Wymienniki płytowe – doskonalenie technologii wymiany ciepła
Wymiennik ciepła to urządzenie, którego główną funkcją jest wymiana ciepła pomiędzy dwoma (lub więcej) płynami. Jest to ogólny termin odnoszący się do szerokiej grupy urządzeń różniących się przeznaczeniem, budową i sposobem realizacji przepływu ciepła.
Fot. Alfa Laval
Wymienniki płytowe – proste w konstrukcji i obsłudze oraz efektywne rozwiązania do odzysku ciepła – są chętnie stosowane w różnych gałęziach przemysłu i ogrzewnictwa. Mimo prostoty konstrukcji są wydajne i sprawnie przekazują energię, a producenci wciąż pracują nad ich udoskonaleniem.
Zobacz także
ELEKTRA Systemy elektryczne ochrony orynnowania i instalacji zewnętrznych przed śniegiem i lodem
Okres jesienny to dobry czas na to, by przygotować inwestycje budowlane do bezawaryjnego przetrwania chłodnych miesięcy. Choć nadchodząca zima według meteorologów ma być w większości łagodna, nawet krótkotrwały...
Okres jesienny to dobry czas na to, by przygotować inwestycje budowlane do bezawaryjnego przetrwania chłodnych miesięcy. Choć nadchodząca zima według meteorologów ma być w większości łagodna, nawet krótkotrwały mróz może negatywnie wpłynąć na instalacje znajdujące się na zewnątrz budynków.
Thermoval Polska S.A. Ochrona rur przed mrozem. Systemy przeciwoblodzeniowe Thermoval
W czasie mrozów instalacje rurowe ułożone na zewnątrz budynku i w pomieszczeniach nieogrzewanych mogą być narażone na zamarznięcie. To prosta droga do ich awarii. Dlatego aby zimą nie mieć problemów z...
W czasie mrozów instalacje rurowe ułożone na zewnątrz budynku i w pomieszczeniach nieogrzewanych mogą być narażone na zamarznięcie. To prosta droga do ich awarii. Dlatego aby zimą nie mieć problemów z działaniem tego typu instalacji, warto zabezpieczyć je kablami grzewczymi Thermoval przeznaczonymi do ochrony rur przed skutkami oddziaływania niskich temperatur.
ELEKTRA Elektryczne systemy grzejne – ochrona przed śniegiem i lodem
Ubiegłoroczna zima, po kilku latach łagodnych, zaskoczyła powrotem tradycyjnych mrozów i opadów śniegu. Jesień to odpowiedni czas, by przygotować inwestycje budowlane – w tym dachy, orynnnowanie i instalacje...
Ubiegłoroczna zima, po kilku latach łagodnych, zaskoczyła powrotem tradycyjnych mrozów i opadów śniegu. Jesień to odpowiedni czas, by przygotować inwestycje budowlane – w tym dachy, orynnnowanie i instalacje zewnętrzne – do bezawaryjnego przetrwania tych warunków.
W artykule:• Obszary ograniczeń technologicznych w konstrukcjach wymienników płytowych, czyli o obszarach kierunków badawczo-rozwojowych producentów
|
Podczas wymiany ciepła w wymiennikach płytowych medium przepływa między płytami o odpowiednich przetłoczeniach. Dzięki temu sąsiadujące płyty tworzą kanały – przestrzenie, którymi przepływa płyn. Od ich kształtów i wymiarów w dużym stopniu zależy charakterystyka wymiennika.
Pakiety płyt łączy się przez lutowanie lub skręcanie. Wymienniki lutowane są mniejsze i bardziej hermetyczne, a skręcane łatwiejsze w konserwacji dzięki możliwości ich otwierania do czyszczenia (wymiennik lutowany musi mieć przyłącze do płukania roztworem środka czyszczącego).
Takie konstrukcje wymienników płytowych zapewniają m.in. szybką stabilizację temperatury dzięki małej ilości płynów, wydajną wymianę ciepła – nawet do 90% odzysku ciepła – dzięki przepływowi turbulentnemu przy małych rozmiarach (o 80% mniej powierzchni niż wymienniki płaszczowo-rurowe), łatwe utrzymanie w czystości dzięki zredukowaniu zjawiska zamulania oraz łatwe wykrywanie ewentualnego wycieku.
Wymienniki płytowe mają też swoje ograniczenia – są to obszary, nad którymi najmocniej pracują producenci i które determinują rozwój tych produktów:
Ograniczenie ciśnienia i temperatury związane m.in. z odpornością uszczelek – zbyt wysokie ciśnienie może spowodować wyciek. Odporność danego wymiennika można zwiększyć, stosując specjalne rozwiązania uszczelek albo zamiast konstrukcji skręcanej – wymienniki lutowane. Odbywa się to jednak kosztem wyższych nakładów finansowych, mniejszej elastyczności urządzenia i trudniejszej konserwacji.
Ograniczenia co do rodzaju obsługiwanych płynów: płyny o dużej lepkości lub z zawartością materiałów włóknistych powodują duże opory i nierównomierny przepływ.
W ofercie producentów są specjalne rozwiązania płyt, np. szerokokanałowe płyty GF, głęboko tłoczone i przeznaczone dla procesów, w których medium może zawierać włókna i cząstki do 12 mm.
Problemem może być też zgodność materiałowa płynu i uszczelki. Płyny palne lub toksyczne są wykluczone ze względu na ryzyko wycieku.
Wysokie opory przepływu (na przetłoczeniach i w związku z małą powierzchnią przepływu między płytami). Zwiększenie liczby kanałów, przez które musi przepłynąć płyn, powoduje obniżenie prędkości i dzięki temu mniejsze opory, ale kosztem wydajności wymiennika (niższa wartość współczynnika przenikania ciepła).
Materiał płyt, czyli o mnogości zastosowań
Najważniejszym elementem wymiennika, decydującym o jego zastosowaniu oraz charakterystyce hydraulicznej, cieplnej i użytkowej, są pakiety płyt – odpowiednio ukształtowanych i profilowanych, o grubości od 0,4 do 1,0 mm.
Na kształt płyt wpływa też sposób łączenia – płyty do wymienników skręcanych muszą mieć rowek (gniazdo) pod uszczelkę.
Płyty standardowo wykonuje się ze stali nierdzewnej (AISI 304, 316, 317 etc.) lub aluminium, dostępny jest jednak szeroki wybór rozwiązań z metali, stopów metali czy materiałów na bazie grafitu – stal kwasoodporna, tytan, nikiel i jego stopy (np. monel – z miedzią, żelazem i manganem; hastelloy – z chromem i molibdenem oraz dodatkami), incoloy (stop żelaza z niklem i chromem praz dodatkami), aluminium czy tantal.
Wybór materiału zależy od zastosowania wymiennika, tj. temperatury i ciśnienia procesu wymiany ciepła oraz od składu chemicznego medium. Przykładowo wymienniki skręcane z płyt tytanowych – wyróżniających się obok wytrzymałości na wysoką temperaturę i ciśnienie także odpornością na korozję – stosuje się do instalacji basenowych (woda zawierająca związki chloru i fluoru oraz sole).
Dostępne są też płyty wykonane z materiału na bazie grafitu – wyjątkowo odporne na korozję chemiczną. Można je stosować w procesach z płynami agresywnymi (np. kwas solny, siarkowy czy fluorowy, elektrolity stosowane w górnictwie, węglowodory chlorowane itp.). Do uszczelniania wymienników z zastosowaniem tych płyt stosuje się uszczelki teflonowe.
Ciekawym rozwiązaniem są wymienniki lutowane wykonane w całości ze stali kwasoodpornej (np. AlfaNova). Mają one dużą żywotność i uniwersalne zastosowanie, a przeznaczone są głównie do instalacji, w których nie można używać lutu miedzianego (np. instalacje chłodnicze na amoniak lub CO2) oraz do instalacji o dużym reżimie higienicznym. Płyty takie łączy się technologią dyfuzyjną wzdłuż krawędzi i w punktach styku.
Tłoczenia, czyli o oporach i wymianie ciepła
Dla prawidłowej pracy wymienników płytowych istotne jest profilowanie (wytłaczanie) powierzchni płyty, które przyczynia się do:
- zwiększenia powierzchni wymiany ciepła, a tym samym efektywności procesu wymiany ciepła, i zmniejszenia wielkości wymiennika;
- osiągania warunków przepływu turbulentnego (dzięki ruchowi wirowemu przy powierzchni płyty), co zapewnia mieszanie medium i szybkie wyrównywanie temperatury;
- zachowania stosunkowo niskich prędkości przepływu (wpływ na opory przepływu);
- ochrony płyt przed różnicami ciśnienia;
- mniejszego osadzania zanieczyszczeń na powierzchniach płyt.
Rys. Typowe rodzaje tłoczeń: a) płyta wiórowa, b) zygzak (fala), c) jodełka (ość śledzia), d) przetłoczenia punktowe, e) płyta wiórowa z dodatkowymi przetłoczeniami, f) nachylona płyta wiórowa; rys: Salim Newaz Kazi ed., Heat Transfer Studies and Applications, InTech, 2015, p. 167–199.
Przetłoczenia, zwane też wytłoczeniami lub profilowaniem, mają zwykle kształt jodełki (w dokumentacji można spotkać także określenia: kształt V, pagon, daszek, ość śledzia).
Na rynku pojawiają się też inne wzory przetłoczeń, m.in. „płyta wiórowa” (prosta, z dodatkowymi przetłoczeniami i nachylona), zygzak oraz przetłoczenia punktowe – „górki i dołki”. W przypadku przetłoczeń w jodełkę występują dwa główne rodzaje płyt:
- H (High-theta, high-NTU) o kącie ostrym: wyższa wartość współczynnika przenikania ciepła, ale większe opory przepływu;
- L (Low-theta, low-NTU) o kącie rozwartym: mniejsze opory przepływu, ale niższa wartość współczynnika przenikania ciepła.
Płyty H i L można zestawiać, tworząc sześć wariantów wymiany (np. w przypadku płyt Ultraflex o opatentowanym profilowaniu).
Poszukiwanie idealnego kształtu (wzoru i głębokości) przetłoczeń to zatem próba zmniejszenia oporów przepływu, ale bez obniżania wartości współczynnika przenikania ciepła, czyli bez szkody dla wydajności wymiany ciepła.
W wymiennikach płytowych MPHE (Micro Plate Heat Exchanger), stosowanych głównie jako skraplacze i parowniki do chillerów i pomp ciepła, producent zaproponował nowatorski kształt, tj. małe przetłoczenia punktowe. Dzięki takiemu rozwiązaniu można m.in. zmniejszyć ilość czynnika w układzie (dla pomp ciepła nawet do 40%) oraz zredukować moc pompy obiegowej.
Dostępny jest też wymiennik J30M z systemem mikrokanałów. Takie rozwiązanie zapewnia rozwiniętą powierzchnię wymiany ciepła przy małych gabarytach wymiennika (w przeliczeniu na 1 cm2 jest ona o 15% większa niż w przypadku wymienników z płytami standardowymi) i przepływ turbulentny nawet przy małych prędkościach.
Jak podaje producent, wymiennik ten ma wydajność cieplną o 35% większą niż wymienniki z płytami standardowymi, natomiast zmiana sposobu tłoczenia pozwoliła obniżyć opory przepływu o maks. 9% w stosunku do innych wydajnych mikrokanałowych wymienników ciepła.
Niektóre wymienniki mają odrębne przetłoczenie tzw. przestrzeni dystrybucyjnej płyty (górna część płyty nad właściwą powierzchnią wymiany ciepła). Przetłoczenie takie – na przykład zbliżone w kształcie do tabliczki czekolady i noszące nazwę CurveFlow™ – zapewnia równomierne rozprowadzenie cieczy na całej powierzchni, co zwiększa efektywność energetyczną.
Łączenie płyt, czyli o lutowaniu i uszczelkach
Tabela. Zastosowanie materiałów uszczelek w zależności od temperatury, ciśnienia i przeznaczenia wymiennika
Producenci pracują także nad zwiększeniem trwałości, wytrzymałości i szczelności wymienników, dopracowując sposób połączenia płyt: lutowanie lub skręcanie.
Wymienniki lutowane zwykle łączone są miedzią, ale stosuje się także nikiel lub stal kwasoodporną (w przypadku wymiennika wykonanego w całości z tego materiału).
Producenci skupiają się na jakości połączenia i jego wytrzymałości. Przykładowo zwiększają liczbę punktów styku (zgrzewu) i ich powierzchnię, co wpływa bezpośrednio na szczelność wymiennika oraz wytrzymałość pakietu płyt, szczególnie w przypadku ich większej liczby.
Jeden z producentów w dużych wymiennikach dla zastosowań chłodniczych zabezpiecza punkty styku przejmujące siły działające w okolicy króćca za pomocą dodatkowej, szczelnej komory (rozwiązanie opatentowane).
W przypadku wymienników skręcanych stosowane są uszczelki umieszczane w rowkach (gniazdach) poszczególnych płyt, których jakość jest kluczowa dla szczelności wymiennika. Producenci uszczelnień zwracają uwagę, by uszczelki były wykonane z jednego kawałka, bez łączeń (niezależnie od wielkości), homogeniczne i dobrane do zastosowania pod względem materiałowym – często to właśnie uszczelka jest najsłabszym ogniwem, jeśli chodzi o zakres pracy i zastosowanie wymiennika.
Zużyte uszczelki wymagają wymiany, dlatego pracuje się nad zwiększeniem ich trwałości, by zmniejszyć częstotliwość konserwacji wymiennika. Może to obniżyć koszty utrzymania wymienników skręcanych.
Uszczelki są przyklejane (rozwiązanie utrudniające ich wymianę) lub mocowane mechanicznie. Ważne jest idealne wyprofilowanie rowka pod uszczelkę i jej dopasowanie.
Techniki mocowania mechanicznego obejmują zastosowanie klipsów (CLIP-ON), zacisków wciskanych w specjalny otwór w płycie (SNAP-ON), wypustek w rowku pod uszczelkę (SNAP-IN) oraz współpracę elementów uszczelki z profilem płyty (SPLIT-IN).
Niektórzy producenci mają też własne patenty konstrukcji uszczelnienia. Przykładem jest Ultraflex – uszczelka w płytach tego systemu znajduje się w symetrycznym zamku tworzonym przez sąsiednie płyty, co uniemożliwia wzajemne przemieszczanie się płyt.
Literatura
- Salim Newaz Kazi ed., Heat Transfer Studies and Applications, InTech, 2015, p. 167–199.
- Materiały firm: Alfa Laval, Bühler Technologies, Danfoss, Kelvion, Linoszczel, Secespol, Spetex, SPX, Tranter.
