Płytowe wymienniki ciepła są jednym z podstawowych elementów instalacji HVAC, ale również przemysłowych, wykorzystywanych w procesach wymiany ciepła pomiędzy różnymi mediami. Ze względu na specjalistyczne zastosowania, często noszą branżowe nazwy, jak np. chłodnica, skraplacz, parownik, pasteryzator czy sterylizator. Jednak niezależnie od zastosowania, ich poprawna praca zależy od prawidłowej eksploatacji oraz okresowej konserwacji. 

Płytowe wymienniki ciepła: skręcane i lutowane

Płytowe wymienniki ciepła to urządzenia, których główną funkcją jest bezkontaktowa wymiana energii cieplnej pomiędzy dwoma (lub więcej) niezależnymi mediami. Przepływające substancje różnią się przede wszystkim temperaturą i ciśnieniem, mogą mieć ciekły bądź gazowy stan skupienia. Wymienniki tego typu składają się z pakietu stalowych płyt formujących kanały przepływowe, którymi przemieszczają się media wymieniając ciepło między sobą. Powierzchnia płyty stanowi powierzchnię wymiany ciepła, a zarazem jest jedyną barierą oddzielającą przepływające media.

Ze względu na konstrukcję, wymienniki płytowe dzielimy na rozbieralne i nierozbieralne:

• wymienniki rozbieralne to urządzenia skręcane za pomocą śrub ściskających oraz wyposażone w uszczelki (rys. 1.); 
• wymienniki nierozbieralne to bezuszczelkowe wymienniki lutowane (rzadziej spawane), w których płyty najczęściej połączone są w pakiet na stałe metodą twardego lutowania próżniowego (rys. 2.).

Rys. 1. Budowa płytowego, skręcanego wymiennika ciepła [1]

Rys. 2. Lutowany wymiennik ciepła 

Jak już wspomniano, „sercem" każdego płytowego wymiennika jest pakiet cienkich płyt wykonywanych najczęściej ze stali kwasoodpornej (stosowane są materiały takie jak: AISI 304, AISI 316L, AISI 904L, 254 SMO czy tytan). Płyty są odpowiednio wyprofi lowane i posiadają narożne otwory umożliwiające przepływ. Wymienniki skręcane wyposażone są ponadto w uszczelki, które zapewniają szczelność danego kanału, a zarazem odpowiednio ukierunkowują przepływ danego medium. W wymiennikach lutowanych rolę tę pełni lut łączący płyty. W ten sposób w wymienniku tworzą się oddzielne drogi, dzięki czemu przepływające media, pomiędzy którymi zachodzi wymiana ciepła, nie mieszają się ze sobą.

Liczba płyt w wymienniku defi niowana jest przez różny charakter aplikacji, czyli: 

• założone parametry procesu;
• program temperaturowy;
• natężenie przepływów; 
• właściwości fizyczne cieczy;
• spadki ciśnienia.

Na schemacie (rys. 3.) przedstawiono podstawowy kierunek przepływu dwóch mediów w wymienniku (kolory strzałek symbolizują różnice temperatur).

Rys. 3. Przepływ dwóch mediów w wymienniku

Pofałdowany profil płyty przyczynia się do zwiększenia turbulencji przepływu, co z kolei przekłada się na lepszy transfer energii cieplnej, oraz chroni płyty przed różnicami ciśnienia w sąsiednich kanałach. Ciepło z łatwością przenika przez cienką ściankę płyty z jednego medium do drugiego. Jednakże przewodność energii cieplnej pomiędzy ośrodkami o różnych temperaturach może zostać mocno ograniczona przez wszelkiego rodzaju zanieczyszczenia osadzane na powierzchniach płyt przez przepływające media (np. kamień wodny) – dlatego też bardzo ważne jest regularne czyszczenie wymiennika.

Do głównych zalet konstrukcji wymiennika skręcanego, w stosunku do wymiennika lutowanego, zaliczyć można łatwość czyszczenia i inspekcji – wymiennik skręcany można po prostu rozkręcić i zajrzeć do jego środka. Z tego powodu wymienniki te stosowane są często w systemach chłodniczych, gdzie woda chłodząca wytrąca kamień, czy też w przemyśle mleczarskim i browarach, gdzie w wymienniku odkładają się zanieczyszczenia biologiczne. Inną zaletą jest możliwość dostosowania wymiennika do zmian parametrów procesu technologicznego poprzez zmianę jego rozmiarów – w wymienniku można dodawać lub usuwać kolejne płyty. Z kolei wymienniki lutowane zajmują mniej miejsca i nie posiadają uszczelek, co wpływa na niższe koszty eksploatacji.

Rys. 4. Przykładowy profi l płyty oraz wizualizacja transferu ciepła

Płytowe wymienniki ciepła znajdują zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu. Najważniejsze z nich to: 

• przemysł spożywczy, gdzie służą przy przetwarzaniu płynnych artykułów spożywczych, takich jak np. soki, dżemy, piwo czy oleje, oraz pracują jako podgrzewacze, oziębiacze, pasteryzatory czy sterylizatory przy przetwórstwie mleka (jogurtów, kefirów czy serów); 
• cukrownictwo, gdzie pomagają odzyskiwać ciepło z procesów cukrowniczych;
• przemysł farmaceutyczny, w którym są szeroko stosowane, dzięki możliwościom łatwego mycia;
• przemysł chemiczny, ze względu na wymagania szczelności w procesie wymiany ciepła, przekładającej się na bezpieczeństwo produkcji;
• przemysł petrochemiczny, gdzie wspomagają m.in. procesy przerobu ropy naftowej;
• elektrownie atomowe, w których pracują w obiegu wtórnym układów chłodzenia; 
• przemysł morski, gdzie pracują w systemach chłodzących elementów napędowych statków; 
• ciepłownie i elektrociepłownie, gdzie ważnym parametrem ich doboru musi być odpowiedni materiał uszczelek ze względu na pracę z wysokimi temperaturami.

Prócz zastosowań w przemyśle, płytowe wymienniki ciepła stosowane są także w budownictwie, w chłodnictwie, ciepłownictwie, klimatyzacji czy systemach centralnego ogrzewania budynków mieszkalnych. Ze względu na specjalistyczne zastosowania wymienniki, często noszą branżowe nazwy, jak np. chłodnica, skraplacz, parownik, pasteryzator czy sterylizator.

Uszczelki w wymiennikach skręcanych

Uszczelki do płytowych skręcanych wymienników ciepła wykonywane są z wielu różnych materiałów – w zależności od właściwości przepływającego medium i charakterystyki procesu technologicznego. Najważniejszymi parametrami są: rodzaj medium, jego skład chemiczny, temperatura i ciśnienie. W tabeli 1. przedstawiono zestawienie najczęściej występujących materiałów, w zależności od zastosowania.

Tabela.1. Materiały uszczelek i ich właściwości (podane zakresy dopuszczalnych temperatur mogą się nieznacznie różnić w zależności od producenta uszczelek)

Typy uszczelek stosowanych wymiennikach

W płytowych wymiennikach ciepła uszczelki umieszczane są w specjalnie wyprofi lowanych gniazdach w płytach. Montaż następuje w wyniku oddziaływania mechanicznego lub z użyciem odpowiedniego kleju.

Wyróżnić możemy kilka typów połączeń uszczelek z płytami: 

• Uszczelki mocowane za pomocą kleju GLUE TYPE (rys. 5.). W gnieździe uszczelki nanoszona jest niewielka ilość odpowiedniego kleju, po czym instalowana jest uszczelka. Ten typ montażu wymaga dużych nakładów pracy, gdy zajdzie potrzeba wymiany uszczelek. Stare uszczelki muszą zostać zerwane z płyt, z gniazd należy usunąć pozostałą warstwę kleju (najczęściej wymaga to odpowiedniego rozpuszczalnika), a przed aplikacją nowej uszczelki należy ponownie nanieść warstwę kleju.
• Uszczelki mocowane za pomocą dodatkowego klipsa CLIP TYPE / CLIP-ON (rys. 6.). W tym przypadku nie jest wykorzystywany klej. Uszczelki wyposażone są w dodatkowe klipsy, które nie pełnią roli uszczelniającej, a ułatwiają montaż uszczelki w płycie. Kształt klipsa odpowiada wyprofi lowaniu bocznemu płyty, co pozwala zapiąć klips „na zakładkę" na boku płyty i dzięki temu ustabilizować uszczelkę w gnieździe. Ten typ mocowania pozwala na sprawną wymianę uszczelek w wymienniku. 
• Uszczelki mocowane za pomocą dodatkowego zatrzasku STUD TYPE / SNAP-ON (rys. 7.). Podobnie jak powyżej, także i tutaj nie ma potrzeby stosowania kleju. Uszczelka po umieszczeniu w gnieździe, stabilizowana jest za pomocą zatrzasku wciskanego w specjalny otwór w płycie. Ten typ mocowania pozwala na sprawną wymianę uszczelek w wymienniku.
• Uszczelki mocowane poprzez wciśnięcie w gniazdo SNAPIN / LOC-IN (rys. 8.). Uszczelki typu LOC-IN również nie wymagają stosowania kleju. Gniazdo w płycie ma odpowiednio ukształtowany profi l, któremu odpowiada kształt profi lu uszczelki. Dzięki wypustkom w gnieździe, uszczelka utrzymywana jest na swoim miejscu. Ten typ mocowania pozwala na jej sprawną wymianę. 
• Uszczelki typu SPLIT-IN (rys. 9.,10.).Są to uszczelki bezklejowe, montowane dzięki dodatkowym elementom, które współpracują z profi lem płyty.

Rys. 5. Uszczelka mocowana za pomocą kleju GLUE TYPE

Rys. 6. Klips CLIP TYPE / CLIP-ON, mocujący uszczelkę do płyty

Rys. 7. Połączenie uszczelki z płytą za pomocą dodatkowego zatrzasku STUD TYPE / SNAP-ON

Rys. 8. Uszczelka zamocowana poprzez wciśnięcie w gniazdo SNAP-IN / LOC-IN

Rys. 9, 10. Elementy typu SPLIT-IN do mocowania uszczelki z płytą

Serwis wymienników

(...)

Czyszczenie

(...)

Wymiana uszczelek

(...)

Wymiana płyt

(...)

Badania szczelności wewnętrznej

Jak już wspomniano, uszkodzenia płyt mogą prowadzić do mieszania się przepływających mediów, co stanowi zagrożenie dla produktu i procesu produkcyjnego. W przypadku wycieku zewnętrznego najczęściej media wydostają się z wymiennika pod dużym ciśnieniem, więc łatwo jest je zauważyć i szybko podjąć odpowiednie działania. Sprawa komplikuje się w przypadku nieszczelności wewnętrznej, ponieważ jak sama nazwa wskazuje, występuje we wnętrzu wymiennika i nie widać jej z zewnątrz. Aby mieć stałą kontrolę nad stanem wewnętrznym wymiennika, stosuje się badania szczelności wewnętrznej. Podstawowym badaniem sprawdzającym szczelność płytowego wymiennika ciepła jest wodna próba ciśnieniowa. Jest to metoda prosta, aczkolwiek bardzo „zgrubna", jeżeli chodzi o dokładność pomiaru. Dokładne zbadanie wymiennika umożliwia test szczelności za pomocą gazu, a dokładniej diagnostyczne badanie szczelności metodą wodorową (próba wodorowa).

Rys. 26. Badanie polega na wprowadzeniu do jednej strony wymiennika mieszaniny wodoru z azotem i ewentualnej detekcji wodoru po drugiej stronie. W przypadku uszkodzenia płyty wodór przedostanie się na drugą stronę wymiennika, a jego ilość będzie świadczyć o rozmiarze i charakterze defektu. Po prawej stronie widoczne jest wykorzystywane do testów urządzenie

Metoda wodorowa reprezentuje najnowocześniejszą technologię w dziedzinie kontroli szczelności wymienników (i nie tylko). Jest najmniej inwazyjna i nie wymaga demontażu urządzenia. Gazem znakującym (testowym) jest wodór, natomiast azot tworzy atmosferę ochronną. Stosowana mieszanka jest obojętna chemicznie oraz sterylna – posiada także dopuszczenie do kontaktu z żywnością. Próba wodorowa umożliwia wykrycie uszkodzeń płyty o wielkości kilku mikrometrów. Dzięki właściwościom atomu wodoru, możliwa jest także detekcja uszkodzenia we wczesnym stadium, które jeszcze nie jest utworzone przez całą grubość materiału płyty. Dzięki temu, metoda ta stosowana jest z powodzeniem w prewencyjnych badaniach wymienników. Wykrycie uszkodzenia we wczesnym stadium umożliwia zabezpieczenie niezbędnych części na wymianę oraz zaplanowanie postoju serwisowego.

mgr inż. Bartosz HUTKOWSKI
– Doradca techniczny
w zakresie części i serwisu
HALLSTER Sp. z o.o.

LITERATURA:

[1] Materiały informacyjne firmy Alfa Laval

[2] Materiały informacyjne firmy SECESPOL