Сред топлообменните технологии, достъпни за преработващата промишленост, езаварен пластинчат топлообменникзаема любопитна позиция. Не е най-широко използваното-разграничение, принадлежащо на конструкцията-и-тръба, която представлява приблизително 60% от световния пазар на топлообменници по приходи. Не е най-познатият-пластинчатият топлообменник с уплътнения е много по-разпространен в ОВК и приложения в леката промишленост. И все пак завареният пластинчат топлообменник създаде специализирана ниша, където неговата комбинация от висока термична ефективност, компактност и непропусклива -конструкция осигурява възможности, които не могат да предложат нито конструкциите с кожух-и-тръба, нито уплътнени пластини.
Пазарът на заварени пластинчати топлообменници е нараснал със среден годишен темп от 5-7% през последното десетилетие, движен от търсенето от химическия, нефтохимическия и енергийния сектори. Този растеж отразява не общото предпочитание към технологията на пластините, а по-скоро признаването, че определени условия на работа-повишени температури, високо налягане и опасни течности-изискват различен инженерен подход. Тази статия разглежда технологията от практическа гледна точка, преглеждайки условията, които благоприятстват нейния избор, участващите решения за материал и размери и икономическите компромиси, които определят дали това е подходящият избор за дадено приложение.
Еволюцията на технологията на пластинчатия топлообменник
Theпластинчат топлообменникКонцепцията r датира от 20-те години на миналия век, когато д-р Ричард Селигман изобретява първия комерсиално жизнеспособен дизайн. Основният принцип-тънки гофрирани плочи, осигуряващи голяма повърхност за пренос на топлина-е останал непроменен от век. Това, което се е развило, е методът за запечатване на плочите.
Пластинчатият топлообменник с уплътнение, въведен през 30-те години на миналия век, се превърна в доминираща конфигурация за чисти течности при умерени температури и налягания. Използването на еластомерни уплътнения позволява плочите да се отварят за почистване и поддръжка, значително предимство пред заварената конструкция. До 60-те години на миналия век уплътнените пластинчати топлообменници до голяма степен изместиха дизайна на кожух-и-тръба в HVAC приложенията и навлязоха в хранително-вкусовата промишленост.
Завареният пластинчат топлообменник се появи като отговор на ограниченията на уплътнените конструкции. През 70-те години на миналия век производителите започнаха да разработват пакети с плочи, които бяха заварени заедно в краищата, елиминирайки изцяло уплътненията. Заварената конструкция позволява работа при температури и налягания, които бързо биха разрушили еластомерните уплътнения. Първоначално използвана в специализирани приложения като охлаждане и високо-температурно охлаждане, технологията оттогава се разшири в химическа обработка, производство на енергия и морски приложения.
Развитието на технологията за лазерно заваряване през 90-те години на миналия век значително подобри качеството и последователността на заваръчните шевове. Лазерното заваряване осигурява по-дълбоко проникване, по-тесни термично-засегнати зони и намалено изкривяване в сравнение с традиционните методи на заваряване. Това подобрение позволи на производителите да произвеждат пакети от заварени плочи с по-голяма надеждност и да използват по-тънки плочи, подобрявайки преноса на топлина, като същевременно поддържат структурната цялост.
Техническият случай за заварена плоча
Обосновката за определяне на заварен пластинчат топлообменник се основава на четири технически предимства пред алтернативните конструкции:
-
Температурна способност.
Пластинчатият топлообменник с уплътнения е ограничен от термичното разграждане на неговите еластомерни уплътнения. EPDM уплътненията, най-разпространеният материал за услуги с вода и гликол, имат максимална продължителна работна температура от приблизително 140 градуса. NBR уплътненията са ограничени до 100 градуса. Viton разширява обхвата до приблизително 190 градуса, но на значително по-висока цена. Завареният пластинчат топлообменник, без еластомерни компоненти в пътя на течността, може да работи при температури до 350 градуса в стандартни конструкции. Тази възможност е от съществено значение за приложения като системи с термично масло, междинно охлаждане на компресори и определени химически реактори.
-
Устойчивост на натиск.
Уплътнените пластинчати топлообменници обикновено са ограничени до работно налягане от 20-25 бара в стандартните конструкции. По-високите налягания изискват по-дебели плочи, по-здрави рамки и специализирани уплътнителни материали, добавяйки значителни разходи. Предлагат се заварени пластинчати топлообменници за налягания до 40 бара в стандартни конфигурации, а някои производители предлагат конструкции с номинално налягане до 100 бара или повече. Пакетът от заварени плочи разпределя натоварването от натиск върху плочите, докато конструкцията с уплътнение разчита на компресията на уплътнителните елементи.
-
Цялост на теча.
Пластинчатият топлообменник с уплътнение има множество потенциални пътища за теч-при всеки интерфейс на уплътнението, при уплътнението на рамката и при връзките. Завареният пластинчат топлообменник няма уплътнени интерфейси; единствените потенциални пътища за изтичане са при заварените съединения и външните връзки. За приложения, включващи опасни течности, скъпи материали или чувствителност към околната среда, тази разлика е решаваща. Цената на единичен теч в амонячна хладилна система, например, може да надхвърли цената на самия топлообменник.
- Плътност на повърхността.
Както заварените, така и уплътнените пластинчати топлообменници постигат висока плътност на повърхността благодарение на тънките пластини и тесните канали. Типичните стойности са 200-400 m²/m³ за пластинчати топлообменници, в сравнение с 30-100 m²/m³ за кожухот-и-тръбни конструкции. Тази плътност позволява монтаж в пространства, където не би могъл да се побере кожухотръбен топлообменник. Компактността също така намалява теглото на топлообменника, важен фактор при морски и офшорни приложения.
Ограниченията: Когато заварената плоча не е правилният избор
Същите характеристики, които правят заварения пластинчат топлообменник привлекателен за определени приложения, също налагат ограничения, които трябва да се вземат предвид в процеса на избор.
-
Недостъпност.
Опаковката от заварени пластини не може да се отваря за проверка или механично почистване. Плочите са трайно запечатани и всяко замърсяване трябва да се отстрани чрез химическо почистване или чрез подмяна на целия пакет от плочи. Това е най-същественото ограничение и основната причина, поради която заварените пластинчати топлообменници не са определени за услуги с висока склонност към замърсяване.
Прегледът на експлоатационния опит показва, че заварените пластинчати топлообменници не трябва да се използват в услуги, където степента на замърсяване надвишава приблизително 0,1 mm/година или където течността съдържа частици, по-големи от междината на канала (обикновено 2-5 mm). При такива услуги спадът на налягането в топлообменника се увеличава бързо и химическото почистване може да не е ефективно за възстановяване на работата. Икономическите разходи за подмяна на замърсен пакет от плочи често надхвърлят спестяванията от първоначалния избор на заварен модул.
-
Трудност при ремонт.
Когато заварен пластинчат топлообменник развие теч-обикновено при заваръчния шев или при връзката с рамката-възможностите за ремонт са ограничени. Заваръчният шев може да бъде поправен в някои случаи, но ремонтът изисква специализирано заваръчно оборудване и е по-скъп от подмяната на уплътненията в уплътнения модул. На практика много оператори третират пакета пластини като сменяем компонент, а не като такъв, който подлежи на ремонт.
-
Ограничения при избора на материал.
Плочите трябва да бъдат заварени, което налага изисквания към състава и дебелината на материала. Някои сплави, които са подходящи за устойчивост на корозия при химическо обслужване, са трудни за заваряване или изискват специални процедури за заваряване. Следователно изборът на материали за плочи е по-ограничен, отколкото при дизайните с уплътнение, където плочите просто се затягат и запечатват.
Избор на материал: Критично решение
Изборът на пластинчат материал в заварен пластинчат топлообменник трябва да отговаря на три изисквания: устойчивост на корозия в работната среда, заваряемост и икономическа жизнеспособност. Първите две са технически; третият определя дали обменникът е осъществим в рамките на бюджета на проекта.
- Неръждаемата стомана 316L представлява приблизително 70% от заварените пластинчати топлообменници, които се използват в момента. Обозначението "L" показва ниско съдържание на въглерод (максимум 0,03%), което намалява риска от междукристална корозия след заваряване. 316L осигурява подходяща устойчивост на корозия за вода, гликол, вода от охладителна кула и повечето технологични потоци с концентрации на хлорид под 200 ppm. Над тази концентрация или при температури над 60 градуса рискът от точкова корозия нараства значително. Цената на 316L е приблизително 3-4 пъти по-висока от тази на въглеродната стомана, но премията е оправдана от удължения експлоатационен живот в повечето приложения.
- Титанът е посочен, когато концентрацията на хлорид надвишава 500 ppm или когато работната температура надвишава 70 градуса в услуга, съдържаща хлорид-. Пасивният оксиден слой върху титан е изключително стабилен в хлоридни среди, с потенциал на питинг приблизително 500 mV по-висок от този на 316L. Цената на материала е приблизително 6-8 пъти по-висока от тази на 316L, а процесът на заваряване изисква щит от инертен газ, за да се предотврати замърсяване. При приложения за охлаждане с морска вода, където хлоридите присъстват при 15 000-20 000 ppm, титанът е стандартният материал за заварени пластинчати топлообменници.
- Никеловите сплави (сплав 276, сплав 625) се използват за силно корозивни услуги, включващи солна киселина, сярна киселина, мокър хлор и други агресивни химикали. Сплав 276 е по-често срещаният избор за заварени пластинчати топлообменници, със скорост на корозия по-малка от 0,1 mm/година в 20% солна киселина при 50 градуса. Цената на материала е приблизително 10-12 пъти по-висока от тази на 316L, а процесът на заваряване изисква внимателен контрол на входящата топлина и избора на добавъчен метал. Високата цена ограничава използването на никелови сплави до приложения, при които няма жизнеспособен друг материал.
- Дуплексните неръждаеми стомани (2205, 2507) все повече се специфицират за приложения, изискващи по-висока якост и по-добра устойчивост на хлорид от 316L, но на по-ниска цена от титана. Duplex 2205 има еквивалентно число на устойчивост на питинг (PREN) от приблизително 35, в сравнение с 25 за 316L, което показва значително по-добра устойчивост на питинг корозия в хлоридни среди. Цената на материала е приблизително 2-3 пъти по-висока от тази на 316L. Процесът на заваряване трябва да се контролира, за да се поддържа правилният фазов баланс в заваръчния метал, но процедурата е добре установена и широко достъпна.
Оразмеряване и производителност: какво всъщност означават проектните данни
Термичният дизайн на заварен пластинчат топлообменник се основава на същата фундаментална зависимост като всеки топлообменник: Q=U × A × ΔTlm. Разликата е в стойностите на общия коефициент на топлопреминаване, U, който е значително по-висок, отколкото при кожух-и-тръбните конструкции поради тънките пластини и турбуленцията, генерирана от гофрите.
Общите коефициенти на топлопреминаване за заварени пластинчати топлообменници при работа от течност-към-течност обикновено варират от 3000 до 7000 W/m²·K, в сравнение с 500 до 2000 W/m²·K за кожухотрубни-и-тръбни обменници. Високият коефициент означава, че пластинчатият топлообменник изисква приблизително една-трета до една-пета от повърхностната площ на кожухот-и-тръбния модул за същата топлинна мощност. Това намаление на повърхността се превръща директно в намаляване на физическия размер и тегло на обменника.
Падането на налягането е компромис-. Тесните канали и турбуленцията, които подобряват преноса на топлина, също увеличават съпротивлението на потока. Типичните спадове на налягането в пластинчатия топлообменник варират от 0,3 до 1,5 бара на флуиден поток, в сравнение с 0,1 до 0,5 бара в кожухотръбен-и-тръбен обменник. Падът на налягането трябва да бъде включен в спецификацията на помпата на системата. По-малкият размер на помпата е често срещана грешка при проектирането на пластинчатите обменни системи.
Факторът на замърсяване често се надценява в спецификациите на пластинчатия топлообменник. Високата турбуленция в каналите на плочата намалява тенденцията за отлагане на частици, а гладката повърхност на плочата намалява адхезията на биологични или химически отлагания. Типичният коефициент на замърсяване за пластинчат топлообменник е 0,0001 до 0,0002 m²·K/W, в сравнение с 0,0002 до 0,0005 за кожухотръбен модул. Използването на по-висок коефициент на корпус-и-тръба в спецификацията на пластинчатия топлообменник води до извънгабаритна единица, със свързаните санкции за разходи и място.
Температурен подход-разликата между изходящите температури на двата потока-е ключов показател за ефективност. В добре-проектиран пластинчат обменник, температурата на приближаване може да бъде толкова ниска, колкото 1 градус до 2 градуса, в сравнение с 5 градуса до 10 градуса в кожухот-и-тръбен модул. Близкият подход е предимство при приложения за възстановяване на топлината, където максимизирането на температурната разлика е от съществено значение за енергийната ефективност.
Опит в приложението: Къде действително се използват заварени пластинчати обменници
Анализът на инсталираните модули показва, че заварените пластинчати топлообменници са концентрирани в четири промишлени сектора, всеки с различни работни условия и двигатели за избор.
-
Химическа обработка.
Химическата промишленост представлява приблизително 35% от инсталираната база заварени пластинчати топлообменници. Основните фактори са температурата и химическата съвместимост. Много химични реакции протичат при температури над 150 градуса, където уплътнените модули изискват честа смяна на уплътнението. Течностите често са корозивни, изискващи специални материали като никелови сплави или титан. Химическата промишленост също цени непропускливата- конструкция, тъй като кръстосаното-замърсяване между процесните потоци може да има значителни последици за икономиката и безопасността.
-
Хладилна и ОВК.
Хладилният сектор представлява приблизително 25% от инсталираните единици, предимно в системи с амоняк и CO₂. Амонякът е токсичен и запалим и изтичане в уплътнен модул може да освободи хладилен агент в обитавани пространства. Заварените модули елиминират уплътнените пътища на теч, осигурявайки по-високо ниво на безопасност. Високите работни налягания на хладилните системи с CO₂ (до 100 бара в някои конструкции) също благоприятстват заварената конструкция, тъй като уплътнените модули не са жизнеспособни при тези налягания.
-
Производство на електроенергия.
Енергийният сектор представлява приблизително 20% от инсталираните единици, предимно за охлаждащи приложения. Водата от охладителната кула често е корозивна поради концентрацията на хлорид и дебитът на охлаждащата вода е висок. Компактността на конструкцията на плочата е предимство в електроцентралите, където пространството често е ограничено. Високата топлинна ефективност намалява нуждите от охлаждаща вода, важен фактор в места с ограничения в наличността на вода.
-
Морски и офшорни.
Морският сектор представлява приблизително 10% от инсталираните единици. Основният двигател е компактността и намаляването на теглото. Теглото на пластинчатия топлообменник е приблизително една-трета от корпусно--тръбно устройство за същото натоварване, значително предимство при инсталации на борда на кораба и в морето. Устойчивостта на корозия на титаниеви пластинчати топлообменници също е важна в системите с-охлаждане с морска вода.
Икономическото решение: капиталови разходи срещу разходи през жизнения цикъл
Изборът на заварен пластинчат топлообменник в крайна сметка е икономическо решение и икономическият случай трябва да се оценява през целия експлоатационен живот на оборудването.
Капиталовите разходи за заваръчен пластинчат топлообменник обикновено са с 30% до 50% по-високи от тези на уплътнен пластинчат топлообменник за същото топлинно натоварване. Премията отразява по-сложната конструкция, заварените съединения и често изискваните по-високи класове материали. За титаниева заварена единица, премията е дори по-висока-приблизително 100% до 150% в сравнение с уплътнена единица от неръждаема стомана.
Оперативните разходи са мястото, където икономиката се измества. При високо-температурно обслужване уплътненият модул ще изисква смяна на уплътнението на всеки 12 до 24 месеца, в зависимост от температурата и течността. Цената на комплект уплътнения за топлообменник от 100 m² обикновено е $2000 до $4000, плюс разходите за труд за разглобяване, почистване и повторно сглобяване. Общите разходи за поддръжка за период от 10 години могат да надхвърлят капиталовите разходи на единицата.
В заварена единица разходите за поддръжка са ограничени до химическо почистване и наблюдение. Ако сервизът е чист и течността не се замърсява, експлоатационните разходи са минимални. Разходите за жизнен цикъл на заварения модул-капиталови разходи плюс оперативни разходи-често са по-ниски от тези на уплътнения модул за 10-годишен експлоатационен живот, въпреки че капиталовите разходи са по-високи.
Икономическият случай е още по-благоприятен при-услуги с високо напрежение. Устройство с уплътнения, предназначено за налягания над 25 бара, изисква по-дебели плочи, по-здрави рамки и специализирани материали за уплътнения. Капиталовите разходи за уплътнен агрегат с високо{4}}налягане се доближават до този на заварен модул, но разходите за поддръжка остават по-високи. В тези приложения завареният модул често е най-икономичният избор за целия експлоатационен живот.
Избор на производител: Какво да проверите
Качеството на заварения пластинчат топлообменник зависи значително от заваръчните процедури на производителя и системите за контрол на качеството. Следните фактори трябва да бъдат проверени по време на процеса на подбор:
- Сертификация за заваряване. Производителят трябва да притежава сертификат ISO 3834, който е специфичен за качеството на заваряване. Сертификацията показва, че производителят има документирани процедури за заваряване, квалифицирани заварчици и системи за инспекция.
- Проверка на заваръчните шевове. Производителят трябва да извърши изпитване за -проникване (PT) или изпитване за изтичане на хелий на заварените съединения. За критични приложения трябва да се посочи 100% тестване. Критериите за приемане трябва да бъдат установени предварително и включени в спецификацията за закупуване.
- Проследимост на материала. Сертификатите на материалите за плочите и консумативите за заваряване трябва да бъдат прегледани. Сертификатите трябва да потвърждават химичния състав, механичните свойства и термичната обработка на материалите.
- Изпитване под налягане. Сглобеният топлообменник трябва да бъде хидростатично тестван при 1,5 пъти проектното налягане, в съответствие с приложимия код. Тестът трябва да бъде наблюдаван от купувача или от упълномощен инспектор.
- Тестване на производителността. Изпитването на топлинна ефективност е по-рядко срещано от изпитването под налягане, но трябва да се уточни за критични приложения или за първия модул на нов дизайн. Тестът за ефективност трябва да потвърди, че коефициентът на топлопреминаване и спадът на налягането отговарят на проектните стойности.
Рамка за вземане на решения
Изборът на заварен пластинчат топлообменник може да бъде структуриран като поредица от въпроси, като всеки отговор води до конкретна препоръка.
Въпрос 1:
Работната температура над 150 градуса ли е или работното налягане над 25 бара?
Ако отговорът е да, топлообменникът с уплътнение вероятно ще изисква честа поддръжка. Трябва да се има предвид заварен пластинчат топлообменник. Ако не, оценете свойствата на течността.
Въпрос 2:
Флуидът е токсичен, запалим, скъп или по друг начин изисква херметична конструкция?{0}}
Ако да, завареният пластинчат топлообменник е предпочитаният избор. Премахването на уплътненията значително намалява риска от изтичане. Ако не, разгледайте условията на обслужване.
Въпрос 3:
Течността има ли висока склонност към замърсяване?
Ако отговорът е да, завареният топлообменник не се препоръчва, тъй като пластините не могат да се почистват механично. Трябва да се посочи кожухотръбен топлообменник или пластинчат топлообменник с уплътнение с достъп за почистване. Ако не, преминете към икономическа оценка.
Въпрос 4:
Ограничено ли е мястото за инсталиране?
Ако да, компактността на заварения пластинчат топлообменник е значително предимство. Спестяването на пространство може да оправдае по-високи капиталови разходи. Ако не, икономическата оценка трябва да прецени разходите за алтернативните проекти.
Въпрос 5:
Каква е икономическата възвращаемост?
Ако разходите за жизнения цикъл на заварената единица са по-ниски от алтернативите, посочете заварената единица. Ако премията за капиталови разходи не е оправдана от спестяването на оперативни разходи, изберете алтернативния дизайн.
Заключение
Завареният пластинчат топлообменник заема специфична и важна позиция в технологичния ландшафт на топлообменниците. Това не е-решение с общо предназначение за всички приложения за пренос на топлина, нито е нишов продукт с ограничена полезност. Това е целева технология за условия на работа, при които уплътнените пластинчати топлообменници достигат своите граници, а кожухоту-и-тръбните топлообменници са проектирани прекалено много.
Случаите, при които завареният пластинчат топлообменник е правилният избор, са добре-дефинирани: повишени температури (над 150 градуса), повишено налягане (над 25 бара), опасни или скъпи течности и-ограничени инсталации. В тези приложения завареният модул осигурява производителност и надеждност, които никой друг дизайн не може да съпостави.
Процесът на подбор трябва да се ръководи от внимателен анализ на условията на работа, материалните изисквания и икономиката на жизнения цикъл. Капиталовите разходи на заварената единица са по-високи от тези на уплътнената единица, но намалената поддръжка и удълженият експлоатационен живот често оправдават инвестицията. Ключът е да се оценят точно условията и да се изберат материали и производител, който може да осигури надеждна работа през целия експлоатационен живот.