Wymienniki ciepła

Podział

Wymiennikiem ciepła nazywamy urządzenie, w którym następuje wymiana ciepła pomiędzy czynnikiem grzewczym o wyższej temperaturze, a czynnikiem ogrzewanym o niższej temperaturze. Wymienniki dzielimy ze względu na:

sposób wymiany ciepła na,

– wymiennik pośrednie (przeponowe),

– wymienniki bezpośrednie (bezprzeponowe),
rodzaj czynnika grzewczego i ogrzewanego,

– woda – woda,

– woda – para,

– para – woda,

– woda – powietrze,

– powietrze – powietrze.
Ponadto rozróżnia się wymienniki:

– przepływowe,

– współprądowe,

– przeciwprądowe,

– pojemnościowe.

A ze względu na konstrukcję wymiennika na:

– wymienniki płytowe (lutowane, skręcane)

– wymienniki rurowe (typu JAD, typu rura w rurze)

– zasobniki ciepła (ciśnieniowe, bezciśnieniowe)

Rys. Rozkład ciepła w wymienniku po lewej – współprądowym, po prawej – przeciwprądowym.

Zaletą układu przeciwprądowego, (rys. powyżej), jest możliwość osiągania wyższych temperatur podgrzania (temperatura t_2w)

Wymienniki typu JAD

Są wymiennikami płaszczowo-rurowymi o przepływie przeciwprądowym. Występują na rynku w różnych wykonaniach jako wymienniki JAD, JAD-X, Woda grzejna płynie w rurkach, a woda ogrzewana (instalacyjna) w płaszczu w układzie przeciwprądowym. Przeznaczone są do stosowania w pompowych instalacjach centralnego ogrzewania (c. o.) i centralnej ciepłej wody użytkowej ( c. w.) obiektów budownictwa powszechnego zasilanych w energię cieplną z wysokoparametrowych wodnych systemów ciepłowniczych o ciśnieniu roboczym do 1,6 MPa i temperaturę do 203°C lub przy zastosowaniu czynnika grzejnego w postaci pary wodnej nasyconej jeśli wielkość ciśnienia roboczego nie przekracza ciśnienia nasycenia pary wodnej przy dopuszczalnej temperaturze roboczej t p= 203°C. Poza przygotowaniem c. w. i c. o. wymienniki mogą być stosowane w instalacjach przemysłowych i technologicznych dla różnych czynników grzejnych i ogrzewanych. W tych przypadkach ich wydajność oraz przydatność muszą być indywidualnie określone. Ciśnienie próbne wymienników 3,35 MPa. Produkowane są zgodnie z Warunkami Dozoru Technicznego. Zaletą wymienników jest ich zwarta budowa oraz niezawodne działanie przy prawidłowo wykonanej instalacji i właściwym uzdatnianiu wody.

Rys. Wymienniki typu JAD i JAD-X

Wymienniki JAD wykonywane są ze stali nierdzewnej z króćcami kołnierzowymi, do spawania lub gwintowymi. Powierzchnię wymiany ciepła tworzą helikoidalne współosiowe wężownice ze zwiniętych przeciwbieżnie rur o średnicy Ø 8mm lub Ø 10mm. Pakiet wężownicy jest zakończony dwoma ścianami sitowymi umieszczonymi w króćcach głowicy. Pozostałe dwa króćce służą do przyłączenia instalacji czynnika do przestrzeni płaszcza Zaliczają się do konstrukcji nierozbieralnych, czyszczenie wymiennika odbywa się bez wyjmowania wężownicy grzejnej. Sama wężownica może być wykonana z rur gładkich lub karbowanych o zwiększonej powierzchni wymiany ciepła.

Fot. Wymiennik typu JAD-XK z wężownicą karbowaną

W wymiennikach typu JAD X króćce ustawione są w kształcie litery X, dzięki czemu wymiennik charakteryzuje się niższymi stratami ciśnienia przy wysokich prędkościach przepływu. Jest on również bardziej odporny na erozję spowodowaną zanieczyszczeniami oraz charakteryzuje się wysoką odpornością na różnice parametrów mediów. Może zostać w pełni opróżniony przy użyciu siły grawitacji oraz posiada szereg wersji dostosowanych do wysokich ciśnień i temperatur. W wymiennikach typu K wężownica wykonana jest z rur karbowanych, co intensyfikuje wymianę ciepła przez zwiększenie turbulencji przepływu. Dzięki swoim właściwościom wymienniki typu JAD najczęściej stosowane są w instalacjach standardowych i węzłach cieplnych, natomiast JAD X w instalacjach o podwyższonych wymaganiach.

Zasady eksploatacji

W celu zagwarantowania prawidłowej pracy wymienników należy przestrzegać następujących zasad: 1. Nie przekraczać dopuszczalnego ciśnienia i temperatury. 2. Nie dopuszczać do zamarzania czynników roboczych po obu stronach wymiennika. 3. Nie dopuszczać do gwałtownych zmian temperatury czynników. Przy uruchamianiu instalacji jako pierwszy uruchomić obieg płynu zimnego, a przyrost temperatury nie może być większy niż 10oC/min, natomiast przyrost ciśnienia 3 bar/min 4. Nie dopuszczać do nadmiernego zanieczyszczenia wymienników, ponieważ grozi to utratą własności wymiennika polegającej na kompensacji wydłużeń cieplnych. 5. Dokonywać okresowego czyszczenia wymienników wg niżej wyszczególnionych zaleceń: – wymienniki pracujące w instalacji centralnego ogrzewania – przynajmniej co 18 miesięcy. – wymienniki pracujące w instalacji przygotowania ciepłej wody użytkowej przynajmniej co 12 miesięcy. – częstotliwość czyszczenia może ulec zwiększeniu w przypadku złych warunków eksploatacji. Czyszczenie należy przeprowadzić przepuszczając przez wymiennik przy pomocy instalacji pompowej strumień płynu czyszczącego przynajmniej 1,5 razy większy do strumienia występującego podczas eksploatacji. Przy doborze płynu czyszczącego należy zwrócić uwagę na rodzaj osadów występujących w wymienniku ciepła. Najczęściej występujące osady w przypadku zastosowania wody to: kamień kotłowy CaCO3, trójtlenek żelaza Fe2O3. Pozostawienie jednego z osadów przy jednoczesnym usunięciu drugiego może być przyczyną korozji wymiennika

Wymienniki ciepła płytowe

Są najbardziej wydajnymi urządzeniami do wymiany ciepła, średnio dwukrotnie przewyższając pod tych względem wymienniki płaszczowo-rurowe. Zbudowane są z szeregu płyt ze stali nierdzewnej, miedzi lub blachy tytanowej, połączonych ze sobą za pomocą lutowania, bądź skręcania, stąd podział na:

– wymienniki płytowe lutowane

– wymienniki płytowe skręcane

Wymiana ciepła następuje z obu stron specjalnie ukształtowanych ścianek wymiennika. Do jednej strony płyty doprowadzony jest zawsze czynnik grzewczy, a do przeciwnej czynnik ogrzewany. Płyty posiadają cztery otwory przyłączeniowe i są pofalowane, co zapewnia im sztywność i jednocześnie bardzo dużą powierzchnię wymiany ciepła. Płyty rozdzielone są uszczelkami, których kształt zapewnia wymuszony przepływ ciepła (po powierzchni płyty od strony uszczelki może przepływać tylko jeden z czynników – zimny, bądź gorący). Możemy więc mówić o tzw. płytach „lewych” i „prawych”.

Rys. Układy płyt lewych i prawych stosowanych w praktyce: a) płyty o przepływie „prostym”, b) płyty o przepływie krzyżowanym.

W ten sposób otrzymuje się naprzemiennie biegnące kanały nośnika ciepła i czynnika podgrzewanego. Nakładające się otwory w narożnikach płyt tworzą cztery kolektory, za pośrednictwem których oba czynniki są doprowadzane i odprowadzane z przestrzeni międzypłytowych. Przez wykorzystanie płyt o zaślepionych otworach możliwa jest zmiana kierunku przepływu każdego z czynników i wywołanie układu wielobiegowego. Liczba możliwych kombinacji jest praktycznie nieograniczona, ale wszystkie rozwiązania można tak usystematyzować, że wyróżnia się trzy główne rodzaje przepływu czynników przez wymiennik – tzn. układy szeregowe, równoległe i mieszane.

Rys. Układy strumieni w wymiennikach płytowych. a) szeregowy, b) równoległy, c,d) mieszany

Przepływ przez płyty może być też współprądowy lub przeciwprądowy (rysunki poniżej).

Wymienniki płytowe lutowane są nierozbieralne, z fabrycznie połączonymi płytami grzejnymi.

Fot. Przykładowe wymienniki ciepła, od lewej – lutowany, skręcany

Tłoczenia płyt wymienników decydują o ich powierzchni wymiany ciepła i stratach ciśnienia. Na kolejnym rysunku pokazuję najpopularniejsze wytłoczenia płyt dostępne na rynku.

Rys. Typowe rodzaje tłoczeń: a) płyta wiórowa, b) zygzak (fala), c) jodełka (ość śledzia), d) przetłoczenia punktowe, e) płyta wiórowa z dodatkowymi przetłoczeniami, f) nachylona płyta wiórowa (rys. Rynek Instalacyjny).

Rys. Przekroje przez różne tłoczenia płyt na przykładzie wymienników firmy Sondex.

Wadami wymienników płytowych są:

– duże opory przepływu związane z bardzo małymi przestrzeniami przez które przepływa woda

– podatność na zanieczyszczenia zawarte w wodzie

– łatwość zarastania osadami

Zasady montażu i eksploatacji

Każdy wymiennik płytowy ma instrukcje producenta dotycząca zasad montażu i eksploatacji, do której należy się ściśle stosować. Poniżej podaję najciekawsze zebrane w sieci materiały.

Transport

Wymienniki płytowe należy transportować na pasach, lub na paletach za pomocą wózków widłowych. Nie wolno używać zawiesi hakowych, lin i łańcuchów, nie stosować króćców wymiennika jako punktów mocujących zawiesia. Pasy nie mogą być uszkodzone, pamiętajmy, że wymienniki płytowe są bardzo ciężkie

Wymienniki należy chwytać za otwory montażowe, lub za śruby łączące. Przykładowe prawidłowe mocowanie dwóch zawiesi na klamrze okrągłej pokazują poniższe rysunki.

Rys. Zapinanie dwóch mocowań a) na z wykorzystaniem otworów płyty czołowej, b) z wykorzystaniem śrub łączących.

Kąt montażu pasów dla zawiesi nie jest dowolny i musi sie zawierać między 5-30° względem pionu (rys. poniżej). Zapewnia to stabilność przy transporcie.

Składowanie:

Jeśli składowanie wymiennika ciepła okaże się konieczne przez dłuższy czas (l miesiąc lub dłużej), należy podjąć pewne środki ostrożności w celu zapobieżenia niepotrzebnym uszkodzeniom urządzenia. Najlepiej, jeśli wymiennik będzie składowany w pomieszczeniu o temperaturze od 15 do 20°C i maksymalnej wilgotności 70%. Jeśli to nie będzie możliwe, należy umieścić wymiennik w skrzyni drewnianej z wyściółką przeciwwilgociową wewnątrz.

W pomieszczeniu absolutnie nie może być żadnego urządzenia produkującego ozon, jak silniki elektryczne lub przyrządy do spawania, ponieważ ozon niszczy materiały wykonane z gumy. Nie należy również w pobliżu składować rozpuszczalników organicznych i kwasów, A także należy unikać promieniowania ultrafioletowego.

Kontrukcja

Rys. Komponenty przy montażu lub demontażu płytowego, skręcanego wymiennika ciepła. Ozn. 1- belka górna, 2- otwory przyłączne, 3-płyta czołowa ramowa, 4- belka pionowa, 5- płyta ramowa dociskowa, 6- pakiet płyt wymiennika ciepła, 7- belka dolna, 8- uszczelki, 9- nakrętki, 10- śruby ściągające.

Wymiennik powinien być przytwierdzony do podłogi i ustawiony w takiej odległości od ścian, aby z boku wymiennika zachować odstęp równy minimum 1,5 krotnej jego szerokości, a od płyty przedniej minimum jego długości (rys.)

Przy demontażu i ponownym montażu wymiennika należy ściśle przestrzegać wymiaru „a” pomiędzy płytą przednią i dociskową. Wymiar ten musi być identyczny na całym obwodzie. Zbyt silne dociśnięcie płyt powoduje za duży spadek ciśnienia na wymienniku, zbyt słabe, przecieki a uszczelkach. Wymiar „a” zależy od ilości płyt w pakiecie i od ich rodzaju i jest stabelaryzowany w instrukcjach DTR.

Pamiętajmy też, że podczas skręcania śrub należy je dociskać naprzemianlegle.

Czyszczenie wymienników płytowych

Wymienniki płytowe wymagają okresowego czyszczenia mechanicznego (wersje skręcane, rozbieralne) lub chemicznego (wersje lutowane). Czyszczenie mechaniczne wykonuje się zwykle wodą pod ciśnieniem za pomocą myjek ciśnieniowych. Można też do tego celu użyć miękkich szczotek. Myjki ciśnieniowe służą do wstępnego odspojenia twardych osadów, dokładne mycie wykonuje się zwykle ciepłą wodą i dodatkowo szczotką.

Rys. Mycie mechaniczne, po lewej wstępne wodą pod ciśnieniem, po prawej wodą ciepłą i szczotką

Podczas mechanicznego czyszczenia uszczelki płyt należy usunąć, gdyż zostaną uszkodzone. Uszczelki po długotrwałej pracy są najczęściej odkształcone i nadają się do całkowitej wymiany.

Wymienniki lutowane czyści się chemicznie za pomocą cieczy rozpuszczających osady wapienne. Sa to najczęściej 5% roztwory kwasy fosforowego lub szczawiowego. Użyty roztwór nie może powodować uszkodzenia płyt wymiennika i musi być dopuszczony przez producenta. Temperatura nie powinna przekraczać 70C. Poniższe rysunki pokazują schematy instalacji do mycia chemicznego.