Међу технологијама размењивача топлоте које су доступне процесној индустрији,заварени плочасти измењивач топлотезаузима радознао место. Није најраспрострањенија-да разлика припада дизајну омотача-и-, који по приходу чини приближно 60% глобалног тржишта измењивача топлоте. Није најпознатији-заптивни плочасти измењивач је много чешћи у ХВАЦ и лакој индустрији. Ипак, заварени плочасти измењивач топлоте је засео специјализовану нишу у којој његова комбинација високе термичке ефикасности, компактности и{8}}непропусне конструкције пружа могућности које не могу да понуде ни дизајн-и-оклопа и цеви ни заптивне плоче.
Тржиште заварених плочастих измењивача топлоте је расло просечном годишњом стопом од 5-7% током протекле деценије, подстакнуто потражњом у хемијском, петрохемијском и производном сектору. Овај раст не одражава општу склоност ка технологији плоча, већ препознавање да одређени услови рада-повишене температуре, високи притисци и опасни флуиди-захтевају другачији инжењерски приступ. Овај чланак испитује технологију са практичне тачке гледишта, разматрајући услове који фаворизују њен избор, укључене одлуке о материјалу и величини, као и економске компромисе који одређују да ли је то одговарајући избор за дату примену.
Еволуција технологије плочастих измењивача топлоте
Тхеплочаста размена топлотер концепт датира из 1920-их, када је др Ричард Селигман изумео први комерцијално одржив дизајн. Основни принцип-танке валовите плоче које обезбеђују велику површину за пренос топлоте-остао је непромењен током једног века. Оно што је еволуирало је метода заптивања плоча.
Плочасти измењивач са заптивком, представљен 1930-их, постао је доминантна конфигурација за чисте течности на умереним температурама и притисцима. Употреба еластомерних заптивки омогућила је отварање плоча за чишћење и одржавање, што је значајна предност у односу на заварену конструкцију. До 1960-их, измјењивачи плоча са заптивком су у великој мјери помјерили дизајн-и-конструкције у ХВАЦ примјенама и направили су продор у индустрији хране и пића.
Заварени плочасти измењивач топлоте се појавио као одговор на ограничења заптивних дизајна. Седамдесетих година прошлог века, произвођачи су почели да развијају пакете плоча које су заварене заједно на ивицама, потпуно елиминишући заптивке. Заварена конструкција је омогућавала рад на температурама и притисцима који би брзо деградирали еластомерне заптивке. Првобитно коришћена у специјализованим апликацијама као што су хлађење и{4}}хлађење на високим температурама, технологија се од тада проширила на хемијску обраду, производњу електричне енергије и апликације у мору.
Развој технологије ласерског заваривања 1990-их значајно је побољшао квалитет и конзистентност плочастих завара. Ласерско заваривање обезбеђује дубљу пенетрацију, уже зоне{2}}захваћене топлотом и смањено изобличење у поређењу са традиционалним методама заваривања. Ово побољшање је омогућило произвођачима да производе заварене пакете плоча са већом поузданошћу и да користе тање плоче, побољшавајући пренос топлоте уз одржавање структуралног интегритета.
Технички случај конструкције заварених плоча
Оправдање за спецификацију завареног плочастог измењивача топлоте почива на четири техничке предности у односу на алтернативне дизајне:
-
Температурна способност.
Заптивни плочасти измењивач је ограничен термичком деградацијом његових еластомерних заптивки. ЕПДМ заптивке, најчешћи материјал за услуге воде и гликола, имају максималну континуирану радну температуру од приближно 140 степени. НБР заптивке су ограничене на 100 степени. Витон проширује опсег на приближно 190 степени, али уз знатно већу цену. Заварени плочасти измењивач, без еластомерних компоненти на путу флуида, може да ради на температурама до 350 степени у стандардним изведбама. Ова способност је неопходна за апликације као што су системи термалних уља, међухлађење компресора и одређени хемијски реактори.
-
Отпорност на притисак.
Плочасти измењивачи са заптивком су обично ограничени на радне притиске од 20-25 бара у стандардним конструкцијама. Већи притисци захтевају дебље плоче, јаче оквире и специјализоване материјале за заптивање, што повећава трошкове. Заварени плочасти измењивачи доступни су за притиске до 40 бара у стандардним конфигурацијама, а неки произвођачи нуде дизајне од 100 бара или више. Пакет заварених плоча распоређује оптерећење притиска на плоче, док се заптивни дизајн ослања на компресију заптивних елемената.
-
Интегритет цурења.
Заптивни плочасти измењивач има више потенцијалних путева цурења-на сваком интерфејсу заптивке, на заптивци рама и на прикључцима. Заварени плочасти измењивач нема заптивне интерфејсе; једини потенцијални путеви цурења су на завареним спојевима и спољним прикључцима. За апликације које укључују опасне течности, скупе материјале или осетљивост на животну средину, ова разлика је одлучујућа. Цена једног цурења у расхладном систему амонијака, на пример, може премашити цену самог измењивача топлоте.
- Густина површине.
И заварени и заптивни плочасти измењивачи постижу велику површинску густину захваљујући танким плочама и уским каналима. Типичне вредности су 200-400 м²/м³ за плочасте измењиваче, у поређењу са 30-100 м²/м³ за кућиште-и- дизајне. Ова густина омогућава уградњу у просторе где се измењивач са шкољком и цевима не би уклапао. Компактност такође смањује тежину измењивача, важног фактора у поморским и оффсхоре применама.
Ограничења: када заварена плоча није прави избор
Исте карактеристике које чине заварени плочасти измењивач атрактивним за одређене примене такође намећу ограничења која се морају узети у обзир у процесу избора.
-
Неприступачност.
Пакет заварених плоча не може се отворити ради прегледа или механичког чишћења. Плоче су трајно запечаћене, а свако запрљање се мора отклонити хемијским чишћењем или заменом целог паковања плоча. Ово је најзначајније ограничење и примарни разлог зашто заварени плочасти измењивачи нису специфицирани за услуге са великом тенденцијом прљања.
Преглед радног искуства указује на то да заварени плочасти измењивачи не би требало да се користе у сервисима где стопа зарастања прелази приближно 0,1 мм/годишње, или где течност садржи честице веће од зазора канала (обично 2-5 мм). У таквим услугама, пад притиска у измењивачу се брзо повећава, а хемијско чишћење можда неће бити ефикасно у обнављању перформанси. Економски трошкови замене запрљаног паковања плоча често превазилазе уштеде од почетног избора заварене јединице.
-
Тешкоћа поправке.
Када заварени плочасти измењивач развије цурење-обично на завару или на споју са оквиром-опције поправке су ограничене. Завар се у неким случајевима може поправити, али за поправку је потребна специјализована опрема за заваривање и скупља је од замене заптивки у јединици са заптивачем. У пракси, многи оператери третирају пакет плоча као компоненту која се може заменити, а не као компонента која се може поправити.
-
Ограничења у избору материјала.
Плоче морају бити заварене, што намеће захтеве за састав и дебљину материјала. Неке легуре које су погодне за отпорност на корозију у хемијској служби су тешке за заваривање или захтевају специјализоване поступке заваривања. Избор плочастих материјала је стога ограниченији него код дизајна са заптивкама, где су плоче једноставно стегнуте и запечаћене.
Избор материјала: критична одлука
Избор плочастог материјала у завареном плочастом измењивачу топлоте мора да задовољи три захтева: отпорност на корозију у радном окружењу, заварљивост и економску исплативост. Прва два су техничка; трећи одређује да ли је измењивач изводљив у оквиру буџета пројекта.
- Нерђајући челик 316Л чини око 70% заварених плочастих измењивача који су тренутно у употреби. Ознака „Л“ означава низак садржај угљеника (максимално 0,03%), што смањује ризик од интергрануларне корозије након заваривања. 316Л обезбеђује адекватну отпорност на корозију за воду, гликол, воду расхладног торња и већину процесних токова са концентрацијом хлорида испод 200 ппм. Изнад ове концентрације, или на температурама изнад 60 степени, ризик од корозије се значајно повећава. Цена 316Л је приближно 3-4 пута већа од угљеничног челика, али је премија оправдана продуженим веком трајања у већини примена.
- Титан је одређен када концентрација хлорида прелази 500 ппм или када радна температура прелази 70 степени у сервису који садржи хлорид-. Пасивни оксидни слој на титанијуму је изузетно стабилан у хлоридним срединама, са потенцијалом питтинга за приближно 500 мВ вишим од оног код 316Л. Цена материјала је отприлике 6-8 пута већа од 316Л, а процес заваривања захтева заштиту од инертног гаса да би се спречила контаминација. У апликацијама за хлађење морском водом, где су хлориди присутни на 15.000-20.000 ппм, титанијум је стандардни материјал за заварене плочасте измењиваче.
- Легуре никла (легура 276, легура 625) се користе за тешке корозивне услуге које укључују хлороводоничну киселину, сумпорну киселину, влажни хлор и друге агресивне хемикалије. Легура 276 је чешћи избор за заварене плочасте измењиваче, са стопом корозије мањом од 0,1 мм/годишње у 20% хлороводоничној киселини на 50 степени. Цена материјала је отприлике 10-12 пута већа од 316Л, а процес заваривања захтева пажљиву контролу уноса топлоте и одабира додатног метала. Висока цена ограничава употребу легура никла на апликације где ниједан други материјал није одржив.
- Дуплекс нерђајући челици (2205, 2507) се све више специфицирају за апликације које захтевају већу чврстоћу и бољу отпорност на хлорид од 316Л, али по нижој цени од титанијума. Дуплек 2205 има еквивалентни број отпорности на питинг (ПРЕН) од приближно 35, у поређењу са 25 за 316Л, што указује на знатно бољу отпорност на корозију у облику тањира у хлоридним срединама. Цена материјала је приближно 2-3 пута већа од 316Л. Процес заваривања се мора контролисати да би се одржао тачан фазни баланс у металу шава, али поступак је добро успостављен и широко доступан.
Димензионисање и перформансе: шта подаци о дизајну заправо значе
Термички дизајн завареног плочастог измењивача топлоте је заснован на истом фундаменталном односу као и било који измењивач топлоте: К=У × А × ΔТлм. Разлика је у вредностима укупног коефицијента преноса топлоте, У, који је знатно већи него код дизајна шкољке-и-цеви због танких плоча и турбуленције коју стварају набори.
Укупни коефицијенти преноса топлоте за заварене плочасте измењиваче у течном-на-течном раду се обично крећу од 3.000 до 7.000 В/м²·К, у поређењу са 500 до 2.000 В/м²·К за измењиваче са омотачем-и-и цеви. Висок коефицијент значи да плочасти измењивач захтева приближно једну-трећину до једне-петине површине кућишта-и-јединице за исти топлотни рад. Ово смањење површине директно се претвара у смањење физичке величине и тежине измењивача.
Пад притиска је замена{0}}. Уски канали и турбуленција који побољшавају пренос топлоте такође повећавају отпор протока. Типични падови притиска у плочастом измењивачу крећу се од 0,3 до 1,5 бара по струји течности, у поређењу са 0,1 до 0,5 бара у измењивачу са омотачем-и-ицом. Пад притиска мора бити укључен у спецификацију системске пумпе. Недовољна величина пумпе је честа грешка у пројектовању система плочастих измењивача.
Фактор запрљања је често прецењен у спецификацијама плочастог измењивача. Висока турбуленција у каналима плоча смањује склоност таложењу честица, а глатка површина плоче смањује адхезију биолошких или хемијских наслага. Типичан фактор загађивања за плочасти измењивач је 0,0001 до 0,0002 м²·К/В, у поређењу са 0,0002 до 0,0005 за кућиште-и-јединицу. Коришћење већег фактора шкољке-и-у спецификацији измењивача плоча доводи до превелике јединице, са повезаним трошковима и казнама за простор.
Приступ температури{0}}разлика између излазних температура два тока-је кључни индикатор учинка. У добро-дизајнираном плочастом измењивачу, температура приступа може да буде чак 1 степен до 2 степена, у поређењу са 5 степени до 10 степени у кућишту-и-јединици. Блиски приступ је предност у апликацијама за рекуперацију топлоте, где је максимизирање температурне разлике од суштинског значаја за енергетску ефикасност.
Искуство са применом: Где се заварени плочасти размењивачи заправо користе
Анализа инсталираних јединица показује да су заварени плочасти измењивачи топлоте концентрисани у четири индустријска сектора, од којих сваки има различите услове рада и покретаче избора.
-
Хемијска обрада.
Хемијска индустрија чини око 35% инсталиране базе заварених плочастих измењивача. Примарни покретачи су температура и хемијска компатибилност. Многе хемијске реакције функционишу на температурама изнад 150 степени, где би заптивне јединице захтевале честу замену заптивки. Течности су често корозивне и захтевају посебне материјале као што су легуре никла или титанијума. Хемијска индустрија такође цени-непропусну конструкцију, пошто унакрсна-контаминација између токова процеса може имати значајне економске и безбедносне последице.
-
Хлађење и ХВАЦ.
Сектор хлађења чини око 25% инсталираних јединица, првенствено у системима амонијака и ЦО₂. Амонијак је токсичан и запаљив, а цурење у јединици са заптивком могло би да испусти расхладно средство у заузете просторе. Заварене јединице елиминишу заптивене путеве цурења, обезбеђујући виши ниво безбедности. Високи радни притисци система за хлађење ЦО₂ (до 100 бара у неким изведбама) такође фаворизују заварену конструкцију, пошто јединице са заптивкама нису одрживе при овим притисцима.
-
Производња електричне енергије.
Енергетски сектор чини око 20% инсталираних јединица, првенствено за апликације за хлађење. Вода расхладног торња је често корозивна због концентрације хлорида, а брзина протока расхладне воде је велика. Компактност дизајна плоча је предност у електранама, где је простор често ограничен. Висока термичка ефикасност смањује потребе за расхладном водом, што је важан фактор на локацијама са ограниченом доступношћу воде.
-
Марине и оффсхоре.
Поморски сектор чини око 10% инсталираних јединица. Примарни покретач је компактност и смањење тежине. Тежина плочастог измењивача је приближно једна-трећина јединице шкољке-и-за исту функцију, што је значајна предност у инсталацијама на броду и на мору. Отпорност на корозију титанијумских плочастих измењивача је такође важна у системима који се хладе морском водом-.
Економска одлука: капитални трошак наспрам трошкова животног циклуса
Избор завареног плочастог измењивача топлоте је на крају економска одлука, а економски случај се мора проценити током пуног века трајања опреме.
Капитални трошак завареног плочастог измењивача је типично 30% до 50% већи од трошкова плочастог измењивача са заптивком за исту термичку дужност. Премијум одражава сложенију конструкцију, заварене спојеве и често потребне материјале вишег квалитета. За јединицу заварену од титанијума, премија је чак и већа-приближно 100% до 150% у односу на јединицу са заптивком од нерђајућег челика.
Оперативни трошкови су тамо где се економија помера. У раду на високим{1}}температурама, јединица са заптивком ће захтевати замену заптивке сваких 12 до 24 месеца, у зависности од температуре и течности. Цена комплета заптивки за измењивач од 100 м² је обично 2.000 до 4.000 долара, плус трошкови рада за растављање, чишћење и поновно састављање. Укупни трошкови одржавања у периоду од 10 година могу премашити капиталне трошкове јединице.
У завареној јединици, трошкови одржавања су ограничени на хемијско чишћење и надзор. Ако је сервис чист и течност не загађује, оперативни трошкови су минимални. Трошкови животног циклуса заварене јединице-капитални трошкови плус оперативни трошкови- често су нижи од трошкова заварене јединице током радног века од 10 година, иако су капитални трошкови већи.
Економски случај је још повољнији у услугама високог{0}}притиска. Заптивна јединица дизајнирана за притиске изнад 25 бара захтева дебље плоче, јаче оквире и специјализоване материјале за заптивање. Капитални трошкови јединице са заптивачем под високим{4}}притиском приближавају се трошковима заварене јединице, али трошкови одржавања остају већи. У овим применама, заварени уређај је често најекономичнији избор током целог радног века.
Избор произвођача: шта проверити
Квалитет завареног плочастог измењивача топлоте значајно зависи од процедура заваривања произвођача и система контроле квалитета. Током процеса селекције треба проверити следеће факторе:
- Сертификација заваривања. Произвођач треба да има сертификат ИСО 3834, који је специфичан за квалитет заваривања. Сертификација показује да произвођач има документоване поступке заваривања, квалификоване завариваче и системе инспекције.
- Контрола заваривања. Произвођач треба да изврши испитивање пенетрантима-бојом (ПТ) или испитивање цурења хелијума на завареним спојевима. За критичне апликације, 100% тестирање треба навести. Критеријуме прихватања треба унапред утврдити и укључити у спецификацију куповине.
- Следивост материјала. Цертификате материјала за плоче и потрошни материјал за заваривање треба прегледати. Сертификати треба да потврђују хемијски састав, механичка својства и термичку обраду материјала.
- Испитивање притиска. Састављен измењивач треба да буде хидростатички испитан на 1,5 пута већем од пројектованог притиска, у складу са важећим кодом. Тесту треба да присуствује купац или овлашћени инспектор.
- Тестирање перформанси. Испитивање термичких перформанси је мање уобичајено од испитивања под притиском, али треба га специфицирати за критичне примене или за прву јединицу новог дизајна. Испитивање перформанси треба да потврди да коефицијент преноса топлоте и пад притиска задовољавају пројектоване вредности.
Оквир за одлучивање
Избор завареног плочастог измењивача топлоте може се структуирати као низ питања, при чему сваки одговор води ка специфичној препоруци.
1. питање:
Да ли је радна температура изнад 150 степени или радни притисак изнад 25 бара?
Ако јесте, заптивни плочасти измењивач ће вероватно захтевати често одржавање. Треба размотрити заварени плочасти измењивач. Ако не, процените својства течности.
2. питање:
Да ли је течност токсична, запаљива, скупа или на неки други начин захтева непропусну{0}}конструкцију?
Ако јесте, заварени плочасти измењивач је пожељнији избор. Уклањање заптивки значајно смањује ризик од цурења. Ако не, размотрите услове услуге.
3. питање:
Да ли течност има велику тенденцију загађивања?
Ако јесте, заварени плочасти измењивач се не препоручује, јер се плоче не могу механички очистити. Треба навести измењивач омотача-и-или заптивни плочасти измењивач са приступом за чишћење. Ако не, пређите на економску процену.
4. питање:
Да ли је простор за инсталацију ограничен?
Ако јесте, компактност завареног плочастог измењивача је значајна предност. Уштеда простора може оправдати већи капитални трошак. Ако не, економска процена треба да одмери трошкове алтернативних дизајна.
5. питање:
Која је економска исплативост?
Ако је цена животног циклуса заварене јединице нижа од алтернатива, наведите заварену јединицу. Ако премија капиталних трошкова није оправдана уштедама оперативних трошкова, изаберите алтернативни дизајн.
Закључак
Заварени плочасти измењивач топлоте заузима специфичну и важну позицију у технолошком пејзажу измењивача топлоте. То није опште{1}}решење за све апликације за пренос топлоте, нити је нишан производ са ограниченом корисношћу. То је циљана технологија за радне услове у којима заптивни плочасти измењивачи достижу своје границе и измењивачи са омотачем-и-су превише дизајнирани.
Случајеви у којима је заварени плочасти измењивач прави избор су добро-дефинисани: повишене температуре (изнад 150 степени), повишени притисци (изнад 25 бара), опасне или скупе течности и инсталације{3}}с ограниченим простором. У овим применама, заварени уређај пружа перформансе и поузданост којима ниједан други дизајн не може да се мери.
Процес одабира треба да буде вођен пажљивом анализом радних услова, захтева за материјалима и економиком животног циклуса. Капитални трошак заварене јединице је већи од трошкова јединице са заптивком, али смањено одржавање и продужени радни век често оправдавају улагање. Кључно је прецизно проценити услове и одабрати материјале и произвођача који могу да испоруче поуздане перформансе током целог радног века.