Vytápění – Moderní výměníky tepla | Archiv COK | 2010 | č. 1

Výměníky tepla jsou nedílnou součástí moderních klimatizačních zařízení, včetně snad maximálního počtu prvků pro výměnu tepla. Téměř každé zařízení, mechanismus, jakýkoli výrobní proces zahrnuje procesy spojené s uvolňováním nebo absorpcí tepelné energie. Výměníky tepla ve formě chladicích radiátorů se nacházejí v každém automobilu, v domácích klimatizacích a topení; výměníkem tepla je starý domácí kotel. Účinnost mnoha technologických operací a výkon zařízení závisí na rychlém dodávání nebo odvádění tepla.

Problém výměny tepla S růstem energetické kapacity a objemu výroby se zvyšuje hmotnost a rozměry používaných zařízení pro výměnu tepla, jejichž výroba vyžaduje mnoho peněz a materiálů. Mnoho inženýrů vyvíjejících zařízení pro výměnu tepla se zabývá problémem zmenšení velikosti a hmotnosti výměníků tepla a zvýšením jejich provozní účinnosti. Konstrukce výměníků tepla se také stává složitější. Pro zintenzivnění procesu v tepelných výměnících se používají stále složitější schémata. Používají se například turbulátory, víření proudění v potrubí pomocí šroubových vložek, kanály složitého tvaru, lopatkové vířiče umístěné na vstupu nebo podél celého potrubí. Aby se zvýšila účinnost výměny tepla, do proudu plynu se přidávají kapky kapaliny nebo pevné částice a do proudu kapaliny se přidávají bubliny plynu. Pro zintenzivnění procesů je kapalina ovlivňována elektrostatickými nebo ultrazvukovými poli a využívá se působení vibrací a akustické rezonance. Typy výměníků tepla Podle principu činnosti se výměníky tepla dělí na tři hlavní typy: rekuperační, regenerativní a směšovací. U rekuperačních výměníků tepla dochází k přenosu tepla přes pevnou dělicí stěnu (obvykle kovovou). Pak se nosič tepla a přijímač tepla nemíchají ani nedotýkají, komunikují pouze přes stěnu výměníku tepla. Toto je nejběžnější typ takových zařízení, používaný všude. Tepelným nosičem může být například topná spirála v elektrickém kotli a stěna může mít složitý žebrovaný povrch. Regenerativní výměníky tepla fungují podle složitějšího algoritmu. Zde se teplo teplejší chladicí kapaliny přenáší nejprve na pevné těleso trysky a poté na studené. V tomto případě nosiče tepla postupně omývají trysku, ohřívají ji a chladí. Například v průmyslu se používají výkonné regenerativní výměníky tepla, které nejprve odebírají teplo z ohřáté kapaliny a poté ho uvolňují do ovzduší, čímž se odpojují od cyklu. U směšovacích výměníků tepla dochází k přímému kontaktu mezi teplonosnou látkou a teplonosnou látkou. Tepelné výměníky se smíšeným prouděním se používají, když se látky po smíchání snadno oddělují (např. voda dodává teplo a vzduch ho přijímá), nebo když se látky mohou mísit (např. voda a vodní pára). Takové výměníky tepla se používají například v tepelných elektrárnách (v chladicích věžích). Podle typu zařízení se výměníky tepla dělí na výměníky s topnou plochou tvořenou trubkami (vypadají jako spirály), s plochými topnými plochami a ty, u kterých je topná plocha tvořena stěnami zařízení. Existuje zde poměrně dost podtypů vybavení. Mezi zařízení s topnou plochou tvořenou trubkami patří ponorné výměníky tepla, u kterých je teplosměnná plocha (cívka) umístěna v nádobě s kapalinou, obvykle vodou nebo nemrznoucí směsí. Rozprašovací výměníky tepla se skládají z trubek, které jsou zvenčí postříkány vodou. V tomto případě je přijímačem tepla vzduch a voda zvyšuje přenos tepla odpařováním. Tepelné výměníky typu trubka v trubce se skládají ze dvou soustředně umístěných trubek, přičemž jedna chladicí kapalina proudí vnitřní trubkou a druhá prstencovým prostorem mezi oběma trubkami. Trubkové výměníky tepla jsou široce používány; skládají se ze svazku trubek, jejichž konce jsou upevněny ve speciálních trubkových mřížkách. Svazek trubek je umístěn uvnitř společného pouzdra. V provozním stavu se jedno z chladicích médií pohybuje potrubím a druhé v mezitrubkovém prostoru (mezi pláštěm a potrubím). Tento typ výměníku tepla je nejběžnější v těžkém průmyslu, při výrobě ropy a rafinaci ropy. Co se týče použitelnosti a rozšíření, trubkové výměníky tepla konkurují dnes populárním deskovým výměníkům tepla. Tento typ výměníku tepla zahrnuje také zařízení: kroucená z trubek, s výměnou tepla mezi stěnami zařízení a trubkami, s použitím žebrovaných trubek (vzduchem chlazené výměníky tepla). Mezi výměníky tepla s topnou plochou tvořenou plochými prvky patří deskové a spirálové výměníky tepla. Jejich použití se v posledních letech rozšiřuje díky jejich praktičnosti a vysoké účinnosti, která může dosáhnout 60 %. Mezi výměníky tepla s topnou plochou tvořenou stěnami aparatury patří reaktory, které ohřívají spirály umístěné vně. V tomto případě je teplo dodáváno (nebo odváděno) do cívky, která obklopuje „plášť“ reaktoru. Kromě toho existují podtypy výměníků tepla, které používají různé typy kapalin a také nosiče tepla v různých skupenstvích. Použití kapalin s nízkým bodem varu umožňuje zvýšit přenos tepla a účinnost zařízení odvádějících teplo. Takové výměníky tepla se často nazývají odpařovací nebo dvoufázové. Parametry výměníku tepla Vzhledem k tomu, že nejběžnějším typem výměníků tepla jsou rekuperační, používají se hlavně ve strojírenství při výstavbě a zařizování. Rozdělení podle typu zařízení se týká konkrétně rekuperačních výměníků tepla – specialisté jejich možnosti propracovali nejrozsáhleji a na trhu je nabízena široká škála zařízení pro výměnu tepla tohoto typu. Rekuperační výměníky tepla se vyznačují následujícími parametry: velikost teplosměnné plochy; součinitel přestupu tepla, který vyhodnocuje množství tepla přeneseného přes 1 m2 teplosměnné plochy s teplotním rozdílem mezi teplonosnými látkami 1 °C (tento koeficient závisí na typu teplonosných látek, jejich parametrech a rychlostech pohybu). Stanovené parametry jsou určeny potřebou přenosu tepla a nastavují vlastnosti samotného výměníku tepla: tlak a teploty, při kterých bude výměník tepla pracovat (obvykle se jedná o zvýšené teploty a vysoký tlak, což diktuje přísné požadavky na pevnost materiálů a spojů); teplosměnná plocha (která umožňuje vypočítat výkon výměníku tepla a korelovat jej se skutečnou potřebou); konstrukční materiál (určující spolehlivost konstrukce a účinnost výměny tepla); přítomnost teplotních namáhání (a nutnost jejich kompenzace). Tato napětí vznikají, když se různé části výměníku tepla zahřívají nerovnoměrně, což se pozoruje zejména u velkých průmyslových výměníků tepla a vyžaduje zvláštní pozornost věnovanou konstrukci, materiálům a kompenzačním prvkům. Oblíbené výměníky tepla a jejich použití Výměníky tepla se používají v kotlích, v kapalinových chladicích jednotkách (chillerech), v klimatizacích a rekuperátorech, které přenášejí teplo již ohřátého vzduchu do čerstvého větracího proudu. Regenerativní výměna tepla umožňuje zvýšit účinnost klimatizačního systému a snížit náklady na vytápění. Dalším příkladem použití výměníku tepla je systém založený na efektu tepelného čerpadla. V tomto případě se teplo přenáší přes tepelné výměníky a vnitřní vodní okruh do části budovy, kde je potřeba. Podobný efekt se používá v systémech chladič-fancoil a nazývá se „bypass chladiče“ – když je okolní teplota dostatečně nízká, teplo se odebírá z chladicí vody chladicí věže systému chladič-fancoil. Systémy tepelných čerpadel zahrnují také využití nádrží a podzemní vody jako zdroje tepla. Pomocí výměníku tepla lze podobný systém uspořádat v uzavřeném okruhu: voda ze zásobníku předává teplo připravené odsolené vodě okruhu přes výměník tepla. Tento přístup pomáhá předcházet problémům spojeným s předčasným stárnutím a ucpáváním potrubí uvnitř budovy. V poslední době se deskové výměníky tepla stále častěji používají v klimatizačních systémech. Jak již bylo uvedeno, zabírají méně místa s větší plochou pro přenos tepla, jsou praktičtější a efektivnější. Odborníci tvrdí, že použití deskových výměníků tepla ve skutečnosti poskytuje mnoho výhod. Podle odborných odhadů může nahrazení trubkových výměníků tepla deskovými výměníky tepla v různých případech zvýšit provozní účinnost o 20–30 %. U většiny výměníků tepla je hlavním konstrukčním materiálem legovaná ocel nebo měď. Jako pájka se používá měď nebo odolnější materiály obsahující nikl. Tlakový rozsah těchto deskových výměníků tepla dosahuje 31 barů při teplotách až 185 °C. Deskový výměník tepla je obvykle prvek, ve kterém chladivo cirkuluje v rovinách mezi deskami spojenými dohromady. Na deskách jsou vytvořeny kanály pro pohyb chladicí kapaliny, po kterých jsou spájeny nebo upevněny jiným způsobem. Tloušťka desek takového výměníku tepla je obvykle několik desetin milimetru (0,3–0,8 mm). Celková plocha desek se může lišit. Uživatel může navíc změnit efektivní plochu výměny tepla přidáním dalších desek do výměníku tepla nebo jejich odstraněním z něj. Je důležité si uvědomit, že zde do popředí vystupují fyzikální parametry výměníků tepla – hmotnost, velikost. U deskových výměníků tepla se jedná o plochu desek a úkolem inženýrů je minimalizovat celkový objem systému výměny tepla a zvýšit tak jeho výkon. Aby se toho dosáhlo, jsou výměníky tepla kombinovány různými způsoby, které určují vzdálenost mezi nimi a rychlost pohybu kapalin uvnitř. Údržba výměníku tepla Komfortní klima uvnitř jakýchkoli prostor, ať už se jedná o kancelář, bytový dům nebo chatu, ovlivňuje efektivitu práce a pohodlí života lidí. Proto téměř jakékoli zařízení pro regulaci klimatu (topení, klimatizace) často pracuje nepřetržitě. Během údržby vyžadují různé typy výměníků tepla různou úroveň pozornosti. Stejně jako u jakéhokoli zařízení jsou nutné pravidelné kontroly a sledování stability výměníků tepla. Změny parametrů (například výstupních teplot) systému, který obsahuje výměník tepla, mohou naznačovat snížení jeho provozní účinnosti. V tomto případě je nutné zkontrolovat stav teplosměnných ploch. V první řadě je třeba sledovat povrchy, které přicházejí do kontaktu s vodou. Při použití běžné, neupravené vody se na stěnách trubek a deskových výměníků tepla usazují soli, které zmenšují průřez trubek a snižují tepelnou vodivost stěn. Pokud je u trubkových výměníků tepla vrstva vodního kamene 0,05–0,1 m zcela normální, pak je u deskových výměníků tepla tento ukazatel kritický – jsou vybaveny kanály s velmi malým průřezem. Proto i minimální usazeniny soli rychle mění termodynamické parametry takových výměníků tepla. Pokud jde tedy o čištění vnějších povrchů desek, je vše jednoduché, ale jakmile dojde na čištění vnitřních kanálů, nastávají potíže. K řešení těchto problémů se používají různé metody. Zpočátku se k odstraňování usazenin solí používaly pouze chemické metody: do výměníku tepla se přiváděly speciální sloučeniny. Tato metoda čištění se dodnes hojně používá, ale nebojuje proti usazeninám křemíku, které se v některých případech vyskytují. Problém nějakou dobu zůstával nevyřešen, ale v poslední době se stále více popularizuje ultrazvuková metoda ochrany trubek a kanálů výměníku tepla: ultrazvuk dokáže snížit rychlost tvorby vodního kamene a v některých případech dokonce zajistit, aby zařízení fungovalo bez tvorby usazenin. Zastánci deskových výměníků tepla však tvrdí, že k takové kontaminaci dochází extrémně pomalu kvůli vysoké turbulenci proudění chladiva cirkulujícího zařízením. Tato turbulence je způsobena žebrováním desek výměníku tepla a jejich hladkostí. Výrobci často tvrdí, že desky jsou speciálně leštěny, aby se zlepšil přenos tepla a zvýšila turbulence. Dalším typem práce související s údržbou výměníků tepla je čištění vnějších jednotek, které přicházejí do kontaktu s atmosférickým vzduchem. Povrchová oxidace zde nehraje nejdůležitější roli, ale hlavním problémem je mechanické znečištění: vnější jednotka se ucpává prachem, topolovým chmýřím, listím a dalšími nečistotami. V důsledku toho výměník tepla prakticky přestane propouštět vzduch, odvod tepla je narušen, kompresor se začne přehřívat a často selhává. Proto je nutné provádět preventivní kontrolu a čištění externích výměníků tepla alespoň jednou ročně. Při správné údržbě vydrží kvalitní výměník tepla 18–20 let bez opravy. U klimatizačních zařízení se jedná o kritickou životnost, po které je obvykle nutná kompletní výměna. Průmyslové výměníky tepla lze téměř vždy po generální opravě podrobit renovaci a uvést je do provozu.

Deskové výměníky tepla jsou univerzálním technickým zařízením používaným v různých oblastech lidské činnosti. Je kompaktní, snadno se opravuje a má vysoké vlastnosti přenosu tepla. Ty jsou zajištěny reliéfním zvlněním desek, které jsou vůči sobě umístěny pod úhlem 180°. Dnes se podíváme na oblasti, ve kterých je důležité používat výměníky tohoto typu.

systém TUV

Systém zásobování teplou vodou se používá v obytných budovách, kancelářích, podnicích obecně na jakémkoli místě, kde je potřeba teplá voda. V tomto případě je funkcí výměníků tepla zajistit požadovaný objem připravované vody. Pomocí teplosměnných zařízení jde teplo z topné kapaliny kotle nebo z topné sítě do vytápěné. Ve výměníku tepla instalovaném v systému TUV se kapalina ohřívá na požadovanou teplotu – průměrně +60°C.

Výměník tepla v systému TUV má ve srovnání s jinými podobnými zařízeními řadu kladných vlastností. Nejprve je třeba poznamenat, že výměník tepla má desky se speciálním vzorem kanálů, díky nimž se v pracovním médiu vytváří turbulence. Díky tomuto jevu, kterému se také říká turbulizace proudění, se na deskách ukládá méně vodního kamene. Mimochodem, počet desek lze zvýšit, i když je již nainstalováno zařízení pro výměnu tepla – díky tomu bude výkonnější. Výměník tepla je také dobrý, protože má skládací konstrukci, což znamená, že v případě potřeby bude snazší umýt a opravit. Propláchnutí výměníku tepla trvá v průměru asi 6 hodin. Údržbu zvládnou dva lidé, hlavní je, že máte základní instalatérské dovednosti.

Topný systém

Existuje mnoho typů topných systémů, některé zahrnují instalaci „teplé podlahy“, jiné používají standardní radiátory a jiné fungují na principu ohřevu vzduchu. Bez ohledu na to, která možnost je použita, má výměník tepla zvláštní roli – chladivo se v něm ohřívá a odtud jde do topného zařízení, které zajišťuje přenos tepla do ohřívaného média, tj. pokoj. Deskový výměník má za úkol ohřívat vodu v něm. Zařízení je efektivní, protože se vyznačuje vysokou účinností a koeficientem prostupu tepla. S výměníkem v otopné soustavě je zajištěno kvalitní vytápění ploch a je dosaženo i energetických úspor.

Při výběru zařízení, ve kterém se bude ohřívat chladicí kapalina, bereme v úvahu topnou zátěž. Toto je název pro množství tepla, které stačí k vyhřátí místnosti. Pro výpočet zatížení se zpravidla bere v úvahu plocha nebo objem budovy. Protože topné systémy vyžadují vysoké teploty, je třeba k tomuto úkolu přistupovat co nejzodpovědněji.

Každý typ zařízení je vypočítán na základě specifických provozních podmínek.

Vyhřívání bazénu

Koupání v bazénu je zdravé a příjemné, ale pouze pokud má voda příjemnou teplotu. Obvykle se vyhřívá na +28° C. Bazény mohou být otevřené nebo uzavřené, každý vyžaduje ohřev vody. Rozlišuje se přirozené vytápění – od slunce a nucené vytápění, kdy se využívají zdroje tepla ovlivňující životní prostředí. Princip fungování takového schématu je jednoduchý: topná kapalina ze zdroje tepla se přesune do tepelného výměníku pro bazén, díky tomu se ohřívané médium přivede na požadovanou teplotu. Voda jím pravidelně cirkuluje, což umožňuje udržovat vytápění.

Je třeba poznamenat, že bazény jsou naplněny sladkou nebo mořskou vodou. Pokud se používá čerstvá voda, musí být desky zařízení vyrobeny z nerezové oceli. Pokud námořní – titan. Volba materiálu je ovlivněna obsahem chloridů v kapalině. A aby zařízení fungovalo stabilně i ve ztížených podmínkách, jsou instalovány desky o tloušťce 0.5 – 0.7 mm.

Chlazení a ohřev potravinářských výrobků

Potravinová média, která vyžadují chlazení nebo ohřev (mléko, mladina atd.), také vyžadují výměník tepla. V tomto případě je zařízení vyrobeno ve speciální „potravinářské kvalitě“. Jsou to: desky z oceli třídy AISA 316, trubky – také z nerezové oceli. Potravinářské médium a ocel ve vzájemném kontaktu nemění své vlastnosti.

Zařízení pro výměnu tepla se často používá pro potravinářská prostředí, ale pro pivovary je často nutné chladit pivní mladinu.

Parovodní systémy

V průmyslovém prostředí existují systémy využívající páru. Například pro výrobu páry používané pro technické potřeby je instalován parní kotel. Jako topné médium lze použít i páru. Když vstoupí do výměníku tepla, ohřeje další médium, které může být naopak odesláno do systému vytápění nebo teplé vody.

Další možnosti provozu

Vyrábíme různé typy výměníků, klasické i víceprůchodové, u kterých je vstupní a výstupní potrubí umístěno jak v přední, tak na koncové desce. Zařízení vyžaduje provoz v různých podmínkách. S ním můžete:

• ochlaďte dielektrickou kapalinu;
• odvádět teplo z chladicího pláště pístového motoru;
• odebírat teplo ze solárních topných těles;
• zahřívat roztavenou vodu;
• chladné oleje používané ve výrobních strojích, výměnících tepla freonového typu atd.

Jako příklad si popišme jednu z našich nedávných objednávek. Úkolem je ochladit dielektrickou kapalinu používanou k odvodu tepla z počítačového vybavení. Za tímto účelem byl sestaven speciální pájený výměník tepla, který problém snadno vyřeší.

Závěr

Jak vidíte, deskové výměníky nacházejí uplatnění v různých průmyslových odvětvích. Jsou to zařízení s teplosměnnou plochou tvořenou sadou desek. Stručně řečeno, zařízení se používají pro jakýkoli proces, kde dochází k cirkulaci horkých a studených médií a jejich ohřevu.