

Пластинчато-ребристые теплообменники (теплообменники с вто­ричными поверхностями) нашли широкое распространение в хими­ческой промышленности в качестве теплообменников, конденсаторов, испарителей для чистых газов и жидкостей, в том числе высоковязких.

Их применяют главным образом в крупных установках по разделению методом глубокого охлаждения воздуха, углеводородных газов, в уста­новках для сжижения и ректификации водорода.

Широкое распространение пластинчато-ребристые теплообменни­ки получили благодаря своей компактности, достигающей 2000 м² по­верхности теплообмена на 1 м³ объема теплообменника, что во много раз превышает компактность всех остальных видов теплообменников. В пластинчато-ребристых теплообменниках возможно одновременно в одном блоке проводить теплообмен между четырьмя и более тепло­носителями, что достигается соответствующей конструкцией коллекто­ров. Особенно выгодно применять пластинчато-ребристые теплообмен­ники в качестве реверсивных, в которых часто приходится регулировать температурные напоры рециркуляцией одного из потоков, что находит широкое применение в установках глубокого холода.

В одном и том же теплообменнике расстояние между пластинами, а также тип оребрения могут быть различны, что позволяет регулиро­вать сопротивление при прохождении потоков через теплообменник в зависимости от расхода теплоносителей и их давления.

Масса и теплоемкость пластинчато-ребристых теплообменников намного меньше, чем остальных типов теплообменников такой же по­верхности, в связи с тем что основная часть поверхности выполняется из тонких металлических листов. Малая теплоемкость теплообменни­ка очень важна при переменном переключении их и необходимости сублимации примесей, выделяющихся на поверхности теплообмена. По данным зарубежных фирм, применение в установках глубокого хо­лода пластинчато-ребристых теплообменников вместо регенераторов

с насыпной насадкой сокращает габа­ритные размеры аппарата в 5 раз и его вес в 15 раз.

Стоимость единицы поверхности теплопередачи пластинчато-ребристых теплообменников при их серийном из­готовлении значительно ниже той же стоимости теплообменников других типов.

Рис. 2.66. Детали элемента пластинчато-ребристого теплообменника

Существуют различные типы пла­стинчатых теплообменников с вто­ричными поверхностями. На рис. 2.66 показаны детали элемента пластинча­то-ребристого теплообменника: между двумя гладкими пластинами расположен гофрированный лист, про­странство с двух сторон закрыто боковыми уплотнениями. Постав­ленные один на другой, такие элементы образуют пакет теплообмен­ника. После сборки необходимого количества элементов в пакет при помощи специальных приспособлений производится припайка гофров к гладкой пластине в местах касания пластин. Таким образом получа­ется оребренная теплообменная поверхность, в которой теплоноситель разбивается на большое число потоков. Схемы движения теплоносите­лей в пакете могут быть различные: прямоток, противоток (рис. 2.67) или перекрестный ток (рис. 2.68).

Рис. 2.67. Пакет противоточного Рис. 2.68. Пакет перекрестноточного теплообменника

теплообменника

Дополнительные теплообменные поверхности (ребра), находящиеся между гладкими поверхностями, могут быть (рис. 2.69):

— гладкими (непрерывными): ребра изготовлены из гофрированной тонкой полосы и припаяны к обеим гладким пластинам (рис. 2.69а);

— волнистыми (рифлеными): ребра образуют волнистую линию вдоль всего движения теплоносителя, к этому же типу относятся пластины с зигзагообразными ребрами (рис. 2.695);

— прерывистыми, смещенными одно относительно другого (рис. 2.69е);

— чешуйчатыми (жалюзными): на ребрах такой же формы, как и глад­кие ребра, имеются прорези, расположенные поперек хода ребра; прорезь не доходит до вершин ребер; края прорези отогнуты в одну или в разные стороны и создают таким образом как бы чешую на ребре (рис. 2.69г));

— стерженьковыми (шиповыми): ребра изготовлены из тонкой про­волоки и расположены в шахматном или коридорном порядке пер­пендикулярно гладким пластинам; шипы могут быть изготовленыкак цилиндрическими, так и обтекаемой формы, когда задняя кромка шипа заостренная; однако из-за сложности изготовления насадка этого типа при­меняется сравнительно редко.

В зависимости от коли­чества протекающих через теплообменник теплоно­сителей и их свойств рас­стояния между гладкими пластинами в одном и том же теплообменнике могут быть различны.

Рис. 2.69. Схемы пластинчато-ребристых поверхностей с ребрами: а — гладкими (непрерывными); б— волокнистыми; в — пре рывистыми; г— чешуйчатыми

При конструировании пластинчато-ребристых теплообменников необходимо обеспечить равномерное распределение потоков внутри блока и между блоками. Это достигается применением многоходовых коллекторов, т. е. образованием параллельных каналов при помощи установки в коллекторе перегородок.

Наиболее широко применяемыми материалами для пластинчато-ребристых теплообменников являются алюминий и его сплавы. Кроме того, эти теплообменники выполняются из стали, титана, сплавов меди и других металлов.

Для изготовляемых из алюминиевых сплавов пластинчато-ребрис­тых теплообменников расстояние между гладкими листами (высота гофра) составляет от 3 до 15 мм. Для жидкостей и конденсирующихся паров обычно используют ребра высотой от 3 до 7 мм, а более высокие ребра используются для газов. Алюминиевые листы имеют толщину от 0,7 до 1,5 мм, а толщина металла, из которого изготовляют ребра, колеблется от 0,1 до 0,4 мм и в редких случаях достигает 0,8 мм. В этих теплообменниках удельная поверхность достигает 900...1500 м² на 1 м³ объема пакета. На 100 мм ширины пакета приходится от 40 до 70 ребер. В теплообменниках с гладкими ребрами толщиной 0,1 мм число ребер на 100 мм ширины пакета достигает до 120, а удельная поверхность доходит до 2500 м²/м³. Для кожухотрубчатых теплообменников этот параметр составляет от 40 до 150 м²/м³.

Максимальный объем пакета теплообменника зависит от условий пайки и обычно не превышает 1 м³. Необходимая поверхность теплообмена компонуется путем последовательного или параллельного со­единения отдельных пакетов (обычно до 6...8 шт.). Наибольший сум­марный объем пакетов, находящийся в эксплуатации, доходит до 5 м³.

Пайка пакетов пластинчато-ребристых теплообменников обычно производится в ванне с расплавленной солью или в печах в атмосфере инертных газов. Качество пайки должно тщательно контролировать­ся, так как отсутствие полного контакта между пластинами и оребре-нием приводит к резкому уменьшению коэффициента теплоотдачи и механической прочности. Теплообменник должен быть рассчитан на перепад давлений между протекающими по теплообменнику теплоно­сителями.

Пластинчато-ребристые теплообменники благодаря применению высокотемпературных припоев могут применяться и для высокотем­пературных установок.

Сборка пакета теплообменника производится следующим образом. Между пластинами устанавливаются отшлифованные ребра. Припой в виде фольги толщиной 0,05...0,15 мм прокладывается между пластина­ми и ребрами. Пакет заключают в специальный контейнер и помещают в печь для пайки. Пайка производится твердым припоем в защитной атмосфере. Для сжатия пластин и ребер в контейнере можно исполь­зовать механические прижимы.

В качестве твердых припоев применяют припои на серебряной осно­ве, а в теплообменниках, работающих при температурах ниже 400 °С, можно применять твердые припои на медной основе.

Низкотемпературные пластинчато-ребристые теплообменники из­готовляют, как правило, из алюминия и его сплавов, так как при низ­ких температурах их механические свойства, в том числе и ударная вязкость, не ухудшаются. В качестве припоя применяют алюминий с присадкой кремния, что понижает температуру плавления алюминия. Припой на основной лист наносится с двух сторон плакировкой.

После пайки аппарат вынимают из контейнера, тщательно очища­ют, проверяют на прочность и плотность, а затем к аппарату прива­ривают коллекторы. Увеличение давления приводит к необходимости уменьшения размеров коллекторов, чтобы уменьшить напряжение на периферии коллектора до допустимой величины. Возникают также до­полнительные напряжения в результате тепловых деформаций и дефор­маций, передающихся через соединительные трубопроводы. Поэтому при высоких давлениях необходимо или применять блоки небольшого поперечного сечения, или устанавливать несколько коллекторов малых размеров.

При хорошей пайке теплообменники могут выдерживать большую разницу температур между теплоносителями, так как при этом не воз­никает температурных напряжений. Кроме того, теплообменники хо­рошо выдерживают перемену давления. Так для установок глубокого охлаждения некоторые типы реверсивных теплообменников из алю­миниевого сплава испытывались при температуре 18 "С переменным давлением от 0 до 1,05 МПа и выдерживали свыше миллиона пере­ключений без нарушения их прочности.

Пластинчато-ребристые теплообменники хорошо выдерживают ви­брацию, что позволяет широко применять их в транспортных установках.