Wymienniki ciepła – tłoczenia i materiały

Materiały na płyty

Zastosowanie wymiennika determinuje m.in. materiał, z którego wykonane jest serce urządzenia, tj. pakiet odpowiednio ukształtowanych i profilowanych płyt o grubości od 0,4 do 1,0 mm. O wyborze materiału decydują temperatura i ciśnienie procesu wymiany ciepła oraz skład chemiczny przepływającego medium.

Standardowe płyty wykonuje się ze stali nierdzewnej (AISI 304, 316, 317 etc.) lub aluminium. Producenci oferują także rozwiązania ze stali kwasoodpornej, tytanu, tantalu, niklu i jego stopów (np. monel – z miedzią, żelazem i manganem; hastelloy – z chromem i molibdenem oraz dodatkami) czy materiału incoloy (stop żelaza z niklem i chromem oraz dodatkami). Ciekawym rozwiązaniem są materiały na bazie grafitu – takie płyty przeznaczone są do procesów z płynami agresywnymi (np. kwas solny, siarkowy czy fluorowy, elektrolity stosowane w górnictwie, węglowodory chlorowane itp.). Z kolei do instalacji basenowych (woda zawierająca związki chloru i fluoru oraz sole) stosuje się wymienniki skręcane z płyt tytanowych. Takie rozwiązanie ma w ofercie m.in. firma Secespol. 

Do uszczelniania wymienników z zastosowaniem płyt stosuje się uszczelki teflonowe. Inną propozycją są wymienniki lutowane ze stali kwasoodpornej przeznaczone głównie do instalacji, w których nie można używać lutu miedzianego (np. instalacje chłodnicze na amoniak lub CO₂).

Wielka rola „małych” przetłoczeń

Głównym parametrem pracy wymiennika są jego własności cieplne, a przede wszystkim efektywność wymiany ciepła. Producenci dążą do jej poprawienia poprzez odpowiednie profilowanie (wytłaczanie, przetłaczanie) powierzchni płyty. 

Odpowiednia geometria i głębokość przetłoczeń przyczyniają się do zwiększenia powierzchni wymiany ciepła (powierzchni aktywnej) przy jednoczesnym zmniejszeniu wielkości całego wymiennika. Przetłoczenia decydują też o własnościach hydraulicznych płyt, m.in. warunkach (turbulizacji) i oporach przepływu. Najczęściej spotykane przetłoczenia to tzw. jodełka, dla której występują dwa główne rodzaje płyt:

• H (High-theta, high-NTU) o kącie ostrym (wyższa wartość współczynnika przenikania ciepła i jednocześnie wyższe opory przepływu);
• L (Low-theta, low-NTU) o kącie rozwartym (niższe opory przepływu i jednocześnie niższa wartość współczynnika przenikania ciepła).

Zestawienie tych rodzajów płyt pokazuje, że głównym kierunkiem poszukiwań producentów wymienników ciepła jest znalezienie takiego przetłoczenia, które nie tylko zwiększy powierzchnię aktywną, ale też przy jak najniższych oporach przepływu (a zatem małej prędkości czynnika) zapewni wysoki współczynnik przenikania ciepła. Efektem takiego podejścia jest tworzenie przez producentów autorskich rozwiązań – np. Danfoss w wymiennikach z mikropłytami zastosował małe przetłoczenia punktowe, Secespol wprowadził system mikrokanałów (powierzchnia czynna większa o 15% niż w przypadku płyt standardowych), natomiast Alfa Laval w niedawno opatentowanym rozwiązaniu płyty FlexFlow™ proponuje autorski asymetryczny wzór, dzięki któremu poprawione są zarówno parametry cieplne, jak i hydrauliczne.

Wydajność i łatwość utrzymania w czystości

Kształt przetłoczeń decyduje nie tylko o wymianie ciepła i oporach przepływu, ale także o sposobie wzajemnego ułożenia płyt. Jest to o tyle istotne, że jednoznacznie wpływa na wydajność wymiennika i sprawność wymiany ciepła, np. poprzez obniżanie potrzebnej ilości czynnika w układzie, zmniejszenie mocy pompy obiegowej czy osiąganie warunków przepływu turbulentnego (ruch wirowy przy powierzchni płyty), zapewniającego mieszanie czynnika i szybkie wyrównanie temperatury. W przypadku popularnych płyt „w jodełkę” (H i L) można uzyskać sześć wariantów wymiany ciepła. Przykładowo w nowym rozwiązaniu FlexFlow™ dla wymiennika T10 z dwóch płyt można ułożyć aż 10 wariantów – jest to możliwie dzięki asymetrycznemu kształtowi przetłoczeń.

Idealna płyta wymiennika ciepła powinna mieć jeszcze jedną cechę – zapewniać łatwe utrzymanie w czystości, czyli przede wszystkim eliminować osadzanie się zanieczyszczeń. Wpływa na to nie tylko kształt przetłoczeń na powierzchni wymiany ciepła, ale też ukształtowanie powierzchni dystrybucyjnej – części płyty odpowiedzialnej za przepływ czynnika. Przykładowo firma Alfa Laval proponuje rozwiązanie CurveFlow™ – część dystrybucyjna płyty jest ukształtowana tak, by eliminować martwe strefy i zoptymalizować przepływ dla lepszego wykorzystania całej powierzchni płyty.

Warto też wspomnieć o jakości samej płyty jako wyrobu – nawet duże płyty powinny być tłoczone jednoetapowo (przez odpowiednio dużą prasę). Dzięki temu grubość płyty jest równomierna, unika się też stref materiału niewytłoczonego, który cechuje się większą podatnością na zmęczenie, co grozi pęknięciami. Stosowanie przez producenta większej prasy oznacza wyższe koszty i przyczynia się do wzrostu ceny samej płyty, ale jednocześnie poprawia jej trwałość i zmniejsza ryzyko przestojów związanych z koniecznością wymiany płyty pękniętej.

Skuteczność połączenia dla prawidłowej pracy wymiennika

Pakiety płyt łączy się przez lutowanie lub skręcanie. Wymienniki lutowane są mniejsze i bardziej hermetyczne, nie wymagają też uszczelek stawiających przed urządzeniem konkretne ograniczenia. Wymienniki skręcane łatwiej konserwować, ponieważ mogą być otwierane do czyszczenia.

Wymienniki lutowane łączone są miedzią, niklem lub stalą kwasoodporną. Jakość i wytrzymałość połączeń to główne obszary działań producentów rozwijających swoje wyroby. Możliwym kierunkiem jest przede wszystkim zwiększanie powierzchni i liczby punktów zgrzewu płyt, co bezpośrednio przekłada się na szczelność i wytrzymałość wymiennika. Jednym z rozwiązań dodatkowo zabezpieczających duże wymienniki jest dodatkowa komora chroniąca punkty styku przejmujące siły działające w okolicach króćca (patent firmy Kelvion).

W przypadku wymienników skręcanych istotne jest odpowiednie wypozycjonowanie łączonych płyt z zastosowaniem kilkupunktowych systemów ich łączenia (np. Alfa Laval stosuje rozwiązanie o nazwie SteerLock™) oraz wykorzystanie ram, które pozwalają na montaż możliwie dużego pakietu płyt przy mniejszych wymaganiach względem powierzchni serwisowej. Niezwykle istotne dla prawidłowej i niezawodnej pracy wymiennika są uszczelki. Liczy się ich wykonanie materiałowe i techniczne – ważne, by były wykonane z jednego kawałka materiału i zachowywały swoje parametry geometryczne, np. nie podwijały się po osadzeniu w gnieździe (rowku) płyty. Ważne jest też profilowanie rowka pod uszczelkę i jej dopasowanie, w czym pomagają techniki mocowania. Uszczelkę można przykleić, ale to utrudnia jej wymianę, dlatego producenci preferują mocowania mechaniczne: klipsy (CLIP-ON), zaciski wciskane w otwór w płycie (SNAP-ON), wypustki w rowku pod uszczelkę (SNAP-IN), współpracę elementów uszczelki z profilem płyty (SPLIT-IN) czy własne patenty konstrukcji uszczelnienia. 

Ciekawym rozwiązaniem dotyczącym uszczelek jest przesuwanie rowka pod uszczelkę jak najbliżej krawędzi płyty. Dzięki temu rowek wraz z uszczelką nie zabiera cennej powierzchni płyty mogącej być powierzchnią aktywnej wymiany ciepła. Materiał uszczelki musi być dobrany do zastosowania wymiennika (tabela).

Literatura

1. Mota F., Carvalho E.P., Ravagnani M., Modeling and Design of Plate Heat Exchanger, in: „Heat Transfer Studies and Applications”, Salim Newaz Kazi (ed.), InTech, 2015, p. 167–199.
2. Materiały firm: Alfa Laval, Bühler Technologies, Danfoss, Kelvion, Linoszczel, Secespol, Spetex, SPX, Tranter.