Wymienniki ciepła: Na drodze do efektywności

Wymiennik ciepła to – ogólnie rzecz ujmując – urządzenie, którego główną funkcją jest wymiana ciepła pomiędzy dwoma (lub więcej) płynami. Jest to termin odnoszący się do szerokiej grupy urządzeń różniących się przeznaczeniem, budową i sposobem realizacji przepływu ciepła.

Technologia płytowego transferu ciepła odgrywa istotną rolę w szerokim zakresie zadań w przemyśle spożywczym i napojowym, skrobiowym, etanolowym oraz farmaceutycznym. W tych zastosowaniach utrzymanie prawidłowego działania wymiennika ciepła to zapewnienie nie tylko wysokiej efektywności produkcji, ale również bezpieczeństwa i jakości produktów. Uniwersalność takiego rozwiązania wynika m.in. z: różnorodności możliwych układów, możliwości użycia elementów standardowych, dużej dostępności odpowiedniego oprogramowania do projektów, możliwości zastosowania w dużym zakresie ciśnień i temperatur, szerokiej gamy możliwych materiałów konstrukcyjnych.

Dużym powodzeniem cieszą się wymienniki płytowe. Wymienniki te mają podobny schemat budowy, w skład którego wchodzi rząd płyt, pomiędzy którymi przepływają płyny, wymieniając ciepło pomiędzy sobą. Charakter konstrukcji wskazuje w pewien sposób, jak można porównywać wymiennikii jakie są kierunki ich rozwoju. Producenci pracują nad rozwiązaniami materiałowymi (płyt oraz lutu w przypadku wymienników lutowanych lub uszczelek w wymiennikach skręcanych), profilowaniem płyt oraz optymalizacją ich wymiarów geometrycznych (np. grubości).

Rynek oferuje płytowe lutowane wymienniki ciepła, które są pożądanymi rozwiązaniami pozwalającymi uzyskać wysoką wydajność cieplną przy niskich kosztach eksploatacji. Wymienniki płytowe lutowane to rozwiązanie do instalacji grzewczych i chłodniczych. Trwałe zespolenie płyt grzewczych podczas procesu lutowania w piecu próżniowym ma zapewnić niezawodną pracę przy niskich kosztach eksploatacji. Rozwinięta powierzchnia wymiany ciepła pozwala na bardzo wydajną pracę w wymagających warunkach. Szeroka gama typów, wymiarów, liczby płyt i przyłączy pozwala zoptymalizować dobór do konkretnego zastosowania. Lut miedziany lub nierdzewny oraz podwójne ściany stwarzają dodatkowe możliwości zastosowania. Wymienniki lutowane gwarantują niezawodne, wieloletnie działanie, a turbulentny przepływ ma miejsce dzięki specjalnej konstrukcji płyt grzewczych. Szczelność konstrukcji jest wynikiem stałego zespojenia płyt podczas procesu lutowania próżniowego przy użyciu lutu miedzianego bądź nierdzewnego. Producenci wskazują na niskie koszty eksploatacji, a także na korzystną cenę wymiennika oraz długi „bezserwisowy” czas użytkowania. Dzięki rozwiniętej powierzchni wymiany ciepła w niewielkich wymiarach wymiennika oszczędzane jest miejsce. Często podkreśla się niezawodność ich przystosowania do pracy w wymagających warunkach różnic temperatur i ciśnienia, jak również zoptymalizowanie do wielu zastosowań dzięki wersji jedno- i dwuprzepływowej, szerokiej gamie przyłączy oraz doborowi odpowiedniej liczby płyt.

Na rynku spotykamy skręcane wymienniki ciepła z rozwiązaniem mającym zapewnić nie tylko zwiększoną turbulencję przepływu, ale także rozbudowaną powierzchnię wymiany ciepła. Na uwagę zasługuje projekt przetłoczeń płyty grzewczej, który jest wynikiem prac nad rozwojem produktu. Odpowiednie tłoczenie pozwala na uzyskanie większej kompaktowości, mniejszej wagi, a przede wszystkim wpływa na wzrost wydajności wymiennika. Nowe „ząbkowane” wzory kanałów mają za zadanie zwiększanie turbulencji przepływu, a to z kolei poprawia wymianę ciepła, a także przyczynia się do zmniejszenia powstawania osadów.

Niewątpliwie dodatkową korzyścią jest stosowanie przez producentów rozbudowanej powierzchni wymiany ciepła i zmniejszenie ogólnych spadków ciśnień. Warto zwrócić uwagę na to, czy wymiennik charakteryzuje się również szeregiem rozwiązań technicznych dotyczących kwestii obudowy. Wszystko to wpływa na wydajność i zachowanie urządzenia w danej aplikacji. Wysoka wydajność cieplna uzyskiwana jest dzięki:

• innowacyjnym wzorom przetłoczeń płyty grzewczej,
• rozwiązaniom ułatwiającym montaż i obsługę wymiennika,
• dostosowaniu budowy wymiennika do wymaganych parametrów pracy instalacji poprzez dobranie odpowiedniej liczby i wielkości płyt grzewczych,
• wykonaniu płyt grzewczych ze stali nierdzewnej lub tytanu do stosowania w systemach z agresywnymi mediami lub basenach ze słoną wodą.

Bardzo duży wybór na rynku oraz szeroka gama rozwiązań obejmuje:

• innowacyjny wzór wytłoczeń,
• potrójny system pozycjonowania płyt grzewczych,
• zmodyfikowane strefy dystrybucji,
• zoptymalizowanie powierzchni uszczelniających,
• dodatkowe wzmocnienia płyt,
• systemy mocowania i budowę uszczelki,
• pięciopunktowe systemy mocowania,
• wielkość portów,
• specjalnie zaprojektowane elementy ułatwiające montaż i stabilizujące płytę w je-go trakcie.

Płytowe skręcane wymienniki ciepła to niezawodne, sprawdzone urządzenia będące optymalnym rozwiązaniem w procesie wymiany ciepła oraz obsłudze procesów technologicznych. Spośród dostępnych na rynku rozwiązań warto zwrócić uwagę na te charakteryzujące się najwyższą sprawnością wymiany ciepła czy na przykład możliwość ich zastosowania nawet w przypadku bardzo małych różnic temperatur między mediami. Bardzo duża elastyczność konstrukcyjna wymiennika umożliwia jego doskonałe dostosowanie do wymaganych warunków pracy dzięki mnogości rozmiarów płyt, materiałów płyt, materiałów uszczelek oraz wyboru różnej geometrii kanałów przepływowych. Rozbieralna konstrukcja wymiennika umożliwia jego rozbudowę oraz rozmontowanie w celu wykonania okresowych czynności serwisowych, w tym czyszczenia mechanicznego. Wyróżniają je:

• wysoka wydajność cieplna,
• możliwość dostosowania budowy wymiennika do wymaganych parametrów pracy instalacji poprzez dobranie odpowiedniej ilości i wielkości płyt grzewczych,
• kompatybilne ze wszystkimi źródłami ciepła płyty grzewcze wykonane ze stali nierdzewnej lub tytanu do stosowania w systemach z agresywnymi mediami,
• rozbieralna konstrukcja umożliwiająca czyszczenie oraz ewentualną rozbudowę.

Płytowe wymienniki zbudowane są z płyty osłonowej przedniej, pakietu płyt grzewczych z uszczelkami, z płyty osłonowej tylnej, belki nośnej, kolumny tylnej, belki dolnej, śruby ściągającej. Jeśli chodzi o wymienniki ciepła płaszczowo-rurowe, to dzięki swojej konstrukcji oraz wydajności wskazane są do najbardziej wymagających zastosowań. Takie rozwiązanie jest doceniane przez wielu instalatorów i użytkowników. Wymienniki ciepła płaszczowo-rurowe wykonane w całości ze stali nierdzewnej stanowią trwałą i wytrzymałą konstrukcję. W przypadku przemyślanych projektów konstrukcyjnych i stosowania tzw. elastyczności projektowej mogą one stać się elementem większości systemów wymiany ciepła. Dzięki swoim właściwościom najczęściej stosowane są w instalacjach grzewczych oraz węzłach cieplnych. Kompaktowe wymiary wymiennika oraz możliwość instalacji w pionie przyczyniają się do redukcji przestrzeni wymaganej do instalacji. Warto zwrócić uwagę na konstrukcję przyłączy czy stosowanie karbowanych rurek wężownicy. Wszystko to oznacza, że wymienniki stają się bardziej odporne na akumulację zanieczyszczeń. Wiadomym jest, że wysoka efektywność to wyższy współczynnik wymiany ciepła uzyskany dzięki karbowanym rurkom, które poprzez zwiększenie turbulencji przepływu intensyfikują wymianę ciepła.

Szerokie zastosowanie takich wymienników to szerokie spektrum wysokości temperatur i ciśnień, prędkości przepływu oraz użytych mediów. Przykładowa budowa takiego wymiennika to zakończona ścianami sitowymi wężownica, zbudowana ze zwiniętych przeciwbieżnie rur o średnicy zewnętrznej, płaszcz, kołnierze, dennica, rdzeń, króćce. Inny rodzaj wymiennika płaszczowo-rurowego to w pełni wyposażony, gotowy do instalacji zestaw składający się z wymiennika, podpory oraz izolacji będący efektem zaawansowanych prac konstrukcyjnych. Takie rozwiązanie ma zalety wymienników płaszczowo-rurowych dodatkowo uzupełnione przez producenta o inne rozwiązania, tj. umieszczenie przyłączy w pozycji horyzontalnej oraz fabryczne wyposażenie w izolację i podporę. Te cechy wymiennika ułatwiają jego montaż do poziomej instalacji oraz skracają i usprawniają cały proces. Jak wskazują producenci, jest to trafne rozwiązanie pod względem ekonomicznym, gdyż zapewnia korzystny stosunek ceny do rozwiązania. Łatwy montaż osiąga się dzięki fabrycznie zamontowanej podporze i izolacji, oszczędność miejsca – dzięki kompaktowym wymiarom wymiennika oraz możliwości instalacji w pionie.

Inny typ wymienników ciepła płaszczowo-rurowych to rozwiązanie przeznaczone do instalacji o małych mocach. Wymienniki ciepła płaszczowo-rurowe tego typu charakteryzują się kompaktowymi rozmiarami – są specjalnymi wersjami najmniejszych modeli. Oprócz bardziej kompaktowych wymiarów wymienniki te pozwalają na zmniejszenie strat ciśnienia po stronie płaszcza przy zachowaniu wysokich prędkości przepływu. Występują w wersji zwykłej z prostopadłymi króćcami oraz w wersji, w której przejmują wszystkie zalety wymienników typu JAD, uzupełniając je o własne unikatowe cechy. Dzięki instalacji w pionie nie potrzebują wiele przestrzeni. Zaletą są też niskie koszty eksploatacji i karbowane rurki wężownicy sprawiające, że wymienniki są bardziej odporne na osadzanie się zanieczyszczeń. Płytowe lutowane wymienniki ciepła w innej opcji przeznaczone są do instalacji chłodniczych lub grzewczych, gdzie pracują jako parowniki lub skraplacze czynników chłodniczych. Specjalnie dostosowana geometria tłoczenia płyt grzewczych zapewnia skuteczne odparowanie i skraplanie czynnika chłodniczego. Jak podają producenci, jest to sprawdzone rozwiązanie w pompach ciepła i agregatach chłodniczych.

Inne wersje wymienników dostępnych na rynku umożliwiają pracę z czynnikiem chłodniczym pod ciśnieniem nawet do 45 barów. Dzięki systemowi dynamicznej dystrybucji czynnika wrzącego urządzenie umożliwia sprawne rozprowadzenie kropelek czynnika i ich równomierne odparowanie niezależnie od położenia kanału grzewczego względem króćca wlotowego. Rozwiązanie to pozwala efektywnie wykorzystać całą powierzchnię wymiany ciepła w wymienniku. Kolejnym rozwiązaniem z dostępnych na rynku jest wymiennik ciepła z systemem podwójnych ścian – double wall – przeznaczony do instalacji, w których decydujące jest zabezpieczenie mediów przed zmieszaniem się i szybkie wykrycie nieszczelności. Wymienniki ciepła w takiej postaci zostały zaprojektowane do zastosowań wymagających wysokiej efektywności wymiany ciepła, w których decydujące jest niedopuszczenie do mieszania się czynników roboczych w przypadku wewnętrznej nieszczelności. Nieszczelność taka, choć mało prawdopodobna, może być wynikiem korozji lub uderzenia hydraulicznego w instalacji. W takim wypadku specjalnie zaprojektowany układ podwójnych ścianek oraz szczelina na powierzchni bocznej wymiennika wyprowadzą przeciek na zewnątrz, co pozwoli na jego szybką wizualną detekcję i podjęcie odpowiednich działań zabezpieczających. Cechy charakterystyczne systemu podwójnych ścian to:

• zapobieganie ewentualnemu mieszaniu się czynników roboczych,
• szybkie wykrycie przecieku wewnętrznego poprzez wyprowadzenie przecieku na zewnątrz,
• żywotność urządzenia dzięki wykorzystaniu do budowy stali nierdzewnej odpornej na korozję.

Ponadto urządzenie cechuje się wysoką wydajnością i kompaktowymi wymiarami. Warto podkreślić, że układ podwójnych ścian ułatwia zlokalizowanie przecieku i skraca czas przestoju na skutek awarii systemu. Jeśli chodzi o kolejny typ wymienników ciepła płaszczowo-rurowych, to jest to ekonomiczne rozwiązanie do małych instalacji c.o. i c.w.u. Wymienniki te to swoiste rozwinięcie typoszeregu wymienników płaszczowo-rurowych o najmniejsze wymienniki zbudowane w oparciu o wężownicę rur. Producent zapewnia, że wysoka wydajność i kompaktowe rozmiary w odniesieniu do powierzchni wymiany ciepła sprawiają, że stanowią one doskonałe rozwiązanie do instalacji o niskich mocach. Zostały wyprodukowane celem sprostania wymaganiom najmniejszych instalacji przemysłowych oraz węzłów cieplnych, a zwłaszcza tych, w których z różnych powodów (np. wysokiego zanieczyszczenia lub agresywnego środowiska) nie można zastosować wymienników płytowych. Aby jak najlepiej dostosować wymiennik do lokalnych warunków i ułatwić montaż w instalacji, producenci udostępniają wersje z przyłączami gwintowanymi oraz kołnierzowymi. Kolejną gamą produktów są specjalistyczne wymienniki ciepła dla różnych gałęzi przemysłu.

Istnieją na rynku firmy, które podejmują się trudnych zadań, nie boją się wyzwań i są w stanie sprostać skomplikowanej i trudnej technologicznie realizacji zlecenia. W dzisiejszych czasach jest to możliwe przy użyciu nowoczesnego oprogramowania, które tworzy symulację każdego procesu wymiany ciepła celem znalezienia optymalnego rozwiązania. Zaprojektowanie i wyprodukowanie wymiennika ciepła do konkretnych wskazań umożliwia wykorzystanie w elektrowniach, elektrociepłowniach, przemysłowych instalacjach ciepła i chłodu, zakładach celulozowych, zakładach chemicznych oraz rafineryjnych i wielu innych.

Faktem jest, że zaawansowana technologia przemysłowa, wysokiej jakości materiały oraz własna produkcja urządzeń są gwarantem wyrobów wysokiej jakości. Warto wskazać także na doświadczenie zespołów konstruktorskich stale pracujących nad projektowaniem nowoczesnych i wydajnych urządzeń, przystosowując je do wymagań klientów. A wymagania i oczekiwania stale rosną. Zazwyczaj zespół doświadczonych inżynierów wykonuje projekt wykonawczy oraz obliczenia termodynamiczne, analizę drgań pęku rur, obliczenia wytrzymałościowe oraz komputerowe analizy przepływu. Praca z zaawansowanymi, specjalistycznymi programami jest w tym przypadku nieodzowna, podobnie jak rozwinięty technologicznie park maszynowy, liczba realizacji oraz renomowani dostawcy materiałów, które pozwalają na produkcję wymienników wysokiej jakości. Wykorzystuje się tu takie materiały jak stal nierdzewna, stal węglowa, dupleks, tytan, monel, miedź, mosiądz i wiele innych. Warto zwrócić uwagę, czy producent oferujący swoje usługi rzeczywiście dokłada należytej staranności przy sprawdzaniu jakości wyrobów i realizacji przedsięwzięć. Często producenci zwołują zespół inspektorów wewnętrznych, których zadaniem jest przeprowadzanie badań nieniszczących i niszczących, takich jak badania penetracyjne, badania prądami wirowymi, badania wizualne, badania chropowatości powierzchni, badania makroskopowe, analiza składu chemicznego metali czy badania twardości. Spotykaną praktyką jest także kierowanie zleceń do laboratoriów badawczych celem przeprowadzenia przez te jednostki badań rentgenowskich RT, badań ultradźwiękowych UT, badań udarności czy badań magnetyczno-proszkowych MT. Jakość produktów może potwierdzić szereg certyfikatów i zatwierdzeń. Warto zwrócić uwagę, czy producenci wymienników i serwisanci dogłębnie rozumieją działanie wymienników ciepła w aplikacjach o krytycznym znaczeniu dla higieny.