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 najčastejšie požadujú výmenníky pre zariadenia bez zmeny fázy – napr. voda-voda pre vykurovanie alebo olej-voda pre chladiče.

Niekedy vo výmenníku dochádza k zmene fázy:

• Výparník – chladivo sa odparuje vo výmenníku (prechádza z kvapalnej do plynnej fázy).
• Kondenzátor – chladivo kondenzuje (prechádza z plynnej do kvapalnej fázy).

Výkon doskového výmenníka

Výkon výmenníka nie je pevne stanovený – rovnaký model môže prenášať 20 kW alebo 100 kW v závislosti od prevádzkových podmienok. Hlavné faktory ovplyvňujúce výkon:

• Rozmery výmenníka (šírka, výška)
• Počet dosiek
• Geometria kanálikov
• Prietoky médií
• Teplotný rozdiel medzi primárnym a sekundárnym okruhom
• Fyzikálne vlastnosti médií

Veľkosť výmenníka a tlakové straty

Výmenníky sa zvyčajne navrhujú na protiprúdové zapojenie, ktoré je oveľa účinnejšie ako súprúdové. Väčšia výška výmenníka zlepšuje teplovýmenný proces, ale zvyšuje tlakové straty.

• Zdvojnásobením počtu dosiek znížite tlakové straty na štvrtinu.
• Efektívnejšie výmenníky majú vyššie tlakové straty, preto budete potrebovať výkonnejšie čerpadlo.
• Pre nízke prietoky môžete zvýšiť účinnosť zapojením dvoch výmenníkov za sebou.

Účinnosť výmenníka

Ideálny výmenník by mal 100% účinnosť, no v praxi doskový výmenník bežne dosahuje viac ako 90 %. To znamená, že studená strana sa ohreje viac, než keby sa médiá zmiešali.

Pre dosiahnutie vysokej účinnosti výmenníka je potrebné zabezpečiť čo najväčšiu teplovýmennú plochu. Vo vnútri výmenníka sú dosky uložené v niekoľkých vrstvách, pričom sa strieda prietok teplého a studeného média. Dosky sú vyrobené z nerezovej ocele, najčastejšie typu AISI 316, s hrúbkou 0,5 mm.

Na utesnenie jednotlivých vrstiev medzi doskami sa spravidla používa spájka (najčastejšie meď alebo nikel), ktorá sa zároveň podieľa na prestupe tepla.

V prípade rozoberateľných výmenníkov sa namiesto spájky používajú gumové tesnenia. Tieto výmenníky je možné otvoriť a vyčistiť, prípadne rozšíriť ich kapacitu pridaním ďalších dosiek.

Počet dosiek výmenníka

Zvýšením počtu dosiek možno jednoznačne navýšiť výkon výmenníka. V počiatočnej fáze výkon stúpa výrazne, no s ďalším pridávaním dosiek už rastie pomalším tempom. Aby sa výkon efektívne zvyšoval spolu s počtom dosiek, je potrebné zároveň zvýšiť prietoky médií. Ak zdvojnásobíte počet dosiek aj prietoky, výkon sa zdvojnásobí.

Čím je výmenník vyšší, tým efektívnejšie prebieha výmena tepla – teploty primárneho a sekundárneho okruhu sa môžu viac priblížiť, čím rastie účinnosť. Zároveň však platí, že účinnejšie výmenníky majú vyššie tlakové straty. Tie možno znižovať pridaním dosiek, čím sa zníži odpor prúdenia.

Ďalšie zvýšenie účinnosti možno dosiahnuť zapojením dvoch výmenníkov za sebou (paralelne). Tento spôsob je však vhodný najmä pre menšie prietoky, pretože tlakové straty výrazne rastú. Je možné na mieru vyrobiť výmenník, ktorý obsahuje oba okruhy v jednom tele – navonok sa správa ako jeden kompaktný výmenník.

Hrúbka dosiek

Ďalším parametrom ovplyvňujúcim účinnosť výmenníka je súčiniteľ prestupu tepla. Tenkšie dosky zvyšujú účinnosť, ale znižujú mechanickú a chemickú odolnosť.

Tvar kanálikov dosiek

Väčšina výrobcov ponúka výmenníky s kanálikmi typu L, M alebo H, prípadne ich kombinácie (napr. L+M alebo M+H):

• H kanáliky (high theta, veľký uhol) – vysoká účinnosť vďaka intenzívnemu turbulentnému prúdeniu, zároveň však veľké tlakové straty.
• M kanáliky (medium, stredný uhol) – kompromis medzi účinnosťou a tlakovými stratami.
• L kanáliky (low theta, malý uhol) – nízke tlakové straty, ale aj nižšia účinnosť.

Turbulentné prúdenie

Výber typu kanálikov závisí od konkrétneho výpočtu.

• Vysoké tlakové straty zvyšujú nároky na čerpadlo, ale podporujú turbulentné prúdenie, ktoré znižuje riziko zanášania.
• Príliš nízke tlakové straty môžu potlačiť turbulentné prúdenie a znížiť šmykové napätie na doskách.

Turbulentné prúdenie vzniká pri Reynoldsovom čísle R > 150. Odporúčané šmykové napätie je 35–50 Pa, čo zaisťuje spätné strhávanie nečistôt.

Pri riziku zanášania nepredimenzovávajte výmenník. Vhodný typ kanálikov vám pomôže určiť výpočtový softvér.

Veľkosť prietoku

Výkon výmenníka možno regulovať zmenou prietoku. Pri zdvojnásobení prietoku v oboch okruhoch sa môže výkon takmer zdvojnásobiť. Zvýšenie prietoku má však svoje limity – tlakové straty rastú so štvorcom prietoku, čo výrazne zvyšuje nároky na čerpadlo. Nákup a prevádzka silnejšieho čerpadla môže byť drahšia než samotný výmenník.

Pre bežné aplikácie sa odporúča navrhovať na prietoky 1 až 3 m3/h a tlakové straty okolo 20 kPa.

Nesprávne navrhnuté potrubie môže spôsobiť výrazne vyššie tlakové straty než samotný výmenník. Tlakové straty rastú v dôsledku armatúr vložených do potrubia. Napríklad jedno koleno zvyšuje dĺžku potrubia o cca 25-násobok jeho priemeru.

Príklad: pri šiestich kolenách na coulovom potrubí (Ø25 mm) ide o ekvivalentnú dĺžku: 6 × Ø25 × 25 = 3,8 metra. Ak namiesto kolena použijete oblúk, tlakové straty budú približne polovičné. Rovnaký negatívny efekt má aj náhla zmena dimenzie – prechod musí byť plynulý, aby sa minimalizovali straty.

Na výpočet strát v potrubí odporúčame použiť online nástroj.

Straty doskového výmenníka

Doskový výmenník SWEP má dva okruhy:

• Vnútorný okruh (pripojenie vľavo) – zvyčajne primárny; nemá krajné dosky, všetky sú vnútorné.
• Vonkajší okruh (pripojenie vpravo) – zvyčajne sekundárny; prvá a posledná doska zároveň slúžia ako krycie.

Vyššiu účinnosť dosiahnete, ak horúce médium pripojíte na vnútorný okruh – znižuje sa tým teplotná strata do okolia. Z rovnakého dôvodu je vhodné výmenník izolovať (ponúkame na to určené puzdrá), čím sa zároveň predíde kondenzácii vody na čelných doskách.

Výpočet

Parametrov ovplyvňujúcich prenášaný výkon je viac, než bolo uvedené vyššie – tu sú zhrnuté len tie najdôležitejšie. Pre presné dimenzovanie odporúčame vyžiadať si výpočet pre konkrétny projekt. Na orientáciu môžete využiť 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

• Nevystavujte výmenník pulzáciám ani výrazným cyklickým zmenám tlaku a teploty.
• Zabráňte zamrznutiu média vo výmenníku.
• Pri riziku vibrácií používajte pružné pripojenia.
• Vstupy vybavte regulačnými ventilmi – pri spustení pomaly otvárajte vstupy, výstup ponechajte plne otvorený.
• Namontujte vypúšťací ventil na spodnú časť spodného pripojenia, odvzdušňovací ventil na hornú časť (najvyšší bod). Pri spustení odvzdušnite systém.
• Ak môže tlak v systéme prekročiť konštrukčný tlak výmenníka, nainštalujte poistný ventil na vstup.

Orientácia okruhov

• Vnútorný okruh – vývody vľavo (pri vertikálnom postavení), zvyčajne primárny. Má o jednu dosku menej a nesusedí s okolím. Často sa naň pripája zdroj tepla alebo chladivo.
• Vonkajší okruh – vývody vpravo, zvyčajne sekundárny. Prvá a posledná doska slúžia ako krycie dosky.
• Výmenník je vo zvislej polohe, ak šípka/šípky na tele smerujú nahor.

Zapojenie podľa aplikácie

Ohrievač

• Možno inštalovať vertikálne aj horizontálne, vstup môže byť hore aj dole.
• Odporúčané zapojenie:
• Teplý okruh smerom nadol: vstup F1, výstup F3.
• Studený okruh smerom nahor: vstup F4, výstup F2.
• Tento spôsob obmedzuje usadzovanie vodného kameňa.
• Vonkajší okruh používajte pre studené médium, inak dochádza k únikom tepla do priestoru.
• Pri asymetrických modeloch (napr. E8ASH, E8LASH) má vnútorný okruh (F1–F3) vyšší odpor – preto sa pri prietokových ohrievačoch TÚV odporúča napojiť ohrievanú vodu na vonkajší, širší okruh (F4–F2).

Chladič

• Na orientácii a zapojení nezáleží, možné je vertikálne aj horizontálne uloženie.
• Vonkajší okruh je vhodné použiť pre chladené médium, pretože teplo môže unikať aj do okolia.

Kondenzátor

• Chladivo vstupuje zhora, kondenzát odteká dolu.
• Ak sú vývody F1 a F3 rovnaké, výmenník je možné otočiť o 180°.
• Pri výmenníkoch typu para–voda odporúčame pozrieť špecifické inštrukcie.

Výparník

• Tekuté chladivo vstupuje zdola, odparuje sa a výpary sa odvádzajú hore.
• Niektoré modely majú vstup F3 vybavený distribučným zariadením na rovnomerné rozdelenie chladiva.
• Odporúčaná rýchlosť chladiva:
• 10–25 m/s na vstupe
• 5–10 m/s na výstupe (alebo 2,5–5 m/s, ak je pripojenie horizontálne)
• Tieto hodnoty pomáhajú zabrániť hromadeniu mazacieho oleja vo výmenníku.

Pre viac podrobností viďte

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