Теплообмен с помощью теплообменных панелей

Любой, кто впервые берет в руки теплообменную панель, сразу понимает, откуда взялось ее название: два металлических листа, сваренных вместе, между которыми циркулирует хладагент или теплоноситель, выпуклыми сторонами выпячиваются наружу, образуя трехмерную структуру, напоминающую подушку. То, что на первый взгляд кажется простым конструктивным принципом, на самом деле является результатом десятилетий разработок теплообменного элемента, который сегодня заменяет трубные пучки и змеевики в пищевой, фармацевтической и химической промышленности, а также в промышленном холодильном оборудовании – везде, где важны эффективность, простота очистки, гибкость и долговечность.

В данной статье объясняется, как устроены теплообменные панели, как они проектируются, какие конфигурации подходят для каких задач и в каких случаях они дают конкретные преимущества по сравнению с традиционными технологиями теплообменников в промышленной практике. На странице продукта компании HTT AG представлен технический обзор. В данной статье рассматриваются теоретические основы: физика, принципы проектирования и надёжная основа для принятия решений проектировщиками и операторами производственных объектов.

Теплообменная панель состоит из двух тонких металлических листов, сваренных между собой по заданной схеме. После сварки пространство между ними подвергается давлению, и листы выпячиваются наружу между точками сварки. В результате образуется сеть каналов, по которым протекает теплоноситель, а также трехмерно структурированная внешняя поверхность, которая активно взаимодействует со стороной продукта или технологического процесса.

Конструктивное отличие от других теплообменников сводится к трём характеристикам:

Геометрическая гибкость. Теплообменные панели – это не стандартное изделие с фиксированными размерами. Длина, ширина, толщина стенок, схема сварки и расположение каналов разрабатываются индивидуально для конкретного применения. Компания HTT AG использует системы лазерной сварки с ЧПУ, которые позволяют напрямую воплощать любую геометрию из проектного чертежа в производство. Это позволяет изготавливать теплообменные панели в форме прямоугольников, сегментов, цилиндров, конусов или с индивидуальной геометрией для нестандартных сосудов.

Использование в качестве конструктивного элемента. Теплообменные панели могут применяться не только в качестве подвесных теплообменников, но и в качестве конструктивных элементов, а также в качестве самой стенки емкости. Теплообменная панель с односторонним тиснением может служить как несущий элемент, так и рубашкой резервуара, которая одновременно выполняет функции теплообменника, несущего элемента и стенки сосуда. Это устраняет необходимость в отдельном теплообменнике и значительно сокращает занимаемую площадь.

Работа со сложными рабочими средами. Открытая каналообразная структура со стороны технологического процесса не имеет узких зазоров, в которых могут скапливаться отложения. Среды с содержанием твердых частиц, высоковязкие продукты и среды, содержащие твердые вещества, можно охлаждать или нагревать без риска засорения или повышенного перепада давления, которые могли бы стать ограничивающим фактором. Это отличает теплообменные панели типа «Теплообменные панели» от пластинчатых теплообменников с узкими профилированными каналами.

Основное различие между теплообменными панелями с подушкообразными пластинами заключается в наличии одинарного или двойного тиснения. Обе конструкции работают по одному и тому же принципу, но предназначены для разных областей применения.

Теплообменная панель с односторонним тиснением

В версии с одинарным тиснением одна пластина плоская, а другая – с тиснением. Плоская сторона прилегает к стенке сосуда и образует конструктивный элемент или рубашку резервуара. Теплоноситель протекает по каналам в форме подушки между плоской стенкой и пластиной с тиснением.

Типичные области применения:

• Конструктивный элемент: пластины с односторонним тиснением, как небольшие, так и большие, устанавливаются в качестве конструктивных элементов в системы нагрева или охлаждения. Они эффективно нагревают или охлаждают определенную площадь поверхности.
• Теплообменные панели в качестве рубашки вокруг цилиндрических или прямоугольных резервуаров. Перепад давления со стороны рукава низкий благодаря параллельным плоским каналам, что позволяет обеспечивать циркуляцию на больших площадях с помощью насосов малой мощности.
• Интеграция в резервуар: теплообменная панель встраивается непосредственно в стенку резервуара. Резервуар и теплообменник образуют единое целое, что позволяет избежать капитальных затрат и затрат на монтаж отдельного теплообменника.
• Охлаждение стен в холодильных камерах и складских помещениях: Пластины с односторонним тиснением большой площади устанавливаются в качестве стеновых панелей в холодильных складах и холодильных камерах. Они охлаждают помещение непосредственно через поверхность стены, без использования воздушных охладителей и сопутствующего им движения воздуха.

Теплообменные панели с двойным тиснением

В варианте с двойным тиснением обе пластины имеют тиснение, симметричное друг относительно друга. Это обеспечивает значительно большее поперечное сечение каналов, более высокую турбулентность теплоносителя и, следовательно, более высокие коэффициенты теплопередачи.

Типичные области применения:

• Конструктивный элемент: Пластины с двойным тиснением, как малые, так и большие, устанавливаются в качестве конструктивных элементов в системы отопления или охлаждения. Они эффективно нагревают или охлаждают определенную площадь поверхности.
• Автономные теплообменники: пластины с двойным тиснением устанавливаются в качестве подвесных теплообменников внутри резервуаров или емкостей, либо в виде стопок с заданным расстоянием между ними, либо в виде отдельных панелей.
• Охлаждение при высоких плотностях теплового потока: везде, где требуется отводить большое количество тепла с небольшой площади поверхности, вариант с двойным тиснением обеспечивает более высокие значения k благодаря более сильной турбулентности.
• Применение в системах «газ–жидкость»: Более крупное поперечное сечение каналов необходимо в случаях, когда со стороны теплоносителя происходит частичное испарение (например, при использовании NH₃ непосредственно в качестве хладагента).

Коэффициент теплопередачи теплообменника в значительной степени зависит от скорости потока и турбулентности среды у поверхности теплообмена. В гладких трубах или плоских каналах у стенки образуется ламинарный пограничный слой, препятствующий теплопередаче.

Рельефная трехмерная поверхность теплообменной панели непрерывно разрушает этот пограничный слой. Поток среды многократно изменяет направление, и вихри образуются даже при низких скоростях потока и при работе с высоковязкими средами. Именно поэтому теплообменные панели обеспечивают турбулентный теплообмен даже при низких числах Рейнольдса – в режимах течения, в которых традиционные теплообменники остаются ламинарными.

Конкретно: общий коэффициент теплопередачи (коэффициент k) теплообменной панели с двойным тиснением при работе в режиме «жидкость-жидкость» обычно выше, чем у сопоставимых змеевиковых систем аналогичного размера. При эквивалентном значении k требуемая поверхность теплообмена меньше, что позволяет создать более компактную установку.

Компания HTT AG рассчитывает значения k, перепады давления и площади теплообмена на основе фактических параметров технологического процесса: массовых расходов, температур на входе и выходе с обеих сторон, а также вязкости, теплопроводности и плотности используемых сред. В результате получается конструкция, адаптированная к конкретному процессу, а не стандартная конструкция, в которой один запас прочности накладывается на другой.

Стандартным материалом для теплообменных панелей в пищевой и фармацевтической промышленности является нержавеющая сталь 1.4301 (AISI 304) или 1.4404 (AISI 316L). Последний обеспечивает повышенную коррозионную стойкость к хлоридам благодаря содержанию молибдена, что актуально при использовании морской воды в качестве охлаждающей среды или при применении содержащих хлориды моющих средств.

Для более агрессивных сред или при повышенных требованиях к чистоте (например, в фармацевтическом производстве) используются специальные сплавы. Углеродистая сталь применяется там, где не действуют требования пищевой промышленности и где решающим фактором является более высокая прочность или более низкая стоимость материала.

Что касается номинального давления: в конструкции HTT AG теплообменные панели выдерживают давление до 50 бар со стороны теплоносителя, а в специальных исполнениях – и выше. Со стороны технологического процесса (снаружи рубашки) давление, как правило, значительно ниже. Благодаря этому теплообменные панели подходят для применений, которые в противном случае потребовали бы изготовления нестандартных теплообменников с соответствующим номинальным давлением.

Полностью сварная конструкция из нержавеющей стали не содержит прокладок со стороны контакта с продуктом. Это значительное преимущество с точки зрения гигиены: прокладки являются потенциальным источником загрязнения и требуют регулярной замены. При использовании теплообменных панелей эта нагрузка, связанная с техническим обслуживанием, полностью исчезает.

Пищевая промышленность сегодня является крупнейшей областью применения теплообменных панелей. Причины этого кроются в сочетании гигиеничной конструкции, простоты очистки, гибкости геометрии и способности надежно поддерживать температуру вблизи 0 °C.

Охлаждение молока и переработка молочной продукции

В молочных резервуарах теплообменные панели с двойным тиснением устанавливаются непосредственно вокруг емкости в качестве теплообменной рубашки. Гликоль или непосредственно хладагент проходит через рубашку и поддерживает молоко на температуре охлаждения. Низкий перепад давления в рубашке позволяет использовать рубашки большой площади с небольшими циркуляционными насосами. При прямом расширении в качестве хладагента можно использовать аммиак, поскольку полностью сварная конструкция исключает утечки со стороны продукта.

Охлаждение теста при производстве хлебобулочных изделий

При замесе теста выделяется тепло трения, которое повышает температуру теста и может вызвать неконтролируемое брожение дрожжей. Теплообменные панели охлаждают технологическую воду до температуры около 0 °C, после чего она подается в смеситель в качестве охлаждающей среды. Теплообменные панели с одинарным тиснением, имеющие форму емкости, также могут быть встроены непосредственно в саму смесительную чашу.

Переработка рыбы и морепродуктов

На рыбоперерабатывающих предприятиях вода для обработки продукции, сырье и емкости охлаждаются до температур от 0 до 2 °C. Теплообменные панели, используемые в качестве конструктивных элементов или рубашек резервуаров в технологических туннелях или емкостях, точно поддерживают эти температуры и при этом легко очищаются. Открытая гладкая поверхность из нержавеющей стали соответствует требованиям гигиенического дизайна, предъявляемым к поверхностям, контактирующим с пищевыми продуктами в рыбной промышленности.

Напитки и пивоварение

Брожения и резервуары для хранения на пивоваренных заводах охлаждаются и контролируются с помощью теплообменных панелей. Точный контроль температуры имеет решающее значение для качества процесса брожения. Поскольку на пивоваренных заводах часто эксплуатируется несколько сотен резервуаров, низкий перепад давления в теплообменной панели напрямую влияет на затраты на перекачку в рамках всего производственного процесса.

Химическая и фармацевтическая промышленность

В химической промышленности теплообменные панели отводят тепло реакции от экзотермических процессов, конденсируют дистилляты или доводят продукты до заданной температуры после синтеза. Они продолжают надежно функционировать даже при работе с загрязненными средами, парами или потоками, содержащими твердые частицы, без риска засорения. В фармацевтическом производстве требования к очистке особенно строгие: полностью сварная конструкция без прокладок из высококачественной нержавеющей стали рассчитана на CIP (очистку на месте) и SIP (стерилизацию на месте).

Одно из применений, которое до сих пор недооценивается в практике проектирования: использование теплообменных панелей для рекуперации тепла из загрязнённых потоков. Сточные воды, отходы тепловой энергии технологических процессов и потоки конденсата содержат рекуперируемую энергию, которую невозможно эффективно улавливать с помощью традиционных теплообменников из-за риска засорения.

Теплообменные панели с открытым поперечным сечением с внешней стороны способны обрабатывать такие потоки, передавая тепло к нагревательной среде и экономя при этом первичную энергию. В целлюлозно-бумажной промышленности, при переработке биомассы и в крупных промышленных прачечных уже используются системы компании HTT AG, которые рекуперируют тепло из сточных вод с температурой выше 30 °C и, как показывает практика, благодаря этому значительно снижают затраты на отопление.

Во многих производственных процессах тепловая нагрузка значительно колеблется в течение рабочего дня. Периодические операции в химической промышленности, изменяющиеся объемы наполнения в пищевой промышленности или сезонные пики в производстве напитков – все это создает ситуации, когда теплообменник должен работать значительно выше своей номинальной проектной точки в течение нескольких часов подряд.

Системы с теплообменными панелями могут быть спроектированы таким образом, чтобы компенсировать эти колебания. Теплообменные панели с двойным тиснением, используемые в качестве подвесных элементов или в резервуарах, могут использовать собственную температурную массу емкости в качестве теплового накопителя: масса продукта в производственном процессе или резервуаре поддерживается на заданной температуре, а теплообменные панели обеспечивают большую производительность во время пиковых нагрузок, чем предусмотрено расчетами при непрерывной работе.

Эта характеристика делает теплообменные панели особенно привлекательными в сочетании с резервуарами для хранения льда или чиллерами, которые также рассчитаны на работу с буферным режимом. Резервуар для хранения льда по требованию подает воду с температурой от 0,5 °C до 1 °C, теплообменные панели точно передают это охлаждение технологической среде, а чиллер работает при стабильной и эффективной частичной нагрузке вместо колеблющейся полной нагрузки. Это снижает энергопотребление, защищает холодильную систему и улучшает управляемость всей системы.

При проектировании такого рода комбинированной работы компания HTT AG учитывает как мгновенную производительность теплообменных панелей, так и накопительную способность резервуара. Поделитесь с нами вашими профилями нагрузки и производственными данными, и мы предоставим проект, в котором оба компонента будут согласованы для совместной работы.

Теплообменные панели не выбираются из каталога, а рассчитываются. Для надежного проектирования необходимы следующие исходные данные:

Сторона технологического процесса:

• Среда (жидкость, газ, пар, суспензия)
• Объемный или массовый расход
• Температура на входе и требуемая температура на выходе
• Вязкость, теплопроводность, плотность, удельная теплоемкость
• Допустимый перепад давления

Сторона теплоносителя:

• Среда (гликоль, вода, NH₃, CO₂, пар)
• Допустимый расход
• Температура на входе
• Допустимое рабочее давление

Конструктивные ограничения:

• Геометрия сосуда (диаметр, высота, форма)
• Доступная монтажная площадь
• Условия установки (рубашка резервуара, встроенный теплообменник, отдельно стоящий)
• Требования к материалам (марка нержавеющей стали, толщина стенки)

На основании этих параметров компания HTT AG рассчитывает коэффициент k, необходимую площадь теплообмена и перепад давления с обеих сторон, а также определяет геометрию каналов теплообменной панели. Результатом является чертеж и техническое задание, в которых зафиксированы все конструктивные параметры, которые затем служат основой для заказа.

Мы подскажем, подходит ли теплообменная панель типа «Теплообменная панель» для вашего технологического процесса, и если да, то с какой геометрией и из какого материала. Сообщите нам параметры вашего технологического процесса.

Выбор между теплообменными панелями и традиционными технологиями теплообмена сводится к трем основным вопросам:

1. Насколько сложна среда?

Пластинчатые теплообменники и трубные пучки забиваются при работе с средами, содержащими твердые частицы или обладающими высокой вязкостью. Теплообменные панели – нет. Если среда на технологической стороне содержит твердые частицы, обладает высокой вязкостью или склонна к загрязнению, теплообменная панель является более надежным выбором.

2. Какие требования предъявляются к очистке?

В пищевой и фармацевтической промышленности каждая поверхность теплообмена должна быть пригодной для CIP. Трубные пучки имеют узкие трубы, которые трудно очищать. Теплообменные панели имеют гладкие, доступные для очистки наружные поверхности и конструкцию без прокладок со стороны технологического процесса.

3. Нужно ли интегрировать теплообменник в конструкцию существующей емкости?

Теплообменные панели можно реализовать в виде рубашки резервуара, встроенной потолочной панели, замены змеевика или автономного агрегата. Трубные пучки представляют собой автономные агрегаты, требующие занимаемой площади и трубных подключений. Везде, где резервуар и теплообменник должны образовывать единое целое, теплообменные панели являются единственной гибкой альтернативой.