Skladem máme stovky výměníků

Princip a výkon tepelných výměníků

• Výkon deskových výměníků
• Účinnost deskových výměníků
• Tloušťka desek a tvary kanálků (H, M, L)
• Oběhová čerpadla
• Tepelné ztráty výměníku
• Zapojení

Požadavky zákazníků na výměníky

Zákazníci obvykle poptávají výměníky pro zařízení bez změny fáze, jako jsou systémy voda-voda pro vytápění a ohřev nebo olej-voda pro chladiče.

V některých případech dochází ve výměníku ke změně fáze:

• výparník – chladivo se odpařuje (přechod z kapalné do plynné fáze).
• kondenzátor – chladivo kondenzuje (přechod z plynné do kapalné fáze).

Výkon deskového výměníku

Výkon je klíčovým parametrem, který uživatele nejvíce zajímá. Předávaný výkon není pevně stanoven pro konkrétní typ výměníku – stejný výměník může přenášet 20 kW nebo 100 kW v závislosti na použitých teplotách a médiích. Výkon ovlivňuje řada parametrů a je nutné posuzovat konkrétní aplikaci.

Hlavní faktory ovlivňující výkon:

• velikost výměníku (šířka, výška),
• počet desek,
• tvar kanálků desek,
• velikosti objemových průtoků,
• rozdíl teplot mezi primárním a sekundárním okruhem,
• fyzikální vlastnosti médií.

Velikost výměníku a tlakové ztráty

Výměník se obvykle počítá a zapojuje do protiproudu – má výrazně vyšší účinnost oproti souproudému zapojení.

• Vyšší výměník – teplo se přenáší po delší dráze, což umožňuje lepší přiblížení teplot mezi primární a sekundární stranou. Narostou ale tlakové ztráty.
• Dva výměníky zapojené za sebou (sériově) – další zvýšení účinnosti, ale vyšší tlakové ztráty (vhodné jen pro menší průtoky). Lze nechat vyrobit výměník, který zapouzdřuje oba okruhy, zvenku se potom chová jako jeden výměník.
• Větší odpor výměníku (neboli vyšší tlakové ztráty) – vyžaduje výkonnější čerpadlo.
• Více desek snižuje tlakové ztráty – zdvojnásobení počtu desek sníží tlakové ztráty na čtvrtinu.

Účinnost výměníku

Ideální výměník by měl účinnost 100 %, což však v praxi není dosažitelné. Deskový výměník je však nejúčinnější typ tepelného výměníku, běžně dosahující účinnosti přes 90 %. To znamená, že studená strana se ohřeje na vyšší teplotu, než kdyby se obě média smísila v nádobě. Takto vysoké účinnosti lze dosáhnout protiproudým zapojením.

Pro maximalizaci účinnosti je nutné zajistit velkou teplosměnnou plochu. Uvnitř výměníku jsou desky skládány ve vrstvách – střídá se teplé a studené médium. Tyto desky jsou vyrobeny z nerezové oceli, nejčastěji AISI 316, s tloušťkou 0,5 mm.

Pro zvětšení teplosměnné plochy jsou desky žebrované, čímž vznikají kanálky pro proudění média. Tato žebra nejen zvyšují účinnost přenosu tepla, ale také vytvářejí turbulence, které zlepšují samočištění výměníku.

Desky jsou uspořádány tak, aby oba toky byly nezávisle oddělené. Teplé a studené médium proudí střídavě v jednotlivých vrstvách. Desky média oddělují a zabraňují jejich mísení.

Utěsnění vrstev

Pájené výměníky – používají pájku (měď, nikl), která se podílí i na výměně tepla. Rozebíratelné výměníky – místo pájky mají gumové těsnění, což umožňuje otevření, čištění a rozšíření kapacity přidáním dalších desek.

Optimalizace mezi cenou a účinností

Při návrhu výměníku se hledá rovnováha mezi cenou a účinností. Extrémní účinnost nemusí být vždy výhodná, protože nespotřebované teplo často není ztrátové, ale vrací se zpět ke zdroji. S každým dalším zvýšením účinnosti roste cena výměníku, a proto je třeba zvolit optimální řešení pro danou aplikaci.

Počet desek výměníku

Zvýšením počtu desek lze navýšit výkon výměníku, ale s klesající efektivitou – zpočátku výkon roste rychle, zatímco další přidávání desek přináší jen nepatrná zlepšení. Aby zvýšení počtu desek vedlo k odpovídajícímu nárůstu výkonu, je nutné zároveň zvýšit průtoky. Zdvojnásobením počtu desek i průtoků se výkon rovněž zdvojnásobí.

Tloušťka desek

• Tenké desky – vyšší účinnost, ale nižší mechanická a chemická odolnost.
• Silnější desky – lepší odolnost, ale nižší přenos tepla.

Tvar kanálků desek

Výrobci obvykle nabízejí tři typy kanálků:

• H kanálky (High Theta, velký úhel) – vysoká účinnost, silné turbulence, ale velké tlakové ztráty.
• M kanálky (Medium, střední úhel) – vyvážený poměr mezi účinností a tlakovými ztrátami.
• L kanálky (Low Theta, malý úhel) – nízký odpor, menší tlakové ztráty, ale také nižší účinnost.

Lze kombinovat L+M nebo M+H pro optimalizaci výkonu.

Turbulentní proudění

Výběr správného typu kanálků a počtu desek závisí na požadavcích konkrétní aplikace. Optimalizace pomůže dosáhnout vysoké účinnosti při přijatelných tlacích ztrátách a zároveň zabránit zanášení výměníku. Pokud jsou tlakové ztráty příliš vysoké, dají se snížit zvýšením počtu desek. Přílišné snižování tlakových ztrát není vždy žádoucí. V takovém případě malý průtok mezi deskami potlačuje turbulentní proudění a zmenšuje smykové napětí na deskách. Turbulentní proudění brání usazování nečistot ve výměníku. V protokolu z výpočtu je uvedeno Reynoldsovo číslo a smykové napětí. U deskových výměníků dochází k turbulentnímu proudění pokud R > 150. Smykové napětí se má navrhovat na 35, ideálně na 50 Pa. Pak se nečistoty strhávají zpět do oběhu. Hrozí-li zanášení výměníku nečistotami, není vhodné výměník předimenzovávat.

Velikost průtoku a tlakové ztráty

Regulací průtoku lze ovlivnit výkon výměníku. Zdvojnásobením průtoku na obou okruzích se výkon může až zdvojnásobit, avšak pouze do určité míry. Tlakové ztráty (odpor výměníku) rostou se čtvercem průtoku. Výměník s menším počtem desek je levnější, ale investice do oběhového čerpadla potřebného k překonání tlakových ztrát může převýšit cenu samotného výměníku. V praxi se proto často navrhují průtoky 1 až 3 m3/h a tlakové ztráty kolem 20 kPa.

Vliv potrubí na tlakové ztráty

Nevhodně navržené potrubí může způsobit větší tlakové ztráty než výměník samotný (použijte online výpočet tlakové ztráty třením v potrubí). Armatury v potrubí výrazně zvyšují odpor. Například koleno prodlouží délku potrubí o 25násobek jeho průměru. Příklad výpočtu pro coulové potrubí:

• 6 kolen Ø25 mm – přibližně 3,8 m ekvivalentní délky potrubí.
• Použití oblouku místo kolena – tlakové ztráty snížené přibližně na polovinu.
• Náhlá změna dimenze potrubí – zvyšuje ztráty, přechod by měl být pozvolný.

Tepelné ztráty deskového výměníku

Deskový výměník SWEP má dva okruhy:

• Vnitřní okruh (levá strana) – obvykle primární, nemá krajní desky, všechny desky jsou vnitřní.
• Vnější okruh (pravá strana) – obvykle sekundární, první a poslední deska zároveň slouží jako krajní desky výměníku.

Vyšší účinnosti se obvykle dosáhne, pokud se horké médium zapojí do vnitřního okruhu, protože se minimalizují tepelné ztráty do okolí. Tepelná izolace výměníku zamezuje nejen úniku tepla, ale také kondenzaci vody na čelních deskách

Výpočet

Na přenášený výkon má vliv řada parametrů – výše jsme shrnuli ty nejdůležitější. Pro přesný návrh doporučujeme vyžádat si individuální výpočet pro konkrétní projekt.

Pro orientační výpočty můžete využít následující odkazy:

• online výpočet výměníku voda-voda (lze použít i pro chladič),
• online výpočet deskového chladiče olej-voda,
• tabulka výkonů pájených výměníků SWEP (spád 90/70 °C teplá, 60/80 °C studená strana),
• tabulka výkonů skládaných výměníků ARES (spád 90/80 °C teplá a 75/85 °C studená strana).

Zapojení deskového výměníku

Obecná doporučení

• Chraňte výměník před teplotními a tlakovými výkyvy – nesmí být vystaven extrémním cyklům.
• Zabraňte zamrznutí – nízké teploty mohou poškodit konstrukci výměníku.
• Používejte pružné přípoje pokud hrozí vibrace, aby se nepřenášely na výměník.
• Vstupy musejí mít regulační ventily – při spuštění pomalu otevírejte vstupy, zatímco výstup je plně otevřen.
• Instalujte vypouštěcí ventil na spodní stranu dolního přípoje a odvzdušňovací ventil na horní stranu (nejvyšší bod).
• Pokud může tlak v systému překročit konstrukční tlak výměníku, vybavte vstupy pojistným ventilem.

Zapojení okruhů

• Vnitřní okruh (vývody vlevo, pokud výměník stojí na výšku) – méně desek, nesousedí s vnějším prostředím, obvykle pro zdroj tepla nebo chladivo.
• Vnější okruh (vývody vpravo, pokud výměník stojí na výšku) – používá krajní desky, vhodný pro chladné médium (snižuje tepelné ztráty).
• Obvyklá orientace výměníku – stojí na výšku, pokud šipka na výměníku směřuje nahoru.

Ohřívač

Může být instalován vertikálně i horizontálně, vstupy lze volit nahoře i dole.

• Doporučené zapojení: Teplý okruh – vstup F1, výstup F3. Studený okruh – vstup F4, výstup F2. Takto zabraňuje usazování vodního kamene, snižuje tepelné ztráty.
• Asymetrický výměník (E8ASH, E8LASH): vnitřní okruh (F1-F3) – užší, vyšší tlakové ztráty. Průtokový ohřívač – ohřívaná TUV se zapojuje na širší vnější okruh (F4-F2).

Chladič

Lze instalovat vertikálně i horizontálně, vstup může být nahoře i dole. Vnější okruh používá krajní desky – doporučeno pro chlazené médium, aby teplo mohlo unikat do okolí.

Kondenzátor

Chladivo vstupuje nahoře, kondenzát se odvádí dole. Pokud mají vývody F1 a F3 stejnou velikost, lze výměník otočit o 180°. Pro kondenzátory pára-voda vizte specifické pokyny v článku o parních výměnících.

Výparník

Tekuté chladivo vstupuje dole, odpařuje se a výpary se odvádějí nahoře. SWEP V výměníky mají na vstupu F3 speciální distribuční zařízení, které zajišťuje rovnoměrné rozdělení chladiva. Doporučené rychlosti chladiva pro správnou funkci:

• Vstup: 10–25 m/s
• Výstup: 5–10 m/s (při vodorovném přípoji 2,5–5 m/s)

Správná rychlost proudění pomáhá zabránit akumulaci mazacího oleje ve výměníku.

Pro více podrobností vizte

• manuál pájených výměníků SWEP,
• manuál skládaných výměníků ARES.