Основни фактори при избора на топлообменник

• Топлообменниците са критични елементи на голяма част от технологичните инсталации в процесните индустрии
  
  
• На пазара се предлага богат асортимент от модели с различна конструкция и технически характеристики
  
  
• Изборът на оптимално решение за дадено приложение може да се окаже предизвикателство и налага задълбочено проучване на работните условия и изисквания

Топлообменниците са критични елементи на голяма част от технологичните инсталации в процесните индустрии, включително при топлинна обработка, пастьоризация и стерилизация, както и при загряване и охлаждане на различни субстанции. И макар основните принципи при монтажа, експлоатацията и поддръжката на тези системи да са добре познати на всеки работещ в сферата специалист, изборът на оптимално решение за дадено конкретно приложение може да се окаже предизвикателство.

На пазара се предлага богат асортимент от модели с различна конструкция и работни характеристики, които се доказват като подходящи решения за разнообразни практически приложения. Що се отнася до дизайна, наличните възможности включват пластинчати (със или без уплътнения, запоени или полузаварени), тръбни, кожухотръбни, остъргващи (scraped-surface) топлообменници и т. н. За санитарни приложения в хранително-вкусовата, козметичната, фармацевтичната и други индустрии се избира система в съответното хигиенно изпълнение и изработена от подходящите за целта материали.

Ключови съображения при селекция

От критично значение, независимо от приложението, е избраният модел топлообменник да бъде правилно оразмерен. Важни са още формата и габаритите на системата с оглед наличното пространство за монтаж. Препоръчително е добре да се проучат и сравнят сервизните спецификации и реалните работни условия, при които ще оперира системата – температура, налягане, топлинен режим (подгряване, охлаждане или комбиниран), промени на фазата (агрегатното състояние на флуида) и др. Ключово е да се отчетат и изискванията за поддръжка на съответния модел, както и да се съобрази дизайнът (повърхности, уплътнения и др.) с типовете продукти, с които ще работи, за да се гарантира неговата съвместимост. Специалистите препоръчват освен вида на работните субстанции (вода, масла, мляко, напитки, други хранителни, козметични или фармацевтични продукти и др.) да се вземе предвид и чистотата на отделните потоци. Топлообменът в системата води до разлики в температурата между двата флуида – по-топлият се охлажда, а по-хладният се загрява. Важно е да се уточни каква температурна промяна е необходимо да се постигне в процеса.

При селекция на топлообменник задължително се отчитат и изходните свойства на флуидите, а именно температура, киселинност, корозивност (вкл. съдържание на соли), вискозитет, дебит, наличие на частици и т. н. Пластинчатите конструкции са подходящи за работа с ниско- до средновискозни субстанции при по-голям дебит в сравнение с тръбните и остъргващите системи. Експертите посочват като фактори от голямо значение при избора още топлинното натоварване в инсталацията, желаното работно налягане и максимално допустимия пад.

Що се отнася до фазовия режим на топлообменника, на пазара са налични две основни категории системи в зависимост от флуидите (течности или газове), с които се работи. Монофазните модели работят само с единия тип – течност или газ. Двуфазните могат да бъдат използвани например за подгряване на течна субстанция и изпаряването й в газообразно състояние. Те са подходящи за кондензаторно-изпарителни приложения.
Някои конструкции постигат значително по-високи темпове на пренос на топлина и работят при по-високи температури в сравнение с други.

Друг важен фактор са потенциалните възможности за увеличаване или намаляване на капацитета на системата в експлоатация. При пластинчатите топлообменници това лесно може да бъде направено посредством добавяне или премахване на пластини от конструкцията. Те са отличен избор за голяма част от приложенията в процесните индустрии, тъй като генерално предлагат най-добро съотношение между цена и ефективност. При високовискозни флуиди или такива с наличие на по-едри частици или парченца обаче тръбните дизайни често се доказват като по-ефикасни.

Не на последно място, сред критичните съображения във връзка със селекцията на модел са и общите разходи за придобиване и притежание. Традиционно най-скъпи са остъргващите топлообменници, чийто дизайн включва остъргващи вътрешната повърхност остриета с цел премахване на задържани остатъци от работните субстанции. Тази функция се оказва изключително полезна при работа с гъсти, лепкави и нехомогенни продукти, като сирена, извара и др., но би оскъпила излишно проекта, когато приложението не налага наличието й.

Избор на оптимално решение

Пластинчато-рамковите топлообменници типично се отличават с по-компактни размери и висока мащабиеруемост, което ги прави подходящи за приложения с ограничено пространство и необходимост от висока гъвкавост на системата. Те са и до пет пъти по-енергийноефективни в сравнение с кожухотръбните модели. В редица технологични сценарии подмяната на използваните системи от втория тип с пластинчати може да допринесе за значително редуциране на използваната от инсталацията енергия.

Друго предимство на пластинчато-рамковите топлообменници е сравнително лесната поддръжка. Те могат да работят изправно в продължение на години дори и без обслужване. Пластините им позволяват лесен достъп за почистване и инспекция, а такива мероприятия могат да се насрочат съобразно темповете на натрупване на замърсявания и котлен камък. По-чести от необходимото, както и регулярни прекъсвания на работата за поддръжка в голяма част от случаите изобщо не са необходими.

В редица приложения най-ценното качество на пластинчатите конструкции е именно възможността за регулиране на работния капацитет според нуждите чрез добавяне или премахване на част от пластините. При кожухотръбните модели подобно адаптиране е невъзможно, тъй като капацитетът им е фиксиран.

Работният принцип на кожухотръбните системи е базиран на придвижване на обработваната субстанция през сноп паралелни тръби, като между и около тях циркулира друг флуид, предназначен да промени температурата на продукта. В някои приложения двете вещества са и под различно налягане, като това с по-високо се намира в тръбната система. Тази конструкция е разходно ефективна, тъй като тръбните елементи за работа под високо налягане традиционно са по-евтини от кожусите за високо налягане. Сравнително големият диаметър на тръбите позволява работа с вискозни флуиди и такива с наличие на парченца, като рисковете от задръстване или запушване са доста по-малки от тези при пластинчатите модели. Други причини за запушване на системата могат да бъдат кристализация, отлагане, корозия, натрупване на котлен камък или втвърдени замърсявания, както и биологичен растеж на микроорганизми. Сред предимствата на кожухотръбните конструкции в процесните индустрии е и свойството им да извършват пренос на топлина при по-високо налягане от някои други конструкции.

Остъргващите системи традиционно осигуряват оптимална защита от запушване при наличие на един или повече от гореизброените фактори, криещи рискове от влошаване на работните характеристики на инсталацията. Това се дължи на заложения в конструкцията им механизъм за самостоятелно почистване на вътрешността на топлообменника. Ето защо този тип модели са подходящи за работа с широк асортимент от продукти в хранително-вкусовата промишленост, която се явява едно от най-взискателните приложения за тези системи. Сред тях са високовискозни и лепкави субстанции, такива с нехомогенна текстура и наличие на едри частици и парченца, включително: бебешки храни, теста, шоколад, сладка и конфитюри, пудинги, желатинови смеси, сосове, дресинги, кетчуп, майонеза, смляно и механично обезкостено месо, разбити и аерирани смеси и др. Остъргващите топлообменници са подходящи и за втечняване, сгъстяване и изпарение на различни продукти при термичната им обработка.

В козметичната индустрия остъргващи конструкции се използват основно за работа с шампоани, лосиони, кремове и други гъсти и предполагащи натрупване и засъхване по вътрешната повърхност продукти. При този дизайн е възможно технологичните процеси да се извършват и в непрекъснат режим вместо партида по партида с прекъсване за почистване на оборудването, ако приложението го позволява.