Wymienniki ciepła – kierunki rozwoju

Wymienniki płytowe składają się z wielu cienkich metalowych płyt łączonych za pomocą ramy ściągającej lub lutem. Działania w zakresie rozwoju tych urządzeń koncentrują się na doskonaleniu wykonania materiałowego, geometrii powierzchni, wzajemnego ułożenia oraz połączenia płyt w wymienniku. Istotnym wyzwaniem dla producentów jest konieczność sprostania gwałtownie rosnącemu zapotrzebowaniu na wymienniki do pomp ciepła oraz doskonalenia wymiany ciepła niskotemperaturowego. Narodowe Centrum Badań i Rozwoju zachęca producentów m.in. wymienników do przystępowania do programów wspierających rozwój komponentów dla pomp ciepła.

Wielkości i kształty wymienników

Wiele prac badawczo-rozwojowych poświęconych jest lutowanym wymiennikom płytowym (BHPE) – urządzeniom stosowanym jako parowniki i skraplacze w technice klimatyzacyjno-chłodniczej nie tylko ze względu na rosnącą popularność pomp ciepła, ale przede wszystkim z powodu coraz większego znaczenia tzw. naturalnych czynników chłodniczych, głównie propanu (R290) i dwutlenku węgla (R744). Ważnym punktem wyjścia dla tych prac jest konieczność jak najmniejszego napełnienia urządzeń klimatyzacyjno-chłodniczych (szczególnie do zastosowań domowych) propanem jako czynnikiem palnym. Badacze z Politechniki Norweskiej w Trondheim (NTNU), norweskiego Instytutu Sintef Energy Research oraz niemieckiego Instytutu Fraunhofera stwierdzili, że stosując wymiennik płytowy o minimalnej powierzchni zewnętrznej, można ograniczyć napełnienie propanem nawet o 66% [1].

Aby zmniejszyć wielkość wymiennika, stosuje się m.in. płyty z asymetrycznym układem kanałów. Można dzięki temu uzyskać dużą powierzchnię wymiany ciepła przy zastosowaniu mniejszej liczby płyt w gotowym wymienniku. Zmniejsza się zatem napełnienie czynnikiem bez pogorszenia parametrów termicznych i hydraulicznych – jeden z producentów wskazuje, że samo zastosowanie takiego układu płyt obniża napełnienie czynnikiem nawet o 33%. Kompaktowa budowa oznacza także niższą masę (nawet o 40%), mniejsze zapotrzebowanie na przestrzeń oraz obniżenie całkowitych kosztów wymiennika. Następuje również zmniejszenie oporów przepływu po stronie wtórnej wymiennika – nawet o 50%.

Równolegle ze zmniejszaniem wielkości wymienników trwają prace nad zwiększeniem ich efektywności i trwałości. Elementem poprawiającym skuteczność wymiany ciepła w płytach wymienników przeznaczonych do pomp ciepła, przede wszystkim na propan (R290), mogą być też określone proporcje kształtu płyty. Wąska i wysoka płyta oznacza powierzchnię wymiany ciepła o większej długości, co umożliwia efektywną pracę wymiennika zarówno w funkcji parownika, jak i skraplacza w przypadku rewersyjnej pompy ciepła.

Tłoczenia i układy płyt wymiennika

Istotne są także rozwiązania zapewniające równomierne i efektywne rozprowadzenie czynnika w wymienniku, zależnie od jego rodzaju oraz przeznaczenia wymiennika. Odpowiednie rozprowadzenie czynnika może poprawić parametry parowania i skraplania o 20–40% w porównaniu do urządzeń bez takich rozwiązań, a także bardzo usprawnia proces odszraniania wymiennika.

Nieodmiennie ważnym obszarem rozwoju są tłoczenia płyt. Każda większa firma specjalizująca się w wymiennikach ma w ofercie płyty o opatentowanym wzorze – tłoczenia mają formę rowków, dołeczków, wzorów odtwarzających rozwiązania znane z przyrody (np. rybia ość). Wzory płyt doskonali się, by zwiększać powierzchnię wymiany ciepła i poprawiać jej skuteczność, zapewniać efektywne dotarcie medium do każdego żłobienia oraz turbulizację przepływu czynnika przy stosunkowo niskich prędkościach, dzięki czemu osiągana jest duża wymiana ciepła przy małych oporach przepływu (stratach ciśnienia). Dobór rodzaju żłobienia zależy od zastosowania wymiennika – te o większym kącie wyżłobień są bardziej odpowiednie dla chłodnictwa. Znaczenie ma także wzajemne ułożenie płyt. Można stosować ich zestawy o identycznym żłobieniu lub na przemian płyty o żłobieniu zróżnicowanym.

Może Cię zainteresuje: Komfort cieplny i prawidłowa wentylacja - inwestycja w zdrowie

Ważnym aspektem rozwoju rynku wymienników jest też różnorodność wykonań pod względem materiałów, wzorów płyt czy ich wzajemnej geometrii, co pozwala dobrze dopasować wymienniki do określonych zadań. Na przykład w zastosowaniach związanych ze zwiększonym ryzykiem odkładania się osadów stosowane są wymienniki mające nie tylko odpowiedni wzór tłoczenia płyt, ale też odpowiednio dużą szczelinę między płytami – połączenie tych rozwiązań zapobiega zakłóceniom przepływu.

Rozwój wymienników lamelowych

Mniejsze napełnienie czynnikiem można uzyskać także w przypadku wymienników lamelowych, składających się z rurek miedzianych i lameli aluminiowych. W wymiennikach tych napełnienie można ograniczyć dzięki zastosowaniu rurek z wewnętrznym mikrorowkowaniem (microgroove) – wielkość napełnienia jest wówczas nawet o 22% niższa w porównaniu do rurek gładkich [1]. Dzięki wewnętrznemu rowkowaniu rurki mogą mieć średnicę nawet o 40% mniejszą niż ich gładkie wymienniki, co wpływa także na bardziej kompaktowe wymiary całego wymiennika, trwałą pracę z czynnikami pracującymi pod wysokim ciśnieniem (np. dwutlenek węgla – R744) i lepszą charakterystykę cieplną.

Jeden z uznanych producentów poinformował niedawno o otwarciu całej linii produkcyjnej, która umożliwi wytwarzanie rurek o średnicy 9,53 mm dla tych rozwiązań, gdzie wcześniej stosowano rurki o średnicy 12 mm, a nawet 16 mm. Natomiast średnica rurek z rowkowaniem może wynosić nawet 5 mm. Zastosowanie takich rurek rekomenduje Międzynarodowe Stowarzyszenie Miedzi (International Copper Association/ICA), które we współpracy z podmiotem komercyjnym wydało narzędzie doboru i symulacji wymienników z zastosowaniem rurek o małych średnicach.

Producenci wskazują także, że obok zastosowania rurek o mniejszych średnicach na zmniejszenie wielkości wymiennika i poprawę jego charakterystyki cieplnej wpływa także geometria lameli aluminiowych – zarówno pofalowanie powierzchni wpływające na zwiększenie efektywności wymiany ciepła, jak i zoptymalizowane odległości między lamelami oraz ich wzajemne ustawienie.

Czytak także: Nowoczesne technologie w instalacjach grzewczych

Wymienniki a gospodarka cyrkularna

W obszarze wymienników widać także trendy tzw. gospodarki cyrkularnej – firmy zaczynają oferować wymianę starszych modeli swoich urządzeń na bardziej efektywne, z założeniem całkowitego odzysku materiału z części metalowych ze zdemontowanych wymienników. Dzięki temu zwiększyć się ma efektywność energetyczna pracujących urządzeń i zmniejszyć ich ślad węglowy, a cenne metale znajdujące się w składzie obecnie pracujących wymienników dzięki nowatorskim technikom regeneracji zapewnią bardziej efektywną i zdywersyfikowaną produkcję nowych urządzeń.

Literatura

1. Allymehr Ehsan, Skaugen Geir, Will Torsten, Pardiñas Ángel Á., Eikevik Trygve M., Hafner Armin, Schnabel Lena, Numerical Study of Hydrocarbon Charge Reduction Methods in HVAC Heat Exchangers, „Energies” 2021, 14, 4480, https://doi.org/10.3390/en14154480

2. Materiały techniczne i informacyjne firm: Alfa Laval, Danfoss, Kaori, KME, Lu-Ve, MicroGroove, SWEP, Tranter

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!