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. Běžně se dosahuje účinnosti větší než 90 %. To v praxi znamená, že studená strana se ohřeje na vyšší teplotu, než pokud by se obě média smísila v nádobě. Toho je možné dosáhnout zapojením jako protiproudý výměník tepla.

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 AISI 316 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 SWEP má dva okruhy:

  • vnitřní (zapojuje se vlevo) je obvykle primární: nemá krajní desky, všechny desky jsou vnitřní;
  • vnější (zapojuje se vpravo) je obvykle sekundární: 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 F3 podle obrázku B, odpařuje se a vystupuje z F1. U výměníků SWEP typu V je vstup F3 opatřen speciálním distribučním zařízením pro rovnoměrné rozdělení chladiva.