Prawodawstwo europejskie oraz kryzys ekonomiczny wymuszają wdrażanie energooszczędnych rozwiązań w wielu sektorach polskiej gospodarki. Jednym z głównych konsumentów energii są systemy grzewcze i chłodnicze stosowane w budownictwie cywilnym i przemysłowym, dlatego dąży się do ich zastąpienia nowymi rozwiązaniami opartymi na energii odnawialnej.

Szacuje się, że w konwencjonalnych systemach klimatyzacyjnych (wyposażonych w agregaty sprężarkowe) koszt schłodzenia jest 2,5÷3 razy większy niż koszt ogrzewania powietrza, w odniesieniu do 1 kWh zużytej energii [1]. Systemy chłodnicze są zatem najdroższym eksploatacyjnie elementem wyposażenia budynków. Kluczowym elementem systemów grzewczych i chłodniczych są wymienniki ciepła, ponieważ umożliwiają ich efektywne funkcjonowanie (rys. 1.). Dobór odpowiedniego wymiennika ciepła ma często bardzo istotne znaczenie, stanowiące o większej bądź mniejszej energochłonności konkretnego rozwiązania projektowanego systemu.

Definicyjnie, wymiennik ciepła jest urządzeniem służącym do wymiany energii cieplnej pomiędzy dwoma jej nośnikami, tj. substancjami będącymi w stanie ciekłym lub gazowym. Wymienniki ciepła mogą mieć różną konstrukcję, lecz zwykle składają się z płyt lub rur wykonanych z tworzywa będącego dobrym przewodnikiem ciepła. W celu powiększenia powierzchni wymiany ciepła, wymiennik może być wyposażony w ożebrowanie.

Rys. 1. Różne wymienniki ciepła [2]: a) wodny wymiennik płaszczowo-rurowy; b) wodny wymiennik płytowy; c) krzyżowy wymiennik płytowy do odzysku ciepła; d) spiralny wymiennik do odzysku ciepła; e) nagrzewnica wodna (wymiennik lamelowy woda-gaz); f) chłodnica freonowa (wymiennik lamelowy gaz-gaz)

Podział wymienników ciepła [2]:

• ze względu na budowę:
  • „rura w rurze”,
  • płaszczowo-rurowe,
  • „rura Fielda”,
  • płytowe,
  • spiralne,
  • lamelowe,
  • pojemnościowe,
  • inne;
• ze względu na rodzaj czynnika:
  • ciecz-ciecz,
  • ciecz-gaz,
  • ciecz-ciało stałe,
  • gaz-gaz,
  • inne;
• ze względu na organizację przepływu:
  • współprądowe,
  • przeciwprądowe,
  • krzyżowe,
  • inne.

Istotną grupą z wymienionych urządzeń, znajdującą szereg zastosowań w instalacjach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych, są wymienniki płytowe i płaszczowo-rurowe (rys. 1a i b), które zostaną scharakteryzowane w niniejszym artykule.

Wymienniki płytowe – charakterystyka

Wymienniki płytowe wodne

Wymienniki płytowe składają się z wielu cienkich metalowych płyt połączonych razem za pomocą ramy ściągającej lub lutowania (rys. 2.). Wewnętrzna konfiguracja kanałów wymiennika powoduje, że po jednej stronie płyty płynie gorący płyn, zaś z drugiej – płyn zimny. Podstawowym rodzajem przepływu, w zastosowaniach ciepłowniczych i chłodzenia, dla osiągnięcia wysokich wartości współczynników wymiany ciepła, jest przepływ równoległy, przeciwprądowy. Każda płyta wymiennika ma specjalne wytłoczenia, które zwiększają turbulencje obu płynów, co podwyższa wartość współczynników przenikania ciepła. Wymienniki płytowe mogą być wykonywane jako skręcane (rys. 2a i b) i lutowane (rys. 2c i d).

Rys. 2. Wymienniki płytowe- budowa [2]: a) wymiennik skręcany – schemat; b) wymiennik skręcany – wizualizacja; c) wymiennik lutowany – schemat; d) wymiennik lutowany – wizualizacja

Budowa wymiennika skręcanego (rys. 2a): rama wymiennika ciepła jest zbudowana z płyty czołowej (1), skręconej z belką górną (2), belką dolną (6) i kolumną (4) oraz płyty dociskowej (3). Pomiędzy płytą czołową i dociskową umieszcza się określoną liczbę płyt (5) z uszczelkami. Pakiet płyt ściśnięty jest przy pomocy śrub (7). Dzięki temu możliwe jest szybkie wymontowanie dowolnej płyty, jej kontrola i czyszczenie lub wymiana. W przypadku wymienników lutowanych (rys. 2c i d) płyty są połączone lutem, zazwyczaj miedzianym [3].

Twarde lutowanie płyt eliminuje z konstrukcji wymiennika uszczelki, płytę czołową oraz dociskową. W procesie lutowania następuje trwałe połączenie płyt na obrzeżach, jak również w punktach kontaktu płyt na całej ich powierzchni. W ten sposób pomiędzy płytami tworzą się przestrzenie, którymi przepływa ciecz w sposób zapewniający efektywną wymianę ciepła oraz odporność na zmęczenie ciśnieniowe. Wymienniki lutowane nie mają żadnych części zamiennych – są jednostkami kompletnymi, które nie podlegają naprawie [3].

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 [3]. Tak wysokie wartości uzyskiwane są przy stosunkowo małych oporach przepływu, a wysoka turbulencja przepływu zapobiega w pewnym stopniu powstawaniu osadów w wymienniku [3]. Rodzina wymienników płytowych obejmuje szeroki zakres urządzeń, zarówno pod względem wielkości jak i wydajności. Producenci oferują urządzenia o wydajności od kliku kilowatów do kilkudziesięciu megawatów. Zakres temperatury roboczej wynosi od około kilkudziesięciu stopni poniżej zera do kilkuset stopni Celsjusza. Wymienniki mogą pracować w różnorodnych warunkach pracy, dzięki zastosowaniu płyt o różnej matrycy i głębokości tłoczenia, a także szerokiej gamie możliwych połączeń. Wymienniki są produkowane jako jednostki jedno-, dwu- lub wieloprzepływowe (rys. 3a-c).

Rys. 3. Układ przepływu w wymiennikach płytowych [2]: a) wymiennik jednoprzepływowy; b) wymiennik dwuprzepływowy; c) wymiennik dwustopniowy na cele c.w.u.

Płytowe lutowane wymienniki ciepła są powszechnie używane we wszystkich tych aplikacjach ciepłowniczych i chłodzenia, gdzie wymagany jest komfort, niezawodność i bezpieczeństwo. Ich stosowanie wiąże się z utrzymaniem komfortu cieplnego w pomieszczeniach mieszkalnych i budynkach użyteczności publicznej. Wymienniki te są również stosowane do przygotowania ciepłej wody użytkowej, wody basenowej, oddzielania układów zamkniętych od otwartych (kominki, piece), ogrzewania pomieszczeń szklarni itp.

Na żywotność płytowego wymiennika ciepła wpływa wiele czynników, m.in. wahania ciśnienia i temperatury. Ekstremalne obciążenia urządzenia (maksymalne ciśnienia, szybkie zmiany temperatury) mogą prowadzić do pęknięć zmęczeniowych i w konsekwencji do przecieku wymiennika. 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 [3]. W przypadku wymienników lutowanych producenci podają odpowiednie wytyczne odnośnie wody przepływającej przez urządzenie – z uwagi na lut miedziany. 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 [3].

Wymienniki płytowe powietrzne

(...)

Wymienniki płaszczowo-rurowe – charakterystyka

(...)

Wymienniki płytowe i płaszczowo rurowe – porównanie

(...)

Rys. 8. Zastosowanie wymienników: a) wymienniki płaszczowo-rurowe z zestawem pompowym; b) przemysłowe wymienniki płaszczowo-rurowe; c) przemysłowe wymienniki płytowe

Podsumowanie

• Przedstawiono różne rodzaje wymienników ciepła stosowanych w systemach wentylacji i klimatyzacji.
• Scharakteryzowano wymienniki płytowe oraz płaszczowo rurowe:
  • Opisano najpopularniejsze rozwiązania konstrukcyjne.
  • Przedstawiono cechy charakterystyczne omawianych urządzeń.
  • Podano przykłady ich zastosowania.
• Na podstawie dostępnych analiz literaturowych porównano pracę wymienników płytowych i płaszczowo-rurowych, podano obszary ich racjonalnego zastosowania.

prof. dr hab. inż. Sergey ANISIMOV
mgr inż. Demis PANDELIDIS
Instytut Klimatyzacji i Ogrzewnictwa
Wydział Inżynierii Środowiska
Politechnika Wrocławska

LITERATURA

[1] KWIECIEŃ D.: Wykorzystanie niskotemperaturowej energii odpadowej. www.klimatyzacja.pl 2007.
[2] Dostępne katalogi i pomocnicze materiały projektowe producentów.
[3] JONIEC W.: Wymienniki płytowe. Rynek Instalacyjny. 3/2010.
[4] ANISIMOV S., PANDELIDIS D.: Odzysk ciepła w instalacjach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych cz. 1. Chłodnictwo & Klimatyzacja. 7/2013.
[5] PETYKIEWICZ K., CHWIAŁKOWSKI D.: Wymiana przez płaszcz czy płytę? Magazyn Instalatora. 11/2012.
[6] BROGAN R. J.: Shell and tube heat exchangers. http://www.thermopedia.com/
[7] MUKHERJEE R.: Eff ectively Design. Shell-and-Tube Heat Exchangers. Chemical Engineering Progress. 2/1998.

Więcej na ten temat przeczytają Państwo w Chłodnictwie i Klimatyzacji nr 04/2014