Obszary zastosowania płytowych wymienników ciepła
Tłoczenia w wymiennikach ciepła; Fot. Kelvion
Płytowe wymienniki ciepła są powszechnie stosowane w systemach ogrzewania, chłodzenia oraz wentylacji. Obecnie wszystko, co budujemy, musi być możliwie energooszczędne, zatem rola odzysku ciepła w instalacjach stale wzrasta.
Zobacz także
Joanna Ryńska Wymienniki ciepła – kierunki rozwoju
Wymienniki ciepła mają szerokie zastosowanie w instalacjach grzewczych i ciepłownictwie oraz w urządzeniach klimatyzacyjnych i chłodniczych, w tym w pompach ciepła. Choć są to rozwiązania stosunkowo proste...
Wymienniki ciepła mają szerokie zastosowanie w instalacjach grzewczych i ciepłownictwie oraz w urządzeniach klimatyzacyjnych i chłodniczych, w tym w pompach ciepła. Choć są to rozwiązania stosunkowo proste pod względem działania i konstrukcji, producenci wciąż doskonalą szczegóły konstrukcyjne wpływające na sprawność, energooszczędność i niezawodność wymienników, odpowiadając na bieżące wyzwania wciąż rozwijającej się techniki.
dr inż. Marcin Pietrzak Obliczanie i dobór płytowych wymienników ciepła współpracujących z jednostopniowym sprężarkowym obiegiem chłodniczym
Odpowiedni dobór wielkości płyt w wymienniku ciepła oraz sposobu ich łączenia pozwala uzyskać rozwiązania w pełni spełniające założenia. Prosta konstrukcja wymiennika płytowego i jego powtarzalne elementy...
Odpowiedni dobór wielkości płyt w wymienniku ciepła oraz sposobu ich łączenia pozwala uzyskać rozwiązania w pełni spełniające założenia. Prosta konstrukcja wymiennika płytowego i jego powtarzalne elementy umożliwiają modyfikacje odpowiadające zmiennym warunkom procesowym. Zaprezentowany ciąg obliczeń pozwala efektywnie obliczać i dobierać płytowe wymienniki ciepła do konkretnych potrzeb technologicznych w wymiennikach płytowych współpracujących nie tylko z systemami chłodniczymi, ale także z innymi...
Kazimierz Zakrzewski Miedź czy tworzywo?
Przekonanie, że miedziane instalacje grzewcze i sanitarne są drogie, jest mitem. Pomimo że cena rury miedzianej jest wyższa niż rury z tworzywa sztucznego, korzyści wynikające ze stosowania przewodów miedzianych...
Przekonanie, że miedziane instalacje grzewcze i sanitarne są drogie, jest mitem. Pomimo że cena rury miedzianej jest wyższa niż rury z tworzywa sztucznego, korzyści wynikające ze stosowania przewodów miedzianych są bezapelacyjne.
Zaletą płytowych wymienników jest przede wszystkim wysoka sprawność przy kompaktowych wymiarach. Dzięki temu mają one tak szerokie zastosowanie, m.in. w ciepłownictwie, chłodnictwie, wykorzystaniu ciepła odpadowego, a także w instalacjach basenowych oraz przygotowaniu c.w.u. i instalacji c.o.
Ogrzewanie
Lutowane wymienniki ciepła można zastosować w budynkach zasilanych przez sieć ciepłowniczą lub w instalacjach korzystających z odnawialnych źródeł energii, np. pomp ciepła czy kolektorów słonecznych. Wysokie wymagania dotyczące energooszczędności sprawiają, że projektanci zmuszeni są szukać rozwiązań wykorzystujących wszelkie możliwe zyski ciepła w obiekcie. Można i należy pozyskiwać także ciepło odpadowe i przekazywać je do instalacji dzięki płytowym wymiennikom ciepła.
Coraz bardziej popularne rozwiązania hybrydowe (różne źródła ciepła w jednej instalacji) w wielu przypadkach wymagają zastosowania małych, lutowanych wymienników ciepła.
Przykładem może być instalacja łącząca kominek z płaszczem wodnym i kocioł gazowy. Ponieważ pierwsze z wymienionych źródeł ciepła pracuje w układzie otwartym, a drugie w zamkniętym, nie mogą one działać w jednym systemie. Wprawdzie na rynku dostępne są specjalne wężownice schładzające umożliwiające wpięcie kominka do układu zamkniętego, ale skuteczniejszym rozwiązaniem jest płytowy wymiennik ciepła. Jego wysoka sprawność pozwala przekazać ponad 90% ciepła wyprodukowanego przez kominek do układu zamkniętego instalacji c.o.
Innym przykładem zastosowania wymiennika w układach hybrydowych jest instalacja solarna i kocioł. Wymiennik pozwala oddzielić obieg solarny z zasobnikiem od instalacji c.w.u. i tym samym uchronić przed rozwojem bakterii Legionella.
Wiele mówi się o potencjale wykorzystania ciepła odpadowego zawartego w ściekach szarych. W literaturze dostępne są dane na temat badania efektywności energetycznej i ekonomiczności takich rozwiązań.
Jednym ze sposobów odzysku ciepła ze ścieków szarych jest odbiór ciepła poprzez wymienniki ciepła. Ścieki napływają do betonowych kolektorów zbierających i oddają ciepło do rurek wbudowanych w konstrukcję kolektorów [1]. Rurki wypełnione są wodą lub wodnym roztworem glikolu i mogą stanowić dolne źródło dla pompy ciepła.
Obecnie poszukuje się takiego układu, który nie wymagałby dużej ingerencji w instalacje i efektywnie wykorzystywał ciepło odpadowe ze ścieków szarych przy pomocy płytowych wymienników ciepła. To ciepło odpadowe o niewysokiej temperaturze daje odpowiedni efekt energetyczny w układach z pompami ciepła.
Trwają prace nad taką konstrukcją wymiennika, żeby radził on sobie z pH ścieków i znajdującymi się w nich zanieczyszczeniami i cząstkami stałymi.
Chłodnictwo
Płytowe wymienniki ciepła są szeroko stosowane w instalacjach chłodzenia i klimatyzacji. Mogą być częścią obiegu chłodniczego i dla osiągnięcia wysokiej sprawności wymagają odpowiedniej konstrukcji.
Na rynku dostępne są urządzenia przystosowane do instalacji wyposażonych w zawór rozprężny. Do wymiennika wpływa czynnik chłodniczy będący mieszaniną dwóch faz: cieczy i gazu.
Za początek obiegu chłodniczego przyjęło się uznawać parownik. Wpływa do niego czynnik chłodniczy w postaci ciekłej, po czym dochodzi do wymiany ciepła pomiędzy dolnym źródłem a czynnikiem chłodniczym, który pobierając ciepło – zaczyna parować.
Powstająca mieszanina, w większości będąca parą, przepływa do sprężarki, gdzie pary czynnika osiągają wyższe ciśnienie i temperaturę, żeby potem w skraplaczu, który podobnie jak parownik jest wymiennikiem ciepła, oddać jak najwięcej ciepła.
Ciepło odpadowe oddawane w skraplaczu może być wykorzystane na potrzeby instalacji niskotemperaturowych, np. ogrzewania podłogowego. Czynnik, oddając ciepło, obniża swoją temperaturę, skrapla się i ponownie staje mieszaniną, która następnie przepływa do zaworu rozprężnego, gdzie przybiera znów postać cieczy.
Tak działają klimatyzatory typu split i większe – multi split. Efektywność energetyczna tego systemu w dużej mierze zależy od wymiennika, bo to jedyny element, który nie wymaga dostarczenia energii z zewnątrz. Ważna jest konstrukcja, która umożliwia intensywną wymianę ciepła, a przy tym nie zaburza przepływu. Jest to istotne, żeby czynnik mógł dotrzeć do wszystkich wyżłobień wymiennika i utrzymany został stabilny stopień przegrzania pary w parowaczu.
Wymienniki ciepła w systemach chłodniczych mogą być wykorzystywane także jako ekonomizery mające za zadanie dochłodzenie czynnika chłodniczego w jednym obiegu, a w drugim jego odparowanie. Obniża to zapotrzebowanie na moc do sprężarki, a tym samym koszty eksploatacji instalacji.
Płytowe lutowane wymienniki ciepła mogą być także elementem instalacji chłodniczych z chillerami. Ich zastosowanie obniża ilość czynnika chłodniczego w budynku, a chłód do odbiorników, np. klimakonwektorów, dostarcza woda lodowa.
Czytaj też: Materiały do budowy rurowych gruntowych powietrznych wymienników ciepła (GPWC) >>>
Na większą skalę
Dla instalacji o wysokich wymaganiach temperaturowych, w których przepływające czynniki mają skrajne wartości temperaturowe, przeznaczone są wymienniki o specjalnej budowie – z zespawanych ze sobą płyt z odpowiednio wyprofilowanej stali nierdzewnej. Obudowa wymiennika zabezpiecza go przed wyciekiem medium i utrzymuje stałe ciśnienie. Taki wymiennik może pracować na medium o temperaturze od –200 do 950°C i przy ciśnieniu do 100 barów.
Wymienniki mają szerokie zastosowanie także w układach kogeneracyjnych (CHP).
W prostych układach, tzn. z silnikiem spalinowym, odzysk ciepła jest prowadzony na dwóch poziomach: nisko- i wysokotemperaturowym.
Pierwszy realizowany jest poprzez wymiennikowy system chłodzenia silnika, a uzyskana temperatura wody w wymienniku sięga w tym wypadku 90°C. Rozwiązanie to może być wykorzystane do zasilania sieci ciepłowniczej niskich parametrów, np. 90/50°C. Wysokotemperaturowe ciepło zaś można odzyskiwać z układu spalinowego. W tym jednak przypadku trudno uzyskać wysoką sprawność wymiany ciepła, wymaga to także zastosowania wymienników o dużych powierzchniach.
Wymienniki do zasilania niskotemperaturowej sieci cieplnej zwykle wykorzystywane są w mniejszych, komunalnych ciepłowniach, gdzie ciepło nie jest przesyłane na duże odległości.
Odzysk ciepła ze spalin jest często wykorzystywany w przemyśle, np. papierniczym, do procesów technologicznych, takich jak suszenie.
Inne procesy, w których mogą brać udział wymienniki ciepła, to: chłodzenie wałów w maszynach papierniczych, podgrzewanie kleju i schładzanie ścieków.
Przykłady tłoczeń w wymiennikach ciepła; fot. Spomasz Bełżyce
Przykładem rozwiązania polegającego na maksymalizacji odzysku ciepła jest zakład papierniczy w Heidenheim. Wykorzystano tam płytowe wymienniki ciepła o różnym kształcie wytłoczeń, odpowiednich do przepływającego medium.
Tam, gdzie woda może zawierać zanieczyszczenia i niewielkie cząstki stałe, stosuje się wymienniki o większych niż dla niezanieczyszczonej wody kanalikach.
Ważne jest także, żeby zastosowane urządzenia były odporne zarówno na pracę w środowisku alkalicznym, jak i kwasowym i nie ulegały korozji. Procesy technologiczne, które towarzyszą produkcji papieru, generują duże zyski ciepła, a przy tym wymagają dostarczenia sporej ilości energii do procesów suszarniczych. Optymalizacja strat energii jest zatem w tym wypadku bardzo ważna. Rozwiązanie umożliwia wykorzystanie ciepła odpadowego we wszystkich procesach. Dzięki utworzeniu kilku mniejszych zamkniętych obiegów uzysk ciepła jest jak największy.
Wymienione w artykule wybrane przykłady zastosowań wymienników to tylko część szerokich możliwości użytkowania tych urządzeń. Przy coraz wyższych wymaganiach energetycznych jedyną obecnie możliwością dostarczenia energii bez jej wytwarzania jest odzysk ciepła odpadowego.
Ponieważ nowoczesne budownictwo nie wymaga już instalacji wysokoparametrowych, odzyskiwanie ciepła np. z zakładów przemysłowych i przesyłanie go na niewielkie odległości na cele grzewcze może być rozwiązaniem zarówno energooszczędnym i zapewniającym komfort użytkownikom, jak i wysoce ekonomicznym i szybko się zwracającym.
Literatura
- Górski J., Matuszewska D., Możliwości pozyskiwania ciepła odpadowego ze ścieków i systemów kanalizacji, „Piece Przemysłowe & Kotły” nr 7–8/2013.
- Materiały producentów płytowych wymienników ciepła.
