Wymienniki płytowe we współczesnych instalacjach

Płytowe wymienniki ciepła okazują się najbardziej efektywnym i ekonomicznym sposobem wymiany ciepła w wielu zastosowaniach ogrzewczych i chłodniczych: węzły ciepłownicze, kotły, OZE (pompy ciepła, kolektory słoneczne, biomasa), chłodzenie i klimatyzacja.

Przykładowo nowy wymiennik lutowany SWEP – model B86 – wpisuje się w trendy rozwojowe jako rozwiązanie przeznaczone do instalacji c.w.u. z niską temperaturą zasilania i powrotu, zapewniając większą długość cieplną, służy także jako skraplacz o podwyższonej efektywności w gruntowych pompach ciepła.

Płytowe wymienniki stanowią ważny element dla układów hybrydowych (korzystających z różnych źródeł ciepła). Stanowią też skuteczne i tanie rozwiązanie umożliwiające połączenie instalacji w układzie otwartym z instalacją w układzie zamkniętym w jeden system grzewczy – np. kominek z płaszczem wodnym (układ otwarty) plus kocioł gazowy (układ zamknięty).

Wymiennik płytowy wykazuje większą sprawność niż specjalna wężownica schładzająca służąca do wpięcia kominka do układu zamkniętego – dzięki wymiennikowi do układu zamkniętego instalacji c.o. przekazywane jest ponad 90% ciepła wyprodukowanego przez kominek.

Konstrukcja – prosta, ale efektywna

Powszechności zastosowań sprzyja wysoka skuteczność procesu odzysku ciepła przy niewielkich oporach przepływu oraz prostota konstrukcji przekładająca się na niewielką awaryjność i niemal bezobsługową eksploatację.

Wymienniki płytowe składają się z pakietu cienkich (od 0,4 do 1,0 mm), odpowiednio profilowanych płyt metalowych połączonych przez skręcanie lub lutowanie. Taka konstrukcja zapewnia odporność na temperaturę i ciśnienie, a także turbulentny charakter przepływu medium przy stosunkowo niskich prędkościach. Dzięki temu wymiana ciepła w pakiecie płyt jest wysoce efektywna, a opory przepływu niskie.

Wielkość i liczba zastosowanych płyt decyduje o wydajności cieplnej wymiennika płytowego, wynoszącej od kilku kW do kilkudziesięciu MW.

Charakter konstrukcji wskazuje też, jak porównywać wymienniki i jakie są kierunki ich rozwoju. Producenci pracują nad rozwiązaniami materiałowymi (płyt oraz lutu w przypadku wymienników lutowanych lub uszczelek w wymiennikach skręcanych), profilowaniem płyt oraz optymalizacją ich wymiarów geometrycznych (np. grubości).

Wymienniki, bez szkody dla efektywności procesu wymiany ciepła, można dopasować do wymagających procesów (np. wysokie ciśnienie, wysoka temperatura, agresywne medium).

Wymiennik płytowy kontra płaszczowo-rurowy

Wymiennik płytowy często prezentowany jest w kontrze do wymiennika płaszczowo-rurowego. Każda instalacja jest inna, niemniej przewaga wymiennika płytowego będzie widoczna w następujących sytuacjach:

• niepewność (na etapie projektowania) co do rzeczywistego obciążenia cieplnego czy jego zmienna wartość;
• duża dynamika inwestycji (np. zmiany wydajności lub parametrów instalacji) – zmiany ułatwia modułowy charakter rozwiązania;
• mało miejsca – kompaktowa budowa wymiennika płytowego sprawia, że zajmie on 20–50% miejsca potrzebnego na wymiennik płaszczowo-rurowy.

Wśród przewag technologicznych wymienników płytowych nad płaszczowo-rurowymi wyróżnić można także (na korzyść wymienników płytowych):

• efektywną wymianę ciepła nawet przy niewielkiej różnicy temperatur (poniżej 1°C);
• współczynniki przenikania ciepła 3–6 razy większe niż w przypadku wymienników płaszczowo-rurowych (dane firmy Tranter);
• odporność na korozję, która dodatkowo może być zwiększona dzięki odpowiedniemu rozwiązaniu materiałowemu.

Najogólniej rzecz ujmując, wymiennik płytowy charakteryzuje się większą sprawnością wymiany ciepła i bardziej kompaktowymi wymiarami niż jego płaszczowo-rurowy odpowiednik.

Wymienniki skręcane a lutowane

Wymienniki płytowe mogą mieć konstrukcję skręcaną lub lutowaną.

• W starszej konstrukcji skręcanej do płyt grzewczych dołącza utrzymująca je rama. Konieczne jest także zastosowanie uszczelki zapobiegającej wyciekom i mieszaniu mediów. Stosuje się uszczelki klejone lub wciskane (każdy producent ma swój system) z wytrzymałego elastomeru, kauczuku syntetycznego lub innego polimeru dopasowanego do przewidzianego medium i warunków pracy wymiennika, np. EPDM, Viton, Nitryl, NBR, neopren (polichloropren), butyl czy hypalon. Zaletą wymiennika skręcanego jest m.in. możliwość otwarcia go, aby oczyścić płyty.
• Wymienniki płytowe lutowane zbudowane są z płyt łączonych lutem (najczęściej miedzianym, a w przypadku rozwiązań, w których stosowanie miedzi jest wykluczone ze względu na korozyjność medium lub rozwiązania technologiczne – ze stali kwasoodpornej dla płyt z tego samego materiału).
  Płyty są połączone na stałe na obrzeżach i w punktach styku na całej swojej powierzchni.
  Wymienniki takie mogą występować jako jedno- i dwustopniowe – te ostatnie stosowane są np. w instalacjach przygotowania c.w.u.
  Wymiennik lutowany jest bardziej hermetyczny (odporny na rozszczelnienia, ciśnienie i temperaturę) i mniejszy niż jego skręcany odpowiednik. Brak uszczelek zmniejsza wymagania konserwacyjne. Wymiennika nie można jednak otworzyć do czyszczenia – musi być wyposażony w przyłącze do płukania roztworem środka czyszczącego.

Wykonanie materiałowe a eksploatacja

Płytowe wymienniki ciepła wykonuje się przede wszystkim ze stali nierdzewnej (AISI 304, 316, 317 etc.), ale dostępne są także rozwiązania ze stali kwasoodpornej oraz tytanu, niklu czy stopów niklowo-żelazowo-chromowych z dodatkami.

Niektóre instalacje (np. na agresywne czynniki chłodnicze, jak amoniak, lub zasilane wodą o zmiennym składzie chemicznym) wykluczają zastosowanie wymienników lutowanych miedzią.

Przykładem rozwiązania, które sprosta tym zadaniom, jest wymiennik AlfaNova wykonany w 100% ze stali kwasoodpornej. Tworzą go płyty ze stali kwasoodpornej, połączone wzdłuż krawędzi i w punktach styku w technologii dyfuzyjnego łączenia płyt i umieszczone między płytami czołową i tylną. Zwiększa to efektywność i równomierność wymiany ciepła oraz poprawia odporność mechaniczną (w każdym miejscu zgrzewu).

Wymienniki te mogą być stosowane w szerokim zakresie temperatury (od –196 do 550°C) w instalacjach, gdzie nie można stosować miedzi, np. w układach chłodniczych z amoniakiem czy dwutlenkiem węgla (skraplacz w układach pod- i nadkrytycznych) oraz do chłodzenia sprężarek.

Profilowanie (wytłaczanie) istotne dla parametrów pracy

Dla prawidłowej pracy wymienników płytowych istotne jest profilowanie (wytłaczanie) powierzchni płyty. Dzięki temu zwiększona jest powierzchnia wymiany ciepła, a tym samym jej intensywnoś?. Wytłoczenia wpływają też na osiąganie warunków przepływu turbulentnego, przy zachowaniu dość niskich prędkości przepływu, oraz na opory przepływu.

Każde zastosowanie ma swoje optymalne wytłoczenie. Przykładowo do systemów chłodniczych bardziej nadają się płyty, na których linie wyżłobień tworzą kąty rozwarta, a do grzewczych – te z kątami ostrymi.

Przykładem dopasowania profilowania do konkretnego przeznaczenia jest opatentowany sposób wytłaczania płyt Ultraflex. Wzór na płytach naśladuje kształt układu ostnego śledzia, w dwóch wykonaniach – z kątami ostrymi (małe opory przepływu) i rozwartymi (wysoka odporność). Zestawienia tych płyt (jest sześć możliwych par) pozwalają na dopasowanie charakterystyki wymiennika do konkretnego zastosowania. Asymetryczny układ kanałów znajduje zastosowanie także dla różnych wydatków w obiegu pierwotnym i wtórnym.

Istotne przy eksploatacji

We właściwie dobranym wymienniku turbulentny przepływ do pewnego stopnia zapobiega osadzaniu zabrudzeń na powierzchni wymiany ciepła (odrywanie pojedynczych cząstek osadów od płyt przez przepływający płyn). Efekt ten poprawia dodatkowo elektrolityczne wypolerowanie płyt. Strona wlotu do wymiennika powinna być zabezpieczona filtrem siatkowym przed większymi osadami (np. po stronie wody pitnej oczko siatki to 0,5 mm, w przypadku glikolu 1,0 mm).

W niektórych instalacjach skład i warunki przepływu medium sprawiają jednak, że warstwa osadu tworzy się łatwiej i samooczyszczanie płyt nie wystarcza.

Bardzo wyraźnym (i ważnym dla praktyki) sygnałem o nadmiernym zabrudzeniu płyt wymiennika jest spadek efektywności wymiany ciepła. Konieczne jest wówczas oczyszczenie wymiennika – poprzez specjalne przyłącza wprowadza się łagodny roztwór środka chemicznego, który dzięki cyrkulacji oczyszcza powierzchnie płyt.

Wymiennik z certyfikatem

W zastosowaniach, w których szczególnie ważna jest pewność i powtarzalność własności wymiennika ciepła (np. centra danych czy obiekty użyteczności publicznej), inwestor może się zdecydować na wybór wymiennika z zewnętrznym certyfikatem potwierdzającym jego zadeklarowane parametry.

Powszechnie uznawany certyfikat – AHRI 400 – wydaje niezależna organizacja Air Conditioning, Heating and Refrigeration Institute, weryfikując wydajność cieplną wymiennika. Jest to gwarancja dla wszystkich uczestników procesu inwestycyjnego, że wymiennik będzie miał parametry zgodne z deklarowanymi przez producenta. Certyfikat eliminuje konieczność przeprowadzania dodatkowych testów potwierdzających rzeczywiste parametry urządzeń.

Wymienniki z certyfikatem AHRI 400 spełniają standardy LEED dla układów ogrzewania i chłodzenia i mogą być stosowane w budynkach poddawanych wielokryterialnej certyfikacji LEED.

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