MENU
Výměníky tepla Ostrava

Princip a výkon 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).

Výkon deskového výměníku

Výkon je veličina, o kterou se uživatelé zajímají nejvíce. Předávaný výkon není stanoven pro daný typ výměníku: jeden výměník může přenášet 20 nebo 100 kW v závislosti na použitých teplotách a médiích. Výkon závisí na celé řadě parametrů a je potřeba posuzovat konkrétní aplikaci. Přenášený výkon závisí na

  • velikosti výměníku (šířce a výšce),
  • počtu desek výměníku,
  • tvaru kanálků desek,
  • velikostech objemových průtoků,
  • na vzdálenosti teplot médií primárního a sekundárního okruhu,
  • na fyzikálních vlastnostech médií.

Velikost výměníku

Výměník se obvykle počítá a zapojuje do protiproudu. Při takovém zapojení má mnohem větší účinnost než při zapojení do souproudu. Je-li výměník vysoký, pak se teplo předává po dlouhé délce a díky zapojení do protiproudu lze dosáhnout velkého přiblížení teplot primár-vstup vůči sekundár-výstup. Avšak vysoký výměník také klade větší odpor a bude potřeba silnější čerpadlo pro překonání tlakových ztrát. Tlakové ztráty lze snížit přidáním počtu desek: zdvojnásobení počtu desek sníží tlakové ztráty na čtvrtinu.

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. Lze dosáhnout velkého přiblížení teplot primár-vstup a sekundár-výstup.

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 rozebíratelných výměníků je místo pájky gumové těsnění. Rozebíratelné 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:

Počet desek výměníku

Přidáním počtu desek lze bezesporu výkon navýšit. Zpočátku výkon narůstá, další přidávání desek zvyšuje výkon pomaleji. Aby se zvýšil výkon s navyšováním počtu desek, je potřeba zvyšovat i průtoky. Pokud se zdvojnásobí počet desek i průtoky, pak se zdvojnásobí i výkon.

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 tepla. Menší tloušťka desek zvyšuje účinnost, ale snižuje mechanickou a chemickou odolnost.

Tvar kanálků desek

Tvary kanálků H a L vlisovaných do desek tepelných výměníků

Většina výrobců dodává výměníky v provedení s kanálky typu L, M nebo H, případně v kombinaci L+M či M+H. Tvar kanálků se vyjadřuje jako

  • H kanálky (high theta, velký úhel): uspořádání kanálků mezi deskami klade průtoku překážky, to způsobuje překotné valení média, turbulence. Výsledkem je velká účinnost a také velký odpor (tzn. velké tlakové ztráty);
  • M kanálky (médium, střední úhel);
  • L kanálky (low theta, malý úhel): malý odpor a také menší účinnost.
Tvary kanálků výměníků tepla ARES

Vhodnost kanálků vyjde z výpočtu pro daný projekt. Velké tlakové ztráty znamenají více práce pro oběhové čerpadlo. 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. Turbulentní proudění přináší samočisticí schopnost výměníku. Proto, hrozí-li zanášení výměníku nečistotami, není vhodné výměník příliš předimenzovávat. Je to turbulentní proudění, které zamezuje zanášení desek výměníku nečistotami.

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

Velikost průtoku

Regulací průtoku lze regulovat výkon výměníku. Pokud se zdvojnásobí průtok na obou okruzích, může se až zdvojnásobit výkon. Ten ale nelze zvyšovat nade všechny meze. Tlakové ztráty (odpor výměníku) totiž rostou se čtvercem průtoku a bylo by nákladné pořídit a provozovat takové oběhové čerpadlo. Investice do oběhového čerpadla by mohla převýšit cenu výměníku. V běžných případech je z toho důvodu vhodné navrhovat na průtoky 1 až 3 m3/h a tlakové ztráty 20 až 40 kPa.

Výkonové křivky čerpadel GRUNDFOS Alpha1L Výkonové křivky čerpadel GRUNDFOS Alpha1L XX-40

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.

Je snazší předat výkon při ohřevu vody ze studny než při ohřevu zpátečky ústředního topení (za předpokladu, že zdroj tepla je v obou případech totožný). Příklad:

  • zdroj (primární okruh) výkon 23 kW, 70/50 °C:
  • a) sekundární okruh 10/40 °C: výměník E5Tx10 (10 desek);
  • b) sekundární okruh 40/60 °C: výměník E5Tx70 (70 desek).

V obou případech jsou průtoky 1 m3/h a přenese se výkon 23 kW. Avšak je-li studená strana daleko od teplé, úloha je jednodušší a stačí mnohem menší výměník.

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.

Výpočet

Parametrů, které mají vliv na přenášený výkon je ještě více. Výše jsou shrnuty ty nejdůležitější. Doporučujeme Vám vyžádat si výpočet pro daný projekt. K orientaci Vám poslouží následující odkazy:

Zapojení deskového výměníku

  • Výměník nesmí být vystaven přílišným teplotním či tlakovým cyklům a výkyvům.
  • Nesmí zamrznout.
  • Používejte ohebné/pružné přípoje, pokud hrozí přenášení vibrací.
  • Vstupy musejí být vybaveny regulačními ventily (pomalu otevírat vstupy při spuštění, zatímco výstup je plně otevřen).
  • Namontujte vypouštěcí ventil na spodní stranu dolního přípoje a odvzdušňovací ventil na horní straně přípoje (v nejvyšším bodě). Při spuštění otevřít odvzdušňovací ventily.
  • Pokud může nastat, že tlak v systému je větší než konstrukční tlak výměníku, pak vstupy vybavit pojistným ventilem.
Zapojení vývodů výměníku SWEP
Zapojení vývodů výměníku SWEP
  • Vnitřní okruh: má vývody vlevo, stojí-li výměník na výšku. Vnitřní okruh má obvykle o desku méně a nesousedí s vnějším okolím. Obvykle se na něj zapojuje zdroj tepla nebo chladivo.
  • Vnější okruh: má vývody vpravo, stojí-li výměník na výšku.
  • Výměník stojí na výšku, pokud šipka/šipky na výměníku směřují nahoru.
  • Ohřívač: 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 tak, že teplý okruh vstupuje do F1, vystupuje v F3; studený okruh vstupuje do F4, vystupuje z F2. Případné usazeniny vodního kamene mají ztížený vstup do výměníku. Vnější okruh používá krajní desky, proto by měl být použit pro chladné médium (jinak by teplo unikalo do prostoru). Asymetrický výměník (např. E8ASH, E8LASH): vnitřní okruh (F1-F3) je užší a má větší tlakové ztráty. U průtokového ohřívače se proto ohřívaná TUV zapojuje na vnější, tj. širší okruh (F4-F2) .
  • Chladič: polohování a zapojení má malý vliv na chod. Výměník může být kladen vertikálně nebo horizontálně, vstup může být zvolen nahoře i dole. Vnější okruh používá krajní desky, proto by měl být použit pro chlazené médium (teplo tak může unikat i do okolního prostoru).
  • Kondenzátor: chladivo musí vstupovat nahoře a kondenzát se odvádí dole. Jsou-li vývody F1 a F3 stejné, výměník je možné otočit o 180 °. K výměníku pára-voda vizte poznámky v článku o parním výměníku.
  • Výparník: tekuté chladivo musí vstupovat dole, odpařuje se a výpary se odvádějí nahoře. U výměníků SWEP typu V je vstup F3 opatřen speciálním distribučním zařízením pro rovnoměrné rozdělení chladiva. Pro správnou funkci se má dodržet doporučená rychlost chladiva 10 až 25 m/s na vstupu a 5 až 10 m/s na výstupu (2,5 až 5 m/s je-li přípoj vodorovný); předchází se tím také akumulaci mazacího oleje ve výměníku.
Výměník zapojený tak, aby bylo možné jednoduše napojit čisticí okruh Výměník zapojený tak, aby bylo možné jednoduše napojit čisticí okruh
Aby se nemusel pro čištění výměník odpojovat, je dobré v době instalace pamatovat na napojení čisticího okruhu. Bude-li čištění probíhat často, potom lze instalovat výměník s vývody na přední i zadní straně. Vývody na zadní straně lze využít pro čištění.

Pro více podrobností vizte

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