W niniejszym artykule przypomniano zagadnienia dotyczące konstrukcji i cech charakterystycznych wymienników płytowych, a także zaprezentowane zostały najnowsze opatentowane rozwiązania. Zwrócono również uwagę na zagadnienia, które powinny być brane pod uwagę przy doborze każdego wymiennika ciepła, a w szczególności wymiennika płytowego.

Wymiennik płytowy należy do grupy kompaktowych, wysokowydajnych wymienników ciepła, których zastosowanie w przemyśle jest obecnie bardzo szerokie. Podstawowe konstrukcje to: 

• wymienniki z możliwością demontażu w celu prowadzenia prac konserwacyjnych np. czyszczenie, wymiana uszczelek, naprawa lub wymiana płyt oraz rozbudowy lub redukcji powierzchni wymiany ciepła. Oprócz zalet, cechuje je ograniczona odporność na materiały silnie korozyjne ze względu na stosowane uszczelnienia, możliwość uszkodzenia uszczelek, ograniczenia w zastosowaniach ze względu na określony zakres temperatury i ciśnienia;
• wymienniki lutowane stosowane w szerszym zakresie temperatury i ciśnienia cechują się lepszą wytrzymałością mechaniczną, a przy zastosowaniu materiałów dedykowanych, lepszą odpornością na korozję. Przy tego rodzaju konstrukcjach należy zwrócić szczególną uwagę na możliwość zniszczenia wymiennika w wyniku np. zamarznięcia wody lub słabych roztworów oraz potrzebę utrzymania w miarę dokładnych parametrów pracy.

Wymienniki płytowe składają się z wielu cienkich specjalnie formowanych płyt, które połączone wze sobą za pomocą ramy ściągającej lub lutowania/spawania. W płytach znajdują się otwory, które po skręceniu tworzą kanały wlotowe/wylotowe, którymi prowadzone są płyny wymieniające strumień ciepła (rys. 1.).

Rys. 1. Widok konfiguracji przepływu płynów wymieniających strumień ciepła [1]

BPHE to znany na rynku skrót oznaczający kompaktowe lutowane płytowe wymienniki ciepła produkowane przez jednego ze światowych producentów. Składają się one z płyt rowkowanych umiejscowionych pomiędzy przednią a tylną płytą zewnętrzną. Płyty o różnych układach kanałów umożliwiają modyfikację charakterystyki hydraulicznej i termicznej wymienników. Płyny pomiędzy którymi zachodzi wymiana ciepła mogą przepływać przez wymiennik w przeciwprądzie i współprądzie.

Co nowego?

Jednym z ostatnich rozwiązań jest technologia AsyMatrix zapewniająca, zdaniem producenta, lepsze wykorzystanie powierzchni wymiany ciepła przy minimalnym spadku ciśnienia. 

Wskazuje się, że rozwiązanie to jest odpowiednie w technologii chłodniczej do stosowania w wytwornicach wody lodowej ze względu na zmniejszone zapotrzebowanie na czynnik chłodniczy (wysoka wydajność cieplna). Wpływa to w obecnej dobie na polepszenie charakterystyki ekologicznej urządzeń. 

Producent stwierdza, że wymiennik pozwala na zwiększenie poziomu współczynnika wydajności chłodniczej EER o 3 punkty procentowe, dzięki podniesieniu temperatury parowania czynnika chłodniczego o 1K. Dodatkowo o 25% zmniejszyła się masa wymiennika w stosunku do konwencjonalnych rozwiązań. Węższe kanały czynnika chłodniczego podwyższają efektywność oddawania ciepła, a dodatkowo zmniejsza się objętość czynnika zatrzymanego w obiegu wewnętrznym maksymalnie o 30 procent.

Nowatorskie rozwiązanie technologiczne nazwane przez kolejnego producenta technologią MicroPlateTM zakłada inny wzór tłoczenia płyt roboczych w wymienniku. Na rysunku 3. widać, że płyta pokryta jest regularnym tłoczeniem w postaci płaskich wyniesionych płaszczyzn, które stykając się zapewniają bardziej wydajną wymianę strumienia ciepła pomiędzy płynami.

Rys. 2. Różna konfiguracja płyt wymiennika w technologii AsyMatrix [2]

Producent rekomenduje to rozwiązanie dla aplikacji w obszarze zcentralizowanych i indywidualnych systemów grzewczych i chłodniczych. Stwierdza, że technologia ta pozwoliła w porównaniu z tradycyjnym jodełkowym wzorem tłoczenia płyt podnieść poziom wymiany ciepła o 10% przy jednoczesnej 35% redukcji spadku ciśnienia przy przepływie płynu przez wymiennik.

Z kolei firma KELVION d. GEA WTT [4] wprowadza w swoich wymiennikach płytowych rozwiązania techniczne mające zabezpieczać poprawną i bezawaryjną eksploatację wymienników:

• Safety ChamberTM to dodatkowa szczelna komora punkty styku lutów twardych w okolicy króćca wlotowego. W ten sposób, w przypadku zmęczenia lutu i pęknięcia go nie następuje wymieszanie płynów wymieniających strumień ciepła;
• Full-Flow-SystemTM rozwiązanie opracowane specjalnie dla wymienników lutowanych za pomocą niklu. System ten gwarantuje optymalny przepływ płynu w okolicach króćca, co pozwala zapobiegać zamarzaniu płynów niskotemperaturowych. Oblodzenie jest bowiem niewątpliwie zjawiskiem, którego w wymiennikach płytowych należy wystrzegać się w sposób szczególny;
• Delta-InjectionTM to specjalny system rozdzielczy płynu dedykowany konstrukcjom używanym jako parowniki. Zastosowane rozwiązanie równomiernie rozprowadza czynnik chłodniczy do poszczególnych kanałów.

Czynniki charakterystyczne dla doboru wymiennika płytowego 

Poniżej przedstawiono syntetyczne informacje dotyczące wymienników płytowych, które są istotne przy decyzji o zastosowaniu właśnie tego konkretnego wymiennika ciepła. Mówi się tutaj tylko o podstawowych elementach dotyczących doboru, które jednocześnie są bardzo istotne z punktu widzenia użytkownika wymienników płytowych. 

Wymienniki płytowe standardowe (na ramie z uszczelnieniami):

Media wymieniające ciepło

(...)

Ograniczenia stosowania

(...)

Materiały konstrukcyjne

(...)

Osady

(...)

Bezpieczeństwo i niezawodność

(...)

Naprawy

(...)

Powierzchnia i masa

(...)

Cena

(...)

Wymienniki płytowe lutowane

Media wymieniające ciepło

Tego typu wymienniki bardzo często stosowane są jako parowniki i skraplacze, ze względu na bardzo dobrą wymianę ciepła między czynnikiem zmieniającym fazę a cieczą. Właściwie nie nadaje się do stosowaniu w wymianie ciepła między strumieniami gazów.

Ograniczenia stosowania

Lutowane wymienniki pozwalają na bezpieczną pracę do ciśnienia rzędu 30 bar, zaś zakres temperatury może być bardzo szeroki – od -195 do 185°C. 

Materiały konstrukcyjne

W zasadzie wszystkie, a głównie stal nierdzewna dostosowana do lutowania miedzią.

Osady

W przypadku wymienników płytowych lutowanych należy się liczyć z tym, że z czasem eksploatacji może dojść do osadzenia się nadmiernych zanieczyszczeń. Ważne jest, o ile to możliwe, zastosowanie pomiaru spadku ciśnienia na wymienniku, co może wydatnie pomóc przy określeniu wielkości osadu na płaszczu. Wskazany jest plan czyszczenia wymiennika metodami chemicznymi zależnie od rodzaju zastosowania i właściwości mediów wymieniających strumień ciepła.

Bezpieczeństwo i niezawodność

Raczej nikłe ryzyko rozszczelnienia, utrzymana wrażliwość na korozję. Dodatkowo konstrukcja wrażliwa jest na odkształcenie mechaniczne płyt, co może się stać np. na skutek zamrożenia wody lub wodnego roztworu soli lub glikolu.

Wymiary i masa

Wymienniki te zazwyczaj charakteryzują się większym niż tradycyjne stosunkiem powierzchni do całkowitej objętości, bo ok. 125 m²/m³. 

Podsumowanie

Płytowe wymienniki ciepła stanowią obecnie bardzo istotny udział w rynku wymienników ciepła. Systematycznie unowocześniana konstrukcja, stosowanie coraz lepszych materiałów konstrukcyjnych oraz wysoka jakość technologii produkcji umożliwiają stosowanie omawianych wymienników w wielu gałęziach przemysłu. W kolejnej odsłonie artykułu bardziej szczegółowo omówiona zostanie specyfika ich stosowania w branży typowo chłodniczej i klimatyzacyjnej.

dr inż. Adam RUCIŃSKI
Instytut Techniki Cieplnej, Politechnika
Warszawska

LITERATURA:
[1] Wymienniki Alfa Laval: http://www.optiflow.pl/produkt/wymienniki-pytowe/48
[2] Nowatorskie Wymienniki Ciepła SWEP. Technologia Asymatrix. https://atermal.pl/wymienniki-ciepla-asymatrix.html
[3] Next generation heat exchangers for your district energy applications. Engineering Tomorrow. Danfoss.
[4] Rozwiązanie techniczne wyróżniające płytowe lutowane wymienniki ciepła KELVION D. GEA WTT. http://www.cibetreenergy.pl/index.php/pl/oferta-handlowa/plytowe-wymienniki-ciepla/lutowane-plytowewymienniki-ciepla-firmy-gea-wttinformacje-ogolne/rozwiazanie-techniczne-wyrozniajace-plytowelutowane-wymienniki-ciepla-geawtt-informacje-ogolne.html