Wymienniki płytowe w instalacjach HVAC

Wymienniki wykonuje się z najlepszych i najtrwalszych materiałów i uszczelnień, gdyż wymaga się od nich bardzo wysokiej wytrzymałości na zmienne temperatury, wysokie ciśnienie i szybki przepływ różnych mediów.

W instalacjach grzewczych, klimatyzacyjnych i chłodniczych szerokie zastosowanie mają wymienniki płytowe. Składają się z wielu cienkich metalowych płyt połączonych za pomocą ramy ściągającej lub łączonych lutem. Kanały wymiennika są tak skonfigurowane, że po jednej stronie płyty płynie gorące medium, a po drugiej, w przeciwprądzie, zimne.

Dla różnych celów (wymiana ciepła czy chłodu) stosuje się odpowiednie ukształtowanie wytłoczeń w płytach. Zaletą wymienników płytowych jest ich unifikacja – można dobrać i wymienić wymiennik na mniejszy lub większy w razie zmiany zapotrzebowania na moc. Na rynku oferowane są typoszeregi wymienników o  wydajności od kilku kilowatów do kilkudziesięciu megawatów, a ich zakres temperatur roboczych waha się od kilkudziesięciu stopni poniżej zera do kilkuset stopni Celsjusza.

Wymienniki skręcane

Płyty wymienników skręcanych spaja rama, która jest różna w zależności od typu wymiennika i jego zastosowania. Płyty wykonuje się z różnych gatunków stali nierdzewnej, kwasoodpornej czy nawet z tytanu. Wielkość i liczba płyt zależą od wydajności cieplnej wymiennika.

Ważną cechą płyt są ich tłoczenia – jedne są lepsze do systemów chłodniczych, a inne do ogrzewnictwa. Od kształtu tłoczeń zależą opory przepływu (straty ciśnienia).

Każda z płyt ma wytłoczony specjalny rowek, w którym umieszczona jest uszczelka zapobiegająca mieszaniu się mediów i wyciekom. Materiał uszczelki jest dobrany tak, by odpowiadać zakresowi zmian temperatury, ciśnienia i stosownego medium (woda, solanka, czynnik chłodniczy) i w miarę możliwości innym warunkom.

Stosuje się różne typy uszczelnień: uszczelki wciskane lub bezklejowe.

Rozbieralna konstrukcja wymiennika umożliwia jego rozbudowę oraz rozmontowanie w celu wykonania okresowych czynności serwisowych, w tym czyszczenia mechanicznego lub wymiany płyt i uszczelek.

Duża elastyczność konstrukcyjna wymienników skręcanych umożliwia ich dostosowanie do wymaganych warunków pracy dzięki mnogości rozmiarów płyt, materiałów płyt i uszczelek oraz różnej geometrii kanałów przepływowych.

Wymienniki lutowane

W płytowych wymiennikach lutowanych płyty są łączone na stałe lutem. Przeważnie jest to lut miedziany, stosowane są też luty płyt ze stali kwasoodpornej tym samym metalem. Umożliwia to zastosowanie wymienników do mediów o wysokim i niskim poziomie zasadowości i zwiększa ich odporność na korozję galwaniczną. Są one też odpowiednie do instalacji, w których zastosowano rozwiązania technologiczne wykluczające obecność elementów z miedzi. Większość producentów oferuje płytowe wymienniki lutowane w wykonaniach jedno- i dwustopniowych. Dwustopniowe stosowane są w systemach przygotowania ciepłej wody użytkowej. W takim wymienniku jest sześć króćców – te dwa dodatkowe (po tylnej stronie) służą do podłączenia instalacji cyrkulacji i strumienia wody sieciowej z wymiennika c.o. Wymienniki lutowane nie podlegają naprawie i nie mają żadnych części zamiennych. Ten brak rekompensuje ich kompaktowość, łatwy montaż i trwałość.

Wymienniki w systemach ogrzewania i chłodzenia oraz przemyśle

Wymienniki w kompaktowych węzłach cieplnych i węzłach mieszkaniowych w instalacjach ogrzewania i ciepłej wody to standard znany od wielu lat. Wysokie wymagania dotyczące energooszczędności sprawiają, że konieczne jest stosowanie rozwiązań wykorzystujących wszelkie możliwe zyski ciepła w obiekcie. Ciepło odpadowe jest pozyskiwane i przekazywane m.in. dzięki płytowym wymiennikom ciepła. Także coraz bardziej popularne rozwiązania hybrydowe (różne źródła ciepła w jednej instalacji) wymagają zastosowania wymienników ciepła, głównie małych, lutowanych.

Przykładem mogą być instalacje, w których jedno urządzenie pracuje w układzie otwartym, a drugie w zamkniętym. 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. Poszukuje się coraz nowszych rozwiązań m.in. dla odzysku ciepła ze ścieków szarych, także za pomocą płytowych wymienników ciepła.

Płytowe wymienniki ciepła są szeroko stosowane w instalacjach chłodzenia i klimatyzacji. Mogą być częścią obiegu chłodniczego i dla osiągnięcia wysokiej sprawności wymagają odpowiedniej konstrukcji. Ciepło odpadowe oddawane w skraplaczu może być wykorzystane na potrzeby instalacji niskotemperaturowych, np. ogrzewania podłogowego.

Efektywność energetyczna zależy w dużej mierze od wymiennika. Ważna jest konstrukcja, która umożliwia intensywną wymianę ciepła, a przy tym nie zaburza przepływu.

Czynnik powinien docierać do wszystkich wyżłobień wymiennika, powinien też być utrzymany stabilny stopień przegrzania pary. 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.

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.

Dla instalacji o wysokich wymaganiach temperaturowych konstruowane są wymienniki, które mogą pracować z medium o temperaturze od –200 do 950°C i przy ciśnieniu do 100 barów. Buduje się je z zespawanych płyt z odpowiednio wyprofilowanej stali nierdzewnej. Obudowa zabezpiecza przed wyciekiem medium i utrzymuje stałe ciśnienie. Stosuje się je m.in. w układach kogeneracyjnych (CHP) w ciepłownictwie.

Coraz częściej dąży się do odzysku ciepła i chłodu w przemyśle i rośnie tym samym udział wymienników w instalacjach. Optymalizacja strat energii jest bardzo ważna, wpływa na wyniki ekonomiczne procesów i przeważnie szybko się zwraca.

Tłoczenia, żłobienia i przepływy

Wymienniki mają różne tłoczenia i sposoby łączenia z uwagi na specyficzne zastosowania.

W ostatnich latach producenci wprowadzili kilka nowych rodzajów żłobienia płyt wymiennika, m.in. takie, które pozwalają na równomierny przepływ czynnika, dzięki czemu uzyskuje się obniżenie ciśnienia na wymienniku i wzrost efektywności.

W typowych lutowanych wymiennikach płytowych do standardowych instalacji grzewczych lub chłodniczych typu ciecz/ciecz dąży się do tego, aby osiągnąć kompromis pomiędzy niskimi oporami przepływu a wysoką wydajnością wymiany ciepła.

Do pracy w instalacjach chłodniczych lub grzewczych jako parowniki i skraplacze czynników chłodniczych stosuje się m.in. wymienniki płytowe lutowane miedzią z takimi ukształtowaniami kanałów, które zapewniają skuteczne odparowanie lub skraplanie czynnika. Ma to szczególne znaczenie w  pompach ciepła i agregatach chłodniczych. Wymienniki takie umożliwiają sprawne odparowanie czynnika, tak aby nie doprowadzić do jego przegrzania w płytach oddalonych od króćców, i tym samym zwiększają sprawność wymiany ciepła.

Są też konstrukcje zaprojektowane dla zastosowań, w których decydujące jest wykrycie wewnętrznego wycieku pomiędzy mediami.

Jeśli wymiennik zostanie uszkodzony przez korozję lub uderzenie hydrauliczne, to specjalnie zaprojektowany układ podwójnych ścianek i szczelina w bocznej powierzchni wymiennika zabezpieczą przed wymieszaniem się płynów i pozwolą na wizualne wykrycie wycieku.

Stosuje się też wymienniki wykonane całkowicie z materiałów nierdzewnych – w tym z lutem z materiału nierdzewnego. Taka jednorodna materiałowo konstrukcja stosowana jest w instalacjach o wysokim poziomie higieniczności i odporności na skoki ciśnienia oraz zmiany temperatury i narażonych na korozję. Stosuje się je np. w przypadku wysokiej agresywności wody wodociągowej, w instalacjach z amoniakiem, a także w układach z ocynkowanymi rurami.

Rozwiązania stosowane w łączeniu płyt wymiennika można podzielić według sposobu przepływu przez nie medium na układy: szeregowe, równoległe i mieszane. Ich zadaniem jest takie kierowanie strumieni przepływów mediów po obu stronach płyt, aby mogły one ulegać wielokrotnym zmianom kierunku.

W układzie szeregowym droga przepływu jest długa i tym samym duży jest opór hydrauliczny przy stosunkowo niewielkim natężeniu przepływu.

W układzie równoległym droga przepływu medium jest krótka, gdyż wynosi tyle, ile długość pojedynczego kanału, a tym samym spadek ciśnienia nie jest wysoki.

W praktyce rzadko stosowane są typowe układy szeregowe lub równoległe. Aby uzyskać w wymienniku oczekiwane natężenie przepływu po obu stronach oraz zakres zmian temperatur i dopuszczalny spadek ciśnienia po każdej stronie wymiennika, stosuje się układy mieszane będące kombinacją układu szeregowego i równoległego. Nie zmienia się wówczas wielkość powierzchni wymiennika, ale inne parametry.

Generalna zasada jest taka, że dzięki płytom z kanałami równoległymi uzyskuje się oczekiwane natężenie przepływu, a płyty z kanałami szeregowymi zapewniają przepływ pozwalający osiągnąć oczekiwaną zmianę temperatur obu obiegów.

Dobór wymienników

Podstawowe kryteria wyboru wymienników to:

• właściwości chemiczne płynów (m.in. w aspekcie korozyjności),
• parametry fizyczne płynów (ciśnienie, temperatura, gęstość),
• właściwości materiałów (wytrzymałość, współczynnik przewodzenia ciepła, rozszerzalność cieplna),
• wymagania w kwestii czyszczenia (np. przemysł spożywczy czy farmaceutyczny),
• czynniki zewnętrzne (m.in. wilgotność, temperatura),
• logistyka (gabaryty, transport wewnątrz obiektu),
• ekonomia inwestycji i eksploatacji (jeden duży, wiele małych, czyszczenie).

Przy doborze wymiennika należy uwzględnić przede wszystkim żądaną moc wyjściową, temperaturę obiegów oraz dopuszczalne straty ciśnienia.

Parametry pracy wymiennika zależą m.in. od liczby płyt, sposobu ich łączenia oraz przepływu strumieni.

Można stosować zestawy płyt o identycznym żłobieniu lub na przemian płyty o  żłobieniu różnym. Te o większym kącie wyżłobień są bardziej odpowiednie dla chłodnictwa.

Specjalny kształt wytłoczeń umożliwia osiągnięcie przepływu turbulentnego przy stosunkowo niskiej prędkości czynnika w instalacji.

W doborze wymienników dla instalacji o szczególnych wymaganiach, gdy priorytetem jest pewność własności wymienników ciepła, jako kryterium wyboru można brać pod uwagę certyfikaty niezależnych jednostek potwierdzające deklarowane parametry. Kryterium to stosuje się m.in. w wielokryterialnej certyfikacji budynków biurowych czy w instalacjach chroniących centra danych.

Przykładowo niezależna Air Conditioning, Heating and Refrigeration Institute wydaje certyfikat AHRI 400 potwierdzający parametry deklarowane przez producenta.

Do doboru wymienników firmy oferują arkusze informacyjne z danymi technicznymi (m.in. min. i maks. temperatura, maks. ciśnienie robocze, dla jakich czynników – np. wodny roztwór glikolu do maks. 50%, średnice króćców, rodzaj uszczelek itd.). Proponują również pomoc w doborze i w tym celu oczekują m.in. podania licznych wymagań technicznych, w tym przeznaczenia (instalacja c.o., c.w.u., chłodnicza), mocy, dostępnej powierzchni, parametrów czynnika po stronie pierwotnej (woda, glikol, roztwór i jaki procent), przepływów (l/s lub m3/h), temperatury wlotu i wylotu, maks. spadku ciśnienia i analogicznie po stronie wtórnej oraz innych wymagań projektowych.

Producenci oferują też programy doboru, które można pobrać z ich stron.

Oprac. na podst. materiałów technicznych firm: Alfa Laval, Danfoss, Secespol, Spomasz, SWEP, Tranter

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!