Princip tepelných výměníků

Zákazníci obvykle poptávají výměníky pro zařízení

  • bez změny fáze: typicky voda-voda pro vytápění a ohřev či olej-voda pro chladiče.
  • Někdy ve výměníku dochází ke změně fáze:
    • výparník (chladivo se ve výměníku odpařuje, tj. přechází z tekuté do plynné fáze), nebo
    • kondenzátor (chladivo ve výměníku kondenzuje, tj. z plynné fáze přechází do tekuté).

Účinnost výměníku

Ideální výměník má účinnost 100 %. Reálný výměník takové účinnosti nedosahuje. Deskový výměník je však nejvíce účinný tepelný výměník (3x až 5x účinnější než trubkový výměník tepla). Účinnost výměníku se počítá jinak při zapojení do protiproudu.

Pro dosažení velké účinnosti výměníku je potřeba poskytnout velkou teplosměnnou plochu. Uvnitř výměníku jsou na sebe skládány desky v mnoha vrstvách: střídá se okruh teplého a studeného média. Desky jsou vyrobeny z nerezové oceli, většinou AISI316 o tloušťce 0,5 mm.

Teplé či studené médium proudí střídavě v každé druhé vrstvě; média jsou deskami oddělena a nemohou se míchat

Pro zvětšení teplosměnné plochy jsou desky žebrovány a média proudí v kanálcích vytvořenými těmito žebry. Žebra také způsobují turbulence v toku, což vytváří podmínky pro samočištění výměníku. Desky jsou ve výměníku uspořádány tak, aby byly oba nezávislé toky odděleny. Teplé či studené médium proudí střídavě v každé druhé vrstvě a média jsou deskami oddělena a nemohou se míchat.

K utěsnění jednotlivých vrstev vytvořenými deskami se zpravidla používá pájka (měd, nikl). I ta se podílí na výměně tepla. U rozebiratelných výměníků je místo pájky gumové těsnění. Rozebiratelné výměníky lze otevřít a čistit a také je možné dodatečně zvýšit jejich kapacitu přidáním dalších desek.

Při návrhu výměníku se hledá optimum mezi cenou a účinností. V mnoha aplikacích nemá cenu usilovat o extrémní účinnost, neboť nespotřebované teplo není odpad, ale vrátí se zpět ke zdroji. Každé další zvýšení účinnosti výměníku je dražší a dražší, jak ilustruje graf:

Výkon pro různé deskové výměníky při ohřevu vody. Primární okruh voda 80 °C 1 kg/s, sekundární okruh voda 0 °C 1 kg/s

Ilustrace: jaké náklady odpovídají zvýšování účinnosti (klikněte pro zvětšení)

Model pracuje s primární stranou vstup 80 °C, sekundární 0 °C, oba průtoky 1 kg/s, zapojení do protiproudu. Ideální (nedosažitelný) výkon pro zapojení v protiproudu je 334 kW. Graf zaznamenává výkony pro výměníky: a) B10TH (malý), b) B120TH (střední) a c) B439H (velký výměník). Různé počty desek (10 až 140); 2P je dvouokruhová verze výměníku. Výměníky s tlakovými ztrátami nad 50 kPa byly odstraněny z grafu. Čísla u křivek sdělují poměr cena/výkon.

Z grafu lze vyčíst, že počet desek se může zvýšit na dvoj- či trojnásobek, účinnost se však zvýší nepatrně: výkon nemusí vzrůst ani o 10 %.

Tloušťka desek

Dalším parametrem určujícím účinnost výměníku je součinitel prostupu teplosměnné plochy. Menší tloušťka desek zvyšuje účinnost, ale snižuje mechanickou a chemickou odolnost.

Tvary kanálků

Tvary kanálků H a L vlisovaných do desek tepelných výměníků

Kanálky vlisované do desek se vyrábějí v různých variantách, typicky

  1. H (high theta, velký úhel),
  2. M (medium) a
  3. L (low theta, malý úhel).
  • H kanálky (vlevo) způsobují větší turbulence, větší odpor toku, tzn. větší tlakové ztráty a účinnost výměníku; je potřeba silnější čerpadlo.
  • L kanálky (vpravo): menší odpor ale také menší účinnost.

Výpočtový program pomůže najít, které kanálky jsou pro daný projekt nejekonomičtější.

Zapojení souproud vs protiproud

Účinnost tepelného výměníku při zapojení do souproudu a do protiproudu
Účinnost výměníku při zapojení jako protiproud a souproud: účinnost výměníku je mnohem vyšší při zapojení do protiproudu

Výměník se obvykle počítá a zapojuje do protiproudu. Při takovém zapojení má mnohem větší účinnost než při zapojení do souproudu.

Ztráty deskového výměníku

Deskový tepelný výměník má dva okruhy:

  • primární okruh (zapojuje se vlevo) je vnitřní: nemá krajní desky, všechny desky jsou vnitřní;
  • sekundární okruh (zapojuje se vpravo) je vnější: jeho první a poslední deska slouží zároveň jako krajní desky výměníku.

Větší účinnosti se obvykle dosáhne, zapojí-li se horké médium na vnitřní okruh. Nedochází potom k úniku tepla do okolního prostoru. Ze stejného důvodu je také dobré výměník tepla izolovat (prodáváme k tomu určená pouzdra a izolace). Izolace zamezuje i opačnému jevu: kondenzaci vody ze vzduchu na čelních deskách.

Vliv teplot na účinnost výměníku

Je snadnější dosáhnout vysoké účinnosti, je-li velký rozdíl teplot mezi teplým a chladným okruhem. I malý výměník pak přenese velký výkon.

Naopak, jsou-li teploty podobné, je účinnost malá a je potřeba větší výměník. V některých případech lze zvýšit účinnost použitím dvoucestného výměníku tepla: jde o tepelný výměník, ve kterém jsou ve skutečnosti dva okruhy zapojeny za sebou.

Zapojení výměníku tepla SWEP

Zapojení vývodů výměníku SWEP
  1. Typ voda-voda: polohování a zapojení má malý vliv na chod. Výměník může být kladen vertikálně nebo horizontálně, vstup může být zvolen nahoře i dole. Doporučuje se výměník umístit podle obr. A: šipka směřuje nahoru a teplý okruh vstupuje do F1, vystupuje v F3; studený okruh vstupuje do F4, vystupuje z F2. Vnější okruh (F4-F2) používá krajní desky, proto by měl být použít pro chladné médium (jinak by teplo unikalo do prostoru).
  2. Kondenzátor: chladivo (páry/plyn) má vstupovat do F1 podle obrázku A.
  3. Výparník: tekuté chladivo má vstupovat do F2 podle obrázku B.