Wymienniki płytowe

Wymienniki płytowe składają się z wielu cienkich metalowych płyt połączonych razem za pomocą ramy ściągającej lub lutowania. Wewnętrzna konfiguracja kanałów wymiennika powoduje, że po jednej stronie płyty płynie gorący płyn, a po drugiej – w przeciwprądzie – płyn zimny. Każda płyta wymiennika ma specjalne wytłoczenia, które zwiększają turbulencje obu płynów, co podwyższa wartość współczynników przenikania ciepła.

Odpowiednie ukształtowanie wytłoczeń w płytach pozwala rozwijać odpowiednio wysoką burzliwość strumienia cieczy przy relatywnie niskich prędkościach przepływu. Media, takie jak woda lub wodne roztwory soli, osiągają współczynniki przenikania ciepła na poziomie dwukrotnie wyższym niż w wymiennikach płaszczowo-rurowych. Tak wysokie wartości uzyskiwane są przy stosunkowo małych oporach przepływu, a wysoka turbulencja przepływu zapobiega w pewnym stopniu powstawaniu osadów w wymienniku.

Zwarta i hermetyczna budowa oraz wysoki stosunek powierzchni wymiany ciepła do objętości urządzenia umożliwiają szerokie stosowanie wymienników płytowych. Zaletą jest też prostota wykonania elementów wymiennika i ich duża unifikacja. Uniwersalność systemów pozwala zmniejszyć lub zwiększyć wymiennik w razie zmiany zapotrzebowania na jego moc.

Producenci oferują typoszeregi wymienników o wydajności od kliku kilowatów do kilkudziesięciu megawatów. Zakres temperatur roboczych dla tych urządzeń wynosi od ok. kilkudziesięciu stopni poniżej zera do kilkuset stopni Celsjusza.

Wymienniki płytowe skręcane i lutowane są stosowane m.in. w układach chłodniczych, instalacjach wody lodowej, pompach ciepła, instalacjach solarnych, instalacjach z powietrznymi chłodnicami powietrza (free cooling), chłodzeniu międzystopniowym, wodnych chłodnicach oleju, a także w ciepłownictwie i do przygotowania ciepłej wody użytkowej. W wymiennikach stosowanych w instalacjach przemysłowych liczba płyt sięga nawet kilkuset sztuk, a wymiennik bywa różnie skonstruowany – może w nim zachodzić kilka wzajemnie powiązanych procesów, przebiegających w różnych jego strefach, np. grzanie produktu parą w celu sterylizacji lub pasteryzacji, a następnie jego chłodzenie.

Konstrukcje

Wymienniki skręcane

Typowy wymiennik skręcany ma ramę spajającą płyty. Elementy ramy mogą być różne w zależności od typu wymiennika i jego zastosowania.

Płyty mogą być wykonane z różnych gatunków stali nierdzewnej lub z tytanu. Liczba płyt, ich wielkość i wymiary zależą od wydajności cieplnej wymiennika. Płyty mogą mieć różne kąty nachylenia wytłoczeń, np. jedne są lepsze do pewnych systemów chłodniczych, a inne do ogrzewnictwa. Od kształtu tłoczeń zależą też opory przepływu (straty ciśnienia). Ponadto płyty mają wytłoczony specjalny rowek, w którym umieszczona jest uszczelka. Jej zadaniem jest zapobieganie mieszaniu się mediów i wyciekom.

Ciecz może wyciec jedynie na zewnątrz, a nie do drugiego medium. Uszczelki są dobrane tak, by odpowiadać kombinacji temperatury, otoczenia chemicznego i w miarę możliwości innym warunkom. Mogą być wykonane z różnych materiałów.Stosuje się różne typy uszczelnień: uszczelki wciskane lub bezklejowe. Najważniejszą cechą wymienników skręcanych jest to, że można je rozkręcać na potrzeby czyszczenia oraz wymiany płyt kanałowych i uszczelek.

Wymienniki płytowe lutowane

Te wymienniki zbudowane są ze specjalnie wytłaczanych płyt, które są ze sobą zlutowane. Większość producentów oferuje je w dwóch wykonaniach: jako jedno- i dwustopniowe. Dwustopniowy wymiennik ciepła stosowany jest w systemach przygotowania ciepłej wody użytkowej. Wymienniki lutowane nie mają żadnych części zamiennych – są jednostkami kompletnymi, które nie podlegają naprawie.

Dobór

Dobór wymiennika ciepła uzależniony jest od żądanej mocy wyjściowej, temperatur obiegów oraz dopuszczalnych strat ciśnienia. Producenci oferują pomoc oraz programy do obliczeń i doboru wymienników ciepła. Parametry pracy wymiennika zależą m.in. od liczby płyt, sposobu ich łączenia i przepływu strumieni. Można stosować zestawy płyt o identycznym użłobieniu lub płyty o różnym użłobieniu na przemian.

Stosowane rozwiązania w łączeniu płyt wymiennika można podzielić na trzy rodzaje z uwagi na sposób przepływu przez nie medium: na układy szeregowe, równoległe i mieszane. Mają one za zadanie tak kierować strumienie przepływów mediów po obu stronach płyt, aby mogły one ulegać wielokrotnym zmianom kierunku. W układzie szeregowym droga przepływu jest długa i tym samym opór hydrauliczny jest duży 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 wymiennika oraz zakres zmian temperatur i dopuszczalny spadek ciśnienia po każdej ze stron wymiennika, stosuje się układy mieszane będące kombinacją układu szeregowego i równoległego.

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

Montaż

Wymienniki lutowane

Wymienniki lutowane należy montować w miejscach umożliwiających łatwy dostęp i montaż izolacji, w pozycji pionowej, tak aby można je było w razie potrzeby całkowicie opróżnić. Powinny być one montowane na specjalnych półkach lub podporach albo za pomocą obejm. Brak podparcia lub obejmy powoduje powstawanie niepożądanych naprężeń na rurociągach i króćcach podłączeniowych. Należy przestrzegać wskazówek producenta co do stron podłączenia.

Trzeba zwracać uwagę na prawidłowe podłączenie obiegów pierwotnego i wtórnego, tak aby zachować przepływ przeciwprądowy. Przewody podłączane do wymiennika muszą być tak zamocowane, aby ich wydłużenia termiczne i wibracje nie działały na wymiennik. Jeśli podłączenia są gwintowane, należy zwrócić uwagę, żeby nie były stosowane zbyt duże siły. Wymienniki jednostopniowe mają wszystkie podłączenia zlokalizowane na płycie przedniej. Wymiennik dwustopniowy ma 6 króćców podłączeniowych, z których dwa znajdują się na tylnej ścianie wymiennika. Dwa dodatkowe króćce służą do podłączenia cyrkulacji c.w.u. i strumienia wody sieciowej z wymiennika c.o.

Wymienniki skręcane

Skręcane wymienniki ciepła należy montować na ich podstawie, w pozycji pionowej – umożliwi to dobre odpowietrzanie i będzie utrudniać osadzanie się zanieczyszczeń. Wszystkie podłączenia rurociągów do wymiennika należy wyposażyć w zawory odcinające, aby zapewnić możliwość czyszczenia lub wymiany płyt kanałowych i uszczelek. Zawory odpowietrzające powinny być montowane w najwyższym punkcie w kierunku przepływu medium.

Wymiennik należy też zabezpieczyć przed nagłymi uderzeniami lub odcięciami ciśnienia i dużymi skokami temperatur ze strony rur. Przewody przyłączeniowe powinny być montowane tak, aby naprężenia wzdłużne nie spowodowały uszkodzeń wymiennika. W tym celu stosuje się kompensatory chroniące wymiennik przed naciskiem przewodów spowodowanym ich wydłużeniem termicznym. Kompensatory powinny być montowane wzdłużnie w stosunku do zestawu płyt.

Przewody warto też podeprzeć lub powiesić, aby zapobiec naprężeniom skręcającym i gnącym na króćcach wymiennika. Instalacja powinna być wyposażona w zawór bezpieczeństwa zamontowany pomiędzy wymiennikiem ciepła a zaworem odcinającym po stronie wtórnej wymiennika ciepła. Brak zaworu bezpieczeństwa w przypadku zamknięcia zaworów odcinających grozi zniszczeniem wymiennika z powodu nadmiernej rozszerzalności cieplnej płynu.

Wymiennik należy tak zamontować, aby wokół niego było ok. dwa razy więcej wolnej przestrzeni, niż wynosi jego grubość. Inaczej wymiana płyt, uszczelnienie i skręcenie wymiennika będzie utrudnione.

Przed wymiennikiem warto zainstalować odpowiednie filtry, zapobiegające przepływowi zanieczyszczeń. Najczęstsze przyczyny, wpływające na osiąganie przez wymiennik odmiennych parametrów od zaprojektowanych, to: inne przepływy płynów niż założone w projekcie, temperatura wody chłodzącej wymiennik wyższa niż założona w projekcie, temperatura medium grzewczego niższa niż w projekcie, niewłaściwy montaż pakietu płyt, zły kierunek przepływu lub wadliwe podłączenie przewodów.

Eksploatacja wymienników płytowych

W eksploatacji ważne jest unikanie korozji, i to po obu stronach wymiennika. Ma to szczególne znaczenie dla wymienników stosowanych w ciepłownictwie i ogrzewnictwie. Wytyczne w sprawie jakości wody, zwłaszcza tej przepływającej przez wymienniki lutowane – z uwagi na lut miedziany – podają ich producenci. Najważniejsze parametry, które mogą ograniczyć ryzyko wystąpienia korozji miedzi, to obniżenie zawartości tlenu w wodzie do poziomu poniżej 0,02 mg/l, woda o pH mniejszym niż 10 i niskie stężenia amoniaku i siarczanów.

Główne parametry mające wpływ na odporność korozyjną stali nierdzewnej w wodzie sieciowej to chlorki, temperatura i zawartość tlenu. Wraz ze wzrostem zawartości tlenu rośnie ryzyko powstania korozji stali nierdzewnej. W praktyce rzadko udaje się uzyskać odpowiedni poziom tlenu, jednak należy do tego dążyć. Ponadto trzeba skontrolować przewodność i stopień twardości, także mające wpływ na powstawanie korozji w wymienniku.

Podczas eksploatacji należy unikać nagłych skoków ciśnienia, wykraczających poza normalne ciśnienie robocze, lub uderzeń ciśnienia, które mogą wystąpić w czasie rozruchu lub zatrzymania systemu, gdyż grożą one poważnymi uszkodzeniami wymiennika. Należy też unikać sytuacji, w których mogłoby dojść do przepływu przez wymiennik tylko gorącego medium, a przepływ zimnego byłby wstrzymany, gdyż spowoduje to zniszczenie wymiennika. Wymiennik ulegnie zniszczeniu także wtedy, gdy medium w nim się znajdujące zamarznie.

W praktyce trzeba się też zmagać z problemem obniżenia wydajności wymiennika wynikającego z eksploatacji. Przyczyny mogą być bardzo różne.Z czasem powierzchnia płyty wymaga czyszczenia lub odkamienienia. Może też dojść do zapowietrzenia wymiennika czy instalacji lub źle funkcjonują zawory. Czasem nieprawidłowo działają pompy lub kontrolki ich pracy.

Wymienniki należy czyścić zgodnie z wytycznymi producenta i zalecanymi przez niego preparatami. Nie należy płukać wymiennika jednocześnie z płukaniem instalacji c.o., zwłaszcza starych, gdyż w większości przypadków powoduje to zatrzymanie się w wymienniku dużych ilości osadu odrywanego ze ścian przewodów. Trzeba dokładnie sprawdzić, czy dany środek do płukania instalacji może być też stosowany do płukania wymienników lutowanych. Do czyszczenia wymienników stosuje się m.in. układ do chemicznego płukania, który składa się ze zbiornika z grzałką lub bez niej oraz pompy i przewodów przyłączeniowych.

Przewody podłącza się do króćców wymiennika, tak aby kierunek przepływu środka czyszczącego był odwrotny do roboczego kierunku przepływu. Jeśli przez wymiennik przepływa woda, która szybko tworzy osady, zaleca się częste kontrolowanie oporów przepływu przez wymiennik. Wzrost oporów przepływu powinien być sygnałem do przeprowadzenia płukania. Po zakończeniu płukania preparatem wymiennik należy opłukać dużą ilością czystej wody, a niekiedy nawet środkami neutralizującymi kwaśny odczyn płynów do płukania. Chemiczne czyszczenie warto przeprowadzać okresowo, by nie dopuścić do znacznego zarośnięcia kanałów i tym samym spadku wydajności wymiennika.

W przypadku wymienników skręcanych możliwe jest szybkie wymontowanie dowolnej płyty, jej kontrola i czyszczenie lub wymiana. W eksploatacji wymienników skręcanych ważne jest, by w ich pobliżu nie znajdowały się rozpuszczalniki i kwasy oraz źródła urządzenia wytwarzające ozon, np. silniki elektryczne, gdyż grozi to szybszym zużyciem się lub uszkodzeniem gumowych uszczelek wymiennika.

Opracowano na podstawie wytycznych i kart katalogowych firm Sondex, GEA, Danfoss i Alfa Laval.