Перед тем, как купить чиллер, важно понимать его комплектующие для подбора оптимального режима работы. Одним из таких важных характеристик является то, какой теплообменник будет использоваться в чиллере. В статье рассмотрены особенности пластинчатых и кожухотрубных теплообменных аппаратов, их плюсы и минусы, современные инженерные решения, даны рекомендации по выбору.
Теплообменник в чиллере
Чиллер – холодильная машина, применяемая для охлаждения воды. Процесс происходит в двухконтурном радиаторе. Через один – холодный — контур прокачивается кипящий фреон, через другой – горячий — охлаждаемая среда. Снижение температуры происходит в результате теплообмена между теплоносителем и хладагентом через металлическую стенку, разделяющую их потоки.
Интенсивность теплопередачи определяется:
* физическими характеристиками жидкости – плотность вязкость, теплоёмкость. Они учитываются при расчётах основных теплофизических критериев Прандтля и Нуссельта (Pr, Nu)
* характером течения – ламинарным или турбулентным. Оно описывается числом Рейнольдса (Re)
* площадью стенок, через которые реализуется обмен теплом.
Последний параметр в наибольшей степени сказывается на эффективности использования теплообменного аппарата. Это влияет на выбор его конструктива.
Разнообразные теплообменные устройства используются не только в составе холодильных машин. Они также являются частью тепловых систем, где требуется водо-водяной теплообмен. Т. е. нагрев или охлаждение одного потока другим в различных технологических процессах.
Конструктивные схемы
Наиболее распространённые конструкции теплопередающих приборов — пластинчатые и кожухотрубные.
Оба типа широко распространены. Каждый из них имеет преимущества и недостатки, на которых необходимо остановиться более подробно.
Пластинчатые теплообменники (ПТО)
Как следует из названия, в этой разновидности переход тепла происходит через пластины, разделяющие холодную и горячую жидкости. В состав изделия входит пакет из нескольких прямоугольных плоских деталей, имеющих по 4 круглых отверстия в углах. Они образуют каналы для входа и выхода охлаждающего и охлаждаемого (или нагревающего и нагреваемого) течений.
Для предотвращения утечек между плоскостями устанавливаются гидроизолирующие прокладки. Они сформированы таким образом, что охлаждённый и нагретый ток проходят, чередуясь между собой.
Маленькая ширина зазора способствует максимальному контакту теплоносителя и теплопередающей поверхности. Дополнительно для усиления эффекта на плоскостях выдавливаются рифления, направляющее ходы зигзагом и создающие турбулентность, т. е. перемешивание слоев воды.
Подобно другим конструктивным схемам у ПТО них есть сильные и слабые стороны.
Преимущества и недостатки пластинчатых теплообменников
Как уже говорилось, они состоят из набора пластин. Они стягиваются в единое целое проходящими через весь пакет стержнями с гайками на концах. Их всегда можно разобрать и собрать для осмотра чистки. Увеличение или уменьшение тепловой мощности легко достигается изменением количества элементов.
Большой теплопоток через единицу площади поверхности обуславливает высокое соотношение теплопередачи к весу (кВт/кг) и служит показателем рационального использования конструкционных материалов.
Данные параметры достигаются благодаря малым зазорам между пластинами. Это создаёт значительное сопротивление току теплоносителя. Для его ускорения требуется повышенное гидравлическое давление на входе в систему и более мощный насос.
Уменьшенная величина зазоров имеет оборотную сторону. Для снижения трудоёмкости обслуживания и ремонта при длительной эксплуатации необходимо использование специально подготовленной воды с минимальным содержанием растворённых солей. Пренебрежение этим требованием приводит к образованию накипи, удалить которую можно только чисткой с полной разборкой.
Прокладки, разделяющие пластины, направляющие жидкостные потоки и препятствующие утечкам, имеют сложную форму. Из-за этого они дороги, замена при выходе из строя обходится в круглую сумму.
Преимущества ПТО:
* высокая теплопередача при малом весе
* возможность увеличивать и уменьшать мощность, добавляя и убирая элементы
* хорошая ремонтопригодность
* лёгкость полной разборки для чистки и замены элементов
Недостатки:
* требовательность к качеству воды
* высокое гидравлическое сопротивление
* дорогие запасные части
* невозможность очистки промывкой, необходимость полной разборки.
Кожухотрубные теплообменники (КТТО)
В этой конструкции теплообменного аппарата один поток воды проходит через пучок трубок, заключённый в цилиндрический кожух. Другой — протекает внутри в межтрубном пространстве и омывает их снаружи. Это конструктивное отличие и дало название типу устройств. Горячим или холодным может быть как один, так и второй.
Наружный кожух с торцов закрыт так называемыми трубными решётками. Они представляют собой пластину с отверстиями. В них вставлены и герметично развальцованы внутренние трубки. К ним крепятся объёмные крышки. При необходимости их полость может разделяться перегородками на несколько частей. Тогда водяной поток из них протекает через пучок больше, чем за один проход.
Межтрубное пространство внутри обечайки также может разделяться перегородками. Они направляют жидкость, омывающую пучок, перпендикулярно ему. Входя в корпус у одного торца и выходя у другого, течения неоднократно пересекаются. Это увеличивает время их соприкосновения и количество переданного тепла.
Трубные решётки обычно крепятся к фланцу кожуха болтами. Если немного усложнить конструкцию, устройство можно сделать частично разборным. Появится возможность извлечь пучок труб и провести его внешний осмотр.
Ремонтные варианты КТТО ограничены. Можно заменить уплотнительные прокладки между крышкой и фланцем, заварить трещины в наружном корпусе, в случае их появления. Но такие ситуации довольно редки. Элементы кожухотрубных аппаратов хорошо сопротивляются вибрационным нагрузкам.
В случае нарушения целостности одной из трубок, её заглушают с обеих сторон. Замена невозможна или чрезмерно затруднена. При этом падает тепловая мощность, но ввиду их большого количества, узел не теряет работоспособности. По действовавшим ранее нормам допускалась выбраковка до 30 % от общего числа или менее, если не обеспечивались требуемые параметры процесса.
Вследствие относительно больших диаметров каналов, по которым протекают жидкости, КТТО обладают довольно низким по сравнению с ПТО коэффициентом теплопередачи. При гораздо большей массе соотношение кВт/кг получается очень низким.
Кожухотрубные изделия меньше, чем пластинчатые страдают от накипи на стенках трубок. Избавиться от неё солей можно промывкой составом растворяющим отложения солей.
Увеличить или уменьшить теплопередачу, добавлением деталей КТТО невозможно.
Преимущества и недостатки кожухотрубных теплообменников
Подводя итог описанию, можно выделить положительные и отрицательные стороны.
Достоинства:
* простота конструкции
* стойкость против вибраций
* Возможность избавиться от накипи промывкой без разборки
* меньшая, чем у ПТО стоимость.
Недостатки:
* малый показатель тепловой мощности
* большой вес и габариты
* ограниченная ремонтопригодность.
Современные кожухотрубные теплообменники
Приведённое сравнение должно бы показать подавляющее преимущество ПТО над КТТО. Но инженерная мысль не стоит на месте. Найдены решения, позволившие значительно улучшить удельные показатели кожухотрубных узлов.
Поверхностное оребрение трубок значительно повышает эксплуатационный коэффициент. Ещё больший эффект достигается нанесением металлического пористого покрытия.
Ещё один путь – делать их не круглыми, а прямоугольными или более сложной формы. При этом увеличится отношение площади поверхности к поперечному сечению, что тоже улучшает эксплуатационные характеристики.
Применение современных материалов позволяет существенно уменьшить вес конструкции.
В конечном итоге разница между двумя типами приборов если не нивелирована, то в значительной мере сглажена.
Какой теплообменник выбрать
Для окончательного решения следует собрать большой объём исходных данных. В их числе начальные и конечные температуры теплоносителей, требуемый их расход, доступные энергетические ресурсы, площадь помещения, в котором будет размещёна установка, несущая способность перекрытия, если оно находится не на первом этаже, планируемых бюджет и многое другое.
В случае затруднений со сбором параметров, проведением необходимых расчётов рекомендуется обратиться в ООО «КРЕАТИВНЫЕ МАШИНЫ И ОСНАСТКА» — представителю производителя холодильного и теплопередающего оборудования компании AYTEK. Производитель чиллеров AYTEK поставляет чиллера как с кожухотрубным, так и с пластинчатым теплообменником. Со всеми моделями вы можете ознакомиться в нашем каталоге.
Инженеры «КМО» ответят на вопросы и сделают требуемые расчёты. После консультации вы найдёте оптимальный состав теплообменного оборудования.