W artykule poddano analizie rozwiązania konstrukcyjne oraz zasadę działania nierozbieralnych (lutowanych i spawanych) płytowych wymienników ciepła stosowanych m.in. w instalacjach chłodniczych, klimatyzacyjnych i ciepłowniczych. Omówiono technologię wykonania i zakresy stosowalności poszczególnych konstrukcji lutowanych i spawanych PHE oraz sposoby ich czyszczenia. Przedstawiono standardowe akcesoria wykorzystywane podczas instalacji i eksploatacji płytowych wymienników ciepła. Ponadto omówiono krótko procedurę obliczania i doboru PHE. 

     W publikacjach [1, 2] przedstawiono szerokie możliwości aplikacyjne płytowych wymienników ciepła (PHE – ang. Plate Heat Exchanger), omówiono zalety płynące ze stosowania wymienników płytowych w wielu gałęziach przemysłu, w szczególności w instalacjach chłodniczych i klimatyzacyjnych. Szczegółowej analizie konstrukcyjnej poddano płytowe wymienniki rozbieralne (uszczelkowe, skręcane) i częściowo rozbieralne (modułowe, kasetowe). Omówiono rodzaje uszczelek stosowanych w ww. wymiennikach oraz zakresy stosowalności poszczególnych materiałów uszczelkowych. Zwrócono uwagę na zachowanie się materiałów uszczelek w obecności czynników chłodniczych czystych oraz w mieszaninie z olejami roboczymi. Przedstawiono również procedurę wymiany uszczelek klejonych i zaciskowych oraz omówiono podstawowe czynności związane z eksploatacją rozbieralnych wymienników płytowych (czyszczenie, konserwacja). W artykułach [1, 2] przedstawiono również najnowsze rozwiązania konstrukcyjne płyt przepływowych oraz systemów umożliwiających realizację procesów cieplno-przepływowych dla specyficznych aplikacji, szeroki zakres wydajności aparatów i własności współdziałających termicznie czynników, etc.
     Będące tematem niniejszego artykułu nierozbieralne płytowe wymienniki ciepła można ogólnie podzielić na dwie grupy:
● wymienniki lutowane
oraz
● wymienniki spawane,
     przy czy w grupie wymienników spawanych wyróżnia się wymienniki płaszczowo-płytowe i wymienniki płytowe.

     Zakresy pracy wybranych lutowanych i spawanych płytowych wymienników ciepła przedstawiono w tabelach 1-3 [1].

Charakterystyka konstrukcyjna lutowanych PHE
Zalety i zastosowanie
     Płytowe lutowane wymienniki ciepła, zaprojektowane w latach 70. ubiegłego wieku, stanowią obecnie główną gałąź PHE. W branży HVACR wymienniki te znalazły szerokie zastosowanie m.in. w instalacjach chłodniczych i klimatyzacyjnych jako parowacze, skraplacze, chłodnice skroplin oraz aparaty do odzysku ciepła par przegrzanych, w instalacjach solarnych i ciepłowniczych do ogrzewania podłogowego i przygotowania c.w.u, a także jako osuszacze powietrza. Płytowe wymienniki lutowane, w porównaniu do aparatów skręcanych o analogicznej wydajności, odznaczają się mniejszymi wymiarami i lżejszą konstrukcją, a dzięki bardziej masowej produkcji i mniejszemu zużyciu materiałów, są również tańsze od wymienników skręcanych. Rozwój technologii łączenia metali (m.in. zastosowanie lutów niklowych i ze stali kwasoodpornej) pozwolił na wykorzystanie wymienników lutowanych również do współpracy z medium agresywnym wobec materiałów uszczelek stosowanych w wymiennikach skręcanych oraz w warunkach pracy wymagających wyższej odporności termicznej i mechanicznej. Oczywiście nie ma rozwiązań idealnych, dlatego również wymienniki lutowane mają pewne niedoskonałości. Możliwość zastosowania wymiennika lutowanego zależy m.in. od parametrów pracy wymiennika, rodzaju współdziałających mediów oraz wymagań serwisowych. Zasadniczą wadą jest w tym przypadku brak możliwości dostępu do całej powierzchni wymiany ciepła i przeprowadzania prac serwisowych czy konserwacyjnych. Ponadto konstrukcja wymienników lutowanych nie pozwala na elastyczną zmianę ich wydajności, tak jak to ma miejsce w przypadku wymienników skręcanych, gdzie poprzez dodanie (lub odjęcie) kolejnych par płytowych lub gotowych modułów-kaset można dostosowywać wydajność wymiennika do aktualnego obciążenia cieplnego. (...)

Charakterystyka konstrukcyjna spawanych PHE
Zalety i zastosowanie
     Nierozbieralne wymienniki ciepła z płytami spawanymi zostały stworzone do specjalnych zastosowań uniemożliwiających z różnych względów zastosowanie wymienników lutowanych bądź uszczelkowych. Wymienniki te odznaczają się niezwykle zwartą i funkcjonalną konstrukcją zapewniającą wysoką sprawność przebiegu procesów wymiany ciepła oraz niskie koszty eksploatacji. Spawane PHE doskonale przekazują ciepło pomiędzy cieczami, parami oraz w procesach przebiegających ze zmianą fazy, ponadto doskonale sprawdzają się podczas realizacji procesów, w których współdziałające czynniki zdecydowanie różnią się parametrami przepływowymi (np. ciśnienie i temperatura), czy też charakteryzują się odmiennymi własnościami fizycznymi (np. gęstość, lepkość) i chemicznymi (korozyjne oddziaływanie różnych mediów).
     W zależności od rodzaju współpracujących ze sobą czynników, w procesach ogrzewania, chłodzenia, parowania, skraplania czy też odzysku ciepła wykorzystuje się spawane PHE różnego typu, tj. woda-woda, para-woda, woda-olej, para-olej czy też woda-czynnik chłodniczy. Znalazły one szerokie zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu, m.in. w branży chłodniczej, klimatyzacyjnej i ciepłowniczej, w przemyśle chemicznym i petrochemicznym, morskim, również w przemyśle farmaceutycznym, spożywczym i browarnictwie. Wymienniki spawane mogą również współpracować z czynnikami agresywnymi, np. z rozpuszczalnikami organicznymi, których nie można stosować w wymiennikach skręcanych ze standardowymi uszczelkami. Z powodzeniem mogą być także wykorzystywane w instalacjach z amoniakiem, który wyklucza stosowanie lutowanych miedzią płytowych wymienników ciepła.
     Spawane płytowe wymienniki ciepła można podzielić na dwie grupy:
● wymienniki spawane płytowe
oraz
● wymienniki spawane płaszczowo-płytowe.
     Konstrukcja i zasada działania spawanych wymienników płytowych jest analogiczna jak wymienników lutowanych, zaś szczególnie interesującym rozwiązaniem są za to wymienniki płaszczowo-płytowe łączące w sobie efektywność działania standardowych wymienników płytowych z możliwością pracy w ekstremalnych warunkach ciśnienia i temperatury na jaką pozwalają jedynie wymienniki płaszczowo-rurowe.

Budowa, zasada działania, wykonanie
     Jednym z wiodących producentów wymienników spawanych płaszczowo-płytowych jest firma APV Invensys. Wymiennik APV ParaShell jest w pełni spawaną, zamkniętą, zwartą i funkcjonalną konstrukcją, o wielu możliwych zastosowaniach. APV ParaShell zbudowany jest z całkowicie spawanego pakietu okrągłych płyt przepływowych (rys. 5) zamkniętych w cylindrycznym płaszczu, przy czym płaszcz może być wykonany w jednej z dwóch wersji: zamknięty, całkowicie spawany oraz otwieralny, skręcany, umożliwiający mechaniczne czyszczenie przestrzeni „płaszczowych”. Dwie płyty zespawane są po obwodzie i tworzą parę płytową. Każda para zespawana jest z pozostałymi parami na obwodach otworów (portów) przepływowych tworząc pakiet płyt (tzw. przestrzeń „płytowa” wymiennika). Strona „płaszczowa” utworzona jest z kolei pomiędzy płaszczem a zewnętrznymi powierzchniami płyt tworzących w parach pakiet płyt. Przepływ czynników realizowany jest w taki sposób, że jeden z nich przepływa przez zamkniętą, spawaną stronę „płytową”, drugi zaś przez stronę „płaszczową” – zamkniętą, spawaną lub otwieralną (rys. 6b). Czynnik przepływający przez stronę „płaszczową” rozprowadzany jest po całej tej przestrzeni za pomocą specjalnych kierownic przepływu (ang. flow directors) (rys. 6a).
     Wymiennik APV ParaShell może być wyposażony w kilka króćców przyłączeniowych dla strony „płaszczowej”, co pozwala na wykorzystanie wymiennika w procesach wymiany ciepła o niesymetrycznych przepływach objętościowych.
     W porównaniu do płytowych wymienników ciepła uszczelkowych (skręcanych), wymienniki płaszczowo-płytowe APV ParaShell cechuje:
● wyższa temperatura współdziałających czynników roboczych (do +300°C),
● wyższe ciśnienie pracy (do 40 bar),
● możliwość stosowania agresywnych czynników po obu stronach wymiennika (strona „płytowa” i strona „płaszczowa”) – brak uszczelek,
● uzyskanie zwartej, hermetycznej konstrukcji nie ustępującej pod tym względem wymiennikom płytowym.

     W porównaniu z wymiennikami płaszczowo-rurowymi, dzięki wymiennikom typu APV ParaShell uzyskujemy m.in.:
● mniejszą wagę wymiennika przy tej samej mocy cieplnej i przepływowej,
● mniejszą wymaganą przestrzeń (nawet do 80% oszczędności zajmowanej powierzchni) oraz niższe koszty eksploatacji dzięki wyższej efektywności procesów wymiany ciepła (minimalna różnica temperatury pomiędzy współdziałającymi czynnikami to zaledwie 1 K) oraz mniejszemu napełnieniu wymiennika (niewielkie ilości czynników biorących udział w procesie wymiany ciepła).

     Dostępne typy oraz podstawowe dane techniczne płaszczowo-płytowych spawanych wymienników ciepła APV ParaShell przedstawiono w tabeli 7.

     Również firma Termatrans (dawniej SWEP) posiada w swojej ofercie spawany płaszczowo-płytowy wymiennik ciepła, znany na rynku pod nazwą SWEP Supermax™ (rys. 7). Wymiennik ten jest kompaktową, hermetyczną, całkowicie spawaną konstrukcją, przeznaczoną do pracy w ekstremalnych warunkach podczas realizacji procesów przemysłowych o wysokiej wydajności (temperatura pracy: od -195 do +540°C, ciśnienie robocze: do 70 bar). Może być wykonany z różnych materiałów odpowiednich dla każdego z mediów biorących udział w wymianie ciepła.

     Oprócz spawanych wymienników płaszczowo-płytowych firma Termatrans oferuje również wymienniki spawane płytowe. SWEP Ultramax® (rys. 8) to rozwiązanie łączące zalety zwykłego płytowego wymiennika ciepła z urządzeniem przystosowanym do pracy w trudnych warunkach (temp. pracy: od -195 do +345°C, ciśnienie robocze: do 70 bar). Z kolei SWEP Maxchanger® (rys. 9) to odpowiedź na wyzwania łączące w sobie niewielką przestrzeń do zabudowy z wymagajacymi wytrzymałościowo-termicznymi parametrami pracy (do +540°C i 70 bar). W obu przypadkach możliwy jest szeroki zakres rozwiązań konstrukcyjnych, w tym wykonanie płyt z systemem podwójnej ścianki („double-wall”).

     Całkowicie spawaną konstrukcją jest również płaszczowo-płytowy spawany wymiennik ciepła firmy GEA PHE Group. Wymienniki GEA mogą być zbudowane z różnych materiałów konstrukcyjnych – na płyty przepływowe najczęściej stosuje się różne gatunki stali szlachetnej AISI 316L, AISI 316Ti, AISI 904 oraz nikiel 201, Monell 400, Hastelloy C22, tytan, SMO 254, C-276, zaś na płaszcze takie materiały jak P 265 GH, P 355 NL1, AISI 304, AISI 316L, AISI 316Ti oraz tytan. Spawane wymienniki płaszczowo-płytowe GEA odznaczają się dzięki temu szerokim zakresem parametrów pracy (ciśnienie robocze: 16, 25 lub 40 bar; temperatura pracy: do +300°C), a w specjalnym wykonaniu materiałowym mogą być stosowane w warunkach ekstremalnych, tj. przy temperaturze dochodzącej do +900°C i ciśnieniu nawet do 100 bar [5].

Eksploatacja i czyszczenie nierozbieralnych PHE
     Wszystkie wymienniki ciepła wymagają okresowego czyszczenia w celu usunięcia osadzającego się na powierzchniach wymiany ciepła kamienia, mikroorganizmów i innych zanieczyszczeń. W zależności bowiem od rodzaju i własności współdziałających termicznie czynników oraz przeznaczenia wymiennika, wraz z upływem czasu i gromadzeniem się osadów wydajność wymiennika może ulegać zmniejszeniu (następuje spadek wartości współczynników wymiany ciepła, zakłócenie charakterystyki cieplno-przepływowej wymiennika, spadek sprawności i wydajności wymiennika). Dlatego z punktu widzenia efektywnego działania i długotrwałej eksploatacji płytowych wymienników ciepła niezmiernie ważną czynnością jest właśnie czyszczenie powierzchni wymiany ciepła. Jak opisano w [2] istnieją dwie metody usuwania zanieczyszczeń:
● czyszczenie ręczne w drodze demontażu wymiennika
oraz
● czyszczenie chemiczne na miejscu – tzw. metodą CIP (ang. Cleaning-In-Place).
     W tej drugiej metodzie tworzy się układ cyrkulacyjny (urządzenie CIP) z wymiennikiem – tak jak to przedstawiono na rys. 10 – wykorzystujący odpowiedni detergent. Procedura czyszczenia chemicznego składa się z następujących operacji:
● wypuszczenia resztek czynników roboczych (z zachowaniem odpowiednich przepisów dotyczących substancji zużytych),
● przepłukania wymiennika zimną lub letnią wodą,
● wykonania cyrkulacji ciepłego roztworu czyszczącego,
● przepłukania wymiennika ciepłą wodą (z dodanym do niej zmiękczaczem),
● przepłukania wymiennika zimną lub letnią wodą. (...)

Standardowe akcesoria do płytowych wymienników ciepła (...)
Obliczanie i dobór PHE (...)

Podsumowanie
     Lutowane płytowe wymienniki ciepła, dzięki swoim niewątpliwym zaletom, są najszerzej stosowanymi wymiennikami ciepła w wielu gałęziach przemysłu. Kompaktowa i lekka konstrukcja, masowa produkcja płyt przepływowych, zastosowanie najnowszych technik łączenia metali oraz wykorzystanie różnych materiałów lutujących (poza miedzią również niklu i stali kwasoodpornych) sprawiło, że lutowane PHE stosowane są z powodzeniem w aplikacjach z medium agresywnym wobec materiałów uszczelek i – przy wymaganej mniejszej wydajności – zastępują coraz częściej wymienniki skręcane.
     Podobne zalety mają wymienniki płytowe spawane, przy czym dodatkowo odznaczają się wyższą odpornością termiczną i mechaniczną w porównaniu do wymienników lutowanych. Do zastosowań w ekstremalRys. 11. Widok ogólny izolacji termicznych płytowych wymienników ciepłanych warunkach pracy pod względem ciśnienia (nawet do 100 bar), temperatury (do +900°C), własności czynników roboczych (oddziaływanie korozyjne) oraz możliwości przepływowych stworzone zostały spawane płaszczowo-płytowe wymienniki ciepła, łączące efektywność działania klasycznych płytowych wymienników ciepła (lutowanych i spawanych) z wydajnością dotychczas spotykaną tylko w tradycyjnych płaszczowo-rurowych wymiennikach ciepła. Poza tym, w odróżnieniu od wymienników płaszczowo-rurowych, spawane wymienniki płaszczowo-płytowe są aparatami odznaczającymi się bardziej kompaktową i hermetyczną konstrukcją, co pozwala na zmniejszenie gabarytów wymienników przy tej samej wydajności cieplnej i przepływowej co wymienniki płaszczoworurowe oraz na zmniejszenie niezbędnej przestrzeni montażowej. Dodatkowo, jako wymienniki o wysokiej efektywności realizacji procesów wymiany ciepła, spawane wymienniki płaszczowo-płytowe cechuje również na stosowanie mniejszych ilości czynników roboczych oraz obniżenie kosztów eksploatacyjnych.
     Zasadniczą wadą nierozbieralnych płytowych wymienników ciepła jest brak dostępu do powierzchni wymiany ciepła w celu przeprowadzenia czynności konserwacyjnych oraz brak możliwości elastycznego dostosowania wydajności do zmieniającego się zapotrzebowania, tak jak to jest w wymiennikach skręcanych. Jednak zdecydowana przewaga zalet sprawia, że nierozbieralne płytowe wymienniki ciepła będą odgrywać coraz większą rolę w każdej niemal gałęzi przemysłu.

LITERATURA
[1] FLOREK R., PAWLUS J.: Płytowe wymienniki ciepła w instalacjach chłodniczych – charakterystyka konstrukcyjna i przepływowa. Zastosowanie, konstrukcja i materiały płyt, Chłodnictwo & Klimatyzacja, 5/2006.
[2] FLOREK R.: Uszczelkowe i modułowe płytowe wymienniki ciepła. Analiza konstrukcyjna, materiały uszczelek, czyszczenie i konserwacja, Chłodnictwo&Klimatyzacja, 11/2007.
[3] Materiały informacyjne firmy Alfa Laval.
[4] Materiały informacyjne firmy APV Invensys.
[5] Materiały informacyjne firmy GEA PHE Group.
[6] Materiały informacyjne firmy SONDEX.
[7] Materiały informacyjne firmy SWEP-Termatrans.
[8] Materiały informacyjne firmy Thermowave.