Skladom máme stovky výmenníkov

Princíp a výkon tepelných výmenníkov

• Výkon doskových výmenníkov
• Účinnosť doskových výmenníkov
• Hrúbka dosiek a tvary kanálikov (H, M, L)
• Obehové čerpadlá
• Tepelné straty výmenníka
• Zapojenie

Zákazníci zvyčajne dopytujú výmenníky pre zariadenia

• bez zmeny fázy: typicky voda-voda (pre vykurovanie a ohrev) či olej-voda (pre chladiče).
• Niekedy vo výmenníku dochádza k zmene fázy:
  • výparník (chladivo sa vo výmenníku odparuje, tj. prechádza z tekutej do plynnej fázy), alebo
  • kondenzátor (chladivo vo výmenníku kondenzuje, tj. z plynnej fázy prechádza do tekutej).

Výkon doskového výmenníka

Výkon je veličina, o ktorú sa užívatelia zaujímajú najviac. Odovzdávaný výkon nie je stanovený pre daný typ výmenníka: jeden výmenník môže prenášať 20 alebo 100 kW v závislosti od použitých teplôt a médií. Výkon závisí na celom rade parametrov a je potreba posudzovať konkrétnu aplikáciu. Prenášaný výkon závisí na

• veľkosti výmenníka (šírke a výške),
• počtu dosiek výmenníka,
• tvaru kanálikov dosiek,
• veľkostiach objemových prietokov,
• na vzdialenosti teplôt médií primárneho a sekundárneho okruhu,
• na fyzikálnych vlastnostiach médií.

Veľkosť výmenníka

Výmenník sa obvykle počíta a zapája ako protiprúd. Pri takomto zapojení má oveľa väčšiu účinnosť ako pri zapojení ako súprúd. Ak je výmenník vysoký, potom sa teplo odovzdáva po dlhej dĺžke a vďaka zapojeniu do protiprúdu možno dosiahnuť veľké priblíženie teplôt primár-vstup voči sekundár-výstup. Vysoký výmenník tiež kladie väčší odpor a bude potrebné silnejšie čerpadlo pre prekonanie tlakových strát. Tlakové straty možno znížiť pridaním počtu dosiek: zdvojnásobenie počtu dosiek znížia tlakové straty na štvrtinu.

Účinnosť výmenníka

Ideálny výmenník má účinnosť 100 %. Reálny výmenník takejto účinnosti nedosahuje. Doskový výmenník je však najviac účinný tepelný výmenník. Bežne sa dosahuje účinnosť väčšia ako 90 %. To v praxi znamená, že studená strana sa ohreje na vyššiu teplotu, než ak by sa obe médiá zmiešala v nádobe. Toho je možné dosiahnuť zapojením ako protiprúdový výmenník tepla.

Pre dosiahnutie veľkej účinnosti výmenníka je potreba poskytnúť veľkú teplovýmennú plochu. Vnútri výmenníka sú na seba skladané dosky v mnohých vrstvách: strieda sa okruh teplého a studeného média. Dosky sú vyrobené z nerezovej ocele, väčšinou AISI 316 s hrúbkou 0,5 mm.

Pre zväčšenie teplovýmennej plochy sú dosky rebrované a médiá prúdi v kanálikoch vytvorenými týmito rebrami. Rebrá tiež spôsobujú turbulencie v toku, čo vytvára podmienky pre samočistenie výmenníka. Dosky sú vo výmenníku usporiadané tak, aby boli oba nezávislé toky oddelené. Teplé či studené médium prúdi striedavo v každej druhej vrstve a médiá sú doskami oddelená a nemôžu sa miešať.

Na utesnenie jednotlivých vrstiev vytvorenými doskami sa spravidla používa spájka (meď, nikel). Aj tá sa podieľa na výmene tepla. U rozoberateľných výmenníkov je miesto spájky gumové tesnenie. Rozoberateľné výmenníky možno otvoriť a čistiť a tiež je možné dodatočne zvýšiť ich kapacitu pridaním ďalších dosiek.

Pri návrhu výmenníka sa hľadá optimum medzi cenou a účinnosťou. V mnohých aplikáciách nemá cenu usilovať o extrémnu účinnosť, pretože nespotrebované teplo nie je odpad, ale vráti sa späť k zdroju. Každé ďalšie zvýšenie účinnosti výmenníka je drahšie a drahšie, ako ilustruje graf:

Počet dosiek výmenníka

Pridaním počtu dosiek možno bezpochyby výkon navýšiť. Spočiatku výkon narastá, ďalšie pridávanie dosiek zvyšuje výkon pomalšie. Aby sa zvýšil výkon s navyšovaním počtu dosiek, je potreba zvyšovať aj prietoky. Ak sa zdvojnásobí počet dosiek aj prietoky, potom sa zdvojnásobí aj výkon.

Čím vyšší je výmenník, tým väčšia je účinnosť (priblíženie teplôt oboch okruhov). Účinnejšie výmenníky majú ale vyššie tlakové straty. Tlakové straty možno znížiť zvýšením počtu dosiek.

Ďalšieho skoku v účinnosti možno docieliť zaradením dvoch výmenníkov za sebou (paralelne). Tento prístup dáva zmysel len pre menšie prietoky, pretože narastú tlakové straty. Na zákazku možno nechať vyrobiť výmenník, ktorý zapuzdruje oba okruhy, zvonku sa potom správa ako jeden výmenník.

Hrúbka dosiek

Ďalším parametrom určujúcim účinnosť výmenníka je súčiniteľ prestupu tepla. Menšia hrúbka dosiek zvyšuje účinnosť, ale znižuje mechanickú a chemickú odolnosť.

Tvar kanálikov dosiek

Väčšina výrobcov dodáva výmenníky v prevedení s kanálikmi typu L, M alebo H, prípadne v kombinácii L + M či M + H. Tvar kanálikov sa vyjadruje ako

• H kanáliky (high theta, veľký uhol): usporiadanie kanálikov medzi doskami kladie prietoku prekážky, to spôsobuje prekotné valenie médiá, turbulencie. Výsledkom je veľká účinnosť a tiež veľký odpor (tzn. veľké tlakové straty);
• M kanáliky (medium, stredný uhol);
• L kanáliky (low theta, malý uhol): malý odpor a tiež menšia účinnosť.

Turbulentné prúdenie

Vhodnosť kanálikov vyjde z výpočtu pre daný projekt. Veľké tlakové straty znamenajú viac práce pre obehové čerpadlo. Ak sú tlakové straty príliš vysoké, dajú sa znížiť zvýšením počtu dosiek. Prílišné znižovanie tlakových strát nie je vždy žiaduce. V takom prípade malý prietok medzi doskami potláča turbulentné prúdenie a zmenšuje šmykové napätie na doskách. Turbulentné prúdenie zabraňuje usadzovaniu nečistôt vo výmenníku. V protokole z výpočtu je uvedené Reynoldsovo číslo a šmykové napätie. U doskových výmenníkov dochádza k turbulentnému prúdeniu ak R > 150. Šmykové napätie sa má navrhovať na 35, ideálne na 50 Pa. Potom sa nečistoty strhávajú späť do obehu. Ak hrozí zanášanie výmenníka nečistotami, nie je vhodné výmenník predimenzovávať. Výpočtový program pomôže nájsť, ktoré kanáliky sú pre daný projekt najvhodnejšie.

Veľkosť prietoku

Reguláciou prietoku možné regulovať výkon výmenníka. Ak sa zdvojnásobí prietok na oboch okruhoch, môže sa až zdvojnásobiť výkon. Ten ale nemožno zvyšovať nad všetky medze. Tlakové straty (odpor výmenníka) totiž rastú so štvorcom prietoku a bolo by nákladné zaobstarať a prevádzkovať také obehové čerpadlo. Investície do obehového čerpadla by mohla prevýšiť cenu výmenníka. V bežných prípadoch je z toho dôvodu vhodné navrhovať na prietoky 1 až 3 m³/h a tlakové straty 20 kPa.

Nesprávne navrhnuté potrubie môže spôsobiť oveľa vyššie tlakové straty ako samotný výmenník. Využite online Výpočet tlakové ztráty třením v potrubí. Tlakové straty sa zvyšujú kvôli armatúram vloženým do potrubia. Koleno zvyšuje dĺžku potrubia o približne 25-násobok jeho priemeru. Príklad: pri použití šiestich kolien na coulovom potrubí to bude približne o 6 × Ø25 × 25 = 3,8 metra dĺžky potrubia. Ak použijete oblúk namiesto kolena, tlakové straty budú približne polovičné. Podobný efekt má náhla zmena dimenzie — prechod má byť pozvoľný, aby sa minimalizovali straty.

Straty doskového výmenníka

Doskový tepelný výmenník SWEP má dva okruhy:

• vnútorný (zapája sa vľavo) je zvyčajne primárny: nemá krajné dosky, všetky dosky sú vnútorné;
• vonkajší (zapája sa vpravo) je zvyčajne sekundárny: jeho prvá a posledná doska slúži zároveň ako krajné dosky výmenníka.

Väčšej účinnosti sa zvyčajne dosiahne, ak sa zapojí horúce médium na vnútorný okruh. Nedochádza potom k úniku tepla do okolitého priestoru. Z rovnakého dôvodu je tiež dobré výmenník tepla izolovať (predávame na to určená puzdra a izolácie). Izolácia zamedzuje aj kondenzácii vody zo vzduchu na čelných doskách.

Vplyv teplôt na účinnosť výmenníka

Je ľahšie dosiahnuť vysokej účinnosti, ak je veľký rozdiel teplôt medzi teplým a chladným okruhom. Aj malý výmenník potom prenesie veľký výkon.

Je ľahšie odovzdať výkon pri ohreve vody zo studne než pri ohreve spiatočky ústredného kúrenia (za predpokladu, že zdroj tepla je v oboch prípadoch totožný). Príklad:

• zdroj (primárny okruh) výkon 23 kW, 70/50 °C:
• a) sekundárny okruh 10/40 °C: výmenník E5Tx10 (10 dosiek);
• b) sekundárny okruh 40/60 °C: výmenník E5Tx70 (70 dosiek).

V oboch prípadoch sú prietoky 1 m³/h a prenesie sa výkon 23 kW. Ak je však studená strana ďaleko od teplej, úloha je jednoduchšie a stačí oveľa menší výmenník.

Naopak, ak sú teploty podobné, je účinnosť malá a je potreba väčší výmenník. V niektorých prípadoch možno zvýšiť účinnosť použitím dvojcestného výmenníka tepla: ide o tepelný výmenník, v ktorom sú v skutočnosti dva okruhy zapojené za sebou.

Výpočet

Parametrov, ktoré majú vplyv na prenášaný výkon je ešte viac. Vyššie sú zhrnuté tie najdôležitejšie. Odporúčame Vám vyžiadať si výpočet pre daný projekt. K orientácii Vám poslúži nasledujúce odkazy:

• online výpočet výmenníka voda-voda (možno použiť aj pre chladič),
• online výpočet doskového chladiča olej-voda,
• tabuľka výkonov spájkovaných výmenníkov SWEP (spád 90/70 °C teplá, 60/80 °C studená strana),
• tabuľka výkonov skladaných výmenníkov ARES (spád 90/80 °C teplá a 75/85 °C studená strana).

Zapojenie doskového výmenníka

• Výmenník nesmie byť vystavený vlniacim alebo prílišným cyklickým teplotným či tlakovým výkyvom.
• Nesmie zamrznúť.
• Používajte ohybné/pružné prípoje, pokiaľ hrozí prenášanie vibrácií.
• Vstupy musia byť vybavené regulačnými ventilmi (pomaly otvárať vstupy pri spustení, zatiaľ čo výstup je plne otvorený).
• Namontujte vypúšťací ventil na spodnú stranu dolného prípoje a odvzdušňovací ventil na hornej strane prípoja (v najvyššom bode). Pri spustení otvorte odvzdušňovacie ventily.
• Ak môže nastať, že tlak v systéme je väčší ako konštrukčný tlak výmenníka, potom na vstup inštalujte poistný ventil.

• Vnútorný okruh: má vývody vľavo, ak stojí výmenník na výšku. Vnútorný okruh má obvykle o dosku menej a nesusedia s vonkajším okolím. Zvyčajne sa na neho zapája zdroj tepla alebo chladivo.
• Vonkajší okruh: má vývody vpravo, ak stojí výmenník na výšku.
• Výmenník stojí na výšku, pokiaľ šípka/šípky na výmenníku smerujú nahor.
• Ohrievač: polohovanie a zapojenie má malý vplyv na chod. Výmenník môže byť kladený vertikálne alebo horizontálne, vstup môže byť zvolený hore aj dole. Odporúča sa výmenník umiestniť tak, že teplý okruh vstupuje do F1, vystupuje v F3; studený okruh vstupuje do F4, vystupuje z F2. Prípadné usadeniny vodného kameňa majú sťažený vstup do výmenníka. Vonkajší okruh používa krajnej dosky, preto by mal byť použitý pre chladné médium (inak by teplo unikalo do priestoru). Asymetrický výmenník (napr. E8ASH, E8LASH): vnútorný okruh (F1-F3) je užší a má väčšie tlakové straty. U prietokového ohrievača sa preto ohrievaná TÚV zapája na vonkajší, tj. širší okruh (F4-F2).
• Chladič: polohovanie a zapojenie má malý vplyv na chod. Výmenník môže byť kladený vertikálne alebo horizontálne, vstup môže byť zvolený hore aj dole. Vonkajší okruh používa krajnej dosky, preto by mal byť použitý pre chladené médium (teplo tak môže unikať aj do okolitého priestoru).
• Kondenzátor: chladivo musí vstupovať hore a kondenzát sa odvádza dole. Ak sú vývody F1 a F3 rovnaké, výmenník je možné otočiť o 180 °. K výmenníku para-voda viďte poznámky v článku o parnom výmenníku.
• Výparník: tekuté chladivo musí vstupovať dole, odparuje sa a výpary sa odvádzajú hore. Niektoré výparníky majú vstup F3 vybavený špeciálnym distribučným zariadením pre rovnomerné rozdelenie chladiva. Pre správnu funkciu sa má dodržať odporúčaná rýchlosť chladiva 10 až 25 m/s na vstupe a 5 až 10 m/s na výstupe (2,5 až 5 m/s ak je prípoj vodorovný); predchádza sa tým tiež akumulácii mazacieho oleja vo výmenníku.

Pre viac podrobností viďte

• manuál spájkovaných výmenníkov SWEP,
• manuál rozoberateľných výmenníkov ARES.