W artykułach omówione zostaną dwa rodzaje wymienników: pływowe i płaszczowo-rurowe?

Na rynku można spotkać wiele różnych konstrukcji wymienników ciepła. Ta olbrzymia różnorodność świadczy tylko o tym, że nie ma tak naprawdę wymiennika uniwersalnego. W niniejszym artykule skupię się tylko na dwóch rodzajach wymienników ciepła, najpowszechniej stosowanych w instalacjach ogrzewań wodnych budynków.

Wymienniki płytowe

Wymiennik ciepła jest urządzeniem, którego zadaniem jest przekazywanie ciepła pomiędzy jego dwoma nośnikami, tj. substancjami będącymi w stanie ciekłym lub gazowym. Zwykle składają się z dwóch przestrzeni rozdzielonych materiałem będącym dobrym przewodnikiem ciepła. Ten materiał to zazwyczaj pakiet metalowych płyt w wymienniku płytowym lub pęczek metalowych rur w wymienniku rurowym. Przyjrzyjmy się bliżej, czym charakteryzuje się jeden i drugi rodzaj wymiennika zdeterminowany specyfiką swojej budowy.

W płytowym wymienniku ciepła wymiana ciepła odbywa się między dwoma płynami przez ściankę specjalnie profilowanej płyty. Budowane są jako rozbieralne (skręcane) lub nierozbieralne, lutowane (Cu, Ni) albo spawane. Materiałem płyt może być stal nierdzewna, stal kwasoodporna, tytan, stopy tytanu i palladium, nikiel. Płyty zwykle mają wytłoczenia w kształcie litery V (tzw. jodełka). Płyty przylegające do siebie mają odwrócony wzór wytłoczeń, tworząc siatkę przecinających się kanałów, w których płynące płyny prowadzone są w przeciwprądzie. Specjalne profilowanie płyt grzewczych zapewnia przepływ o dużej turbulencji. Umożliwia to bardzo efektywną wymianę ciepła oraz zapobiega gromadzeniu się zanieczyszczeń wewnątrz wymiennika. Zmieniając ilość płyt, typ wytłoczeń na płytach oraz układ kanałów w wymienniku, można bardzo precyzyjnie dopasować urządzenie do indywidualnych potrzeb odbiorcy.

Kiedy i gdzie stosować wymienniki płytowe?

Ze względu na kształt prostopadłościennej bryły i małe gabaryty wynikające z większego współczynnika przenikania ciepła łatwiej wkomponować jest je w ograniczoną przestrzeń zabudowy, a szczególnie w taką o niskiej wysokości. Ich zaletą jest łatwy montaż i demontaż ze względu na położenie wszystkich króćców przyłączeniowych z jednej strony i w jednej płaszczyźnie. Wymienniki te łatwo czyści się chemicznie, a skręcane są również mechanicznie. Charakteryzują się wysoką odpornością na zmiany ciśnienia i temperatury dzięki dużej elastyczności jako konstrukcja cienkościenna. W wymiennikach płytowych istnieje możliwość szybkiego wykrycia wycieków.

W razie wycieku nie następuje mieszanie wymieniających ciepło płynów. Spełniają one najostrzejsze normy higieniczne. Wymienniki płytowe charakteryzują się właściwościami samoczyszczącymi wynikającymi z większej turbulizacji przepływu i braku stref martwych w przepływie. Łatwo i precyzyjnie można zmieniać powierzchnię wymiany ciepła przez dodanie lub odjęcie płyt. Dzięki małej pojemności cieplnej materiału wymiennika, małej grubości przegród duża jest dokładność w ustalaniu temperatur pracy. Wymienniki płytowe charakteryzują się dużą dynamiką pracy. Temperatura płynu ogrzewanego zmienia się niemal natychmiast ze zmianą przepływu lub temperatury płynu grzewczego. Dlatego wymienniki te świetnie sprawdzają się w przepływowych podgrzewaczach ciepłej wody użytkowej lub nowoczesnych pompowych instalacjach ogrzewania o małej pojemności.

A wymienniki rurowe lub płaszczowo-rurowe?

W wymienniku rurowym (np. rura w rurze) lub płaszczowo-rurowym (np. JAD) wymiana ciepła odbywa się między dwoma płynami przez ściankę, którą jest powierzchnia rury lub pęczku rurek wewnątrz płaszcza stanowiącego korpus wymiennika. Rurki wymiennika rurowego mogą być wykonane z miedzi, mosiądzu, stopów CuNi, stali nierdzewnej, kwasoodpornej, tytanu. To samo dotyczy płaszcza i głowicy. Króćce przyłączeniowe, znajdujące się po obu stronach głowicy, wykonywane są ze stali nierdzewnej, tytanu lub stali węglowej. Wymienniki rurowe budowane są jako jedno- lub wieloelementowe. Różnorodność typów pozwala na dobór wymienników w szerokim zakresie ciśnień, temperatur i przepływów.

Kiedy i gdzie stosować wymienniki rurowe?

Dzięki montażowi wymienników w pozycji pionowej wymienniki rurowe oszczędzają miejsce, pod warunkiem, że wysokość miejsca zabudowy będzie odpowiednia do doprowadzenia przewodów rurowych pod króćce wymiennika. Powierzchnię wymiany można zmieniać przez dobudowywanie kolejnych wymienników, ale nie tak łatwo i precyzyjnie jak w wymiennikach płytowych. Budowa modułowa wymusza stosowanie uszczelek na połączeniach modułów, które ulegają procesom degradacji i starzenia (najsłabszy element sytemu). Pojedyncze moduły są nierozbieralne, stąd można je czyścić tylko chemicznie. Wymienniki te dobrze znoszą duże różnice ciśnień po obu stronach przegrody. Wytrzymują uderzenia hydrauliczne. Charakteryzują się dużą logarytmiczną różnicą temperatur i różną drogą czynnika po obu stronach.

Świetnie nadają się do wymiany ciepła pomiędzy płynami o dużej różnicy pojemności cieplnej lub o dużej różnicy gęstości. Mogą być stosowane w instalacjach o dynamicznej charakterystyce pracy, lecz ze względu na większą pojemność w przestrzeni płaszcza i gradację o wielokrotność pojemności pojedynczego modułu zmiana temperatury wykazuje większą inercję niż w wymiennikach płytowych. Wymienniki rurowe są idealnym rozwiązaniem w systemach parowych. Dobrze sprawują się też w systemach, gdzie występuje zmiana stanu skupienia jednego z płynów (skraplacz, parownik), jak też kiedy występuje nieduża różnica temperatur pomiędzy płynami wymieniającymi ciepło (rura w rurze).

Duże przekroje kanałów (rurek) zapewniają wymiennikowi rurowemu odporność na zanieczyszczenia stałe unoszone w płynie. Jednak w przestrzeni płaszcza, ze względu na mniejszą prędkość przepływu, może następować naturalne wytrącanie i zaleganie zanieczyszczeń w dolnej części. W przypadku pęknięcia rurki w prosty sposób można ją zaślepić w dnach sitowych i awaryjnie eksploatować jeszcze wymiennik o nieco zmniejszonej powierzchni wymiany ciepła. Wymienniki rurowe, ze względu na łatwiejszą technologię wykonania, są atrakcyjniejsze cenowo.

Na zakończenie chcę zaznaczyć, że oba rodzaje wymienników, zarówno płytowe, jak i rurowe, stosowane są z powodzeniem w instalacjach centralnego ogrzewania, podgrzewu ciepłej wody użytkowej, w systemach ogrzewania słonecznego, geotermicznego, wymiany ciepła w procesach przemysłowych, jako skraplacze i parowniki w pompach ciepła i ochładzaczach cieczy, w przemysłowych instalacjach chłodzących (chłodnice olejowe) oraz chłodnictwie. Dlatego wybór konkretnego rodzaju wymiennika powinien być dobrze przemyślany i przeanalizowany pod kątem wykorzystania istotnych dla użytkownika cech wymienników.

Krzysztof Petykiewicz, Danfoss Poland Sp. z o.o.

Wymienniki płaszczowo-rurowe

Wymienniki płaszczowo-rurowe, dzięki możliwości wykorzystania różnych materiałów oraz konstrukcji, umożliwiają uzyskanie najbardziej optymalnych warunków wymiany ciepła, nawet w przypadku najtrudniejszych mediów i parametrów pracy.

Materiałem najczęściej stosowanym w budowie wymienników jest stal – począwszy od stali węglowej, przez stale nierdzewne i kwasoodporne o niskiej zawartości węgla (takie jak AISI 304L, 316L, 316Ti, 321L), aż po stopy typu Duplex czy Hastelloy. W niektórych wymiennikach stosowane są również rury tytanowe, ze stopów miedzi czy aluminium. Wymienniki rurowe umożliwiają tym samym lepsze od wymienników płytowych dopasowanie materiału pod konkretne warunki pracy, medium czy parametry pracy, jak i znalezienie „złotego środka” między ceną a wytrzymałością temperaturową czy erozyjną.

Łączenie poszczególnych elementów wymiennika odbywa się za pomocą spawania, a nie lutowania, co przy odpowiedniej technologii znacznie zwiększa wytrzymałość na wysokie ciśnienia i temperatury. Możliwe jest także wykonanie wymiennika z wyjmowaną wężownicą (np. w celu ułatwienia czyszczenia okresowego) oraz zastosowanie otworów rewizyjno-serwisowych w postaci zaślepek i włazów. Elementy demontowane skręcane są najczęściej za pomocą złącz kołnierzowych.

Najbardziej popularne

Najbardziej popularne rodzaje wymienników płaszczowo-rurowych znormalizowane i opisane są przez stowarzyszenie Tubular Exchanger Manufacturers Association i znane jako typy TEMA. Spośród nich najczęściej spotykanymi są wymienniki typu BEU (tzw. U-rurowe) oraz BEM (z rurami prostymi). Oczywiście, poza typoszeregiem TEMA, możemy znaleźć na rynku inne konstrukcje rurowe mniej lub bardziej różniące się od zaproponowanej specyfikacji, np. wymienniki typu JAD czy wymienniki płaszczowe z prostymi rurami. Możliwe jest również zastosowanie wielu dodatkowych modyfikacji usprawniających działanie wymiennika w konkretnych warunkach, np. wymienniki dwu- lub czteroprzepływowe, dzięki którym można zwiększyć prędkość czynnika w rurach, czy zastosowanie rur karbowanych lub żebrowanych, umożliwiające osiągnięcie turbulentnego przepływu czynnika przy niższych prędkościach przepływu oraz zwiększające powierzchnię wymiany ciepła.

Dzięki dużym możliwościom wyboru materiałów oraz rodzaju konstrukcji, wymienniki rurowe doskonale sprawdzają się wszędzie tam, gdzie inne wymienniki zawodzą. Specjalistyczne zastosowania tych wymienników to:

  • Wymienniki płaszczowe z prostymi rurami, potocznie zwane basenowymi, które zapewniają niskie straty ciśnienia przy bardzo wysokich prędkościach przepływu
  • Wymienniki farmaceutyczne – zapewniające wysoką sterylność pracy i bezpieczeństwo podczas wymiany ciepła. Dzięki możliwości zastosowania rur o niskiej chropowatości możliwe jest całkowite grawitacyjne opróżnienie wymiennika. Dzięki temu ogranicza się do minimum ryzyko zalegania substancji niebezpiecznych, fermentujących lub wchodzących w reakcję z otoczeniem.
  • Wymienniki o średniej i dużej mocy przenoszonego ciepła – mają zastosowanie tam, gdzie produkcja wymienników płytowych przestaje być opłacalna ze względu na ograniczenia technologiczne i wysokie koszty produkcji w porównaniu do wymienników rurowych.
  • Wymienniki do pracy z olejami lub innymi lepkimi oraz gęstymi mediami – dzięki dobraniu odpowiedniej średnicy i długości rur zapewniają wystarczającą wymianę ciepła przy spadku ciśnienia w wymienniku.
  • Wymienniki współpracujące z mediami o wysokim zanieczyszczeniu – dzięki możliwości dobrania średnicy rur umożliwiają swobodny przepływ czynnika z cząstkami stałymi o danych wymiarach. W przypadku odkładania się osadów, przy zastosowaniu odpowiedniej konstrukcji, możliwe jest łatwe czyszczenie rur i płaszcza wymiennika.
  • Wymienniki współpracujące z wodą morską oraz agresywnymi mediami – poprzez zastosowanie odpowiednich materiałów stają się odporne na korozję lub czynniki powodujące erozję materiału (np. przez uderzanie z dużą prędkością pary z cząsteczkami wody lub mediów z małymi cząstkami stałymi, takimi jak piasek).
  • Skraplacze i parowniki w dużych agregatach chłodniczych – dzięki możliwości zastosowania wysoko wydajnych sprężarek śrubowych niektóre obiegi chłodnicze, które osiągają duże moce, wymagają większej powierzchni wymiany ciepła w skraplaczach i parownikach niż ta, którą mogą zaoferować wymienniki płytowe. Najczęściej spotykamy wymienniki rurowe w urządzeniach pracujących z czynnikiem R134a.
  • Wymienniki pracujące w wysokich temperaturach oraz ciśnieniach – odpowiedni dobór materiału oraz technologii spawania umożliwia pracę wymiennika w ekstremalnych warunkach.

Gdzie stosować?

Przy niewątpliwych zaletach wymienników rurowych wygrywają z nimi niekiedy tańsze i bardziej kompaktowe płytowe wymienniki lutowane lub skręcane. Przykładami są węzły cieplne o małej mocy oraz inne zastosowania, w których występują niskie prędkości przepływu oraz mało agresywne i czyste media, takie jak roztwory glikolu etylenowego czy propylenowego lub woda. Lutowane wymienniki płytowe popularniejsze są również w małych freonowych obiegach chłodniczych, w których stosuje się sprężarki tłokowe lub typu Scroll.

Wybór wymiennika zależy więc w szczególności od parametrów pracy oraz typu medium. W przypadku ekstremalnych temperatur, ciśnień lub agresywnych mediów nie ma z reguły problemu ze wskazaniem odpowiedniego typu wymiennika. Przy standardowych aplikacjach należy zwrócić uwagę na zjawisko dużego wzrostu strat ciśnienia wraz ze wzrostem prędkości przepływu występujących w dużej skali w wymiennikach płytowych. Zjawisko to może doprowadzić do sytuacji, w której zakup odpowiedniej pompy potrzebnej do pokonania wysokich oporów przepływu w wymienniku przewyższy koszt całej instalacji. Mimo że zapłacimy o wiele taniej za wymiennik płytowy, całkowity koszt instalacji powiększy się o koszt odpowiedniej pompy.

Dawid Chwiałkowski, Secespol sp. z o.o.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij