Efektywna wymiana ciepła i chłodu – wymienniki płytowe

Zwarta i hermetyczna budowa oraz wysoki stosunek powierzchni wymiany ciepła do objętości wymienników płytowych powodują, że są one powszechnie stosowane w ciepłownictwie i ogrzewnictwie, klimatyzacji i chłodnictwie oraz do odzyskiwania ciepła odpadowego.

Te z pozoru proste urządzenia muszą jednak podołać m.in. zmiennym temperaturom, wysokiemu ciśnieniu i szybkim przepływom różnych mediów. Wymaga to zastosowania najlepszych i najtrwalszych materiałów do budowy powierzchni wymiany i uszczelnień.

O ile dawniej wymienniki stosowane były w dużych obiektach i instalacjach, obecnie są niezbędne w każdym nowym mieszkaniu w węźle mieszkaniowym, a nawet w domach jednorodzinnych, gdyż coraz częściej stosuje się w nich rozwiązania hybrydowe – czyli różne źródła ciepła w jednej instalacji, np. kominek z płaszczem wodnym i kocioł gazowy.

Wymienniki płytowe składają się z wielu cienkich metalowych płyt połączonych razem 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. Odpowiednie ukształtowanie wytłoczeń w płytach pozwala rozwijać wysoką burzliwość strumienia cieczy przy relatywnie niskich prędkościach przepływu.

Media, takie jak woda lub czynniki chłodnicze czy wodne roztwory soli, osiągają współczynniki przenikania ciepła na poziomie znacznie wyższym niż w wymiennikach płaszczowo-rurowych. Wysokie wartości wymiany uzyskiwane są przy stosunkowo małych oporach przepływu, a turbulencja przepływu zapobiega w pewnym stopniu powstawaniu osadów w wymienniku.

Atutem wymienników płytowych jest też prostota wykonania ich elementów i 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 około kilkudziesięciu stopni poniżej zera do kilkuset stopni Celsjusza.

Konstrukcje: skręcane i lutowane

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, kwasoodpornej czy nawet z tytanu.

Wielkość i liczba płyt zależą od wydajności cieplnej wymiennika.

Płyty mają różne wytłoczenia, gdyż 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 kombinacji temperatury, otoczenia chemicznego i w miarę możliwości innym warunkom.

Stosuje się różne typy uszczelnień: uszczelki wciskane lub bezklejowe.

Cechą wymienników skręcanych jest to, że można je rozkręcić w celu czyszczenia lub wymiany płyt i uszczelek.

Wymienniki płytowe lutowane zbudowane są z płyt łączonych lutem.

Przeważnie jest to lut miedziany, stosowane są też luty płyt ze stali kwasoodpornej tym samym metalem. Umożliwia to stosowanie takich wymienników dla 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.

Kryteria wyboru

Wymienić można co najmniej kilkanaście kryteriów wyboru wymienników:

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

Rozwiązania stosowane w łączeniu płyt wymiennika można podzielić wg 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 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 ze stron 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.

Do doboru wymienników firmy oferują arkusze informacyjne z danymi technicznymi (m.in. min./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 i zainstalować na własnym komputerze.

Eksploatacja

Podczas eksploatacji najważniejszym zadaniem jest zapobieganie korozji. Nie jest to łatwe przy często różnych mediach lub ich parametrach po obu stronach wymiennika.

Producenci podają wymagania dotyczące jakości wody, zwłaszcza przepływającej przez wymienniki lutowane, z uwagi na lut miedziany.

Żeby ograniczyć ryzyko wystąpienia korozji miedzi, należy m.in. obniżyć zawartość tlenu w wodzie oraz używać wody o niskim pH i niskim stężeniu chlorków i siarczanów. Wraz ze wzrostem zawartości tlenu i twardości wody rośnie ryzyko powstania korozji w wymienniku.

Wymienniki nie lubią nagłych skoków ciśnienia i uderzeń hydraulicznych. Z tego powodu należy staranie prowadzić rozruch lub zatrzymanie systemu, tak aby nie uszkodzić wymiennika.

Kolejne zagrożenie to zablokowanie przepływu medium po stronie chłodniejszej, np. w wyniku awarii lub braku drożności w przewodach instalacji. Dla wymiennika groźny jest nie tylko przegrzew, ale i zamarznięcie medium.

Zjawisko odkładania się kamienia na powierzchni wymienników może spowodować spadek ich wydajności i być źródłem korozji, dlatego należy stale dbać o jakość medium i w razie potrzeby okresowo przeprowadzać czyszczenie lub odkamienienie. Podczas eksploatacji zdarzają się też zapowietrzenia wymiennika oraz instalacji.

Wymienniki należy czyścić wyłącznie według wytycznych producenta i zalecanymi przez niego preparatami. Wzrost oporów przepływu powinien być sygnałem do przeprowadzenia płukania. Nie należy odkładać tej czynności, gdyż znaczne zarośnięcie kanałów nie tylko spowoduje spadek wydajności wymiennika, ale przyspieszy korozję i może go wręcz uszkodzić.

Płukania wymiennika nie należy wykonywać jednocześnie z płukaniem instalacji, zwłaszcza starych c.o. i c.w.u., gdyż oderwany osad z przewodów zablokuje wymiennik. Przed płukaniem wymiennika należy sprawdzić, czy środek do płukania instalacji może być użyty także do płukania danego wymiennika lutowanego lub skręcanego.

Płukanie wymiennika należy prowadzić w kierunku przeciwnym do roboczego kierunku przepływu.

Po zakończeniu płukania wymiennik należy opłukać czystą wodą lub nawet środkami neutralizującymi kwaśny odczyn płynu.

Niektóre firmy oferują specjalny serwis do kontroli stanu i czyszczenia wymienników.

W wymiennikach skręcanych można wymontować płyty i oczyścić je lub wymienić. Podczas eksploatacji wymienników skręcanych należy unikać sytuacji przyspieszających zużycie się gumowych uszczelek wymiennika – mogą to powodować opary rozpuszczalników i kwasów oraz ozon.

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

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!